專(zhuān)利名稱(chēng)：一種基于fpga的嵌入式指紋識(shí)別系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于計(jì)算機(jī)程序的技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種軟硬件相結(jié)合的基于FPGA的嵌入式指紋識(shí)別技術(shù)。
背景技術(shù)：
目前，從事指紋識(shí)別算法的研究的公司和研究機(jī)構(gòu)發(fā)展很迅速。其中，美國(guó)的Identicator和Secugen、法國(guó)的Segam等公司，其強(qiáng)大的經(jīng)濟(jì)實(shí)力和長(zhǎng)期的技術(shù)積累，使他們?cè)谶@一領(lǐng)域處于世界領(lǐng)先地位；由加州大學(xué)洛杉磯分校的研究的專(zhuān)用指紋芯片一ThumbPod指紋安全系統(tǒng),采用開(kāi)源IP處理器核Leon2 ;另外，比如我國(guó)臺(tái)灣的Startek和韓國(guó)的Pefis也做的不錯(cuò)。目前指紋識(shí)別領(lǐng)域的學(xué)術(shù)權(quán)威是A. K. Jain教授，來(lái)自美國(guó)密歇根州立大學(xué)計(jì)算機(jī)系模式識(shí)別與圖像處理實(shí)驗(yàn)室，他帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)在IEEE上發(fā)表數(shù)十 篇論文，對(duì)指紋識(shí)別的發(fā)展作出了突出貢獻(xiàn)。現(xiàn)在，指紋識(shí)別技術(shù)已日趨成熟，雖有一些不足尚待改進(jìn)，但其為市場(chǎng)接受已經(jīng)稱(chēng)為一個(gè)不爭(zhēng)的事實(shí)。目前，在需要密碼啟動(dòng)的保險(xiǎn)柜、手機(jī)和筆記本電腦等產(chǎn)品上，指紋識(shí)別技術(shù)的應(yīng)用十分更廣泛。飛利浦和摩托羅拉分別推出了 W727和ME860等商務(wù)手機(jī)，聯(lián)想公司推出的指紋識(shí)別鍵盤(pán)，易指禪推出的U盤(pán)電腦指紋加密鎖；并且蘋(píng)果公司也將在I0S5. I上支持指紋識(shí)別；這說(shuō)明指紋識(shí)別技術(shù)的應(yīng)用已不知不覺(jué)融入人們的生活。在國(guó)內(nèi)外有些超市已開(kāi)始利用指紋識(shí)別系統(tǒng)加速買(mǎi)單作業(yè)，并用來(lái)開(kāi)關(guān)臨時(shí)置物柜。指紋識(shí)別系統(tǒng)將成為為了主要的身份驗(yàn)證工具。在我國(guó)，推出指紋識(shí)別產(chǎn)品的公司絕大多數(shù)公司是引進(jìn)了國(guó)外的技術(shù)，真正掌握核心技術(shù)、擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的公司只有北大高科、中自漢王、粵安集團(tuán)、杭州晟元等幾家，而學(xué)術(shù)方面則是田捷為代表的中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所、北京大學(xué)計(jì)算機(jī)系、清華大學(xué)自動(dòng)化系、北京郵電大學(xué)等單位居于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先地位。目前，嵌入式紋識(shí)別系統(tǒng)的硬件平臺(tái)主要是基于高速DSP處理器的(以TI公司TMS320系列DSP應(yīng)用居多)，以DSP芯片為核心，控制采集儀采集指紋，RAM存放運(yùn)行時(shí)的代碼和數(shù)據(jù)，運(yùn)算和控制都由DSP完成，主要考慮算法的優(yōu)化以及內(nèi)存的優(yōu)化等。最近幾年，ARM廣泛應(yīng)用于嵌入式控制、消費(fèi)電子、網(wǎng)絡(luò)通信、移動(dòng)式應(yīng)用等領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)也有開(kāi)始以ARM處理器為硬件平臺(tái)進(jìn)行指紋識(shí)別系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，目前的有一些大學(xué)做了些研究。以上兩種技術(shù)算法運(yùn)行都只能順序執(zhí)行，識(shí)別系統(tǒng)速度受限，而FPGA(Field Programmable Gate Array)具有并行處理的特點(diǎn)，運(yùn)行速度快，可以針對(duì)不同環(huán)境、不同用戶(hù)群，對(duì)指紋識(shí)別模塊進(jìn)行裁剪，擴(kuò)充，在線(xiàn)更新。這些特性方便開(kāi)發(fā)人員進(jìn)行設(shè)計(jì)、修改和升級(jí)。這也是研究本課題的目的之一,進(jìn)一步研究ASIC集成電路技術(shù)將IP核做成超大規(guī)模集成電路指紋識(shí)別芯片。這樣只要一顆芯片就可以完成指紋識(shí)別系統(tǒng)的工作，大大縮短了開(kāi)發(fā)周期，同時(shí)擴(kuò)大了指紋識(shí)別的適用范圍和市場(chǎng)應(yīng)用領(lǐng)域
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的研制目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，而提供一種既可用于移動(dòng)設(shè)備進(jìn)行指紋識(shí)別，也作為專(zhuān)用集成電路開(kāi)發(fā)的雛形，且功耗低，性能穩(wěn)定，識(shí)別速度快，可有效進(jìn)行指紋的比對(duì)和錄入。本發(fā)明的一種基于FPGA的嵌入式指紋識(shí)別系統(tǒng)，包括指紋識(shí)別算法IP核和指紋采集儀控制器，所述的指紋識(shí)別算法IP核進(jìn)行了算法優(yōu)化，采用Verilog HDL進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，形成指紋識(shí)別IP核。同時(shí)所述的采集儀控制器具有指紋質(zhì)量評(píng)測(cè)的功能，而且所述的系統(tǒng)引入指紋分類(lèi)方法，構(gòu)建了一個(gè)易裁剪、高效軟硬件相結(jié)合的指紋識(shí)別系統(tǒng)框架。所述的指紋識(shí)別算法IP核，對(duì)指紋增強(qiáng)算法進(jìn)行了優(yōu)化，其中包括計(jì)算方向場(chǎng)時(shí)采用累加梯度、根據(jù)Gabor函數(shù)對(duì)稱(chēng)性對(duì)算子進(jìn)行優(yōu)化、濾波區(qū)域的大小與脊線(xiàn)頻率相關(guān)。其作用是簡(jiǎn)化了方向場(chǎng)的計(jì)算，減少了 Gabor系數(shù)的計(jì)算,從而整體減少濾波算法的計(jì)算量，并且濾波區(qū)域更加合理。從整體上提高了增強(qiáng)算法的效率。所述的指紋識(shí)別算法IP核，設(shè)計(jì)優(yōu)化包括采用流水線(xiàn)設(shè)計(jì)、串并轉(zhuǎn)換模塊，形成指紋識(shí)別IP核。其作用是采用資源換去速率的方式，提高算法處理數(shù)據(jù)的速度，從而提高 指紋識(shí)別算法的速度。所述的指紋采集儀控制器，具有指紋質(zhì)量評(píng)測(cè)的功能，針對(duì)過(guò)濕過(guò)干、指紋有效面、指紋對(duì)齊等參數(shù)進(jìn)行評(píng)定，采集到高質(zhì)量的指紋圖像。其作用是為指紋識(shí)別系統(tǒng)提供高質(zhì)量的指紋輸入圖像，提高系統(tǒng)識(shí)別的性能。所述的軟硬件結(jié)合的指紋識(shí)別系統(tǒng)架構(gòu)，指紋分類(lèi)采用軟件實(shí)現(xiàn)，指紋識(shí)別采用硬件電路IP核實(shí)現(xiàn)，并行運(yùn)行。其作用是并行架構(gòu)，提高指紋識(shí)別系統(tǒng)的性能。本發(fā)明的有益效果在于I、本發(fā)明指紋識(shí)別算法采用Verilog HDL實(shí)現(xiàn)IP核，為指紋識(shí)別專(zhuān)業(yè)芯片設(shè)計(jì)提供了模型基礎(chǔ)。2、本發(fā)明中指紋識(shí)別IP核的優(yōu)化工作，在其他IP核設(shè)計(jì)中也有借鑒的作用。3、本發(fā)明設(shè)計(jì)的指紋增強(qiáng)算法的優(yōu)化策略，在算法優(yōu)化過(guò)程中具有通用性，將復(fù)雜算法優(yōu)化成適合硬件電路實(shí)現(xiàn)的算法，效果明顯。4、本發(fā)明構(gòu)建的軟硬件架構(gòu)，軟件部分和硬件部分都是在FPGA板子上實(shí)現(xiàn)，該架構(gòu)先進(jìn)，易裁剪，可在線(xiàn)升級(jí)，充分發(fā)揮了 FPGA技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)我們所提供的技術(shù)，可應(yīng)用到移動(dòng)設(shè)備等續(xù)航能力差的指紋識(shí)別模塊中。也可以快速進(jìn)行指紋識(shí)別系統(tǒng)的二次開(kāi)發(fā)，或進(jìn)行專(zhuān)用指紋識(shí)別芯片的設(shè)計(jì)。


圖I是本發(fā)明系統(tǒng)硬件框架；圖2是指紋預(yù)處理算法流程圖；圖3是本發(fā)明系統(tǒng)框圖；圖4是本發(fā)明系統(tǒng)工作流程圖；圖5是串并轉(zhuǎn)換模塊；圖6指紋識(shí)別算法IP核頂層模塊；圖7歸一化模塊綜合圖；圖8增強(qiáng)模塊綜合圖9 二值化模塊綜合圖；圖10細(xì)化模塊綜合圖；圖11特征提取模塊綜合圖；圖12特征匹配模塊綜合圖。圖中A是采集儀控制器；B是指紋識(shí)別算法IP核。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例如圖1、2、6所示本發(fā)明的一種軟硬件相結(jié)合的基于FPGA的嵌入式指紋識(shí)別技術(shù)，包括指紋識(shí)別算法IP核和指紋采集儀控制器，其特征在于所述的指紋識(shí)別算法IP核進(jìn)行了算法優(yōu)化，采用Verilog HDL進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，形成自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的指紋識(shí)別IP核，如圖6-12。同時(shí)所述的采集儀控制器具有指紋質(zhì)量評(píng)測(cè)的功能，而且所述的系統(tǒng)引入指紋分類(lèi)方法，構(gòu)建了一個(gè)易裁剪、高效軟硬件相結(jié)合的指紋識(shí)別系統(tǒng)框架。所述的指紋識(shí)別算法IP核，對(duì)指紋增強(qiáng)算法進(jìn)行了優(yōu)化，其中包括計(jì)算方向場(chǎng)時(shí)采用累加梯度、根據(jù)Gabor函數(shù)對(duì)稱(chēng)性對(duì)算子進(jìn)行優(yōu)化、濾波區(qū)域的大小與脊線(xiàn)頻率相關(guān)。求取方向場(chǎng)時(shí)采用梯度累加的方式，而非傳統(tǒng)的二倍角，梯度向量平方的方式，大大減少計(jì)算量；對(duì)Gabor函數(shù)進(jìn)行的數(shù)學(xué)上的分析,充分挖掘Gabor函數(shù)的對(duì)稱(chēng)性,可知Gabor是偶對(duì)稱(chēng)，并且在x_y坐標(biāo)系下原點(diǎn)對(duì)稱(chēng)，從而只需計(jì)算一個(gè)象限的像素值即可得到其他像素值，從而減少重復(fù)計(jì)算量，以縮短濾波的時(shí)間。濾波區(qū)域^和12表示矩形的范圍，與脊線(xiàn)頻率 f (本文取 8)有關(guān) T1 = O. 8f(i, j)，T2 = L 4f(i, j)。所述的指紋識(shí)別算法IP核，設(shè)計(jì)優(yōu)化包括采用流水線(xiàn)設(shè)計(jì)、串并轉(zhuǎn)換模塊，如圖5，形成自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的指紋識(shí)別IP核，如圖6-12。串并轉(zhuǎn)換模塊其作用是采用資源換去速率的方式，減少讀數(shù)據(jù)帶來(lái)的延時(shí)，提高算法處理數(shù)據(jù)的速度，從而提高指紋識(shí)別算法的速度。該IP核可根據(jù)用戶(hù)需求進(jìn)行裁剪，留下用戶(hù)需要的部分。所述的指紋采集儀控制器，具有指紋質(zhì)量評(píng)測(cè)的功能，針對(duì)過(guò)濕過(guò)干、指紋有效面、指紋對(duì)齊等參數(shù)進(jìn)行評(píng)定，采集到高質(zhì)量的指紋圖像。其作用是為指紋識(shí)別系統(tǒng)提供高質(zhì)量的指紋輸入圖像，提高系統(tǒng)識(shí)別的性能。圖像的均值Mtl和方差W可以求得?；叶染礛tl反映圖像的明暗程度，Mtl越大，圖像越亮；反之，圖像越暗。方差4則反應(yīng)圖像前景和背景的對(duì)比度，值越大，對(duì)比度越明顯。而對(duì)于濕度較大的指紋，采集圖像灰度均值較小，方差也較??；對(duì)于太干的指紋，采集的圖像灰度均值較大，方差較大。根據(jù)以上特性，設(shè)置灰度均值的閾值tl (下界)，t2 (上界)，以及方差閾值V，進(jìn)行聯(lián)合決策。將指紋圖像做三類(lèi)情況處理I. M0 > I2 &&crn < V，指紋圖像太亮，且對(duì)比度不高，即指紋太干，需濕潤(rùn)；2. M0 < f' &&cr(； < V，指紋圖像太暗，且對(duì)比度不高，即指紋太濕，需擦干；3. h<Mn <h SL&al > V，指紋明暗合適，且對(duì)比度高，即指紋質(zhì)量好。采用灰度方差可以判讀指紋的背景和前景，從而統(tǒng)計(jì)指紋的有效面積。通過(guò)計(jì)算有效區(qū)域的質(zhì)心和原始指紋圖像的質(zhì)心(width/2, length/2)之間的偏移來(lái)判斷用戶(hù)手指偏移的程度，從而達(dá)到指導(dǎo)用戶(hù)糾正的目的。
權(quán)利要求
1.一種基于FPGA的嵌入式指紋識(shí)別系統(tǒng)，包括指紋識(shí)別算法IP核和指紋采集儀控制器，其特征在干所述的指紋識(shí)別算法IP核進(jìn)行了算法優(yōu)化，采用Verilog HDL進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，形成指紋識(shí)別IP核，同時(shí)所述的采集儀控制器具有指紋質(zhì)量評(píng)測(cè)的功能，而且所述的系統(tǒng)引入指紋分類(lèi)方法，構(gòu)建了一個(gè)易裁剪、高效的軟硬件相結(jié)合的指紋識(shí)別系統(tǒng)框架。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于FPGA的嵌入式指紋識(shí)別系統(tǒng)，其特征在于所述的指紋識(shí)別算法IP核，對(duì)指紋增強(qiáng)算法進(jìn)行了優(yōu)化，其中包括計(jì)算方向場(chǎng)時(shí)采用累加梯度、根據(jù)Gabor函數(shù)対稱(chēng)性對(duì)算子進(jìn)行優(yōu)化、濾波區(qū)域的大小與脊線(xiàn)頻率相關(guān)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于FPGA的嵌入式指紋識(shí)別系統(tǒng)，其特征在于所述的指紋識(shí)別算法IP核，設(shè)計(jì)優(yōu)化包括采用流水線(xiàn)設(shè)計(jì)、串并轉(zhuǎn)換模塊，并形成自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的指紋識(shí)別IP核。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于FPGA的嵌入式指紋識(shí)別系統(tǒng)，其特征在于所述的指紋采集儀控制器，具有指紋質(zhì)量評(píng)測(cè)的功能，針對(duì)過(guò)濕過(guò)干、指紋有效面、指紋對(duì)齊等參數(shù)進(jìn)行評(píng)定，采集到高質(zhì)量的指紋圖像。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于FPGA的嵌入式指紋識(shí)別系統(tǒng)，其特征在于所述的軟硬件結(jié)合的指紋識(shí)別系統(tǒng)架構(gòu)，指紋分類(lèi)采用軟件實(shí)現(xiàn)，指紋識(shí)別采用硬件電路IP核實(shí)現(xiàn)，并行運(yùn)行。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于FPGA的嵌入式指紋識(shí)別系統(tǒng)，屬于計(jì)算機(jī)程序的技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種軟硬件相結(jié)合的基于FPGA的嵌入式指紋識(shí)別技術(shù)。包括指紋識(shí)別算法IP核和指紋采集儀控制器，其特征在于所述的指紋識(shí)別算法IP核進(jìn)行了算法優(yōu)化，采用VerilogHDL進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，形成自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的指紋識(shí)別IP核。同時(shí)所述的采集儀控制器具有指紋質(zhì)量評(píng)測(cè)的功能，而且所述的系統(tǒng)引入指紋分類(lèi)方法，構(gòu)建了一個(gè)易裁剪、高效軟硬件相結(jié)合的指紋識(shí)別系統(tǒng)框架。提供了一種高性能的基于FPGA的嵌入式指紋識(shí)別技術(shù)，采集指紋圖像質(zhì)量高，處理速度快，功耗低，擴(kuò)展性強(qiáng)，便于二次開(kāi)發(fā)，可普遍應(yīng)用于移動(dòng)設(shè)備的指紋鎖。
文檔編號(hào)G06K9/00GK102799869SQ20121023782
公開(kāi)日2012年11月28日 申請(qǐng)日期2012年7月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月10日
發(fā)明者譚臺(tái)哲, 戰(zhàn)蔭偉, 皮凱俊 申請(qǐng)人:廣東工業(yè)大學(xué)