【正文】 基于FPGA的指紋識別系統(tǒng)設(shè)計第一章 緒論 設(shè)計背景生物識別技術(shù)是利用人的勝物特征進行身份認證的技術(shù), 人的指紋就是生物特征之一。此外, 生物特征還包括虹膜、視網(wǎng)膜、聲音和臉部熱譜圖等。指紋識別是生物識別技術(shù)中最為成熟的, 其唯一性、穩(wěn)定性, 一直都被視為身份鑒別的可靠手段之一。由于最早的指紋識別技術(shù)僅僅依靠人工對比，工作效率低下、比對正確率低、對比對人員的要求高，從而使得指紋識別技術(shù)無法得到廣泛應(yīng)用。但隨著計算機的出現(xiàn)及其運算速度的迅速提高,使指紋對比鑒定的應(yīng)用發(fā)生了革命性的變化。使用計算機管理指紋數(shù)據(jù)庫,極大提高了指紋對比的速度,同時由于計算機比對算法的不斷改進提高,使指紋比對誤識率已降到了10 6 以下,不僅可以滿足刑偵方面的需要,而且迅速進入了更多的應(yīng)用領(lǐng)域。隨著光學(xué)技術(shù)和光學(xué)儀器加工工藝的進步,各種采集指紋圖案進行身份認證的系統(tǒng)和設(shè)備中需要配備的高清晰、無畸變光學(xué)采集儀也達到了很高水平,確?？梢陨筛哔|(zhì)量的指紋圖像。計算機運算速度的提高和計算機小型化的進展,使采用微機甚至單片機也可以進行指紋對比運算成為可能。現(xiàn)代電子集成制造技術(shù)使得我們可以生產(chǎn)出相當小的指紋圖像讀取設(shè)備和指紋識別模塊。其成本下降得也很快,大大加快了指紋識別技術(shù)的推廣速度。同時人們對消費類產(chǎn)品的要求越來越趨向于小型化，并且對可攜帶設(shè)備的安全性要求也與日俱增。傳統(tǒng)的PC、MCU、或者DSP的處理平臺移動性比較差，體積比較大，無法滿足人們?nèi)找嬖鲩L的需求。所以，設(shè)計一套體積比較小、速度更快的嵌入式指紋識別系統(tǒng)是非常有意義的。藏鋒者專業(yè)網(wǎng)絡(luò)安全免費論文：而本設(shè)計正是為了這一目的，選用具有高集成度、低功耗、短開發(fā)周期的FPGA來完成此項設(shè)計，以實現(xiàn)系統(tǒng)的ASIC為研究背景，具有很強的現(xiàn)實意義和廣闊的市場空間。本系統(tǒng)采用xilinx公司Spartan 3E系列FPGA作為核心控制器件，這款器件采用90ns的先進工藝，最大容量50萬門，可支持32位的RISC處理器，具有128 Mbit 并行Flash，足以滿足設(shè)計的要求。該項目利用嵌入式軟核實現(xiàn)系統(tǒng)的管理，利用硬件實現(xiàn)識別算法，保證了系統(tǒng)功能的完整性與識別的正確性。而識別算法我們采用美國FBI推薦的特征點匹配算法來實現(xiàn)指紋的識別，更保證了系統(tǒng)的實現(xiàn)。 課題目標:以FPGA作為核心控制器件，實現(xiàn)指紋圖像的采集、存儲、處理和比對等，完成對指紋圖像的有效識別。 研究內(nèi)容：本系統(tǒng)采用xilinx公司Spartan 3E系列FPGA作為核心控制芯片，通過富士通公司的MBF200指紋傳感器實現(xiàn)對指紋圖象的采集，利用SPI接口傳輸?shù)紽PGA進行數(shù)據(jù)的存儲，利用內(nèi)嵌的MicroBlaze處理器對指紋圖象進行灰度濾波、二值化、二值去噪、細化等預(yù)處理，得到清晰的指紋圖象，再從清晰的指紋圖象中提取指紋特征點并存入指紋數(shù)據(jù)庫作為建檔模版。指紋比對時，采用同樣的方法，得到比對模版，然后將比對模版與建檔模版利用指紋識別算法進行比對，得出比對結(jié)果。該項目利用嵌入式軟核實現(xiàn)系統(tǒng)的管理，利用硬件實現(xiàn)識別算法，保證了系統(tǒng)功能的完整性與識別的正確性。該識別系統(tǒng)可用于門禁、考勤、證件管理等很多方面，具有很廣泛的應(yīng)用前景。藏鋒者專業(yè)網(wǎng)絡(luò)安全免費論文： 研究意義生物識別技術(shù)越來越多地被應(yīng)用于身份驗證領(lǐng)域。指紋因其惟一性、終生不變性和較低的識別成本而成為目前使用最廣泛的生物識別技術(shù)，在罪犯識別、社會保險、電子商務(wù)、信息安全等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。便攜式的指紋識別技術(shù)對我們的生活也具有深遠的意義。例如，今后警察可在一個犯罪高發(fā)區(qū)截住一名嫌疑人，要求其提供指紋而不是身份證或汽車駕照。此人則將其右手的第一、二或第三個手指置于一個與無線PDA相連的傳感器上，可以迅速將嫌疑人與以前的犯罪記錄進行對比確認。 這種識別技術(shù)對于被盜的手機用戶也有好處。手機開機時要求用戶通過一個快速的認證過程，用戶將其手指劃過傳感器，如果通過認證則授權(quán)使用手機的各項功能。如果不是授權(quán)用戶，手機便繼續(xù)保持鎖住。如果連續(xù)幾次認證無法通過，則手機會刪除存儲器中的關(guān)鍵信息然后關(guān)機。 在語音郵件的應(yīng)用中，當撥出一個語音郵件號碼后，用戶只需將手指劃過傳感器便可令系統(tǒng)識別。有了指紋識別后，便無需使用郵箱密碼或個人識別號碼。 在今后的汽車應(yīng)用中，用戶可輸入家庭成員指紋樣本，經(jīng)鑒權(quán)才能駕駛。注冊過程十分簡單：每個授權(quán)駕駛的成員將其手指置于傳感器上，并將汽車的各種參數(shù)按個人愛好進行設(shè)置，然后將這些設(shè)置存入車載的電腦存儲器中。 當駕駛者進入汽車時，他/她將手指置于傳感器上，啟動識別過程。不到一秒鐘，電腦將檢測到的指紋模板與存儲的模板進行比較，藏鋒者專業(yè)網(wǎng)絡(luò)安全免費論文：。指紋模板和匹配軟件保存在汽車內(nèi)的一個嵌入式模塊中。當指紋匹配成功時，汽車便按已編程設(shè)定的內(nèi)部參數(shù)來控制后視鏡、汽車座椅、無線基站以及車內(nèi)空氣環(huán)境。此外，還可控制駕駛速度，如果駕駛者僅為十來歲的孩子，則將速度限制在每小時55公里。這些功能的實現(xiàn)具有非常多的用處?？梢?，指紋識別技術(shù)的應(yīng)用可以使我們的生活更加方便快捷，更加安全。同時本項目重點研究基于FPGA的指紋識別系統(tǒng)，利用FPGA高集成度化，低功耗，短開發(fā)周期等優(yōu)點，實現(xiàn)系統(tǒng)的ASIC，具有更加深遠的意義和廣闊的市場商機。第二章 系統(tǒng)總體設(shè)計 硬件框圖及各模塊介紹：系統(tǒng)采用xilinx公司Spartan－3E 系列FPGA作為核心的控制和運算芯片，數(shù)據(jù)采集模塊由富士通公司的MBF200電容式指紋傳感器來完成，MBF200指紋傳感器可以完成指紋圖像的采集并用其自帶的A/D轉(zhuǎn)換器將指紋圖像轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，利用SPI接口傳送至FPGA進行存儲。由FPGA處理采集來的數(shù)據(jù)，由于FPGA內(nèi)部存儲空間太小，無法存儲一張完整的指紋圖像，所以將指紋數(shù)據(jù)暫時存儲在SDRAM中。當處理圖像數(shù)據(jù)時，F(xiàn)PGA通過讀取SDRAM的指紋數(shù)據(jù)，并在其邏輯單元中進行濾波、灰度歸一化、二值化、細化和特征值提取等操作，從而獲得重要的指紋圖像信息。系統(tǒng)操作時首先利用鍵盤選擇指紋存儲模式，將獲得的指紋圖像信息存儲到FLASH中作為指紋數(shù)據(jù)庫，然后切換到指紋識別模式，再利用上述方法獲得指紋圖像信息。通過FPGA調(diào)用指紋數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，尋找與之匹配的指紋信息，最后將比對結(jié)果在LCD中顯示。本系統(tǒng)還可利用RS232與計算機進行通訊，可以方便擴展，使得系統(tǒng)可以應(yīng)用到更多的領(lǐng)域。系統(tǒng)框圖如下圖1。圖1 系統(tǒng)框圖 項目關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新性： 傳感器的選擇目前，市面上存在很多種類的指紋傳感器，應(yīng)用最廣泛的有光學(xué)、電容、電磁波、壓力、微電機和熱學(xué)指紋傳感器。而本系統(tǒng)采用美國富士通公司的MBF200電容指紋采集傳感器來實現(xiàn)對指紋圖像的采集，該款指紋傳感器采用標準的CMOS技術(shù)，含有8位A/D轉(zhuǎn)換器，～5V的寬電壓范圍，能自動檢測是否有指紋到達傳感器，并實現(xiàn)在線采集，它的最大優(yōu)點是在保證指紋圖像高分辨率(500dpi)的同時大大減少了傳感器的尺寸。利用此傳感器可以完全滿足系統(tǒng)的設(shè)計任務(wù)。 指紋圖像的預(yù)處理圖像預(yù)處理的主要步驟包括：灰度值歸一化、圖像分割、濾波、圖像增強、二值化、細化等。預(yù)處理的目的是改善輸入指紋圖像的質(zhì)量，以提高特征提取的準確性。原始指紋圖像一般存在噪聲污染、脊線斷裂或脊線模糊等問題，需要進行圖像增強（使用濾波技術(shù)）以改善質(zhì)量。由于指紋特征僅包含在脊線的形狀結(jié)構(gòu)中，所以，通過歸一化、二值化和細化把深淺不一、寬度不同的脊線變成灰度相同、單像素寬的細脊線，以便于特征提取。(1) 圖像歸一化歸一化處理是對原始指紋灰度圖像上每一象素點的一種操作，人為改變它的灰度值，消除指紋錄入傳感器表面的殘留噪音以及手指按壓力差異對指紋圖像的影響，把圖像分為的子塊，對于每一子塊求其灰度均值Mi和方差Vi。子塊灰度均值和方差的計算按如下公式： （1） （2）其中I（x，y）為子塊中象素（x，y）的灰度值，子塊歸一化的目的是調(diào)整均值和方差到一個期望的范圍，如果用G(i，j)表示（x，y）點的歸一化后的值，那么第I個子塊歸一化后灰度值為： (3)如果：，則把灰度值為全部歸0作為背景處理，這樣可以有效地去除傳感器表面殘留紋印引入的噪聲。其中，均為期望的均值和方差，M為實驗后得到的門檻值，為像素點的灰度幅度，經(jīng)比率調(diào)制后，加到期望的均值上。使得原來方差大的點歸一化后幅度更大，反之相反；而灰度值大或者小于均值的點，歸一化后繼續(xù)大或小于期望均值，而且歸一化為點操作，不會改變指紋的紋理結(jié)構(gòu)。（2）圖像分割在采集到指紋圖像后，首先要進行指紋圖像分割，即把圖像分割為指紋區(qū)與非指紋區(qū)，目的是割除白背景區(qū)和背景區(qū)，保留前景區(qū)，盡可能保留模糊區(qū)中能恢復(fù)的部分，以便后續(xù)處理能夠集中于有效區(qū)域，這不僅能提高特征提取的精確度，還能大大減少指紋預(yù)處理的時間。目前常用的指紋圖像分割的一般方法是：一種是基于圖像灰度特性的灰度均值分割，這種分割容易把有效部分割除掉，而把用力重的模糊不清的區(qū)域保留；另一種是基于灰度方差的閾值分割，這種單一分割方法不適合低對比度的圖像；第三種是基于指紋紋理的方