張弘曄

(1.黑龍江省科學(xué)院技術(shù)物理研究所，哈爾濱 150040；2.黑龍江省科學(xué)院高技術(shù)研究院，哈爾濱 150020)

0 引言

目前，指紋識(shí)別技術(shù)被廣泛應(yīng)用于個(gè)人信息采集、無(wú)線設(shè)備支付及司法機(jī)構(gòu)等領(lǐng)域。但現(xiàn)有戶籍管理中的指紋身份識(shí)別系統(tǒng)大多沒(méi)有讓用戶在家中就能使用采集系統(tǒng)傳輸指紋的功能，用戶只能從家中走到戶籍管理中心才能完成指紋的采集，這種方式對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)很不方便，而且在指紋圖像處理過(guò)程中，現(xiàn)有的Canny算子在提取邊界過(guò)程中容易提取出含有噪聲的邊界，提取出的邊界往往寬于指紋圖像實(shí)際邊界，不利于邊界特征點(diǎn)提取及后續(xù)特征點(diǎn)入特征庫(kù)和特征匹配等處理[1]。所以，設(shè)計(jì)一套能夠應(yīng)用于社區(qū)工作站的有無(wú)線傳輸功能的體積小、性能強(qiáng)大、采集效果好的指紋采集系統(tǒng)并優(yōu)化指紋邊界提取中的Canny算子是很有必要的。本研究在戶籍管理系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了無(wú)線采集指紋模式[2-6]，并通過(guò)設(shè)計(jì)驗(yàn)證方案對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，優(yōu)化Canny算子，使優(yōu)化后的算子有較好的邊界提取效果。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理及方案

指紋識(shí)別系統(tǒng)的性能一般通過(guò)以下幾方面的參數(shù)來(lái)衡量：(1)錯(cuò)誤匹配率FAR(False Accept Rate)。將不屬于同一個(gè)人的指紋識(shí)別為同一個(gè)人的指紋。(2)不匹配率FRR(False Reject Rate)。將某人本人的指紋識(shí)別為其他人的指紋。(3)完全匹配率(True Accept Rate)。正確識(shí)別出一個(gè)人的指紋，識(shí)別出的指紋與使用識(shí)別系統(tǒng)的指紋為同一個(gè)指紋。(4)識(shí)別時(shí)間(Identification Time)。在本系統(tǒng)中具體為指紋識(shí)別的時(shí)間。此外，還要求采集芯片具有較大的采樣窗口和較快的速度，所以選用了FPS 200指紋采集芯片。同時(shí)，為了解決傳統(tǒng)戶籍管理中無(wú)法進(jìn)行無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)的問(wèn)題，選用了YJ-43M型號(hào)的無(wú)線數(shù)字傳輸電臺(tái)作為無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊。針對(duì)以上各方面的要求，給出了系統(tǒng)整體的結(jié)構(gòu)原理模型框圖，如圖1所示[6]。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理模型

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理為：用DSP的DP和DN與FPS 200的DP和DM相連接，進(jìn)而使用FPS 200的USB模式對(duì)FPS 200進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取和USB命令編程。用DSP的DX0、DR0、GPIO6三個(gè)引腳控制MAX3160多協(xié)議收發(fā)模塊，用于與無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸電臺(tái)YJ43M和顯示器或主機(jī)的通訊。MAX3160的T1OUT和T2OUT引腳用于與電臺(tái)或DB9接口中的收發(fā)信號(hào)TXD和RXD進(jìn)行通訊，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)的收發(fā)或與顯示器、主機(jī)的通訊。DSP的A1-A4、A10-A13、C0-C6、D0-D7、FA13-FA18、FCE、FOE、FEW、X2、ULED0-ULED7、電源、時(shí)鐘、復(fù)位等引腳都接到CPLD上，在CPLD內(nèi)部使用VHDL語(yǔ)言對(duì)其進(jìn)行編程，其軟件環(huán)境為Quartus II 9.0。同時(shí)，為了解決錯(cuò)誤匹配和不匹配率較高的缺點(diǎn)，在CCS3.3中軟件編程時(shí)采用C語(yǔ)言對(duì)外部指紋庫(kù)進(jìn)行調(diào)用，采用多級(jí)判斷保證指紋的正確匹配。在程序設(shè)計(jì)過(guò)程中要按照以下邏輯順序進(jìn)行，即：系統(tǒng)采集指紋是否完整；進(jìn)行指紋的特征值提取，與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行匹配；對(duì)采集到的指紋錯(cuò)誤匹配率和不匹配率進(jìn)行計(jì)算；對(duì)系統(tǒng)的識(shí)別時(shí)間進(jìn)行計(jì)算。

1.2 硬件電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用FPS 200芯片進(jìn)行指紋采集。為了連接方便以及保證傳輸效率，采用USB將數(shù)據(jù)與DSP進(jìn)行連接，以主從方式實(shí)現(xiàn)DSP對(duì)FPS 200的控制。當(dāng)FPS 200采集到指紋信息時(shí)和通過(guò)端點(diǎn)信號(hào)時(shí)，DSP產(chǎn)生中斷并執(zhí)行指紋采集程序，讀取采集內(nèi)容。為了實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，采用了YJ-43M-10無(wú)線傳輸模塊。該模塊可實(shí)現(xiàn)10 Km范圍內(nèi)的無(wú)線傳輸，多協(xié)議收發(fā)器選用MAX3160。電臺(tái)和天線如圖2所示。

圖2 電臺(tái)與天線

1.3 Canny邊界算子的優(yōu)化

邊緣檢測(cè)算法對(duì)于指紋識(shí)別尤其重要。為了獲取指紋的每一條紋理，需要對(duì)紋理輪廓進(jìn)行識(shí)別，并按照以下步驟對(duì)采集的指紋圖像進(jìn)行邊緣處理：(1)采集圖像噪聲的抑制。由于采集過(guò)程不可避免地會(huì)產(chǎn)生噪聲，需先利用中值濾波進(jìn)行去噪。(2)對(duì)圖像的邊緣類型進(jìn)行檢測(cè)。(3)進(jìn)行指紋識(shí)別邊緣檢測(cè)和算子優(yōu)化，獲得參數(shù)范圍。

2 系統(tǒng)功能及算法效果測(cè)試

運(yùn)用Quartus II 9.0對(duì)CPLD進(jìn)行VHDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)。部分CPLD程序編譯測(cè)試如圖3所示。顯示編譯成功，證明這部分CPLD程序軟件調(diào)試成功，只需要向CPLD內(nèi)部進(jìn)行燒寫(xiě)即可完成預(yù)期功能。

圖3 部分CPLD程序編譯測(cè)試效果

為了驗(yàn)證邊緣檢測(cè)算法，在白紙上進(jìn)行了多枚指紋采集，效果如圖4所示。

圖4 使用者的指紋

圖5 不同算法提取特征值

將采集到的兩個(gè)不同指紋的原圖經(jīng)過(guò)Canny邊界算子和基于Canny算子的優(yōu)化算子這兩種算子提取出的邊界進(jìn)行比較，并給出基于優(yōu)化算子邊界提取的特征點(diǎn)以及邊界特征點(diǎn)去除后的指紋原圖的顯示。利用MATLAB軟件進(jìn)行圖像處理，圖5中的圖像除指紋原圖來(lái)自于硬件系統(tǒng)，其余的圖像均從MATLAB中獲取。

其中，a、f為采集到的指紋原圖；b、g為經(jīng)Canny算子提取出的邊界；c、h為經(jīng)優(yōu)化算法提取出的邊界；d、i為在優(yōu)化算子邊界基礎(chǔ)上提取出的特征點(diǎn)；e、j為去除邊界特征點(diǎn)后基于原圖的特征點(diǎn)提取；從b、g與c、h四個(gè)圖像和原圖a、f的對(duì)比能看出，c、h提取出的邊界更接近指紋原圖，而且經(jīng)過(guò)去除邊界特征點(diǎn)后提取的特征點(diǎn)數(shù)量更少，更能代表指紋圖像的特征，減少了特征點(diǎn)存儲(chǔ)入特征庫(kù)和特征匹配顯示指紋原圖處理時(shí)因特征點(diǎn)數(shù)量過(guò)大而帶來(lái)的不便。

3 結(jié)論

在戶籍管理系統(tǒng)中提出了無(wú)線傳輸?shù)母拍睿O(shè)計(jì)了DSP控制指紋采集芯片的電路和DSP控制無(wú)線電臺(tái)的電路，讓用戶在家中就可以采集指紋并傳輸?shù)綉艏芾碇行模∪チ擞脩糇叩綉艏行倪M(jìn)行采集的過(guò)程。

采用無(wú)線傳輸實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離的指紋采集，隨后利用本系統(tǒng)對(duì)10個(gè)不同的使用者進(jìn)行指紋采集，通過(guò)系統(tǒng)的錯(cuò)誤匹配率和不匹配率以及系統(tǒng)識(shí)別指紋所花費(fèi)的時(shí)間來(lái)驗(yàn)證系統(tǒng)的性能。

對(duì)原有指紋圖像處理中的Canny邊界算子進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化之后的算法提取出的邊界更接近指紋真實(shí)的邊界。同時(shí)，給出了基于優(yōu)化算法的邊界中全部特征點(diǎn)提取以及提取后邊界特征點(diǎn)的去除，大大減少了非必要特征點(diǎn)的數(shù)量，便于后續(xù)特征點(diǎn)的存儲(chǔ)及匹配處理。