摘 要：本文提出了一種基于DSP和以太網(wǎng)的指紋識別系統(tǒng)。給出了系統(tǒng)的設計方案，并詳細介紹了DSP芯片怎樣接收采集的指紋圖像數(shù)據(jù)，將圖像進行處理后，再通過與以太網(wǎng)控制芯片RTL8019的接口，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄钟蚓W(wǎng)中，從而實現(xiàn)了寬領域內(nèi)的指紋識別。 關鍵詞：指紋 識別 以太網(wǎng) 接口 1引言 人類指紋以其唯一性和不變性在驗證身份中已經(jīng)成為應用最為可靠、方便的一種類型，隨著計算機及圖像技術的發(fā)展，指紋識別的應用領域也越來越廣泛，目前，指紋識別技術在刑事偵查、戶籍管理、銀行儲蓄系統(tǒng)都得到了成功的應用。 網(wǎng)絡技術的突飛猛進已經(jīng)把地球變?yōu)榈厍虼?，而怎樣將指紋識別與互聯(lián)網(wǎng)有效連接起來，使人們在不同地點，實現(xiàn)快速、準確的用指紋來驗證身份也顯得非常重要。應用DSP系統(tǒng)與計算機網(wǎng)絡互連實現(xiàn)指紋圖像的處理和傳輸，基于國內(nèi)局域網(wǎng)中大部分是以太網(wǎng)，本文主要介紹應用TI公司的第五代產(chǎn)品TMS320VC5402與以太網(wǎng)控制器RTL8019實現(xiàn)指紋圖像的處理和傳輸。 2指紋識別系統(tǒng)的基本組成 以下框圖給出了指紋識別系統(tǒng)的基本組成。 取指方法有多種，可采用幾何光學理論，再經(jīng)過光電轉換，將指紋直接轉換成電信號。 指紋圖像采集輸入是將電信號轉換為數(shù)字信號。具體過程是將指紋的壓痕轉換成計算機可以識別的數(shù)字圖像。典型的方法是將“1×1”的指紋圖像數(shù)字化成512×512像素（每像素含8bit）的陣列。將此數(shù)字圖像輸送給DSP芯片為核心的圖像處理系統(tǒng)。 以太網(wǎng)輸入，指紋圖像經(jīng)過處理后通過以太網(wǎng)接口芯片傳輸?shù)骄钟蚓W(wǎng)，與識別中心的指紋數(shù)據(jù)庫進行匹配識別，從而實現(xiàn)遠程指紋識別。 整個系統(tǒng)是以DSP芯片為核心進行指紋圖像的預處理和提取指紋特征，通過以太網(wǎng)接口芯片將預識別的指紋圖像傳輸?shù)骄钟蚓W(wǎng)。下面著重介紹一下整個系統(tǒng)的設計方案、指紋圖像的處理方法及識別方法。 2.1系統(tǒng)的設計方案 本系統(tǒng)的設計主要是兩個接口的設計，即“指紋圖像采集”與“指紋圖像處理”的接口方法和“指紋圖像處理”與“以太網(wǎng)傳輸”的接口方法。 2.1.1接口1 本系統(tǒng)中所采用的DSP芯片為TI公司生產(chǎn)的第五代產(chǎn)品，可實現(xiàn)16為定點運算的TMS320VC5402，它具有很高的運算速度，16K字的片上RAM和4K字的片上ROM，并可進行外部擴展。2個自動緩沖串行口（BSP）和與外部處理器通信的HPI。有很高的性能價格比，因而適合于圖像處理。圖2給出了C5402與圖像采集的具體連接方法。 （1）內(nèi)存器映射選擇模式CPU通常情況下可根據(jù)用戶需要工作在不同的模式下即要求程序存儲空間定義在片內(nèi)還是在片外，主要由MP／MC決定。MP／MC=1，4000H-FFFFH程序存儲空間全部定義為片外存儲器。MP／MC=0，4000H-EFFFH程序存儲空間全部定義為片外存儲器，F(xiàn)F00H-FFFFH程序存儲空間定義為片上存儲器。 （2）數(shù)據(jù)總線圖像采集的數(shù)據(jù)總線I／O口I／015-I／00與C5402的D15-D0相連，同時C5402的D15-D0與程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器的I／015-I／00相連。程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器的OE和WE（讀／寫使能）分別由C5402的MSTRB和R／W經(jīng)過74LVC139譯碼后選通。而程序存儲的CE由C5402的PS選通。數(shù)據(jù)存儲器的CE由A15和DS經(jīng)74LVC139譯碼后選通。 （3）地址總線圖像采集的地址總線A15-A0與C5402的16位地址A15-A0相連，同時C5402的A13-A0與數(shù)據(jù)存儲器的A13-A0相連，而數(shù)據(jù)存儲器的A16-A14作為控制頁碼選擇。因此數(shù)據(jù)存儲器共分8頁，每頁16K字，映射到內(nèi)存空間的0X4000到0X7FFF。C5402的A14-A0又與程序存儲器的A14-10相連，程序存儲器的A16、A15作為控制頁碼選擇。因此程序存儲器共分4頁，每頁32K字，映射到內(nèi)存空間的0X8000-0XFFFF。 2.1.2接口2 RTL8019是臺灣Realtek公司生產(chǎn)的以太網(wǎng)控制器，采用100腳的PQFP封裝，其引腳可分為電源和時鐘引腳、網(wǎng)絡介質(zhì)接口引腳、自舉ROM及初始化EPROM接口引腳、主處理接口引腳、輸出指示及工作方式配置引腳。支持IEEE802.3 10Base，10Base2，10BaseT，在ISA總線卡中占有相當比例；支持8位或16位數(shù)據(jù)總線，支持16I／O基地址選擇；內(nèi)置16K字的SARM，用于收發(fā)緩沖；與主機有三種可選擇的接口模式，分別為跳線模式、PnP模式和RT模式。為了簡化DSP網(wǎng)絡的軟、硬件設計，本文中所選用的是跳線模式。這種模式與早期的網(wǎng)絡控制器兼容，其端口基地、中斷口等都由開關或跳線器決定。 （1）模式選擇模式選擇有JP和PnP引腳決定，此系統(tǒng)選擇跳線模式，JP引腳接高電平。為了屏蔽遠程自舉加載，SMEMRB引腳接高電平。 （2）地址總線RTL8019一共有20根地址線，這里用16根對I／O口尋址，即DSP的A15-A0與RTL8019的SAl5-SA0相連，其余接地。為了使I／O命令有效，地址使能引腳AEN接地。 （3）數(shù)據(jù)總線選擇16位數(shù)據(jù)總線，即要求RTL8019的IOCSl6引腳接高。由于RTL8019的接口電平為5V，而C5402的總線電平為3.3v，所以要進行電平轉換。 （4）中斷與讀／寫控制RTL8019共有8個中斷輸出，只要選擇其中的一個作為中斷請求即可。RTL8019的讀／寫狀態(tài)可以由C5402的I／O口控制信號IS、IOSTRB、R／W信號經(jīng)過74LVCl39譯碼來控制。為了避免RTL8019與其他芯片的讀寫速度不匹配的現(xiàn)象，RTL8019有專門給主機讀寫命令插入等待周期功能的引腳IOCHRDY。因此將此引腳與C5402的READY引腳相連，可以避免C5402的讀寫速度過快而與RTL8019不匹配的現(xiàn)象。 （5）初始化配置用C5402的一個擴展輸出口代替跳線器來指定RTL8019AS的I／O口基地址、中斷輸出口、介質(zhì)類型，并用一個輸出信號作為RTL8019AS的復位信號。RTL8019AS復位結束時采樣這些配置引腳，并根據(jù)引腳狀態(tài)初始化其內(nèi)部的配置寄存器。 在RTL8019復位初始化后，還要對寄存器的部分內(nèi)容初始化，才能接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，其內(nèi)置的16K字SRAM可以進行接收和發(fā)送的緩沖。緩沖區(qū)可分為64頁，頁碼范圍從0X40-0X80，每頁256bit。由PSTART和PSTOP寄存器來設定接收緩沖器的頁碼范圍，由RSAR0、1和RBCR0、1寄存器來設定發(fā)送緩沖器的頁碼范圍。 2.2圖像預處理的過程 圖像預處理的目的是為了改善輸入圖像的質(zhì)量，將其轉換成一幅清晰的點線圖像。圖像特征的抽取和識別要求有很高的精度，因此圖像的預處理過程相對復雜，具體包括指紋圖像的增強、脊線的增強和恢復、二值化。圖像的增強包括平滑、銳化和濾波過程，此技術己于1989年由O‘Gorman和Nickerson得到完善，在此不做詳細介紹。下面著重介紹一下脊線的增強和恢復。這個過程主要包括兩個部分，第一部分是從輸入的指紋圖像中計算出圖像的方向。第二部分是通過上面計算出的方向來進行濾波、增強和恢復。 （1）圖像方向的計算如圖4所示，圖像中某一點（i，j）的方向記為D（i,j），這里首先計算Sd，即沿著方向d的不同灰度值之和。 上式中f（i,j）和fd（ik,jk）分別表示像素（i,j）和像素（ik，jk）的相應灰度值，（ik,jk）表示從（i，j）沿d方向的第k個像素，n表示計算的像素數(shù)，N表示使用的方向數(shù)。取N=16個方向，且n=8，即每個方向上取8個鄰點。點（i，j）的方向D（i，j）取Sd的最小值，即 由上式可以得出，在沿著脊線方向上灰度值總體變化最小，在垂直脊線方向上灰度值總體變化最大。因此像素點（i，j）的方向D（i，j）就是圖像中灰度一律取最大值的方向。另外，在求各個方向上點的灰度值時，各個方向上的點位置是通過原0方向上的點的坐標旋轉而得到的。如果求1方向上的第i個點坐標，則 其中α表示0方向和1方向間的夾角。 通過一個分區(qū)中各個像素點的方向可以計算出該區(qū)的方向，該區(qū)的方向即與該區(qū)內(nèi)像素方向概率最大者相同。 （2）圖像處理方法通過觀察表明，整個指紋圖像中相互聯(lián)系的各個分區(qū)之間的方向不會發(fā)生急劇的變化，因此可以判斷，凡是有急劇變化的區(qū)，即為噪聲區(qū)，那么該區(qū)的方向就由它周邊各區(qū)方向最大概率者來替換，一般進行兩次這樣重復操作，約70～80％的噪聲可以清除，而且圖像增強和恢復的效果較好，但這種方法在分區(qū)方向計算不是非常精確的情況下不易使用超過兩次，否則會出現(xiàn)部分圖像的扭曲。 二值化是將圖像轉化成0，1取值的二值圖像。圖像每塊的平均值作為閾值，根據(jù)這個閾值判斷，若像素值大于閾值則為1，若像素值小于閾值則為0。最后進行指紋特征的提取。 2.4識別的方法 處理好的圖像經(jīng)過以太網(wǎng)接口芯片傳輸?shù)骄钟蚓W(wǎng)后，與識別中心的指紋數(shù)據(jù)庫中的指紋模式進行匹配識別。指紋數(shù)據(jù)庫中的指紋模式根據(jù)細節(jié)特征進行了分類，這樣可以減少預識別指紋與指紋數(shù)據(jù)庫的對比數(shù)量，大大節(jié)省了識別的時間，提高了識別的準確度。下式給出了對比相似匹配函數(shù)。 式中S表示匹配度，P表示指紋圖像的細節(jié)對數(shù)，M表示預識別指紋圖像的細節(jié)數(shù)，N表示指紋數(shù)據(jù)庫中指紋圖像的細節(jié)數(shù)，如果預識別指紋圖像細節(jié)與指紋數(shù)據(jù)庫中指紋圖像細節(jié)相近（在允許范圍內(nèi)），則稱為一對。這樣，匹配數(shù)最高的者即可作為候選指紋。 3結束語 由DSP和以太網(wǎng)控制芯片組成的指紋識別系統(tǒng)，在指紋圖像的處理速度和質(zhì)量上可滿足各方面要求，尤其是帶有以太網(wǎng)接口，通過雙絞線或同軸電纜與PC機構成一個高速的局域網(wǎng)，拓寬了指紋識別系統(tǒng)的應用范圍。若通過PC機與互聯(lián)網(wǎng)連網(wǎng)，設置不同的外部硬件和軟件，可更進一步延伸指紋識別的應用領域。