专利名称：一种基于fpga的嵌入式指纹识别系统的制作方法
技术领域：
本发明属于计算机程序的技术领域，尤其是涉及一种软硬件相结合的基于FPGA的嵌入式指纹识别技术。
背景技术：
目前，从事指纹识别算法的研究的公司和研究机构发展很迅速。其中，美国的Identicator和Secugen、法国的Segam等公司，其强大的经济实力和长期的技术积累，使他们在这一领域处于世界领先地位；由加州大学洛杉矶分校的研究的专用指纹芯片一ThumbPod指纹安全系统,采用开源IP处理器核Leon2 ;另外，比如我国台湾的Startek和韩国的Pefis也做的不错。目前指纹识别领域的学术权威是A. K. Jain教授，来自美国密歇根州立大学计算机系模式识别与图像处理实验室，他带领的团队在IEEE上发表数十 篇论文，对指纹识别的发展作出了突出贡献。现在，指纹识别技术已日趋成熟，虽有一些不足尚待改进，但其为市场接受已经称为一个不争的事实。目前，在需要密码启动的保险柜、手机和笔记本电脑等产品上，指纹识别技术的应用十分更广泛。飞利浦和摩托罗拉分别推出了 W727和ME860等商务手机，联想公司推出的指纹识别键盘，易指禅推出的U盘电脑指纹加密锁；并且苹果公司也将在I0S5. I上支持指纹识别；这说明指纹识别技术的应用已不知不觉融入人们的生活。在国内外有些超市已开始利用指纹识别系统加速买单作业，并用来开关临时置物柜。指纹识别系统将成为为了主要的身份验证工具。在我国，推出指纹识别产品的公司绝大多数公司是引进了国外的技术，真正掌握核心技术、拥有自主知识产权的公司只有北大高科、中自汉王、粤安集团、杭州晟元等几家，而学术方面则是田捷为代表的中国科学院自动化研究所、北京大学计算机系、清华大学自动化系、北京邮电大学等单位居于国内领先地位。目前，嵌入式纹识别系统的硬件平台主要是基于高速DSP处理器的(以TI公司TMS320系列DSP应用居多)，以DSP芯片为核心，控制采集仪采集指纹，RAM存放运行时的代码和数据，运算和控制都由DSP完成，主要考虑算法的优化以及内存的优化等。最近几年，ARM广泛应用于嵌入式控制、消费电子、网络通信、移动式应用等领域，国内也有开始以ARM处理器为硬件平台进行指纹识别系统开发，目前的有一些大学做了些研究。以上两种技术算法运行都只能顺序执行，识别系统速度受限，而FPGA(Field Programmable Gate Array)具有并行处理的特点，运行速度快，可以针对不同环境、不同用户群，对指纹识别模块进行裁剪，扩充，在线更新。这些特性方便开发人员进行设计、修改和升级。这也是研究本课题的目的之一,进一步研究ASIC集成电路技术将IP核做成超大规模集成电路指纹识别芯片。这样只要一颗芯片就可以完成指纹识别系统的工作，大大缩短了开发周期，同时扩大了指纹识别的适用范围和市场应用领域
发明内容
本发明的研制目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，而提供一种既可用于移动设备进行指纹识别，也作为专用集成电路开发的雏形，且功耗低，性能稳定，识别速度快，可有效进行指纹的比对和录入。本发明的一种基于FPGA的嵌入式指纹识别系统，包括指纹识别算法IP核和指纹采集仪控制器，所述的指纹识别算法IP核进行了算法优化，采用Verilog HDL进行设计优化，形成指纹识别IP核。同时所述的采集仪控制器具有指纹质量评测的功能，而且所述的系统引入指纹分类方法，构建了一个易裁剪、高效软硬件相结合的指纹识别系统框架。所述的指纹识别算法IP核，对指纹增强算法进行了优化，其中包括计算方向场时采用累加梯度、根据Gabor函数对称性对算子进行优化、滤波区域的大小与脊线频率相关。其作用是简化了方向场的计算，减少了 Gabor系数的计算,从而整体减少滤波算法的计算量，并且滤波区域更加合理。从整体上提高了增强算法的效率。所述的指纹识别算法IP核，设计优化包括采用流水线设计、串并转换模块，形成指纹识别IP核。其作用是采用资源换去速率的方式，提高算法处理数据的速度，从而提高 指纹识别算法的速度。所述的指纹采集仪控制器，具有指纹质量评测的功能，针对过湿过干、指纹有效面、指纹对齐等参数进行评定，采集到高质量的指纹图像。其作用是为指纹识别系统提供高质量的指纹输入图像，提高系统识别的性能。所述的软硬件结合的指纹识别系统架构，指纹分类采用软件实现，指纹识别采用硬件电路IP核实现，并行运行。其作用是并行架构，提高指纹识别系统的性能。本发明的有益效果在于I、本发明指纹识别算法采用Verilog HDL实现IP核，为指纹识别专业芯片设计提供了模型基础。2、本发明中指纹识别IP核的优化工作，在其他IP核设计中也有借鉴的作用。3、本发明设计的指纹增强算法的优化策略，在算法优化过程中具有通用性，将复杂算法优化成适合硬件电路实现的算法，效果明显。4、本发明构建的软硬件架构，软件部分和硬件部分都是在FPGA板子上实现，该架构先进，易裁剪，可在线升级，充分发挥了 FPGA技术的优势。通过我们所提供的技术，可应用到移动设备等续航能力差的指纹识别模块中。也可以快速进行指纹识别系统的二次开发，或进行专用指纹识别芯片的设计。
图I是本发明系统硬件框架；图2是指纹预处理算法流程图；图3是本发明系统框图；图4是本发明系统工作流程图；图5是串并转换模块；图6指纹识别算法IP核顶层模块；图7归一化模块综合图；图8增强模块综合图9 二值化模块综合图；图10细化模块综合图；图11特征提取模块综合图；图12特征匹配模块综合图。图中A是采集仪控制器；B是指纹识别算法IP核。
具体实施例方式实施例如图1、2、6所示本发明的一种软硬件相结合的基于FPGA的嵌入式指纹识别技术，包括指纹识别算法IP核和指纹采集仪控制器，其特征在于所述的指纹识别算法IP核进行了算法优化，采用Verilog HDL进行设计优化，形成自主知识产权的指纹识别IP核，如图6-12。同时所述的采集仪控制器具有指纹质量评测的功能，而且所述的系统引入指纹分类方法，构建了一个易裁剪、高效软硬件相结合的指纹识别系统框架。所述的指纹识别算法IP核，对指纹增强算法进行了优化，其中包括计算方向场时采用累加梯度、根据Gabor函数对称性对算子进行优化、滤波区域的大小与脊线频率相关。求取方向场时采用梯度累加的方式，而非传统的二倍角，梯度向量平方的方式，大大减少计算量；对Gabor函数进行的数学上的分析,充分挖掘Gabor函数的对称性,可知Gabor是偶对称，并且在x_y坐标系下原点对称，从而只需计算一个象限的像素值即可得到其他像素值，从而减少重复计算量，以缩短滤波的时间。滤波区域^和12表示矩形的范围，与脊线频率 f (本文取 8)有关 T1 = O. 8f(i, j)，T2 = L 4f(i, j)。所述的指纹识别算法IP核，设计优化包括采用流水线设计、串并转换模块，如图5，形成自主知识产权的指纹识别IP核，如图6-12。串并转换模块其作用是采用资源换去速率的方式，减少读数据带来的延时，提高算法处理数据的速度，从而提高指纹识别算法的速度。该IP核可根据用户需求进行裁剪，留下用户需要的部分。所述的指纹采集仪控制器，具有指纹质量评测的功能，针对过湿过干、指纹有效面、指纹对齐等参数进行评定，采集到高质量的指纹图像。其作用是为指纹识别系统提供高质量的指纹输入图像，提高系统识别的性能。图像的均值Mtl和方差W可以求得。灰度均值Mtl反映图像的明暗程度，Mtl越大，图像越亮；反之，图像越暗。方差4则反应图像前景和背景的对比度，值越大，对比度越明显。而对于湿度较大的指纹，采集图像灰度均值较小，方差也较小；对于太干的指纹，采集的图像灰度均值较大，方差较大。根据以上特性，设置灰度均值的阈值tl (下界)，t2 (上界)，以及方差阈值V，进行联合决策。将指纹图像做三类情况处理I. M0 > I2 &&crn < V，指纹图像太亮，且对比度不高，即指纹太干，需湿润；2. M0 < f' &&cr(； < V，指纹图像太暗，且对比度不高，即指纹太湿，需擦干；3. h<Mn <h SL&al > V，指纹明暗合适，且对比度高，即指纹质量好。采用灰度方差可以判读指纹的背景和前景，从而统计指纹的有效面积。通过计算有效区域的质心和原始指纹图像的质心(width/2, length/2)之间的偏移来判断用户手指偏移的程度，从而达到指导用户纠正的目的。
权利要求
1.一种基于FPGA的嵌入式指纹识别系统，包括指纹识别算法IP核和指纹采集仪控制器，其特征在干所述的指纹识别算法IP核进行了算法优化，采用Verilog HDL进行设计优化，形成指纹识别IP核，同时所述的采集仪控制器具有指纹质量评测的功能，而且所述的系统引入指纹分类方法，构建了一个易裁剪、高效的软硬件相结合的指纹识别系统框架。
2.根据权利要求I所述的基于FPGA的嵌入式指纹识别系统，其特征在于所述的指纹识别算法IP核，对指纹增强算法进行了优化，其中包括计算方向场时采用累加梯度、根据Gabor函数対称性对算子进行优化、滤波区域的大小与脊线频率相关。
3.根据权利要求I所述的基于FPGA的嵌入式指纹识别系统，其特征在于所述的指纹识别算法IP核，设计优化包括采用流水线设计、串并转换模块，并形成自主知识产权的指纹识别IP核。
4.根据权利要求I所述的基于FPGA的嵌入式指纹识别系统，其特征在于所述的指纹采集仪控制器，具有指纹质量评测的功能，针对过湿过干、指纹有效面、指纹对齐等參数进行评定，采集到高质量的指纹图像。
5.根据权利要求I所述的基于FPGA的嵌入式指纹识别系统，其特征在于所述的软硬件结合的指纹识别系统架构，指纹分类采用软件实现，指纹识别采用硬件电路IP核实现，并行运行。
全文摘要
本发明公开了一种基于FPGA的嵌入式指纹识别系统，属于计算机程序的技术领域，尤其是涉及一种软硬件相结合的基于FPGA的嵌入式指纹识别技术。包括指纹识别算法IP核和指纹采集仪控制器，其特征在于所述的指纹识别算法IP核进行了算法优化，采用VerilogHDL进行设计优化，形成自主知识产权的指纹识别IP核。同时所述的采集仪控制器具有指纹质量评测的功能，而且所述的系统引入指纹分类方法，构建了一个易裁剪、高效软硬件相结合的指纹识别系统框架。提供了一种高性能的基于FPGA的嵌入式指纹识别技术，采集指纹图像质量高，处理速度快，功耗低，扩展性强，便于二次开发，可普遍应用于移动设备的指纹锁。
文档编号G06K9/00GK102799869SQ20121023782
公开日2012年11月28日 申请日期2012年7月10日 优先权日2012年7月10日
发明者谭台哲, 战荫伟, 皮凯俊 申请人:广东工业大学