生物識別與安全

在當今世界，對高效實施的有效安全性的需求顯而易見。必須識別個人以允許或禁止訪問安全區域 - 或使他們能夠使用計算機，個人數字助理（PDA）或移動電話。生物特征簽名或生物特征識別用于通過測量某些獨特的物理和行為特征來識別個體。實際上，所有生物識別技術都是使用傳感器實現的，以從個人獲取原始生物識別數據; 特征提取，用于處理獲取的數據以開發代表生物特征的特征集; 模式匹配，將提取的特征集與駐留在數據庫中的存儲模板進行比較;

指紋傳感器

指紋，長期以來被廣泛接受的生物識別標識符之一，是獨一無二的。它們的圖像由多個曲線段組成，包括稱為脊的高區域和稱為 valleys 的低區域。 Minutiae ，脊流模式中的局部不連續性被用作區別特征。指紋傳感器“讀取”手指表面并通過模數轉換器（ADC）將模擬讀數轉換為數字形式。指紋傳感器可大致分為光學，超聲波或固態 - 包括電容，射頻，熱和壓電器件。

因為手指的最外層干燥，死皮細胞電導率低， em> RF傳感器從皮膚的潮濕和導電邊界區域獲取指紋數據，活細胞開始變成角質化皮膚。這個活的地下層是指紋圖案的來源，它很少受到手指表面損傷或磨損的影響。

AuthenTec ? TruePrint ?傳感器在埋在硅芯片內部的導電層和皮膚表面正下方的導電層之間使用小的RF信號。 RF場測量手指下面的活表皮層的脊和谷的電勢輪廓。通過從受損或受污染的部分皮膚獲取數據，傳感器產生比僅讀取皮膚表面的替代光學或電容技術更準確和可重復的指紋樣本。

熱電材料基于溫差產生電壓。當手指與溫暖的傳感器表面接觸時，更靠近傳感器表面的指紋脊保持比離傳感器表面更遠的谷更高的溫度。 Atmel ? AT77C104B FingerChip ?傳感器使用此類熱成像捕獲指紋。它是一種線性傳感器，它將檢測和數據轉換電路集成在一個CMOS IC中。通過將手指掃過感測區域來捕獲指紋圖像。當接觸首次出現時會產生圖像，但由于它會在達到熱平衡時很快消失，因此需要采用掃描方法來獲取穩定的指紋圖像。

傳感器（如圖1所示）捕獲圖像如圖2所示，當手指垂直掃過傳感器窗口時，指紋就會被指紋掃描。手指掃描技術可確保傳感器表面保持清潔。與基于觸摸的傳感器不同，一旦手指被移除，潛在的指紋就不會保留。傳感器不需要外部熱量，光線或無線電源。片上溫度穩定可識別手指和傳感器之間的溫差，并增加差異以獲得更高的圖像對比度。這里的討論將集中在基于這種類型的熱傳感器的指紋識別系統上。

表征指紋傳感器的主要參數包括分辨率，區域，動態范圍和像素數。 分辨率以每英寸點（或像素）（dpi）為單位進行測量。較高的分辨率允許在脊和谷之間更好地定義，以及更精細地隔離細節點 - 這在指紋匹配中起主要作用，因為大多數算法依賴于細節的重合來確定兩個指紋印象是否是相同的手指。較大的感應區域通常提供更獨特的指紋，但是將手指掃過較小的傳感器，并快速獲取和處理數據，允許小型，低成本的傳感器實現可比較的定義，更大，更多昂貴的傳感器動態范圍或深度表示用于編碼每個像素強度的位數。特定幀中指紋圖像中的像素數可以從分辨率和面積中導出。

AT77C104B傳感器在0.4 mm×11.6 mm范圍內具有500 dpi分辨率區域，提供總共8像素×232像素，或每幀1856像素。每個像素用四位編碼，識別16個灰度級。圖3顯示了傳感器的框圖，其中包括陣列，模數轉換器，片上振蕩器，控制和狀態寄存器，導航和單擊單元，以及 slow 和的單獨接口快速操作模式。慢速模式可以高達200 kHz運行，用于編程，控制和配置傳感器。快速模式可以在高達16 MHz的頻率下運行，用于數據采集。片上加熱器會增加手指和傳感器之間的溫差。為了限制電流消耗，看門狗定時器在指定的時間長度后停止加熱模塊。

操作模式

傳感器實現六種操作模式：

睡眠模式：一種功耗極低的模式，禁止內部時鐘并初始化寄存器。

待機< / em> mode：低功耗模式，等待來自主機的操作。慢速串行端口接口（SSPI）和控制塊被激活;振蕩器保持活動狀態。

單擊模式：在傳感器上等待手指。 SSPI和控制塊保持活動狀態;

導航模式：當手指穿過傳感器時計算x和y運動。 SSPI和控制塊仍然被激活;本地振蕩器，導航陣列和導航塊也被激活。

采集模式：將切片發送到主機進行指紋重建和識別。 SSPI和控制塊仍然被激活;快速串行端口接口塊（FSPI）和采集陣列被激活。當需要看門狗定時器時，本地振蕩器被激活。

測試模式：此模式保留用于工廠測試。

接口Blackfin ?處理器串行外設接口的指紋傳感器

Blackfin ADSP-BF533低成本，高性能處理器被選用于此應用，因為它結合了快速的功能信號處理器和強大的微控制器。其4線全雙工同步串行外設接口（SPI）具有兩個數據引腳（MOSI和MISO），一個器件選擇引腳（/ SPISS）和一個門控時鐘引腳（SCK）。請參見圖4. SPI支持主模式，從模式和多主機環境。 SPI兼容的外設實現還支持可編程波特率和時鐘相位/極性。

該接口本質上是一個移位寄存器，可以一次一位地串行發送和接收數據位， SCK速率與其他SPI設備之間的速率。移位寄存器可以同時發送和接收串行數據。 SCK同步兩個串行數據引腳上數據的移位和采樣。

SPI端口可配置為主機（生成SCK和/ SPISS信號）或 slave （從外部接收SCK和從機選擇信號）。當SPI端口配置為主機時，它會驅動MOSI引腳上的數據并接收MISO引腳上的數據。它驅動SPI從器件的從器件選擇信號，并提供串行位時鐘（SCK）。 Blackfin處理器的SPI通過使用時鐘極性（CPOL）和時鐘相位（CPHA）位提供的組合支持四種功能模式。有關Blackfin SPI端口的詳細信息，請參閱“ADSP-BF533 Blackfin處理器硬件參考手冊”。

硬件接口

ADSP-BF533處理器的SPI端口和AT77C104B之間的無縫硬件接口（如圖5所示）不需要任何外部膠合邏輯。傳感器/ SSS和/ FSS的從機選擇信號通過可編程標志引腳PF1和PF2驅動。在將另一個標志配置為輸出之前，應將一個標志配置為輸出并驅動為高電平（這些標志不應同時配置為輸出，因為Blackfin處理器默認將它們驅動為低電平，會將傳感器芯片切換為掃描測試模式）。通過/ IRQ引腳產生的傳感器中斷由輸入PF4讀取。復位RST由PF3驅動。復位是高電平有效信號，因此在該線路上使用下拉電阻。

應用軟件

應用程序代碼執行控制傳感器等任務，使用VisualDSP ++ ?開發工具的Image Viewer插件獲取指紋數據并重新排列數據以顯示接收的指紋圖像。

當傳感器檢測到點擊時（即指示手指存在的信號），它會產生中斷。 Blackfin處理器接收此中斷，并在下降沿產生中斷。 STATUS寄存器指示導致中斷的事件。此過程用于導航，讀取錯誤和其他中斷。完整應用程序的簡化流程圖如圖6所示。

數據采集

在采集模式下啟用傳感器加熱。看門狗定時器也啟用，確保加熱保持受控。因此，當要求加熱時，傳感器被加熱“ n ”秒。

然后設置DMA參數用于數據采集。可變大小的DMA flex描述符被加載到DMA參數寄存器中。寄存器序列基本上是固定的，但描述符的長度是完全可編程的。 2D陣列用于配置DMA參數。 1D數組是各個描述符。第一個描述符，一個偽，用于接收前五個字節，因為傳感器必須在第一個數據到達之前發送40個虛擬時鐘周期，以便初始化芯片流水線。因此，第一同步序列出現在40個時鐘周期之后。然后，數據隨后到達所有后續陣列讀數的每個時鐘周期。

傳感器以幀的形式發送數據。每個幀的開始由虛擬列標記，其中包含同步字。像素陣列從左上角到右下角逐列從上到下讀取。

數據重新排列

必須重新排列數據以顯示獲取的指紋圖像。存儲重新排列的數據，可以使用VisualDSP ++ Image Viewer實用程序查看。獲取的圖像和設置如圖7所示。執行以下功能：

Nibble-swapping ：傳感器以半字節交換格式發送數據。例程將整個幀的奇偶像素交換。

4位到8位轉換：每個傳感器像素為4位寬，但圖像查看器顯示圖像最小寬度為8像素。四位零填充將每個像素轉換為8位。

電平調整：接收數據中的每個像素的強度為0到15，但顯示范圍為0每個像素的電平轉換產生良好的顯示效果。

數組轉置：來自傳感器的數據按列發送，但二維DMA接收數據行因此必須進行轉置以便連續顯示幀。三維數組用于連續顯示幀。

指紋重建和識別

如果指尖掃過傳感器窗口以合理的速率，連續幀之間的重疊使得能夠使用由Atmel提供的軟件重建整個指紋的圖像。由于分辨率增強，重建圖像通常為25mm×14mm或500像素×280像素，具有8位分辨率。因此，每個圖像需要140 kB的存儲空間。使用標準圖像處理技術可以從中導出更大或更小的圖像。一旦幀被連接以獲得完整的指紋圖像，識別算法就可以將樣本與模板匹配。

信任但驗證

指紋處理有三個主要功能： 注冊，搜索，驗證。 注冊從傳感器獲取指紋圖像并將其保存在SRAM中。處理，增強和壓縮圖像以創建指紋模板。各種過濾器清理圖像并將其轉換為數學表示，從而無法竊取模板并直接重新創建指紋圖像。

搜索將原始候選圖像與先前注冊的模板列表進行比較。通過一系列篩選過程，該算法將模板列表縮小到可管理的大小。將篩選后存活的模板與候選模板進行比較，并提供驗證分數。分數超過預設閾值表示肯定識別。

驗證通過實時閉環模式比較原始候選圖像與先前登記的模板來驗證用戶的身份匹配算法。返回分數，指示候選者和模板的相似性，以生成是/否匹配決策。

結論

Blackfin處理器和AT77C104B FingerChip傳感器相結合，提供簡單而強大的功能，指紋識別，通過允許或禁止訪問建筑物中的敏感區域或筆記本電腦中的敏感數據來增強安全性。