2 分布式指紋識別系統軟件設計

　　2．1 μC／OS-Ⅱ系統移植

　　由于系統硬件平臺所選用的嵌入式微處理器AT91SAM7X256的RAM、Flash等資源都非常有限，考慮各種因素，選用了μC／OS-Ⅱ作為嵌入式操作系統，TCP／IP協議通過擴展實現。μC／0S-Ⅱ操作系統是一個源碼公開、可移植、可固化、可裁剪和占先式的實時多任務操作系統。其最主要的特點就是源碼公開，絕大部分源碼是用ANSI C寫的。雖然μC／0S-Ⅱ只是提供了時間管理、任務問通信同步、任務管理和內存管理等主要服務，但它的可擴展性強。可擴展的上層服務有：設備驅動，文件系統，圖形系統和TCP／IP協議系統等，并且由于其性能可以與許多高端商業軟件產品相媲美，甚至某些性能比它們還要好，因此，正以其巨大的優勢吸引了眾多開發者。μC／0S-Ⅱ是專為微控制器系統和軟件開發而設計的搶占式實時多任務操作系統內核，是微控制器啟動后首先執行的背景程序，作為整個系統的框架貫穿系統運行的始終，對實時性和穩定性要求很高的數據采集系統而言，引入μC／OS-Ⅱ無疑將大大改善其性能。

　　2．2 CAN總線接口通信模塊

　　CAN協議是建立在ISO的開放系統互聯模型的基礎上的，取其中的3層：物理層、數據鏈路層和應用層。物理層和數據鏈路層的功能可由CAN接口器件實現，而應用層的功能則要靠應用程序來完成。CAN總線接口通信模塊的功能是接收和發送CAN總線數據。主要操作包括CAN控制器初始化和CAN總線上接收和發送數據的操作。信息由CAN控制器發送接收到CAN總線，都由CAN控制器自動完成。

　　2．3 以太網通信模塊實現

　　以太網是通信網采用的最通用的通信協議標準，該標準定義了在通信網中采用的電纜類型和信號處理方法。以太網采用帶沖突檢測的載波幀聽多路訪問（CSMA／CD）機制，是一種廣播網絡。數據的發送和接收就必須按以太網IEEE802．3協議來進行。軟件的實現主要有模塊的初始化、數據的發送和接收3部分。片上移植的μClinux系統包含了TCP-IP協議棧，以太網控制器集成在AT91SAM7X256內部。因此，實際上只要網關系統置開啟狀態，模塊的初始化也隨之完成。

　　2．4 指紋識別模塊軟件實現

　　指紋識別算法是指紋識別系統的核心。本系統中采用的指紋識別算法實現流程為：提取脊線方向，脊線頻率，經過GABOR濾波，特征提取，與指紋數據庫進行特征匹配。本系統單個節點有兩大功能：指紋識別和指紋模板存儲。指紋識別軟件模塊工作流程如圖3所示。

　　采集到指紋信息后，需要進行圖像增強，其中要解決的核心問題是指紋圖像預處理，其目的是為了減弱噪聲、改善圖像質量，以便于特征提取。指紋紋理由相間的脊線和谷線組成，它們蘊涵了紋理方向、紋理密度等大量信息。這些信息在不同區域顯示不同特征。指紋圖像增強算法就是利用圖像信息的區域性差異來實現的。

　　本系統參考了指紋圖像紋理頻率信息，以GABOR變換這個能夠同時對圖像局部結構的方向和空域頻率進行解析的最優濾波器作為濾波器的模板，因而極大改善了增強算法的效果。提取脊線方向方法為：

　　1）將指紋圖像分割成足夠小的子塊，以滿足塊中紋理近似平行的條件；

　　2）對每個子塊的每一個點p（s，t）（s，t=O，I…w-1）利用Sobel算子分別計算其x方向梯度gx和y方向梯度gy；

　　3）每個子塊方向θ（m，n）的計算公式：

　　式中，。。

　　GABOR變換由于具有最佳時域和頻域連接分辨率的特點，能夠同時對圖像局部結構的方向和空域頻率進行解析，可以很好地兼顧指紋圖像的脊線方向和脊線頻率信息。以與子塊紋線方向垂直的方向作為濾波器方向，以脊線頻率作為濾波器頻率來構建濾波器。本系統中指紋匹配采用基于特征點集合匹配的校準算法，該算法多為簡單的比較邏輯和加減運算，不需要用到DSP處理單元。運用本設計中的arm7器件能夠較好的工作。由于指紋識別有一定的拒識率，所以如果要使辨識結果拒絕此人的話，要連續3次都是拒絕才成立。

　　3 結束語

　　此分布式指紋識別系統可應用在基于ARM7核心多節點的的大型企業監控、門禁管理的場合。本系統可以實現指紋數據采集的現場總線和以太網互聯通信問題，使各分節點能夠連接到主干以太網絡，方便指紋數據庫的管理和更新，可以進行遠程的特征匹配查詢。該設計的創新點在于：1）采用高集成度高性能的arm7處理器AT91SAM7X256解決方案，充分利用AT91SAM7X256提供的全雙工的Ethemet控制器，CAN控制器，結構簡單，成本低廉，具有商業價值；2）設計了具體的系統以太網，CAN總線及電源實現硬件電路圖；3）移植μC／0S-Ⅱ，給出具體指紋識別算法及處理方案，實現穩定性和低成本的結合。