基于FPC1011F的指紋識別系統設計與實現

1 指紋識別原理

????? 1684年，植物形態學家Grew發表了第一篇研究指紋的科學論文。1809年Bewick把自己的指紋作為商標。1823年解剖學家Purkije將指紋分為九類。1880年，Faulds在《自然》雜志提倡將指紋用于識別罪犯。1891年Galton提出著名的高爾頓分類系統。之后，英國、美國、德國等的警察部門先后采用指紋鑒別法作為身份鑒定的主要方法。目前的指紋圖像采集原理包括：光學技術、半導體硅技術、超聲波技術。其中光學的指紋采集設備有明顯的優點。但是由于要求足夠長的光程，因此要求足夠大的尺寸，而且過分干燥和過分油膩的手指也將使光學指紋產品的效果變壞。在20世紀90年代后期發展起來的基于半導體硅電容效應的技術趨于成熟。硅傳感器成為電容的一個極板，手指則是另一極板，利用手指紋線的脊和谷相對于平滑的硅傳感器之間的電容差，形成8 bit的灰度圖像。硅技術優點是可以在較小的表面上獲得比光學技術更好的圖像質量，在1 cm×1．5 cm的表面上獲得200～300線的分辨率(較小的表面也導致成本的下降和能被集成到更小的設備中)。

2 FPC1011F指紋傳感器

????? FPC1011F指紋傳感器具有以下特點：(1)FPC1011F芯片產自瑞典，采用獨特的反射式測量法，抗靜電可達正負15 kV，耐磨100萬次，已被國內金融界公認為銀行指定零件。(2)采用專業的指紋識別芯片PS1802DSP和最優化的指紋算法，指紋成像效果好。(3)處理速度快，峰值能達到480MIPS，在1：1 000模式下，時間小于1 s。(4)功耗較同類產品低，正常工作主頻120 MHz下，只有120 mW。(5)模塊體積為35 mm×26 mm×1 mm，便于各種指紋產品的開發。(6)對干濕手指有自動調節功能。

3 系統硬件設計

????? 整個系統如圖1所示。

3．1 指紋采集

????? FPC1011F指紋傳感器含有小電容板，傳感器使用高靈敏度像素放大器，讓每個像素即使是非常微弱的信號FPC1011F都能探測到，以此提高圖像質量。用了交替命令的并排列和傳感器電板，交替板的形式是兩個電容板，以及指紋的山谷和山脊成為板之間的電介質。兩者之間的恒量電介質傳感器檢測變化生成指紋圖像。

3．2 MCU微處理器

????? 由于指紋識別過程中需要的數學運算量大，同時程序的存儲也需要空間，為了提高效率，把運算任務交給MCU處理，而圖像采集部分則要盡可能少的占用MCU時間。另外，利用圖像采集的間隙，或是圖像采集的同時，由硬件完成一部分簡單而繁瑣的運算可以分擔MCU的處理任務，提高處理的并行度，滿足對實時性的要求。本系統采用微芯(Mi-croehip)公司的PIC16C78X系列8位混合式MCU芯片，內集成了運放、AD、DA、比較器等模擬電路，很適合數據處理的全過程。通過采用極值濾波、平滑濾波、拉普拉斯變化、二值化等對指紋圖像進行預處理，取得了良好的試驗結果。系統中采集到的8 bits灰度指紋圖像，每個像素占用一個字節，圖像尺寸為512×512個像素大小，存儲一幀圖像需要256 k字節。因圖像本身的存儲量巨大，系統需外接存儲器，以保證有足夠的存儲空間，把圖像存儲在U盤上。同時系統也可通過數據線和網絡相連，實現遠程控制功能。MCU是整個指紋處理系統的核心，負責對指紋進行實時處理。

4 實驗仿真

????? 用MATLAB7．0圖像處理箱進行仿真，平均一幅圖像數據仿真耗時為0．73秒，識別率誤差小于1／310 000，完全符合實際工程需要。圖2為隨機的一幅拇指指紋圖像，圖3為指紋庫采集對應的圖像。綠色代表的是識別特殊增強的區域。

5 結束語

????? 本文提出了一種新的自動指紋識別系統，采用基于半導體傳感器FPC1011F和MCU芯片的指紋識別系統，具有擴展的接口，可以進行二次開發，有一定的實用價值。