1、 前言

指紋因其唯一性，終身不變性等特點(diǎn)，在安全性要求較高的行業(yè)，如海關(guān)、金融和刑偵領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。隨著人們安全意識(shí)和隱私覺悟的提高，手機(jī)、筆記本、PDA等日常電子消費(fèi)品中也逐漸開始使用指紋識(shí)別技術(shù)。此類電子消費(fèi)品因?yàn)楸銛y、手持等特點(diǎn)，在體積、重量、功耗方面都有很高的要求，而傳統(tǒng)的指紋傳感器面積較大，不適合此類產(chǎn)品的使用。

隨之產(chǎn)生的滑動(dòng)指紋傳感器（sweep fingerprint sensor），因?yàn)樗〉捏w積、更低的價(jià)格和極低功耗，已經(jīng)逐漸開始應(yīng)用于電子消費(fèi)領(lǐng)域和其他安全系統(tǒng)中。以ATMEL公司的AT77C104A FingerChip為例，與傳統(tǒng)的指紋傳感器相比，它具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）體積小，僅為1.5×15mm;（2）強(qiáng)魯棒性，采集到的相鄰的指紋幀沒有旋轉(zhuǎn)形變等；（3）低功耗，圖像采集時(shí)為4.5mA，導(dǎo)航時(shí)為1.5mA，睡眠模式小于10uA。然而手指滑過滑動(dòng)指紋傳感器時(shí)，采集到的一個(gè)指紋幀序列而并非完整的指紋圖像。

為了解決這個(gè)難題，本文實(shí)現(xiàn)了基于ARM9芯片AT91RM9200和滑動(dòng)指紋傳感器AT77104A FingerChip的指紋采集系統(tǒng)，并在該系統(tǒng)中完成指紋有效拼接。

簡(jiǎn)單點(diǎn)講，指紋傳感器目前主要分為兩類，光學(xué)指紋傳感器和半導(dǎo)體指紋傳感器；

光學(xué)指紋傳感器：主是利用光的折攝和反射原理，光從底部射向三棱鏡，并經(jīng)棱鏡射出，射出的光線在手指表面指紋凹凸不平的線紋上折射的角度及反射回去的光線明暗就會(huì)不一樣。CMOS或者CCD的光學(xué)器件就會(huì)收集到不同明暗程度的圖片信息，就完成指紋的采集。

半導(dǎo)體指紋傳感器：這類傳感器，無論是電容式或是電感式，其原理類似，在一塊集成有成千上萬半導(dǎo)體器件的“平板”上，手指貼在其上與其構(gòu)成了電容（電感）的另一面，由于手指平面凸凹不平，凸點(diǎn)處和凹點(diǎn)處接觸平板的實(shí)際距離大小就不一樣，形成的電容/電感數(shù)值也就不一樣，設(shè)備根據(jù)這個(gè)原理將采集到的不同的數(shù)值匯總，也就完成了指紋的采集。

2、指紋采集和拼接系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

AT91RM9200是ATMEL推出的ARM9 32位處理器，具有一下優(yōu)點(diǎn)：運(yùn)算速度快（在工作頻率為180MHz的情況下它的運(yùn)算速度為200MIPS）、低功耗、可提供片上或片外存儲(chǔ)器以及一系列外圍控制、通信和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的靈活配置。這些特征使得這款芯片適合嵌入式指紋采集系統(tǒng)的開發(fā)。

在本系統(tǒng)中，包括的通信過程為：

（1）主機(jī)和ARM板之間的通信包括：首先PC主機(jī)在超級(jí)終端中使用Xmodem協(xié)議發(fā)送文件RomBoot.bin到AT91RM9200內(nèi)置的ROM中，下載完畢后，自動(dòng)運(yùn)行；其次分別將RomBoot.bin和U-Boot.bin程序下載存儲(chǔ)到DataFlash，復(fù)位后自動(dòng)啟動(dòng)U-Boot;最后通過以太網(wǎng)口將Linux鏡像文件和應(yīng)用程序下載到DataFlash中。再次復(fù)位后，開發(fā)板進(jìn)入Linux系統(tǒng)。

（2）AT77C104A和控制芯片之間的通信：通過SPI接口完成?？刂菩酒ㄟ^寫寄存器，設(shè)置AT77C104A的工作模式；AT77C104A將采集到的數(shù)據(jù)傳遞到SDRAM中。

圖1 指紋采集和拼接系統(tǒng)框圖

3、AT91RM9200與AT77C104B FingerChip連接及通信過程

指紋采集芯片采用ATMEL公司的熱敏傳感芯片AT77C104A FingerChip，通過滑過傳感陣列的指紋脊和谷的溫度變化來獲取指紋數(shù)據(jù)。與傳統(tǒng)的指紋傳感器相比，AT77C104A在體積、功耗、工作頻率以及對(duì)工作環(huán)境的魯棒性等方面均有優(yōu)勢(shì)。該芯片提供了SPI接口，有兩種通信總線：

（1）SLOW總線：對(duì)應(yīng)SLOW模式，起控制作用，控制和讀寫內(nèi)部寄存器；

（2）FAST總線：對(duì)應(yīng)FAST模式，用于獲取象素，使主機(jī)獲得所有的指紋象素。

在本指紋采集系統(tǒng)中，利用AT91RM9200的SSC接口與AT77C104B FingerChip相連。SSC 包含獨(dú)立的接收器、發(fā)送器及一個(gè)時(shí)鐘分頻器。每個(gè)發(fā)送器及接收器有三個(gè)接口：針對(duì)數(shù)據(jù)的TD/RD 信號(hào)、針對(duì)時(shí)鐘的TK/RK 信號(hào)及針對(duì)幀同步的TF/RF信號(hào)。AT91RM9200與AT77C104B FingerChip 通信時(shí)，前者處于主機(jī)方式，后者處于從機(jī)方式，連接如圖2所示。

圖2 AT91RM9200與AT77C104B FingerChip連接

在該通信過程中，SSC的接收器時(shí)鐘RK由TK驅(qū)動(dòng)，同時(shí)接收端與發(fā)送端同步，所以TF與RF相連。SSC的可編程高電平及兩個(gè)32位專用PDC 通道，可在沒有處理器干涉的情況下進(jìn)行連續(xù)的高速率數(shù)據(jù)傳輸，適用于快速獲取指紋數(shù)據(jù)。

滑動(dòng)時(shí)指紋傳感器獲得的每一個(gè)像素，由一個(gè)16進(jìn)制數(shù)表示，對(duì)應(yīng)著4個(gè)時(shí)鐘周期。當(dāng)傳感器通過SPI端口傳輸獲取到一幀數(shù)據(jù)時(shí)，先傳輸一個(gè)幀同步信號(hào)F0F00200，然后再傳輸232×8像素指紋數(shù)據(jù)。獲取到的指紋數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在SDRAM中，通過指紋拼接程序?qū)⒓y幀序列拼接成完整的指紋圖像，然后通過USB傳輸回PC主機(jī)中顯示。

4、 系統(tǒng)定制和驅(qū)動(dòng)程序加載

4.1 系統(tǒng)定制

為了增加系統(tǒng)的可維護(hù)性，采用Linux系統(tǒng)，Linux內(nèi)核可根據(jù)需要裁減。系統(tǒng)定制流程：

1、在ShopEx客服的幫助下，以書面形式整理需求；

2、ShopEx開發(fā)人員根據(jù)開發(fā)工作量進(jìn)行報(bào)價(jià)：

3、簽約，開發(fā)內(nèi)容做為合同附件：

4、客戶支付相應(yīng)開發(fā)費(fèi)用；

5、ShopEx進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)、測(cè)試；

6、ShopEx客服協(xié)同客戶共同就開發(fā)內(nèi)容進(jìn)行驗(yàn)收；

7、驗(yàn)收通過，客戶開始使用定制系統(tǒng)： 會(huì)議的管理和控制

8、基于 Web 的會(huì)議管理和資源管理，使會(huì)議定制、資源管理、用戶管理輕松實(shí)現(xiàn)。

9、 系統(tǒng)支持多種會(huì)議類型，分別對(duì)會(huì)議類型、用戶角色等進(jìn)行了不同級(jí)別的驗(yàn)證。

10、系統(tǒng)支持多種會(huì)議成員身份和認(rèn)證，每個(gè)會(huì)議成員在系統(tǒng)中擁有不同角色權(quán)限。會(huì)議主持人可遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制與會(huì)者的視音頻參數(shù)，以達(dá)到完美的會(huì)議效果。

4.2 加載驅(qū)動(dòng)程序

設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序在Linux內(nèi)核中，使某個(gè)特定的硬件響應(yīng)一個(gè)定義良好的內(nèi)部編程接口，同時(shí)完全隱藏了設(shè)備的工作細(xì)節(jié)。用戶通過一組標(biāo)準(zhǔn)化的調(diào)用完成對(duì)硬件的操作，而這些調(diào)用是和特定的驅(qū)動(dòng)程序無關(guān)的。將這些調(diào)用映射到作用了實(shí)際硬件的設(shè)備特定的操作上，就是設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的任務(wù)。也即Linux中的模塊化實(shí)現(xiàn)，這也是Linux中設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的一大特點(diǎn)。

將FingerChip驅(qū)動(dòng)程序加載到Linux文件系統(tǒng)中，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，使用insmod命令，即可實(shí)現(xiàn)指紋傳感器設(shè)備的裝載。通過標(biāo)準(zhǔn)化的調(diào)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器的控制。

5、基于滑動(dòng)式指紋傳感器的指紋拼接算法

當(dāng)手指滑過時(shí)，滑動(dòng)指紋傳感器采集到是一系列指紋幀序列，因此在嵌入式系統(tǒng)中，需要對(duì)獲取的指紋幀序列進(jìn)行拼接。與PC機(jī)中的CPU相比，ARM芯片速度較低。為了減少刮取指紋后的等待時(shí)間，對(duì)指紋拼接速度的要求很高。

本文運(yùn)用基于塊匹配指紋拼接算法[5]，能夠快速有效的尋找到相鄰指紋幀之間的偏移量。塊匹配算法是：（1）在圖像A中選取M×N大小的X區(qū)域；（2）在圖像B中選取所有可能的M×N大小的Y區(qū)域；（3）計(jì)算X區(qū)域和Y區(qū)域?qū)?yīng)象素差值的平均值MAE;MAE越小，兩區(qū)域相似度越高；計(jì)算公式為：

(1)

其中0≤i≤M-1，0≤j≤N-1，p（i,j）為X區(qū)域的點(diǎn)p的象素值，q（i,j）為Y區(qū)域?qū)?yīng)點(diǎn)q的象素值。MAE越小，兩區(qū)域相似度越高。理想情況下，MAE最小值為0。

具體實(shí)現(xiàn)步驟：（1）FingerChip AT77104A獲取到的指紋幀數(shù)據(jù)大小為232×8，設(shè)x方向?yàn)?32，y方向?yàn)?。為了有效的拼接相鄰兩幀指紋，設(shè)置獲取每一幀數(shù)據(jù)的頻率，使得y方向的偏移量dy不大于8，即保證相鄰兩幀一定有重疊。（2）理想情況下，手指在y方向滑動(dòng)，在x方向上偏移量為0。因此，只考慮dx不大于dy的情況。當(dāng)dx超過dy時(shí)，滑動(dòng)無效。（3）由（1）（2）可得，|dx|<8。同時(shí)可得，最后一行，中間的（232-8×2）個(gè)象素與下一幀必有重疊。（4）取前一幀最后一行（232-8×2）個(gè)象素，即（232-8×2）×1的模板，與新獲取的一幀指紋匹配。（5）匹配方法：在新的指紋幀里面尋找所有可能的（232-8×2）×1的模板，計(jì)算求得MAE。選取MAE的最小值對(duì)應(yīng)的模板，此模板與上一幀的最后一行的（232-8×2）×1的模板相匹配。即得dx，dy。（6）重復(fù)執(zhí)行以上步驟，直到得到一幅完整的指紋圖像。圖3-a為拼接前的指紋幀，圖3-b為拼接后的指紋圖像。

圖3 a.拼接前的指紋幀 b.拼接后的指紋圖像

6、 總結(jié)

本文實(shí)現(xiàn)了基于ARM9芯片AT91RM9200和滑動(dòng)指紋傳感器AT77C104B FingerChip的指紋采集系統(tǒng)，具有低功耗，采集便捷，通信系統(tǒng)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，具有很大的實(shí)用價(jià)值。開發(fā)的指紋拼接算法通過了AT77C104B FingerChip獲取的100幅指紋幀序列的測(cè)試，均能達(dá)到較好的效果。該系統(tǒng)獲取到的指紋幀序列和拼接后的指紋圖像，均可通過USB接口導(dǎo)出，可用于指紋拼接算法有效性的測(cè)試和指紋識(shí)別算法的測(cè)試。