摘 要：本文提出了一種基于DSP和以太網的指紋識別系統。給出了系統的設計方案，并詳細介紹了DSP芯片怎樣接收采集的指紋圖像數據，將圖像進行處理后，再通過與以太網控制芯片RTL8019的接口，將數據傳輸到局域網中，從而實現了寬領域內的指紋識別。 關鍵詞：指紋 識別 以太網 接口 1引言 人類指紋以其唯一性和不變性在驗證身份中已經成為應用最為可靠、方便的一種類型，隨著計算機及圖像技術的發展，指紋識別的應用領域也越來越廣泛，目前，指紋識別技術在刑事偵查、戶籍管理、銀行儲蓄系統都得到了成功的應用。 網絡技術的突飛猛進已經把地球變為地球村，而怎樣將指紋識別與互聯網有效連接起來，使人們在不同地點，實現快速、準確的用指紋來驗證身份也顯得非常重要。應用DSP系統與計算機網絡互連實現指紋圖像的處理和傳輸，基于國內局域網中大部分是以太網，本文主要介紹應用TI公司的第五代產品TMS320VC5402與以太網控制器RTL8019實現指紋圖像的處理和傳輸。 2指紋識別系統的基本組成 以下框圖給出了指紋識別系統的基本組成。 取指方法有多種，可采用幾何光學理論，再經過光電轉換，將指紋直接轉換成電信號。 指紋圖像采集輸入是將電信號轉換為數字信號。具體過程是將指紋的壓痕轉換成計算機可以識別的數字圖像。典型的方法是將“1×1”的指紋圖像數字化成512×512像素（每像素含8bit）的陣列。將此數字圖像輸送給DSP芯片為核心的圖像處理系統。 以太網輸入，指紋圖像經過處理后通過以太網接口芯片傳輸到局域網，與識別中心的指紋數據庫進行匹配識別，從而實現遠程指紋識別。 整個系統是以DSP芯片為核心進行指紋圖像的預處理和提取指紋特征，通過以太網接口芯片將預識別的指紋圖像傳輸到局域網。下面著重介紹一下整個系統的設計方案、指紋圖像的處理方法及識別方法。 2.1系統的設計方案 本系統的設計主要是兩個接口的設計，即“指紋圖像采集”與“指紋圖像處理”的接口方法和“指紋圖像處理”與“以太網傳輸”的接口方法。 2.1.1接口1 本系統中所采用的DSP芯片為TI公司生產的第五代產品，可實現16為定點運算的TMS320VC5402，它具有很高的運算速度，16K字的片上RAM和4K字的片上ROM，并可進行外部擴展。2個自動緩沖串行口（BSP）和與外部處理器通信的HPI。有很高的性能價格比，因而適合于圖像處理。圖2給出了C5402與圖像采集的具體連接方法。 （1）內存器映射選擇模式CPU通常情況下可根據用戶需要工作在不同的模式下即要求程序存儲空間定義在片內還是在片外，主要由MP／MC決定。MP／MC=1，4000H-FFFFH程序存儲空間全部定義為片外存儲器。MP／MC=0，4000H-EFFFH程序存儲空間全部定義為片外存儲器，FF00H-FFFFH程序存儲空間定義為片上存儲器。 （2）數據總線圖像采集的數據總線I／O口I／015-I／00與C5402的D15-D0相連，同時C5402的D15-D0與程序存儲器和數據存儲器的I／015-I／00相連。程序存儲器和數據存儲器的OE和WE（讀／寫使能）分別由C5402的MSTRB和R／W經過74LVC139譯碼后選通。而程序存儲的CE由C5402的PS選通。數據存儲器的CE由A15和DS經74LVC139譯碼后選通。 （3）地址總線圖像采集的地址總線A15-A0與C5402的16位地址A15-A0相連，同時C5402的A13-A0與數據存儲器的A13-A0相連，而數據存儲器的A16-A14作為控制頁碼選擇。因此數據存儲器共分8頁，每頁16K字，映射到內存空間的0X4000到0X7FFF。C5402的A14-A0又與程序存儲器的A14-10相連，程序存儲器的A16、A15作為控制頁碼選擇。因此程序存儲器共分4頁，每頁32K字，映射到內存空間的0X8000-0XFFFF。 2.1.2接口2 RTL8019是臺灣Realtek公司生產的以太網控制器，采用100腳的PQFP封裝，其引腳可分為電源和時鐘引腳、網絡介質接口引腳、自舉ROM及初始化EPROM接口引腳、主處理接口引腳、輸出指示及工作方式配置引腳。支持IEEE802.3 10Base，10Base2，10BaseT，在ISA總線卡中占有相當比例；支持8位或16位數據總線，支持16I／O基地址選擇；內置16K字的SARM，用于收發緩沖；與主機有三種可選擇的接口模式，分別為跳線模式、PnP模式和RT模式。為了簡化DSP網絡的軟、硬件設計，本文中所選用的是跳線模式。這種模式與早期的網絡控制器兼容，其端口基地、中斷口等都由開關或跳線器決定。 （1）模式選擇模式選擇有JP和PnP引腳決定，此系統選擇跳線模式，JP引腳接高電平。為了屏蔽遠程自舉加載，SMEMRB引腳接高電平。 （2）地址總線RTL8019一共有20根地址線，這里用16根對I／O口尋址，即DSP的A15-A0與RTL8019的SAl5-SA0相連，其余接地。為了使I／O命令有效，地址使能引腳AEN接地。 （3）數據總線選擇16位數據總線，即要求RTL8019的IOCSl6引腳接高。由于RTL8019的接口電平為5V，而C5402的總線電平為3.3v，所以要進行電平轉換。 （4）中斷與讀／寫控制RTL8019共有8個中斷輸出，只要選擇其中的一個作為中斷請求即可。RTL8019的讀／寫狀態可以由C5402的I／O口控制信號IS、IOSTRB、R／W信號經過74LVCl39譯碼來控制。為了避免RTL8019與其他芯片的讀寫速度不匹配的現象，RTL8019有專門給主機讀寫命令插入等待周期功能的引腳IOCHRDY。因此將此引腳與C5402的READY引腳相連，可以避免C5402的讀寫速度過快而與RTL8019不匹配的現象。 （5）初始化配置用C5402的一個擴展輸出口代替跳線器來指定RTL8019AS的I／O口基地址、中斷輸出口、介質類型，并用一個輸出信號作為RTL8019AS的復位信號。RTL8019AS復位結束時采樣這些配置引腳，并根據引腳狀態初始化其內部的配置寄存器。 在RTL8019復位初始化后，還要對寄存器的部分內容初始化，才能接收和發送數據，其內置的16K字SRAM可以進行接收和發送的緩沖。緩沖區可分為64頁，頁碼范圍從0X40-0X80，每頁256bit。由PSTART和PSTOP寄存器來設定接收緩沖器的頁碼范圍，由RSAR0、1和RBCR0、1寄存器來設定發送緩沖器的頁碼范圍。 2.2圖像預處理的過程 圖像預處理的目的是為了改善輸入圖像的質量，將其轉換成一幅清晰的點線圖像。圖像特征的抽取和識別要求有很高的精度，因此圖像的預處理過程相對復雜，具體包括指紋圖像的增強、脊線的增強和恢復、二值化。圖像的增強包括平滑、銳化和濾波過程，此技術己于1989年由O‘Gorman和Nickerson得到完善，在此不做詳細介紹。下面著重介紹一下脊線的增強和恢復。這個過程主要包括兩個部分，第一部分是從輸入的指紋圖像中計算出圖像的方向。第二部分是通過上面計算出的方向來進行濾波、增強和恢復。 （1）圖像方向的計算如圖4所示，圖像中某一點（i，j）的方向記為D（i,j），這里首先計算Sd，即沿著方向d的不同灰度值之和。 上式中f（i,j）和fd（ik,jk）分別表示像素（i,j）和像素（ik，jk）的相應灰度值，（ik,jk）表示從（i，j）沿d方向的第k個像素，n表示計算的像素數，N表示使用的方向數。取N=16個方向，且n=8，即每個方向上取8個鄰點。點（i，j）的方向D（i，j）取Sd的最小值，即 由上式可以得出，在沿著脊線方向上灰度值總體變化最小，在垂直脊線方向上灰度值總體變化最大。因此像素點（i，j）的方向D（i，j）就是圖像中灰度一律取最大值的方向。另外，在求各個方向上點的灰度值時，各個方向上的點位置是通過原0方向上的點的坐標旋轉而得到的。如果求1方向上的第i個點坐標，則 其中α表示0方向和1方向間的夾角。 通過一個分區中各個像素點的方向可以計算出該區的方向，該區的方向即與該區內像素方向概率最大者相同。 （2）圖像處理方法通過觀察表明，整個指紋圖像中相互聯系的各個分區之間的方向不會發生急劇的變化，因此可以判斷，凡是有急劇變化的區，即為噪聲區，那么該區的方向就由它周邊各區方向最大概率者來替換，一般進行兩次這樣重復操作，約70～80％的噪聲可以清除，而且圖像增強和恢復的效果較好，但這種方法在分區方向計算不是非常精確的情況下不易使用超過兩次，否則會出現部分圖像的扭曲。 二值化是將圖像轉化成0，1取值的二值圖像。圖像每塊的平均值作為閾值，根據這個閾值判斷，若像素值大于閾值則為1，若像素值小于閾值則為0。最后進行指紋特征的提取。 2.4識別的方法 處理好的圖像經過以太網接口芯片傳輸到局域網后，與識別中心的指紋數據庫中的指紋模式進行匹配識別。指紋數據庫中的指紋模式根據細節特征進行了分類，這樣可以減少預識別指紋與指紋數據庫的對比數量，大大節省了識別的時間，提高了識別的準確度。下式給出了對比相似匹配函數。 式中S表示匹配度，P表示指紋圖像的細節對數，M表示預識別指紋圖像的細節數，N表示指紋數據庫中指紋圖像的細節數，如果預識別指紋圖像細節與指紋數據庫中指紋圖像細節相近（在允許范圍內），則稱為一對。這樣，匹配數最高的者即可作為候選指紋。 3結束語 由DSP和以太網控制芯片組成的指紋識別系統，在指紋圖像的處理速度和質量上可滿足各方面要求，尤其是帶有以太網接口，通過雙絞線或同軸電纜與PC機構成一個高速的局域網，拓寬了指紋識別系統的應用范圍。若通過PC機與互聯網連網，設置不同的外部硬件和軟件，可更進一步延伸指紋識別的應用領域。