STM32的條狀指紋采集與拼接系統(tǒng)

摘要：針對(duì)移動(dòng)嵌入式應(yīng)用，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于STM32的條狀指紋實(shí)時(shí)采集與拼接系統(tǒng)。選用STM32F103RD作為主控器件，通過SPI接口以DMA方式獲取AES1711傳感器采集到的條狀指紋，并采用快速算法拼接成完整的指紋圖像。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本系統(tǒng)具有速度快、魯棒性好、功耗低、性價(jià)比高的特點(diǎn)，可方便地應(yīng)用在移動(dòng)嵌入式設(shè)備中。
關(guān)鍵詞：STM32；指紋采集；指紋拼接；指紋傳感器

引言
    指紋識(shí)別作為生物認(rèn)證中可靠性較高、方便性較好、性價(jià)比較高的一種技術(shù)，已經(jīng)得到了全面的應(yīng)用。指紋采集是指紋識(shí)別的重要組成，其核心硬件就是指紋傳感器。隨著移動(dòng)嵌入式設(shè)備自身體積越來越小，以及對(duì)成本和功耗的更高要求，指紋傳感器也向著小型化方向發(fā)展。其中條狀指紋傳感器(也稱為刮擦式傳感器)具有體積小、價(jià)格低、無指紋殘留等優(yōu)點(diǎn)，在移動(dòng)嵌入式領(lǐng)域得到越來越多的應(yīng)用。條狀指紋傳感器是一種窄條形半導(dǎo)體傳感器，無法一次性采集到完整的指紋圖像，要求連續(xù)采集劃過傳感器表面的手指指紋，并對(duì)采集到的窄條狀指紋圖像序列進(jìn)行拼接，從而形成完整的指紋圖像。
    本系統(tǒng)采用STM32F103RD處理器作為主控器件，采用AES1711條狀指紋傳感器作為采集設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)指紋的實(shí)時(shí)采集和快速拼接，具有速度快、魯棒性好、功耗低、性價(jià)比高的特點(diǎn)，可方便地應(yīng)用在移動(dòng)嵌入式系統(tǒng)中。此外，本系統(tǒng)兼顧考慮后續(xù)指紋識(shí)別的應(yīng)用需求，無需增加硬件設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)對(duì)采集到的指紋進(jìn)行特征提取和識(shí)別。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
1．1 條狀傳感器
    AES1711是AuthenTec公司推出的第4代低成本、高性能條狀指紋傳感器，具有功耗低、魯棒性高、耐用性好、體積小的特點(diǎn)，非常適合對(duì)體積要求較高的移動(dòng)嵌入式應(yīng)用。AuthenTec專有的TruePrint指紋成像技術(shù)可實(shí)現(xiàn)活體手指檢測(cè)，同時(shí)可很好地適應(yīng)干、濕指紋，最大支持50 cm／s的手指移動(dòng)速率。傳感器采用42腳BGA封裝，具有大小為6．5 mm×0．41 mm、500 ppi解析度的128×8的像素陣列，傳感器體積僅為12 mm×5．2 mm×1．76mm。AES1711在進(jìn)行圖像采集時(shí)功耗僅為23 mA，而在以250 ms進(jìn)行指紋檢測(cè)時(shí)的平均功耗更低至8μA。AES1711與主控?cái)?shù)據(jù)通信可采用并行或SPI串行方式，方便靈活，可適應(yīng)多種主控系統(tǒng)。
1．2 主控芯片
    本系統(tǒng)采用ST公司STM32F103系列處理器作為主控芯片。STM32F103采用ARM 32位Cortex—M3內(nèi)核，具有功耗低、體積小、性價(jià)比高的特點(diǎn)，最高工作頻率為72 MHz，在存儲(chǔ)器0等待周期訪問時(shí)可達(dá)1．25 DMIPs／MHz。STM32F103具備12通道DMA控制器，可支持定時(shí)器、ADC、DAC、SDIO、I2S總線、SPI、I2C總線和UART的DMA操作。
    考慮采用AES1711進(jìn)行指紋采集得到的指紋圖像為128×8像素陣列，限定拼接后的指紋高度最大為288像素，假設(shè)手指在采集過程中最大存在64像素的橫向位移，則指紋圖像緩存一共為288×(128+64)B=54 KB。采用SPI DMA模式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，需要開辟雙緩存共128×8×2B=2 KB，因此系統(tǒng)緩存一共為56 KB。系統(tǒng)同時(shí)兼顧考慮后續(xù)指紋識(shí)別的需求，以500枚指紋容量作為設(shè)計(jì)目標(biāo)，如模板文件為512 B，則需要250 KB的Flash ROM空間。綜合考慮以上需求，選擇STM32F103RD作為本系統(tǒng)的主控。STM32F103RD具有64 KB RAM和384 KB的Flash ROM空間，在滿足本系統(tǒng)開銷的同時(shí)，可滿足小容量指紋識(shí)別系統(tǒng)的需求。系統(tǒng)工作在72 MHz，可滿足實(shí)時(shí)采集和拼接的需求，同時(shí)也可滿足后續(xù)指紋識(shí)別的需求。
1．3 系統(tǒng)連接
    STM32F103RD和AES1711的連接如圖1所示。STM32F103RD通過GPIO口實(shí)現(xiàn)對(duì)AES1711 的控制，AES1711采用SPI方式和STM32F103RD進(jìn)行連接通信，使用兩組SPI。其中一組為AES1711向STM32F103RD傳送數(shù)據(jù)使用，該組SPI數(shù)據(jù)量較大，采用AES1711 Master方式，利用主控SPI2接口，用DMA方式進(jìn)行。通過DMA方式，主控和AES1711之間最高可以實(shí)現(xiàn)12 Mbps的傳輸速率，在進(jìn)行DMA數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，STM32F103RD同時(shí)可進(jìn)行如拼接等其他進(jìn)程的處理，大幅度提高效率。另外一組SPI為STM32F103RD向AES1711傳送指令使用，因?yàn)閿?shù)據(jù)量較小，這里采用普通GPIO口進(jìn)行模擬。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
2．1 軟件總體設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)上電后，進(jìn)行初始化，并進(jìn)入低功耗等待階段。在低功耗階段，采用低速檢測(cè)手指，即間隔一段較長(zhǎng)時(shí)間發(fā)送一次手指檢測(cè)指令，如果檢測(cè)到有手指，則提高指紋采集的頻率，進(jìn)入指紋采集及拼接流程，否則繼續(xù)等待一段時(shí)間后再次檢測(cè)。軟件總體流程如圖2所示。

    為提高指紋采集和拼接的效率，將指紋的幀采集和拼接作為兩個(gè)線程進(jìn)行并行處理。由于指紋的采集采用SPI的DMA方式進(jìn)行，因此MCU可以以較少的時(shí)間來介入查詢采集是否結(jié)束，大部分時(shí)間用在復(fù)雜度較高的拼接部分。指紋采集的第一幀因?yàn)檫€沒有得到可以拼接的數(shù)據(jù)，而拼接的最后一幀不需要再進(jìn)行指紋序列的采集，因此這兩個(gè)部分的操作是相對(duì)獨(dú)立的。而其他時(shí)刻，指紋的第N幀采集和第N-1幀的拼接是并行進(jìn)行的。由于采用DMA方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，采集和拼接并行處理，需要兩個(gè)指紋幀Buffer來存儲(chǔ)采集到的指紋幀數(shù)據(jù)，其中一個(gè)供采集使用，另外一個(gè)供拼接使用，在進(jìn)行完一次采集和拼接的并行操作后，對(duì)兩個(gè)Buffer進(jìn)行交換使用。
    指紋采集的結(jié)束有兩種條件，一種為手指離開傳感器(即不再檢測(cè)到指紋)，另一種為達(dá)到設(shè)定的最大指紋有效高度(這里設(shè)為288像素，可包含較大指紋有效面積)。當(dāng)達(dá)到上述條件的任何一個(gè)時(shí)，可判斷指紋采集結(jié)束。指紋采集和拼接完成后，對(duì)拼接完成后的指紋圖像進(jìn)行有效性判斷，如果為有效指紋圖像，則進(jìn)行輸出，否則放棄并給出出錯(cuò)提醒。
2．2 指紋拼接
    由于環(huán)境的差異，采集到的指紋序列可能引入一定的噪聲。為了消除噪聲帶來的差異，需要對(duì)指紋序列進(jìn)行2D高斯濾波，模板為：
   
    濾波后的指紋序列，根據(jù)灰度紋理信息進(jìn)行匹配搜索，由于采集環(huán)境的差異，需進(jìn)行一定處理以適應(yīng)灰度值差異。這里采用MAD準(zhǔn)則對(duì)第N幀和第N-1幀進(jìn)行匹配，具體如下：
   
    式中H和W分別為灰度匹配區(qū)的像素高度和寬度，PN(i，j)為第N幀指紋在(i，j)處的灰度值，PN-1(i+u，j+v)為第N-1幀指紋經(jīng)過(u，v)位移后在(i，j)處的灰度值，pmeanN和pmeanN-1為第N幀和第N-1幀的圖像灰度平均值。為了節(jié)約存儲(chǔ)空間，第N-1幀指紋序列從目標(biāo)指紋圖像緩存中提取。指紋拼接流程如圖3所示。

    實(shí)際使用中，手指在劃過傳感器時(shí)，大部分情況下滑動(dòng)方向是單調(diào)一致的，且速度差異不大，因此指紋各幀之間的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)具有很強(qiáng)的相關(guān)性。為提高指紋拼接的速度，可以采用運(yùn)動(dòng)估計(jì)來獲取初始參考點(diǎn)的位置，從而達(dá)到提高搜索效率的目的。具體實(shí)施時(shí)，如第N-1幀搜索到最佳匹配位置后，將該位置相對(duì)原點(diǎn)的位移(Vx，Vy)記為運(yùn)動(dòng)矢量，作為第N幀的搜索起點(diǎn)。匹配搜索時(shí)，利用單調(diào)一致性，可以采用八鄰域模板進(jìn)行搜索，即搜索參考點(diǎn)的8個(gè)鄰域，取MAD最小的點(diǎn)作為匹配點(diǎn)再次進(jìn)行搜索。若本次搜索最佳匹配點(diǎn)為參考點(diǎn)，則搜索結(jié)束，若搜索范圍超過8，則也認(rèn)為搜索結(jié)束。八鄰域搜索模板如圖4所示。

2．3 指紋有效性和后處理
    指紋采集和拼接結(jié)束后，需要對(duì)指紋圖像進(jìn)行有效性判斷，AES1711采集到的指紋圖像寬度較窄(128像素)，如果指紋高度較小，則這枚采集到的指紋圖像包含的特征信息量很少，后續(xù)的指紋特征提取和識(shí)別就不能很好地進(jìn)行，因此當(dāng)采集到的指紋高度小于一定值時(shí)，則認(rèn)為指紋圖像無效。這里定義指紋最小高度為192，即拼接后的指紋高度低于192像素，則視為無效圖像進(jìn)行丟棄處理。
    目標(biāo)指紋圖像的后處理根據(jù)需要進(jìn)行，如應(yīng)用為指紋識(shí)別，因其自身帶圖像前處理，則采集和拼接過程中可不進(jìn)行后處理，如應(yīng)用為指紋采集，則可加入指紋后處理。后處理在完成整枚圖像的采集和拼接后進(jìn)行，主要包括去噪、規(guī)定化、均衡化處理等。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    在搭建好的硬件平臺(tái)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本系統(tǒng)能完成實(shí)時(shí)采集和拼接，同時(shí)對(duì)干、濕指紋具有較好的適應(yīng)性。STM32F103RD工作在72 MHz時(shí)，手指以45～50 cm／s的速率劃過AES1711表面，系統(tǒng)能較好地完成拼接。其中兩枚指紋經(jīng)拼接結(jié)果如圖5所示。

結(jié)語
    由STM32F103RD和AES1711構(gòu)成的指紋采集和拼接系統(tǒng)，具有體積小、速度快、魯棒性好、功耗低、性價(jià)比高的特點(diǎn)，可以滿足實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)的需求，特別是對(duì)成本和體積要求比較嚴(yán)格的移動(dòng)嵌入式系統(tǒng)。