發布日期：2022-05-11 點擊率：70
摘 要：本文實現了由ARM9芯片AT91RM9200和滑動指紋傳感芯片AT77C104B FingerChip構成的、基于Linux的指紋采集系統。同時利用一種快速的指紋拼接算法，拼接出完整的高質量指紋圖像，使低成本、低功耗和小面積的滑動指紋傳感器達到與傳統的指紋傳感器相同的效果。
關鍵字：滑動指紋傳感器 指紋采集 指紋拼接 塊匹配
Abstract: This paper elaborates on the implementation of a fingerprint acquisition system based on the embedded Linux environment，which consists of the ARM9 AT91RM9200 and the sweep fingerprint sensor AT77C104B FingerChip. The whole high quality fingerprint is obtained by a fast stitching algorithm. The effect of fingerprint obtained by the low cost, low power and small area sweep fingerprint sensor is as good as traditional one‘s.
Keyword: sweep fingerprint sensor, fingerprint acquisition, fingerprint stitching, block-matching
1、 前言
指紋因其唯一性，終身不變性等特點，在安全性要求較高的行業，如海關、金融和刑偵領域得到廣泛應用。隨著人們安全意識和隱私覺悟的提高，手機、筆記本、PDA等日常電子消費品中也逐漸開始使用指紋識別技術。此類電子消費品因為便攜、手持等特點，在體積、重量、功耗方面都有很高的要求，而傳統的指紋傳感器面積較大，不適合此類產品的使用。
隨之產生的滑動指紋傳感器（sweep fingerprint sensor），因為它更小的體積、更低的價格和極低功耗，已經逐漸開始應用于電子消費領域和其他安全系統中。以ATMEL公司的AT77C104A FingerChip為例[1]，與傳統的指紋傳感器相比，它具有以下優點：（1）體積小，僅為1.5×15mm;（2）強魯棒性，采集到的相鄰的指紋幀沒有旋轉形變等;（3）低功耗，圖像采集時為4.5mA，導航時為1.5mA，睡眠模式小于10uA。 [2]中應用的圖像傳感器，獲取的指紋圖像大小為240×240，面積遠遠大于滑動指紋傳感器。然而手指滑過滑動指紋傳感器時，采集到的一個指紋幀序列而并非完整的指紋圖像。如何將得到的指紋幀序列快速的拼接成一幅完整的指紋圖像，達到與傳統的面積較大的指紋傳感器相同的效果，成為一個急需解決的難題[3]。
為了解決這個難題，本文實現了基于ARM9芯片AT91RM9200[4]和滑動指紋傳感器AT77104A FingerChip的指紋采集系統，并在該系統中完成指紋有效拼接。
2、 指紋采集和拼接系統的硬件設計
AT91RM9200是ATMEL推出的ARM9 32位處理器，具有一下優點：運算速度快（在工作頻率為180MHz的情況下它的運算速度為 200MIPS）、低功耗、可提供片上或片外存儲器以及一系列外圍控制、通信和數據存儲的靈活配置。這些特征使得這款芯片適合嵌入式指紋采集系統的開發。
在硬件核心電路中，使用兩片16位的SDRAM來配置成32位寬度的高性能存儲器，讀取數據時候以四個字節為一個單位，從而加快了數據的讀取速度。同時外擴一個8M的DataFlash，用于存放Uboot、Linux文件系統和應用程序。
在本系統中，包括的通信過程為：
（1）主機和ARM板之間的通信包括：首先PC主機在超級終端中使用Xmodem協議發送文件RomBoot.bin到AT91RM9200內置的 ROM中，下載完畢后，自動運行;其次分別將RomBoot.bin和U-Boot.bin程序下載存儲到DataFlash，復位后自動啟動U- Boot;最后通過以太網口將Linux鏡像文件和應用程序下載到DataFlash中。再次復位后，開發板進入Linux系統。
（2）AT77C104A和控制芯片之間的通信：通過SPI接口完成。控制芯片通過寫寄存器，設置AT77C104A的工作模式;AT77C104A將采集到的數據傳遞到SDRAM中。
（3）在該嵌入式系統中，拼接采集到的指紋幀序列，通過USB接口導出拼接后的指紋圖像。
圖1指紋采集和拼接系統框圖
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據。與傳統的指紋傳感器相比，AT77C104A在體積、功耗、工作頻率以及對工作環境的魯棒性等方面均有優勢。該芯片提供了SPI接口，有兩種通信總線：
（1）SLOW總線：對應SLOW模式，起控制作用，控制和讀寫內部寄存器;
（2）FAST總線：對應FAST模式，用于獲取象素，使主機獲得所有的指紋象素。
在本指紋采集系統中，利用AT91RM9200的SSC接口與AT77C104B FingerChip相連。SSC 包含獨立的接收器、發送器及一個時鐘分頻器。每個發送器及接收器有三個接口：針對數據的TD/RD 信號、針對時鐘的TK/RK 信號及針對幀同步的TF/RF 信號。 AT91RM9200與AT77C104B FingerChip 通信時，前者處于主機方式，后者處于從機方式，連接如圖2所示。
在該通信過程中，SSC的接收器時鐘RK由TK驅動，同時接收端與發送端同步，所以TF與RF相連。AT91RM9200通過I/O口（PIO_PA5）提供片選信號，選擇指紋傳感器的工作模式。SSC的可編程高電平及兩個32位專用PDC 通道，可在沒有處理器干涉的情況下進行連續的高速率數據傳輸，適用于快速獲取指紋數據。
AT77C104A FingerChip內部有13個寄存器。AT91RM9200通過寫AT77C104A FingerChip內部的模式寄存器，將FingerChip設置成獲取象素模式。此時，AT91RM9200通過PIO_PA5將FingerChip的 FSS（Fast SPI Slave Slect，低電平有效）信號置為低電平。設置完成后，AT91RM9200為主機，FingerChip為從機。FingerChip的MISO信號將采集到的數據輸入到AT91RM9200的SSC端口對應的RD端，存儲到SDRAM中。
圖2 AT91RM9200與AT77C104B FingerChip連接
滑動時指紋傳感器獲得的每一個像素，由一個16進制數表示，對應著4個時鐘周期。當傳感器通過SPI端口傳輸獲取到一幀數據時，先傳輸一個幀同步信號 F0F00200，然后再傳輸232×8像素指紋數據。因此，每傳輸一幀數據，需要n=（232×8+8）×4=7496個時鐘周期。當 FingerChip以6Mbps工作時，每秒中可獲取804幀指紋數據。獲取到的指紋數據存儲在SDRAM中，通過指紋拼接程序將紋幀序列拼接成完整的指紋圖像，然后通過USB傳輸回PC主機中顯示。
4、 系統定制和驅動程序加載
4.1系統定制
為了增加系統的可維護性，采用Linux系統，Linux內核可根據需要裁減。系統定制過程為：（1） 首先將RomBoot.bin下載到 AT91RM9200的SDRAM里;當超級終端顯示RomBoot程序界面之后，分別將RomBoot.bin和U-Boot.bin程序下載存儲到 DataFlash的0xc0000000和0xc0008000地址。復位開發板，進入U-Boot命令行。（2）在超級終端中，通過tftp將裁減過的Linux內核鏡像文件和文件系統下載到Dataflash中運行。
4.2 加載驅動程序
設備驅動程序在Linux內核中，使某個特定的硬件響應一個定義良好的內部編程接口，同時完全隱藏了設備的工作細節。用戶通過一組標準化的調用完成對硬件的操作，而這些調用是和特定的驅動程序無關的。將這些調用映射到作用了實際硬件的設備特定的操作上，就是設備驅動程序的任務。另一方面，這種編程接口使得驅動程序獨立于內核的其他部分而建立，在需要的時候，可以在運行時“插入”內核（調入內存），也即Linux中的模塊化實現，這也是Linux中設備驅動程序的一大特點。
將FingerChip驅動程序加載到Linux文件系統中，當系統運行時，使用insmod命令，即可實現指紋傳感器設備的裝載。通過標準化的調用，實現對傳感器的控制。
5、 基于滑動式指紋傳感器的指紋拼接算法
當手指滑過時，滑動指紋傳感器采集到是一系列指紋幀序列，因此在嵌入式系統中，需要對獲取的指紋幀序列進行拼接。與PC機中的CPU相比，ARM芯片速度較低。為了減少刮取指紋后的等待時間，對指紋拼接速度的要求很高。
從大量的指紋序列中發現，當采集速度足夠快時，指紋幀序列相鄰兩幀之間是連續的，而且會有部分重疊。同時，相鄰指紋幀之間的旋轉和形變微乎其微，幾乎可以被忽略，所以在相鄰指紋幀配準的時候，只需要計算出兩幀之間的偏移量就可以。
本文運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區域; （2）在圖像B中選取所有可能的M×N大小的Y區域;（3）計算X區域和Y區域對應象素差值的平均值MAE;MAE越小，兩區域相似度越高;（4）MAE 最小值對應的Y區域即為與X區域匹配。計算公式為：
（1）
其中0≤i≤M-1，0≤j≤N-1，p（i,j）為X區域的點p的象素值，q（i,j）為Y區域對應點q的象素值。MAE越小，兩區域相似度越高。理想情況下，MAE最小值為0。
具體實現步驟：（1）FingerChip AT77104A獲取到的指紋幀數據大小為232×8，設x方向為232，y方向為8。為了有效的拼接相鄰兩幀指紋，設置獲取每一幀數據的頻率，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，在x方向上偏移量為0。因此，只考慮dx不大于dy的情況。當dx超過dy時，滑動無效。（3）由（1）（2）可得，|dx|<8。同時可得，最后一行，中間的（232-8×2）個象素與下一幀必有重疊。（4）取前一幀最后一行（232-8×2）個象素，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，計算求得MAE。選取MAE的最小值對應的模板，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）重復執行以上步驟，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
本文實現了基于ARM9芯片AT91RM9200和滑動指紋傳感器AT77C104B FingerChip的指紋采集系統，具有低功耗，采集便捷，通信系統簡單等優點，具有很大的實用價值。開發的指紋拼接算法通過了AT77C104B FingerChip獲取的100幅指紋幀序列的測試，均能達到較好的效果。該系統獲取到的指紋幀序列和拼接后的指紋圖像，均可通過USB接口導出，可用于指紋拼接算法有效性的測試和指紋識別算法的測試。因為 AT91RM9200支持以太網的接入，因此可以聯網集控。下一步的工作是，在此指紋采集和指紋拼接算法的基礎上，開發指紋識別系統。
參考文獻
1. AT77C104B FingerChip Data Sheet. www.atmel.com
2. 謝健陽 李鐵才等，指紋識別系統的設計實現，微計算機信息，2006 No.8 P.156-157
3. Y. L. Zhang, J. Yang and H. T. Wu, “A hybrid swipe fingerprint mosaicing scheme”, AVBPA 2005, LNCS3546, pp.131-140, 2005.
4. AT91RM9200 Data Sheet. www.atmel.com
5. F. S. Rovati, P. Gardella, P. Zambotti and D. Pau, “Spatial-temporal motion estimation for image reconstruction and mouse functionality with optical or capacitive sensors”, Consumer Electronics, IEEE Transactions on, vol 49, pp.711-718, Aug. 2003
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