基于双目视角的嵌入式3D指纹识别系统设计(2)

　　图2 实时3D指纹识别系统的结构图 

　　2.1 MTK平台 

　　联发科技（Media Tek，MTK）平台[3]，是一款通用的嵌入式手机开发平台；系统方案内部采用开放式的软硬件接口，具有强大的技术支持，用户可以快速地定制无线通信的应用。在本系统中，MTK平台作为控制核心，其功能从硬件底层来看是实现数据流的输入/输出；从3D指纹识别系统上层来看是实现双目视角的照相机驱动、结构光的产生和控制、图像数据的采集、与服务器无线传输通信等。MTK芯片的选择主要考虑了以下三个因素： 

　　（1） 控制投影仪产生结构光投影，需要支持高清晰度多（HDMI）； 

　　（2） 控制双摄像头采集，需要高性能高速度的MTK芯片； 

　　（3） 为保证数据与服务器的实时无线传输，需快速的移动网络。 

　　在MTK公司的众多基带芯片中，MTK6577是一款高性能的双核处理器。其主频只高达1.2 GHz，不仅芯片内核强大：采用Cortex A9构架，二级缓存高达1 MB，集成3G移动宽带连接，支持单模HSPA+网络，上传下载速度不低于5.6 Mb/s，集成了图像信号处理器、JPEG硬件编码和解码器，最高可以以15 f/s的速度进行800万像素图像采集等；而且外围接口丰富，具有一个高清晰度多媒体接口（HDMI）和双摄像头接口。 

　　2.2 DSP功能 

　　数字信号处理器（DSP）在本系统中作为控制核心的附属机构，主要实现与MTK芯片之间指纹数据的输入和输出、指纹算法运行处理这两大功能。前一个功能主要是依赖于硬件外部接口间实现，而后一个功能偏向于DSP芯片内部资源。因此，在选型方面主要考虑以下因素： 

　　（1） 与MTK芯片之间实现数据通信，需要专用的外部存储器接口（External Memory Interface， EMIF）； 

　　（2） 为了保证实时性，专用的快速傅立叶（Fast Fourier Transform，FFT）运算硬件器更有利于指纹图像算法的执行。 

　　TI公司的TMS320C5515[4]是一款高性价比的DSP芯片，专为生物模式识别应用而开发的。芯片采用定点数的TMS320C55xDSP处理器核，内部有一个紧耦合式的FFT硬件加速器，主频可高达120 MHz，320 KB片上RAM，外加一个EMIF接口，利于指纹识别系统的设计与开发。 

　　3 系统硬件设计 

　　3.1 双目视角的硬件接口 

　　MTK6577采用标准的移动应用处理器接口（Mobile Industry Processor Interface，MIPI）协议，方便了用户开发影像方面的应用。本文所设计的系统运用了MTK6577芯片自带的高速照相机串行接口（Camera serial interface，CSI）与相机模块OV8820进行数据通信，并采用了串行相机控制总线（Serial Camera Control Bus，SCCB）控制相机进行采集事务，如图3所示。 

　　图3 双目视角的硬件接口 

　　3.2 双控制核心协同接口设计 

　　双目视角的3D指纹识别系统采用了双核心的模式[5]。考虑到指纹识别系统需要完成图像采集、处理、存储并与服务器进行传输等事务，本系统中采用了两片由Micron公司生产的SDRAM存储器MT48LC16M16A2，通过Altera公司的CPLD芯片，形成大容量双动态的数据存取方式，协同双控制核心的工作事务[6]，如图4所示。MT48LC16M16A2存储器片是一款具有256 MB的大容量，位宽为16 b，4个大小为4 MB大小的存储Bank，不但片内Bank间可以实现乒乓式数据存取，而且片间的乒乓式数据存取，极大方便指纹采集与处理、暂存与传输等事务交替运行。 

　　图4 双控制核心协同接口 

　　4 系统软件设计

　　整个基于双目视角的3D指纹采集系统软件的设计主要包括客户端模块、服务器端模块和C/S结构下的协同开发三部分，系统软件框架如图5所示。 

　　图5 系统软件框架 

　　4.1 客户端模块设计 

　　客户端模块基于Android平台进行开发的。在Android平台的应用层、应用框架层、组件库层和虚拟机等应用框架的基础上，开发了3D指纹采集系统的指纹算法[7]、图像采集等应用层的程序；在Android平台的Linux内核层经过可裁剪处理，改进双摄像头、增加结构光协同事务等硬件驱动。 

　　客户端模块工作时，会请求与服务器连接，然后开启多任务多线程，监测采集事务，进行存储，指纹数据处理后，启动通信线程，发送至服务器，等待服务器匹配响应命令。 

　　4.2 服务器端模块设计 

　　服务器端模块设计基于Java语言进行开发的，功能的实现采用报文侦听方式。如图5所示，当服务器启动时，首先加入到一个组播地址中，然后初始化Socket，并对规定的端口进行侦听。在客户端与服务器端连接请求并双方握手成功后，即进入等待请求解析命令等状态，可以接收客户端面的指纹数据，响应客户端的指纹匹配任务，根据匹配结果反馈给客户端。 

　　5 结 语 

　　本文基于双目视角的3D成像原理，采用MTK和DSP相结合的方法构建了一套指纹识别系统。该方案采用的3D指纹识别技术使得指纹识别度高且反侦察能力强；采用C/S结构的同时，在客户端就可以实现指纹信息的识别功能，具有很好的实时性和便携性。同时该方案与能达到相似性能的方案相比硬件成本低，非常适合即要求安全性高又要求便携性好的场所，如出入境关口等环境的信息检测。硬件系统经过反复测试，实现了客户端的指纹采集、数据的存储及3D指纹算法运算。 

　　参考文献 

　　[1] 李博.非接触式指纹采集与识别的研究[J].光电子技术与信息，2004（7）：58?61 

　　[2] LABATI Ruggero Donida. Fast 3?D fingertip reconstruction using a single two?view structured light acquisition [J]. IEEE Press， 2011（10）： 1109?1118. 

　　[3] 张明云，罗明璋，王军民，等.MTK平台短信控制远程终端的实现方案[J].单片机与嵌入式系统应用，2011（2）：30?32. 

　　[4] 祝恩.自动指纹识别系统[M].长沙：国防科技大学出版社，2006. 

　　[5] 关景新，丁喜冬，冯天恩.DSP与CPLD在扫描探针显微镜中的应用[J].微计算机信息，2008（10）：156?158. 

　　[6] 葛明涛.一种便携式和低成本的指纹采集系统的设计[J].河南科技，2010（10）：58?59. 

　　[7] WANG Y， HASSEBROOK L G， LAU D L. Data acquisition and processing of 3?D fingerprints [J]. IEEE Transactions on Information Forensics and Security， 2010， 5（4）： 750?760.