[发明专利]一种基于FPGA的嵌入式指纹识别系统

说明书

技术领域

本发明属于计算机程序的技术领域，尤其是涉及一种软硬件相结合的基于FPGA的嵌入式指纹识别技术。

背景技术

目前，从事指纹识别算法的研究的公司和研究机构发展很迅速。其中，美国的Identicator和Secugen、法国的Segam等公司，其强大的经济实力和长期的技术积累，使他们在这一领域处于世界领先地位；由加州大学洛杉矶分校的研究的专用指纹芯片--ThumbPod指纹安全系统，采用开源IP处理器核Leon2；另外，比如我国台湾的Startek和韩国的Pefis也做的不错。目前指纹识别领域的学术权威是A．K．Jain教授，来自美国密歇根州立大学计算机系模式识别与图像处理实验室，他带领的团队在IEEE上发表数十篇论文，对指纹识别的发展作出了突出贡献。现在，指纹识别技术已日趋成熟，虽有一些不足尚待改进，但其为市场接受已经称为一个不争的事实。

目前，在需要密码启动的保险柜、手机和笔记本电脑等产品上，指纹识别技术的应用十分更广泛。飞利浦和摩托罗拉分别推出了W727和ME860等商务手机，联想公司推出的指纹识别键盘，易指禅推出的U盘电脑指纹加密锁；并且苹果公司也将在IOS5.1上支持指纹识别；这说明指纹识别技术的应用已不知不觉融入人们的生活。在国内外有些超市已开始利用指纹识别系统加速买单作业，并用来开关临时置物柜。指纹识别系统将成为为了主要的身份验证工具。

在我国，推出指纹识别产品的公司绝大多数公司是引进了国外的技术，真正掌握核心技术、拥有自主知识产权的公司只有北大高科、中自汉王、粤安集团、杭州晟元等几家，而学术方面则是田捷为代表的中国科学院自动化研究所、北京大学计算机系、清华大学自动化系、北京邮电大学等单位居于国内领先地位。

目前，嵌入式纹识别系统的硬件平台主要是基于高速DSP处理器的(以TI公司TMS320系列DSP应用居多)，以DSP芯片为核心，控制采集仪采集指纹，RAM存放运行时的代码和数据，运算和控制都由DSP完成，主要考虑算法的优化以及内存的优化等。最近几年，ARM广泛应用于嵌入式控制、消费电子、网络通信、移动式应用等领域，国内也有开始以ARM处理器为硬件平台进行指纹识别系统开发，目前的有一些大学做了些研究。以上两种技术算法运行都只能顺序执行，识别系统速度受限，而FPGA（Field Programmable Gate Array）具有并行处理的特点，运行速度快，可以针对不同环境、不同用户群，对指纹识别模块进行裁剪，扩充，在线更新。这些特性方便开发人员进行设计、修改和升级。这也是研究本课题的目的之一，进一步研究ASIC集成电路技术将IP核做成超大规模集成电路---指纹识别芯片。这样只要一颗芯片就可以完成指纹识别系统的工作，大大缩短了开发周期，同时扩大了指纹识别的适用范围和市场应用领域。

发明内容

本发明的研制目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，而提供一种既可用于移动设备进行指纹识别，也作为专用集成电路开发的雏形，且功耗低，性能稳定，识别速度快，可有效进行指纹的比对和录入。

本发明的一种基于FPGA的嵌入式指纹识别系统，包括指纹识别算法IP核和指纹采集仪控制器，所述的指纹识别算法IP核进行了算法优化，采用Verilog HDL进行设计优化，形成指纹识别IP核。同时所述的采集仪控制器具有指纹质量评测的功能，而且所述的系统引入指纹分类方法，构建了一个易裁剪、高效软硬件相结合的指纹识别系统框架。

所述的指纹识别算法IP核，对指纹增强算法进行了优化，其中包括计算方向场时采用累加梯度、根据Gabor函数对称性对算子进行优化、滤波区域的大小与脊线频率相关。其作用是简化了方向场的计算，减少了Gabor系数的计算，从而整体减少滤波算法的计算量，并且滤波区域更加合理。从整体上提高了增强算法的效率。

所述的指纹识别算法IP核，设计优化包括采用流水线设计、串并转换模块，形成指纹识别IP核。其作用是采用资源换去速率的方式，提高算法处理数据的速度，从而提高指纹识别算法的速度。

所述的指纹采集仪控制器，具有指纹质量评测的功能，针对过湿过干、指纹有效面、指纹对齐等参数进行评定，采集到高质量的指纹图像。其作用是为指纹识别系统提供高质量的指纹输入图像，提高系统识别的性能。

所述的软硬件结合的指纹识别系统架构，指纹分类采用软件实现，指纹识别采用硬件电路IP核实现，并行运行。其作用是并行架构，提高指纹识别系统的性能。

本发明的有益效果在于：