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(yè),，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(tǒng)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(tǒng)中,。以ATMEL公司的AT77C104A FingerChip為例[1]，與傳統(tǒng)的指紋傳感器相比,，它具有以下優(yōu)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(tǒng)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(tǒng),，并在該系統(tǒng)中完成指紋有效拼接,。
2、 指紋采集和拼接系統(tǒng)的硬件設計
AT91RM9200是ATMEL推出的ARM9 32位處理器,，具有一下優(yōu)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(tǒng)的開發(fā)。
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(jié)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(tǒng)和應用程序,。
在本系統(tǒng)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(xié)議發(fā)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(fā)板進入Linux系統(tǒng)。
?。?）AT77C104A和控制芯片之間的通信：通過SPI接口完成,?？刂菩酒ㄟ^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,。
?。?）在該嵌入式系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)的指紋傳感器相比，AT77C104A在體積,、功耗,、工作頻率以及對工作環(huán)境的魯棒性等方面均有優(yōu)勢。該芯片提供了SPI接口,，有兩種通信總線：
?。?）SLOW總線：對應SLOW模式，起控制作用,，控制和讀寫內部寄存器;
?。?）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(tǒng)中，利用AT91RM9200的SSC接口與AT77C104B FingerChip相連,。SSC 包含獨立的接收器,、發(fā)送器及一個時鐘分頻器。每個發(fā)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(fā)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(xù)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(tǒng)定制和驅動程序加載
4.1系統(tǒng)定制
為了增加系統(tǒng)的可維護性，采用Linux系統(tǒng),，Linux內核可根據需要裁減,。系統(tǒng)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(fā)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(tǒng)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(jié),。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(tǒng)中，當系統(tǒng)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(tǒng)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(fā)現，當采集速度足夠快時,，指紋幀序列相鄰兩幀之間是連續(xù)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(qū)域;（2）在圖像B中選取所有可能的M×N大小的Y區(qū)域;（3）計算X區(qū)域和Y區(qū)域對應象素差值的平均值MAE;MAE越小，兩區(qū)域相似度越高;（4）MAE最小值對應的Y區(qū)域即為與X區(qū)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(qū)域的點p的象素值，q（i,j）為Y區(qū)域對應點q的象素值,。MAE越小,，兩區(qū)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(zhí)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(tǒng),，具有低功耗，采集便捷,，通信系統(tǒng)簡單等優(yōu)點,，具有很大的實用價值。開發(fā)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(tǒng)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(lián)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(fā)指紋識別系統(tǒng),。