作者:Jayanti Addepalli and Aseem Vasudev
在當(dāng)今世界,,對(duì)有效安全,、有效實(shí)施的必要性是顯而易見(jiàn)的。必須識(shí)別個(gè)人身份,,以允許或禁止訪問(wèn)安全區(qū)域,,或使他們能夠使用計(jì)算機(jī),、個(gè)人數(shù)字助理 (PDA) 或移動(dòng)電話,。生物特征簽名或生物識(shí)別技術(shù)用于通過(guò)測(cè)量某些獨(dú)特的身體和行為特征來(lái)識(shí)別個(gè)人。幾乎所有生物識(shí)別技術(shù)都是使用傳感器實(shí)現(xiàn)的,,以從個(gè)人那里獲取原始生物識(shí)別數(shù)據(jù),;特征提取,處理獲取的數(shù)據(jù)以開(kāi)發(fā)代表生物特征的特征集,;模式匹配,,將提取的特征集與駐留在數(shù)據(jù)庫(kù)中的存儲(chǔ)模板進(jìn)行比較;以及決策,,即對(duì)用戶聲稱的身份進(jìn)行身份驗(yàn)證或拒絕,。
指紋傳感器
指紋長(zhǎng)期以來(lái)是最廣泛接受的生物識(shí)別標(biāo)識(shí)符之一,是唯一且永久的,。它們的圖像由多個(gè)曲線段組成,,包括稱為山脊的高區(qū)域和稱為山谷的低區(qū)域。細(xì)枝末節(jié),,即脊流模式中的局部不連續(xù)性,,被用作判別特征。指紋傳感器“讀取”手指表面,,并通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)將模擬讀數(shù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式,。指紋傳感器大致可分為光學(xué)、超聲波或固態(tài),,包括電容式,、射頻式、熱式和壓電式器件,。
由于手指最外層干燥的死皮細(xì)胞具有低電導(dǎo)率,,因此RF傳感器從皮膚潮濕和導(dǎo)電的邊界區(qū)域獲取指紋數(shù)據(jù),活細(xì)胞開(kāi)始變成角質(zhì)化的皮膚,。這個(gè)活的地下層是指紋圖案的來(lái)源,,很少受到手指表面損壞或磨損的影響。
AuthenTec TruePrint 傳感器在埋在硅芯片內(nèi)的導(dǎo)電層和皮膚表面下方的導(dǎo)電層之間使用小射頻信號(hào),。射頻場(chǎng)測(cè)量手指下層活表皮層的脊和谷的電勢(shì)輪廓,。通過(guò)從未受損傷或污染的皮膚部位獲取數(shù)據(jù),,該傳感器可生成比僅讀取皮膚表面的光學(xué)或電容技術(shù)更準(zhǔn)確和可重復(fù)的指紋樣本,。?,?
熱釋電材料根據(jù)溫差產(chǎn)生電壓,。當(dāng)手指與發(fā)熱的傳感器表面接觸時(shí),指紋脊(更靠近傳感器表面)比離傳感器表面更遠(yuǎn)的谷保持更高的溫度,。Atmel AT77C104B 指紋傳感器使用這種類型的熱成像技術(shù)捕獲指紋,。它是一款線性傳感器,,在單個(gè)CMOS IC中結(jié)合了檢測(cè)和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路。通過(guò)將手指掃過(guò)感應(yīng)區(qū)域來(lái)捕獲指紋圖像,。第一次接觸時(shí)會(huì)產(chǎn)生圖像,,但由于達(dá)到熱平衡時(shí)圖像很快就會(huì)消失,因此需要一種掃描方法來(lái)獲得穩(wěn)定的指紋圖像,。
當(dāng)手指垂直掃過(guò)傳感器窗口時(shí),,傳感器會(huì)捕獲指紋圖像。手指掃描技術(shù)可確保傳感器表面保持清潔,。與基于觸摸的傳感器不同,,一旦手指被移除,潛在指紋就不會(huì)保留,。傳感器不需要外部熱量,、光或無(wú)線電源。片上溫度穩(wěn)定功能可識(shí)別手指和傳感器之間的溫差,,并增加溫差以獲得更高的圖像對(duì)比度,。這里將重點(diǎn)討論基于這種熱傳感器的指紋識(shí)別系統(tǒng)。
表征指紋傳感器的主要參數(shù)包括分辨率,、面積,、動(dòng)態(tài)范圍和像素?cái)?shù)。分辨率以每英寸點(diǎn)(或像素)每英寸 (dpi) 為單位,。更高的分辨率可以在山脊和山谷之間更好地定義,,并更精細(xì)地隔離細(xì)枝末節(jié)點(diǎn)——這在指紋匹配中起著主要作用,因?yàn)榇蠖鄶?shù)算法依賴于細(xì)枝末節(jié)的巧合來(lái)確定兩個(gè)指紋印模是否屬于同一根手指,。較大的感應(yīng)區(qū)域通常提供更獨(dú)特的指紋,,但將手指掃過(guò)較小的傳感器,并快速獲取和處理數(shù)據(jù),,使小型低成本傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)與更大,、更昂貴的傳感器相當(dāng)?shù)那逦取?dòng)態(tài)范圍或深度表示用于編碼每個(gè)像素強(qiáng)度的位數(shù),。特定幀中指紋圖像中的像素?cái)?shù)可以從分辨率和面積得出,。
AT77C104B 傳感器在 0.4 毫米× 11.6 毫米區(qū)域內(nèi)具有 500 dpi 分辨率,總共提供 8 像素× 232 像素,,或每幀 1856 像素,。每個(gè)像素用四個(gè)位編碼,識(shí)別 16 個(gè)灰度級(jí)別,。圖3顯示了傳感器的框圖,,其中包括陣列、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、片內(nèi)振蕩器,、控制和狀態(tài)寄存器,、導(dǎo)航和點(diǎn)擊單元,以及用于慢速和快速工作模式的獨(dú)立接口,。慢速模式的運(yùn)行頻率最高可達(dá) 200 kHz,,用于對(duì)傳感器進(jìn)行編程、控制和配置,??焖倌J娇稍诟哌_(dá)16 MHz的頻率下運(yùn)行,用于數(shù)據(jù)采集,。片上加熱器增加了手指和傳感器之間的溫差,。為了限制電流消耗,看門(mén)狗定時(shí)器在指定的時(shí)間長(zhǎng)度后停止加熱模塊,。
圖3.指紋傳感器框圖
操作模式
該傳感器實(shí)現(xiàn)六種工作模式:
睡眠模式:一種功耗非常低的模式,,其中禁用內(nèi)部時(shí)鐘并初始化寄存器。
待機(jī)模式:低功耗模式,,等待主機(jī)的操作,。激活慢速串行端口接口 (SSPI) 和控制塊;振蕩器保持活動(dòng)狀態(tài),。
單擊模式:等待手指在傳感器上,。SSPI 和控制塊保持活動(dòng)狀態(tài);激活本地振蕩器,、單擊 陣列 和 單擊 塊,。
導(dǎo)航模式:計(jì)算手指穿過(guò)傳感器時(shí)的 x 和 y 移動(dòng)。SSPI 和控制塊仍處于激活狀態(tài),;本地振蕩器,、導(dǎo)航陣列和導(dǎo)航塊也被激活。
采集方式:將切片發(fā)送到主機(jī)進(jìn)行指紋重建和識(shí)別,。SSPI 和控制塊仍處于激活狀態(tài),;快速串行端口接口塊 (FSPI) 和采集陣列被激活。當(dāng)需要看門(mén)狗定時(shí)器時(shí),,本地振蕩器被激活,。
測(cè)試模式:此模式保留用于工廠測(cè)試。
將指紋傳感器連接到Blackfin處理器的串行外設(shè)接口,?
本應(yīng)用選擇Blackfin ADSP-BF533低成本,、高性能處理器,因?yàn)樗Y(jié)合了快速信號(hào)處理器和功能強(qiáng)大的微控制器的功能,。其 4 線全雙工同步串行外設(shè)接口 (SPI) 具有兩個(gè)數(shù)據(jù)引腳(MOSI 和 MISO),、一個(gè)器件選擇引腳 (/SPISS) 和一個(gè)門(mén)控時(shí)鐘引腳 (SCK)。參見(jiàn)圖 4,。SPI 支持主模式,、從模式和多主站環(huán)境。 SPI兼容型外設(shè)實(shí)現(xiàn)還支持可編程波特率和時(shí)鐘相位/極性,。
圖4.黑鰭處理器SPI端口框圖
該接口本質(zhì)上是一個(gè)移位寄存器,,以SCK速率串行發(fā)送和接收數(shù)據(jù)位(一次一個(gè)位),與其他SPI器件之間發(fā)送和接收數(shù)據(jù)位,。移位寄存器能夠同時(shí)發(fā)送和接收串行數(shù)據(jù),。SCK同步兩個(gè)串行數(shù)據(jù)引腳上數(shù)據(jù)的移位和采樣。
SPI 端口可配置為主端口(生成 SCK 和 /SPISS 信號(hào))或從端口(從外部接收 SCK 和從選擇信號(hào)),。當(dāng)SPI端口配置為主端口時(shí),,它驅(qū)動(dòng)MOSI引腳上的數(shù)據(jù),并在MISO引腳上接收數(shù)據(jù),。它驅(qū)動(dòng)SPI從器件的從機(jī)選擇信號(hào),,并提供串行位時(shí)鐘(SCK)。Blackfin處理器的SPI通過(guò)使用時(shí)鐘極性(CPOL)和時(shí)鐘相位(CPHA)位提供的組合來(lái)支持四種功能模式,。有關(guān)Blackfin SPI端口的詳細(xì)信息,,請(qǐng)參閱ADSP-BF533 Blackfin處理器硬件參考手冊(cè)。
硬件接口
ADSP-BF533處理器的SPI端口與AT77C104B之間的無(wú)縫硬件接口如圖5所示,,不需要任何外部粘合邏輯,。傳感器的從選擇信號(hào) /SSS 和 /FSS 通過(guò)可編程標(biāo)志引腳 PF1 和 PF2 驅(qū)動(dòng)。在將另一個(gè)標(biāo)志配置為輸出之前,,應(yīng)將一個(gè)標(biāo)志配置為輸出并驅(qū)動(dòng)為高電平(這些標(biāo)志不應(yīng)同時(shí)配置為輸出,,因?yàn)锽lackfin處理器默認(rèn)將其驅(qū)動(dòng)為低電平,會(huì)將傳感器芯片切換到掃描測(cè)試模式),。通過(guò) /IRQ 引腳生成的傳感器中斷由輸入 PF4 讀取,。復(fù)位 RST 由 PF3 驅(qū)動(dòng)。復(fù)位是一個(gè)高電平有效信號(hào),,因此在該線路上使用下拉電阻,。
圖5.ADSP-BF533處理器與AT77104B FingerChip傳感器之間的接口
應(yīng)用程序
應(yīng)用程序代碼執(zhí)行控制傳感器、獲取指紋數(shù)據(jù)以及重新排列數(shù)據(jù)以使用 VisualDSP++ 開(kāi)發(fā)工具的圖像查看器插件顯示接收到的指紋圖像等任務(wù),。?
當(dāng)傳感器檢測(cè)到咔嗒聲(即指示手指存在的信號(hào))時(shí),,它會(huì)生成中斷。Blackfin處理器接收此中斷,,并在下降沿生成中斷,。狀態(tài)寄存器指示導(dǎo)致中斷的事件。此過(guò)程用于導(dǎo)航,、讀取錯(cuò)誤和其他中斷,。整個(gè)應(yīng)用程序的簡(jiǎn)化流程圖如圖 6 所示。
圖6.申請(qǐng)流程圖
數(shù)據(jù)采集
在采集模式下啟用傳感器加熱??撮T(mén)狗定時(shí)器也已啟用,,確保加熱保持受控。因此,,當(dāng)要求加熱時(shí),,傳感器被加熱“n”秒。
然后設(shè)置DMA參數(shù)以進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,??勺兇笮〉?DMA 彈性描述符加載到 DMA 參數(shù)寄存器中。寄存器的順序基本上是固定的,,但描述符的長(zhǎng)度是完全可編程的,。二維陣列用于配置 DMA 參數(shù)。一維數(shù)組是各個(gè)描述符,。第一個(gè)描述符(虛擬)用于接收前五個(gè)字節(jié),,因?yàn)樵诘谝粋€(gè)數(shù)據(jù)到達(dá)之前,傳感器必須發(fā)送 40 個(gè)虛擬時(shí)鐘周期才能初始化芯片流水線,。因此,,第一個(gè)同步序列在 40 個(gè)時(shí)鐘周期后出現(xiàn)。然后,,數(shù)據(jù)到達(dá)每個(gè)時(shí)鐘周期,,用于所有后續(xù)數(shù)組讀數(shù)。
傳感器以幀的形式發(fā)送數(shù)據(jù),。每個(gè)幀的開(kāi)頭由包含同步字的虛擬列標(biāo)記,。像素?cái)?shù)組從左上角到右下角逐列讀取。
數(shù)據(jù)重排
必須重新排列數(shù)據(jù)以顯示獲取的指紋圖像,。重新排列的數(shù)據(jù)將被存儲(chǔ),,可以使用 VisualDSP++ 圖像查看器實(shí)用程序進(jìn)行查看。采集的圖像和設(shè)置如圖7所示,。執(zhí)行以下功能:
半字節(jié)交換:傳感器以半字節(jié)交換格式發(fā)送數(shù)據(jù),。例程將奇偶像素交換為整個(gè)幀。
4 位到 8 位轉(zhuǎn)換:每個(gè)傳感器像素的寬度為 4 位,,但圖像查看器顯示的最小寬度為 8 像素,。四位零填充將每個(gè)像素轉(zhuǎn)換為 8 位。
電平調(diào)整:接收數(shù)據(jù)中的每個(gè)像素的強(qiáng)度為0到15,,但顯示范圍為0到255,。每個(gè)像素的電平轉(zhuǎn)換會(huì)產(chǎn)生良好的顯示效果。
數(shù)組轉(zhuǎn)置:來(lái)自傳感器的數(shù)據(jù)按列發(fā)送,,但二維 DMA 按行接收數(shù)據(jù),,因此必須轉(zhuǎn)置才能連續(xù)顯示幀,。三維數(shù)組用于連續(xù)顯示幀。
圖7.用于圖像捕獲的 VisualDSP++ 屏幕截圖
指紋重建與識(shí)別
如果指尖以合理的速率掃過(guò)傳感器窗口,,則連續(xù)幀之間的重疊使得可以使用 Atmel 提供的軟件重建整個(gè)指紋的圖像,。重建的圖像通常為 25 mm × 14 mm,或 500 像素× 280 像素,,由于分辨率增強(qiáng),分辨率為 8 位,。因此,,每個(gè)圖像需要 140 kB 的存儲(chǔ)空間??梢允褂脴?biāo)準(zhǔn)圖像處理技術(shù)從中導(dǎo)出更大或更小的圖像,。一旦幀被連接以獲得完整的指紋圖像,識(shí)別算法就可以將樣本與模板相匹配,。
信任但驗(yàn)證
指紋處理有三個(gè)主要功能:注冊(cè),、搜索和驗(yàn)證。注冊(cè)從傳感器獲取指紋圖像并將其保存在 SRAM 中,。對(duì)圖像進(jìn)行處理,、增強(qiáng)和壓縮以創(chuàng)建指紋模板。各種過(guò)濾器清理圖像并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)學(xué)表示,,因此無(wú)法竊取模板并直接重新創(chuàng)建指紋圖像,。
搜索會(huì)將原始候選圖像與以前注冊(cè)的模板列表進(jìn)行比較。通過(guò)一系列篩選過(guò)程,,該算法將模板列表縮小到可管理的大小,。將那些在篩選中幸存下來(lái)的模板與候選人進(jìn)行比較,并提供驗(yàn)證分?jǐn)?shù),。超過(guò)預(yù)設(shè)閾值的分?jǐn)?shù)表示肯定的標(biāo)識(shí),。
驗(yàn)證通過(guò)實(shí)時(shí)閉環(huán)模式匹配算法將原始候選圖像與先前注冊(cè)的模板進(jìn)行比較來(lái)驗(yàn)證用戶的身份。將返回一個(gè)分?jǐn)?shù),,指示候選項(xiàng)和模板的相似性,,以生成是/否匹配決策。
結(jié)論
Blackfin處理器和AT77C104B FingerChip傳感器相結(jié)合,,提供簡(jiǎn)單而強(qiáng)大的指紋識(shí)別,,通過(guò)允許或禁止訪問(wèn)建筑物中的敏感區(qū)域或筆記本電腦中的敏感數(shù)據(jù)來(lái)增強(qiáng)安全性。
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