指紋傳感器和Blackfin處理器增強(qiáng)生物識(shí)別設(shè)備設(shè)計(jì)

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的。必須識(shí)別個(gè)人身份，以允許或禁止訪問安全區(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)用于通過測(cè)量某些獨(dú)特的身體和行為特征來識(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

指紋長期以來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。通過將手指掃過感應(yīng)區(qū)域來捕獲指紋圖像。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獲得穩(wěn)定的指紋圖像。

當(dāng)手指垂直掃過傳感器窗口時(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。快速模式可在高達(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，看門狗定時(shí)器在指定的時(shí)間長度后停止加熱模塊。

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)門控時(shí)鐘引腳 （SCK）。參見圖 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通過使用時(shí)鐘極性（CPOL）和時(shí)鐘相位（CPHA）位提供的組合來支持四種功能模式。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 /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。可以使用標(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。各種過濾器清理圖像并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)學(xué)表示，因此無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。通過一系列篩選過程，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的模板與候選人進(jìn)行比較，并提供驗(yàn)證分?jǐn)?shù)。超過預(yù)設(shè)閾值的分?jǐn)?shù)表示肯定的標(biāo)識(shí)。

驗(yàn)證通過實(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，通過允許或禁止訪問建筑物中的敏感區(qū)域或筆記本電腦中的敏感數(shù)據(jù)來增強(qiáng)安全性。

審核編輯：郭婷