通過(guò)指紋傳感器和Blackfin處理器增強(qiáng)設(shè)備識(shí)別與數(shù)據(jù)的安全性

生物識(shí)別與安全

在當(dāng)今世界，對(duì)高效實(shí)施的有效安全性的需求顯而易見(jiàn)。必須識(shí)別個(gè)人以允許或禁止訪問(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特征識(shí)別用于通過(guò)測(cè)量某些獨(dú)特的物理和行為特征來(lái)識(shí)別個(gè)體。實(shí)際上，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)人獲取原始生物識(shí)別數(shù)據(jù); 特征提取，用于處理獲取的數(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(kù)中的存儲(chǔ)模板進(jìn)行比較;

指紋傳感器

指紋，長(zhǎng)期以來(lái)被廣泛接受的生物識(shí)別標(biāo)識(shí)符之一，是獨(dú)一無(wú)二的。它們的圖像由多個(gè)曲線段組成，包括稱為脊的高區(qū)域和稱為 valleys 的低區(qū)域。 Minutiae ，脊流模式中的局部不連續(xù)性被用作區(qū)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。指紋傳感器可大致分為光學(xué)，超聲波或固態(tài) - 包括電容，射頻，熱和壓電器件。

因?yàn)槭种傅淖钔鈱痈稍?，死皮?xì)胞電導(dǎo)率低， em> RF傳感器從皮膚的潮濕和導(dǎo)電邊界區(qū)域獲取指紋數(shù)據(jù)，活細(xì)胞開始變成角質(zhì)化皮膚。這個(gè)活的地下層是指紋圖案的來(lái)源，它很少受到手指表面損傷或磨損的影響。

AuthenTec ? TruePrint ?傳感器在埋在硅芯片內(nèi)部的導(dǎo)電層和皮膚表面正下方的導(dǎo)電層之間使用小的RF信號(hào)。 RF場(chǎng)測(cè)量手指下面的活表皮層的脊和谷的電勢(shì)輪廓。通過(guò)從受損或受污染的部分皮膚獲取數(shù)據(jù)，傳感器產(chǎn)生比僅讀取皮膚表面的替代光學(xué)或電容技術(shù)更準(zhǔn)確和可重復(fù)的指紋樣本。

熱電材料基于溫差產(chǎn)生電壓。當(dāng)手指與溫暖的傳感器表面接觸時(shí)，更靠近傳感器表面的指紋脊保持比離傳感器表面更遠(yuǎn)的谷更高的溫度。 Atmel ? AT77C104B FingerChip ?傳感器使用此類熱成像捕獲指紋。它是一種線性傳感器，它將檢測(cè)和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路集成在一個(gè)CMOS IC中。通過(guò)將手指掃過(guò)感測(cè)區(qū)域來(lái)捕獲指紋圖像。當(dāng)接觸首次出現(xiàn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生圖像，但由于它會(huì)在達(dá)到熱平衡時(shí)很快消失，因此需要采用掃描方法來(lái)獲取穩(wěn)定的指紋圖像。

傳感器（如圖1所示）捕獲圖像如圖2所示，當(dāng)手指垂直掃過(guò)傳感器窗口時(shí)，指紋就會(huì)被指紋掃描。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，潛在的指紋就不會(huì)保留。傳感器不需要外部熱量，光線或無(wú)線電源。片上溫度穩(wěn)定可識(shí)別手指和傳感器之間的溫差，并增加差異以獲得更高的圖像對(duì)比度。這里的討論將集中在基于這種類型的熱傳感器的指紋識(shí)別系統(tǒng)上。

表征指紋傳感器的主要參數(shù)包括分辨率，區(qū)域，動(dòng)態(tài)范圍和像素?cái)?shù)。 分辨率以每英寸點(diǎn)（或像素）（dpi）為單位進(jìn)行測(cè)量。較高的分辨率允許在脊和谷之間更好地定義，以及更精細(xì)地隔離細(xì)節(jié)點(diǎn) - 這在指紋匹配中起主要作用，因?yàn)榇蠖鄶?shù)算法依賴于細(xì)節(jié)的重合來(lái)確定兩個(gè)指紋印象是否是相同的手指。較大的感應(yīng)區(qū)域通常提供更獨(dú)特的指紋，但是將手指掃過(guò)較小的傳感器，并快速獲取和處理數(shù)據(jù)，允許小型，低成本的傳感器實(shí)現(xiàn)可比較的定義，更大，更多昂貴的傳感器動(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中導(dǎo)出。

AT77C104B傳感器在0.4 mm×11.6 mm范圍內(nèi)具有500 dpi分辨率區(qū)域，提供總共8像素×232像素，或每幀1856像素。每個(gè)像素用四位編碼，識(shí)別16個(gè)灰度級(jí)。圖3顯示了傳感器的框圖，其中包括陣列，模數(shù)轉(zhuǎn)換器，片上振蕩器，控制和狀態(tài)寄存器，導(dǎo)航和單擊單元，以及 slow 和的單獨(dú)接口快速操作模式。慢速模式可以高達(dá)200 kHz運(yùn)行，用于編程，控制和配置傳感器。快速模式可以在高達(dá)16 MHz的頻率下運(yùn)行，用于數(shù)據(jù)采集。片上加熱器會(huì)增加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(zhǎng)度后停止加熱模塊。

操作模式

傳感器實(shí)現(xiàn)六種操作模式：

睡眠模式：一種功耗極低的模式，禁止內(nèi)部時(shí)鐘并初始化寄存器。

待機(jī)< / em> mode：低功耗模式，等待來(lái)自主機(jī)的操作。慢速串行端口接口（SSPI）和控制塊被激活;振蕩器保持活動(dòng)狀態(tài)。

單擊模式：在傳感器上等待手指。 SSPI和控制塊保持活動(dòng)狀態(tài);

導(dǎo)航模式：當(dāng)手指穿過(guò)傳感器時(shí)計(jì)算x和y運(yùn)動(dòng)。 SSPI和控制塊仍然被激活;本地振蕩器，導(dǎo)航陣列和導(dǎo)航塊也被激活。

采集模式：將切片發(fā)送到主機(jī)進(jìn)行指紋重建和識(shí)別。 SSPI和控制塊仍然被激活;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。

接口Blackfin ?處理器串行外設(shè)接口的指紋傳感器

Blackfin ADSP-BF533低成本，高性能處理器被選用于此應(yīng)用，因?yàn)樗Y(jié)合了快速的功能信號(hào)處理器和強(qiáng)大的微控制器。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）。請(qǐng)參見(jiàn)圖4. SPI支持主模式，從模式和多主機(jī)環(huán)境。 SPI兼容的外設(shè)實(shí)現(xiàn)還支持可編程波特率和時(shí)鐘相位/極性。

該接口本質(zhì)上是一個(gè)移位寄存器，可以一次一位地串行發(fā)送和接收數(shù)據(jù)位， SCK速率與其他SPI設(shè)備之間的速率。移位寄存器可以同時(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端口可配置為主機(jī)（生成SCK和/ SPISS信號(hào)）或 slave （從外部接收SCK和從機(jī)選擇信號(hào)）。當(dāng)SPI端口配置為主機(jī)時(shí)，它會(huì)驅(qū)動(dòng)MOSI引腳上的數(shù)據(jù)并接收MISO引腳上的數(shù)據(jù)。它驅(qū)動(dòng)SPI從器件的從器件選擇信號(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端口和AT77C104B之間的無(wú)縫硬件接口（如圖5所示）不需要任何外部膠合邏輯。傳感器/ SSS和/ FSS的從機(jī)選擇信號(hào)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)將它們驅(qū)動(dòng)為低電平，會(huì)將傳感器芯片切換為掃描測(cè)試模式）。通過(guò)/ IRQ引腳產(chǎn)生的傳感器中斷由輸入PF4讀取。復(fù)位RST由PF3驅(qū)動(dòng)。復(fù)位是高電平有效信號(hào)，因此在該線路上使用下拉電阻。

應(yīng)用軟件

應(yīng)用程序代碼執(zhí)行控制傳感器等任務(wù)，使用VisualDSP ++ ?開發(fā)工具的Image Viewer插件獲取指紋數(shù)據(jù)并重新排列數(shù)據(jù)以顯示接收的指紋圖像。

當(dāng)傳感器檢測(cè)到點(diǎn)擊時(shí)（即指示手指存在的信號(hào)），它會(huì)產(chǎn)生中斷。 Blackfin處理器接收此中斷，并在下降沿產(chǎn)生中斷。 STATUS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。完整應(yīng)用程序的簡(jiǎn)化流程圖如圖6所示。

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)用于數(shù)據(jù)采集?？勺兇笮〉腄MA flex描述符被加載到DMA參數(shù)寄存器中。寄存器序列基本上是固定的，但描述符的長(zhǎng)度是完全可編程的。 2D陣列用于配置DMA參數(shù)。 1D數(shù)組是各個(gè)描述符。第一個(gè)描述符，一個(gè)偽，用于接收前五個(gè)字節(jié)，因?yàn)閭鞲衅鞅仨氃诘谝粋€(gè)數(shù)據(jù)到達(dá)之前發(fā)送40個(gè)虛擬時(shí)鐘周期，以便初始化芯片流水線。因此，第一同步序列出現(xiàn)在40個(gè)時(shí)鐘周期之后。然后，數(shù)據(jù)隨后到達(dá)所有后續(xù)陣列讀數(shù)的每個(gè)時(shí)鐘周期。

傳感器以幀的形式發(fā)送數(shù)據(jù)。每個(gè)幀的開始由虛擬列標(biāo)記，其中包含同步字。像素陣列從左上角到右下角逐列從上到下讀取。

數(shù)據(jù)重新排列

必須重新排列數(shù)據(jù)以顯示獲取的指紋圖像。存儲(chǔ)重新排列的數(shù)據(jù)，可以使用VisualDSP ++ Image Viewer實(shí)用程序查看。獲取的圖像和設(shè)置如圖7所示。執(zhí)行以下功能：

Nibble-swapping ：傳感器以半字節(jié)交換格式發(fā)送數(shù)據(jù)。例程將整個(gè)幀的奇偶像素交換。

4位到8位轉(zhuǎn)換：每個(gè)傳感器像素為4位寬，但圖像查看器顯示圖像最小寬度為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每個(gè)像素的電平轉(zhuǎn)換產(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接收數(shù)據(jù)行因此必須進(jìn)行轉(zhuǎn)置以便連續(xù)顯示幀。三維數(shù)組用于連續(xù)顯示幀。

指紋重建和識(shí)別

如果指尖掃過(guò)傳感器窗口以合理的速率，連續(xù)幀之間的重疊使得能夠使用由Atmel提供的軟件重建整個(gè)指紋的圖像。由于分辨率增強(qiáng)，重建圖像通常為25mm×14mm或500像素×280像素，具有8位分辨率。因此，每個(gè)圖像需要140 kB的存儲(chǔ)空間。使用標(biāo)準(zhǔn)圖像處理技術(shù)可以從中導(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，驗(yàn)證。 注冊(cè)從傳感器獲取指紋圖像并將其保存在SRAM中。處理，增強(qiáng)和壓縮圖像以創(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，從而無(wú)法竊取模板并直接重新創(chuàng)建指紋圖像。

搜索將原始候選圖像與先前注冊(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。將篩選后存活的模板與候選模板進(jìn)行比較，并提供驗(yàn)證分?jǐn)?shù)。分?jǐn)?shù)超過(guò)預(yù)設(shè)閾值表示肯定識(shí)別。

驗(yàn)證通過(guò)實(shí)時(shí)閉環(huán)模式比較原始候選圖像與先前登記的模板來(lái)驗(yàn)證用戶的身份匹配算法。返回分?jǐn)?shù)，指示候選者和模板的相似性，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)大的功能，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。