【導讀】通過指紋來識別身份信息已經(jīng)非常普遍，但是傳統(tǒng)的識別技術(shù)存在很多缺陷。隨著技術(shù)的不斷提高，3D指紋信息技術(shù)提高了指紋識別率，克服了傳統(tǒng)指紋識別的缺點。本文提出的方案就是利用雙目視角技術(shù)采集3D指紋信息，成本低、安全性高。
近代指紋識別系統(tǒng)就指紋的采集方式而言總體可分為接觸式和非接觸式。接觸式的識別方式，如指紋鎖，手續(xù)簡化識別率較高，但由于模仿手指蘸墨壓印的方式，得到的指紋圖像容易被模仿，反偵查能力差，同時容易受手指的環(huán)境條件干擾；非接觸式的指紋識別系統(tǒng)，可以排除手指環(huán)境及壓印等外部因素，進一步提高了識別率，卻有脊紋不明顯而失配率高的缺點。新近提出的基于雙目視角的非接觸式3D指紋識別系統(tǒng)，解決了二維指紋圖像脊紋不明顯而失配率高的問題，但以計算機為處理中心，系統(tǒng)體積大，便攜性差，硬件成本高。
為了完成指紋信息庫的建立及信息的網(wǎng)絡化要求，一個完善的指紋采集系統(tǒng)按功能把系統(tǒng)劃分為客戶端和服務器兩部分。以往的采集系統(tǒng)客戶端大多僅僅完成信息采集任務，把采集的信息通過網(wǎng)絡上傳至服務器，由服務器完成對比算法任務后，再將信息識別的結(jié)果通過網(wǎng)絡傳遞給客戶端，這樣的系統(tǒng)實時性不高，且便攜性不好，客戶端離開服務器后無法單獨完成信息識別任務，獨立性較差。
本文提出了一種雙目視角的非接觸式3D指紋識別系統(tǒng)的方案，應用該方案能夠很好地解決以下問題。
（1）指紋信息采集采用雙目視角光學采集模塊，具有識別率高，不易被模仿，反偵察能力強的特點。
（2）客戶端采用聯(lián)合MTK 和DSP作為嵌入控制雙核心，將傳感器采集的指紋信息通過DSP器件做識別算法，并由MTK 集成平臺完成與服務器無線方式的信息傳遞。
1 3D指紋信息采集原理
1.1 3D指紋
3D指紋是一種新興的技術(shù)手段，能深刻地呈現(xiàn)手指上的山脊和山谷般的紋線。通常，采用非接觸的工作方式采集而成，具有以下優(yōu)點：
（1）真實性高，排除了擠壓帶來的皮膚扭曲，獲得的指紋自然舒展；
（2）環(huán)境容限率好，各種條件的手指皮膚條件，如干濕、骯臟等，都不影響正常采樣；
（3）舒適程度高，非接觸式模式下采樣，可以實現(xiàn)隱秘采集指紋，抵抗反偵查的各種虛假手段成功率高；
（4）兼容性好，3D 指紋展平后可以兼容現(xiàn)有二維指紋數(shù)據(jù)庫。
1.2 雙目視角
雙目視角（Binocular Vision）成像技術(shù)可以用于非接觸3D 指紋圖像采集，結(jié)合現(xiàn)有的兩種3D 成像技術(shù)——多目視角（N-Views）和結(jié)構(gòu)光（Structured-Light，SI）掃描，而形成的一種3D成像技術(shù)，其原理是：采用光投影的方式，在事物上投影出一定式樣的結(jié)構(gòu)光，形成一定角度的兩臺高清攝像頭采集數(shù)據(jù)，經(jīng)過后臺處理該兩組數(shù)據(jù)，還原出某一視覺范圍內(nèi)的3D 圖像。該技術(shù)采集設備數(shù)量少、結(jié)構(gòu)簡單、采集速度快。
1.3 雙目視角3D指紋采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
如圖1 所示的雙目視角3D 指紋采集結(jié)構(gòu)圖，即為本系統(tǒng)的采集傳感部分。為了獲得高清圖像，本系統(tǒng)中選擇了OmniVision 公司生產(chǎn)的800 萬像素手機攝像頭模組OV8820和三星公司生產(chǎn)的、具有1 920×1 080高清分辨率的A600B 投影儀。由于OV8820 具有移動產(chǎn)業(yè)處理器接口（Mobile Industry Processor Interface，MIPI）以及A600B具有高清晰度多媒體接口（HDMI），方便了系統(tǒng)的集成。
圖1 雙目視覺的3D指紋采集原理
2 系統(tǒng)總體設計
3D指紋識別系統(tǒng)采用了客戶端/服務器（C/S）模式，如圖2所示。服務器作為數(shù)據(jù)庫管理中心，主要接收客戶端的傳輸請求，解析指紋數(shù)據(jù)包的命令和建立數(shù)據(jù)庫反饋識別結(jié)果。
客戶端主要包括控制單元、指紋算法實現(xiàn)單元和信息采集單元三部分。控制單元完成三大功能：與服務器交互進行結(jié)果反饋、控制光學采集系統(tǒng)獲得數(shù)據(jù)、與指紋算法核心有效溝通處理數(shù)據(jù)；指紋算法單元則進行復雜的圖像處理；信息采集單元接收控制核心的控制命令，瞬間實現(xiàn)指紋采集并傳輸數(shù)據(jù)。本設計以雙核MTK 和DSP 為雙控制核心取代以往的單一內(nèi)核，功能分離、權(quán)責分明，系統(tǒng)的實時性、穩(wěn)定性以及開放性得到大大的提高。如圖2 所示，MTK6577 芯片內(nèi)部的雙核CPU可以完美地實現(xiàn)控制與傳輸功能分離，TMS320C5515型DSP分擔復雜的圖像處理事務。
圖2 實時3D指紋識別系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖
2.1 MTK平臺聯(lián)發(fā)科技（Media Tek，MTK）平臺，是一款通用的嵌入式手機開發(fā)平臺；系統(tǒng)方案內(nèi)部采用開放式的軟硬件接口，具有強大的技術(shù)支持，用戶可以快速地定制無線通信的應用。在本系統(tǒng)中，MTK平臺作為控制核心，其功能從硬件底層來看是實現(xiàn)數(shù)據(jù)流的輸入/輸出；從3D指紋識別系統(tǒng)上層來看是實現(xiàn)雙目視角的照相機驅(qū)動、結(jié)構(gòu)光的產(chǎn)生和控制、圖像數(shù)據(jù)的采集、與服務器無線傳輸通信等。MTK芯片的選擇主要考慮了以下三個因素：
（1）控制投影儀產(chǎn)生結(jié)構(gòu)光投影，需要支持高清晰度多（HDMI）；
（2）控制雙攝像頭采集，需要高性能高速度的MTK芯片；
（3）為保證數(shù)據(jù)與服務器的實時無線傳輸，需快速的移動網(wǎng)絡。
在MTK 公司的眾多基帶芯片中，MTK6577 是一款高性能的雙核處理器。其主頻只高達1.2 GHz，不僅芯片內(nèi)核強大：采用Cortex A9構(gòu)架，二級緩存高達1 MB，集成3G移動寬帶連接，支持單模HSPA+網(wǎng)絡，上傳下載速度不低于5.6 Mb/s，集成了圖像信號處理器、JPEG硬件編碼和解碼器，最高可以以15 f/s的速度進行800 萬像素圖像采集等；而且外圍接口豐富，具有一個高清晰度多媒體接口（HDMI）和雙攝像頭接口。
2.2 DSP功能
數(shù)字信號處理器（DSP）在本系統(tǒng)中作為控制核心的附屬機構(gòu)，主要實現(xiàn)與MTK 芯片之間指紋數(shù)據(jù)的輸入和輸出、指紋算法運行處理這兩大功能。前一個功能主要是依賴于硬件外部接口間實現(xiàn)，而后一個功能偏向于DSP芯片內(nèi)部資源。因此，在選型方面主要考慮以下因素：
（1）與MTK 芯片之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，需要專用的外部存儲器接口（External Memory Interface，EMIF）；
（2） 為了保證實時性，專用的快速傅立葉（FastFourier Transform，F(xiàn)FT）運算硬件器更有利于指紋圖像算法的執(zhí)行。
TI 公司的TMS320C5515是一款高性價比的DSP芯片，專為生物模式識別應用而開發(fā)的。芯片采用定點數(shù)的TMS320C55xDSP 處理器核，內(nèi)部有一個緊耦合式的FFT硬件加速器，主頻可高達120 MHz，320 KB片上RAM，外加一個EMIF 接口，利于指紋識別系統(tǒng)的設計與開發(fā)。
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3 系統(tǒng)硬件設計
3.1 雙目視角的硬件接口
MTK6577 采用標準的移動應用處理器接口（Mobile Industry Processor Interface，MIPI）協(xié)議，方便了用戶開發(fā)影像方面的應用。本文所設計的系統(tǒng)運用了MTK6577芯片自帶的高速照相機串行接口（Camera serial interface，CSI）與相機模塊OV8820 進行數(shù)據(jù)通信，并采用了串行相機控制總線（Serial Camera ControlBus，SCCB）控制相機進行采集事務，如圖3所示。
圖3 雙目視角的硬件接口
3.2 雙控制核心協(xié)同接口設計雙目視角的3D 指紋識別系統(tǒng)采用了雙核心的模式。考慮到指紋識別系統(tǒng)需要完成圖像采集、處理、存儲并與服務器進行傳輸?shù)仁聞眨鞠到y(tǒng)中采用了兩片由Micron公司生產(chǎn)的SDRAM存儲器MT48LC16M16A2，通過Altera公司的CPLD 芯片，形成大容量雙動態(tài)的數(shù)據(jù)存取方式，協(xié)同雙控制核心的工作事務，如圖4所示。MT48LC16M16A2 存儲器片是一款具有256 MB 的大容量，位寬為16 b，4 個大小為4 MB 大小的存儲Bank，不但片內(nèi)Bank間可以實現(xiàn)乒乓式數(shù)據(jù)存取，而且片間的乒乓式數(shù)據(jù)存取，極大方便指紋采集與處理、暫存與傳輸?shù)仁聞战惶孢\行。
圖4 雙控制核心協(xié)同接口
4 系統(tǒng)軟件設計
整個基于雙目視角的3D指紋采集系統(tǒng)軟件的設計主要包括客戶端模塊、服務器端模塊和C/S結(jié)構(gòu)下的協(xié)同開發(fā)三部分，系統(tǒng)軟件框架如圖5所示。
圖5 系統(tǒng)軟件框架
4.1 客戶端模塊設計客戶端模塊基于Android平臺進行開發(fā)的。在Android平臺的應用層、應用框架層、組件庫層和虛擬機等應用框架的基礎(chǔ)上，開發(fā)了3D 指紋采集系統(tǒng)的指紋算法、圖像采集等應用層的程序；在Android平臺的Linux內(nèi)核層經(jīng)過可裁剪處理，改進雙攝像頭、增加結(jié)構(gòu)光協(xié)同事務等硬件驅(qū)動。
客戶端模塊工作時，會請求與服務器連接，然后開啟多任務多線程，監(jiān)測采集事務，進行存儲，指紋數(shù)據(jù)處理后，啟動通信線程，發(fā)送至服務器，等待服務器匹配響應命令。
4.2 服務器端模塊設計
服務器端模塊設計基于Java語言進行開發(fā)的，功能的實現(xiàn)采用報文偵聽方式。如圖5所示，當服務器啟動時，首先加入到一個組播地址中，然后初始化Socket，并對規(guī)定的端口進行偵聽。在客戶端與服務器端連接請求并雙方握手成功后，即進入等待請求解析命令等狀態(tài)，可以接收客戶端面的指紋數(shù)據(jù)，響應客戶端的指紋匹配任務，根據(jù)匹配結(jié)果反饋給客戶端。
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