基于FPGA的指纹识别系统研究

论文摘要

随着科学技术的发展,指纹识别技术被广泛应用到各种不同的领域,诸如电子商务、犯罪识别、信息安全等众多领域。对于一般的指纹识别系统,其设计要求具有很高的实时性和易用性,因此识别算法应该具有较低的复杂度,较快的运算速度,从而满足实时性的要求。所以有必要根据不同的识别算法采用不同的实现平台,使得指纹识别系统具有较高的可靠性、实时性、有效性等性能要求。SOPC片上可编程系统和嵌入式系统是当前电子设计领域中最热门的概念。在硬件方面本文以指纹识别技术和嵌入式系统技术为理论基础,采用了一种基于NiosⅡ软核的FPGA系统架构方案。同硬核系统相比,NiosⅡ软核在性能上有一定的差距。如果要使用Nios CPU作为运算部件,就必须充分利用用户自定制指令的特性,本文指纹算法中的部分算法就采用了自定义指令,有效利用了FPGA的硬件资源。在指纹图像的采集方面针对MBF200指纹芯片的特点,设计了一套基于FPGA NiosⅡ的MCU指纹采集接口电路和采集软件算法程序,实现了指纹图像的采集。在指纹预处理算法方面主要移植了已有的算法,使算法在FPGA中得以实现,在指纹预处理算法中指纹的方向图计算和Gabor增强都用到了三角函数和浮点运算,如果在NiosⅡ只用软件实现这些算法会占用很多时间,因此本课题通过自定义指令添加了浮点运算并设计了针对三角函数的自定义指令实现了算法的硬件化,使算法速度得到了很大的提高。自定制指令是一个加速软件算法的方法,使用NiosⅡ的自定制指令,可以将一个复杂的标准指令序列简化为一个用硬件实现的单一指令,从而简化系统软件设计并加快系统运行速度。NiosⅡ的自定制指令是与CPU的数据通路中的ALU相连的用户逻辑块。NiosⅡ处理器支持256个具有固定或可变时钟周期操作的专用指令,设计者能用这些指令来加速实际要求严格的代码段。定制指令逻辑和NiosⅡ的连接在SOPC Builder中完成。系统生成时,NiosⅡIDE为每条用户指令产生一个在系统头文件中定义的宏,可以在C或C++应用程序代码中直接调用这个宏。本设计最终实现了一种简易的指纹识别服务系统,提供简单的一对一和一对多比对服务,能够独立工作；也可以将指纹通过串口传给上位机作为指纹采集装置使用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 指纹识别技术及其系统
• 1.2.1 指纹识别技术发展及现状
• 1.2.2 指纹识别技术分类及主要技术指标
• 1.2.3 指纹识别系统介绍
• 1.3 FPGA/CPLD可编程逻辑器件
• 1.3.1 FPGA/CPLD概述
• 1.3.2 可编程逻辑器件（FPGA/CPLD）的基本结构
• 1.3.3 可编程逻辑器件的发展趋势
• 1.3.4 硬件描述语言（HDL）
• 1.4 SOPC技术发展历程与嵌入式开发发展趋势
• 1.4.1 SOPC技术概述
• 1.4.2 SOPC技术发展历程
• 1.4.3 嵌入式开发趋势
• 1.5 本课题内容及结构安排
• 2 基于NIOSⅡ的FPGA指纹识别硬件系统设计
• 2.1 NIOSⅡ嵌入式软核处理器
• 2.2 基于NIOSⅡ指纹识别系统硬件构建
• 2.3 基于MBF200的指纹采集硬件接口电路设计
• 2.3.1 MBF200结构与性能
• 2.3.2 MBF200的MCU接口设计
• 2.4 基于NIOSⅡ的FPGA软硬件配置
• 3 指纹图像预处理及特征点提取匹配
• 3.1 预处理方法
• 3.1.1 指纹图像采集是否合格的判断
• 3.1.2 高斯去噪
• 3.1.3 指纹方向提取算法
• 3.1.4 中心点定位
• 3.1.5 有效指纹区域的提取
• 3.1.6 Gabor定向滤波算法
• 3.1.7 指纹图像的二值化及细化
• 3.2 指纹图像特征点提取及匹配
• 3.2.1 指纹特征提取
• 3.2.2 指纹匹配
• 3.4 预处理实验结果
• 4 硬件加速模块设计
• 4.1 CORDIC算法研究
• 4.2 CORDIC算法的FPGA实现
• 4.3 自定义指令的设计
• 4.3.1 自定义指令
• 4.3.2 三角函数、浮点运算自定义指令的添加
• 4.3.3 试验性能比较
• 5 指纹识别系统实现
• 5.1 指纹识别系统
• 5.2 指纹识别系统与PC机通信
• 6 总结及工作展望
• 6.1 总结
• 6.2 工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 在校学习期间发表论文
• 附录A MBF200指纹采集模块电路图
• 附录B 指纹识别系统实物图