基于FPGA的掌纹识别系统的设计与实现

论文摘要

掌纹识别作为一项新兴的生物识别技术,因具有采样简单、图像信息丰富、不易伪造等特点,受到国内外研究人员的广泛关注。目前主流的系统都是在PC（Personal Computer）平台上实现,与此相比,在小型化的嵌入式平台上实现掌纹识别系统更具有应用前景。目前嵌入式掌纹识别系统多是在ARM（Advanced RISC Machines）平台上利用软件实现,图像采集多为接触式,其识别速度大多超过2秒,为了突破这些限制,本文决定以FPGA（Field Programmable Gate Array）为核心,采用以低速软核处理器与其他硬件加速模块的SoPC（System on Programmble Chip）设计加上外围器件,采用非接触式方式来开发掌纹识别系统,使得系统达到较高的识别速度。本文在基于Altera公司Cyclone ⅡEP2C70的DE2-70硬件平台的基础上,设计并实现了掌纹识别系统。其中,利用FPGA硬件资源对掌纹识别系统的各个步骤进行硬件加速,并采用非接触采集是本文的特色。引入NiosII软核处理器作为掌纹识别系统的控制处理核心,读取TRDBD5M摄像头的图像和存储介质SD卡中的掌纹图片文件作为数据源；再由按键控制对图像数据进行处理（识别或训练）；同时,显示处理结果信息。对整个系统进行总体设计并进行模块划分。将系统主要分为：核心控制处理模块、SD卡（Secure Digital Card）文件读写模块、图像采集模块、掌纹监控模块和按键控制模块等。在对这几个主要模块进行详细的设计与实现后,整合各个模块,组成完整的系统,在DE2-70开发板上进行验证,实现系统功能。然后进行性能测试,独立出比较耗时的算法代码,经由C2H（Cto Hardware Acceleration）编译器与NiosII自定义指令集进行硬件加速,使系统处理速度达到设计指标。经测试,该系统完成了掌纹识别系统的基本功能,对于分辨率为640*384的图像识别正确率可达到96%,在提高处理速度方面具有自己的优势（<1.6秒）。而且本系统是基于FPGA开发的,具有广泛的应用前景。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 硬件系统与开发环境
• 1.2.2 硬件开发平台总结
• 1.2.3 软件算法设计
• 1.2.4 软件算法总结
• 1.3 研究意义
• 1.4 本章小结
• 第2章 相关知识介绍
• 2.1 掌纹结构与特征
• 2.1.1 纹理特征
• 2.1.2 其它掌纹特征
• 2.2 掌纹的采集
• 2.3 掌纹图像的预处理
• 2.3.1 图像灰度化
• 2.3.2 图像二值化
• 2.3.3 提取手掌轮廓线
• 2.3.4 定位关键点
• 2.3.5 提取 ROI
• 2.3.6 图像增强
• 2.4 掌纹图像的特征提取
• 2.4.1 基于结构的提取
• 2.4.2 基于时频分析的特征提取
• 2.4.3 基于统计的特征提取
• 2.5 掌纹匹配
• 2.5.1 统计图像识别
• 2.5.2 基于BP神经网络的分类器
• 2.6 硬件平台
• 70开发板'>2.6.1 DE2₇0开发板
• 2.6.2 图像传感器
• 2.6.3 监视器
• 2.6.4 SD存储卡
• 2.7 NiosⅡ软核处理器
• 2.8 C2H编译器
• 2.9 本章小结
• 第3章 基于FPGA的掌纹识别系统的设计
• 3.1 系统功能概述
• 3.2 系统性能要求
• 3.3 系统层次设计
• 3.4 系统总体结构
• 3.4.1 核心控制处理模块
• 3.4.2 其他
• 3.5 本章小结
• 第4章 掌纹识别系统设计与实现
• 4.1 总体结构设计和开发板的选择
• 4.2 配置基于NiosⅡ软核的SoPC架构
• 4.3 实现视频图像采集存取
• 4.3.1 实现图像采集模块
• 4.3.2 监视图像显示模块
• 4.3.3 图像存储模块
• 4.3.4 图像读取模块
• 4.4 掌纹预处理算法实现
• 4.4.1 彩色图像转化为灰度图像
• 4.4.2 灰度图像二值化
• 4.4.3 提取轮廓线与去噪处理
• 4.4.4 定位关键点
• 4.4.5 定位关键区域
• 4.4.6 灰度增强
• 4.4.7 截取 ROI
• 4.5 小波变换
• 4.6 特征提取的设计与实现
• 4.7 用户信息注册
• 4.8 BP神经网络的设计与实现
• 4.8.1 BP神经网络的建立
• 4.8.2 训练BP神经网络
• 4.8.3 使用BP神经网络识别
• 4.9 代码编写与移植
• 4.10 C2H及浮点数指令集系统加速设计
• 4.10.1 C2H编译器的使用限制
• 4.10.2 使用C2H编译器创建带硬件加速的SoPC系统
• 4.10.3 使用浮点数指令集进行系统加速
• 4.11 小结
• 第5章 系统测试
• 5.1 系统功能测试
• 5.1.1 采集模块测试
• 5.1.2 注册模块测试
• 5.2 系统性能测试
• 5.2.1 实时性测试
• 5.2.2 准确性测试
• 5.3 系统资源消耗
• 5.3.1 片上资源消耗
• 5.3.2 代码量
• 5.4 本章小结
• 第6章 总结及展望
• 6.1 总结
• 6.2 存在的问题及展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的论著