引 言

    在信息化的當(dāng)今世界，信息安全不管是對(duì)企業(yè)還是個(gè)人都越來(lái)越重要。生物特征鑒別在信息安全身份認(rèn)證領(lǐng)域占據(jù)著重要地位[1]。傳統(tǒng)的指紋鑒別系統(tǒng)已經(jīng)商用化，但由于指紋特征十分細(xì)小，對(duì)于采集圖像設(shè)備的分辨率要求很高．導(dǎo)致設(shè)備成本居高不下。另外，大約有4％的人由于指紋磨損而提取不出指紋特征(如一些老年人和體力勞動(dòng)者)[2]，所以人們把目光投向了分辨率要求不高有可能實(shí)現(xiàn)低成本與大范圍應(yīng)用的掌紋鑒別領(lǐng)域。

    掌紋識(shí)別和鑒別是1998年才出現(xiàn)的新興生物特征識(shí)別技術(shù)，經(jīng)過(guò)幾年的研究已經(jīng)達(dá)到了商用的要求(在低分辨率條件下識(shí)別率高于99％[1])。掌紋鑒別的適用范圍廣泛,從特定領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，可以廣泛應(yīng)用在銀行、法院、刑偵、監(jiān)獄等需要保密性要求比較高的部門(mén)，從大眾領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，住宅小區(qū)和生產(chǎn)車(chē)間是重要的應(yīng)用場(chǎng)臺(tái)。上述應(yīng)用場(chǎng)臺(tái)除了要求本身算法的可靠性外，還要求識(shí)別設(shè)備小型化，便攜化以及可升級(jí)性.所以擺脫pc的束縛，在嵌人式系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)掌紋鑒別更加具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，也勢(shì)必會(huì)將掌紋鑒別推向更廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域，然而在當(dāng)前還沒(méi)有嵌入式掌紋鑒別系統(tǒng)問(wèn)世。

    nlos是altera公司推出的一款采用流水線技術(shù)、單指令流的32位risc軟核處理器，并針對(duì)altera公司的可編程邏輯器件和片上可編程系統(tǒng)的思想做了相應(yīng)優(yōu)化[3，4]aliera公司提供的sopc builder不僅可以創(chuàng)建和配置用戶(hù)的ni0s，還可以添加自定義用戶(hù)指令。這使得nios可以很容易的與用戶(hù)邏輯結(jié)合，構(gòu)成功能更加強(qiáng)大的soc系統(tǒng)。本文提出了基于nios軟核處理器的掌紋鑒別系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并最終實(shí)際完成了該系統(tǒng)。

    1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能概述

    從邏輯功能來(lái)看，作為一個(gè)完整的掌紋鑒別系統(tǒng)應(yīng)該具備以下兩個(gè)基本功能：鑒別和注冊(cè)。鑒別功能即根據(jù)用戶(hù)的ld和采集到的掌紋圖像判定用戶(hù)身份是否與聲明的id相符。如果當(dāng)前用戶(hù)是合法的，則記錄本次登錄，如果當(dāng)前用戶(hù)是不合法的，則向系統(tǒng)管理員報(bào)告。注冊(cè)功能即將新用戶(hù)的掌紋特征添加到掌紋特征庫(kù)，并給此用戶(hù)一個(gè)新的id。

    為了實(shí)現(xiàn)鑒別和注冊(cè)功能，將系統(tǒng)分為以下幾個(gè)模塊：圖像采集模塊、鑒別處理模塊、輸入輸出模塊和通信模塊。其中，鑒別處理模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心，它既要完成掌紋鑒別算法的運(yùn)算，還要對(duì)其它的模塊進(jìn)行控制和監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖l所示

    圖像采集模塊主要包括攝像頭和外擴(kuò)sram。由于手掌凹凸不平及受壓力不同時(shí)，導(dǎo)致的形變較大，所以采集掌紋圖像，一般不使用像采集指紋時(shí)使用的掃描設(shè)備。而如果采用數(shù)碼相機(jī)，系統(tǒng)的體積和成本必然上升，喪失了莫優(yōu)越性。筆者采用omnivvision公司的ov7649攝像頭作為圖像采集設(shè)備，ov7649是30萬(wàn)像素的cmos數(shù)字?jǐn)z像頭，體積極小，價(jià)格便宜，分辨率足以達(dá)到掌紋鑒別的要求。因?yàn)閛v7649輸出為8位數(shù)據(jù)寬度，所以sram采用了與ov7649的數(shù)據(jù)寬度相同的idt7lv424，用來(lái)作為存儲(chǔ)掌紋圖像的緩沖區(qū)。

    鑒別處理模塊采用的fpga選擇altera公司的apex20k200f，配置了256kb的sram及1mb的flash，另外我們還添置了32mb的sdram. sram和sdram用來(lái)為ni0s運(yùn)行程序和存儲(chǔ)相關(guān)數(shù)據(jù)，flash用來(lái)存儲(chǔ)提取好的掌紋樣本特征。選擇nios軟核cpu作為核心處理模塊主要考慮到它為設(shè)計(jì)帶來(lái)了高的集成度和靈活性，這樣再對(duì)設(shè)計(jì)方案作更改時(shí)比較方便，而且核心算法如果用nios的用戶(hù)指令實(shí)現(xiàn)，那么運(yùn)算速度將會(huì)得到很大提高。aiiera也提供了一些免費(fèi)的ip核，包括常用的uart、sram、f1ash和sdram控制器。這樣在s0pcbuilder里很容易定制好自己需要的nios處理器，假如想更改其中的某些部分只需在s0pc builder里重新配置即可。實(shí)踐證明，選擇nios軟核處理器給后續(xù)的工作帶來(lái)很多便利。

    輸入輸出模塊和通信模塊結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單.前者包括一些按鍵和1塊16×2的漢字lcd，用來(lái)提示用戶(hù)操作和顯示系統(tǒng)相關(guān)信息，后者采用的是西門(mén)子的slml00-tcp無(wú)線通信模塊。這樣可保證系統(tǒng)的報(bào)告直接可以發(fā)到系統(tǒng)管理員的手機(jī)上．同時(shí)也為連接1naternaet提供了條件，這樣系統(tǒng)的擴(kuò)展性就得以增強(qiáng)了。

    2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

    系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示．可以看到在l片fpga中包含了nios處理器、sram控制器、sdram控制器、flash控制器、uart以及攝像頭和外擴(kuò)sram控制器、2維dct變換的用戶(hù)邏輯模塊。這正體現(xiàn)了nios的優(yōu)勢(shì)，將很多資源集中在fpga中為設(shè)計(jì)pcb