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1、毕业设计开题报告基于FPGA的指纹识别系统设计10 / 12毕 业 设 计论文开 题 报 告1结合毕业设计论文课题情况,根据所查阅的文献资料,每人撰写2000字左右的文献综述文 献 综 述1 引言随着网络应用、电子商务的迅猛发展,我们越来越多地依赖智能卡、密码、数字证书等安全措施进行身份识别和安全认证,但各种措施都或多或少地伴随着需要携带、易遗忘、易丢失、易被盗用等不方便和不安全因素。在现实生活中经常要对人的身份进行识别,例如登飞机时要识别登机者的身份,在银行取钱时要核实取钱者是否是指定账户的合法拥有者,使用计算机时要检查操作者的权限等等.随着国民经济和社会信息化的飞速发展,金融机构、政府机关
2、、企业以及个人之间通过互联网日益紧密地联系在一起,一方面为信息的共享提供了条件,另一方面也为一些试图非法获取他人信息的犯罪分子提供了机会.因此,如何自动、高效和准确地识别人的身份是信息安全领域的重要问题。传统的身份识别方式主要有给予密码的方式和给予凭证的方式,这些方式存在容易遗忘、容易丢失、容易被破译或仿制等缺点,人们需要在与机器之间交易时安全方便,亦即能够简单快捷地使用机器而无须担心安全问题。因此,迫切需要有一种准确、方便、安全的识别技术来代替现有的身份识别技术,这种新的识别技术所识别的对象必须具有长期不变性和唯一性。人体的生物特征如指纹、瞳孔、虹膜、掌纹、声音等,均具有不可复制的唯一性.这
3、些特征是人身体上的一部分,不用记忆用携带,非常方便而且安全性高,所以用它们来识别人的身份是最安全、最可靠、最方便的方法,也是当今社会正在研究的最高级别的保安密码锁系统。2 国外研究现状与发展趋势 在我国,近些年随着指纹传感技术和计算机技术的发展成熟,以电场式指纹传感器为主的指纹识别技术的发展和应用逐步得到了重视,在指纹识别软硬件技术不断改进和发展日趋成熟的基础上,扩大指纹技术的适用围和应用市场领域成为了当今指纹技术研究的重点。目前普遍采用的脱机式指纹识别系统硬件结构是由指纹传感器、指纹识别模块、外围控制电路组成的。指纹识别模块中多采用DSP作为处理芯片,毕 业 设 计论文开 题 报 告外部还扩
4、展了许多存储器和外围设备,存在着体积难以进一步减小、制作调试工艺复杂、造价高等问题,这些问题直接限制了指纹识别技术在指纹汽车锁、指纹枪械、指纹掌上或笔记本电脑、手机等要求嵌入式应用的广阔领域,极影响了这项技术地普及和推广。国外指纹研究已经相当成热,目前有些大半导体公司正朝着研发指纹识别芯片的目的进行研究,Amtel公司生产的指纹芯片,由第三方提供算法,开发出非常容易应用的指纹识别系统,可以预见以后将有包含算法的指纹芯片出现门.我们设计的基于FPGA的指纹识别模块,就是朝着这个方向努力,在FPGA中实现一个SOPC系统,这是实现指纹芯片前端设计的一个方法。3 基本原理及过程3.1指纹识别的基本原
5、理指纹作为人的一种生物特征,具有独特的性质,其花纹的细节由细微纹点和纹脊的起点、终点、分叉、结介等组成。同时指纹也有共性,它是由方向基本相同的纹线组成,即在以块为单位的图像中,沿纹线方向、块的方向基本相同。纹线走向的相似性,是指纹的基本特点。指纹图像并不具有大片有意义的细节,但它在小片面积中呈现出类似于二维余弦函数的结构。图像上由某种模式重复排列所形成的结构称为纹理。指纹的这种结构称为指纹的纹理,它表示指纹独特的特征。所有有关的指纹图像处理都是基于这种重要的特征,也正是这种特征决定了指纹图像处理与其他图像处理的本质区别,一些经典的图像处理方法无法达到要求,只能作为辅助的处理工具。指纹的特征有整
6、体特征和局部特征。人类的指纹有四种基本整体特征,即弓刑模式,左环模式,右环模式和螺旋环模式,如图1所示。图1四种基本整体特征毕 业 设 计论文开 题 报 告因为每个人的包括指纹在的皮肤纹路在图案、断点和交叉点上各小相同,也就是说,是唯一的,并且终生不变。依靠这种唯一性和稳定性,我们就可以把一个人同他的指纹对应起来,通过比较他的指纹和预先保存的指纹进行比较,就叫以验证他的真实身份,这就是指纹识别技术。3.2指纹识别的过程指纹图像输入指纹图像匹配结果指纹图像匹配指纹图像特征指纹图像增强指纹图像输入指纹特征数据库指纹图像特征指纹图像增强图2 指纹识别的过程1指纹图像输入。 AFIS系统中获取指纹图像
7、般采用三种方式,光学传感器,热感应式传感器和电容式传感器采集。采集得到的指纹图像般是8位256级灰度图。2图像增强。刚采集的指纹原始图像般有很多噪音,图像质量存在差异。指纹增强,就是对低质量的指纹图像采用定的算法进行处理,使其纹线结构清晰化,尽量突出和保留固有的特征信息而避免产生伪特征信息,其目的是保证特征信息提取的准确性和可靠性。迄今为止,己有不少文献对指纹增强的算法进行了研究。一般来说,图像增强采用平滑、锐化、二值化等数字图像处理方法来进行。平滑处理的任务就是去除图像中的十扰噪声,而又不使图像失真。图像平滑包括空域法和频域法两大类。为强化指纹纹线间的界线,突出边缘信息,以利于二值化,锐化处
8、理是必要的。锐化处理对于增强反差和检测边缘是很有用的。图像锐化的作用就是补偿图像的轮廓,使图像较清晰。图像锐化叫分为空间域图像锐化法和空间频率域图像锐化法两大类刑。二值图像是指整幅图像团而仅黑灰度值为0白二值的图像,在它们上面不呈现出灰度的变化。因而必须根据原始的灰度图像来确定图像上的每点应属于客体区域还是背景区域,从而产生对应的二值图像。它不仅可以大大毕 业 设 计论文开 题 报 告减少储存量,而且使得后面的判别过程少受干扰,大大简化其后的处理方法。3细节提取。 经过以上步骤后,可以提取图像的特征点。通常指纹特征可以分为两类:细节特征和单独点。细节特征的提取就是在指纹图像中找到脊终点和脊分叉
9、两个细节特征。一般说来,如果指纹图像能够很好地分割,那么对于细节特征提取来说,就仅仅是对细化的指纹图像进行沿脊线的点的判断。在特征提取时,往往需要进行虚假细节特征删除。一般,采用启发式算法,对虚假特征进行删除。对于一个分叉点的分支如果小于某个给定闽值,就将其当作毛刺删除;如果脊线的两个端点很近,那么该脊线有可能是噪声引起的,应删除;在指纹图像边缘的脊终点也应删除。 特征提取后,我们得到以下信息:1细节点的x,y坐标;2细节点的方向,这个方向定义为该细节点所在的局部脊线的方向;3细节点的类型,即脊线末梢或脊线分支;4细节点对应的脊线;把上述信息保存在指纹模板库中。4指纹图像匹配。指纹图像匹配就是
10、对两个指纹的特征集介判断是否属于同指纹。英国学者E. R. Herrv认为,只要比对13个特征点重介,就可以确认是同个指纹。指纹匹配算法方法很多,包括基于图像的匹配、脊模式匹配、点模式匹配及基于图形的匹配。点模式匹配是预先从指纹图像中提取出的特征点集与输入的待匹配的指纹图像中提取出的特征点集的匹配。如果两幅指纹图像是匹配的,那么这两个点集通过某些变换,如旋转、伸缩及平移,可以得到较好的匹配。毕 业 设 计论文开 题 报 告参考文献1 黄志伟.全国大学生电子设计竞赛训练教程M. ：电子工业 ,2005.2 松,黄继业.EDA技术使用教程M.：科学,2002.3 侯伯亨,顾新VHDL硬件描述语言与
11、数字逻辑电路设计M. ：电子科技大学,2003.4利剑清,宋跃,林明仁,志坚. 基于FPGA/SOPC-Nios的频率计数器设计J. 理工学院学报, 2008, .5怯肇乾. FPGA-SoPC软硬件协同设计纵横谈J. 单片机与嵌入式系统应用, 2008,6志坤,曾博,汤国文. 基于FPGA的嵌入式系统USB接口设计J. 电子设计工程, 2010, .7 霁. FPGA在嵌入式系统中的应用J. 信息技术, 2009, .8吴友宇,王四伟. 基于FPGA的嵌入式指纹采集系统J. 理工大学学报, 2009, .9欢,王莉莎,董丽丽. 基于FPGA的多核嵌入式系统研究J. 现代计算机, 2010,
12、.毕 业 设 计论文开 题 报 告2本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段途径1 设计任务本系统以FPGA为核心器件,利用VERILOG/VHDL硬件描述语言, 实现如下功能：1,可以设置系统管理员密码。2,可以采集新人员的指纹信息,并存储。3,可以识别检测到的指纹信息是否在指纹库里,从而决定是否授权。4,需要实现掉电后存储的指纹信息不丢失。2 指纹识别系统设计2.1 系统的硬件总体设计本系统采用FPGA作为核心控制器件,通过MBF200电容式指纹传感器来完成。MBF200指纹传感器可以完成指纹图像的采集并用其自带的A/D转换器将指纹图像转换成数字信号,利用SPI接口传送至FPGA进行存储
13、。由FPGA处理采集来的数据,由于FPGA 部存储空间太小,无法存储一完整的指纹图像,所以将指纹数据暂时存储在SDRAM 中。当处理图像数据时,FPGA通过读取SDRAM的指纹数据,并在其逻辑单元中进行滤波、灰度归一化、二值化、细化和特征值提取等操作,从而获得重要的指纹图像信息。系统操作时首先利用键盘选择指纹存储模式,将获得的指纹图像信息存储到FLASH中作为指纹数据库,然后切换到指纹识别模式,再利用上述方法获得指纹图像信息。通过FPGA调用指纹数据库中的数据,寻找与之匹配的指纹信息,最后将比对结果在LCD中显示。本系统还可利用 RS232 与计算机进行通讯,可以方便扩展,使得系统可以应用到更
14、多的领域。 系统框图如下图3。毕 业 设 计论文开 题 报 告LCDSDRAMMBF200 FPGAKEYBORDFLASHRS232图3 系统框图2.1.1 FPGA芯片 现场可编程门阵列FPGA器件是一种新型的高密度PLD,大多数采用CMOS-SRAM工艺制作。FPGA的结构一般分为三部分:可编程输入/输出模块、可编程逻辑单元、可编程部互连资源IR。 LE是FPGA芯片实现逻辑的基本结构,LE之间可以灵活地互相连接。LE的功能很强,不仅能够实现逻辑函数,还可以配置成RAM等复杂的形式。FPGA采用SRAM进行功能配置,可重复编程,但系统掉电后,SRAM中的数据丢失。因此需在FPGA外加EP
15、ROM或FLASH,将配置数据写入其中,系统每次上电自动将数据加载到SRAM中.装载的过程是在FPGA部的一个时序电路的控制下自动进行的,所以在为FPGA设计电路时,一定要给它配备一个专用的配置芯片。2.1.2 MBF200目前,市面上存在很多种类的指纹传感器,应用最广泛的有光学、电容、电磁波、压力、微电机和热学指纹传感器。而本系统采用美国富士通公司的MBF200电容指纹采集传感器来实现对指纹图像的采集,该款指纹传感器采用标准的CMOS技术,含有8位A/D转换器,工作在3.3V5V的宽电压围,能自动检测是否有指纹到达传感器,并实现在线采集,它的最大优点是在保证指纹图像高分辨率的同时大大减少了传
16、感器的尺毕 业 设 计论文开 题 报 告寸。利用此传感器可以完全满足系统的设计任务。MBF200采用SPI模式,所以MBF200与FPGA只通过MISO,MOSI,/S/C/S,SCLK四个端口相连接。2.1.3 FLASH存储器电路FLASH存储器采用AMD公司2Mbyte容量的AM29LV160D芯片,FLASH存储器用来保存模板指纹数据。我们采集的指纹是9696的图像,1个图像占9.216Kbyte的容量,FLASH存储器中想容纳200个指纹模板,所以采用了2Mbyte的FLASH存储器。把FLASH接口的各信号输入输出端通过管脚配置的方式,配置到FPGA具体的I/O管脚上,实现与外部的
17、FLASH芯片连接。Flash与FPGA的连接如图4所示。FLASH !WE !OE !CE !BYTE !RESET RY/!BYFPGAP16P15P13P12P11P10A19A0ADO15DO0图4 Flash与FPGA的连接2.1.4 SDRAM存储器电路 SDRAM存储器为输入指纹数据的随机存储和正在匹配的指纹模板数据的存储。SDRAM芯片采用SAMSUNG公司SMbyte的K4S641632芯片。把SDRAM控制器的信号输入输出端通过管脚配置的方式,配置到FPGA的具体IO管脚上,实现与外部SDRAM控制器的连接。在PCB布线时,FPGA上的SDRAM存储器的地址和数据引脚在电路
18、板上放在FPGA靠近SDRAM的一侧,这样就可以缩短PCB上与SDRAM相连的走线,因为SDRAM是高速器毕 业 设 计论文开 题 报 告件。走线太长容易读取错误。SDRAM与FPGA的连接如图5所示。SDRAM !WE !OE!CE!BHE!BLEFPGA P199P5P7P44/A17P43/A16A15A0IO15IO0图5 SDRAM与FPGA的连接2.1.5 键盘和LCD显示电路键盘设置为中断响应方式。模块中有1个4X4的按键,功能:录入指纹健、删除指纹健、确认健、复位健、删除输入字符健、关机健、09字符健。按键直接与FPGA的PIO连接。LCD显示匹配结果和各个功能的完成情况。LCD选用16字符X2行的字符型液晶模块。选用的液晶模块部控制器HD44780是低功耗CMOS制造的大规模点阵LCD控制器,它能使点阵液晶LCD显示大小写英文字母、数字和符号。它的接口有8条数据总线,三条控制线。与FPGA的PIO相连,通过送入数据和指令,就可使LCD模块正常工作。把LCD利用的数据线和三条控制器配置到FPGA的具体的IO管脚上。毕 业 设 计论文开 题 报 告指导教师意见：1对文献综述的评语：2对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计论文结果的预测：年月日 指导所在专业审查意见： 负责人： 年月日
开题报告基于FPGA的指纹识别系统设计硬件部分
