关键字：滑动指纹传感器 指纹采集 指纹拼接 块匹配
Abstract: This paper elaborates on the implementation of a fingerprint acquisition system based on the embedded Linux environment，which consists of the ARM9 AT91RM9200 and the sweep fingerprint sensor AT77C104B FingerChip. The whole high quality fingerprint is obtained by a fast stitching algorithm. The effect of fingerprint obtained by the low cost, low power and small area sweep fingerprint sensor is as good as traditional one‘s.
Keyword: sweep fingerprint sensor, fingerprint acquisition, fingerprint stitching, block-matching
1、 前言
指纹因其唯一性，终身不变性等特点，在安全性要求较高的行业，如海关、金融和刑侦领域得到广泛应用。随着人们安全意识和隐私觉悟的提高，手机、笔记本、PDA等日常电子消费品中也逐渐开始使用指纹识别技术。此类电子消费品因为便携、手持等特点，在体积、重量、功耗方面都有很高的要求，而传统的指纹传感器面积较大，不适合此类产品的使用。
随之产生的滑动指纹传感器（sweep fingerprint sensor），因为它更小的体积、更低的价格和极低功耗，已经逐渐开始应用于电子消费领域和其他安全系统中。以ATMEL公司的AT77C104A FingerChip为例[1]，与传统的指纹传感器相比，它具有以下优点：（1）体积小，仅为1.5×15mm;（2）强鲁棒性，采集到的相邻的指纹帧没有旋转形变等;（3）低功耗，图像采集时为4.5mA，导航时为1.5mA，睡眠模式小于10uA。 [2]中应用的图像传感器，获取的指纹图像大小为240×240，面积远远大于滑动指纹传感器。然而手指滑过滑动指纹传感器时，采集到的一个指纹帧序列而并非完整的指纹图像。如何将得到的指纹帧序列快速的拼接成一幅完整的指纹图像，达到与传统的面积较大的指纹传感器相同的效果，成为一个急需解决的难题[3]。
为了解决这个难题，本文实现了基于ARM9芯片AT91RM9200[4]和滑动指纹传感器AT77104A FingerChip的指纹采集系统，并在该系统中完成指纹有效拼接。
2、 指纹采集和拼接系统的硬件设计
AT91RM9200是ATMEL推出的ARM9 32位处理器，具有一下优点：运算速度快（在工作频率为180MHz的情况下它的运算速度为200MIPS）、低功耗、可提供片上或片外存储器以及一系列外围控制、通信和数据存储的灵活配置。这些特征使得这款芯片适合嵌入式指纹采集系统的开发。
在硬件核心电路中，使用两片16位的SDRAM来配置成32位宽度的高性能存储器，读取数据时候以四个字节为一个单位，从而加快了数据的读取速度。同时外扩一个8M的DataFlash，用于存放Uboot、Linux文件系统和应用程序。
在本系统中，包括的通信过程为：
（1）主机和ARM板之间的通信包括：首先PC主机在超级终端中使用Xmodem协议发送文件RomBoot.bin到AT91RM9200内置的ROM中，下载完毕后，自动运行;其次分别将RomBoot.bin和U-Boot.bin程序下载存储到DataFlash，复位后自动启动U-Boot;最后通过以太网口将Linux镜像文件和应用程序下载到DataFlash中。再次复位后，开发板进入Linux系统。
（2）AT77C104A和控制芯片之间的通信：通过SPI接口完成。控制芯片通过写寄存器，设置AT77C104A的工作模式;AT77C104A将采集到的数据传递到SDRAM中。
（3）在该嵌入式系统中，拼接采集到的指纹帧序列，通过USB接口导出拼接后的指纹图像。
图1指纹采集和拼接系统框图
3、AT91RM9200与AT77C104B FingerChip连接及通信过程
指纹采集芯片采用ATMEL公司的热敏传感芯片AT77C104A FingerChip，通过滑过传感阵列的指纹脊和谷的温度变化来获取指纹数据。与传统的指纹传感器相比，AT77C104A在体积、功耗、工作频率以及对工作环境的鲁棒性等方面均有优势。该芯片提供了SPI接口，有两种通信总线：
（1）SLOW总线：对应SLOW模式，起控制作用，控制和读写内部寄存器;
（2）FAST总线：对应FAST模式，用于获取象素，使主机获得所有的指纹象素。
在本指纹采集系统中，利用AT91RM9200的SSC接口与AT77C104B FingerChip相连。SSC 包含独立的接收器、发送器及一个时钟分频器。每个发送器及接收器有三个接口：针对数据的TD/RD 信号、针对时钟的TK/RK 信号及针对帧同步的TF/RF 信号。AT91RM9200与AT77C104B FingerChip 通信时，前者处于主机方式，后者处于从机方式，连接如图2所示。
在该通信过程中，SSC的接收器时钟RK由TK驱动，同时接收端与发送端同步，所以TF与RF相连。AT91RM9200通过I/O口（PIO_PA5）提供片选信号，选择指纹传感器的工作模式。SSC的可编程高电平及两个32位专用PDC 通道，可在没有处理器干涉的情况下进行连续的高速率数据传输，适用于快速获取指纹数据。
AT77C104A FingerChip内部有13个寄存器。AT91RM9200通过写AT77C104A FingerChip内部的模式寄存器，将FingerChip设置成获取象素模式。此时，AT91RM9200通过PIO_PA5将FingerChip的FSS（Fast SPI Slave Slect，低电平有效）信号置为低电平。设置完成后，AT91RM9200为主机，FingerChip为从机。FingerChip的MISO信号将采集到的数据输入到AT91RM9200的SSC端口对应的RD端，存储到SDRAM中。
图2 AT91RM9200与AT77C104B FingerChip连接
滑动时指纹传感器获得的每一个像素，由一个16进制数表示，对应着4个时钟周期。当传感器通过SPI端口传输获取到一帧数据时，先传输一个帧同步信号F0F00200，然后再传输232×8像素指纹数据。因此，每传输一帧数据，需要n=（232×8+8）×4=7496个时钟周期。当FingerChip以6Mbps工作时，每秒中可获取804帧指纹数据。获取到的指纹数据存储在SDRAM中，通过指纹拼接程序将纹帧序列拼接成完整的指纹图像，然后通过USB传输回PC主机中显示。
4、 系统定制和驱动程序加载
4.1系统定制
为了增加系统的可维护性，采用Linux系统，Linux内核可根据需要裁减。系统定制过程为：（1） 首先将RomBoot.bin下载到AT91RM9200的SDRAM里;当超级终端显示RomBoot程序界面之后，分别将RomBoot.bin和U-Boot.bin程序下载存储到DataFlash的0xc0000000和0xc0008000地址。复位开发板，进入U-Boot命令行。（2）在超级终端中，通过tftp将裁减过的Linux内核镜像文件和文件系统下载到Dataflash中运行。
4.2 加载驱动程序
设备驱动程序在Linux内核中，使某个特定的硬件响应一个定义良好的内部编程接口，同时完全隐藏了设备的工作细节。用户通过一组标准化的调用完成对硬件的操作，而这些调用是和特定的驱动程序无关的。将这些调用映射到作用了实际硬件的设备特定的操作上，就是设备驱动程序的任务。另一方面，这种编程接口使得驱动程序独立于内核的其他部分而建立，在需要的时候，可以在运行时“插入”内核（调入内存），也即Linux中的模块化实现，这也是Linux中设备驱动程序的一大特点。
将FingerChip驱动程序加载到Linux文件系统中，当系统运行时，使用insmod命令，即可实现指纹传感器设备的装载。通过标准化的调用，实现对传感器的控制。
5、 基于滑动式指纹传感器的指纹拼接算法
当手指滑过时，滑动指纹传感器采集到是一系列指纹帧序列，因此在嵌入式系统中，需要对获取的指纹帧序列进行拼接。与PC机中的CPU相比，ARM芯片速度较低。为了减少刮取指纹后的等待时间，对指纹拼接速度的要求很高。
从大量的指纹序列中发现，当采集速度足够快时，指纹帧序列相邻两帧之间是连续的，而且会有部分重叠。同时，相邻指纹帧之间的旋转和形变微乎其微，几乎可以被忽略，所以在相邻指纹帧配准的时候，只需要计算出两帧之间的偏移量就可以。
本文运用基于块匹配指纹拼接算法[5]，能够快速有效的寻找到相邻指纹帧之间的偏移量。块匹配算法是：（1）在图像A中选取M×N大小的X区域;（2）在图像B中选取所有可能的M×N大小的Y区域;（3）计算X区域和Y区域对应象素差值的平均值MAE;MAE越小，两区域相似度越高;（4）MAE最小值对应的Y区域即为与X区域匹配。计算公式为：
（1）
其中0≤i≤M-1，0≤j≤N-1，p（i,j）为X区域的点p的象素值，q（i,j）为Y区域对应点q的象素值。MAE越小，两区域相似度越高。理想情况下，MAE最小值为0。
具体实现步骤：（1）FingerChip AT77104A获取到的指纹帧数据大小为232×8，设x方向为232，y方向为8。为了有效的拼接相邻两帧指纹，设置获取每一帧数据的频率，使得y方向的偏移量dy不大于8，即保证相邻两帧一定有重叠。（2）理想情况下，手指在y方向滑动，在x方向上偏移量为0。因此，只考虑dx不大于dy的情况。当dx超过dy时，滑动无效。（3）由（1）（2）可得，|dx|<8。同时可得，最后一行，中间的（232-8×2）个象素与下一帧必有重叠。（4）取前一帧最后一行（232-8×2）个象素，即（232-8×2）×1的模板，与新获取的一帧指纹匹配。（5）匹配方法：在新的指纹帧里面寻找所有可能的（232-8×2）×1的模板，计算求得MAE。选取MAE的最小值对应的模板，此模板与上一帧的最后一行的（232-8×2）×1的模板相匹配。即得dx，dy。（6）重复执行以上步骤，直到得到一幅完整的指纹图像。图3-a为拼接前的指纹帧，图3-b为拼接后的指纹图像。
图3 a.拼接前的指纹帧 b.拼接后的指纹图像
6、 总结
本文实现了基于ARM9芯片AT91RM9200和滑动指纹传感器AT77C104B FingerChip的指纹采集系统，具有低功耗，采集便捷，通信系统简单等优点，具有很大的实用价值。开发的指纹拼接算法通过了AT77C104B FingerChip获取的100幅指纹帧序列的测试，均能达到较好的效果。该系统获取到的指纹帧序列和拼接后的指纹图像，均可通过USB接口导出，可用于指纹拼接算法有效性的测试和指纹识别算法的测试。因为AT91RM9200支持以太网的接入，因此可以联网集控。下一步的工作是，在此指纹采集和指纹拼接算法的基础上，开发指纹识别系统。
参考文献
1. AT77C104B FingerChip Data Sheet. www.atmel.com
2. 谢健阳 李铁才等，指纹识别系统的设计实现，微计算机信息，2006 No.8 P.156-157
3. Y. L. Zhang, J. Yang and H. T. Wu, “A hybrid swipe fingerprint mosaicing scheme”, AVBPA 2005, LNCS3546, pp.131-140, 2005.
4. AT91RM9200 Data Sheet. www.atmel.com
5. F. S. Rovati, P. Gardella, P. Zambotti and D. Pau, “Spatial-temporal motion estimation for image reconstruction and mouse functionality with optical or capacitive sensors”, Consumer Electronics, IEEE Transactions on, vol 49, pp.711-718, Aug. 2003
