【导读】本方案利用双目视角技术采集3D指纹信息，采用MTK平台，DSP芯片做算法处理。方案硬件成本低且安全性高，可以克服创痛指纹信息容易被仿造识别的缺点，进一步提高指纹识别安全性。通过测试该硬件方案可以直接在客户端上采集信息，便携性好。
本文为大家介绍一种双目视角的非接触式3D指纹识别系统的方案，
应用该方案能够很好地解决以下问题。
（1）指纹信息采集采用双目视角光学采集模块，具有识别率高，不易被模仿，反侦察能力强的特点。
（2）客户端采用联合MTK 和DSP作为嵌入控制双核心，将传感器采集的指纹信息通过DSP器件做识别算法，并由MTK 集成平台完成与服务器无线方式的信息传递。
一、 3D指纹信息采集原理介绍
3D指纹是一种新兴的技术手段，能深刻地呈现手指上的山脊和山谷般的纹线。通常，采用非接触的工作方式采集而成，具有以下优点：
（1）真实性高，排除了挤压带来的皮肤扭曲，获得的指纹自然舒展；
（2）环境容限率好，各种条件的手指皮肤条件，如干湿、肮脏等，都不影响正常采样；
（3）舒适程度高，非接触式模式下采样，可以实现隐秘采集指纹，抵抗反侦查的各种虚假手段成功率高；
（4）兼容性好，3D 指纹展平后可以兼容现有二维指纹数据库。
双目视角（Binocular Vision）成像技术可以用于非接触3D 指纹图像采集，结合现有的两种3D 成像技术——多目视角（N-Views）和结构光（Structured-Light，SI）扫描，而形成的一种3D成像技术，其原理是：采用光投影的方式，在事物上投影出一定式样的结构光，形成一定角度的两台高清摄像头采集数据，经过后台处理该两组数据，还原出某一视觉范围内的3D 图像。该技术采集设备数量少、结构简单、采集速度快。
双目视角3D指纹采集系统结构图
如图1 所示的双目视角3D 指纹采集结构图，即为本系统的采集传感部分。为了获得高清图像，本系统中选择了OmniVision 公司生产的800 万像素手机摄像头模组OV8820和三星公司生产的、具有1 920×1 080高清分辨率的A600B 投影仪。由于OV8820 具有移动产业处理器接口（Mobile Industry Processor Interface，MIPI）以及A600B具有高清晰度多媒体接口（HDMI），方便了系统的集成。
图1 双目视觉的3D指纹采集原理
二、方案总体设计
3D指纹识别系统采用了客户端/服务器（C/S）模式，如图2所示。服务器作为数据库管理中心，主要接收客户端的传输请求，解析指纹数据包的命令和建立数据库反馈识别结果。
客户端主要包括控制单元、指纹算法实现单元和信息采集单元三部分。控制单元完成三大功能：与服务器交互进行结果反馈、控制光学采集系统获得数据、与指纹算法核心有效沟通处理数据；指纹算法单元则进行复杂的图像处理；信息采集单元接收控制核心的控制命令，瞬间实现指纹采集并传输数据。本设计以双核MTK 和DSP 为双控制核心取代以往的单一内核，功能分离、权责分明，系统的实时性、稳定性以及开放性得到大大的提高。如图2 所示，MTK6577 芯片内部的双核CPU可以完美地实现控制与传输功能分离，TMS320C5515型DSP分担复杂的图像处理事务。
图2 实时3D指纹识别系统的结构图
1、 MTK平台
联发科技（Media Tek，MTK）平台，是一款通用的嵌入式手机开发平台；系统方案内部采用开放式的软硬件接口，具有强大的技术支持，用户可以快速地定制无线通信的应用。在本系统中，MTK平台作为控制核心，其功能从硬件底层来看是实现数据流的输入/输出；从3D指纹识别系统上层来看是实现双目视角的照相机驱动、结构光的产生和控制、图像数据的采集、与服务器无线传输通信等。MTK芯片的选择主要考虑了以下三个因素：
（1）控制投影仪产生结构光投影，需要支持高清晰度多（HDMI）；
（2）控制双摄像头采集，需要高性能高速度的MTK芯片；
（3）为保证数据与服务器的实时无线传输，需快速的移动网络。
在MTK 公司的众多基带芯片中，MTK6577 是一款高性能的双核处理器。其主频只高达1.2 GHz，不仅芯片内核强大：采用Cortex A9构架，二级缓存高达1 MB，集成3G移动宽带连接，支持单模HSPA+网络，上传下载速度不低于5.6 Mb/s，集成了图像信号处理器、JPEG硬件编码和解码器，最高可以以15 f/s的速度进行800 万像素图像采集等；而且外围接口丰富，具有一个高清晰度多媒体接口（HDMI）和双摄像头接口。
2、DSP功能
数字信号处理器（DSP）在本系统中作为控制核心的附属机构，主要实现与MTK 芯片之间指纹数据的输入和输出、指纹算法运行处理这两大功能。前一个功能主要是依赖于硬件外部接口间实现，而后一个功能偏向于DSP芯片内部资源。因此，在选型方面主要考虑以下因素：
（1）与MTK 芯片之间实现数据通信，需要专用的外部存储器接口（External Memory Interface，EMIF）；
（2） 为了保证实时性，专用的快速傅立叶（FastFourier Transform，FFT）运算硬件器更有利于指纹图像算法的执行。
TI 公司的TMS320C5515是一款高性价比的DSP芯片，专为生物模式识别应用而开发的。芯片采用定点数的TMS320C55xDSP 处理器核，内部有一个紧耦合式的FFT硬件加速器，主频可高达120 MHz，320 KB片上RAM，外加一个EMIF 接口，利于指纹识别系统的设计与开发。
三、方案硬件设计
1、双目视角的硬件接口
MTK6577 采用标准的移动应用处理器接口（Mobile Industry Processor Interface，MIPI）协议，方便了用户开发影像方面的应用。本文所设计的系统运用了MTK6577芯片自带的高速照相机串行接口（Camera serial interface，CSI）与相机模块OV8820 进行数据通信，并采用了串行相机控制总线（Serial Camera ControlBus，SCCB）控制相机进行采集事务，如图3所示。
图3 双目视角的硬件接口
2、双控制核心协同接口设计
双目视角的3D 指纹识别系统采用了双核心的模式。考虑到指纹识别系统需要完成图像采集、处理、存储并与服务器进行传输等事务，本系统中采用了两片由Micron公司生产的SDRAM存储器MT48LC16M16A2，通过Altera公司的CPLD 芯片，形成大容量双动态的数据存取方式，协同双控制核心的工作事务，如图4所示。MT48LC16M16A2 存储器片是一款具有256 MB 的大容量，位宽为16 b，4 个大小为4 MB 大小的存储Bank，不但片内Bank间可以实现乒乓式数据存取，而且片间的乒乓式数据存取，极大方便指纹采集与处理、暂存与传输等事务交替运行。
图4 双控制核心协同接口
四、方案软件设计
整个基于双目视角的3D指纹采集系统软件的设计主要包括客户端模块、服务器端模块和C/S结构下的协同开发三部分，系统软件框架如图5所示。
图5 系统软件框架
1、 客户端模块设计
客户端模块基于Android平台进行开发的。在Android平台的应用层、应用框架层、组件库层和虚拟机等应用框架的基础上，开发了3D 指纹采集系统的指纹算法、图像采集等应用层的程序；在Android平台的Linux内核层经过可裁剪处理，改进双摄像头、增加结构光协同事务等硬件驱动。
客户端模块工作时，会请求与服务器连接，然后开启多任务多线程，监测采集事务，进行存储，指纹数据处理后，启动通信线程，发送至服务器，等待服务器匹配响应命令。
2、 服务器端模块设计
服务器端模块设计基于Java语言进行开发的，功能的实现采用报文侦听方式。如图5所示，当服务器启动时，首先加入到一个组播地址中，然后初始化Socket，并对规定的端口进行侦听。在客户端与服务器端连接请求并双方握手成功后，即进入等待请求解析命令等状态，可以接收客户端面的指纹数据，响应客户端的指纹匹配任务，根据匹配结果反馈给客户端。
五、总结
本文基于双目视角的3D 成像原理，采用MTK 和DSP相结合的方法构建了一套指纹识别系统。该方案采用的3D指纹识别技术使得指纹识别度高且反侦察能力强；采用C/S 结构的同时，在客户端就可以实现指纹信息的识别功能，具有很好的实时性和便携性。同时该方案与能达到相似性能的方案相比硬件成本低，非常适合即要求安全性高又要求便携性好的场所，如出入境关口等环境的信息检测。硬件系统经过反复测试，实现了客户端的指纹采集、数据的存储及3D指纹算法运算。
