專利名稱：一種適用于指紋圖像增強的可配置Gabor濾波硬件加速單元的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于集成電路設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種適用于指紋圖像增強的Gabor 濾波硬件加速單元電路。
背景技術(shù)：
指紋識別作為生物識別中最方便、最穩(wěn)定的方法，被廣泛應(yīng)用在各種安全相關(guān)領(lǐng)域。但是如何做到滿足實時性需求的同時獲得好的識別效果的問題依然沒有得到很好的解決，特別是在資源有限的嵌入式場合下，問題尤為突出。當(dāng)前最主流的指紋識別方法是基于特征點的。在提取特征點之前，為了有效抑制噪聲干擾，必須對指紋圖像進行增強。但是指紋圖像增強過程計算量很大，耗時長，特別是Gabor濾波步驟大約會占到整個增強過程的 80%左右的時間。因此為Gabor濾波步驟設(shè)計專門的硬件加速單元是在獲得好的識別效果的同時仍然滿足實時性的關(guān)鍵。而為實現(xiàn)這些目標(biāo)，在設(shè)計中就必須在保證計算精度的同時很好的解決吞吐率跟帶寬的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種適用于指紋圖像增強的Gabor濾波硬件加速單元電路，以保證計算精度的同時用盡量少的硬件成本同時滿足吞吐率與帶寬的要求。本發(fā)明提出的適用于指紋圖像增強的Gabor濾波硬件加速單元1，通過總線6與中央處理器8和存儲器7連接，通過總線6獲得的輸入包括濾波前的指紋圖像、方向信息、 頻率信息和有效區(qū)域掩膜信息。本發(fā)明對輸入指紋圖像中的每個像素點首先檢查其掩膜信息，如果不為零，則利用與該像素點對應(yīng)的方向和頻率信息構(gòu)造出相應(yīng)的Gabor濾波器，并用該濾波器對此像素做Gabor濾波，得到濾波后的像素值；如果掩膜信息為零，則該像素點不做濾波。本發(fā)明的輸出為Gabor濾波后的指紋圖像。本發(fā)明提出的Gabor濾波硬件加速單元1，由濾波控制器5，輸入緩存器2，輸出緩存器4，濾波卷積單元3這四個部分組成。下面分別介紹各個部分的實現(xiàn)方式。輸入緩存器2包括輸入指紋圖像緩存器、方向緩存器、頻率緩存器和掩膜緩存器。 而輸出緩存器4為濾波后輸出指紋圖像的緩存器。輸入緩存器2、輸出緩存器4與濾波卷積單元3和濾波控制器5之間的信號連接如圖2所示。輸入緩存器2的輸入信號包括輸入指紋圖像像素值及其寫使能、方向信息及其寫使能、頻率信息及其寫使能、掩膜信息及其寫使能，而輸入緩存器2的輸出信號包括輸入指紋圖像像素值及其可寫信號、方向信息及其可寫信號、頻率信息及其可寫信號、掩膜信息及其可寫信號，還有濾波窗口位置索引u和V。 輸出緩存器4的輸入信號包括輸出指紋圖像像素值、讀使能，而輸出緩存器4輸出信號包括輸出指紋圖像像素值及其可讀信號。輸入指紋圖像緩存器、方向緩存器、頻率緩存器、掩膜緩存器、輸出指紋圖像緩存器都由讀寫控制單元和若干存儲單元組成。每個存儲單元的字?jǐn)?shù)都等于最大支持的輸入圖像寬度；而字寬由對應(yīng)存儲數(shù)據(jù)的精度決定。輸入指紋圖像緩存器包含的存儲單元的數(shù)目等于最大支持的濾波窗口的高度加I ;而方向緩沖器、頻率緩存器、掩膜緩存器和輸出指紋圖像緩存器所包含的存儲單元的數(shù)目都等于2。Gabor濾波時，各個緩存器中的存儲單元依次循環(huán)進入寫入與讀出狀態(tài)，在總線與濾波卷積單元之間交換數(shù)據(jù)。讀寫控制單元主要包括可讀存儲單元計數(shù)器、讀片選信號生成單元、讀地址生成單元、寫片選信號生成單元和寫地址生成單元?？勺x存儲單元計數(shù)器記錄的是緩存器當(dāng)前可讀得存儲單元的數(shù)目，初始值為零，每寫滿一行其值加1，而每讀完一行其值減I。對于方向緩存器、頻率緩存器、掩膜緩存器、輸入和輸出指紋圖像緩存器，當(dāng)該計數(shù)器的值小于緩存器中存儲單元數(shù)目時，相應(yīng)緩存器可寫信號有效，否則無效。對于方向緩存器、頻率緩存器、掩膜緩存器和輸出指紋圖像緩存器，當(dāng)該計數(shù)器的值非零時，相應(yīng)緩存器讀信號有效， 否則無效。而對于輸入指紋圖像緩存器，當(dāng)該技術(shù)器值大于或等于當(dāng)前濾波窗口高度時，可讀信號有效，否則無效。讀片選信號與讀地址信號聯(lián)合索引讀地址單元，而寫片選信號與寫地址信號聯(lián)合索引寫地址單元。對于方向緩存器、頻率緩存器和掩膜緩存器，寫地址(或讀地址)信號初始值為零， 當(dāng)該地址寫完(或該地址對應(yīng)窗口濾波卷積結(jié)束)后，寫地址(或讀地址)信號加1，直到該信號指向行末時清零，然后再重復(fù)前面的操作。寫片選(或讀片選)信號初始時指向零號存儲器，并在寫地址(或讀地址)信號指向行末時在兩個存儲單元之間切換。對于輸出指紋圖像緩存器，寫地址(或讀地址)信號初始值為零，當(dāng)該地址寫完(或該地址讀完)后，寫地址(或讀地址)信號加1，直到該信號指向行末時清零，然后再重復(fù)前面的操作。寫片選(或讀片選)信號初始時指向零號存儲器，并在寫地址(或讀地址)信號指向行末時在兩個存儲單元之間切換。對于輸入指紋圖像緩存器，讀地址信號由讀地址偏移與濾波窗口位置橫向索引U 之和決定，讀片選信號由讀片選偏移與濾波窗口位置縱向索引V之和對輸入指紋圖像緩存器中存儲單元數(shù)目取模的結(jié)果決定。寫地址(或讀地址偏移)信號初始值為零，當(dāng)該地址寫完(或該地址對應(yīng)窗口濾波卷積結(jié)束)后，寫地址(或讀地址偏移)信號加1，直到該信號指向行末時清零，然后再重復(fù)前面的操作。寫片選(或讀片選偏移)信號初始時指向零號存儲器， 并在寫地址(或讀地址偏移)信號指向行末時在所有存儲單元之間順序循環(huán)。若濾波窗口大小為(2XK+1)，則濾波窗口位置索引信號u和V的取值范圍均為[_K，K]。濾波卷積時，u 和V從窗口的左上角走Z字型掃描到右下角，也就是當(dāng)前被濾波像素點的濾波窗口中的像素的像素值G會按Z字型被依次被讀出，進入流水線跟Gabor濾波器做濾波卷積，最終得出濾波后的像素值。本發(fā)明中的Gabor濾波公式可以表示為如下，其中h為Gabor濾波器，G為濾波前的指紋圖像，E為最后濾波后的指紋圖像。而O和F分別為指紋圖像對應(yīng)的方向圖和頻率圖。i和j分別是指紋圖像中的橫、縱坐標(biāo)，u和V分別是濾波窗口中的橫縱坐標(biāo)索引。
權(quán)利要求
1.一種適用于指紋圖像增強的Gabor濾波硬件加速單元，其特征在于由濾波控制器(5)、輸入緩存器(2)、輸出緩存器(4)和濾波卷積單元(3)組成；其中所述輸入緩存器(2)包括輸入指紋圖像緩存器、方向緩存器、頻率緩存器和掩膜緩存器，所述輸出緩存器(4)為濾波后輸出的指紋圖像緩存器；輸入緩存器(2)和輸出緩存器(4)分別連接于濾波卷積單元(3)和濾波控制器(5)之間；輸入緩存器(2)的輸入信號包括輸入指紋圖像像素值及其寫使能、方向信息及其寫使能、頻率信息及其寫使能、掩膜信息及其寫使能，輸入緩存器(2)的輸出信號包括輸入指紋圖像像素值及其可寫信號、方向信息及其可寫信號、頻率信息及其可寫信號、掩膜信息及其可寫信號，還有濾波窗口位置索引u和 V;輸出緩存器(4)的輸入信號包括輸出指紋圖像像素值、讀使能，輸出緩存器(4)輸出信號包括輸出指紋圖像像素值及其可讀信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的適用于指紋圖像增強的Gabor濾波硬件加速單元，其特征在于所述輸入指紋圖像緩存器、方向緩存器、頻率緩存器、掩膜緩存器、輸出指紋圖像緩存器都由讀寫控制單元和若干存儲單元組成；每個存儲單元的字?jǐn)?shù)都等于最大支持的輸入圖像寬度；而字寬由對應(yīng)存儲數(shù)據(jù)的精度決定；輸入指紋圖像緩存器包含的存儲單元的數(shù)目等于最大支持的濾波窗口的高度加I ;方向緩沖器、頻率緩存器、掩膜緩存器和輸出指紋圖像緩存器所包含的存儲單元的數(shù)目都等于2 ；Gabor濾波時，各個緩存器中的存儲單元依次循環(huán)進入寫入與讀出狀態(tài)，在總線與濾波卷積單元之間交換數(shù)據(jù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的適用于指紋圖像增強的Gabor濾波硬件加速單元，其特征在于所述讀寫控制單元主要包括可讀存儲單元計數(shù)器、讀片選信號生成單元、讀地址生成單元、寫片選信號生成單元和寫地址生成單元；其中，可讀存儲單元計數(shù)器記錄緩存器當(dāng)前可讀得存儲單元的數(shù)目，初始值為零，每寫滿一行其值加1，而每讀完一行其值減I ;對于方向緩存器、頻率緩存器、掩膜緩存器、輸入和輸出指紋圖像緩存器，當(dāng)該計數(shù)器的值小于緩存器中存儲單元數(shù)目時，相應(yīng)緩存器可寫信號有效，否則無效；對于方向緩存器、頻率緩存器、掩膜緩存器和輸出指紋圖像緩存器，當(dāng)該計數(shù)器的值非零時，相應(yīng)緩存器讀信號有效， 否則無效；對于輸入指紋圖像緩存器，當(dāng)該計數(shù)器值大于或等于當(dāng)前濾波窗口高度時，可讀信號有效，否則無效；讀片選信號生成單元與讀地址信號生成單元聯(lián)合索引讀地址單元，寫片選信號生成單元與寫地址信號生成單元聯(lián)合索引寫地址單元；對于方向緩存器、頻率緩存器和掩膜緩存器，寫地址或讀地址信號初始值為零，當(dāng)該地址寫完或該地址對應(yīng)窗口濾波卷積結(jié)束后，寫地址或讀地址信號加1，直到該信號指向行末時清零，然后再重復(fù)前面的操作；寫片選或讀片選信號初始時指向零號存儲器，并在寫地址或讀地址信號指向行末時在兩個存儲單元之間切換；對于輸出指紋圖像緩存器，寫地址或讀地址信號初始值為零，當(dāng)該地址寫完或該地址讀完后，寫地址或讀地址信號加1，直到該信號指向行末時清零，然后再重復(fù)前面的操作； 寫片選或讀片選信號初始時指向零號存儲器，并在寫地址或讀地址信號指向行末時在兩個存儲單元之間切換；對于輸入指紋圖像緩存器，讀地址信號由讀地址偏移與濾波窗口位置橫向索引U之和決定，讀片選信號由讀片選偏移與濾波窗口位置縱向索引V之和對輸入指紋圖像緩存器中存儲單元數(shù)目取模的結(jié)果決定；寫地址或讀地址偏移信號初始值為零，當(dāng)該地址寫完或該地址對應(yīng)窗口濾波卷積結(jié)束后，寫地址或讀地址偏移信號加1，直到該信號指向行末時清零，然后再重復(fù)前面的操作；寫片選或讀片選偏移信號初始時指向零號存儲器，并在寫地址或讀地址偏移信號指向行末時在所有存儲單元之間順序循環(huán)；若濾波窗口大小為 (2XK+1)，則濾波窗口位置索引信號u和V的取值范圍均為[-K，K];濾波卷積時，u和V從窗口的左上角走Z字型掃描到右下角，也就是當(dāng)前被濾波像素點的濾波窗口中的像素的像素值G會按Z字型被依次被讀出，進入流水線跟Gabor濾波器做濾波卷積，最終得出濾波后的像素值。
全文摘要
本發(fā)明屬于集成電路設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種適用于指紋圖像增強的Gabor濾波硬件加速單元。該加速單元由濾波控制器、輸入緩存器、輸出緩存器和濾波卷積單元組成。加速單元通過總線與中央處理器和存儲器連接，通過總線獲得的輸入包括濾波前的指紋圖像、方向信息、頻率信息和有效區(qū)域掩膜信息。本發(fā)明對輸入指紋圖像中的每個像素點首先檢查其掩膜信息，如果不為零，則利用與該像素點對應(yīng)的方向和頻率信息構(gòu)造出相應(yīng)的Gabor濾波器，并用該濾波器對此像素做Gabor濾波，得到濾波后的像素值；如果掩膜信息為零，則該像素點不做濾波。本發(fā)明的輸出為Gabor濾波后的指紋圖像。其中輸入輸出緩存器的引入使帶寬得到有效降低，濾波卷積單元采用流水線設(shè)計，有效提高了加速單元的吞吐率。
文檔編號G06T1/20GK102592258SQ20121000085
公開日2012年7月18日 申請日期2012年1月4日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月4日
發(fā)明者劉俊寶, 李毅, 韓軍 申請人:復(fù)旦大學(xué)