专利名称：一种适用于指纹图像增强的可配置Gabor滤波硬件加速单元的制作方法
技术领域：
本发明属于集成电路设计技术领域，具体涉及一种适用于指纹图像增强的Gabor 滤波硬件加速单元电路。
背景技术：
指纹识别作为生物识别中最方便、最稳定的方法，被广泛应用在各种安全相关领域。但是如何做到满足实时性需求的同时获得好的识别效果的问题依然没有得到很好的解决，特别是在资源有限的嵌入式场合下，问题尤为突出。当前最主流的指纹识别方法是基于特征点的。在提取特征点之前，为了有效抑制噪声干扰，必须对指纹图像进行增强。但是指纹图像增强过程计算量很大，耗时长，特别是Gabor滤波步骤大约会占到整个增强过程的 80%左右的时间。因此为Gabor滤波步骤设计专门的硬件加速单元是在获得好的识别效果的同时仍然满足实时性的关键。而为实现这些目标，在设计中就必须在保证计算精度的同时很好的解决吞吐率跟带宽的问题。
发明内容
本发明的目的是提出一种适用于指纹图像增强的Gabor滤波硬件加速单元电路，以保证计算精度的同时用尽量少的硬件成本同时满足吞吐率与带宽的要求。本发明提出的适用于指纹图像增强的Gabor滤波硬件加速单元1，通过总线6与中央处理器8和存储器7连接，通过总线6获得的输入包括滤波前的指纹图像、方向信息、 频率信息和有效区域掩膜信息。本发明对输入指纹图像中的每个像素点首先检查其掩膜信息，如果不为零，则利用与该像素点对应的方向和频率信息构造出相应的Gabor滤波器，并用该滤波器对此像素做Gabor滤波，得到滤波后的像素值；如果掩膜信息为零，则该像素点不做滤波。本发明的输出为Gabor滤波后的指纹图像。本发明提出的Gabor滤波硬件加速单元1，由滤波控制器5，输入缓存器2，输出缓存器4，滤波卷积单元3这四个部分组成。下面分别介绍各个部分的实现方式。输入缓存器2包括输入指纹图像缓存器、方向缓存器、频率缓存器和掩膜缓存器。 而输出缓存器4为滤波后输出指纹图像的缓存器。输入缓存器2、输出缓存器4与滤波卷积单元3和滤波控制器5之间的信号连接如图2所示。输入缓存器2的输入信号包括输入指纹图像像素值及其写使能、方向信息及其写使能、频率信息及其写使能、掩膜信息及其写使能，而输入缓存器2的输出信号包括输入指纹图像像素值及其可写信号、方向信息及其可写信号、频率信息及其可写信号、掩膜信息及其可写信号，还有滤波窗口位置索引u和V。 输出缓存器4的输入信号包括输出指纹图像像素值、读使能，而输出缓存器4输出信号包括输出指纹图像像素值及其可读信号。输入指纹图像缓存器、方向缓存器、频率缓存器、掩膜缓存器、输出指纹图像缓存器都由读写控制单元和若干存储单元组成。每个存储单元的字数都等于最大支持的输入图像宽度；而字宽由对应存储数据的精度决定。输入指纹图像缓存器包含的存储单元的数目等于最大支持的滤波窗口的高度加I ;而方向缓冲器、频率缓存器、掩膜缓存器和输出指纹图像缓存器所包含的存储单元的数目都等于2。Gabor滤波时，各个缓存器中的存储单元依次循环进入写入与读出状态，在总线与滤波卷积单元之间交换数据。读写控制单元主要包括可读存储单元计数器、读片选信号生成单元、读地址生成单元、写片选信号生成单元和写地址生成单元。可读存储单元计数器记录的是缓存器当前可读得存储单元的数目，初始值为零，每写满一行其值加1，而每读完一行其值减I。对于方向缓存器、频率缓存器、掩膜缓存器、输入和输出指纹图像缓存器，当该计数器的值小于缓存器中存储单元数目时，相应缓存器可写信号有效，否则无效。对于方向缓存器、频率缓存器、掩膜缓存器和输出指纹图像缓存器，当该计数器的值非零时，相应缓存器读信号有效， 否则无效。而对于输入指纹图像缓存器，当该技术器值大于或等于当前滤波窗口高度时，可读信号有效，否则无效。读片选信号与读地址信号联合索引读地址单元，而写片选信号与写地址信号联合索引写地址单元。对于方向缓存器、频率缓存器和掩膜缓存器，写地址(或读地址)信号初始值为零， 当该地址写完(或该地址对应窗口滤波卷积结束)后，写地址(或读地址)信号加1，直到该信号指向行末时清零，然后再重复前面的操作。写片选(或读片选)信号初始时指向零号存储器，并在写地址(或读地址)信号指向行末时在两个存储单元之间切换。对于输出指纹图像缓存器，写地址(或读地址)信号初始值为零，当该地址写完(或该地址读完)后，写地址(或读地址)信号加1，直到该信号指向行末时清零，然后再重复前面的操作。写片选(或读片选)信号初始时指向零号存储器，并在写地址(或读地址)信号指向行末时在两个存储单元之间切换。对于输入指纹图像缓存器，读地址信号由读地址偏移与滤波窗口位置横向索引U 之和决定，读片选信号由读片选偏移与滤波窗口位置纵向索引V之和对输入指纹图像缓存器中存储单元数目取模的结果决定。写地址(或读地址偏移)信号初始值为零，当该地址写完(或该地址对应窗口滤波卷积结束)后，写地址(或读地址偏移)信号加1，直到该信号指向行末时清零，然后再重复前面的操作。写片选(或读片选偏移)信号初始时指向零号存储器， 并在写地址(或读地址偏移)信号指向行末时在所有存储单元之间顺序循环。若滤波窗口大小为(2XK+1)，则滤波窗口位置索引信号u和V的取值范围均为[_K，K]。滤波卷积时，u 和V从窗口的左上角走Z字型扫描到右下角，也就是当前被滤波像素点的滤波窗口中的像素的像素值G会按Z字型被依次被读出，进入流水线跟Gabor滤波器做滤波卷积，最终得出滤波后的像素值。本发明中的Gabor滤波公式可以表示为如下，其中h为Gabor滤波器，G为滤波前的指纹图像，E为最后滤波后的指纹图像。而O和F分别为指纹图像对应的方向图和频率图。i和j分别是指纹图像中的横、纵坐标，u和V分别是滤波窗口中的横纵坐标索引。
权利要求
1.一种适用于指纹图像增强的Gabor滤波硬件加速单元，其特征在于由滤波控制器(5)、输入缓存器(2)、输出缓存器(4)和滤波卷积单元(3)组成；其中所述输入缓存器(2)包括输入指纹图像缓存器、方向缓存器、频率缓存器和掩膜缓存器，所述输出缓存器(4)为滤波后输出的指纹图像缓存器；输入缓存器(2)和输出缓存器(4)分别连接于滤波卷积单元(3)和滤波控制器(5)之间；输入缓存器(2)的输入信号包括输入指纹图像像素值及其写使能、方向信息及其写使能、频率信息及其写使能、掩膜信息及其写使能，输入缓存器(2)的输出信号包括输入指纹图像像素值及其可写信号、方向信息及其可写信号、频率信息及其可写信号、掩膜信息及其可写信号，还有滤波窗口位置索引u和 V;输出缓存器(4)的输入信号包括输出指纹图像像素值、读使能，输出缓存器(4)输出信号包括输出指纹图像像素值及其可读信号。
2.根据权利要求I所述的适用于指纹图像增强的Gabor滤波硬件加速单元，其特征在于所述输入指纹图像缓存器、方向缓存器、频率缓存器、掩膜缓存器、输出指纹图像缓存器都由读写控制单元和若干存储单元组成；每个存储单元的字数都等于最大支持的输入图像宽度；而字宽由对应存储数据的精度决定；输入指纹图像缓存器包含的存储单元的数目等于最大支持的滤波窗口的高度加I ;方向缓冲器、频率缓存器、掩膜缓存器和输出指纹图像缓存器所包含的存储单元的数目都等于2 ；Gabor滤波时，各个缓存器中的存储单元依次循环进入写入与读出状态，在总线与滤波卷积单元之间交换数据。
3.根据权利要求2所述的适用于指纹图像增强的Gabor滤波硬件加速单元，其特征在于所述读写控制单元主要包括可读存储单元计数器、读片选信号生成单元、读地址生成单元、写片选信号生成单元和写地址生成单元；其中，可读存储单元计数器记录缓存器当前可读得存储单元的数目，初始值为零，每写满一行其值加1，而每读完一行其值减I ;对于方向缓存器、频率缓存器、掩膜缓存器、输入和输出指纹图像缓存器，当该计数器的值小于缓存器中存储单元数目时，相应缓存器可写信号有效，否则无效；对于方向缓存器、频率缓存器、掩膜缓存器和输出指纹图像缓存器，当该计数器的值非零时，相应缓存器读信号有效， 否则无效；对于输入指纹图像缓存器，当该计数器值大于或等于当前滤波窗口高度时，可读信号有效，否则无效；读片选信号生成单元与读地址信号生成单元联合索引读地址单元，写片选信号生成单元与写地址信号生成单元联合索引写地址单元；对于方向缓存器、频率缓存器和掩膜缓存器，写地址或读地址信号初始值为零，当该地址写完或该地址对应窗口滤波卷积结束后，写地址或读地址信号加1，直到该信号指向行末时清零，然后再重复前面的操作；写片选或读片选信号初始时指向零号存储器，并在写地址或读地址信号指向行末时在两个存储单元之间切换；对于输出指纹图像缓存器，写地址或读地址信号初始值为零，当该地址写完或该地址读完后，写地址或读地址信号加1，直到该信号指向行末时清零，然后再重复前面的操作； 写片选或读片选信号初始时指向零号存储器，并在写地址或读地址信号指向行末时在两个存储单元之间切换；对于输入指纹图像缓存器，读地址信号由读地址偏移与滤波窗口位置横向索引U之和决定，读片选信号由读片选偏移与滤波窗口位置纵向索引V之和对输入指纹图像缓存器中存储单元数目取模的结果决定；写地址或读地址偏移信号初始值为零，当该地址写完或该地址对应窗口滤波卷积结束后，写地址或读地址偏移信号加1，直到该信号指向行末时清零，然后再重复前面的操作；写片选或读片选偏移信号初始时指向零号存储器，并在写地址或读地址偏移信号指向行末时在所有存储单元之间顺序循环；若滤波窗口大小为 (2XK+1)，则滤波窗口位置索引信号u和V的取值范围均为[-K，K];滤波卷积时，u和V从窗口的左上角走Z字型扫描到右下角，也就是当前被滤波像素点的滤波窗口中的像素的像素值G会按Z字型被依次被读出，进入流水线跟Gabor滤波器做滤波卷积，最终得出滤波后的像素值。
全文摘要
本发明属于集成电路设计技术领域，具体为一种适用于指纹图像增强的Gabor滤波硬件加速单元。该加速单元由滤波控制器、输入缓存器、输出缓存器和滤波卷积单元组成。加速单元通过总线与中央处理器和存储器连接，通过总线获得的输入包括滤波前的指纹图像、方向信息、频率信息和有效区域掩膜信息。本发明对输入指纹图像中的每个像素点首先检查其掩膜信息，如果不为零，则利用与该像素点对应的方向和频率信息构造出相应的Gabor滤波器，并用该滤波器对此像素做Gabor滤波，得到滤波后的像素值；如果掩膜信息为零，则该像素点不做滤波。本发明的输出为Gabor滤波后的指纹图像。其中输入输出缓存器的引入使带宽得到有效降低，滤波卷积单元采用流水线设计，有效提高了加速单元的吞吐率。
文档编号G06T1/20GK102592258SQ20121000085
公开日2012年7月18日 申请日期2012年1月4日 优先权日2012年1月4日
发明者刘俊宝, 李毅, 韩军 申请人:复旦大学