（信号与信息处理专业论文）嵌入掌纹特征的二维条码识读系统.pdf

中文摘要 中文摘要 生物特征识别技术在信息安全方面对设计复杂度和安全性级别两方面的折中 提供了很好地解决方案，而二维条形码系统是非网络环境下的高安全性信息载体 系统，是一个实现人流、物流和信息流同步的巨型袖珍数据库因此，生物特征 识别技术和二维条码技术都提供了比较高的安全性 目前，无论是生物特征识别技术还是二维条码技术都有了各自长足发展和特 定的应用领域。本着交叉学科产生新兴应用的科学态度，本文考察了目前国内外 相关技术的发展现状，借鉴相关成功的开发实体，结合自身特点以及可重用设计 方法和先进的n i o s l i 软核处理器的优势，在嵌入式平台上开发出能够比较接近于 实际应用的“嵌入生物特征的二维条码专用识读系统”。其中生物特征选择方面， 我们采用目前在国际上受到广泛重视并且本实验室有较强理论基础的掌纹特征进 行本生物特征认证系统的设计。 本文的主要工作是在可重用设计思想的指导下，将掌纹特征认证功能与二维 条码识读功能在一块已搭建好的s o p c 平台上实现融合，从而降低了系统成本， 复杂度和功耗。本文的研究重点在两方面：一方面是，使用a l t e r a 公司最新提 出的c 2 h 硬件加速器对掌纹特征预处理的软件程序进行加速处理，更好地提高了 系统的实时性能；另一方面，对于以前认证系统出现的对数据库外的数据认证效 果不佳的情况，提出了一种基于加权函数的掌纹预处理算法，进一步增强了系统 的安全性和稳定性。 关键词；可重用设计方法；二维条码技术；掌纹特征认证；c 2 h 加速器 分类号：t p 3 9 1 4 1 ；t n 9 1 1 7 3 a b s t r a c t a b s i r a c t ： i ni n f o r m a t i o ns e c u r i t y , b i o m c t r i cf e a t u r ea u t h e n t i c a t i o nt e c h n o l o g yo f f e r sag o o d s o l u t i o nt om a k eb a l a n c eb e t w e e nc o m p l e x i t yo fd e s i g na n dl e v do fs e c u r i t y a n d t w o - d i m e n t i o n a lb a rc o d es y s t e mi sai n f o r m a t i o ne a m o fs y s t e mw i t hh i g hs e c u r i 够i n n o n - n e t w o r ks i t u a t i o n i ti sac o n s i d e r a b l ea n dp o r t a b l ed a t a b a s et h a tc a na c h i e v e s y n c h r o n i s mi nt h es t r e n mo fp e o p l e , f o o d sa n di n f o r m a t i o n t h e r e f o r e , t h eb i o m e t r i c f e a t u r ea u t h e n t i c a t i o nt e c h n o l o g ya n dt w o d i m e n t i o n a lb a rc o d et e c h n o l o g yb o t h s u p p o r th i g hs e c u r i 够 a tp r e s e n t , n o to n l yb i o m e t r i cf e a t u r ea u t h e n t i c a t i o nb u ta l s ot w o - d i m e n t i o n a lb a r c o d eh a sag r e a td e v e l o p m e n ta n ds p e c i f i ca p p l i c a t i o n w i t ht h es c i e n t i f i ca t t i t u d eo f f i n d i n gan g wa p p l i c a t i o nf o r t h ei n t e r s e c ts u b j e c t , t h i sp a p e rh a v eo b s e r v e dt h e d e v e l o p m e n to f t h o s et c c h a o l o g yi ni n t e r n a la n di n t e r n a t i o n a la n ds t u d i e dt h es u c c e s s f u l d e v e l o po b j e c t b a s e do i lt h es u p e r i o r i t yo f t c u s em e t h o d o l o g ya n da d v a n c e dn i o si i s o f l c o r ep r o c e s s o r , w ed e s i g nt h es p e c i f i cr e c o g n i t i o ns y s t e mo ft w od i m e n t i o n a lb a r c o d ee m b e d d e dt h eb i o m e t r i cf e a t u r ei nt h ee m b e d d e dp l a t f o r m w es e l e c tt h ep a l m f e a t u r et od ot h i sd e s i g n , b e c a u s ei ti sr e g a r da sa ni m p o r t a n ti s s u ei ni n t e r n a t i o n a la n d o u rl a bh a v eas t r o n gt h e o f i t i c a lb a s eo ni t i nt h eg u i d eo fr e c o n s t r u c tt e c h n o l o g y , t h i st h e s i si n t e g r a t e dt h ep a l mf e a t u r e a u t h e n t i c a t i o na n dt w o - d i m e n t i o n a lb a rc o d er e c o g n i t i o ni na ne x i s t e n tp c bb o a r dt o m i n i m i z et h ec o s t , e n m p l e x i t ya n dp o w e ro ft h es y s t e m t h i st h e s i sh a v et w op a r to f r e s e a r c hi m p o r t a n c e ：f i r s t , w eu s et h en e wa l t e r a sc 2 ha c c e l e r a t i o nt oa c c e l e r a t e t h ep r e p r o c e s sp r o g r a mo f p a l mf e a t u r ei no r d e rt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fs y s t e m s e c o n d ，b e e 4 1 u s ef o r m e rs y s t e mh a v eab a dr e s u l ti na u t h e n t i c a t i o no ft h ed a t u st h a ti s o u t s i d eo ft h ed a t a b a s e , w ed e v e l o pa na r i t h m e t i co fp r e p r o c c s s i n gb a s e do i l w e i g h t e d - f u n c t i o ni np a l mi no r d e rt oi n c r e a s et h es e c u r i t ya n ds t a b i l i t yo fs y s t e m k e y w o r d s ：r e u s em e t h o d o l o g y ；2 db a rc o d e ：p a l mf e a t u r ea u t h e n t i c a t i o n rc 2 h a c c e l e r a t i o n c l a s s n o ：t p 3 9 1 4 1 ：t n 9 1 1 7 3 目录 图与附表清单 图1 1 典型的生物特征识别系统结构4 图1 2p d f 4 1 7 条码的结构6 表i i 二维条码及i c 卡、磁卡技术比较l l 图2 1 三种运算平台的比较1 7 图2 2 大容量的f p g a 的s o p c 结构图1 8 图2 3 基于口软核的嵌入式系统的设计流程2 2 表2 1n i o s i i 嵌入式软核处理器的特性2 4 图3 1 嵌入掌纹特征的二维条码识读系统框图一3 0 图3 2 嵌入掌纹特征与二维条码的识读系统硬件结构3 1 图3 3s o p cb u i l d 盱界面3 2 表3 1a s 8 2 1 0 扫描枪参数表3 8 图3 4 产生的二维条码3 8 图3 51 2 c 传输原理图3 9 图3 61 2 c 主设备结构图4 0 图3 71 2 c 传输的1 7 0 个数据显示结果4 1 图3 8 键盘输入通过1 2 c 的显示结果4 l 图3 9 图像截取的行为模型4 2 图3 1 0 掌纹认证系统的软件流程图4 5 图4 i 预处理前后的图像比较4 7 图4 2 高斯分布曲线。4 9 图4 3 实验方案框图4 9 图4 4 羽化中心示意图5 0 表4 1 采用不同羽化中心的认证率比较5 0 表4 2 采用不同羽化形状的认证率比较5 0 表4 3 两种算法的认证率比较5 l 图5 1 带有硬件加速器的系统拓扑图一5 5 图5 2 选定函数进行加速示意图。5 7 图5 3 加速函数栏的项目。5 8 图5 4 c 2 h 报告界面5 8 表5 1c 2 h 加速器使用前后的系统消耗时间比较5 9 致谢 本论文的工作是在我的导师丁晓明教授的悉心指导下完成的，在研究生阶段 的学习和生活中，丁老师都给了我极大的帮助和影响。丁老师严谨的治学态度、 科学的工作方法和对学生的严格要求以及忘我的工作精神给我留下了深深的印 象，是我以后人生道路上学习的榜样。在此衷心感谢三年来丁晓明老师对我的关 心和指导。 裘正定教授悉心指导我完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予 了我很大的关心和帮助，在此向裘正定老师表示衷心的谢意。 在实验室工作及撰写论文期间，石黎、沈超、高文韬、吴光椿、宋胜凯、李 伟明、宋立、訾国伟、王承启等同学对我论文中的硬件系统构建和算法实验等研 究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情 另外也感谢我的父母以及其他关心我的家人，他们的理解和支持使我能够在 学校专心完成我的学业 谨以此文献给我的亲人、师长、朋友和所有关心我的人们 第一章综述 第一章综述 本章简要介绍了生物特征识别和二维条码技术的背景知识和现实意义，包括 生物特征识别技术的发展及应用和二维条码技术的发展及应用，以及本论文提出 融合两种技术的可行性和优势，并对作者在硕士学位攻读期间所做的工作和论文 的结构进行了介绍。 1 1 生物特征识别技术的发展及应用 1 1 1 生物特征识别技术的背景 当今社会，随着计算机、网络技术的迅猛发展，互联网的影响正逐步渗透到 人们生产、生活、工作和学习的各个角落，越来越多的企业和政府机关依托i n t e r n e t 等开放式网络开展电子商务活动，打破了以往面对面或纸笔的商务交流形式，具 有高效、快捷、低成本等优点。在科技的发展为商业带来无限生机的同时，信息 安全问题随之越来越突出，而身份鉴别作为一种信息安全保障技术，也面临巨大 的挑战嗍 传统的身份鉴别方法主要有两种：基于标记的鉴别方法和基于知识的鉴别方 法。基于标记的鉴别方法是指用特定的标志来表示个人身份，如护照、驾驶执照、 身份证、信用卡、钥匙等；而基于知识的方法是指通过密码或个人认证数字( p i n ) 来表示个人身份。但是护照、身份证等容易丢失或被盗，而由于为了方便记忆的 原因，大多数人会选用自己或亲人的姓名、生日、电话、证件号码做密码并长期 使用，这些很容易被一些不法分子获取。更重要的是，在以网络为媒介的各个领 域中，传统的身份鉴别方式已表现出的局限性和弊端，使其无法完全满足社会高 度信息化的要求 2 0 1 ，f h 此产生的问题已经成为i t ( i n f o r m a t i o n t e c h n o l o g y ) 厂商 售后服务的最常见问题。 根据相关数据显示，每年由于证件或密码遗失而造成的损失巨大。在美国， 每年约有上亿美元的福利款被人以假冒身份领取；全球知名的信用卡巨头 m a s t e r c a r d 公司估计每年因利用丢失和被盗的信用卡进行犯罪而造成的损失就高 达4 5 亿美元；由于密码被破译，则使美国移动通信每年至少损失l o 亿美元；单 单与自动取款机( a t m ) 业务相关的诈骗案每年损失就不下3 亿美元【”】。上述事 实说明，现行系统安全性技术遭到严重挑战，人们迫切需要新的个人身份鉴别技 北京交通大学硕士学位论文 术来保护自身的利益不受侵犯，由于生物特征具有唯一性和不可复制性的特点， 使得人们关注的焦点聚集到了这个方向上。 生物特征识别技术( b i o m c t r i ef e a t u r ei d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g y ) 是通过把计算 机与光学、声学、生物传感器和生物统计学原理等高科技手段密切结合，利用人 体固有的生理特征和行为特征来进行个人身份认证的一种技术阱】。 生物特征识别被认为是二十一世纪的高端技术之一生物特征的特点是人各 有异、终身不变( 几乎) 、随身携带。这些生物特征包括指纹、虹膜、掌纹、面相、 声音、视网膜和d n a 等人体生理特征，以及签名的动作、行走的步态、击打键盘 的力度等行为特征【u 】。这些特征之所以能够作为个人身份鉴别的物证，是因为它 们具有人人都有的普遍性、每人不同的唯一性以及不随年龄而变化的稳定性。 1 1 2 生物特征识别技术的分类 人们对生物特征研究的历史其实应该追溯到很久以前，然而，对于生物特征 识别技术的深入研究和广泛应用，却还是近十几年的事情。随着人们对信息安全 要求的进一步提高，作为模式识别和机器视觉的一个重要研究领域，生物特征识 别技术获得了前所未有的发展，已有许多成形的生物特征识别产品应用在商业、 机关等领域。 并非所有的生物特征都可用于个人的身份鉴别。身份鉴别可利用的生物特征 必须满足以下几个条件：普遍性，即必须每个人都拥有这种特征：唯一性，即任 何两个人的特征是不同的；可获取性，即特征可定量分析；稳定性，即特征不随 时问或空间的变化而变化。当然，在应用过程中，还要考虑其他的实际因素。目 前，已有的生物特征识别技术主要有指纹识别、掌纹识别、手形识别、人脸识别、 虹膜识别、视网膜识别、声音识别和签名识别等f 2 0 】。 指纹识别是人们最早研究并利用，且是最方便、最可靠的生物特征识别技术 之一。在识别过程中，利用的是指纹的中断点和分叉点等细节信息。目前，指 纹识别技术已经比较成熟，在国内外均有成形的产品，应用在司法、公安等各个 领域。 掌纹识别是利用手腕和手指之间的手掌内侧纹理进行身份鉴别的生物特征识 别技术。与指纹识别相比，手掌识别的可接受程度较高，它的特征比指纹特征也 要明显和稳定些。人们对掌纹识别的研究历史并不长，但这种生物特征识别技术 极具发展潜力【l “。 手形识别是目前识别速度最快的一种生物特征识别技术，它对设备的要求较 低，图像处理简单，且可接受程度较高。由于手形特征不像指纹和掌纹特征那样 2 第一章综述 具有高度的唯一性，因此，手形特征适用于认证，只能满足中低级的安全要求。 人脸识别是一种最自然、最直观，也是最容易被接受的生物特征识别技术 人脸识别的过程包括人脸检测定位和脸部特征提取两大部分。由于人脸受人的表 情、光照、图像质量等因素的影响，所以提取脸部特征的困难较大【”】。 虹膜识别是一种利用瞳孔和巩膜之间的环状区域纹理进行身份鉴别的生物特 征识别技术。与其他生物特征相比，虹膜纹理具有高度的独特性、稳定性、随机 性和防伪性1 2 0 】，但其最大的缺点就是还没有在现实世界中进行过任何测试。 视网膜识别是利用视网膜上的血管模式进行身份鉴别的生物特征识别技术。 在整个视网膜识别的过程中，图像的摄取难度较大，摄像头的激光必须照射眼球 的背面才可。因此，这种技术可能会给用户带来健康的损伤，对消费者来说缺乏 吸引力1 2 0 】。但是这种技术具有高度的准确性，可同时应用于身份验证和识别，满 足高级的安全要求。 声音识别利用人的声音特征进行身份鉴别，这种方法基于人的行为特征，因 此受噪声、人的情绪、生理状态等因素的影响较大，判别的错误拒绝率较高。在 声音识别过程中，涉及到的技术较多，很具有研究价值。 签名识别也是一种基于行为特征的技术由于签名中数据的动态变化大，因 此处理起来难度较大，目前主要用于身份认证。这种识别技术的好处在于，仅仅 通过鉴别已经写好的几个字，是无法判别用户身份的，这就提高了系统的安全性， 当然，这也同时对签名识别系统提出了较高的要求【驯。 除了上述的几大技术之外，人们还研究了其他的一些生物特征，如：手部静 脉血管模式、d n a 、耳形、身体气味、击键的动态特性、指甲下面的真皮结构等 等这些技术与上述的几大技术相比，普遍性较差，主要用于一些特定的应用领 域【捌。 总之，生物识别技术将成为未来身份鉴别的重要方式。美国已经签署了电子 签名法案，法案的签署促使美国各大高技术公司加紧开发保证电子签名安全的技 术，这主要包括验证一个人身份的加密数字化装置和附加在计算机上的指纹或虹 膜识别设施等 1 2 】。随着计算机图像处理和模式识别理论以及大规模集成电路技术 的不断发展与成熟，指掌纹自动识别系统的体积不断缩小，其价格也不断降低， 因而已经被应用到民用领域。生物特征识别作为新兴的身份鉴别技术，有其不可 估量的优越性。 1 1 3 生物特征识别系统概述 生物识别系统对生物特征进行提取，将其转化成数字代码，并进一步将这些 3 北京交通大学硕士学位论文 代码组成特征模板，用户同识别系统交互进行身份认证时，识别系统获取其特征 并与数据库中的特征模板进行比对，以确定是否匹配，从而决定接受或拒绝该用 户。 生物识别系统本质上是一个模式识别系统。其工作模式可分为两类；识别和 验证。识别是确定用户的身份，认证是验证用户是否为他所声明的身份。典型的 生物特征识别系统基本结构如图1 1 所示1 2 】： 图1 1 典型的生物特征识别系统结构 图1 1 中分为两个功能部分：注册功能和识别功能。在注册功能中，首先登记 用户的姓名和其他个人信息，通过生物信息录入模块，获取用户的生物信息，并 利用特征提取模块，提取生物特征( 样本) ，形成用户模板，存储在样本数据库中。 在识别功能中，与注册相同，先获取生物信息，并提取特征，再与样本数据库中 的模板进行比对，从而验证用户的身份。 从识别和验证的定义中可以看出，两者的工作原理和流程大致相同。只不过 识别需要将样本与数据库中的模板逐一比对，从而确定此样本属于哪个人，它是 一对多的匹配方式；而认证是将样本与已经注册的模板直接进行比对，从而判定 该样本是否属于这个人，它是一对一的匹配方式刚。 一个实际的生物特征识别系统需要做到以下几点：( 1 ) 在合理的瓷源需求下 实现可接受的识别速度和准确度；( 2 ) 对用户没有伤害而且可被用户简单方便的 使用，用户易于接受；( 3 ) 对于欺诈攻击手段具有足够的鲁棒性。 1 2 二维条形码技术概述 1 2 1 条码的发展 4 第一章综述 条码是由一组按一定规则排列的条、空符号组成的图形标示符，用以表示一 定的字符、数字及符号信息。这种标示符号可以供机器识读【l o 】 条码技术是在计算机技术与信息技术基础上发展起来的一门集编码、印刷、 识别、数据采集和处理于一身的新兴技术【1 0 1 人们日常见到的印刷在商品包装上 的条码。是普通的一维条码。作为一项自动识别技术，一维条码自上世纪7 0 年代 初期问世以来，由于其识读快速、准确、可靠、制作成本低等优点，很快受到了 人们的青睐，被广泛应用在商业、图书管理、仓储、邮电、交通和工业控制等领 域【。 但是，一维条码存在很多缺陷。第一，其容纳的信息量有限，一般每英寸只 能存储十几个字符信息。例如：c o d e 3 9 码最大密度只有9 4 c p i ( c h a r a c t e rp e r i n c h e s ) ，c o d e l 2 8 码最大密度也只有1 2 2 c p i 1 0 1 所以一维条码常依赖一个外部有 效数据库的支持，而其本身只起一个指针作用，离开外部数据库，条码本身就没 有意义了。这一缺点严重限制了条码的使用范围和工作效率，附带庞大数据库的 方法显然无法适应某些服务对象数量巨大的行业的要求，比如户籍管理卡、医疗 信息卡、物流信息卡等。第二，一维条码只能表达字母和数字，而不能表达汉字 和图像，在一些需要应用汉字的场合，一维条码便不能很好地满足要求。第三， 一维条码不具备纠错功能，比较容易受外界污染的干扰。 二维条码的诞生解决了很多一维条码不能解决的问题，它能够同时在横向和 纵向两个方位表达信息，不仅能在很小的面积内表达大量的信息，使条码脱离数 据库成为独立的信息载体，而且能够表达汉字和图像，拓展了条码的应用领域。 目前国际上使用的二维条码有两类，一类是堆积码，如c o d e 4 9 ，c o d e1 6 k ，p d f 4 1 7 等。另一类是矩阵码，如c o d eo n e ，m a x i c o d e 等【9 】。二维条码属于高密度条码， 可以将大量数据在小区域内进行编码，它本身就是一个完整的数据文件。在国外 二维条码有便携式数据文件p d f ( p o r t a b l ed a t af i l e ) ，自备式数据库( s e l f - c o n t a i n e d d a t a b a s e ) 、纸上网络( p a p e r n e t ) 等美称。 p d f 4 1 7 是其中一种使用较广、较成熟的二维条码。输入的数据流经过编码后 成为码字，每个码字由4 个条和空表示( 终止符除外) ，自左向右开始，每个条( 或 空) 的宽度为1 6 个模块，模块的宽度可变，4 个条和4 个空的模块总数为1 7 ， 故称为4 1 7 条码。 每个p d f 4 1 7 条码的结构由3 9 0 行组成，每行由起始区、左标区，l 到3 0 个 符号数据区、右标区、结束区组成其构成如图1 2 所耐”图象识别的任务就是 识别出这些条空序列 5 北京交通大学硕士学位论文 l l l l 忡喊删删 图1 2p d f 4 1 7 条码的结构 二维条码p d f 4 1 7 可把照片、生物特征嵌入其中，可有效地解决证件的可机读 和防伪问题。正是因为可以实现机器识读和防伪这两项重要功能，并且得到广泛 应用，所以p d f 4 1 7 受到国外很多标准化组织和行业的重视，如：1 9 9 4 年被选定 为国际自动识别制造商协会( a t m ) 标准：1 9 9 6 年被美国标准化委员会( a n s i ) 作为美国的运输包装的纸面e d i ( e l e c t r o n i cd a t ai n t e r c h a n g e ) 标准；1 9 9 7 年被欧 洲标准化委员会设定为欧洲标准；1 9 9 5 年被北美和欧洲汽车工业组织选定为各种 生产及管理纸面e d i 的标准；1 9 9 5 年被美国机动车管理局选定为所有驾驶员及机 动车管理的二维条码应用标准；被美国工业论坛列为重要电讯产品的标识标准； 被欧洲负责e d i 和条码在电子工业方面应用的工业组织定为管理纸面e d i 应用标 准【9 】 1 2 2 二维条码的特点 二维条码是一种高密度、高信息量的便携式数据文件，是实现证件及卡片等 大容量、高可靠性信息自动存储、携带并可用机器自动识读的理想手段。具有如 下特点： ( 1 ) 信息容量大 根据不同的条空区域大小，每平方英寸可以容纳2 5 0 到1 1 0 0 个字符。在国际 标准的有效证卡面积上( 相当于信用卡面积的2 3 ，约为7 6 m m x 2 5 m m ) ，可以容 纳1 8 5 0 个大写字母或2 7 1 0 个数字，约5 0 0 个汉字信息 9 1 。这种二维条码比一维条 码信息容量高几十倍，这样就可以把物品信息全部存储在一个二维条码中，不需 要建立数据库，真正实现了用条码对物品的直接描述。 ( 2 ) 编码范围广 多数二维条码都具有字节表示模式，这样就可以将a s c i i ( a m e r i c a ns t a n d a r d c o d ef o ri n f o r m a t i o ni n t e r c h a n g e ) 字符、二进制数据、汉字、声音、图像等可数字 化的信息进行编码。 ( 3 ) 保密、防伪性能好 6 蕊。i曩艟黝器簇陛 l l l 3 一卜 第一章综述 具有多重防伪特性，它可以采用密码防伪、软件加密及利用所包含的信息如 生物特征、照片等进行防伪，因此具有极强的保密防伪性能。 ( 4 ) 译码可靠性高 一维条码的译码错误率约为百万分之一左右，而二维条码的误码率不超过千 万分之一，译码可靠性极耐0 1 ( 5 ) 纠错功能强大 采用了世界上较先进的错误修正技术，不仅可以有效的防止译码错误，提高 译码的速度和可靠性，而且只要条码破损面积不超过5 0 * ，就可以将丢失的信息 恢复出来这种纠错机制使得二维条码成为一种安全可靠的信息存储和识别的方 法，这是一维条码无法实现的 ( 6 ) 容易制作且成本很低 利用现有的激光、喷墨、热敏，热转印、制卡机等打印技术，可在纸张、卡片、 乙烯基( p v c ) 标签甚至金属表面上印出二维条码由此所增加的费用仅是油墨 的成本，因此二维条码技术又被称为“零成本”技术 ( 7 ) 其它特点 同样的信息量，二维条码的形状可以根据载体面积及美工设计等进行自我调 整，并且可双向识读，可实现跨行扫描，可用多种阅读设备阅读 1 2 3 二维条码的应用9 】 通过前面小节的介绍，可以看到二维条码作为一种新的信息存储和传递技术， 从诞生之时就受到了国际社会的广泛关注。二维条码依靠其庞大的信息携带量， 能够把过去使用一维条码时存储于后台数据库中的信息包含在条码中，可以直接 通过阅读条码得到相应的信息，并且二维条码还有错误修正技术及防伪功能，增 加了数据的安全性由于二维条码这种新兴的自动识别技术有着其它自动识别技 术无法比拟的优势，故而应用广泛。 ( 1 ) 物流管理 在物流的每个过程中都需要对物流单据进行处理。物流单据含有大量的信息， 包括：发货人信息、收货人信息、货物清单、运输方式等等。单据处理的前提是 数据的录入，人工键盘录入的方式存在着效率低、差错率高的问题，已不能适应 现代运输业的要求。二维条码在这方面提供了一个很好的解决方案，将单据的内 容编成一个二维条码，打印在包装上，在运输业务的各个环节使用二维条码阅读 器扫描条码，信息便录入到计算机管理系统中，既快速又准确。 ( 2 ) 证件管理 7 北京交通大学硕士学位论文 由于二维条码可以存储大量文字以及图片、指纹、掌纹等重要信息，并且可 以通过加密方式对数据进行可靠加密，因此有效地解决了证件的自动识别和防伪 问题。此外，二维条码技术用于证件上，可以使得证件的成本降低，使用寿命延 长，并具备较强的纠错能力，较之其它证卡技术具有非常突出的优点，因此在国 外被广泛应用在身份证、驾驶证、军人证、护照、社会保险卡等各类证卡上目 前，全世界己有包括美国、加拿大等国家在内的4 0 多个国家在不同的证件上使用 了二维条码技术。全世界有超过l 亿张的驾驶执照上印有二维条码。我国香港特 别行政区的居民身份证也采用了二维条码。其它的应用，如营业执照、驾驶执照、 护照、我国城市的流动人口暂住证、医疗保险卡等也都是很好的应用方向。 ( 3 ) 交通管理 在执照年审( 车辆年审及驾驶证年审) 通知单或执照上印刷一个二维条码， 将所有年审或颁发新牌照所需要的信息放在这个二维条码里。参加年审单位只须 携带年检通知单( 或执照) ，i 作人员只需要扫读一下通知单或执照上的二维条码， 便可以在零点几秒内获取全部审验所需信息，根本不需要键盘录入，既现代快捷， 又准确无误。除此之外，使用二维条码年审，无需事先建立数据库或与中心数据 库联网，甚至在网络发生故障时，单机仍可照常工作，可靠、简便。此外，二维 条码还可被用于汽车尾气检测、汽车标识、车辆过户、汽车租赁等方面。二维条 码的应用不仅可以解决数据的录入问题，还为防止数据的篡改伪造提供了保障， 同时也大大提高了交管部门的效率。 ( 4 ) 工业生产 在很多生产实践中，实时通讯或实时信息处理尚难以实现。在没有联网系统 的情况下，按订单生产、装配和测试极为不便。例如：汽车的组装或其它电子产 品的装配，特殊订单上的数据很难准确及时地反映到不同工序上，因此经常造成 装错配件，甚至酿成大错。解决这一问题的最好办法是在订单上印制( 或贴上) 一个二维条码标签，供不同工序乃至出厂测试使用。在工业生产上，上海汽车工 业、波音公司、m o t o r o l a 、e r i s s o n 等许多世界著名厂家已经将二维条码技 术用于生产控制、产品标识及产品运输上，提高了生产的自动化程度，加强了产 品的质量控制及售后服务。 ( 5 ) 电子数据交换( e d i ) 电子数据信息的交换要依赖于信息网络，而在当今信息网络尚难普及的情况 下，作为既能传递信息，又可离开网络运行的便携数据文件便显示了其独到的优 势。把大量的产品及单据上的信息印在二维条码里，单据或标签随物件一起或单 独传递，验收时只要读取二维条码即可将所有信息录入计算机。纸面e d i 己被广 泛地应用在包装、运输、海关报关等领域，其中墨西哥海关在报关单，证上采用二 8 第一章综述 维条码，既提高了报关速度，又减少了伪造单证的犯罪行为。其它类似的应用还 有：税务申报单、政府部门的各类申请表等等。 通过上面的描述，可以看到：在国外，特别是在美国、日本等经济发达国家， 条码技术开发早、应用早，拥有各种条码规范和各种条码打印专利技术，二维条 码在各个领域得到了广泛应用。虽然我国在二维条码技术上也取得了长足发展， 但由于受到各种技术限制，目前尚未有具有自主知识产权的产品推向市场。鉴于 二维条码的上述应用，我国已经充分意识到二维条码技术的重要性。“九五”期间 中国p d f 4 1 7 二维条码标准的研制已被列为的国家重点科技攻关项目1 9 9 7 年1 2 月p d f 4 1 7 条码国家标准四一七条码已经正式颁布。1 9 9 9 年初，朱铬基总理 亲自过问二维条码的推广情况，李岚清副总理也批文国家经贸委具体落实二维条 码在各行业中的应用。另外，国家经贸委主持了多次二维条码工作会议各行业、 各部委都对二维条码技术表示出极大的热情，民航、铁路、中铁快运等部门的兴 趣尤为强烈。 总之，二维条码在我国有着广阔的应用前景，条码技术在我国的推广应用必 将为我国信息产业的发展和现代化的经济建设带来可观的社会效益和经济效益。 1 3 生物特征识别技术和二维条码技术的优势和融合 1 3 1 技术优势 事实上，生物特征识别技术还远远不够成熟，各种不同特征的识别系统也有 各自的优缺点。其中指纹和虹膜的唯一性最好，但是对图像质量要求很高( 指纹 图像约有4 - - 5 是难于识别的劣质图像) 而降低了普适性。比如某些人或某些群体 的指纹因为特征很少，故而很难成像；过去因为在犯罪记录中使用指纹，使得某 些人害怕“将指纹记录在案”。每一次使用指纹时都会在指纹采集头上留下用户的 指纹印痕，而这些指纹痕迹存在被复制的可能性。2 0 0 2 年，横滨国立大学的一名 教授在演示中，从玻璃门上获得某人的指纹资料，并制造出凝胶模型，成功的骗 过了指纹识别器。人脸、声音、笔迹等特征由于采集环境复杂并且模式变化较大， 而难于满足高准确性要求圈。根据第一节中对各种生物特征技术的分析比较，衡 量各个方面因素并以高准确率、高普适性、高鲁棒性为目标，本文选择使用掌纹 特征来进行生物特征识别。 掌纹的主要特征比已普遍使用的指纹的主要特征明显得多，而且提取这些主 要特征时不易被噪声干扰，因此掌纹识别速度比指纹识别速度高得多另外，掌 纹的主要特征比手形主要特征更稳定和更具分类性，掌纹识别系统的正确识别率 9 北京交通大学硕+ 学位论文 远高于手形识别的正确识别率【1 6 1 。 富士通声称，他们公司设计的掌纹识别系统错误拒绝的可能性为万分之一， 错误接受的可能性为1 2 5 万分之一，而指纹识别的错误接受率为l o 万分之一【2 3 1 ， 所以掌纹识别系统是目前安全性最高的识别系统。其安全性远超过其他识别技术， 包括语音识别，面部特征识别，指纹识别及虹膜识别。因此，掌纹识别系统完全 可胜任苛刻的高安全性要求作为日本第三大银行的东京三菱银行已将该系统应 用到其2 6 7 台a t m 提款机上，到今年九月，将有超过3 0 0 0 台a t m 机使用该系统。 东京大学医院也计划将某些病历资料室的指纹识别系统升级到掌纹识别系统渊。 而使用掌纹识别系统时，不需要直接接触识别器，这无疑也保护了掌纹的安全， 同时也照顾了一部分有洁癣的人士。 从理论和算法研究角度看，在生物特征识别领域，国内外的核心技术差距不 大。掌纹识别是1 9 9 8 年提出的生物识别技术，是当前倍受关注的热点问题，香港 理工大学、哈尔滨工业大学、台湾中华大学、北京大学等科研院所都投入了研究 并得到了大量的成果，在这个领域中国人的研究成果一直保持领先 7 t - 3 0 。 从应用和市场的角度看，目前国际生物特征识别技术的市场已达1 0 亿美元， 并以每年超过8 0 的速度增长，2 0 0 7 年可达4 l 亿美元【3 ”。虽然指纹识别目前占 据的市场份额最高，但是掌纹识别凭借其稳定性好、准确率高、不易伪造、对采 集设备要求低等优点具有巨大的技术潜力和市场潜力。 在第- 4 , 节中，我们可以知道二维条码技术作为一种流通手段具有识别速度 快、误码率低、设备便宜、应用成本低廉和技术成熟等优点，条码技术作为物流 跟踪过程中的一项关键技术，正在被越来越多的人了解与重视。 1 0 第一章综述 磁卡i c 卡二维条码 优可读可写，成信息容量大，可读1 信息容量大、保密防伪性强、 本略高于二维条可写 可靠性高；2 成本低，按照材料的不 点码卡同选用载体，一张p d f 4 1 7 条码卡， 价格从几元到几分不等：3 寿命长 1 信息容量1 成本高，通常是 小，常依赖外界的条码卡的3 - 5 倍；2 寿命 缺 致据库：2 保密防短，易丁二折掼；3 可靠信息不可改写，这点恰恰增强了 伪性差；3 可靠性性差，易受电磁场干扰二维条码卡的防伪能力 点低，易受电磁场干而损毁信息；4 保密防 扰而损毁信息；4 伪性相对较差，由于信 寿命短( 一年)息可改写，为伪造留下 契机 表1 1 二维条码及i c 卡、磁卡技术比较1 9 1 通过表1 1 ，可以看出，二维条码几乎包容了磁卡和i c 卡的所有优点，可以 应用于信息不需经常改写的场合。唯一的缺点是不可改写，而如果为了增强证卡 的保密防伪性，对于证卡等不需经常改写的应用场合，信息不可改写恰恰增强了 证卡的保密防伪性能 将嵌入式系统设计、二维条码和掌纹识别技术相结合并做到实用化，还没有 先例。嵌入式掌纹识别系统可以凭借其小型化、便携化的特点，扩大掌纹识别技 术的应用领域。例如，门禁系统和生物智能卡是掌纹识别系统最重要的应用领域 和最庞大的潜在市场。本文利用可重用设计思想将原本独立的二维条码识读系统 和掌纹特征认证系统融合在一个s o p c ( s y s t e mo np r o g r a m m a b l ec h i p ) 上，实现 嵌入掌纹的二维条码识读系统，不仅是掌纹识别技术的应用创新，也是片上系统 设计的突破。 1 3 2 技术的融合 从二维条码和掌纹识别的应用可以看出，两者有很多互补之处，比如在一些 安全性要求比较高的场合，二维条码与掌纹结合应用，将起到相得益彰的效果。 将掌纹信息编成二维条形码，能使二维条码便于携带、成本低廉的特点，与掌纹 特征的唯一性相结合，这将是一个灵活且可靠的身份验证方案。 北京交通大学硕士学位论文 因为条码具有便于复印、传真等特点，并且条码的编码译码方法相对公开， 所以条码的防伪工作显得日益重要目前现有的防伪技术主要是通过采用特殊的 油墨及印刷技术来使得条码不易被仿制，但是这种方式需要专用的仪器、设备， 提高了条码的生产成本，这使条码失去了原来的低成本、易印刷的特点。而且验 证真伪也需要专用的仪器，因此这种防伪和验证的技术难以在普通用户群中得到 推广而掌纹信息是人的一种重要的生物特征信息，它具有稳定性和唯一性。在 条码中嵌入掌纹信息可以使条码包含人的生物特征，在验证真伪的时候通过与人 的掌纹进行识别比对，不必连接网络或者数据库，靠离线验证就可以方便的获得 结果，可有效解决证件的自动录入和防伪问题。 由于掌纹信息量巨大，不仅少量的磨损和局部的变化不会对整体的认证效果 产生很大影响，而且掌纹认证对于图像采集要求也是非常低的，因此保证了系统 低廉的造价。按照特定的人正算法，我们甚至可以用低分辨率、低质量的掌纹图 像来完成认证过程 因此，采用掌纹认证与二维条码两项技术结合进行防伪的应用具有较强的稳 定性、可靠性，制作容易，验证方便，对设备的要求不高，成本较低。尤其适合 应用在身份证、智能卡、学历证、驾照等与人相关的场合。 作为一个可靠的系统，除了要求本身算法的可靠性外，还要求识别设备小型 化、便携化以及可升级性，所以摆脱p c 的束缚，在嵌入式系统上实现二维条形码 的译码和掌纹认证更加具有实际应用价值，也势必会将掌纹认证推向更广阔的应 用领域，然而在当前还没有结合掌纹的二维条码身份认证嵌入式系统问世。 n i o s l l 是a l t e r a 公司推出的一款采用流水线技术单指令流的3 2 位r i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e tc o m p u t i n g ) 软核处理器p j ，并针对a l t e r a 公司的可编 程逻辑器件和片上可编程系统的思想做了相应优化。a l t e r a 公司提供的s o p c b u i l d e r 不仅可以创建和配置用户的n i o s 软核，还可以添加自定义用户指令，这使 得n i o s 软核可以很容易与用户逻辑结合构成功能更加强大的s o p c 系统。本文提 出了基于n i o s 软核处理器的结合掌纹特征的二维条码身份认证系统设计方案并最 终实现了该系统。 1 4 论文的工作内容和组织结构 本论文讨论了可重用设计方法在嵌入掌纹特征的二维条码识读系统设计中的 应用以及系统的实现。 可重用设计方法在嵌入式系统设计发挥了巨大的作用，尤其是基于s o p c 的 嵌入式系统设计，它以可编程逻辑器件为物理平台，以i p ( i n t e l l e c t u a l p r o p e r t y ) 第一章综述 核复用和设计作为系统设计核心，完全与可重用设计方法的本质相吻合将可重 用设计方法应用于基于$ o p c 的嵌入式系统设计更加适合设计人员进行原型系统 的开发，更加有利于将科研机构的专用算法以最快的速度转化为知识产权即m ( m t e l l e e t u a lp r o p e r t y ) 核，得以推广应用并加以保护。 本论文在实验中所采用的二维条码是依照中华人民共和国1 9 9 7 年1 2 月2 5 日 发布的第一个二维条码国家标准四一七条码而设计制作的根据该标准，四 一七条码在技术上与国际自动识别制造商协会( a i m i ) 的 p d f 4 1 7 规范相兼容 因此保证了本论文的设计与国外先进标准的一致性和在国内应用的