（测试计量技术及仪器专业论文）基于dsp的指纹识别算法研究.pdf

摘要 指纹识别是模式识别领域中使用最早，也是应用最广的生物鉴定技术。自动指纹 识别系统有着广泛的应用背景，目前，在通用p c 机上基于w i n d o w s 操作系统的指纹识 别软件和通过u s b 接口与p c 机相连的指纹采集器在技术上已经很成熟，并且已经开始 大规模推广。但是，基于嵌入式系统特别是d s p 系统的指纹识别技术，无论是在硬件 设计还是算法软件方面都才刚刚起步，而在p c 机上性能优秀的算法并不一定能简单地 移植到d s p 系统。然而，随着移动通信的蓬勃发展和便携式设备的推陈出新，指纹识 别技术在今后将被更多的应用于嵌入式设备，因此，研究基于d s p 平台的自动指纹识 别系统，对于拓展d s p 的应用领域，让指纹识别向脱机使用发展以及提高系统灵活性、 实时性都具有重大的意义。 本文首先介绍了指纹别系统的发展现状，以及指纹识别技术的难点和发展方向， 分析了指纹采集的相关技术。系统核心处理器采用t i 公司的t m s 3 2 0 v c 5 4 0 9d s p 芯片， 指纹图像采集设备是日本b m f 公司的b l p - 1 0 0 压力指纹传感器，整形及逻辑电路采用 b m f 公司的b c t 一1 0 0 。在完成指纹芯片的选型工作和研究了半导体指纹传感器的基本功 能后，依据指纹传感器的基本内部结构，设计出了指纹采集子板，实现了指纹采集。 本文的另一个研究重点集中在基于结构的指纹识别算法原理，及其各组成部分： 指纹中心点计算，扇形化，归一化方法，g a b o r 滤波，特征提取以及比对，最后利用 m a t l a b 7 0 编程实现了这一系统识别算法。 本文完成了基于d s p 的指纹识别系统可行性技术探索，仿真实验结果验证了系统 的可行性。 关键词：指纹识别；d s p ；g a b o r 滤波；特征提取；指纹比对 a b s t r a c t f i n g e r p r i n ti d e n t i f i c a t i o ni st h em o s te a r l yu s e di nt h ef i e l do fp a t t e r nr e c o g n i t i o n ，a n d i sa l s o w i d e l yu s e di n t h et e c h n o l o g yo fb i o l o g ya u t h e n t i c a t i o n a u t of i n g e r p r i n t i d e n t i f i c a t i o nw i d e l yh a su s e f u lb a c k g r o u n d a tp r e s e n t ，t h ef i n g e r p r i n ti d e n t i f i c a t i o n s o f t w a r eb a s e do nw i n d o w so p e r a t i o ns y s t e mo nt h eg e n e r a lp ca n daf i n g e r p r i n t c a p t u r i n gs y s t e mw h i c hi sc o n n e c t e dw i t hp ct h r o u g hu s b i n t e r f a c eh a v eb e e ng r o w nu p ， a n dh a v ea l r e a d yb e g u nt os p r e a dm a s s i v e l y o nt h eo t h e rh a n d ，t h et e c h n o l o g yo ff i n g e r p r i n t i d e n t i f i c a t i o nb a s e do ne m b e d d e ds y s t e m ，e s p e c i a l l yd s ps y s t e m ，i sj u s tb e g u nn o to n l yo n d e v i s eo fh a r d w a r eb u ta l s o0 1 1a l g o r i t h ms o f t w a r e ，w h i l et h ea l g o r i t h mi np e r f e c t p e r f o r m a n c ei np cw o u l dn o tb es i m p l yt r a n s p l a n t e di n t od s ps y s t e m h o w e v e r , w i t ht h e d e v e l o p m e n to fam o b i l ec o m m u n i c a t i o na n dp o r t a b l ed e v i c e ，t h et e c h n o l o g yo ff i n g e r p r i n t i d e n t i f i c a t i o nw i l lb em o r eu s e di ne m b e d d e dd e v i c e s s o ，a u t of i n g e r p r i n ti d e n t i f i c a t i o n s y s t e mb a s eo nd s pp l a t f o r mi ss t u d i e d ，a n dw h i c hi si m p o r t a n tt ot h eu s ef i e l do fd s p , o f f l i n eu s eo ft h ef i n g e r p r i n ti d e n t i f i c a t i o n ，a n dt h ea d v a n c eo ff l e x i b i l i t ya n dr e a lt i m eo ft h e s y s t e m t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ed e v e l o p i n ga c t u a l i t y , d i f f i c u l t i e sa n dt h ed i r e c t i o no n f i n g e r p r i n t i d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g y , a n da n a l y s e st h ec o r r e l a t i o nt e c h n o l o g yo fc a p t u r e s y s t e mc o r ep r o c e s s o ri sd s pc h i pt m s 3 2 0 v c 5 4 0 9 m a d ei nt ic o m p a n y , f i n g e r p r i n ti m a g e c a p t u r i n gs y s t e mi sp r e s s u r ef i n g e r p r i n ts e n s o rb l p - 1 0 0m a d ei nb m pc o m p a n yi nj a p a n ， a n ds h a p i n gc i r c u i ta n dl o g i cc i r c u i ti sb c r - 1 0 0m a d ei nb m pc o m p a n y a f t e rt h es e l e c t i o n o fc h i pi sf i n i s h e da n db a s i cf u n c t i o n so fs e m i c o n d u c t o rf i n g e r p r i n ts e n s o ri ss t u d i e d ，t h e f i n g e r p r i n tc o l l e c t i o nc i r c u i tb o a r di s d e v i s e da c c o r d i n gt ob a s i ci n n e rc o n f i g u r a t i o no f f i n g e r p r i n ts e n s o r , a n df i n g e r p r i n tc o l l e c t i o nr e a l i z e d a n o t h e re m p h a s i so ft h i sp a p e ri sf o c u so nt h ea l g o r i t h mp r i n c i p l eo ft h ef i n g e r p r i n t i d e n t i f i c a t i o nb a s e do nc o n f i g u r a t i o na n dt h ef o l l o w i n gc o n s t i t u t i o np a r t s ：c a l c u l a t i n go ft h e f i n g e r p r i n tc e n t r ep o i n t ，s e c t o r i n g , n o r m a l i z i n g ，g a b o rf i l t e r i n g ，e x t r a c t i n g f e a t u r ea n d c o m p a r i n g a n da tl a s ti m p l e m e n t sj d e n t i f i c a t i o na l g o r i t h mo ft h i ss y s t e mw i t hm a t l a b 7 0 p r o g r a m t h i sp a p e rf i n i s h e sf e a s i b i l i t ye x p l o r i n go ft h ef i n g e r p r i n ti d e n t i f i c a t i o ns y s t e mb a s e d o nd s p , s i m u l a t i o nr e s u l t sc h e c k i n gt h ef e a s i b i l i t yo ft h es y s t e m k e yw o r d s ：f i n g e r p r i n ti d e n t i f i c a t i o n ；d s p ；g a b o rf i l t e r i n g ；e x t r a c t i n gf e a t h u r e s ；f i n g e r p r i n t c o m p a r i n g 2 长春理工大学硕士( 或博士) 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士( 或博士) 学位论文，基于d s p 的指纹识别 算法研究是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文 中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过 的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：蒸董丝望年l 月卫日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版 权使用规定 ，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕 士学位论文全文数据库和c n k i 系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学 位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印 或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：蒸壁竺1 2 年上月尘日 指导导师签名：年立月旦日 第一章绪论弟一早三百比 1 1 指纹识别理论的研究意义和应用价值 指纹识别作为个人身份验证的重要手段，对我们的社会来讲至关重要。在金融服 务、健康保险、电子商贸、通讯和政府等部门，身份验证每天都被数以千万次地进行 着。随着社会的进步和信息技术的飞速发展，需要个人身份验证的场合越来越多，指 纹识别由于其具有高度的稳定性和便捷特点，无疑是身份验证的最好方法，而提供一 种识别准确度高、识别速度快的指纹识别算法具有重要的意义和广泛的应用前景。 众所周知，密码是目前广为使用的“身份验证”的方法，但它本身的缺陷如：易 忘记、易被别人盗用等使其不能成为安全可靠的“身份验证 方法，而i c 卡等智能卡 也存在着类似问题。基于人的生物特征识别具有准确性高、特征稳定、使用安全等优 点，这些特征在人的一生中保持相当高的稳定性，不易伪造，适用于身份识别，成为 新型的“身份验证 的主要手段。主要的生物识别技术有人脸识别、指纹识别、手型 识别、虹膜识别、视网膜识别、声音识别、签名识别等等。相比较而言，指纹识别具 有准确性高、速度快、采集指纹方便、对指纹特性的认识较充分、获得法律认可、容 易被人们接收、市场份额大等优点，因此，指纹识别的研究和应用是当前生物识别领 域的热点问题。 计算机指纹自动识别产品的发展是信息化社会发展的必然。信息技术的不断进步 使得指纹识别技术逐渐走向成熟。而当今全球信息化、网络化的到来，使社会对信息 安全性的要求也越来越高，迫切需要智能化、数字化的新一代保安产品。现代化的指 纹识别系统顺应了这一历史潮流，具有登记、自动提取特征、保存数据、远程控制、 自动查询、统计、打印报表等等功能，并能够科学管理己存数据。以其方便性、快速 性、高度安全性和可靠性，达到其他系统所不能替代的作用。 自动指纹识别系统有着广泛的应用背景。除了传统的在法律公安上的应用，自动 指纹识别系统还可作为计算机确认用户的手段，以及访问网络资源的口令。另外，它 可用于银行a t m 卡和信用卡使用的确认，及各类智能i c 卡的双重确认；还可用于雇员 证明、海关身份鉴定、家用电子门锁等许多方面。此外，在现实生活中还有许多地方 可以使用指纹进行身份认证，如硬盘、准考证、驾照、身份证、i c 卡等，并且市场上 已经有相关的产品，如指纹硬盘已经面世，上海邮政绿卡可用指纹取款等。 由于指纹识别技术的诸多优点，可以预料，一方面指纹识别系统将会在一切需要 验证身份的场所发挥越来越多的重要作用，其应用领域将会进一步拓宽；另一方面， 由于市场的推动，指纹识别技术也会不断提高，在其识别可靠性、速度、成本等方面 进一步朝现代化迈进。 1 2 生物识别技术与指纹识别技术 网络与通信技术的飞速发展和人类物理与虚拟活动空间不断扩大，现代社会对于 人类自身身份识别的准确性、安全性与实用性提出更高要求。传统的身份识别方法已 经远远不能满足这种要求，人类必须寻求更为安全可靠、使用方便的身份识别“新 的途径。于是生物识别悄然兴起，并应运而生成为一种新的身份识别技术。 生物识别技术( b i o m e t r i ci d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g y ) 口1 是利用人体生物特 征进行身份认证的一种技术。生物特征是唯一的，可以测量或可自动识别和验证的生 理特性或行为方式，分为生理特征和行为特征。生物识别系统对生物特征进行取样， 提取其唯一的特征并且转化成数字代码，并进一步将这些代码组成特征模板，人们同 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人。 人类利用生物特征识别的历史可追溯到古埃及人通过测量人体各部位的尺寸来进 行身份鉴别，现代生物识别技术始于7 0 年代中期，由于早期的识别设备比较昂贵，因 而仅限于安全级别要求较高的原子能试验、生产基地等。现在由于微处理器( 特别是 d s p ) 及各种电子元件成本不断下降，精度逐渐提高，生物识别系统逐渐应用于商业上 的授权控制如：门禁、企业考勤管理系统等安全认证领域。 生物识别技术是目前最为方便与安全的技术，它不需要记住复杂的密码，也不需 要随身携带钥匙、智能卡之类的东西。生物识别技术认定的是人本身，没有什么能比 这种认证方式更安全、更方便了。由于每个人的生物特征具有与其他人不同的唯一性 和在一定时期内不变的稳定性，不易伪造和假冒，所以利用生物识别技术进行身份认 定，安全、可靠、准确。此外，生物识别技术产品均借助于现代计算机技术实现，很 容易配合电脑和安全、监控、管理系统整合，实现自动化管理。 人的生物特征分为身体特征和行为特点两类。身体特征包括：指纹、掌型、眼睛 ( 视网膜和虹膜) 、人体气味、脸型、皮肤毛孔、手腕手的血管纹理和d n a 等；行为 特点包括：签名、语音、行走的步态、击打键盘的力度等。根据生物识别技术采用的 生物特征的不同，广泛应用的生物特征识别技术可以被分成三类：高级生物识别技术 ( h i g hb i o m e t r i c s ) ，如：视网膜、虹膜和指纹；次级生物识别技术( l e s s e r b i o m e t r i c s ) ，如：掌型识别、脸型识别、语音识别、签名识别，第三类是“深奥的” 生物识别( e s o t e r i cb i o m e t r i c s ) ，如：血管纹理识别、人体气味识别等。在这些众 多的特征识别中，指纹识别是最为成熟、应用最广泛的生物识别技术。 相对于其它身份鉴别技术，指纹以下7 个方面的特性使其成为身份识别技术的首 选卧 9 】： 1 、普遍性：即所有个人都具有生物特征； 2 、唯一性：即世界上两个指纹完全相同的概率小于1 0 。9 ； 2 3 、永久性：即终生不变性； 4 、可采集性：即可以通过一定的设备和手段采集到； 5 、可行性：即在对资源、环境、操作等条件要求不苛刻的条件下可以达到合理的 准确率、速度和鲁棒性； 6 、可接受性：即人们愿意接受这一方式； 7 、防伪性好：与帐号+ 密码、i c 卡等传统的身份识别手段相比。 自动指纹识别技术具有不会丢失、不会遗忘、唯一性、不变性、防伪性好以及使 用方便等突出优点，采用这种技术，可以将人的身份和其指纹严格的对应起来。 1 3 指纹识别技术的研究现状 指纹识别是生物识别技术中最早应用、技术最为成熟、价格最低廉的分支。目前 的指纹自动识别系统是采用的光电识别办法采集一个指纹信息，并把它变成可以和计 算机处理过的暗码相比对的代码。这些代码都经过加密处理，然后经独特的相关算法 进行识别判断，在算法上有的采用一个指纹的全部图案，而有的采用指纹的特殊细节。 根据已掌握的报道资料来看，目前的自动指纹识别系统已具有如下特点n 们1 临1 ： 可靠性：采用独特的容错技术，既使指纹有破坏，即指纹不全或指纹随时间有自 然的变化时也不影响正确识别。 快捷性：大多数系统鉴别时间仅需卜3 s ，登录注册一个新客户只需1 分钟的时间。 灵活性：一个指纹信息的代码可以压缩到几十个字节到几百个字节，因此可以存 放在一个磁条上或者一张二维条码卡上或者i c 卡上，甚至几个指纹代码可以存在一张 智能卡上。当然，成千上万的代码可以存放在本地或网络化数据库中，这样，代码可 经网络迅速传输。因而可以灵活的构成多种系统，即可以独立使用或集成到一个大范 围的出入口控制或者安全管理系统，如证卡存档识别系统中。 可接受性：一个因素是目前的系统具有高性能；另一个因素是目前的系统设计己 考虑到人类工程学设计，因而易被多数用户接受。 安全性：所有个人代码都经过了特殊加密。通过所存储的代码不可能复原源指纹， 彻底避免了指纹冒用。因此，即使证卡丢失，也不存在安全问题。 方便性：目前出现的各类指纹识别系统一般外观设计精巧、结实，采用了精密独 特的光电系统，具有全程液晶提示，备有多种安装模式。 兼容性：可以与现有的各类系统兼容，可实现全自动化的识别。 实时性：可实现完整的跟踪、实时报警功能。 正是由于目前己经开发出了具有如上特点的自动指纹识别系统，因此，以此为基 础的个人识别技术，即证卡、代码、指纹的综合动态模式组合，将可以对不同的应用 场所提供不同的安全等级。 迄今为止，自动指纹识别技术的研究虽然已经取得了很大的成绩，但是同时也面 3 临一些问题。影响指纹识别率的因素有噪声、变形等，例如脏手指、干手指或疤痕等 导致的不同时期、不同季节间指纹的差异；芯片表面残留所带来的噪声；手指按压过 程中的扭转、拉伸和按压力度等因素会使指纹产生变形。这些都会影响指纹质量，使 多次录入的同一手指的指纹不能被指纹识别系统辨识，这样给指纹识别带来困难，直 接导致识别错误。随着晶体半导体指纹录入芯片的诞生，使得指纹识别技术从单一的 司法应用扩展到民用。为了降低成本，指纹芯片的面积做得尽可能小，这样由于指纹 多次按压不同，导致同一指纹的重叠区域有时会很小。传统的基于细节点的指纹识别 算法只利用了指纹图像中的一小部分信息( 细节点) ，丢失了丰富的结构信息，对于小 面积指纹图像就有可能因为缺乏足够的信息而影响识别率。而且细节点的提取过程中， 由于噪声的影响，很容易产生虚假细节点和丢失真正的细节点，在指纹的受损区域， 这种现象更为突出。另外，由于每个指纹的细节点数都不同，导致产生出的特征向量 长度不同，不利于快速匹配( 主要指数据库搜索) 。此外，特征匹配时，细节点的相对 位置随指纹的弹性变形而改变，会影响匹配精度。 1 4 本文的主要内容与研究方法 本文第一章简要分析了指纹识别技术的研究意义、研究现状和主要应用范围。 第二章简要介绍了指纹识别技术的基本原理，描述了指纹图像处理的一般流程。 第三章研究了基于d s p 的各模块的实现 主要介绍整个系统硬件平台的构成，详细讲述了本系统所选的t i 公司的 t m s 3 2 0 v c 5 4 0 9d s p 芯片的主要特点和系统中各个模块的硬件电路和软件流程的实现， 对各个模块中尚存在的问题提出观点和改进的方案。 第四章对指纹图像预处理过程中的各种算法进行了详细研究与分析，详细描述了 适合本系统的基于结构的指纹识别算法，研究了适用于指纹识别的g a b o r 滤波器参数 以及指纹特征在圆形网格的表示。 第五章利用第四章的研究理论，利用m a t l a b 进行编程仿真实验，由实验结果分析 指纹图像处理算法的可行性。 4 第二章指纹识别系统基本原理 2 1 指纹识别的基本原理 2 1 1 指纹的特征 一般地，指纹识别算法最终归结为在指纹图像上找到并比对指纹的特征。指纹的 特征定义了指纹的两类特征以进行指纹的验证：总体特征和局部特征点n 6 1 。 l 、总体特征 总体特征是指那些用人眼直接就可以观察到的特征，包括以下几方面： 基本纹路图案。 基本纹路图案包括环型( l o o p ) 弓型( a r c h ) 和螺旋型( w h 0 1 ) 。其他的指纹图案 都基于这3 种基本图案。仅依靠图案类型来分辨指纹是远远不够的，这只是一个粗略 的分类，但通过分类使得在大数据库中搜寻指纹更为方便。 模式区( p a t t e r na r e a ) 。 模式区是指指纹上包括了总体特征的区域，即从模式区就能够分辨出指纹是属于 那一种类型的。有的指纹识别算法只使用模式区的数据。a e t e x 的指纹识别算法使用了 所取得的完整指纹而不仅是模式区进行分析和识别。 核心点( c o r ep o i n t ) 。 核心点位于指纹纹路的渐近中心，它用于读取指纹和比对指纹时的参考点。 三角点( d e l t a ) 。 三角点位于从核心点开始的第一个分叉点或者断点、或者两条纹路会聚处、孤立 点、折转处，或者指向这些奇异点。三角点提供了指纹纹路的计数和跟踪的开始之处。 式样线( t y p el i n e s ) 。 式样线是指包围模式区的纹路线开始平行的地方所出现的交叉纹路，式样线通常 很短就中断了，但它的外侧线开始连续延伸。 纹数( r i d g ec o u n t ) 。 纹数是指模式区内指纹纹路的数量。在计算指纹的纹数时，一般先连接核心点和 三角点，这条连线与指纹纹路相交的数量即可认为是指纹的纹数。 2 、局部特征 局部特征是指指纹上的节点。两枚指纹经常会具有相同的总体特征，但它们的局 部特征节点却不可能完全相同。节点( m i n u t i ap o i n t s ) 指纹纹路并不是连续的、平 滑笔直的，而是经常出现中断、分叉或打折。这些断点、分叉点和转折点就称为特征 点。 5 分类节点有以下几种类型，最典型的是终结点和分叉点。 终结点( e n d i n g ) ：一条纹路在此终结。 分叉点( b i f u r c a t i o n ) ：一条纹路在此分开成为两条或更多的纹路。 分歧点( r i d g ed i v e r g e n c e ) ：两条平行的纹路在此分开。 孤立点( d o to ri s l a n d ) ：一条特别短的纹路，以至于成为一点。 环点( e n c l o s u r e ) ：一条纹路分开成为两条之后，立即又合并成为一条，这样形 成的一个小环称为环点。 短纹( s h o r tr i d g e ) ：一端较短但不至于成为一点的纹路。 方向( o r i e n t a t i o n ) ：每个节点都有一定的方向。 曲率( c u r v a t u r e ) = 描述纹路方向改变的速度。 位置( p o s i t i o n ) ：节点的位置通过( x ，y ) 坐标来描述，可以是绝对的，也可以 是相对于三角点或特征点的。 2 1 2 指纹识别的可靠性 在对指纹信息进行处理时，由于只是涉及了指纹的一些有限的信息，而且比对算 法并不是精确匹配，其结果也不能保证1 0 0 准确。拒识率和误识率n 刀n 朝是衡量一个指 纹识别系统好坏与否的重要指标。拒识率f r r ( f a l s er e j e c tr a t e ) ，即将相同的指纹 误认为不同的出错概率；误识率f a r ( f a l s ea c c e p tr a t e ) ，即将不同的指纹误认为相 同的出错概率。f r r 和f a r 是相互矛盾的，这就使得在应用系统的设计中，要权衡易用 性和安全性，在不损失易用性的同时，极大地提高系统的安全性。 2 1 3 验证和辩识 指纹识别应用系统可以分两类n9 l ：即验证( v e r i f i c a t i o n ) 和辨识 ( i d e n t i f i c a t i o n ) 。验证就是通过把一个现场采集到的指纹与一个已经登记的指纹进 行一对一的比对( o n t - t o - o n em a t c h i n g ) ，来确认身份的过程。辨识则是把现场采集 到的指纹同指纹数据库中的指纹逐一对比，从中找出与现场指纹相匹配的指纹。在本 系统中两种类型同时存在。例如在进行指纹注册时，每个人需要依次输入三个相同的 指纹，系统对这三个指纹相互进行注册时，每个人需要依次输入三个相同的指纹，系 统对这三个指纹相互进行验证，如均为同一个指纹则系统选出效果最佳的指纹并将其 注册在指纹库中，这就是验证；而在进行指纹匹配时，系统需要在指纹库众多的指纹 数据中逐一进行匹配，最后辨识出输入的指纹与指纹库中的某个数据相一致，这就是 辨识。总而言之，验证其实就是回答了这样一个问题：“他是自称的这个人吗? ”；而 辨识其实就是回答了这样一个问题：“他是谁? 。 6 2 2 指纹识别系统的构成 指纹识别技术主要涉及4 个功能咖h 2 3 1 ：读取指纹图像及预处理、提取特征、保存 数据和比对。首先，通过指纹读取设备读取到人体指纹的图像，取到指纹图像之后， 要对原始图像进行初步的处理，使之更清晰。接下来，指纹辨识软件建立指纹的数学 表示特征数据，这是一种单方向的转换，即可以从指纹转换成特征数据但不能从特征 数据转换成为指纹，而两枚不同的指纹不会产生相同的特征数据。软件从指纹上找到 被称为“m i n u t i a 的数据点，也就是那些指纹纹路的分叉、终止的坐标位置，这些点 同时具有7 种以上的唯一性特征。因为通常手指上平均具有7 0 个节点，所以这种方法 会产生大约4 9 0 个数据。有的算法把节点和方向信息组合产生了更多的数据，这些方 向信息表明了各个节点之间的关系，也有的算法还处理整幅指纹图像。总之，这些数 据，通常称为模板，保存为1 k b 大小的记录。无论它们是怎样组成的，至今仍然没有 一种模板的标准，也没有一种公布的抽象算法，各厂商自行其是。最后，能过计算机 模糊比较的方法，把两个指纹的模板进行比较，计算出它们的相似程度，最终得到两 个指纹的匹配结果。 2 2 1 指纹图像预处理 在指纹自动识别系统中，指纹图像的预处理是正确地进行特征提取、匹配等操作 的基础。在指纹图像采集过程中，由于表面皮肤特性、采集条件以及成像传感器特征 差异等各种原因的影响，采集的指纹图像是一幅含多种不同程度噪声干扰的灰度图像， 指纹脊线可能被断开、桥接或模糊等，这种噪化的指纹脊线结构严重地影响着指纹识 别系统的性能。预处理的目的就是利用信号处理技术去除图像中的各种噪声干扰，把 它变成一幅清晰的指纹图像，恢复指纹的脊线结构，以便提取正确的指纹特征业制。因 此，预处理性能的好坏直接影响着指纹识别的效果。指纹预处理的一般过程是，首先 提取出指纹的方向图，然后基于此方向图，做灰度图像的滤波，从而使二值化、细化、 细节提取以及比对等后续的处理过程更加准确有效。 2 2 2 指纹特征提取 目前，绝大多数指纹识别系统都采用指纹的端点和叉点等结构特征作为匹配的元 素，特征提取算法对已经细化后的二值图像进行，由于提取的特征可能包括伪特征， 而伪特征对指纹的匹配影响非常大，所以在进行最后的特征匹配前，一般要先除去伪 特征点。 7 2 2 3 指纹特征匹配 指纹图像经过预处理及特征抽取后消除了大量的冗余信息，得到了表特征指纹本 身特征的真实特征数据。特征匹配就是利用两幅指纹图像的特征数据进行比较的过程 口5 1 。匹配算法的好坏影响着指纹识别系统的性能。目前，匹配算法研究的主流是基于 结构特征的算法。对于要辨识的指纹则根据具体情况的不同采用两种模式：一对一和 一对多。在一对一的模式下，特征匹配是将实时在线提取的用户指纹数据同系统数据 库中需要精细匹配的数据模板进行比较，对其判断是否出自同一个手指。在一对多模 式下，由于用户的特征模板未确定，还需进行数据库的查询、比较。对于身份识别系 统来说，由于需要在大量数据中寻找匹配，因此速度将是一个值得考虑的因素。 在整个指纹自动识别系统中，预处理和特征提取是两个关键步骤，直接关系到识 别结果的好坏。 8 第三章基于d s p 的指纹识别系统的硬件设计 指纹识别应用系统的实现常见有两种方法：连接p c 的桌面应用系统和嵌入式系统。 连接p c 桌面应用系统具有灵活的系统结构，并且可以多个系统共享指纹识别设备，可 以建立大型的数据库应用。但由于需要连接计算机才能完成指纹识别的功能，因此限 制了这种系统在许多方面的应用。嵌入式系统是一个相对独立的完整系统，它不需要 连接其他设备或计算机就可以独立完成其设计的功能啪1 。例如指纹门禁系统和指纹考 勤机就是嵌入式系统。这种系统具有速度快、体积小、接口多、价格低、保密性强等 优点被应用在各种领域。本系统就是一个典型的嵌入式系统，其主要由指纹传感器、 整形及逻辑电路、d s p 、随机存储器、快闪存储器、接口电路等几部分构成，其硬件总 体结构如图3 - i 所示： 图3 1 指纹识别系统硬件结构框图 在图3 - i 中，d s p 作为整个系统核心，用于控制指纹数据的读入、指纹识别的运算、 工作状态的显示、键盘输入的响应、计算机通信等内容。指纹传感器及整形逻辑电路 用于把指纹图形数据变成适合于d s p 输入的信号，随机存储器用于存储指纹数据及识 别运算时使用，快闪存储器用于存储比对样本，液晶显示部分用于系统的状态及识别 结果的显示，键盘部分用于设定系统运行参数和状态的设定。 系统核心处理器采用t i 公司的t m s 3 2 0 v c 5 4 0 9d s p 芯片，指纹图像采集设备是日 本b m f 公司的b l p - 1 0 0 压力指纹传感器，整形及逻辑电路采用b m f 公司的b c t 一1 0 0 。下 面对各模块在系统中的功能做进一步的说明。 9 3 1d s p 芯片 3 1 1d s p 概述 d s p 乜7 h 3 2 1 是英文d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r 的缩写，即数字信号处理器。d s p 芯 片专门用于完成各种实时数字信息的处理，它是在数字信号处理的各种理论和算法的 基础上发展起来的。2 0 世纪6 0 7 0 年代是数字信号处理技术的理论研究阶段。2 0 世纪 8 0 年代，随着微电子技术的发展而出现d s p 器件。这些器件的出现，使得各种数字信 号处理的算法得以实现。d s p 器件不仅使数字信号处理从仅限于理论研究推广到实际应 用，而且拓宽到系统控制领域，从而产生一大批新型的电子产品。 面对d s p 的巨大市场和广阔发展前景，世界上最大的几个半导体公司都在展开竞 争。女口美国t i ，a d i ，l u c e n tt e c h n o l o g i e sm i c r o e l e c t r o n i c s ，m o t o r o l a ，s i e m e n s s e m i c o n d u c c t o r 等公司都在全力开发和生产d s p 器件。 数字信号处理的基础是数字计算机和算法。由于早期的计算机速度较慢，信号处 理很繁琐，只能作非在线处理。随着计算机速度的提高，特别是d s p 器件的发展，其 性能可以满足数字信号实时在线的处理要求，从而获得了广泛的应用。 数字信号处理只有5 0 年的历史，2 0 世纪5 0 6 0 年代，在通用计算机上进行算法的 研究和处理系统的模拟与仿真。受速度、成本和体积的限制，信号处理基本上都是模 拟的方法。7 0 年代，经典的数字滤波和频谱分析等都是在通用计算机上进行。8 0 年代， 现代的d s p 器件采用哈佛结构，即将程序指令与数据的存储空间分开，各自有自己的 地址与数据总线，以及采用硬件乘法器、流水线、并行指令等。自从美国i n t e l 公司 在2 0 世纪7 0 年代推出世界上第一块d s p 芯片以来，d s p 已经过几代开发并发展了许多 系列的产品。 随着微电子技术的迅速发展，d s p 的性能已经比第一代产品有很大的提高。 最新的d s p 具有如下的特点： 在单个指令周期内完成多个乘加运算； 速度达到9 0 0 0 m i p s 的定点和浮点运算； 指令中有循环寻址、位倒序等指令； 每秒数百兆字节的数据吞吐速率； 并行性； 多处理器结构； 片上设置仿真模块或者仿真调试接口； 低功耗； 可集成； 开发环境及支持软件迅速发展和不断完善。 l o 美国t i 公司( 德州仪器公司) 的d s p 产量最大，占全世界d s p 器件总产量的5 0 ， 品种也最多。1 9 8 2 年t i 公司推出t m s 3 2 0 系列中的第一个定点型的d s p 。现在t m s 3 2 0 系列由定点型、浮点型和多处理器型组成。产品包括：c l x ，c h ，c 2 x x ，c 5 x ，c 6 x 定点 型d s p ；c h 和c 6 x 浮点型；c 8 x 多处理器型d s p ，t m s 3 2 0 的结构是为了实现信号的实时 处理而专门设计的。 3 1 2t m s 3 2 0 v c 5 4 0 9 芯片 d s p 处理器是专门设计用来进行高速数字信号处理的微处理器。t m s 3 2 0 v c 5 4 0 9 是 1 6 位定点d s p ，主要特点如下：运算速度快，i o o m i p s 优化的c p u 结构。内部有1 个 4 0 位的算术逻辑单元，2 个4 0 位的累加器，2 个4 0 位加法器，1 个1 7 1 7 的乘法器 和1 个4 0 位的桶形移位器。采用改进的哈佛结构，有一组程序总线和三组数据总线， 两个地址产生器，高度并行的算术逻辑单元a l u ，专用硬件逻辑。智能外设，扩展方便。 两个软件控制通用i o 引脚：b i o 和x f e b i o 是分支转移控制输入端口，主要用于监控 外围设备的运行状态。x f 是外部标志输出端口，主要用于程序向外设传输标志信息。 片内有3 2 k 双访问r a m ，支持6 4 k 1 6 位的数据空间，8 m 1 6 位的程序空间和6 4 k 1 6 位的i o 空间。i 0 操作是通过外部数据地址总线i o 读写控制引脚i s ，i o s t r b ，r w 配合实现的。除了标准的串行口和时分多通道带缓冲器串口( t d m ) 外，还提供了带 缓冲器单通道同步串口b s p ( a u t o b u f f e r e ds e r i a lp o r t ) ，并行带缓冲器多通道同步 串口m c b s p ( m u l t i c h a n n e lb u f f e r e ds e r i a lp o r t ) 和与外部处理器通h p i ( h o s tp o r t i n t e rf a c e ) 接口。 端口工作电压3 3 v ，内核工作电压1 8 v 。有三种低功耗方式i d l e l ，i d l e 2 和i d l e 3 。 t m s 3 2 0 v c 5 4 0 9d s p 有着良好的性价比，其工作性能可以满足本指纹鉴定系统的要求， 它的结构框图如图3 2 所示： 图3 2t m s 3 2 0 v c 5 4 0 9 结构框图 t m s 3 2 0 v c 5 4 0 9 是t i 公司生产的面向通信等嵌入式应用的d s p 芯片，该芯片的主要 资源和性能如下： 工作电压：3 3 v ( 内核2 5 v ) 片内r a m ：6 4 kb y t e r o m ：6 kb y t e 串行口：3 定时器：1 主机接口功能 指令周期：i 0n s 封装：1 4 4 p i nt q p f t m s 3 2 0 v c 5 4 0 9 芯片引脚图如图3 - 3 所示： 1 2 厂 兰宝! i 曼墨量童篓苎至譬圣墨耋至曼耋三- 二墨鍪圣圣兰兰三三兰兰兰兰兰三主墨 ，o e ； ：c ? 3c g e i + c 4 e 3 7 ，c ： i c c c t 3 ， ：， ，js ； ，：喜 14 ；： 1 7： 5 ， 喜 喜 ：)e ：f ： 7 ：3s ：毒e j ：e 4 ： e3 ： ： ： e 1 ： e ；) ? ：7 ： ” 硌 7 i 7 ； 3 _ 4 筠 缸霭鬓霹i 留? 等旨雩；臂雩霉s 雾麓薄露霁警纂雾8 ；馨叠葛容器毛磐器雳鬈 7 3 e u 0 0 j 冀薹囊譬薹薹垂薹蒌委萎差薹善隧害薹囊囊蓍薹墨薹囊鹾羹陵壤慝彦巨害囊害主霎 图3 - 3t m s 3 2 0 v c 5 4 0 9 管脚图 实际系统中，我们为d s p 扩展了6 4 k 的s r a m cy 7 c 1 0 2 1 ，但因d s p 最多支持外部扩 展3 2 k 数据空间( 存储器分配见图3 - 4 ) ，因此由d s p 通过c p l d 中的逻辑电路来控制 s r a m 的a 1 5 地址线的电平，从而决定在同一时间是选择s r a m 的高地址段3 2 k 存储空间 还是低地址段3 2 k 存储空间，这样就在符合d s p 的外扩数据空间要求的基础上又增加 了宝贵的数据存储空间。 配置e e p r o ms s t 2 9 e e o i o 以满足d s p 的b o o t l o a d e r 的需要。系统调试期间，程序 通过d s p 的j t a g 下载到d s p 的片内r a m ，调试成功后，将程序和有关数据信息烧入 e e p r o m 。系统上电后，d s p 首先执行b o o t l o a d e r 程序，将d s p 片外e e p r o m 中的程序 装载到d s p 片内的r a m 中高速执行。这样，系统就完全脱机工作了，不仅可以降低应 用系统的硬件成本( 一般r o m 的价格随存取速度的增加呈指数增加) ，而且可以提高系 统的整体抗干扰性能。d s p 的低八位数据线和传感器的八根数据线直接接口，地址线与 c y 7 c 1 0 2 1 和s s t 2 9 e e o i o 的地址线接口，各按键通过i n t x 引脚向d s p 发送中断请求， 并由d s p 通过c p l d 中的逻辑电路控制各芯片的读写以及控制引脚，使整个系统协调一 致地工作。 1 3 苎 汀 魄 硼 8 c s 目o s；r=j 曙吁魄俘5睥3 2，o季班，呱雕也堍燧例弼d讯椭辑犏阱嚣一峨一一m联w飞聪 ，眩嘴洲洲嗍慨镪瓣酬 h h _ ) 0 0 d b 【i e 般毒；m师雅m川m隅弼1鐾焉嚣匹孵一一瓣肛蕊砸一甄一|薹一 3 1 3t i 公司的开发工具 可编程d s p 芯片的开发需要一整套完整的软、硬件开发工具。通常d s p 芯片的开 发工具可分为代码生成工具和代码调试工具两大类。 代码生成工具的作用是将用c 语言、汇编语言或者两者的混和语言编写的d s p 程 序编译、汇编并连接成为可执行的d s p 程序，主要包括：c 编译器、汇编器和连接器。 此外，还有一些辅助工具程序，如文件格式转换程序、库生成和文档管理程序等。 代码调试工具的作用则是对d s p 程序及系统进行调试，使之能够达到设计目的。 t m s 3 2 0 系列d s p 芯片的系统集成和调试工具主要有：c 汇编语言源码调试器、初学者 工具d s k 、软件模拟器( s i m u l a t o r ) 、评价模块e v m 、软件开发系统s w d s 和仿真器x d s 等。 1 9 9