（光学工程专业论文）多生物特征信息嵌入式采集系统研究.pdf

中文摘要 基于生物特征识别技术的身份认证方法已成为信息安全领域研究的热点之 一。单一的生物特征识别方式普适性较差，且生物特征信息的类间相似性和类 内差异性较高，而将多种生物特征相结合来进行身份鉴别可以极大提高识别的 适用性、可靠性和防伪性，有效的解决上述问题，因此成为信息安全领域新的 发展趋势。 本文提出了将指纹识别、虹膜识别和手背静脉识别三种技术相结合，以嵌 入式系统为实现平台的多生物特征识别解决方案。设计了以数字信号处理器 ( d s p ) 和现场可编程门阵列( f p g a ) 为核心的指纹、虹膜和手背静脉特征信 息联合或单独采集系统，并完成了系统的硬件与软件开发。本文的主要工作包 括： 设计了系统的整体结构：d s p 为主处理器，f p g a 为协处理器，以固态电 容式传感器和c m o s 图像传感器作为信息采集设备。在实验室现有的d s p 核 心板的基础上，根据系统的需求开发了f p g a 高速采集板，完成了功能模块的 设计、阻抗分析及层叠与布线设计，并实现了与d s p 核心板的互连。研究了图 像采集设备与d s p 和f p g a 的接口方式，分别开发了用于采集指纹、虹膜和手 背静脉的采集子板。 完成了采集系统的软件设计，包括系统的工作流程，传感器的配置，信息 采集的控制等。采用d s p 作为主处理器，实现了指纹、虹膜和手背静脉信息的 采集与存储。以f p g a 为协处理器，实现了采集方式的管理和数据通道的控制。 对系统的管理方式进行了研究，利用e m i f 总线和g p i o 接口实现d s p 与f p g a 的数据交互及对外部存储设备的管理。 设计了系统的机械结构，并进行了三种生物特征信息联合采集或单独采集 实验，采集到的生物特征信息可以满足图像处理算法的要求。 关键词：d s p ，f p g a ，多生物特征识别，图像采集，高速电路设计 a b s t r a c t p e r s o n a li d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g yb a s e do nb i o m e t r i ci sah o tr e s e a r c ht o p i ci n i n f o r m a t i o ns e c u r i t yd o m a i na tp r e s e n t s i n g l eb i o m e t r i cm e t h o di sl e s su n i v e r s a l ， a n dt h ei n t e r - c l a s ss i m i l a r i t ya n dt h ec l a s sd i f f e r e n c e so fb i o m e t r i ci n f o r m a t i o na r e o b v i o u s l y i t c a nb e g r e a t l yi m p r o v e dt h a tt h ea p p l i c a b i l i t y ，r e l i a b i l i t ya n d a n t i f a l s i f i c a t i o no fa u t h e n t i c a t i o n b y i d e n t i f i c a t i o n t e c h n o l o g y b a s e do n m u l t i b i o m e t r i c ，w h i c hs o l v e st h ep r o b l e m sa b o v ee f f e c t i v e l y t h em u l t i b i o m e t r i c t e c h n o l o g yi sad e v e l o p m e n tt r e n di ni n f o r m a t i o ns e c u r i t yd o m a i n t h i sp a p e rp r o p o s e sas o l u t i o no fm u l t i b i o m e t r i cw h i c hb a s e so ne m b e d d e d s y s t e m ，a n dc o m b i n e st h r e et e c h n o l o g i e s - f i n g e r p r i n tr e c o g n i t i o n ，i r i sr e c o g n i t i o n ， h a n dv e i nr e c o g n i t i o n t h ee m b e d d e dm u l t i - b i o m e t r i cs y s t e mb a s e do nd s p ( d i g i t a l s i g n a lp r o c e s s o r ) a n df p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) i sd e s i g n e d ，a n dt h e m u l t i - b i o m e t r i cc a nb ej o i n t l yo rs e p a r a t e l yc o l l e c t e d t h eh a r d w a r ea n dt h es o f t w a r e o ft h es y s t e ma r ed e v e l o p e d n i sp a p e ri n c l u d e st h ef o l l o w i n g ： r e s e a r c ho nt h es y s t e ms c h e m e t h a ti n c l u d e sd s pa st h em a s t e rp r o c e s s o ra n d f p g aa st h ec o p r o c e s s o r s o l i ds t a t ef i n g e r p r i n ts e n s o ra n dc m o si m a g es e n s o r s a r eu s e dt oc a p t u r et h eb i o m e t r i ci n f o r m a t i o n a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to ft h e s y s t e m ，t h ef p g ac o r eb o a r di sd e v e l o p e d i ti sd e t e r m i n e dt h a tt h ef u n c t i o n a l m o d u l e ，c h a r a c t e r i s t i ci m p e d a n c e ，d e l a m i n a t i o na n dt h em e t h o da b o u tc o n n e c t i o nt o d s pc o r eb o a r do ft h es y s t e m 1 1 1 e c a p t u r ed a u g h t e rb o a r d su s e df o rf i n g e r p r i n t r e c o g n i t i o n ，i r i sr e c o g n i t i o na n dh a n dv e i nr e c o g n i t i o ni sd e v e l o p e db a s e do n r e s e a r c ho f t h es e n s o r s i n t e r f a c em o d et od s pa n df p g a d e t a i l so nt h es o f t w a r eo ft h ea c q u i s i t i o ns y s t e m ：t h ef l o wo fw o r k , t h e p a r a m e t e rs e t t i n go fs e n s o r sa n dt h ec o n t r o lo fi n f o r m a t i o na c q u i s i t i o n d s pi su s e d f o rt h ec a p t u r ea n ds t o r a g eo ff i n g e r p r i n t , i r i sa n dh a n dv e i n ，a n df p g af o rm a n a g e o fi n f o r m a t i o na c q u i s i t i o na n dd a t ac h a n n e l s t h ed a t at r a n s m i s s i o nb e t w e e nd s p a n df p g ai sc o n t r o l l e db ye m i fb u sa n dg p i o i ti sd e t e r m i n e dt h a tt h em e t h o do f p e r i p h e r a le q u i p m e n tm a n a g e m e n t i ti sd e s i g n e dt h a tm e c h a n i c a ls t r u c t u r eo ft h e s y s t e m f o rt h eb i o m e t r i c a c q u i s i t i o n 1 1 1 ed a t ao fm u l t i - b i o m e t r i ci n c l u d e df i n g e r p r i n t ，i r i s ，h a n dv e i nj o i n to r s e p a r a t ea c q u i s i t i o ne x p e r i m e n tm e e t st h er e q u i r e m e n t s o fi m a g ep r o c e s s i n g a l g o r i t h m s k e yw o r d s ：d s p , f p g a ，m u l t i b i o m e t r i c ，i m a g ea c q u i s i t i o n ，h i g h s p e e d c i r c u i td e s i g n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞洼太堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：蒂蓠铲 签字日期： 一量口p f 年爨月，尸日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叁鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期：2 0 0 甲年明，f ，日 一名：纸格 n 导师签名：i 彳儇彳沙 签字日期：o 鲫降暑月咿日 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着网络与通信技术的飞速发展和人类物理与虚拟活动空间的不断扩大， 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。身 份识别是人们日常生活中经常遇到的一个基本问题，生活中几乎每时每刻都需 要鉴别别人的身份，证明自己的身份，而传统的身份识别方法主要基于身份标 识物品和身份标识知识，身份标识物品如钥匙、证件、自动取款机的银行卡等， 身份标识知识包括用户名、密码等。在一些安全性要求严格的系统中，往往将 这两者结合起来，如自动取款机要求用户同时提供银行卡和密码。但标识物品 容易丢失或被伪造，标识知识容易遗忘或记错，更为严重的是传统身份识别系 统往往无法区分标识物品真正的拥有者和取得标识物品的冒充者，一旦他人获 得标识物品，就可以拥有相同的权力，其带来的隐患一直难以解决；后来又发 展了数码证书和智能卡等，效果也不尽如人意。因而，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 新途径。由于人的身体特征具有不可复制性、唯一性和稳定性的特点，从而， 以人自身的生物特征进行识别的生物识别技术开始兴起i 心3 】。 生物特征识别技术就是通过计算机与各种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性和行为特征，来进行个人身份的鉴 定。生理特征与生俱来，多为先天性的；行为特征则是习惯使然，多为后天性 的。将生理和行为特征统称为生物特征。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： 第一，普遍性：即必须每个人都具备这种特征。 第二，唯一性：即任何两个人的特征是不一样的。 第三，可测量性：即生物特征可测量。 第四，稳定性：即生物特征在一段时间内不改变。 当然，在应用过程中，还要考虑其他的实际因素，比如：识别精度、识别 速度、对人体无伤害、被识别者的接受性等等。目前用于身份识别的生理特征 主要有指纹、脸像、虹膜、掌纹、静脉、手形、视网膜等特征，这些特征来自 人体不同器官，和人体器官的物理特性直接相关，并且其特征主要决定于先天 天津大学硕士学位论文第一章绪论 因素。行为特征主要有签名、语音、步态、击键等特征，它们更多的决定于后 天因素。但是无论是生理特征还是行为特征，都和人本身密不可分，因此生物 特征识别的标识是人身内之物，而非身外之物。与传统的身份识别技术相比， 生物特征具有不易遗忘或丢失、防伪性能好、随身“携带”、随时随地可用等优 点，是目前最有前途的身份识别方法。由于反恐、刑侦、网络和金融等多方面 的安全需要，生物特征识别技术的研究和应用近年来得到了前所未有的重视。 生物特征识别技术是基于个人独特的生理和行为特征进行自动身份验证的 技术，不但在学术上有极大的研究价值，而且有着极广泛的应用领域，为信息 化社会日益增长的保密和安全需求提供了很好的解决方案。近年来，其研究成 果和应用产品的数量直线上升。逐渐应用于政府、企业和金融等领域。在不断 增长的生物特征识别技术市场中，基于各种生物特征的识别产品不断涌现。国 际生物特征组织( i b g ：i n t e r n a t i o n a lb i o m e t r i cg r o u p ) 对生物特征识别技术做了 较详细的市场分析和预测，产业预测结果表明整个生物特征识别市场会继续增 长，并将保持每年1 3 以上的增长速度，到2 0 0 9 年整个生物认证市场的总量 将达到4 6 亿美元【4 】。我国人口众多，流动性强，生物特征识别拥有巨大的市场 潜力，同时我国生物特征识别产业相对国际生物特征识别产业具有后发性，因 而中国生物特征识别产业在未来的增长速度将高于全球生物特征识别产业的平 均增长速度。 1 2 生物特征识别技术研究现状 1 2 1 指纹识别技术的基本原理与发展现状 指纹是指人的手指末端正面皮肤上凸凹不平产生的纹线。纹线有规律的排 列形成不同的纹型。纹线的起点、终点、结合点和分又点，称为指纹的细节特 征点| 5j 。指纹识别就是通过比对指纹的细节特征点来进行鉴别。由于指纹具有 终身不变性、惟一性和方便性，已几乎成为生物特征识别的代名词。 其实，我国古代早就利用指纹手印画押来证明个人身份。随着计算机技术 的发展，美国联邦调查局( f b i ) 和法国巴黎警察局于上世纪6 0 年代开始研究 开发自动指纹辨认系统( a u t o m a t i cf 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 m ) ，简称a f i s ， 用于刑事侦破。上世纪9 0 年代，用于个人身份认证的自动指纹识别系统得到开 发和应用【6 j 。自动指纹识别系统通过采集设备和计算机图像处理技术，对指纹 进行采集、分析和比对，可以自动、迅速、准确地鉴别出个人身份。指纹识别 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 技术主要包括指纹图像增强、特征提取、指纹分类和指纹匹配几个部分。 指纹识别是目前国际公认的应用最广、造价最低、易用性最高的身份认证 技术。市场上推出的产品有指纹门锁、指纹考勤机、指纹门禁机、指纹保险箱、 指纹储物柜、指纹无线鼠标、指纹u 盘、内置指纹识别装置的手机、p d a 、笔 记本电脑等。把指纹识别技术同l c 卡结合起来，是目前最有应用前景的一个方 向。该技术把持卡人的指纹加密后存储在i c 卡上，并在i c 卡的读卡机上加装 指纹识别系统，当读卡机阅读卡上的信息时，一并采集持卡者的指纹，通过比 对卡上的指纹与持卡者的指纹，就可以确认持卡者是否是卡的真正主人，从而 进行下一步的交易。指纹i c 卡有着广泛的应用，例如取代现行的a t m ( 银行 自动取款机) 卡、制造防伪证件( 签证或护照、医疗保险卡、会员卡等) 。 在采集技术方面，较早出现的光电式指纹采集设备，现在仍为大多指纹识 别系统所使用。后来出现的电容和电感式的采集设备可提高指纹采集的质量， 但在耐磨性和稳定性等方面还存在着一些问题，对干、湿、脏的指头或磨损严 重的指纹均能可靠、正确的采集和尽量减少采集时的变形是指纹采集技术需要 解决的主要问题。 在识别技术方面，很多国家都有公司和专门机构在从事研究。研究的重点 主要集中在如何提高识别的准确率和速度上。美国的l d c n t i c a t o r 、b i o m c t r i c 、 v e r i d i c o m 、s e c u g e n 公司、法国的s e g a m 公司和日本的n e c 公司等都有成形的 产品面世。国内的中科院自动化所、北京大学、清华大学等高校和科研机构在 这方面也取得了很大的进步。北京中控公司等许多公司都有各种产品面世，已 经开始在管理、门禁、金融、公安和网络安全等领域得到应用。 尽管当前的指纹识别产品已多种多样，指纹识别技术已发展得比较成熟， 并成功地应用到许多领域，随着指纹识别技术的广泛应用，研制快速、高效的 指纹识别系统是很必要的，既有很高的理论价值也有很强的实际意义。 1 2 2 虹膜识别技术的基本原理与发展现状 基于虹膜的身份识别系统是一种非接触测量，所以虹膜识别具有非侵犯性。 虹膜是指人眼中位于瞳孔和巩膜之间的直径约为1 2 m m ，厚度约为o 5m m 的环 状组织，它位于角膜后方，晶状体前方，连接在眼睛的睫状肌上l 。7 l 。虹膜表面 高度度细节化，包含了极为丰富的信息，外观上看由许多腺窝、皱褶、色素斑 等构成，是人体中最独特的结构之一。由于虹膜内血管分布不均，使虹膜表面 出现许多无规则的放射性条纹，内有许多放射性隆起，代表虹膜血管的路径。 所有这些无规则的血管和隆起就构成了每个人唯一且终生不变的虹膜纹理。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 虹膜具有独特的结构特征，即使同一个人的左右眼睛的虹膜也不相同。科 学家发现当虹膜发育完全后，虹膜纹理在人的一生中是稳定不变的泌 。综上可 见虹膜特征具有唯一性和稳定性。虹膜不仅具有非常丰富的纹理特征，还具有 不同的颜色，但虹膜中的色素细胞容易随着年龄、环境和身体状况的改变而变 化，为此虹膜识别中一般只利用虹膜的纹理信息进行识别，采集的虹膜图像也 为灰度图像。 虹膜识别系统最初是由英国剑桥大学开发成功的，随着9 1 1 事件的发生， 各国政府特别是美国纷纷加强了安全检验措施，高效精确的生物识别技术受到 了广泛重视，虹膜识别作为一项精确识别技术正在走入市场。 美国的i r i d i a nt e c h n o l o g y 公司是当前技术领先的虹膜识别技术厂商，它的 主要技术即来源于英国剑桥大学d a u g m a n 教授的专利，目前，该公司和世界一 些著名的电子设备商如l g ，p a n a s o n i c 等公司合作，开发出了多款产品，已在 北美及欧洲得到实际应用，同时，i r i d i a n 公司己在美国本土、加拿大、欧洲、 亚太地区建立了分支机构，发展了很多销售代理商，积极开拓这个有巨大潜力 的市场。美国德克萨斯州联合银行的三个营业部已经安装了该公司的虹膜识别 系统，储户两手空空地来办理银行业务，无需银行卡，更没有回忆密码的烦恼。 他们在该取款机上取钱时，一台摄像机首先对用户的眼睛进行扫描，然后将扫 描图像转化成数字信息与数据库中的资料核对，以对用户的身份进行检验。 韩国l g 公司和i r i s c a n 公司联合开发出虹膜识别网络门禁系统 l r i s a c c e s s t m 3 0 0 0 拥有功能强大的网络化系统管理平台，是一种高精度、智能 化、网络化的防止非授权人员进入的全新门禁系统，与其他门禁系统相比具有 更高的安全性，且使用方便。松下公司也已经推出了一个虹膜识别照相系统一 一a u t h e n t i c a r n 。这套新系统包括松下公司的照相机和i r i d i a n 科技的个人身份虹 膜识别与鉴定技术p j 。 国内从事虹膜识别的研究相对较晚，主要的研究单位有中科院自动化所、 华中科技大学、香港理工大学、天津大学、浙江大学等。中科院自动化所模式 识别国家重点实验室于2 0 0 0 年成功开发了具有自主知识产权的虹膜识别原型 系统，已成为虹膜识别研究领域的公共测试平台。 由于虹膜身份识别系统具有稳定性和高安全性等特点，可广泛应用于重要 区域的门禁和通道控制、银行和社会福利机构的身份认证等各种需要严格身份 认证的场合1 1 0 。可见虽然近年来虹膜识别技术得到了快速发展，但我国虹膜识 别硬件采集装置和核心算法仍需要深入的研究。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 3 手背静脉识别技术的基本原理与发展现状 手背静脉识别利用手背静脉血管的分布信息进行身份识别，手背静脉血管 的结构不会随着年龄变化，具有长期稳定性i 。手背静脉分布具有唯一性，同 一个人的左右手静脉分布不同，即使双胞胎的手背静脉结构也不相同。与虹膜 相比，手背静脉血管的纹理较粗大，更易于图像采集，系统成本较低。由于静 脉属于皮下组织，与其它生物特征识别相比，手背静脉识别具有如下优势：一、 高防伪性：人眼和一般的视觉设备很难捕捉皮下静脉的网络结构，因此静脉血 管较其它生物特征更难以伪造。二、强免疫性：不同于指纹、掌纹特征识别， 静脉识别系统对手背的清洁度没有要求，不会受脏、油、水等凶素的影响，降 低了误读的概率。三、接受度高：静脉识别是一种非接触检测方法，使用者不 会因担心数据遗留而产生排斥心理，并且其使用方式十分友好，因此静脉识别 技术的用户接受度较高| l2 1 。 由于手背静脉识别技术的诸多优势，手背静脉识别技术得到了美国、英国、 韩国、中国等国家的高度重视。日本富士通公司采用手掌静脉影像识别的技术， 这种技术通过红外线对人手掌皮下的静脉影像进行记录和分析，并据此进行身 份验证，据文献介绍在识别人数不足1 0 0 0 人时，未出现差错。韩国n e x t e m 公 司研制了b k 系列静脉识别仪，是目前较为成熟的静脉识别产品，它通过红外 c c d 摄像头获取手背静脉图像并送入计算机，运用滤波、图像二值化、细化手 段提取静脉特征，将测试静脉特征与注册静脉特征进行匹配得到识别结果| l 引。 目前国内清华大学精密仪器与机械学系研究过这一课题，清华大学精密测 试技术及仪器国家重点实验室利用自行设计的近红外血管图像采集仪提取血管 的原始图像。2 0 0 7 年，w a n g 等对静脉图像的采集方法进行了详细的分析和对比。 同年s h a h i n 等提出利用静脉血管的二值图像进行身份认证，取得了较好的识别 效果i | 。在国内深圳市中电视讯有限公司于2 0 0 8 年推出了手背静脉识别系统。 该系统的识别原理与b k 系列产品基本相同| l 引。 综上可见，目前静脉识别的研究和应用尚处于起步阶段，不仅静脉识别仪 的种类和数量较少，而且识别仪器的价格也很高。目前手背静脉识别仪主要集 中在对安全性要求较高的重要身份认证领域，如手背静脉识别系统成功应用于 北京奥组委确定的4 2 场奥运测试赛的首场比赛中，任何人进出场馆安保中枢均 需伸手接受“手背静脉门禁系统”检测。 手背静脉识别是一种新兴的生物特征识别技术，尽管已经取得了一定的研 究成果，但静脉图像获取和静脉特征提取仍是目前研究的重点： l 、静脉图像获取 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 获取高质量的手背静脉图像是进行静脉识别的首要前提，手背静脉图像的 获取受到多方面的影响，比如光源强度和均匀度变化、图像传感器的灵敏度和 用户的配合程度等，这些都给静脉图像的采集带来了困难。因此图像获取的关 键问题是设计合理的光学系统，包括光源波长、照明角度和滤光镜的选取等。 2 、静脉特征提取 静脉图像本身数据量大，存在大量冗余信息，所以如何简单有效的描述静 脉特征是一个比较困难的问题。在每次进行身份认证时，手背摆放的位置不可 避免的会有一定程度的旋转和位移，这将影响手背静脉的特征提取和匹配结果。 3 、静脉识别系统的实时性 用户通常要求识别系统能尽快给出识别结果，因此识别速度在实际应用中 显得尤为重要。从识别过程可知，系统响应速度主要由算法复杂度决定，而这 与静脉图像预处理、特征提取与匹配算法密切相关，因此如何优化静脉识别算 法有待进一步研究。 1 3 本文的选题背景和主要工作 1 3 1 多生物特征识别的意义 通过指纹、虹膜和手背静脉识别的研究现状和难点可知；这几种生物特征 有不同的图像采集和识别方法，并且在应用领域中各有其优缺点，是生物特征 识别中的典型代表。随着生物特征识别技术在各种应用中日益扩展的差异性， 人们发现单生物特征识别在实际操作和应用中，均不同程度地受到几个问题的 影响，主要包括：普遍适用性、安全性、类间相似性和类内差异性等。普遍适 用性主要体现在在特殊情况下某些生物特征不可用，例如手指受伤的人在使用 指纹识别时会出现问题，聋哑人无法使用声纹识别，导致识别系统的普适性较 差。安全性则表现为一些生物特征容易被窃用，例如签名等，有些盗用者也会 使用用户的指纹或人脸照片等非活体特征替代真实的生物特征，降低了系统的 安全性。类间相似性通常指的是对用户数量较大的机场保安、社会安保等应用 领域，不同用户的某种生物特征在特征描述上不可避免的存在一定的相似性， 这给准确的身份判别带来很大的挑战。类内差异性的表现主要是由于个体没有 正确使用采集设备或者生物特征的自身变化，导致属于同一类别的图像之间存 在很大差异，例如经常从事体力劳动的人，在使用指纹或者掌纹识别时，由于 双手的损伤使得类内差异增大，这将严重影响系统的准确度。 为了解决上述问题，研究人员提出利用多生物特征的数据融合的身份识别 天津大学硕士学位论文第一章绪论 方案。利用多种生物特征可以使系统适用于更大范围的人群，从而解决了非普 遍适用性问题。由于多生物特征识别系统要求用户提供不同种类的生物特征， 使非法用户窃取多种生物特征的难度增加，可提高系统的安全性。与单生物特 征识别相比，多生物特征的识别方法可以降低类间相似性和类内差异性对识别 性能的影响。可见多生物特征识别系统在识别率和实用性等方面要优于单生物 特征识别系统| i “。 近年来多生物特征识别引起了广泛关注，许多学者已致力于多生物特征的 身份识别研究。1 9 9 5 年，b r u n e l l i 最早提出利用多个特征进行个人身份认证的方 法。c h e r t y 等对语音和人脸的融合进行了深入的研究| 1 4 ，| 5 、涵l 。1 9 9 7 年，j o u r l i n 等利用加权法对语音和唇形两种生物特征在特征层进行了融合| 17 | 。j a i n 等于 1 9 9 8 年提出将指纹与人脸特征进行融合，并于2 0 0 0 年通过确定每个用户的特 定参数将指纹、脸像和手形的识别结果进行融合l | 8 i 。2 0 0 3 年，w a n g 等提出将 虹膜和人脸两种比较成熟的技术在匹配层实现了融合| 19 | ，近年来对虹膜和人脸 融合的研究也不断涌现。 目前指纹识别技术已经较为成熟，手背静脉和虹膜识别技术的研究也分别 取得了一定的成果，并已经得到了初步的推广和应用，为多生物特征识别的实 现提供了研究基础，但尚未见有将指纹、虹膜和手背静脉等多种生物特征融合 进行身份识别的报道。指纹识别速度快，使用方便，虹膜和手背静脉识别均具 有可靠性、非侵犯性、可采集性等特点，同时考察人体的多种生物特征，必将 极大地提高识别系统的准确率、普适性和安全性，具有重要的实际意义，而多 生物特征信息的采集作为身份识别的第一步，是整个多生物特征识别技术非常 重要的一环，为此本文初步探讨了多生物特征识别的方法，并对多生物特征信 息的采集系统进行了设计。 1 3 2 本文的主要工作和章节安排 本文的主要内容是对多生物特征信息嵌入式采集系统的设计，主要包括硬 件电路设计和软件管理的研究，以及相关的采集实验等，具体的章节安排如下： 第一章绪论，主要介绍生物特征识别的优势，分别总结了基于指纹、虹膜 和手背静脉的生物特征识别方法的原理及发展现状，并论述了多生物特征识别 的重要意义与前景。 第二章主要介绍多生物特征信息嵌入式采集系统的总体设计，提出了多生 物特征识别系统的整体设计思想，并在此基础上完成了系统总体方案的设计， 包括以d s p 和f p g a 为核心的处理器模块设计，传感器的选择及照明光源的选 天津大学硕士学位论文第一章绪论 择等。 第三章主要介绍多生物特征信息嵌入式采集系统的硬件电路，提出了高速 核心采集板的设计方案，对高速电路板的阻抗控制、层叠设计及布线方法等进 行了研究并完成了p c b 的设计。通过对生物特征传感器图像采集方式的分析选 择了与f p g a 和d s p 的接口方式并完成了指纹采集子板、虹膜采集子板和手背 静脉采集予板的设计工作。 第四章介绍多生物特征信息嵌入式采集系统的软件设计，包括系统的总体 工作流程，系统的初始化，信息采集的控制及参数配置方法等。研究了f p g a 与d s p 的通信方式及对外围设备的管理方法。 第五章主要介绍了嵌入式多生物特征识别系统的结构设计及实验平台的搭 建，针对在生物特征信息联合或单独采集实验中的各种问题进行了分析并给出 了相应的解决方案。 第六章总结了本文的主要工作，并对下一步的工作进行了展望。 天津大学碗士学位论文第二章多生物特征信息嵌入式采集系统的总体设训 第二章多生物特征信息嵌入式采集系统的总体设计 多生物特征信息嵌入式采集系统主要由信息采集、数据处理及存储和显示 等几部分组成，本章在研究多生物特征识别系统的整体设计思想的基础上，设 计了系统的总体实现方案，讨论了各功能模块的主要功能和器件选择， 2 1 系统总体实现方案 生物特征识别系统逻辑上包括2 个模块，注册模块和_ 【 别模块。在注册模 块中，首先对用户的指纹、虹膜和手背静脉图像进行采集、预处理、特征提取 等过程得到生物特征信息，并将此信息与其姓名或其标识( i 讲联系起来，然后 一并存储在数据库中，创建用户模板。在识别模块中，l 可注册过程一样获取用 户的生物特征信息，然后与事先注册在数据库中的模扳相匹配，检验用户的身 份。 如图2 一l 所示为多生物特征识别系统的整体实现方案，按系统流程分为两 个主要部分： | 淼_ * 镕h 制级识别 m # i 图2 - i 多生物特征识别系统的整体结构 譬一 天津大学硕士学位论文第二章多生物特征信息嵌入式采集系统的总体设计 ( 1 ) 初级识别：在初级识别阶段主要包括指纹信息的采集、特征提取和匹 配及判别等步骤。如果系统确认被测者的身份则进入下一识别阶段，反之则拒 绝。在身份认证过程中，识别算法的要求是较低的错误拒绝率( f r r ) ，即设定 一个较低的阈值，即保证真实身份者能够被正确接受，较低的错误拒绝率会导 致较高的错误接受率，即假冒者也有较大可能通过身份认证，这一点可以同过 后续的基于虹膜和手背静脉的高级识别来进行认证。 ( 2 ) 高级识别：在完成初级识别后，系统分别采集被测者的虹膜和手背静 脉信息，通过图像预处理，特征提取和匹配分别得出认证结果，并在匹配层进 行融合，最后得到识别结果。 将系统的工作流程分为初级识别和高级识别两部分可以使整个系统的工作 过程更有层次，初级识别可以排除大部分身份假冒者，少数被错误接受的假冒 者可以通过后续的高级识别模块鉴别出来。这样可以大大减轻系统的负担，提 高系统工作效率，减少身份认证的时间。 s d r a m一f l a s hp ； 、 峙轧j 指纹传感器隆 ，； 力、夕 e m i f ny i 感器冷 f p g a d s p ： 卜背静脉传感器嗲 卜 u v p o r t 薹 ， ，n 客户机端 图2 - 2 系统总体方案 根据以上的分析和设计系统总体实现方案如图2 2 所示，以f p g a 和d s p 为系统的核心处理器，f p g a 的功能以控制为主，主要实现系统的初始化、图 像采集设备的管理以及数据通道的控制等。d s p 的功能以处理为主，主要完成 天津大学硕士学位论文 第二章多生物特征信息嵌入式采集系统的总体设计 图像处理以及与上位机的通信等。系统还包括三路信息采集设备，分别获取被 测者的指纹、虹膜和手背静脉的生物特征信息，s d r a m 用于在图像信息采集 与处理时扩展系统的存储空间，f l a s h 用于存储系统运行的程序，同时以太网口 模块可以实现系统与计算机的通信。 当系统上电以后，配置电路自动将系统的应用程序加载到f p g a 与d s p 中， 系统开始工作，三路信息采集设备在f p g a 的控制下完成初始化并开始采集数 据，采集到的数据通过f p g a 进行管理，f p g a 根据系统要求和外部控制快速 有序地将数据送入d s p 中进行处理，在d s p 中实现图像信息的特征提取、匹 配等算法，完成被测者身份的鉴别。在系统的工作过程中还可以随时与上位机 进行通信。 2 2 信息采集的实现方式 生物特征信息的获取由传感器完成，针对指纹、虹膜、手背静脉图像的特 点要选择相应的传感器，对于虹膜和手背静脉选用图像传感器的同时还需要对 光源的照明方式进行选择。 2 2 1 照明方式选择 本系统中指纹信息的采集选用的传感器为电容压敏式，而非过去常用的光 学采集方式，因此不需要照明光源，将在下一小节详细介绍。下面主要介绍虹 膜和手背静脉照明方式的选择 1 、虹膜照明方式选择 虹膜照明方式的选择主要考虑图像的质量和人眼的舒适程度两个方面，适 度照明对虹膜图像采集非常重要，太强的照明会令人眼感到不适，光照太弱则 图像缺乏必要的灰度对比，增大量化误差口| l 。 对于虹膜的照明方式，由于虹膜的特殊性，通常用于可见光的成像系统所 获得的虹膜图像纹理细节不清楚，考虑到虹膜颜色较暗，细节丰富，采用近红 外光( 7 0 0 - - 9 0 0 n m ) 成像。可以获得比较具有丰富纹理细节的虹膜图像，而且 波长在8 5 0 n m 附近时，获得的图像虹膜与瞳孔对比度最高，因此确定采用峰值 波长在8 5 0 n m 附近的近红外l e d 作为采集时的照明光源。虹膜的照明光源选用 实验室开发完成的近红外照明光源1 2 2 1 。该光源对一个直径为3 0 m m 的区域进行 均匀照明，即对眼睛的周围部分实现均匀照明。光源的实物图如图2 - 3 所示， 第一章多书物特征信息限 式采集系统的总体设计 为了适麻不同镜头相机配置f 的情况，该光源可以容纳8 0 多个l e d ，对十直 径为3 0 m m 的l 域进行均匀照明，即对眼睛的周围 ! f 分实现均匀照明其中加 入了两个可见光的l e d ( 蓝色光j 以控制瞳孔的大小从而使虹膜图像中的纹 理特征便于提取和识别。 罔2 - 3 虹膜照明光i 匾【( 近红外 2 、手背静脉照明方式选择 对于于背静脉的照明方式，在普通可见光的照射f ，人体皮下静脉的可见 度非常低，但是静脉血管在近红外波段的吸收特性使得在近红外光照射下利用 罔像传感器采集罔像时静脉血管的分布会比脚崮组织要暗，因此能够微好的 捕获静脉血管的分布信息，井日波长在8 5 0 n m 附近时，获得的图像静脉与周围 组织的对比度相对较高因此该成像系统采用峰值波长为8 5 0 n m 的近红外 l e d 阵列作为光源。 根据系统结构和照明的要求，采用实验毫已经开发完成的高均匀度的四边 形面j t 源照明板结构为中空。每条边由均匀分布的多个l e d 灯组成，且l e d 灯的发光强度可调。如图2 4 所示为手背静脉的近红外照明光源和图像采集 摄像头的配合方式：在实验中可以对光源的位置进行微调，使其选到最佳照明 效果 图2 - 4 手背静脉照明光源f 近打外 天津大学硕士学位论文 第二章多生物特征信息嵌入式采集系统的总体设计 2 2 2 传感器的选择 l 、指纹传感器的选择 由于指纹采集的应用场合不同，所需要的指纹识别系统的性能也不尽相同， 针对不同的应用环境，应该选择合适的指纹传感器，以达到好的识别效果。目 前市场上指纹传感器根据不同的成像原理，大致有光学式、压感式、热感式和 超声式几种类型，而其中已经被广泛应用的是光学式和压感式半导体指纹传感 器。 基于光学扫描传感器的采集技术历史悠久，它利用光学全反射的原理，由 光学传感器获取照射到压有指纹的玻璃台板上的反射光1 2 引。由于手指表面凹凸 不平的脊线和谷线与玻璃表面接触程度不同，因此光线反射的程度也不同，从 而在传感器上得到指纹图像，这种利用光学采集指纹的技术有很多不足之处， 主要表现在缺乏对假指纹的识别、设备尺寸、成本以及潜在指印四个方面。首 先，用塑胶制成的假手指，能够在光学传感器上得到与真手指非常相近的指纹 图像，因此就必须开发新的技术，来增强传统光学传感器分辨真伪的能力。其 次，光学传感器一般体积都比较大，而且成本较高，这样就对应用的范围提出 了限制，不适用于便携设备上的应用。最后，潜在指印是手指在台板上按完后 留下的，这种潜在指印降低了指纹图像的质量，严重的潜在指印会导致两个指 印的重叠。 随着集成技术的发展，高性能、高速率的数字处理器的价格和体积也开始 大幅度下降，相关技术日趋成熟，这为嵌入式应用研究带来了极大的方便。9 0 年代中期开始出现了半导体指纹采集传感器，最常见的电容传感器是通过电容 充放电的原理来获取指纹图像的。传感器的半导体金属阵列上覆盖绝缘物质， 每一个点的金属相当于电容的一极，绝缘表面相当于电容中间的绝缘材料，压 在绝缘表面的手指构成电容的另一极。由于手指脊线和谷线与半导体金属阵列 距离不同，因此电容器阵列上的各点电容值也不同，通过获取各点的电量就可 以获得指纹图像【2 川。最初的这类传感器采集的图像质量和光学传感器有较大的 差距，但是随着半导体技术的进步，它采集的图像质量也越来越高，并且采集 的图像特征在诸多方面优越于光学指纹传感器。半导体传感器具有价格低、体 积小的优点，特别适合集成在普通的消费电子产品中，大有后来居上取代光学 传感器的趋势。而且不需要光源照明，特别适于高集成度、小体积的嵌入式系 统，因此本文采用固态电容式传感器采集指纹信息。 天津大学硕士学位论文第二章多生物特征信息嵌入式采集系统的总体设计 2 、虹膜和手背静脉传感器的选择 c c d ( 电荷耦合器件) 和c m o s ( 互补型金属氧物半导体) 图像传感器是 目前应用最为广泛的固体成像器件i ：6 l 。c m o s 图像传感器与c c d 采用相同的光 敏材料，光电转换的原理相同。但两者在特性上有一定差别，c m o s 与c c d 图 像传感器的性能比较，详见表2 1 。 表2 1c m o s 与c c d 的性能比较m ：8 c m o s 图像传感器c c d 图像传感器 暗电流 l o 1 0 0 1 0 灵敏度 低 高 噪声电子数 2 0 0 m 洲岫n 删_ m i d 4 w 1 _ h d h 2 b n d ( g n d ) o b o l 自h 圈3 - 8f p g a 核心板的层叠设计 c 孵i r e 呲 c 啪i 布线规则是为布线服务的主要是设定线的阻抗、线间距、线与焊盘的间 距、线与过孔的间距、过孔与过孔的间距、各类线的长度、b g a 等封装的拓扑 结构等等“针对前丈所述的传输线效应的产生原理和解袂方法本设计对却 天津大学硕士学位论文 第三章多生物特征信息嵌入式采集系统的硬件设计 线方式做如下设计： 1 、合理布局，严格控制关键走线的长度，保证足够的线宽，在允许的范 围内尽可能增加线距。 2 、同组的数据或地址信号线尽量保证等长，并尽可能短，以减少延时造 成的信号不同步。 3 、相邻信号层的布线尽量避免平行，减少信号的串扰。 4 、b g a 器件含有多排焊盘要注意引线的连接。外围和第二排引脚从表层 走线，第三排和第四排引脚从中间信号层走线，其他的引脚从底层走线。 5 、时钟线之间的距离至少为2 倍线宽，不要与数据线长距离平行，并尽 可能在两侧铺铜。 6 、使用去耦电容可以减小电路芯片上电源电压的瞬时过冲，并减少在印 制电路板上的电源环路的辐射。并合理使用铺铜，接地等方法较少噪声的干扰。 7 、在p c b 板上每个v c c 和g n d 引脚都应该直接接到v c c 和g n d 平面 上，每一对v c c 和g n d 都应当接一个电源滤波电容，而且要尽可能靠近器件， 一般采用具有良好频率响应的陶瓷电容。 布线是布局、设定布线规则之后的主要工作。在布线过程中，阻抗不连续 经常是由于受过孑l ( v i a ) 的影