（信号与信息处理专业论文）基于dsp的指纹锁系统设计与实现.pdf

摘要 摘要 随着信息技术的快速发展，传统的身份识别方式( 诸如密码、证件等) 已经 不能满足不断增加的安全需要，身份识别已经成为信息安全领域所面临的一个难 题。生物特征识别技术利用入体的某些生理特征( 如人脸、指纹、虹膜和掌纹等) 能够准确和快速的鉴别个人的身份，因而受到了广泛的关注。指纹识别是生物特 征识别中的一项重要内容，一直以来是国内外的研究热点。 嵌入式指纹锁是指纹识别技术在嵌入式系统上的应用。现有国内市场上的嵌 入式指纹识别系统产品有的是通过购买国外的产品模块再开发，不具备自主知识 产权，有的是自主研发的，但其系统功耗与成本都比较高，不具有广泛的实用价 值。为了克服这些缺点，本文设计一种基于定点d s p 的嵌入式指纹锁硬件系统方 案。该系统具有结构简单、功耗低、成本低、具有自主知识产权等优点，可以适 用于门禁等多种应用场合，有很好的市场前景。 本文的主要工作如下： 1 设计了一种高性能、低功耗的硬件系统，包括核心处理模块、指纹传感器 模块、输出控制模块、入机交互模块、电源管理模块等。同时，还设计了各硬件 模块的驱动程序，为应用程序提供控制接口。在电源管理模块部分，采用了高转 换效率的d c d c 开关电源芯片，并第一次在指纹识别系统中采用了两路电源自动 切换的电路，增强了系统的实用性。 2 指纹匹配算法对整个指纹算法的影响较大，针对原有匹配算法的准确性不 够高的特点，本文改进了原有的指纹匹配算法。考虑了以往算法中未考虑进去的 一些特征信息，使得在同等信息量条件下，可以获取更多的特征点信息，从而提 高匹配算法的精确度。这是首次将新的特征信息用于匹配算法中。通过实验发现， 新算法精确度和鲁棒性更好。 3 完成了系统应用程序设计。在使用d s p b i o s 实时操作系统的基础上设计 了各系统任务，通过调用驱动程序控制和协调各硬件模块，实现了自动指纹识别， 密码识别以及对电子锁的控制等功能。通过对系统程序的优化处理，使得该系统 效率得到了极大的提高。 最终，本系统实现了指纹注册、匹配以及开锁等功能，各功能模块工作稳定。 摘要 同时，模块化的软硬件设计使本系统便于进行二次开发，快速应用于各种场合。 关键词：嵌入式指纹锁系统，自动电源切换，t m s 3 2 0 v c 5 5 0 2 ，d s p b i o s 操作系 统，指纹匹配算法 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i c i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , t h et r a d i t i o n a l i d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g y , s u c ha sp a s s w o r da n dc e r t i f i c a t e ，c a nn o ts a t i s f yt h en e e do f s a f e t v i d e n t i f i c a t i o nh a sb e c o m em u c hm o r es e r i o u s t h a nb e f o r e t h eb i o m e t r i c i d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g yc a ni d e n t i f ys o m e o n eb yt h e i rb i o m e t r i cf e a t u r e s ，s u c ha sf a c e ， f i n g e r p r i n ta n di r i s ，a c c u r a t e l ya n dq u i c k l y t h ef i n g e r p r i n tr e c o g n i t i o nt e c h n o l o g y i s d e v e l o p i n gv e r yf a s ta n du s e di nm a n y f i e l d s t h ee m b e d d e da u t o m a t i cf i n g e r p r i n tl o c ks y s t e mi sak i n do fe m b e d d e da p p l i c a t i o n o nf i n g e r p r i n tr e c o g n i t i o nt e c h n o l o g y n o w a d a y s ，s o m eo ft h ef i n g e r p r i n tr e c o g n i t i o n p r 0 l u c t s i nd o m e s t i cm a n e ta r eb a s e do nm o d u l e sf r o ma b r o a da n dd on o th a v e i n f o r m a t i o np r o p e r t y s o m es e l f - d e v e l o p e dp r o d u c t s c o s ta n dp o w e rc o n s u m p t i o na r e t o oh i g ht ob e u s e di ns o m es p e c i a le n v i r o n m e n t s t os o l v e t h e s ep r o b l e m s ，a f i x e d p o i n td s ps y s t e md e s i g ni sp r o p o s e di n t h i sp a p e r i t i sp r a c t i c a l ，l o wp o w e r c o n s u m p t i o n ，l o wc o s ts y s t e ma n d c a nb eu s e di nk i n d so fe n v i r o n m e n t s t h ew o r k sa b o u tt h i st h e s i sa r em a i n l yf o c u s e do nt h ef o l l o w i n gp a r t s ： 1 ah i g hp e r f o r m a n c e ，l o wp o w e rc o n s u m p t i o nh a r d w a r es y s t e md e s i g n i s p r o p o s e di nt h i st h e s i s i tc o n s i s t so fs e v e r a lm o d u l e s ，w h i c ha r ep r o c e s s i n gm o d u l e ， f i n g e r p r i n ts e n s o rm o d u l e ，o u t p u tc o n t r o lm o d u l e ，h u m a n m a c h i n ec o m m u n i c a t i n g m o d u l e ，p o w e rm a n a g e ra n dp o w e rs w i t c h o v e rm o d u l e e s p e c i a l l yi n t h ep o w e r m a n a g e m e n tm o d u l e ，a na u t o m a t i cp o w e r s w i t c h o v e rc i r c u i t ，w h i c hc a na u t o m a t i c a l l y s w i t c ht h ep m h so fp o w e rs u p p l yb e t w e e nw a l la d a p t e ra n db a t t e r i e s ，i sp r o p o s e di nt h i s p a p e r t h i sd e s i g nm a k e s t h es y s t e md e s i g nm o r ep r a c t i c a l 2 b yr e s e a r c h e so nf i n g e r p r i n tr e c o g n i t i o na l g o r i t h m s ，f i n g e r p r i n tm a t c h i n gi st h e k e yt ot h ew h o l es y s t e ma n de f f e c t so nt h ea c c u r a c ya n de f f i c i e n c yo f t h ew h o l es y s t e m d i r e c t l y i nt h i st h e s i s ，an e wm i n u t i am a t c h i n gm e t h o db a s e d o i lr i d g et r a c i n gi s p r o p o s e d w h e nam i n u t i ah a sb e e nf o u n d ，w et r a c et h er i d g e sw h e r e t h em i n u t i ai so i l a n ds e a r c hi nar a n g et oc h e c ki ft h e r ea r ea n yo t h e rm i n u t i a eo nt h es a m er i d g e s t h i s n e wm e t h o dt a k e st h er e l a t i o n s h i p b e t w e e nm i n u t i a eo nt h es a m er i d g ei n t o a b s t r a c t c o n s i d e r a t i o nf o rt h ef i r s tt i m ea n dm a k e si tm o r ee f f i c i e n tt of i n dat r u er e f e r e n c e p o i n t a st h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ，t h i sm e t h o di sm o r ea c c u r a t ea n dr o b u s tt h a nt h ec o m m o n m i n u t i am a t c h i n gm e t h o d s 3 d e s i g n e dt h ew h o l ea p p l i c a t i o ns y s t e mo nh a r d w a r e p l a t f o r mb yu s i n g d s p b i o sr t o s t h ed e v i c e d r i v e r sa n ds y s t e mt a s k sa r ep r o g r a m m e dt oa c h i e v e t h ea u t o m a t i cf i n g e r p r i n tr e c o g n i t i o nf u n c t i o n t h es y s t e m se f f i c i e n c yi se n h a n c e db y c o d eo p t i m i z a t i o n i nc o n c l u s i o n ，o u rs y s t e mi s d e s i g n e dt o b el o wp o w e rc o n s u m p t i o n ，h i g h p e r f o r m a n c e a tt h es a m et i m e ，t h em o d u l a r i z e dh a r d w a r ea n ds o f t w a r ec a nb eu s e di n m a n yd i f f e r e n ts i t u a t i o n s k e y w o r d s ：e m b e d d e df i n g e r p r i n tl o c ks y s t e m ，a u t o m a t i c p o w e rs w i t c h o v e r , t m s 3 2 0 v c 5 5 0 2 ，d s p b i o sr e a l - t i m ek e r n e l ，f i n g e r p r i n tm a t c ha l g o r i t h m i v 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 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 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 获得电子科技大学或其它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 说明并表示谢意。 签名：冉苏澎 日期：溯孑年r 月舌日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学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，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：囊糍猹 导师签名： 日期：m日 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着现代社会的数字化、信息化和网络化进程不断加快，人们之间的信息交 流愈加方便快捷，身份的数字化和隐性化趋势日趋明显。但是，随之而来的利用 身份欺骗而造成公司、个人的机密数据泄漏和利益受损的问题也日益严重，这对 个人身份识别技术提出了重大的挑战。如何自动、快速、准确地鉴别个人身份， 保护信息安全是当今信息化时代必须解决的关键性社会问题。 传统的身份识别技术大致分为两类：基于标志的认证和基于知识的认证。基 于标志的认证主要通过检查特定标识来达到认证的目的，例如检查护照、身份证 等。基于知识的认证主要通过检查个人所知来确认身份，最常见的就是密码口令 的方式。 目前，大多数系统采用的仍然是密码口令的方法进行身份验证，最常见的如 我们使用的银行卡以及计算机用户登陆等。在使用时，用户只要输入用户i d 以及 该i d 对应的密码，然后系统在数据库中查找并匹配，找到符合的即认为合法，否 则认为非法。该方法虽然方便，但有很大的漏洞以及弊端。首先表现为密码容易 被他人窃取。当用户在系统终端输入口令时，别人只需观察其动作或者安装监视 仪器即可以获取其口令，也可以通过用户的基本信息，如生日、姓名、年龄、电 话等猜测密码，特别是在计算机技术飞速发展的今天，利用高速计算机对密码进 行自动攻击也正变得越来越容易，使得密码保密性问题越来越严重。其次表现为 密码过长、过多而容易忘记。为了防止密码被盗，或者增加可靠性，很多用户采 用增加密码长度的方法，还有些系统要求用户定期修改密码并且限定密码长度不 少于一定位数，更主要的是现实生活中很多场合都需要输入密码，如果采用相同 密码则可靠性大大降低，不同密码则大大增加了用户的负担，使用起来不方便且 容易遗忘。 以上问题说明传统的基于密码的安全机制己经受到严重挑战，在当今高度数 字信息化的社会中已经日渐显得力不从心，人们迫切需要新的个人身份鉴定技术 来保护自身的利益不受侵犯。由于人体的某些身体特征具有唯一、稳定的特点， 电子科技大学硕士学位论文 人们开始从生物识别技术领域寻找解决上述问题的方法。研究和经验表明，人的 指纹、脸型、虹膜、视网膜、手写签名等在一定程度上都具有稳定性和唯一性， 即每个人的上述特征都与他人不同而且一般情况下终身不变，因此，可以据此识 别出人的身份。由于生物特征具有唯一性、稳定性和普遍性等特点，它已经成为 一种更为安全有效的身份验证方法，正取代传统的基于标识或口令的技术。 1 2 生物识别技术 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 ) 是目前图像处理、模式识 别和计算机视觉领域中的研究热点。生物特征识别技术是对人体所固有的生理特 征( 指纹、虹膜、人脸、d n a 等) 或行为特征( 签字、步态) 等进行分析和描述， 通过判别这些描述的一致性从而实现自动身份确认的一类技术【1 】【2 1 。可用于生物识 别的生理特征或行为特征具有以下特性： 1 普遍性，即每个个体都具有的特性。 2 唯一性，即每个个体都具有其独有的特性。 3 稳定性，即这个特征不易改变。 4 可采集性，即这个特征可以被定量的测量。 正是由于生物识别技术所识别的对象具有普遍性( 人人都有) 、唯一性( 不同 的个体互不相同) 、稳定性( 长期不变) 和可采集性等特征，不易伪造和假冒，因 此成为目前最为安全的识别技术。 目前，用于生物识别的生理特征有手型、指纹、脸型、掌纹、虹膜、视网膜 和语音等，行为特征有签字和声音等。如图1 1 所示。基于这些特征，人们已经发 展了多种生物识别技术。 删 i 荔嚣 搿 轳鬣 j 蠢墨 j j 。l 墓荔i簿| 一“瞄 谤，鬣 嘲p r 冒 jr - 图1 - 1 生物识别特征 选择一种合适的生物特征来实现生物识别，需要考虑的两大方面问题：所采 用的生物特征本身特性要具备可被精确的测量、采集速度快、公众可以接受、较 高的可信度、算法匹配速度快、较好的防伪性等条件；所设计出的产品性能要求 2 第一章绪论 满足识别准确率、识别速度、系统鲁棒性、可以接受的存储设备等要求，并且还 要考虑系统所需资源等影响系统性能的因素以及设备价格以及适用性问题。 指纹用在身份确认领域己经有几百年的历史，几乎成为生物识别技术的同义 词，它的有效性也得到了公认。因此，在生物识别技术民用化过程中首选指纹识 别技术。 1 3 指纹识别技术 科学界对指纹的论断是：假设地球上有5 0 亿人口，经过3 0 0 年才会可能出现 相同的指纹。可见指纹重复的概率几乎是零，因而它被作为身份辨别的物证之首。 因此，从6 0 年代起，对指纹识别技术的研究在全球1 0 多个国家展开。 指纹是手指皮肤表面隆起的脊和凹下的谷所构成的特定纹路，其纹理在婴儿 胚胎时期就己经确定。相对于人体其它的生物特征而言，指纹在唯一性、永久性 方面有着明显得优势：科学研究发现，两枚指纹完全相同的概率极小，可以认为 世界上没有两个人会有完全相同的指纹；而且每个人的指纹会保持终生不变，指 纹由皮肤表面死亡的角质细胞堆积而成，即使磨损，只要不伤及真皮，也能重新 长出。另外，指纹的应用是非常方便、可靠的，并且不会对人体构成侵犯，用户 接受程度也比较高。基于以上特点，指纹识别技术在社会安全、信息安全、金融 安全、个人安全以及防伪领域得到了广泛的应用。 1 3 1 指纹识别技术的现状 目前的指纹自动识别系统是采用先进的光电识别办法采集一幅指纹信息，并 把它变成可以和经过计算机处理过并保存于数据库中暗码进行比对的代码。这些 代码经过加密处理，然后经独特的相关算法进行识别判断，在算法上有的是采用 一个指纹的全部图案，有的是采用指纹的特殊细节信息。可以说指纹自动识别系 统是集计算机、网络、光电技术、图像处理、智能卡、数据库技术等于一体的综 合高技术。 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【3 】： 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。 2 快捷性：大多数系统鉴别时间仅需2 ，3 s ，登录注册一个新客户只需不到1 3 电子科技大学硕士学位论文 分钟的时间。 3 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i c 卡上，甚至几个指纹代码可以存在一张智能卡上。 当然，数据量较大的指纹代码可以存放在本地或网络化数据库中，从而可以灵活 的构成各类系统，即可以独立使用或集成到一个多出入口的大规模控制系统或者 安全处理系统：如门禁控制、证卡存档识别系统中。 4 可接受性：一个因素是目前的系统具有高性能；另一个因素是目前所设计 的指纹采集器使得指纹采集方便、易于使用，因而易被用户接受。 5 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。 6 实时性：可以较短时间内快速实现指纹的获取与识别功能。 正是由于目前已经开发出了具有如上特点的指纹识别技术。因此，以此为基 础的个人识别技术，即智能卡、密码、指纹等识别技术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，但同时也 存在一些问题。 目前国内出现的很多指纹识别设备制造厂商，有的是以国外的指纹识别模块 为基础，通过进行二次开发的方式来设计与制造产品，不具有自主的核心知识产 权，所生产出来的每一件产品都要收专利费，无形中降低了产品的市场竞争力； 有的是自主研发的嵌入式指纹识别系统产品，但硬件系统结构设计复杂，采用的 核心处理器功耗较大、成本较高，只能使用于有限的场合，另外，如果数据库稍 大，或者在长期使用情况下其稳定性与精确度将受到很大影响。 所以，现在国内指纹识别产业化始终不能得以快速的发展。但对于指纹识别 系统的需求还是相当大的，在电脑、网络、手机等领域都有广泛的需求，特别是 在纯粹“身份即锁 的领域( 比如汽车点火、箱柜、门禁等场合) 对于身份识别 的要求是非常强烈的。 1 3 2 指纹识别技术的前景 自动指纹识别系统有着极其广阔的应用前景。众所周知，指纹识别最早是在 罪犯鉴别中应用。它作为物证手段，对于提高侦破手段、震慑罪犯、打击刑事犯 罪起到了重要作用。目前，世界上许多公司和研究机构都在指纹识别技术的民用 研究中取得一些突破性发展，从而推出了许多新产品，这些产品己经开始在许多 4 第一章绪论 领域得以运用。 t r e k 提供了一种指纹识别技术的存储解决方案，t h u m bd r i v et o u c h 是移动 储存设备业界的革命性的创新。它是世界上第一款指纹识别u s b 闪盘，提出了一 种新的产品范畴定义。t h u m bd r i v et o u c h 用生物指纹识别技术代替了传统的用户 密码识别。它用自带的u s b 端口插入u s b 接口后，用户可通过硅传感器鉴别自己 的指纹。 2 0 0 4 年5 月份，微软公司宣布将把生物认证技术添加到自己的视窗操作系统 中，这对该项新技术的发展无疑将起到促进作用。对于原始设备制造商( 0 e m ) 来说，将这种技术加到各种平台里是再好不过的选择，同时，o e m 的介入可以使 这种技术更快的普及起来。 2 0 0 6 年以来，各种指纹识别系统广泛应用于各个厂家的笔记本电脑中，成了 笔记本电脑的主流附加安全保护设备。 在国内，指纹识别技术主要应用于考勤系统和门禁系统中，例如用于准考证 管理系统中，可以保证报名者与考生身份完全一致，能够从根本上杜绝代考现象 的发生。2 0 0 3 年1 月，澳门特别行政区的居民己开始拥有指纹等生物特征的智能 身份证卡。北京也在2 0 0 4 年开始换发第二代身份证，其中的i c 芯片记录了指纹 信息和虹膜特征等生物特征信息。 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重要的作用，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实用化迈进。 1 4 论文工作简介及章节安排 本论文的主要内容是嵌入式指纹锁系统平台设计与实现，包括系统硬件结构 的设计与调试部分和软件开发与调试部分两个方面的工作。 ( 1 ) 硬件设计与调试部分 硬件设计与调试部分包括系统硬件原理图设计、硬件电路板设计和硬件调试。 主要包括：基于电容式指纹图像采集器的图像传感模块原理图设计、图像传感模 块电路板设计及其硬件调试；键盘及l e d 显示模块的原理图设计、电路板设计及 硬件调试；由d s p 处理器、存储器、自动电源切换模块以及所组成的系统主板的 5 电子科技大学硕士学位论文 原理图设计、电路板设计及硬件调试。 ( 2 ) 软件开发与调试部分 软件开发与调试部分包括系统应用程序设计及各个功能模块代码的开发与调 试。主要包括：对指纹匹配算法的进一步研究以及各个算法模块的嵌入式移植与 调试；基于d s p b i o s 操作系统的嵌入式应用程序的设计、开发、调试以及系统应 用程序的优化。 全文共分为六章，后面每章的主要内容如下： 第二章嵌入式自动指纹识别系统 简要介绍了指纹识别算法的基本原理，介绍了指纹识别算法的大体实现过程 和数据处理流程。另外还简略介绍了本系统的硬件构架。 第三章嵌入式指纹锁系统硬件平台设计 本章主要从芯片选型到硬件连接等方面介绍系统各个组成模块的硬件设计。 为了使系统能应用于各种场所，特别设计了可以自动在电源与电池之间自动切换 的电源管理系统。由于驱动和硬件设计息息相关，因此在介绍硬件的同时也介绍 相关驱动的设计。 第四章指纹匹配算法的研究 针对原有匹配算法匹配精确度不够高的问题，对指纹匹配算法做了进一步的 研究，并研究了一种改进的基于脊线追踪的指纹匹配算法。本章详细描述了算法 的原理、实现步骤及实验结果。 第五章系统应用程序设计 应用程序将所有的硬件协调起来，并在硬件平台上实现了指纹注册、匹配和 密码注册、匹配功能。本章首先简单介绍d s p b i o s 实时操作系统，然后详细介绍 了作为整个系统控制和管理的应用程序中各个功能模块设计，最后介绍本文中对 系统做了标准的和基于硬件特性的程序优化设计。 第六章总结与展望 对本文所做的工作做了简要总结，并展望未来指纹识别技术的发展方向。 6 第二章嵌入式自动指纹识别系统 第二章嵌入式自动指纹识别系统 2 1 指纹识别的基本原理 指纹识别技术是指使用某种指纹采集设备获取指纹图像，通过软件算法对指 纹图像进行预处理并提取出指纹的特征信息，最后通过特征匹配所得出的匹配结 果来鉴别指纹所有者身份的识别技术。 由于人类手指皮肤表面凸凹不平而产生的脊纹和谷纹形成了各种各样的纹理 图案，这些纹理图案被称为指纹。而整个指纹识别算法的核心是通过寻找出纹理 中的特征信息和特征匹配的方式来实现身份识别。通常将可以用于验证与匹配的 指纹特征分为三类特征：全局特征、局部特征和局部全局特征。 2 1 1 全局特征 全局特征是指可以用人眼直接观察到的特征，包括纹形、模式区、核心点、 三角点和纹数。 纹形( f i n g e r p r i n tt y p e ) ，顾名思义是指指纹的形状，主要有螺旋形( w h o r l ) 、 拱形( a r c h ) 和环形( l o o p ) 4 1 ，其他的指纹形状都是基于这三种基本形状，如图 2 - 1 所示。但仅仅依靠纹形来分辨指纹是远远不够的，这只是一个粗略的分类，要 通过更详细的分类才能使得在数据库中搜寻指纹更加方便快捷、更准确。 黧鬻震攀鳓 a 冀 1 e n l 。瓤f ) a l 乏_ ( 1 il ，i f ll 麓x p 驻l ；l i r1 p1 ) ( 致；b i 曩| ，pw f o r i 。 图2 - 1 指纹类型 模式区( p a t t e r na r e a ) 是指指纹上包括了全局特征的区域，即从模式区就能 够分辨出指纹是属于哪一种类型的。 7 电子科技大学硕士学位论文 核心点( c o r ep o i n t ) 位于指纹纹路的渐进中心，它在读取指纹和比对指纹时 作为参考点。许多算法是基于核心点的，即只能处理和识别具有核心点的指纹。 三角点( d e l t a ) 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 跟踪的开始之处。 纹数( r i d g ec o u n t ) 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 1 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 的局部特征点却不可能完全相同。指纹纹路并不是连续的、平滑笔直的，而是经 常出现中断、分叉或者转折。这些断点、分叉点和转折点就称为特征点。就是这 些特征点提供了指纹唯一性的确认信息。 特征点有以下几种分类【4 1 ，如图2 - 2 所示。最典型的是端点和分叉点，这两种 特征点也是经典的基于特征点匹配的指纹匹配算法中所主要使用到的特征信息。 a 孤立点( l i n e u n i t ) ：一条特别短的纹线以至于成为一个点。 b 线段( l i n e f r a g m e n t ) ：一条较短但不至于成为一点的纹线。 c 端点( e n d i n g ) ：一条纹线终结的地方。 d 分叉点( b i f u r c a t i o n ) ：一条纹线在此分成两条或者更多的纹线。 e 眼孔( e y e ) ：一条纹线分成两条之后，立即又合并成一条，这样形成的一 个小环成为眼孔。 f 钩( h o o k ) ：一条纹线分成两条纹线，其中一条较短的结构成为钩。 阅历闼豳圆圈 l l k 鲢一；n i tl i n e f r a g m l ! n tf n d i n ( ；b i f u r c a t r ) n e y 靛 图2 - 2 特征点类型 每个特征点除了具有不同类型的特点外，还具有其他几种特性： 方向性( o r i e n t a t i o n ) ：特征点所在脊线具有一定的方向。 第二章嵌入式自动指纹识别系统 曲率性( c u r v a t u r e ) ：描述特征点所在脊线附近方向改变的速率。 位置性( p o s i t i o n ) 特征点在整幅指纹图像中的位置，一般通过( 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 3 局部全局特征 局部全局特征是指在一幅指纹图像中，往往会存在多个局部特征点在同一条 脊线上的情况，这些原本相互毫无关联的特征点由于位于同一条脊线上而形成了 局部全局特征，如下图2 3 所示。 一个眼孔与一个端 点在同一条脊线上 漆。 - 两个分叉点在 ，一同一条脊线上 图2 - 3 局部全局特征示例 在具有相同指纹信息的指纹图像中， 大的提高指纹匹配算法的精确度。因此， 将局部全局特征信息拿入考虑，可以较 本文研究了一种改进的基于脊线追踪的 指纹匹配算法，相比经典指纹特征点匹配算法只考虑端点和分叉点的特点，该算 法利用了更多的信息，匹配性能也有显著提高，本文将在后面章节详细介绍该算 法。 2 2 指纹处理基本流程 指纹处理主要涉及指纹图像采集、指纹图像预处理、特征提取、特征匹配等 过程。首先，通过指纹采集设备获取指纹的数字图像，并对原始图像进行预处理， 提高图像质量，使之更清晰。然后，指纹识别算法从指纹图像中提取出所需的特 征数据，根据需要将特征信息存入指纹数据库中。最后，进行指纹识别时，由计 算机对预存的特征库中数据与当前获得的特征数据进行比较，通过各种匹配算法 计算出它们的相似程度，从而得到两幅指纹图像的匹配结果。可见，指纹识别过 9 电子科技大学硕士学位论文 程实质上是一个图像识别过程。对指纹图像处理的基本流程如图2 4 所示。 2 2 1 指纹图像预处理 图2 4 指纹处理基本流程 由于采集环境影响、手指的干湿程度和指纹头采集到的数据受传输线路和物 理器件的干扰，所采集到的指纹图像往往含有很多噪声，容易产生指纹图像断纹 和粘连现象，使得图像质量较差。通过图像预处理，可以有效去除椒盐噪声，增 强图像质量，为后续处理提供质量较好的数据源。 整个预处理过程如下：首先，由于图像中有指纹区域与背景区域，将指纹图 像数据通过指纹分割算法处理，分离出清晰的指纹区域和有噪声但可以恢复的指 纹区域，使后续处理集中于这些有效区域进行，减少了运算量。其次，由于指纹 的纹理性和方向性都很强，可以把指纹图像看作是有着确定纹理的流状模型，即 方向场或方向图。方向图作为一种可以直接从原始灰度图像得到的有用信息，在 指纹预处理中有着重要的作用，因此，在分割出的指纹区域中求取指纹方向图信 息。利用指纹的方向信息和纹理宽度，可以将指纹图像通过增强处理，增强后的 图像质量有显著提高，基本解决指纹图像断纹和粘连问题。由于基于特征点匹配 的指纹识别算法只对指纹的纹线走向感兴趣，将增强后的图像数据通过二值化与 细化算法处理得n - 值单像素指纹脊线图。 2 2 2 提取特征点 把细化处理后的图像依据算法设计进行特征点的提取，获得指纹端点和分叉 1 0 第二章嵌入式自动指纹识别系统 点等相关特征信息，得到一个指纹的特征数据信息集合。根据需要将特征信息存 入指纹数据库中。 2 2 。3 特征点匹配 把采集到的指纹图像经过预处理、特征提取后，与指纹数据库中已有的特征 数据进行匹配，找出最相似的指纹作为识别的最终结果。由于各种因素的影响， 同一枚指纹两次输入所得的特征数据很可能不同。因此，只要输入指纹的特征模 板与所存储的特征模板相似度达到一定程度，系统就认为这两枚指纹相匹配，这 个相似度我们定义为“匹配度 。当匹配度大于某一阈值时，认为两指纹匹配；相 反，当小于该阂值时，认为不匹配。阈值大小通常根据经验、系统安全级别等因 素人为设定。阈值较大时，系统安全性增加，但拒识率( f r r ) 将升高；反之，系 统易用性好，但误识率( f a r ) 要升高。因此，在实际系统设计时，要兼顾易用性 和安全性，寻找f r r 和f a r 之间合适的平衡点。 2 3 自动指纹识别系统 自动指纹识别系统( 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 ) 目前已得到广 泛应用，随着电子计算机的出现，指纹采集技术的发展，同时为解决人工鉴别指 纹工作量大、效率低的问题。1 9 6 0 年，美国联邦调查局( f b i ) 、英国内务部( h o m e o f f i c ei nt h eu k ) 和法国巴黎警察局( p a d sp o l i c ed e p a r t m e n t ) 开始投巨资研发自动 指纹识别系统( 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 ，a f i s ) 并于1 9 7 5 年成功推 出了第一个商业化系统p r i n t r a k 2 5 0 。日本从1 9 7 5 年开始进行研究，并于1 9 8 2 年将 n e c a f i s 投入使用。我国也在8 0 年代初对指纹识别开始研究，并取得了一定的成 功。目前，北京大学信息中心、清华大学自动化系、北京邮电大学等单位都在此 领域进行着深入的研究工作。几年前，香港和澳门特别行政区的居民已经开始使 用拥有指纹等生物识别信息的智能身份证，在海关出入境检查时，只需要将指纹 放入自动指纹识别系统采集器上，便可快速完成身份认证并通关。 我们可以展望，在不久的将来，在各国政府的重视与推动下，生物特征识别 技术将越来越深入到人们日常生活中，以身份证、护照为基础的生物特征识别技 术的应用将在社会生活各个方面开始大规模应用。人们可能越来越习惯使用指纹 作为自己的身份证、银行密码、开门的钥匙。 1 l 电子科技大学硕士学位论文 2 4 嵌入式指纹识别系统 现在，利用指纹识别技术的应用系统常见的有两大类，即连接p c 的桌面应用 系统和嵌入式系统。连接p c 的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，但是由于需要连接计算机 才能完成指纹识别的功能，其限制了这种系统在许多方面的应用。而嵌入式系统 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，应用于需完成特定功能的场合。例如指纹门禁锁系统和指纹考勤机 就是嵌入式系统。这种系统具有速度快、体积小、接口多、保密性强等优点被应 用在各种领域。 嵌入式自动指纹锁系统主要包括嵌入式硬件系统结构、嵌入式指纹识别算法 以及管理应用程序的嵌入式操作系统。本文所描述的嵌入式系统是针对原有指纹 识别系统结构复杂、功耗较大的问题，重新设计而成。分析发现，由于原系统是 由d s p + f p g a 的处理器结构，虽然提高了匹配速度，但是以增加系统功耗与成本 为代价换来的，从而限制了其应用范围。 为了克服功耗大、成本高的问题，新的系统重新设计了整个硬件结构，采用 高性能、低功耗的d s p 芯片t m s 3 2 0 v c 5 5 0 2 作为核心处理器，仅仅通过一片d s p 芯片即可完成从指纹图像获取、预处理到指纹匹配等功能，大大降低了系统功耗 与成本。在电源管理模块中设计了自动电源切换电路，在不需要d s p 控制的情况 下，可以自动完成直流电源供电与电池供电两种供电模式之间的切换，延长了系 统可连续使用时间，也使得该硬件设计方案更具有实用性，可广泛应用于门禁、 移动式指纹识别设备等各种领域。 2 5 本章小节 本章简要介绍了指纹识别技术的基本原理、算法处理流程，并概略的介绍了 局部全局特征及以此为基础而改进的一种新的指纹匹配算法。最后，介绍了嵌入 式指纹识别系统。为克服原有系统功耗大、成本高、适用范围有限的不足而设计 了一种新的基于高性能、低功耗的d s p 嵌入式系统设计方案。 1 2 第三章嵌入式指纹锁系统硬件平台设计 第三章嵌入式指纹锁系统硬件平台设计 嵌入式指纹锁系统硬件平台是嵌入式应用程序与指纹识别算法运行的物理平 台。综合考虑器件选型、功能合理、结构简单、低功耗、低成本、适用范围广、 工作稳定、可拓展接口与调试方便等方面的因素，本系统硬件设计方案由以下几 个部分组成：核心处理器( d s p ) 、系统电源管理、存储设备( s d r a m 和f l a s h ) 、 指纹图像采集、人机交互模块( 键盘和l e d 数码管) 、电子锁控制模块和数据传 输接口( u a r t 接口) 。整个系统硬件结构如图3 - 1 所示。 图3 - 1 系统硬件结构框图 d s p 是整个嵌入式指纹识别系统的核心，它不仅要完成指纹识别算法和图像 处理，还负责调度各种应用程序在d s p b i o s 操作系统下的运行并控制其他外部设 备，如f p s 2 0 0 、键盘、l e d 显示、电子锁等。 由于整个系统使用+ 5 v 、+ 3 3 v 、+ 1 2 6 v 三种电平，系统电源管理模块通过采 用开关型直流稳压芯片t p s 6 2 0 4 6 、m a x 8 8 7 h 、t p s 6 0 1 3 2 将输入范围为4 6 v 的 直流电源分别转换成+ 3 3 v 、+ 1 2 6 v 和+ 5 v 电平，为d s p 、指纹采集头、电子锁 等供电。为了满足系统长时间持续工作的需要，电源管理模块中专门设计了自动 电源切换电路，可以在电池组供电和外接直流电源供电这两种方式中自动切换， 电子科技大学硕士学位论文 保证了整个系统可以长时间不间断工作。 系统存储设备s d r a m 用于程序执行和数据暂存；f l a s h 用于存储程序代码 和指纹数据库。 电容式压感指纹采集头f p s 2 0 0 是v e r i d i c o m 公司推出的第三代指纹采集设备， 具有采集方便、功耗小、图像分辨率高等优点，因此被本系统采用。f p s 2 0 0 将获 取的图像通过自身的d 转换后变成2 5 6 灰度级的数字图像，通过扩展存储器接 口( e m i f ) 存放到s d r a m 中供后续处理。 人机交互模块提供有键盘输入和l e d 显示功能。5 * 3 的键盘用于控制系统工 作和输入密码等，而l e d 将显示系统工作状态、操作提示和指纹识别的结果。这 两大功能都是通过z l g 7 2 9 0 芯片实现。 电子锁控制电路模块用来实现d s p 对电子锁的开关控制以及对电子锁中电机 的驱动。u a r t 主机数据通信接口用以实现嵌入式系统和p c 的通信，完成数据的 传输功能，以方便系统应用程序的调试。 由于本系统硬件设计方案只通过一个低功耗d s p 完成所有硬件系统的控制和 算法处理，整个硬件系统运行时功耗在1 w 左右，待机功耗只有5 5 m w ，使得整个 系统具有结构简单、低成本、低功耗的特点，完全满足嵌入式指纹锁系统的设计 需要。本章将在下面各小节分别描述系统的各个主要模块的芯片选型、在硬件上 的实现以及驱动程序设计。 3 1 d s p 处理器 信息社会的发展在很大程度上取决于信息与信号处理技术的先进性，d s p 芯 片便是现代信息与信号处理技术发展的最新产物。d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r s ) 【5 】芯片，即数字信号处理芯片，是一种用于数字信号处理运算的专用微处理器，其 特有的稳定性、可重复性、可大规模集成、可编程性高和易于实现自适应处理等 特点，给数字信号处理的发展带来了巨大机遇，并使信号处理手段更灵活，功能 更复杂，其应用领域也拓展到国民经济生活的各个方面。 3 1 1d s p 芯片的特点 d s p 作为一种微处理器，是为完成数字信号处理任务而设计的。数字信号处 理的高效率实现是d s p 的设计核心。常用的d s p 结构具有以下特点： 1 4 第三章嵌入式指纹锁系统硬件平台设计 1 具有硬件乘法器和m a c 单元。 在一般的计算机上，算术逻辑单元( a l ，u