（通信与信息系统专业论文）便携式指纹仪的设计与实现.pdf

摘要由于指纹的唯一性和不变性，指纹认证相对于传统的口令认证方式具有更高的安全性和易用性。为了使指纹认证更加方便，本文针对d s p 处理平台，设计了指纹识别算法，设计出一个便携式指纹仪。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。首先，针对d s p 处理平台相对于p c 机在运算速度和存储器资源上的限制，在保证不影响处理效果的前提下，对于先前在p c 平台上实现的指纹识别算法进行了改进，增强了指纹各处理模块的独立性，提高了算法运行的并行度。然后通过硬件体系结构的设计，完成了便携式指纹仪。本文的工作主要集中在以下几个方面：在指纹预处理阶段，我们在求取方向和频率时都作了改进，并对g a b o r 滤波器进行了优化；在特征提取阶段，我们没有对图像进行细化处理，而是采用基于s u s a n 的特征点提取算法；在指纹匹配阶段，我们在模板拼接的基础上，提出了一种改进的复合匹配算法，利用方向匹配对点匹配结果进行校验。硬件设计上，根据便携式指纹仪的实现要求，综合考虑成本与性能等因素，按模块对便携式指纹仪进行了设计。实验证明便携式指纹仪设计比较合理、方案可行性高、有一定的实用价值与应用前景，并对采用d s p 为核心来构建嵌入式处理系统的方案提供了一些有价值的参考。关键词：自动指纹识别系统便携式指纹仪器，图像处理，d s pa b s t r a c tc o m p a r i n gw i t ht h et r a d i t i o n a li d e n t i f i c a t i o ni sm o r er e l i a b l ea n di d e n t i f i c a t i o nw a y s ，f i n g e r p r i n tc a p a b l ef o ri t su n i q u e l i t ya n di n f l e x i b i l i t y i no r d e rt om a k em o r ec o n v e n i e n c e o ff i n g e r p r i n ti d e n t i f i c a t i o n ，af i n g e r p r i n ti d e n t i f i c a t i o na l g o r i t h mi su s e di nt h ed s p ,a n dap o r t a b l ef i n g e r p r i n td e v i c ei sd e s i g n e di nt h i sp a p e r i tc a ni n d e p e n d e n t l ya c c o m p l i s hi t sd e s i g nf u n c t i o nw i t h o u tc o n n e c t i n gc o m p u t e r so ro t h e re q u i p m e n t s f i r s t ，c o m p a r i n gw i t ht h ep c ，d s pp r o c e s s i n gp l a t f o r mh a sr e s t r i c t i o n si nc o m p u t a t i o ns p e e da n dm e m o r yr e s o u r c e b e c a u s eo ft h er e s t r i c t i o n s ，w ei m p r o v et h ep r e v i o u sp c b a s e df i n g e r p r i n ta l g o r i t h mt oe n h a n c et h ei n d e p e n d e n c yo fe a c hf i n g e r p r i n tm a n a g em o d u l ea n da d v a n c et h ep a r a l l e lo ft h ea l g o r i t h mw i t h o u ti n f l u e n c i n gt h ep r o c e s s i n ge f f e c t a n dt h e n ，t h r o u g ht h ed e s i g n i n go ft h eh a r d w a r e ，w eh a v ed e s i g n e dap o r t a b l ef i n g e r p r i n t t h i sp a p e r m a i n l yf o c u s e so nt h ef o l l o w i n ga s p e c t s ：a tt h ep r e t r e a t m e n ts t a g eo ff i n g e r p r i n t ，w ei m p r o v et h ea l g o r i t h m so fd i r e c t i o na n df r e q u e n c y , a sw e l la so p t i m i z eg a b o rf i l t e r s ；a tt h es t a g eo fa l g o r i t h m so fm i n u t i a ee x t r a c t i o n ，w ed on o tt a k et h ep r o c e s s i n go fr i d g et h i n n i n g ，b u tt a k et h en e wa l g o r i t h mo fm i n u t i a ee x t r a c t i o nb a s e do ns u s a n ；a tt h es t a g eo ff i n g e r p r i n tm a t c h i n g ，ai m p r o v e dm e t h o do nb a s i so ft h eb u i l d i n gi n t e g r a t e dt e m p l a t ei sp r o p o s e d ，w h i c hu s e st h ed i r e c t i o no fm a t c h i n gb l o c kt oc h e c kt h er e s u l t so fm i n u t i a em a t c h i n g ：i nt h ed e s i g n i n go fh a r d w a r e ，a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so fr e a l i z a t i o np o r t a b l ef i n g e r p r i n t ，w ed e s i g nt h ep o r t a b l ef i n g e r p r i n td e v i c ea ss o m em o d u l e m o r eo v e r , b o t ht h ec o s ta n dt h eq u a l i t ya r ea l s oc o n s i d e r e d t h es t u d i e sp r o v et h a tt h ed e s i g no fp o r t a b l ef i n g e r p r i n ti sr e a s o n a b l ea n df e a s i b l e i th a ss o m ev a l u e so fp r a c t i c a l i t i e sa n ds o m ep o t e n t i a lo fa p p l i c a t i o n s a n di ta l s op r o v i d e ss o m ev a l u a b l er e f e r e n c e sf o rt h ed e s i g n i n go fp r o c e s s i n gs y s t e mb a s e do nd s ek e yw o r d s ：a f v s ，p o r t a b l ef i n g e r p r i n t ，i m a g ep r o c e s s i n g ，d s p原创性声明本人声明，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。尽我所知，除了论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，也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说明。作者签名：缝日期：o 盟年月且日作者签名：丝日期：o 盟年月且目关于学位论文使用授权说明本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。作者签名：么虹导师签名劢幽日期：土型年月盟日硕士学位论文第一章绪论1 1 课题背景第一章绪论随着经济和社会的发展以及信息技术的迅速发展与推广，人们之间的信息交流变得更为方便快捷，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，这对个人身份认证技术提出了重大的挑战! 如何自动、快速、准确地认证个人身份，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。现代身份认证技术不但要求具有极高的安全性( 准确性) ，鉴别过程自动化、易于管理和以人为本也是它应该具备的关键性特征。今天，利用高速计算机对密码和个人身份标识p i n 进行自动攻击也正变得越来越容易。传统的身份鉴别技术在当今高度数字化信息化的社会已经不能满足信息安全的需要，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。由于人体的身体特征具有不可复制的特点，人们把目光转向了生物识别技术。希望可以借此技术来应付现行系统安全所面临的挑战。生物识别技术是利用人体生物特征进行身份认证的一种技术，它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，形成特征模板。当人们用识别系统进行身份认证时，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。与传统的身份认证手段相比，基于生物特征的身份鉴别技术具有唯一性、方便性、随身性等优点。基于生物特征，人们发展了指纹识别、面部识别和发音识别等多种生物识别技术。表卜1 给出了一些常见的生物特征的简单比较。指纹识别相对于其他生物识别技术是一种更为理想的身份鉴别技术。原因如下1( 1 ) 指纹具有相当的稳定性。他不会随着人的年龄的增长或身体健康程度的变化而变化。( 2 ) 唯一性。指纹是独一无二的，两人之间不存在着相同的手指指纹。( 3 ) 易操作性。便于获取指纹样本，易于开发，识别系统实用性强。( 4 ) 指纹识别中保存的大都是指纹特征模板，这样使系统对模板库的存储量较小。而且由于信息量少便于网络传输，利于实现异地确认。( 5 ) 十个手指指纹皆不相同，这样，可以方便地利用多个指纹构成多重口令，提高系统的安全性。硕士学位论文第一章绪论表卜1 几种生物特征识别技术的特性比较识别类型普遍性唯一性永久性采集性操作性接受性抗干扰性人脸高低d 高低高低指纹中高中中高字迹低低低高低高低语言由低低出低高低手形中中d j高中由中手静脉由中由由由中向虹膜高高高中高低高视网膜高高中低低高脸部热成像高局低高中高高同时计算机技术、电子技术，生物技术的发展也为指纹识别技术及其设备的发展创造了有利条件。如( 1 ) 电容传感器等低价位取像设备的引入及其飞速发展，使得指纹识别系统的体积和价格得以大幅下降。( 2 ) 随着集成电路的深亚微米制造技术和设计技术的迅速发展，使可编程逻辑器件，d s p 等集成电路产品进一步发展。( 3 ) 活体指纹识别技术的发展成功，使指纹识别系统可不需由特定人士操作，成为一般人可以使用的工具。指纹识别技术和设备迅速发展，无论是政府，还是公司或令人基于安全的需要都越来越多的采用该技术和设备。在金融证券、i t 业、安防业、医疗、社会福利等其他领域，指纹识别技术和设备都被广泛使用。特别是民用市场，所以对指纹设备的便携性要求日益增高，便携式指纹设备的开发成为迫切需要解决的问题。1 2 自动指纹识别技术及其设备的研究现状自动指纹识别技术主要由两部分组成：采集技术和识别技术。1 “。较早出现的活体指纹采集设备是光电式的，现在仍为大多数自动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，在某些条件下可提高指纹采集的质量，但在耐磨性和稳定性等方而还存在一些问题。对于、湿、脏的指头或磨损严重的指纹均能可靠、正确地进行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，国外很多国家都有公司或专门机构在从硕士学位论文第一章绪论事自动指纹识别技术的研究。欧美国家凭借其强大的科技力量和经济实力，在该领域的研究和开发中处于领先位置。美国的i d e n t i c a t o r 、i b m ，i n t e r 、m i c r o s o f t 、d i g i t a l p e r s o n a 、m o t o r o l a 、v e r i d i c o m 、法国的s e g a m 等都有专门的机构从事该项技术的研究、开发和应用，并有相应产品问世。国内，清华大学在8 0 年代开始指纹识别的研究。中科院自动化所模式识别国家重点实验室自9 0 年代以来，一直致力于“基于生物特征的身份鉴别”的研究，在指纹方面已经取得了很多的研究成果。另外，我国的北京大学视觉与听觉信息处理国家重点实验室、国防科技大学、吉林大学、北大方正集团、长春鸿达集团、西安青松集团等机构也陆续歼展了这方面的研究工作，取得了很多成果。纵观国内外现有的指纹识别技术和设备，存在着两个方面的问题。一方面，系统集成度较高、实时性较强、鲁棒性较好的指纹识别系统大都是基于p c 平台的，这就极大的限制了指纹识别设备的使用范围，并且提高了系统成本。另一方面，在基于嵌入式平台的指纹识别系统中，由于d s p 处理能力相对( p c ) 低下、嵌入式平台资源受限等一系列原因，不锝不采取折衷、简化的方法：简化预处理过程或降低运算精度，其直接后果是降低了系统的性能，特别是鲁棒性往往很不理想。所以迫切需要设计一种改进的指纹算法，能够在嵌入式平台资源有限的前提下，与p c 机上指纹识别算法达到相似的处理效果。1 3 研究目的与意义从指纹识别系统的发展趋势来看，当今蓬勃发展的民用指纹识别市场以普通公司和大众为目标，着眼于实现方便快捷高效安全的个人身份认证功能。为了满足人们对易用性、方便性和舒适性等多方面的追求，指纹识别设备正朝着小型化、嵌入式和全自动方向发展，特别是基于d s p 和嵌入式的便携式指纹产品是指纹识别设备发展的主流方向。对于便携式产品的开发，其软件方面，在功能上要考虑到识别算法对不同大小、类型的指纹图像都具有较强的自适应性能，能够在无用户干预的情况下自动进行识别。在实现上要考虑到以下两个方面的因素：( 1 ) 是否占有非常少的内存，( 2 ) 是否具有较小的运算量；硬件方面，在设计上必须满足低功耗，而且安全稳定，轻巧易用的要求。所以本文的主要目的就是设计出快速且具有良好自适应能力的指纹识别算法，并将d s p 技术与指纹识别算法有机的结合起来，开发出既满足系统鲁棒性3硕士学位论文第一章绪论要求，又适合于b s p 实现的算法，并最终设计出较为安全稳定的便携式指纹仪。便携式指纹仪的开发不仅具有迫切的市场需求和良好的市场前景，而且可以提高我们的安全防范水平，也可以产生很大的经济效益、社会效益。同时可以带动计算机、电子、光学、图像处理、模式识别等相关学科的发展，具有很大的理论与现实意义。1 4 论文组织结构本文首先介绍了本课题的背景与选题目的和意义，分析并介绍了国内外在该领域的研究现状和基本原理，然后详细论述了包括指纹预处理，指纹特征提取和指纹匹配算法的软件没计，最后设计实现了嵌入了本文指纹算法的便携式指纹仪。全文共分为6 章，各章主要内容如下：第一章为绪论，首先提出了本文研究内容的课题来源和课题背景，然后介绍了指纹识别技术的国内外现状和发展趋势，并提出了本文的研究内容和结构。第二章为便携式指纹仪的设计原理，首先介绍了指纹识别的基本原理和基本流程，然后论述了便携式指纹仪的设计原理。第三章为指纹预处理算法设计，本章中详细的论述了包括指纹增强和二值化的预处理过程。提出了改进的多级分块尺寸梯度算法，改进的频率求取算法以及g a b o r 滤波器的优化设计，并给出了实验结果。第四章为指纹特征提取和匹配算法设计，采用基于s u s a n 原理的指纹提取和后处理算法，提出了一种改进的基于方向图校验的缅节点多级匹配算法，并结合拼接的特征模板进行匹配，并给出了相应的试验结果。第五章为便携式指纹仪的设计，详细讲述了便携式指纹仪的整体设计。第六章是总结与展望。对本文所做的工作进行了总结，并阐述了下步的研究工作。4硕士学位论文第二章指纹识别的原理第二章便携式指纹仪的设计原理指纹识别市场以普通大众为目标，实现方便、快捷、高效、安全的个人身份认证功能。人们对易用性、方便性和舒适性的追求，促使指纹识别设备向小型化、嵌入式和全自动方向发展这对指纹识别设备的设计与实现提出了重大的挑战。我们设计了一种基于d s p 的便携式指纹仪，它可以脱机工作也可通过接口进行二次开发从而方便快捷地整合到其它系统中去。本章在介绍指纹特征，自动指纹识别算法流程的基础上，论述了便携式指纹仪的设计原理。2 1 指纹特征简介指纹特征一般可以分为两大类，全局特征和局部特征。全局特征是指必须根据图像的整体才能获取的特征，如图像的傅立叶频谱。常用的全局特征有( 1 ) 纹型，如可分为弓型纹、箕型纹、斗型纹等。数据库中的指纹通常根据纹型进行索引，以减小搜索范围；( 2 ) 模式区，模式区是指纹上包括总体特征的区域：( 3 ) 核心点，指纹纹理的渐进中心。它通常用作比对的参考点，许多算法只能处理和识别具有核心点的指纹；( 4 ) 三角点，三种不同方向纹理的交汇点。它可以作为指纹纹路的计数跟踪起点；( 5 ) 纹数，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。局部特征又叫做细节特征，有1 5 0 种之多“但这些特征出现的概率并不相等很多特征是极其罕见的。现在所用到的局部特征都是纹脊线上的节点特征，这些具有某种特征的节点称为特征点。最初由g a l t o n 定义了四种基本的细节特征点：端点、分歧点、孤立点、小j l 。随着识别技术的发展，这些定义或被简化或被扩展。现在，在匹配时用得最多的两种细节特征是端点和分叉点。其他经常用到的还有：短脊、交叉点、脊线断点、桥等。在便携式指纹仪的设计中，采用使用了脊线端点和分叉点两种特征点的指纹识别算法。2 2 自动指纹识别的算法流程根据提取算法和使用的特征数据，可以将自动指纹识别算法分为多种类型，不同的算法在原理和实现上有着较大的差异。但是，算法的流程基本可以分为四个阶段：图像采集，图像处理，特征提取和特征匹配。基本原理框图如图2 一l 所示。首先，通过指纹采集设备读取得到指纹的数字图像；接着对原始图像进行预5硕士学位论文第二章指纹识别的原理处理，使之更清晰；然后，指纹识别算法将建立指纹图像的简约数字表示特征数据。这些数据的集合通常称为模板。模板的定义目前由制造商或使用方按实际需求确定；进行指纹识别时，由系统对预存的模板与当前获得的特征数据进行比较，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。图2 1指纹识别基本流程框图( 1 ) 指纹采集主要是使用图像采集设备完成对图像的采集。指纹图像设备分为三类：光学取像设备，晶体传感器和超声波扫描取像设备。它们都有各自的优缺点，设计指纹识别系统时，根据系统要求进行相应的选择。( 2 ) 通常，由于人体外表皮纹线的异常信息、胎记、职业标记以及采集装置的问题等诸多因素的影响，数字指纹图像往往不具备细节提取算法所需要的严格定义的细节特征。为了确保特征提取算法的性能对指纹图像的质量具有足够的鲁棒性，指纹图像处理这一步是必不可少的。预处理就是抑制背景嗓声，增强脊和谷的对比度，处理后的图像不形变，而且应有好的对比度和清晰度。这一过程包括图像分割，增强，二值化，细化等过程。( 3 ) 特征提取把指纹图像的纹线走向，纹线断点、交叉点等能充分表示该指纹唯一性的特征用数值的形式表达出来。为了比对的准确性，要求特征提取算法尽可能多地提取有效特征，同时滤除有各种原因造成的虚假特征。然后把所得到的特征加以保存，形成特征模板。( 4 ) 指纹匹配是自动指纹识别系统( a f i s ) 的核心研究内容之一，它在指纹特征提取之后，是自动指纹识别的最后一步，也是非常关键的一步。指纹匹配主要是依靠比较两枚指纹的局部纹线特征和相互关系来决定指纹的唯一性。而指纹的局部纹线特征和相互关系都是通过细节特征点的数量、位置和所在区域的纹线方向等参数来度量的。这些细节特征的集合形成一个拓扑结构。指纹匹配的过程实际就是两个拓扑结构的匹配问题。由于各种因素的影响，同一指纹两次输入所得的特征模板很可能不同。因此，只要有输入指纹的特征模板与所存储的模板相似时，就说这两个指纹是匹配的。于是产生了有关的衡量标准的问题。通常，匹配结果用“匹配度”来表示。当匹配度大于某一阈值时，认为两指纹匹配：相反，当小于该阈值时，认为不匹配。阂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f r r ( 拒识率) 将升高：反之，系统6硕士学位论文第二章指纹识别的原理易用性好，但f a r ( 误识率) 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 的合适平衡点。2 3 便携式指纹仪的设计原理我们在上述理论的基础上，根据便携式指纹仪的要求，完成了便携式指纹仪的设计。在这里我们详细的介绍了便携式指纹仪的设计原理。事实上，便携式指纹仪的设计关键在于如何设计合适的算法以及如何建立合适的硬件体系结构并加以实现。便携式指纹仪的设计原理主要从两方面进行论述：一方面是软件设计，主要是可以在d s p 中使用的高效的指纹处理算法的设计；另一方面是硬件设计，主要以t i 的t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 的d s p 处理器为核心，外挂大容量的高速s r a m 和f l a s h ，通过c p l d 实现全局控制。2 3 1 指纹识别算法在p c 机上的实现传统的p c 具有如下特点：( 1 ) p c 处理器工作频率高、计算速度快、功能强大：( 2 ) 基于p c 平台的外部总线拥有成熟的体系结构，速度较快，性能稳定；( 3 ) p c 平台支持超宽的数据总线，海量高速的可扩展内存，再加上大容量数据c a c h e 的支持，使得它在处理大量数据运算( 数学运算) 和数据存取方面有着独到的优势：( 4 ) 方便的软件开发工具。正因为如此，现有的指纹识别算法大都在p c 机上实现。其整个过程包括图像采集、预处理、特征提取、识别匹配等，其中预处理、特征提取和匹配识别的算法大都比较复杂、计算量大。2 3 2 便携式指纹仪的指纹识别软件设计便携式指纹仪的软件设计的开发过程如图2 2 所示。软件设计使c c s 2 2d s p 程序使目标系统板用m a 廿a b 对as i m u l a t o r 进j 用e v m 进集成，进行算法进行验一行调试，设行评估，调试证计d s p 程序图2 - 2 便携式指纹仪的软件开发过程便携式指纹仪的软件设计主要包括：指纹识别算法的设计( 采用m a t l a b 对指纹算法进行改善，从而减少算法运算量) 和如何把指纹识别算法进行改进，以便在便携式指纹仪中使用两个方面。硕士学位论文第二章指纹识别的原理( 1 ) 在指纹识别算法的设计上，我们要对现有的p c 机上的指纹识别算法进行改进，在不影响处理效果的前提下，实现算法的简化。比如我们在设计指纹特征提取算法时，就采用了不要细化处理，并可以简化后处理过程的基于s u s a n的特征提取算法。另外，结合系统硬件的特点，我们尽量让指纹识别算法的各个流程相互独立，这样便于系统的并行处理。比如在设计增强算法的时候，很多原有的p c 机上的指纹算法往往把频率计算建立在方向计算的基础上，这样必须在完成了方向计算以后才能对频率进行计算。在我们的算法中。对于方向计算和频率计算，我们把它作为两个并行处理环节，互相独立，而不是彼此依赖。这样可以并行处理，提高了运算效率。( 2 ) 在算法改进方面，d s p 上c 语言的编译效率不高，一般只能达到4 0 1 。指纹识别的核心算法十分复杂，数据运算量很大，程序中某些耗时的部分用c编译将会降低效率增加时问。而基于d s p 的优化编程就是利用d s p 对数据进行循环处理的特性以及d s p 在数字信号处理方面的特性，充分挖掘d s p 循环算法的并行流水处理功能。为了充分发挥d s p 的以上特点，又要兼顾c 语言编程的可移植性、易维护性的特点，所以采用混合编程的思想。在某些关键复杂的耗时部分采用汇编语言重新编写和编译，而一些简单的不影响运行时间的部分采用c 语言编写。2 3 3 便携式指纹仪的硬件设计便携式指纹仪的硬件设计主要包括搭建硬件平台和规划设计处理流程以及任务分配。需要解决以下几个问题：( 1 ) 建立合适的硬件体系结构，满足各方面任务在时序和资源上的要求。其中也包括硬件设备的选型；( 2 ) 解决嵌入式系统对存储器资源的要求，实现廉价的大容量高速存储系统：( 3 ) 优化处理程序。合理利用d s p 处理器的性能特点以及便携式指纹仪上可编程逻辑器件c p l d 的特点分配任务、优化程序，提高系统的并行程度和资源利用率。( 4 ) 需要具体规划和设计数据处理的流程和处理任务的分配。合理的设计方案有利于提高系统并行度和资源利用率，充分发挥系统各部分的处理能力，减少不必要的操作开销，使系统真正高效可靠的运行。在本文中就采取了如下的处理流程：首先是系统上电之后，d s p 选择程序加载的方式，通过f l a s h 的1 6 根数据线加载到d s p 片内的d a r a m 中。然后程序加载成功后，d s p 执行初始化程序，为系统正常工作设置相应的参数。一旦按键被按下则表明要进行指纹识别，d s p只硕士学位论文第二章指纹识别的原理启动f p s 2 0 0 进行指纹采集，c p l d 占用数据总线，并将指纹数据存放到数据s r a m中。采集完毕，又由c p l d 通知d s p 对指纹图像进行预处理、特征提取与特征匹配。最后根据匹配的结果判断出所采集的指纹是否是合法身份，如果是系统会显示通过：如果不是合法身份，则系统会显示报警。9硕士学位论文第三章指纹预处理算法设计第三章指纹预处理算法设计在便携式指纹仪中，采集的指纹图像由于各种原因的影响，是一幅含有噪音较多的灰度图象，预处理的目的就是去除图像噪声，便于提取指纹特征，其结果直接影响着便携式指纹仪的效果。常规的预处理主要有指纹增强，二值化，细化等几个步骤。根据便携式指纹仪的设计要求，简化了一些对本文提出的特征点提取算法用处不大的预处理环节。对指纹图像进行了增强和二值化的预处理。本章主要侧重于讨论指纹增强和二值化两个方面，因为指纹增强问题，是指纹图像预处理的关键，而二值化的效果也直接影响了基于s u s a n 原理的细节点提取效果。3 1 指纹增强算法的设计在便携式指纹仪的设计中采用的是半导体指纹芯片，它的优势是体积小，易于嵌入到便携式指纹仪器中。但就采集质量而言，不比光电设备采集的图像质量高，在某种程度上是在下降。因为其接触面积小，使得其采集的图像所包含的信息不如光电设备丰富，使指纹的重叠面积减小等。而且由于手指在各部分的压力不均，使得指纹会在不同区域产生非线性弹性形变。另外设备接触表面的不清洁，手指表面损伤、水分、油脂等因素都会给指纹图像加入噪声。所有这些都使我们在指纹图像提取前要先去处理原始图像，对原始指纹图像进行增强，提高图像质量。便携式指纹仪中采用基于g a b o r 的纹理滤波增强算法，通过增强确定方向上的脊线，抑制图像中其他方向的信息，达到去除噪声的目的。指纹增强算法的主要步骤如下：l 灰度规格化。将指纹图像的灰度均值和方差调整到统一的范围，使后续操作具有统一的标准。2 求指纹方向图。求出每个像素点处局部纹线的方向。3 求指纹纹线的平均频率。不同指纹的纹线粗细可能不同，但一般来说同一个指纹中的指纹纹线粗细大致均匀，因此对同一指纹图像的不同区域可以求取统一的纹线频率。4 滤波处理。根据求得的纹线方向和平均纹线频率设置相应6 a b o r 滤波器的参数，对指纹图像进行滤波增强处理。1 0硕士学位论文第三章指纹预处理算法设计3 f 1 指纹图像归一化首先为使输入的指纹图像具有相同的均值和方差需要对图像指纹进行归一化( n o r m a l i z e ) 处理，目的是减少沿着脊线和谷线方向上的灰度变化而不改变脊线和谷线结构的清晰对比度，便于后继处理“。计算过程如下：设指纹图像i 定义为m x n 的矩阵，i ( i ，j ) 表示象素( i ，j ) 的灰度值大小则图像的灰度平均值为：删2 志萎酽1 )图像的灰度方差为：蹦阶志萎削讣m ( 纠2( 3 - 。)用g ( i ，j ) 表示归一化后的图像在( i ，j ) 的灰度值，则归一化后的图像在象素点( i ，j ) 的值由下式确定：g ( f ，) =协摩，撕咖埘 厚舵其中，m o 和v a r o 分别为预先假设的均值和方差，由实验确定据图象采集时分辨率的高低。在本文中，m o = 1 2 5 ，v a r o = 1 2 5 。3 1 2 方向图计算的梯度算法( 3 - 3 )其值大小根指纹图像是由纹路和纹谷交替排列而成的，纹路具有明显的方向性，纹路方向性是指纹图像的基本特性。准确提取指纹图像的方向信息，在自动指纹识别技术中是至关重要的。指纹纹线提取算法必须利用方向信息，方向信息提取的准确，才能够根据它构建合适的模板，才能沿指纹纹线的法向方向对图像进行增强，以突出纹线的边缘信息。这样才能够保留和突出指纹图像的固有特征信息，减少伪特征点的出现，保持真正的特征点少丢失。指纹图像关键特征的提取，如奇异点和节点的检测，都与纹路方向的计算有关。所以纹路方向的正确计算是自动指纹识别中的前提和基础，是自动指纹识别中要解决的首要难题。纹路方向的计算方法可以分为两大类型：基于像素灰度关系的方法“3 1 6 1 和基硕士学位论文第三章指纹预处理算法设计于方向场模型的方法“7 。2 9 1 。基于方向场模型的方法无不依赖于核心点和三角点的准确监测，而核心点和三角点的准确检测又依赖纹路方向的正确计算。方向场模型利用的是启发式知识，根据奇异点位置可以预测全局纹路的大致走势，这样预测出来的纹路并不能代表纹路的真实方向，而且具有相同奇异点位置的两幅指纹图像完全可能拥有明显不同的纹路方向场。基于像素灰度关系的方法可以用来计算每个局部区域的纹路方向，其中最有名的方法是基于梯度矢量的方法o ”，基于梯度矢量的纹路方向计算方法在自动指纹识别中得到了广泛应用。该方法计算指纹图像在每个象素处的梯度矢量，梯度矢量方向是代表指纹图像在该像素处沿着该方向灰度变化最快，梯度矢量的大小代表灰度变化的快慢，局部区域内梯度矢量较大的象素位于纹路的边缘，局部区域的纹路方向主要由这些边缘象素决定，因为结构清晰的纹路区域，其边缘象素的梯度矢量基本垂直于纹路方向。但梯度方法容易受噪音干扰，在低质量区域经常会出现许多梯度矢量较大的象素其梯度矢量方向不垂直于纹路走向，从而导致错误的纹路方向。h o n g ”1 和詹小四1 等采用低通滤波器对指纹图像的方向进行低通滤波。采用这个方法能够对方向场进行平滑处理，同时能够纠正相对孤立的局部错误方向，但低通滤波在核心点附近可能会错误纠正纹路方向，容易导致核心点位置偏移。所以我们采用王曙光1 的改进方法进行低通滤波。方向图计算的具体步骤如下：1 求取象素( u ，v ) 的梯度，用 表示，梯度采用s o b e l 算予实现。g “u ，v ) = 1 0 i ( u f , v ) = 【i ( i - 1 j - 1 ) + 2 i ( i ，j - 1 ) + i ( 砒枷一【1 0 - 1 j + 1 ) + 2 i ( i ，j + 0 + i ( i + 1 ，川】( 3 5 )2 计算匕，kv x = ( g 2 ，v ) 一g 沁v ) )i - w t 2 - j - w t 2 ( 3 - 6 )i * w t 2i + mv y = 2 g 。( u ，v ) o ，( u ，v ”m ”1 ”( 3 一7 )3 计算块方向口( f ，j )o ( i ，) = + t a n - i ( v , v x )( 3 8 。4 把块方向规约n o ，万)1 2啦d卜卜玎+移“屹n 扩啪p一吖痧一屹小=盟加扰一d缸g硕士学位论文第三章指纹预处理算法设计0 ( i ，j ) =n 4v2 0 ，0 v3 ，r 4v2 0 0 s v( i ，j ) + n 2v x o( i ，j )v o ，v y op 1 ( i ，j ) + t rv 0( 3 9 )5 方向图的平滑处理由于采集到的指纹图像有噪声，并且有损坏的脊线和谷线，因此上面的处理得到的局部区域方向有误差，所以我们要对得到的纹线信息进行滤波处理，平滑指纹方向。具体处理如下：在很多算法中多采用l i nh o n g 提出的下述算法丸( 1 ，j ) = c o s ( 2 0 0 ，j ) ) ( 3 - 1 0 、或( j ，) = s i n ( 2 0 0 ，硝( 3 - 1 1 )吱( f ，j ) = ( “，v ) 丸( 一u w ，j v w )一，”一，( 3 一1 2 )以( f ，j ) = w ( u ，v ) 妒, ( i - u w ，j - v w )一”一，：( 3 1 3 )。谗护妒( 糕丸( f ，j ) ，c r ( i ，j ) 分别是像素点( i ，j ) 的余选值和正选值破( f ，) ，式( f ，j ) 分别是低通滤波后的余弦值和正弦值。w ( u ，v ) 为低通滤波器，是滤波器尺寸大小为5 x 5 ，0 1 ( i j ) 为平滑后的局部区域方向。由于( 3 - 8 ) 公式的本质是求最大投影方向。而在奇异点处，当纹线的曲率足够大时，其邻域的梯度矢量场的最大投影方向不再是沿着切线方向，而是垂直切线方向，容易产生奇异点漂移。为了避免漂移我们采用改进的算法。”具体形式是把( 3 一1 2 ) ，( 3 一1 3 ) ，( 3 一1 4 ) 作如下修改：破( f ，j ) = ，似( ) ，o ( u ，v ) ，o ( i ，j ) )一，：，(3-15)，2，2 以( f ，) = 艺7 ( 办( ) ，口( ) ，o ( i ，瑚、一”一，：( 3 1 6 )r c x ，u ，沪协誓叫剞1 3硕士学位论文第三章指纹预处理算法设计0 1 ( i ，j ) = 吉厂( 以( ) ，目( “v ) ，臼( i ，j ) )一 一，：( 3 1 8 )j 是一个较小的阂值，( 3 一1 7 ) 意味着平滑处理时，某点邻域内与该方向差别较大的点不参与该点的平滑作用。这样，这种方法也可以较好地抑制因噪声引起的方向变化。( 3 一1 4 ) 近似等于( 3 1 8 ) 其具体证明请参考文献 3 0 ，采用后者我们可以不需要计算复杂的三角函数。可直接对图像进行平滑处理，大大提高计算的速度。3 1 3 改进的多级分块尺寸下梯度算法设计分块求取指纹方向信息时，我们对现有的多级分块尺寸下梯度算法“6 1 进行了改进，改进后的算法能够更好地对图像起到平滑作用，改善图像的方向不连续性。我们在以下三个理论和规律的基础上，进行了指纹方向场求取的算法设计。( 1 ) 图像的相关性：在处理某块图像时，利用周围像素对此块像素的影响，对图像进行修正：( 2 ) 图像平均处理：对相邻的图像块进行平均值处理，能够减小噪声的影响，对图像起到一定的平滑作用：( 3 ) 方向信息的提取规律：分块求取方向信息时，分块尺寸越大的时候求得的方向信息越可靠，受噪声的干扰就越小，但所求得的方向信息对指纹图像的实际方向的拟合度不高，而分块尺寸较小的时候，对噪声比较敏感，但对纹路方向有较好的拟合度，能比较细致的描述指纹图像中的纹线流的走向信息。在计算方向图时，首先采用相互重叠的多级分块方式对图像进行划分，然后求取各块方向，结合大分块的方向信息对小分块的方向进行修正，最后对求得的四个相邻小块进行均值计算，把计算的结果当作中心块的方向图的计算结果。具体的算法过程如下：( 1 ) 将整幅指纹图像分成w w 大小的块，分别计算w = 8 ，w = 1 6 ，w = 3 2 ，的方向图，相应的记为d 8 ，d 1 6 ，d 3 2 ，采用本文上一节的梯度算法分别计算d 8 ，d 1 6 ，d 3 2 ，并在同一级分块尺寸下对方向信息进行一定程度的平滑。( 2 ) 校正d 1 6 方向图f o r ( 图像每一块) 将当前块标记为b l o c k l 6 ，对应d 3 2 的块记为b l o c k 3 2 ；d i r e c t i o n = 该块的方向：计算b l o c k 3 2 中所含的四个w = 1 6 的块的方向均值和标准差，分别记为m e a n 和1 4硕士学位论文第三章指纹预处理算法设计d e v i a t l o n ：i f ( f a b s ( d i r e c t i o n m e a n ) t 1 在b l o c k 3 2 h b 舍弃b l o c k l 6 的块后计算新的标准差，记为d e v i a t i o n ：i f ( f a b s ( d e v i a t i o n 一d e v i a t i o n ) t 2 ) b l o c k l 6 的方向为b l o c k 3 2 的方向；m a s k h b 相应位置记录为l ：)1)( 3 ) 相同方法校正d 8 。( 4 ) 求取相邻4 个d 8 的方向均值，所求均值作为最后所求得的方向图。这里在( 2 ) ，( 4 ) 步我们都采用对相邻块求取均值，利用均值对图像进行处理，相当于对图像处理时先进行了一次均值滤波操作，这样也充分的利用了指纹方向块之间的相互关联性。3 1 4 改进的脊线频率算法设计指纹纹理除了具有稳定的方向性的特点外，还具有稳定的频率特性。2 “在指纹图像的一个局部区域内，脊线和谷线的纹理走向近似平行，同时沿脊谷方向的灰度分布近似于正选包络“3 。脊线频率被定义为两条脊线之间间距的倒数。如图3 1 所示：图3 - 1 脊线频率示意图通过定位该包络中的极大，极小值点( 分别对应于谷线和脊线的中心点) ，就能得到相应的脊线间距和谷线f a g f i ，进而计算出脊线频率。一般采用l i nh o n g ，a n i lj a i n 等提出的算法1 进行指纹基线频率的求取。1 5硕士学位论文第三章指纹预处理算法设计通用算法如下：在求一点( i ，j ) 为中心的块的脊线频率中，在指纹图像上取一块以点( i ，j )为中心，大小为l x w 大小的矩形方向窗口，其中l 沿指纹点( i ，j ) 梯度方向，般l 取3 2 ，大概为三个指纹纹线宽度。w 沿( i j ) 纹线方向，一般取1 6 ，要求取的w 值大于所求块的宽度。然后计算沿l 方向上l 各像素的平均灰度值，每个平均灰度值为沿l 方向上l 可像素值的统计平均，具体公式如下所示：x 【1 ( 】= 寺萎gu , v ) 扣o 1 一( 3 - 1 9 )u = i 十【d 一詈j 。s 臼( i ，j ) + k - 圭j 5 i n 秽( i ，j )。一。，v = j + ( 8 一詈j 5 i n 臼( t ，j ) + ( k 一吉j 。s 日( i ，j )。一。，其中g ( u ，v ) 是像素点( u ，v ) 的灰度值，p 是子块的域方向。得到x k 就得到了沿指纹方向w 个点的平均值，得到x k 后，就能定位脊线和谷线的中心点，如果在所取的l w 窗i z l 中没有奇异点( 如无交叉点或端点等) ，则x k 形成一个离散的正弦波，其频率和指纹的脊线频率相同。设t ( i ，j ) 为x k 的连续两个峰值之间的平均像素个数，则指纹脊线频率f ( i ，j ) = i t ( i ，j ) ：如果没有连续峰值的话，则频率设置为0 。这种方法由于采用了统计平均的算法，因而能够保证一定的准确度，但由于投影窗口尺寸远大于图像块的尺寸，所以一方面纹路方向可能会在窗口中发生较大变化，另一方面，可能会使得图像块被重复投影。另外针对便携式指纹仪而言还存在两个明显的缺陷：l 不利于系统的并行处理。采用上述方法在计算坐标的时候需要用到子块的脊线方向曰，也就是说脊线频率的提取必需在完成脊线方向提取的基础上才能进行，这样做就使得原本两个相对独立、可以并行处理的任务不得不依次进行，降低了系统的并行程度。从而占用了系统时问，又降低了系统资源的利用率。而且由此还增加了一个隐形任务：内存操作。针对我们设计的便携式指纹仪由于自身硬件的限制，这些都是我们系统开发最不愿碰到的情况。2 算法运算量太大。举个例子：对于一个w x w 的子块，需要计算l x w 个点的坐标，这包括6 l x w 次加法和4 l x w 次乘法，如果近似取l = 2 w 的话，对于一幅2 5 6 3 0 0 的指纹图像，光计算坐标就需要1 2 2 5 6 x3 0 0 = 9 2 1 6 0 0 次加法和8 2 5 6 x 3 0 0 = 6 1 4 4 0 0 次乘法，如果一次加法和一次乘法运行均至少需要1个时钟周期，这还不包括处理临时变量时内存操作的开销。另外，由于方向窗口一般不是水平的，因此相邻点的坐标也不是连续变化的，每次读取像素坐标都是硕士学位论文第三章指纹预处理算法设计随机读写，而随机读写必然需要更多的时钟周期，这样的开销对于开发速度和资源都受限的便携式指纹仪来说都是非常大的负担。为了便于在便携式指纹仪中使用，我们要尽量简化算法，减少运算量。为此要设计一种新的频率计算方法来达到近似的处理效果。通过对大量不同类型指纹结构的分析。“，我们可以看出：1 虽然不同指纹的纹线频率可能存在较大的差异，但同一个指纹图像中不同纹路频率和平均频率差异很小。而且可以发现