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硕士论文基于f p s 2 0 0 的指纹识别系统的研究 摘要 生物识别技术是未来身份验证技术的发展方向。自动指纹识别技术是最可靠、 最有效的生物识别技术之一，跟传统的身份验证技术相比更加安全、可靠。 本文简要介绍了生物识别技术，自动指纹识别系统以及指纹自动识别技术的应 用：介绍了指纹传感器的工作原理，详细地描述了基于指纹芯片f p s 2 0 0 的指纹采 集系统的硬件设计和软件的开发。 介绍了指纹图像处理的常用算法。研究了适应指纹芯片f p s 2 0 0 所采集指纹图 像的处理算法。最后，本文对所设计的指纹处理算法用一定数量的指纹进行了识别 实验，证明了所提算法的有效性。 关键词：指纹传感器，指纹识别，二值化，细节特征，匹配 堡圭笙奎苎王! ! ! ! 竺塑塑垫望型墨堕塑竺壅 a b s t r a c t b i o m e t r i c si st h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o no ft h ef u 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 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 ni s o n eo ft h em o s tr e l i a b l ea n de f f e c t i v eb i o m e t r i c t e c h n o l o g i e s ，i t s m o r es e c u r ea n dr e l i a b l ec o m p a r i n g w i t ht r a d i t i o n a li d e n t i f i c a t i o n t e c h n o l o g y i nt h i sp a p e r , b i o m e t r i ct e c h n o l o g i e sa n da 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 r eb r i e f l yi n t r o d u c e d t h ea p p l i c a t i o no f 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 nt e c h n o l o g y i sa l s om e n t i o n e d i ta l s oi n t r o d u c e st h eo p e r a t i n gp r i n c i p l e so ft h ef i n g e r p r i n ts e n s o r t h eh a r d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r ed e v e l o p m e n t o f f i n g e r p r i n ta c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e d o nc h i pf p s 2 0 0i sd e t a i l e dd e s c r i b e d i ti n t r o d u c e sa l g o r i t h m st h a ta r ef r e q u e n t l yu s e di nf i n g e r p r i n ti m a g ep r o c e s s i n g s o m ep r o c e s s i n ga l g o r i t h m st h a ta d a p tt of i n g e r p r i n t sa c q u i r e db yf p s 2 0 0a r es t u d i e d f i n a l l y , a l le x p e r i m e n t i sc a r r i e do u tt op r o v et h ee f f e c t i v e n e s so fo u rf i n g e r p r i n t i m a g ep r o c e s s i n ga l g o r i t h m s a n di td i d k e y w o r d ：f i n g e r p r i n ts e n s o r ，f i n g e r p r i n ti d e n t i f i c a t i o n ，b i n a r i s a t i o n ，m i n u t i af e a t u r e ， m a t c h i n g i f 声明 y6 2 4 0 5 6 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：年月日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：年月日 硕士论文基于f p s 2 0 0 的指纹识别系统的研究 1 绪论 1 1 指纹识别技术的历史回顾及发展现状 在跨入二十一世纪之后，每一个生活在现代社会中的人都会深切地感受到信息 时代的来临。现代电子、通讯和信息技术的发展，特别是“信息高速公路”的发展， 已经使许多过去需要计以时日方能完成的人类社会各种政治、经济、科技、商务活 动信息的传递和交流在瞬间即可完成。现代科技为人类相互交流提供了更为快捷与 便利的手段，它大大地推动了现代社会的进步和发展，但也给各个国家和社会管理 者带来个全新的重要课题：在高科技的信息时代，如何及时、准确和有效地验证 每个社会成员的身份，以保障人们的合法权益和各种社会活动的合法性和有效性， 及时打击与遏制各种违法犯罪活动，维护国家安全和社会稳定。 长期以来，在人类社会活动中需要验证个人身份时，传统的方法是验证该入是 否持有有效的证明文件或信物，核对照片、密码或钥匙、磁卡、i c 卡等【l i 。从本质 上来说，这种方法验证的是该人持有的某种“物”，而不是验证其本人。只要“物” 的有效性得到确认，则持有该“物”的人的身份也就随之得到确认。这种以“物” 认人的办法的漏洞是显而易见的。首先：合法的人如果遗失验证其身份的“物”( 如 密码、钥匙等) ，则合法的人本身得不到合法的验证。其次j 各种伪造证件、信物以 及密码被破译或盗用又使非法的人得到合法的验证。因此人们开始寻找一种认人不 认物的直接验证方法，这就是所谓的“人体生物特征身份鉴别技术”。它根据各人自 身具有的生物特征来鉴别每个人的真实身份，为确保其准确性与可靠性，它要求这 些特征具有“人各有异”、“终身不变”和“随身携带”三个特点。迄今为止的现代 科学技术发现同时兼具这三个特点的人体生物特征有三个：一是指纹；二是虹膜( 视 网膜毛细血管分布图) ：三是人体细胞的遗传基因( d n a 结构) 。其他还有些虽然 不能完全具备上述三个特点，但尚能在一段时间内具有“人各有异”特点的生物特 征，如面容、掌纹、声音、行为动作( 如签名、击键方式等) 等等。 基于人类的生物特征，人们研究发展了指纹识别、脸型识别、语音识别等多种 生物识别技术，目前这些技术已经趋于成熟并得到了广泛的应用，其中指纹识别是 研究的热点。由于指纹相对于其他生物特征所具有的独特优点，指纹识别已经成为 应用最为广泛的识别技术之一。随着图像处理、模式识别和计算机科学等学科的发 展，自动指纹识别系统( a u t o m a t i c f 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 ) 的 研制取得了很大的进展。 自动指纹识别系统的性能在很大程度上取决于指纹识别算法的有效性、可靠性。 不同的应用领域，对指纹识别系统的性能有不同的要求，比如用于鉴定罪犯身份的 第1 页 硕士论文基于f p s 2 0 0 的指纹识别系统的研究 自动指纹识别系统，它不要求速度有多快，但是准确率、可靠性要高，因此指纹处 理的算法就比较复杂：而对于小型的门禁系统，它则要求实时性和方便性，因此其 指纹处理的算法要求较快的速度。但是所有指纹处理算法的基础都是图像处理这门 学科，因此指纹处理实质上就是图像处理的一个特殊应用。 图像处理技术始于2 0 世纪5 0 年代【2 】。1 9 6 4 年美国喷射推进实验室( j p l ) 使 用计算机对太空船送回的大批月球照片处理后得到了清晰逼真的图像，这是这门技 术发展的重要里程碑。此后图像处理技术在空间研究方面得到广泛的应用。其后， 卫星遥感、军事、气象等学科的发展推动了数字图像处理技术的快速发展。推动数 字图像处理发展的另一个动力是计算机硬件的不断降价，包括高速处理器、海量存 储器、图像数字化和图像显示以及打印等设备的不断降价。2 0 世纪7 0 年代初，由 于大量的研究和应用，数字图像处理已具有自己的技术特色，并形成了较完善的学 科体系，从而成为一门独立的新学科。数字图像处理技术的迅速发展为人类带来了 巨大的经济社会效益，大到应用卫星遥感进行的全球环境监测，小到指纹识别技术 在安全领域的应用，数字图像处理技术已经融入到科学研究的各个领域。数字图像 处理技术对自然科学甚至人类社会的发展具有深远的意义。 1 2 本文内容 - 本文简要介绍了生物识别技术特别是指纹自动识别技术在安防、身份验证等方 面的应用；详细地介绍了基于指纹传感器芯片f p s 2 0 0 的指纹采集系统软、硬件的 设计开发：介绍了指纹图像处理的各种算法，研究了适合f p s 2 0 0 所采集指纹图像 的有效处理算法。 本文的内容安排如下： 首先简单介绍了指纹识别技术的发展历史以及现状，可以看到指纹识别技术是 未来生物识别技术的发展重点之一，应用十分广泛，具有广阔的市场、深远的发展 前景。 接着介绍了基于f p s 2 0 0 的指纹采集系统软、硬件的设计。硬件方面从指纹传 感器的选择开始，通过对当前常见指纹传感器原理的介绍以及性能的比较选择了指 纹芯片f p s 2 0 0 。然后对此芯片作了详细的介绍，包括芯片的性能参数、工作方式、 内部结构等。之后就指纹采集系统硬件的实现功能、设计思想、工作原理作了详细 的介绍。软件方面包括两个部分：下位机和上位机。下位机接收上位机命令并控制 指纹芯片以完成指纹图像的采集，这里介绍了相关寄存器的初始化以及程序流程。 上位机向下位机发送命令以启动a d 转换或传输图像数据，并保存、显示下位机传 回的指纹图像数据，这里主要介绍了w i n d o w s 下串口通信程序的编写。 第2 页 硕士论文基于f p s 2 0 0 的指纹识别系统的研究 然后是对采集的指纹图像进行处理。介绍了指纹图像处理的一些常用算法，并 针对所采集指纹图像研究了有效的处理算法。本文的最后安排了一个实验，目的在 于验证算法的有效性。我们随机采集了教研室多个同学的总共1 0 个手指的指纹，每 个手指采1 0 次，得到1 0 0 幄指纹图像的样本集。采用本文的算法对这些指纹图像进 行处理可以取得较好的效果，最终的匹配实验结果证实了算法的有效性。 第3 贞 硕士论文基于f p s 2 0 0 的指纹识别系统的研究 2 自动指纹识别 2 1 生物识别技术i l 】 随着计算机技术、信息处理、识别技术的发展，生物识别技术也取得了飞速发 展。生物识别技术是根据人体固有的生物特征进行身份验证的。生物识别技术的核 心在于如何获取这些生物特征，并且转换成数字信息存储在计算机中，利用可靠的 匹配算法进行身份验证。这种验证有别于传统的“4 匆证”，即将待验证的人所持有之 物作为验证的主体，而是将待验证人作为验证的主体，其验证的依据直接来源于人， 而这种依据( 即生物特征) 每个人都有且不同，这就可以防止冒名、复制、伪造等 手段而且不会遗忘。显然与传统的验证方法相比，生物验证更加可靠、有效、方便。 作为用来进行身份验证的生物特征必须具有以下特性：唯一性、稳定性、普遍 性同时还需易于采集。具备这些特性的包括指纹、掌纹、虹膜、脸型、语音、d n a 等生物特征，以及签名、击键、行走等行为特征。但是它们之间也有优劣之分。 具体来说，对应于各种生物特征鉴别优缺点如表2 1 所示： 表2 ，1 生物特征性能对比表 鉴别可可否运用1可否运用 类型采集难度 唯一性稳定性 靠度对l 比照1 对多比照 指纹 高是是中高高 虹膜商是是 中 高高 掌纹 由 是否高中 击 面部低是 否高低 由 语音低是 否 由 低低 签名低是 否高低低 从表2 1 中可以看出：指纹在各种生物特征中特征性能优异，概括起来讲指纹 主要特点如下： 第一：唯一性( 人各不同、指指相异) 指纹具有很明显的特定性。据指纹学理论，两枚指纹匹配上1 2 个特征的几率为 1 0 _ 5 0 。至今尚找不出两个指纹完全相同的人，即使是相貌酷似的孪生兄弟姐妹，他 们的指纹也各不相同。不仅人与人之间，就是同一个人的十指之间，指纹也有明显 的区别。指纹的这一特点，为指纹用于身份鉴定提供了理论根据。 第二：不变性( 终生基本不变) 指纹具有很强的相对稳定性。自胎儿六个月指纹完全形成到人体死亡腐败之前， 尽管随着年龄的增大，指纹在外型大小。纹线粗细上会有变化，局部纹线之间也可 第4 页 硕士论文基于f p s 2 0 0 的指纹识别系统的研究 能出现新的细线特征，但从总体上看，同一指的指纹纹线类型、细节特征的总体布 局等始终无明显变化。即使手指皮肤受伤，只要不伤及真皮，伤愈后，纹线仍能恢 复原状；如果伤及真皮，伤愈后形成伤疤。伤疤破坏了纹线，但伤疤本身为指纹增 添了新的稳定的特征。 第三：普遍性( 人人都有) 四肢是人体最主要的器官之一，人们学习、工作、行走都离不开它们。相对于 其他生物特征来说指纹资源是很丰富的。每个手指甚至脚趾都能作为特征提取对象。 第四：易采集性 从目前来讲指纹鉴别仪是最稳定可靠最方便的生物鉴别仪器。相对于其它特征 采集仪来说指纹采集仪价格合理、体积又小使用起来灵活方便。而且随着半导体技 术的突破，新型半导体指纹传感器的诞生，也大大加速了指纹技术进入民用市场的 步伐。 可以看出指纹相对于其它生物特征具有明显的优点，因此可以这样说：生物鉴 别技术是身份识别技术的未来；而指纹鉴别技术则是生物鉴别技术的未来。 2 2 自动指纹识别系统 一个完整的自动指纹识别系统包括三部分：指纹分类、指纹识别认证、指纹压 缩。 2 2 1 指纹分类3 】 纹形是指纹最基本的分类标志。绝大多数纹形是由中心花纹、外围线系统和根 基线系统组成，三方面纹线汇合之处形成三角区。按照中心花纹和三角区的基本形 态，一般将指纹分成三个类型( 斗纹形、弓纹形、箕纹形) ，九种形态即：环形纹、 螺形纹、囊形纹、双脊形纹、杂形纹、左脊形纹、右脊形纹、弧形纹、帐形纹。 研究指纹自动识别中的纹形分类，目的是为了快速、准确的实现指纹识别。理 论上认为所分类别越多则识别时分类检索越快，但分类太多各分类依据的特征可信 度也势必降低，一旦分类错误也就导致识别错误。兼顾实时性和精确度，只需将指 纹分成明显的几大类即可，指纹识别最终必须依据指纹细节来进行确认。因此可以 将指纹分成以下几类：环螺形、左脊环形、右脊环形、弓形纹、双脊形纹以及不辨 形。 2 2 2 指纹识别、认证 指纹识别是自动指纹识别系统的核心，它涉及图像处理、模式识别、数据库等 多种技术。 第5 页 硕士论文基于f p s 2 0 0 的指纹识别系统的研究 指纹识别是将输入的指纹图像和已采集指纹图像数据库中的指纹逐一比对，从 中找出相匹配的指纹，从而实现身份认证。指纹认证是把输入的指纹图像与指纹图 像数据库中的某一个指纹进行全面的细节匹配，看是不是同一个指纹。认证系统一 般只考虑对完整的指纹进行对比，而识别系统则要考虑残纹的比对。认证系统对速 度要求一般不高而更强调易用性，识别系统则对速度要求较高，因此一般用指纹分 类技术来加快查询。 自动指纹识别系统通常有两部分组成：离线部分和在线部分。离线部分用于采 集指纹图像，然后使用一定的算法提取细节特征并把这些特征存入数据库；在线部 分，用指纹采集仪获取指纹图像，然后用相同的算法提取细节特征，同时从数据库 中提取指纹与之比对判断是否是相同的手指，最终输出比对结果。 由于指纹采集环境的影响、采集仪自身的误差、手指上的伤痕、皮肤的状况等， 采集的指纹都含有很多噪声。这对匹配结果造成很大影响。因此通常要对采集的指 纹图像进行预处理，目的在于去除噪声、增强图像，以便特征提取和匹配。可以说 匹配结果很大程度上取决于处理算法的有效性，处理算法是关键。 2 2 3 指纹图像压缩【4 j 对于数据量巨大的指纹图像数据，为了节省存储空间必须采用压缩存储，另外 压缩也是网络传输的需要。 基于不同的原理图像压缩有很多方法，如预测编码、分形编码、子带编码、变 换编码、神经网络编码、小波变换编码以及基于模型的编码等等。 与通常的图像相比指纹图像有其自身的特性：图像组成比较简单，通常由一些 大致等宽的脊和谷组成；图像像素变化不大。采用的图像压缩算法必须保持图像的 一些细节，不然就会对匹配有影响。 2 3 指纹识别的算法 在指纹的识别和认证过程中，都要涉及到指纹图像的匹配问题，这是指纹识别、 认证的核心问题，也是指纹识别算法的关键。 目前常用的指纹匹配算法是f b i 提出的细节点模型方法，该模型采用脊线末梢 和脊线分叉点来鉴别指纹。细节点是位于脊线上的奇异点，因此细节点提取的关键 问题就是提取脊线。脊线的提取实际上就是把脊线从它的背景中分离出来。 细节点提取的最早尝试是f b i 的细节点提取算法。它是一种典型的两极算法， 运用复合方法自适应地二值化图像，然后从二值化脊线中提取细节点。这种算法曾 作为自动指纹识别系统的标准算法。在图像质量较好的情况下，这种算法非常有效。 第6 页 硕士论文基于f p s 2 0 0 的指纹识别系统的研究 2 4 自动指纹识别技术的应用 罪犯身份的鉴别是指纹识别技术的最早应用。1 9 世纪初，科学研究发现了指纹 的两个重要特征：两个不同手指的指纹脊线的式样不同：指纹脊线的式样终身不变。 这两个研究成果使得指纹识别在罪犯鉴别中得到正式应用。随着计算机可以有效处 理图像后，人们开始研究利用计算机来处理指纹。从此，指纹自动识别系统在法律 实施方面得到广泛应用。 指纹识别技术最为典型的应用就是取代传统的安防技术。这种技术可使用户不 再受遗忘密码、密码被盗等问题困扰，安全性明显提高。指纹鼠标、指纹键盘之类 的产品就属此类应用。 指纹技术和i c 技术相结合也是一个非常有前景的应用方向。将指纹信息存储在 i c 卡上。在i c 读卡端装上指纹识别系统。当用户使用i c 卡时首先必须录入本人指 纹，录入的指纹与i c 卡上存储的指纹信息相比对。如果符合则根据指纹信息再读取 用户信息进行下一步操作。这种系统具有非常高的安全性，可以取代现在的i c 卡， 以及其他各种证件。 指纹技术应用主要可分为三个部分：信息技术、支付借贷、门禁控制。目前指 纹技术主要典型运用如下i i j ： 金融、髁险、证券行业： 、 金融保险箱管理； 重要系统及部门职员授权管理； 指纹提款业务： 信用卡指纹认证； 证券交易身份确认； 保险受益人身份确认。 信息产业： 计算机应用系统身份确认( 以指纹代替系统密码) ； 互联网电子交易系统身份确认； 智能卡的密码替换( 以指纹代替密码) ； 重要通讯网设备管理员身份确认( 交换机、移动通信网) 。 安防业： 指纹汽车锁； 楼宇指纹门锁； 重要部门及设备管理； 指纹门禁。 第7 页 硕士论文基于f p s 2 0 0 的指纹识别系统的研究 指纹考勤系统。 俱乐部会员身份确认。 血库献血身份确认。 随着指纹识别产品的开发和生产，指纹识别技术已广泛被入所接受，并逐步进 入到各行业中。 第8 页 硕士论文基于f p s 2 0 0 的指纹识别系统的研究 3 基于f p s 2 0 0 的指纹采集硬件系统 3 1 指纹传感器的选择 指纹采集传感器分为三类1 5 】：光学传感器、硅晶体电容传感器、超声波扫描传 感器。 3 1 1 光学传感器工作原理 光学传感器的工作原理是利用c c d 将有深色脊和浅色谷构成的指纹图像转换 成数字图像。光线照到压有指纹的玻璃表面光线经玻璃射到谷的地方后在玻璃与 空气的界面发生全反射，光线被反射到c c d ，而射向脊的光线不发生全反射，而是 被脊与玻璃的接触面吸收或者漫反射到别的地方，反射光的量依赖于压在玻璃表面 指纹的脊和谷的深度和皮肤与玻璃间的油脂和水分。这样就在c c d 上形成了指纹 的图像。脊谷构成的指纹图像转换成数字图像，为了获得一个实际可用的图像，图 像的亮度需要作自动( 多采用) 或手工( 较困难) 的调整。 光学传感器是最古老也是应用最广的指纹录入设备，具有能承受一定程度的温 度变化，成本相对较低，并能提供分辨率为5 0 0 d p i 的图像等优点。不足之处主要表 现在尺寸过大和潜在指印两个方面。随着光学设备技术的革新，光学指纹采集设备 的体积也在不断减小。现在传感器可以装在6 3 6 英寸的盒子里，在不久的将来 更小的设备可达3 1 l 英寸。另外还有一些光学传感器的新技术如：可以利用纤 维光束来获取指纹图像，纤维光束垂直射到指纹的表面，照亮指纹并探测反射光： 含有一微型三棱镜矩阵的接触面安装在弹性的平面上，当手指压在此接触面上时， 由于脊和谷的压力不同而改变了微型三棱镜的表面，这些变化通过三棱镜光的反射 而反映出来。 3 1 2 硅晶体传感器工作原理 硅晶体电容传感器是1 9 9 8 年在市场上才出现的，最常见的硅电容传感器通过电 容感应电压来捕捉指纹。在半导体金属阵列上结合大约1 0 0 ，0 0 0 个电容传感器，其 外面是绝缘的表面，当用户的手指放在上面时，皮肤组成了电容阵列，硅芯片传感 器为电容阳极，手指则代表另一个极，硅芯片面板与手指之间的电容被转换成一个 8b i t 的灰度数字图像。另一种晶体传感器是压感式的，其表面的顶层是具有弹性的 压感介质材料，它们依照指纹的外表地形( 凹凸) 转化为相应的电子信号。其他的 晶体传感器还有温度感应传感器，它通过感应压在传感器上的脊和远离传感器的谷 温度的不同来获取指纹图像。 硅晶体电容传感器核心器件是l c m 1 5 c m 晶片，它每个方向上有2 0 0 至3 0 0 条 第9 页 硕士论文基于f p s 2 0 0 的指纹识别系统的研究 这样的线，具有a g c ( 自动增益控制) 技术提供自动调节像素、局部范围的敏感程 度，从而提高图像的质量。a g c 在不同的环境下结合反馈的信息便可产生高质量的 图像。例如，一个不清晰( 对比度差) 的图像如干燥的指纹，都能够被感觉到从而 可以增强其灵敏度，在捕捉的瞬间产生清晰的图像( 对比度好) ：由于提供了局部调 整的能力，图像不清晰( 对比度差) 的区域也能够被检测到( 如：手指压得较轻的地方) 并在捕捉的瞬间为这些像素提高灵敏度。 硅晶体电容传感器体积小巧，它可以集成到许多现有设备中，能够生成质量较 好的指纹图像，并且指纹录入时不需要像光学录入设备那样，要求有较大面积的录 入头，这是光学录入设备所无法比拟的，但相比光学传感器，硅晶体电容传感器不 足表现在：1 、稳定性方面还待提高；2 、价格高出光学传感器，制造较大的晶体传 感器的指纹取像区域是非常昂贵的，所以通常晶体传感器的指纹取像区域小于1 平 方英寸，而光学扫掐的指纹取像区域等于或大于l 平方英寸；3 、晶体传感器最大的 弱点在于，它们容易受到静电的影响，这使得晶体传感器有时会取不到图像，甚至 会被损坏。 3 1 3 超声波传感器工作原理 超声波扫描传感器工作原理为传送超声波，并通过手指、台板和空气间的电阻 来测量距离的方法完成录入，扫描指纹的表面，接收设备获取了其反射信号，测量 它的范围，得到脊的深度。超声波扫描被认为是指纹取像技术中非常好的一类，积 累在皮肤上的脏物和油脂对超声波获得的图像影响不大，是实际脊地形( 凹凸) 的 真实反映。为精确度最高的指纹录入技术。但由于超声波录入设备的耐久性还难以 估计，因此实际中应用得较少。 3 1 4v e r i d i c o m 公司产品f p s 2 0 0 1 】 1 v e r i d i c o m 公司推出的新一代f p s 2 0 0 固态指纹传感器是一个理想的接触式 指纹认证的设备。它是款专为嵌入式系统设计的高性能、低功耗、低价 格指纹传感器，可以很方便地集成到各种i n t e r n e t 设备。如：便携式电脑、 个人数字助理( p d a ) 、移动电话等。应用f p s 2 0 0 ，就可以抛弃密码，当 需要进行身份识别时，只需用手指轻轻一按，就可以完成身份确认，由于 指纹固有的随身携带、永不遗失、无法复制、人人不同、指指相异等特点， 因此将极大提高系统的安全性，更有效地保护了使用者的权益。 2 f p s 2 0 0 是v e r i d i c o m 公司推出的第三代半导体指纹传感器。它是在吸收了 已广泛应用的f p s l1 0 系列传感器优点的基础上，全新推出的新一代指纹传 感器。f p s 2 0 0 在性能、尺寸、集成度等指标上建立了一套新的标准，是 第l o 页 硕士论文基于f p s 2 0 0 的指纹识别系统的研究 v e n d i e o m 半导体指纹传感器家族中重要的新成员。 3 f p s 2 0 0 的图像搜索功能( i m a g e s e e k l m ) 通过改变电容阵列的参数值可在1 秒种以内扫描多幅指纹图像并自动选择最好的一幅。因此f p s 2 0 0 对人手指 的适应面更广，可以获得各种类型手指( 从干手指到湿手指) 的高质量指 纹图像，并能应用在各种气候条件下，甚至在高温或高湿度的环境下。由 于成像质量的提高及稳定，大大减低了误识率( f a r ) 和拒识率( f r r ) ， 因此f p s 2 0 0 可应用在更广阔的领域。 4 f p s 2 0 0 表面运用v e r i d i c o m 公司专利技术而制成，坚固耐用，可防止各种 物质对芯片的划伤、腐蚀、磨损等。f p s 2 0 0 能承受超过8 k v 的静电放电 ( e s d ) 。因此f p s 2 0 0 可应用在苛刻的环境下。 5 f p s 2 0 0 在待命模式下的操作电流小于2 0 u a ，这在移动设备的应用中可节 约电池的消耗，延长电池寿命。f p s 2 0 0 还有手指自动检测电路( a f d ) ， 当有手指按在传感器表面时，向主机发送一个中断信号，主机在中断服务 程序中唤醒f p s 2 0 0 芯片结束其休眠状态。a f d 电路允许主机在没有指纹 时处在低功耗待命模式，只有当有手指时才唤醒主机进行处理，因此节省 了整个系统的功耗，这种特性尤其满足依赖电池供电的嵌入式系统需要。 综上所述，采用硅晶体传感器比较灵活方便，经过综合考虑我们选择了 v e i l d i c o m 公司推出的f p s 2 0 0 芯片。1 3 2 指纹芯片f p s 2 0 0 的工作原理、特性以及工作模式嘲 v e f i d i c o m 公司的f p s 2 0 0 是固态接触式指纹获取装置。它是一个高性能、低功 耗、低价格由二维金属电极阵列组成的电容性传感器。每一个金属电极作为电容的 一极而接触的手指作为另一极。装置表面的一个损耗层构成了电容两极间的电介质。 手指上的脊和谷在传感器阵列中产生不同的电容，将这些电容充电到相同的电压 然后以相同的放电电流进行放电，那么电容上剩下的电压就是指纹图像量化的数据。 f p s 2 0 0 芯片引脚情况见附录2 、附录3 芯片封装见附录4 。 3 2 1 芯片工作原理 传感器阵列包括2 5 6 列3 0 0 行的传感器电极，每一列都有两个采样保持电路 与之相联系。采集一个指纹图像时每次获取一行数据，这个“行获取”过程发生在 两个阶段。第一阶段，传感器电极中被选择的行预充电到v d d 电平。在预充电阶 段，一个内部信号允许第一采样一保持电路集合保存预充电行的电平。第二阶段， 行传感器电极以一定电流放电。每个单元的放电率跟“放电电流”成比例。经过一 第1 1 页 硕士论文基于f p s 2 0 0 的指纹识别系统的研究 段时间( 也即“放电时间”) 一个内部信号允许第二采样一保持电路集合保存最终电 极的电平。预充电与放电后的电极电平之间的差别在于传感器电容量。行获取结束 后，就可以对行中的每个单元进行a d 转换了。 芯片的敏感度可以通过调整放电时间与放电电流来控制。电流源的参考值由外 接于i s e t 和地之间的电阻来决定。电流源由放电电流寄存器( d c r ) 控制。放电 时间由放电时间寄存器( d t r ) 控制。 3 。2 2f p s 2 0 0 芯片主要特性 电容性固态装置。 2 5 6 3 0 0 传感器阵列。 2 8 c m 1 5 0 c m 传感器区域。 5 0 0 d p i 分辨率。 工作电压3 _ 3 v 5 v 。 超强外壳保护。 集成8 位模数转换器。 三种总线方式： 8 位微处理器总线接口( m c u ) ； 集成u s b 快速接口； 集成串行外设接口( s p i ) 。 标准c m o s 技术。 低功耗，小于2 0 0 毫瓦。 自动手指检测。 3 2 3 微处理器总线工作模式 微处理器总线模式使用以下引脚：d 7 ：0 1 ，a 0 ，r d ，w r ，c s o ，c s i ，e x t i n t ， i n t r ，和w a i t - 。可以选取芯片内部的振荡系统或者x t a l l p a t a l 2 振荡器作为 芯片的时钟信号。s p i 、u s b 接口无效。指纹传感器芯片使用一个地址索引表来读 写其功能寄存器组。芯片有8 根数据线( d 7 ：0 】) 和一根地址线( a 0 ) 。地址线用于选 择索引寄存器和功能寄存器。a o 置低电平时选择索引寄存器。a 0 置高电平时选择 由索引寄存器指定的功能寄存器。索引寄存器保存其值直到被重新写入或者芯片复 位。芯片有4 个控制输入：c s o ，c s i ，r d 一，和w r 一。置c s o 低电平和c s l 高电 平选择芯片。数据在w r - 信号的上升沿锁存。芯片有2 根状态线：i n t r 一和w a i t - 。 当中断事件发生时i n t r 信号产生。a d 转换过程中当a d 转换器工作时w a i t - 信 号为低电平。a d 转换结束时w a i t - 信号为高阻态。w a i t - 和i n t r 信号在无效时 第1 2 页 硕士论文基于f p s 2 0 0 的指纹识别系统的研究 都保持高阻态，这样它们就可以跟其他低电平有效的中断或者等待信号进行线或。 芯片初始化时需设置的寄存器有：d t r 、d c r 、c t r l b ( 控制寄存器b ) 和i c r ( 中断控制寄存器) 。放电时间与放电电流设置时需要两者相互匹配，放电电流大 时放电时间要缩短反之亦然，这样得到的图像在显示时比较清晰。 3 2 4 串行总线工作模式 1 s p i 总线模式 s p i 总线模式需要以下引脚：s c u ( ，s c s 一，m o s i ，m i s o ，和e x t i n t ，可以 使用内部晶振或者x t a l l x t a l 2 来提供给芯片时钟。此时m c u 和u s b 模式无效。 2 s p i 伺服模式 此模式下传感器可以工作在s p i 模式( 0 ，0 ) 其中c p o l = 0 、c p h a = 0 或者s p i 模 式( 1 ，1 ) 其中c p o l = i 、c p h a = i 。s p i 主机应该以1 2 m b i t s 的时钟频率输入命令或者 读出数据。s p i 主机甚至在内部1 2 m h z 或者x t a l l x t a l 2 晶振停止时仍然可以读 写传感器的寄存器。 3 s p i 伺服模式下寄存器读命令 寄存器读命令包括一个命令字节和一个地址字节。命令系列开始时，s p i 主机 置s c s 一低电平并往m o s i 引脚发送读命令( 编码为0 x 0 3 ) 。紧接着读命令主机发送 地址字节即待读的寄存器地址。接收到地址的最后一位( l s b ) 后，s p l 、伺服传感 器发送选择的寄存器内容到m i s o 引脚。最后，主机采样到数据的l s b 后置s c s 高电平。当读a d 转换器时，主机应该保持s c s 一低电平以读出连续的点。s p i 伺服 传感器将自动增加地址到下一个点。s p i 主机在发送另一个命令前必须置s c s 高电 平。 4 s p i 伺服模式下寄存器写命令 寄存器写命令包括一个命令字节和紧跟着数据的地址字节。命令开始时s p i 主 机置s c s 一低电平并往m o s i 引脚发送命令字节( 编码为0 x 0 2 ) 。然后主机发送地址 字节，标明了要写的寄存器。最后，主机发送数据，之后置s c s 高电平。 3 2 5u s b 工作模式 1 u s b 模式，使用内部r o m 此模式下使用以下引脚：d p ，d m ，e x t i n t ，x t a l l 和x t a l 2 。x t a l l 必须 由1 2 m h z 晶振源驱动或者在x t a l l 和x t a l 2 之间接一个1 2 m h z 的晶振电路。内 部1 2 m h z 晶振、m c u 模式以及s p i 模式无效。 内部u s b 描述r o m 在响应u s b 的g e t _ d e s c r i p t o r 命令下可以读取到。 2 u s b 模式，使用外部r o m 第1 3 页 硕士论文 基于f p s 2 0 0 的指纹识别系统的研究 此模式下使用以下引脚：d p ，d m ，s c l k ，s c s 一，m o s i ，m i s o 。e x t l n t ， x t a l i 和x t a l 2 。x t a l i 必须由1 2 m h z 晶振源驱动或者在x t a l l 和x t a l 2 之 间接一个1 2 m h z 的晶振电路。内部1 2 m h z 晶振和m c u 模式无效。 注：当f p s 2 0 0 不在以上模式下直接连接到u s b 接口时，v d d 和v d d a 引脚 必须在3 3 v 和3 6 v 之间保证f p s 2 0 0 的d p 和d m 引脚不会驱动u s b 超过3 6 v 。 3 2 6f p s 2 0 0 内部寄存器描述 f p s 2 0 0 指纹芯片的内部寄存器名称、描述以及读写方式如表3 2 1 所示。 表3 2 1f p s 2 0 0 内部寄存器表 索引名称描述 读，写方式 o x o or a h 高8 位行地址 读写 0 x 0 1r a l低8 位行地址 读写 0 x 0 2c a l低8 位列地址 读写 0 x 0 3r e h高8 位末行地址 读写 0 x 0 4r e l低8 位末行地址 读写 0 x 0 5c e l低8 位末列地址 读写 0 x 0 6 td t r 放电时间寄存器”读写 0 如7d c r放电电流寄存器 读写 0 如8c t r l a控制寄存器a 读写 0 x 0 9c t r l b 控制寄存器b读写 0 x 0 ac t r l c控制寄存器c 读写 0 x 0 bs r a状态寄存器a 读 可编程增益控制寄存器 0 x 0 cp g c 读写 中断控制寄存器 0 x 0 di c r 读写 0 x 0 el s r 中断状态寄存器读写 0 x 1 0t h r 门限寄存器读写 0 x l lc i d h 高8 位芯片标志读 0 x 1 2c l d l低8 位芯片标志 读 0 x 1 3t s t 测试模式寄存器读写 3 2 。7f p s 2 0 0 内部结构图 指纹芯片f p s 2 0 0 的内部结构如图3 , 2 1 所示。 第1 4 页 硕士论文基于f p s 2 0 0 的指纹识别系统的研究 图3 2 1f p s 2 0 0 内部结构图 3 3 基于f p s 2 0 0 的硬件电路设计 3 3 1 系统实现的功能及其分析 功能：系统能够采集指纹图像，并且传送到上位机中进行进一步处理。 下面根据指纹传感器f p s 2 0 0 的性能来确定其它器件： 1 本系统所采用的指纹传感器是8 位的并且确定工作方式为微处理器模式， 因此需要一个8 位的微处理器来控制指纹传感器。 第l5 页 硕士论文基于f p s 2 0 0 的指纹识别系统的研究 2 传感器点阵3 0 0 2 5 6 ，每一个点经过a d 转换后都是一个字节，这样一帧 图像数据量是7 6 8 0 0b y t e ( 7 5 kb y t e ) 。考虑数据一经a d 转换得到后就立 即通过r s 2 3 2 传送回主机，如果波特率设定为5 7 6 0 0b i f f s ，那么在不考虑 起始位、停止位、以及奇偶校验位的情况下7 5 k 数据的传输大概需要1 0 s 。 而在这l o s 期间必须保证手指没有抖动。不然指纹图像就会出现断层等， 指纹质量就会严重下降。但是很难保证1 0 s 内手指不动，因此必须缩短这 段时间，由于处理器对r a m 读写速度远远快于串口读写，因此将a d 转 换后的数据临时存储在r a m 中是有效的方法。但是微处理器没有如此大的 存储器，为此我们使用了增加辅助存储器的方法，给处理器扩展了一个 1 2 8 k 的s r a m 用作缓存。这样采集指纹的时间与传送指纹图像数据的时间 可以分开，而采集指纹的时间只取决于指纹芯片a ，d 转换的速度和处理器 读写r a m 的速度，事实证明一幅指纹图像a d 转换的时间加上图像数据 存入r a m 的时间总和不超过3 秒。 3 微处理器与上位机通信时需r s 2 3 2 。因此必须提供t t l r s 2 3 2 电平的转换。 3 3 2 元器件的选择 1 所有器件的选择我们都遵循了以下原则： 芯片功能是否满足性能的要求： 芯片资料是否完整并且容易取得 芯片的价位是否合理、是否容易购买； 芯片的调试是否容易、使用是否方便： 2 根据以上原则我们确定选择以下主要元件： 微处理器：8 9 c 5 2 ： 指纹传感器 ：f p s 2 0 0 ； 地址锁存器 ： 7 4 l s 3 7 3 ； 1 2 8 k s r a m：h m 6 2 8 1 2 8 ； r n 像s 2 3 2 电平转换器：m a x 2 0 2 。 3 3 3 系统功能原理图 系统功能原理如图3 3 1 所示，具体电路图见附录1 。 第1 6 页 堡圭笙塞 墨三! ! ! ! ! ! 堕塑竺望型墨竺堕塑茎 图3 3 1 硬件系统功能原理图 3 3 4f p s 2 0 0 采集的指纹图 利用f p s 2 0 0 采集的指纹图像示例，如图3 3 2 、图3 3 3 所示。 ，、，- ：蠢。5 一_ 、。，? 1 叠 图3 3 2f p s 2 0 0 采集的指纹图像 图3 3 ，3f p s 2 0 0 采集的指纹图像 第1 7 页 硕士论文基于f p s 2 0 0 的指纹识剐系统的研究 4 基于f p s 2 0 0 的指纹采集系统软件设计 4 1 单片机软件设计 4 1 1f p s 2 0 0 初始化 需要初始化的寄存器有c t r l b ( 控制寄存器b ) 、d t r ( 放电时间寄存器) 、 d c r ( 放电电流寄存器) 、i c r ( 中断控制寄存器) 。 1 寄存器c t r l b 位功能说明如袭4 1 1 所示，地址：0 x 0 9 ；初始值：0 x 0 e ( 允 许手指自动检测电路、行列地址自动增加、外部晶振、休眠状态) 。 表4 1 1 寄存器c t r l b 各位功能说明 位索引位名称功能 【7 ：6 】 m o d e 1 ：o 】 m o d e 1 ：0 1 9 i 脚的状态。只读，写入无效，该位写0 。 r d y只读。a d 转换器的状态。该位写0 。 5 = o a d 转换进行中：= 1a f d 转换空闲。 4 保留，该位写0 。 选择该位允许自动手指检测电路工作。 u s b 模式下，自动手指检测电路在端点2 产生一个中断。 3a f d e n 在c p u 或s p i 模式下，自动手指检测电路在中断控制寄 存器的控制下在i n t r - 引脚产生一个手指检测中断。任何模 式下自动手指检测可以结合e n a b l e = 0 节省功耗。 = o 行、列地址在a d 转换器被读后不自动增加。 2= la d 转换器被读后列地址自动增加，并启动下一次 a u t o i n c e n a d 转换。行地址在每列末端自动增加。 u s b 模式下该位无效。c p u 和s p i 模式下该位为数字逻 l x t a l s e l 辑电路选择时钟源。 = 0 选择内部1 2 m h z 晶振：= 1 选择x t a l i 引脚。 = o 使传感器阵列、数字、模拟电路装入低功耗休眠状 态( 1 2 m h z 晶振、a d 转换器停止工作) 。 oe n a b l e = 1 允许传感器阵列、数字、模拟电路【：作( 1 2 m h z 晶 振、a