（通信与信息系统专业论文）基于rfid和指纹识别的门禁管理系统.pdf

2 0l1g r a d u a t es m d e n td i s s e r t a t i o ns c h o o ln o ：10 2 6 9 n o ：5 1 0 8 1 2 0 2 0 6 2 ea s tc h i n an o r m a l u n i v e r s i t y e n t r a n c eg u a r d m a n a g e m e n ts y s t e mb a s e do n r f i da n df i n g e r p r i n tr e c o g n i z a t i o n d 印a r t m e n t ：s c h 0 0 lo fm f o n n a t i o ns c i e n c ea n dt e c h n o l o g ) ， m a j 叱 c o m 锄l i l j c a t i o na i l di i l f o m a t i o ns y s t 锄 s p e c i a l i t y ： c o m m u l l i c a t i o na n de m b e d d e ds y s t e i n s u p e r v i s o r ： p r o l i uj i n - g a o c a n d i d a t e ：j i nj u n a p r i l ，2 0 l l 华东师范大学学位论文原创性声明 郑重声明：本人呈交的学位论文基于l 讧d 和指纹识别的门禁管理系统，是在华东师 范大学攻读硕捌博士( 请勾选) 学位期间，在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名：日期：2 0 1 1 年3 月2 5 日 华东师范大学学位论文著作权使用声明 基于i 讧i d 和指纹识别的门禁管理系统系本人在华东师范大学攻读学位期间在导师指导下 完成的硕够博士( 请勾选) 学位论文，本论文的研究成果归华东师范大学所有。本人同意华东师范大 学根据相关规定保留和使用此学位论文，并向主管部门和相关机构如国家图书馆、中信所和“知网” 送交学位论文的印刷版和电子版；允许学位论文进入华东师范大学图书馆及数据库被查阅、借阅：同 意学校将学位论文加入全国博士、硕士学位论文共建单位数据库进行检索，将学位论文的标题和摘要 汇编出版，采用影印、缩印或者其它方式合理复制学位论文。 本学位论文属于( 请勾选) ( ) 1 经华东师范大学相关部门审查核定的“内部”或“涉密”学位论文幸， 于年月 日解密，解密后适用上述授权。 ( ) 2 不保密，适用上述授权。 导师签名 本人签名 2 0 1 1 年3 月2 5 日 “涉密”学位论文应是已经华东师范大学学位评定委员会办公室或保密委员会审定过的学位论文( 需 附获批的华东师范大学研究生申请学位论文“涉密”审批表方为有效) ，未经上述部门审定的学 位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认为公开学位论文，均适用上述授权) 。 金钧硕士学位论文答辩委员会成员名单 姓名职称单位备注 筝季磋刘醛昏院 主席 骞尹量陵 俄援 近璀工程彳5 争季归荐魑隧递僦 私豆也利衣投 赚三程磊 辛末f 7 7 苏薪逸戒 垂惑b融舔究足逸程【锨 摘要 随着科学技术的飞速发展和人们对于安全性和生活品质的日益提高，传统的 门锁已经无法满足人们的要求，因此提出了基于r f i d 和指纹识别相结合的电子 门禁系统管理系统，使用基于a r m l l 的s 3 c 6 4 1 0 以及基于c o r t e m 3 的s t m 3 2 作为控制处理芯片，双重认证技术相结合，同时提供了管理系统，大大提高了安 全性。 在传统的指纹识别技术上，通过算法的分析研究整合，提出了适合于指纹门 禁系统安全性的指纹算法。通过f m l 7 0 2 芯片实现了r f i d 的控制。通过自定义 的传输协议使得系统可以很好的结合2 种认证子系统，通过测试，可以较大的提 高安全性，且易于管理使用和扩充。 关键词：r f l d ；s t m 3 2 ；指纹识别；门禁；s 3 c 6 4 1 0 ；f m l 7 0 2 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fs c i e n c et e c h n o l o g ya n dt h eh i g h e rq u a l i t yo fl i f b a n ds a f b t yw h i c hp e o p l en o wp u r s u e ，t r a d i t i o n a i k e yi o c kc a n n o tm e e t t h e r e q u i r e m e n ta n yi o n g e r s ot h e r ec o m e st h ee n t r a n c eg u a r ds y s t e mb a s e do nr f i d a n df i n g e r pr n tr e c o g n i z a t j o n t h es y s t e mu s ea r m l ls 3 c 6 4 1 0a n ds t m 3 2w h i c h b a s e do na r mc o r t e x m 3a sp r o c e s sa n dc o n t r o ic h i p s ，t h ed o u b i eau t h e n t i c a t i o n s y s t e mw h i c hc o m b i n e dw i t hr f l da n df i n g e r p r i n tc a ni n l p r o v et h es a f 色t yg r e a t i y t hr 1 ) u g ha n a i y z i n ga n di n t e g r a t i n gt h et r a d i t i o n a if i n g e r p r i n ta i g o r i t h m ，g i v ea s a f e t yi m p r o v e da i g o r i t h mw h i c hs u i t a b i ef o rt h ee n t r a n c eg u a r ds y s t e m a c h i e v ea r f i dc o n t r o lw i t h c h i p f m l 7 0 2 c o m b i n et h et w os u b - s y s t e mw i t hg o o d c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ，t h r o u g ht e s t i n 吕t h es y s t e mc a nl m p r o v et h es a f e t y o b v i o u s l ya n de a s yt ou s ea n de p a n d k e yw o r d s ： r f i d ； s t m 3 2jf i n g e r p r i n tr e c o g n j z a t i o n ；e n t r a n c eg u a r d jf m l 7 0 2 目录 摘要1 a b 盯r a c t 第一章绪论1 1 1 引言1 1 2 门禁系统概况1 1 3 传统门禁系统的不足l 1 4 新型门禁系统介绍1 1 5 指纹识别的优势2 1 6r f i d 系统简介一2 1 7 国内外研究现状3 1 8 论文的研究内容和组织结构4 第二章指纹识别算法的流程和关键算法6 2 1 指纹识别流程6 2 1 1 指纹提取9 2 1 2 预处理1 0 2 1 3 图像增强1 0 2 1 4 图像二值化1 0 2 1 5 二值化后去噪1 1 2 1 6 图像细化1 1 2 1 7 中心点提取1 1 2 1 8 特征提取n 2 1 9 特征匹配1 1 2 2 指纹识别关键算法1 2 2 2 1 预处理算法1 2 2 2 2 图像增强1 2 2 2 3 图像二值化1 s 2 2 4 细化1 6 2 3 关键算法的改进1 6 2 3 1g a b o r 灰度增强1 6 2 3 2 局部二值化1 7 2 3 3 细化算法1 8 2 3 4 中心点提取1 9 2 4 关键算法的实现1 9 第三章r f ld 系统。2 1 3 1r f i d 模块介绍2 1 3 2r f i d 与系统接口。2 2 3 3r f l d 实现2 3 第四章系统融合2 6 4 1 硬件部分一2 6 4 1 1 芯片介绍2 6 4 1 2h 桥驱动2 7 4 1 3 显示部分2 8 4 1 4 电源3 0 4 1 5 网络接口d m 9 0 0 0 3 1 4 1 6t v o u t 接口3 3 4 2 融合优化3 5 4 3 软件部分3 8 4 3 1 底层3 9 4 3 2 指纹图象获取4 1 4 3 3 指纹图像的处理4 3 4 4 本章小结4 7 第五章后台控制管理4 9 s 1 数据库简介4 9 5 2s q l 命令5 0 5 3 数据库与门禁接口5 2 5 4 程序设计s 3 第六章整体测试5 7 6 1 系统稳定性一5 7 6 1 1 硬件稳定性s 7 6 1 2 软件稳定性5 7 6 2 系统调试5 8 6 3 系统测试5 8 第七章总结与展望6 王 参考文献6 3 研究生期间的科研成果6 s 致谤 6 6 第一章绪论 1 1 引言 居家生命财产安全是社会发展的基础，是人们能够安心生活工作的前提， 传统的机械锁经过那么多年却没有突破的发展，已经无法满足人们对于居家安 全的更高要求了，开锁技术也泛滥于市，因此本文提出了基于r f i d 和指纹识别 双重加密的电子门禁系统 1 2 门禁系统概况 所谓的门禁是指出入门通道的禁止权限，通行与否，具体来说就是各种锁 具，保安等，来完成认证的过程锁具可以分为传统的机械锁和现代的电子锁 1 3 传统门禁系统的不足 传统的电子锁历史久远，结构也不同，基本上由锁芯、弹子、弹簧、锁舌等 构成锁芯由内锁芯和外锁芯构成，内锁芯就是钥匙孔，弹子也分为内弹子和外 弹子，且长短不同，在内锁芯的孔中，用以区别钥匙，而弹簧用来顶住弹子， 锁舌则是可以伸缩的部分，用来阻挡、允许门的开启1 1 】通过了以上简单的结构 介绍可以发现，由于传统的锁是机械结构，虽然结构各不相同，但是开锁的根 本原理确实相似的，所以开锁匠可以打开绝大部分锁，即使小部分新锁，由于 原理相通，略加研究也能开启可以说传统的机械锁其根本结构难以突破，而 开锁方法又泛滥于市，使得传统机械锁的可靠性日益低下而且传统锁具还有 一个致命性的弱点就是完全依赖钥匙，由于纯机械，因此无法辨识钥匙的真伪， 甚至不能辨别是否开锁的是钥匙户主往往需要随手携带很多把钥匙，既容易 混淆或者忘记携带，万一不慎遗失又会给不法份子带来可乘之机，同时钥匙又 具有一定的重量，特别是多把钥匙产生的重量已经不能小看，这对于现代人们 追求舒适，简约，高安全性，高品质的生活要求是不能满足的而这些优点正是电 子锁所具备的1 2 】。 1 4 新型门禁系统介绍 1 随着科技的发展，电子锁应运而生，区别于传统的机械锁，电子锁是通过各 种电子的形式进行认证过程，然后一般通过控制电机运动来实现门锁的开启闭 合现在有的电子锁包含指纹锁，虹膜锁，射频识别锁等等由于无需插入，甚 至射频识别根本无需接触，使得从门外的进入除了暴力破门而入，几乎已经别无 他法所有的控制部分都在门的内部，仅传感器暴露在外部，使得不法份子望而却 步除了高安全性外，新型的门禁系统也带来了更好的舒适性，指纹，虹膜等属 于生物领域【3 】，随身携带，不会丢失，且唯一而射频识别则可以和常用的消费 类产品相结合，比如手机，或是复用已有的射频卡，例如交通卡，甚至是身份证 1 5 指纹识别的优势 指纹是人类手指指腹上凹凸不平的纹路，用处是在抓取物件时增加摩擦力， 是人类在进化中形成的指纹由遗传因子所影响，每个人的基因因子不同，所以 指纹也不相同指纹属于生物识别领域，在人的一生中都不会随着外力而发生改 变，且可以认为是唯一的，通过指纹可以唯一的把一个人联系起来，因此具有很 高的安全性指纹具有很强的稳定性，从胎儿的六个月开始一直到尸体的腐烂， 纹线的类型，结构，等统计特征不会发生明显的改变【4 】即使手指受伤，只要不伤 到真皮层，恢复后指纹也会恢复原状的，即使伤及真皮层，复原后仅少数纹线 被破坏，同时又会生成新的特征每个人的指纹是独一无二的，每个指纹有7 0 一1 5 0 个基本特征点，一般认为1 2 1 3 个特征点匹配即可认为是同一枚指纹， 按上述概率若要出现相同指纹则需要1 2 0 年指纹随身携带，不会存在丢失问题， 而且使用方便，传感器技术成熟，通过检测温度等一些额外方法能防止假指纹 安全性，舒适方便性，可行性高，是其他电子门禁所不具备的【5 1 1 6r f i d 系统简介 r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n 缩写即为r f i d ，中文为射频识别，俗称 电子标签r f i d 是一种非接触的自动识别技术，他通过无线射频自动识别并获 取标签内的相关数据，无需接触和人工干预，可工作于恶劣的环境，可识别高 速运动物体和同时识别多个目标r f i d 根据不同应用频率可以分为低频( 1 3 5 k h z 以下) ，高频( 1 3 5 6 慨z ) ，超高频( 8 6 0 m 一9 6 0 m ) ，微波( 2 4 g ，5 8 g ) 低频和高频一 般都有相应的国际标准，其特点是成本较低，内容数据量较小或中等超高频和微 波段的电子标签则成本比较高，标签内保存的数据量较大，阅读距离较远和适应 物体的高速运动，阅读天线以及电子标签天线都有较强的方向性r f i d 由标签、 阅读器和天线构成标签是由电磁耦合元件和芯片所组成，每个标签都具有唯一 的识别编码，用来标识目标对象，阅读器是用来读写标签中的信息，天线是用 来在阅读器和标签间传送电磁信号用以通信，对于无源的标签，还能提供一定能 源r f i d 原理简单说就是当无源标签进入阅读器发出的磁场后，接收阅读器发出 的电磁信号，通过感应电流获得一定的能量，然后将存储的信息按照一定的编码 发送给阅读器而有源标签则是主动发送信息给阅读器的【6 】当前我国较为常用 的两个用于非接触式电子标签的2 个标准为i s o1 4 4 4 3 ，i s 01 5 6 9 3 他们的工 作频率都为1 3 5 6 1 1 4 h z 的交变信号为载波i s o1 5 6 9 3 比较适合远距离读写，而 i s o1 4 4 4 3 则距离比较近，但是应用却更为的广泛i s 01 4 4 4 3 又还分为2 种类 型通信协议t y p eb 和t y p ea ，他们通讯速率都为1 0 6 k b i t s ，其不同点在于 位的编码方式及载波的调制深度不同t y p eb 采用的是非归零电平编码的b p s k 编码而t y p ea 所采用的是开关键控的曼彻斯特编码。t y p eb 相对于t y p ea 的优点是传输能量不中断，速率更高，抗干扰能力更强的另外2 者的防碰撞 机制也有所不同，所谓的防碰撞就是同时有多张电子标签在阅读器的读写范围 内，t y p eb 则是通过命令序列来完成防碰撞，而t y p ea 使用的是位冲撞检测 协议。【7 】现在的第二代身份证使用的就是i s o1 4 4 4 3t y p eb 类型的协议，而 交通卡，火车票等则采用的是i s o1 4 4 4 3t y p ea 类型的 1 7 国内外研究现状 国内外已经有不少的指纹识别算法，但是在实验室阶段较多【引，真正用于产 品的较少，且用于门禁的指纹算法对于传统算法可能略有不同。且一般门禁系统 往往采用单一检验方式，很少有将指纹识别，r f i d ，摄像等联合使用来增强安全 性的应用。 r f i d 已经广泛采用于交通，学校等，因此基于交通卡或者校园卡的门禁并 不会提高很多的成本。基于现在有人采用假指纹等欺骗手段，采用r f i d 和摄像 头等多重验证技术可以有效防范该类欺骗。现广泛使用的为m i f a 陀o n e 卡，该 3 卡工作于1 3 5 6 m h z ，通信速率1 0 6 k b p s ，每张卡有3 2 位唯一序列号，内含加密 控制和通讯逻辑电路，保存1 0 年。 1 8 论文的研究内容和组织结构 本论文旨在初步实现一套同时具有指纹认证和r f l d 认证的双重认证门禁 系统，同时可以记录信息，预留摄像头监视，网络控制等多种接口的安全系统主要 研究工作有： 1 了解了指纹识别的流程，和关键性算法，从指纹的输入，预处理，增强，输出，到匹 配，详细了解了算法的实现方法，参阅关于指纹及图象的处理文献 2 改进了在指纹识别中的部分关键性算法，使之能更有效的运行于本系统中 3 实现了指纹的认证的整套流程，包含指纹的提取，预处理，增强，细化，输出等 4 实现了r f i d 的认证的整套流程，包含电子标签的检测，防碰撞，i d 的读取，等等 5 实现了在同一系统中2 种认证方式的融合，给出了通信机制 6 实现了后台简单的数据记录 7 预留了多种接口，以实现更多功能包含视频监视，网络认证等等 论文组织结构如下： 第一章绪论 介绍了本文所做的工作，给出了电子门禁系统较传统门禁系统的优点， 给出了指纹识别的优势，给出了r f i d 系统的初步概念，提出了2 种认证 相结合的概念 第二章指纹识别算法的流程和关键算法 在这章内详细叙述了指纹识别的流程，指纹传感器的分类，指纹的分类，指 纹的特征点，指纹识别一般和改进算法，及指纹识别实现 第三章r f l d 系统 在这章内详细叙述了r f i d 系统的构成，r f i d 系统的原理，使用的r f i d 芯 片，及使用该芯片实现的r f l d 功能 第四章系统融合 在这章内详细叙述了该系统的软硬件平台，及使用的关键性芯片，及给出 了硬件软件原理图，同时叙述了如何在一个系统中同时实现2 种认证系 4 统的方法，提出了分体式设计，模块化使用的思路，既可以单独使用，也可以 一起使用以增强安全性的方法，并给出了模块间通讯的帧结构和方法 第五章后台控制管理 在这章内详细叙述了数据库的分类，及使用s q ls e v e r 实现的后台管理系 统，实现了全面的门禁安防系统 第六章整体测试 在这章内详细叙述了整个系统运行的效果，及调试时候遇到的一些问题 第七章总结和展望 在这章内对整个工作进行了总结，并提出了如何实现更可靠门禁系统的 设想 5 第二章指纹识别算法的流程和关键算法 2 1 指纹识别流程 图1 指纹识别基本流程 手指表面的皮肤凸凹不平的纹路就是指纹。从生理上看，纹路之间是凹下的部分 称为谷，手指皮肤的凸起的部分称为脊。理想的指纹图像是只有黑白的二值化的 图像。但是，由于指纹通常是用按压触摸的方式得到的，因此传感器的非线性，按 压的压力不均匀、按压的位置和方向不同、手指的状况以及皮肤的变形等等都会 导致指纹图像不够理想，或者由于光照等的影响，也会引入各种噪声：这些因素 都使得灰度图像不能直接用来进行指纹匹配。因此，有必要选择合适的特征信息 来描述指纹。 为了使指纹识别系统能工作，指纹的特征应该具有如下性质：【9 】 1 ) 保持指纹的独特性；2 ) 易于进行匹配； 3 ) 对噪声具有一定的鲁棒性，对平移、旋转、和变形具有不变性 4 ) 对不完整指纹具有鲁棒性； 全局特征：全局特征是描述指纹的全局纹路结构，具体为：【1 0 】 1 ) 弓型：平弓型( p 1 a i n a r c h ) ，帐弓型( t e n t e d a r c h ) ； 2 ) 箕型：放射性箕型( r a d i a l l o o p ) ，尺骨状箕( u 1 n a r l o o p ) ； 6 3 ) 斗型：平斗型( p 1 a i n w h o r l ) ，中心对称箕( c e n t r a l p o c k e t l o o p ) ，双箕 型( d o u b l e l o o p ) ； 弓形( a r c h )螺旋形( w h o r l )环形( 1 0 0 p ) 图2 指纹基本结构 指纹的基本概念如下： 1 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，即判断指纹是属于哪一类的从模式区 就能分别：有的指纹识别算法只使用模式区内的数据。 2 核心点( c o r ep o i n t ) 核心点是指纹纹路的渐进中心。它的作用是读取，比对指纹时可以作为参考点。 3 三角点( d e l t a ) 7 三角点提供了指纹纹路的跟踪和计数的开始之处。三角点是从核心点开始的第一 个断点或者分叉点、孤立点、两条纹路折转处、会聚处。 4 式样线( t y p el i n e s ) 式样线是指包围模式区的纹线开始平行的地方所出现的相交纹路，式样线通常很 短就断裂了，但它的外侧线则开始连续延伸。 5 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的和。一般认为连接三角点和中心点的直线和 纹线相交的数目称为纹数。局部特征是指指纹上的节点。两枚指纹虽然可能会 有相同的总体特征，但它们的局部特征却不可能完全相同。 6 节点( m i n u t i ap o i n t s ) 指纹纹路并不是平滑笔直的，连续的，而是经常出现中断、打折、分叉。这些转 折点、断点和分叉点就称为“节点 。 指纹上的节点有以下四种不同特性： 1 分类一节点有以下几种类型 a 、终结点( e n d i n g ) ：一条纹路在此结束。 b 、分叉点( b i f u r c a t i o n ) ：一条纹路在此分开成为多条的纹路。 c 、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。 d 、孤立点( d o to ri s l a n d ) ：一条特别短的纹路，变成了一点 e 、环点( e n c l o s u r e ) ：一条纹路分开成为两条之后，立即有合并成为一条， 形成了个小环 f 、短纹( s h o r tr i d g e ) ：一端较短但并没有成为一点的纹路， 2 方向( o r i e n t a t i o n ) ：节点纹路的方向。 3 曲率( c u r v a t u r e ) ：纹路方向改变的速率 。 4 位置( p o s i t i o n ) ：节点的位置通过直角坐标来描述。 8 力 终结点 o 孤立点 分叉点 分歧点 矿 环点短纹 图3 指纹基本特征 2 1 - 1 指纹提取 指纹提取是指从指纹传感器获得一定质量的指纹图像指纹传感从使用上 可以分为2 类，单次触摸型和滑动型，触摸型要求手指在指纹采集区进行可靠 的触摸，而滑动型则要求手指在传感器表面较均匀滑过来采集数据，以上2 种 根据成像原理都属于半导体成像，原理为当指纹中的脊置于传感器的电容电极 上时，电容会发生一定改变，通过检测电容的变化来进行数据的采集，传感器中 的电容像素的分辨率略高于5 0 0 d p i ，像素点为四十五平方微米，间隔为五十微 米。这类传感器基于一种标准的单一多晶硅三层金属c m o s 工艺，并且采用小于 l 微米的工艺进行设计的。1 1 1 】金属互相连接的第三层构成电容像素层，是由 氮化钛制成的并覆盖着一层氮化硅，厚度为七千埃米。这种硬金属电极与抗磨 层组合形成的传感器十分的坚实耐用，使用的寿命可以达到很多年。 另一类是光学式指纹传感器，主要是利用光的折射和反射原理，光从底部 射向棱镜，并经由棱镜射出，射出的光线因为在手指表面指纹凹凸不平的线纹上 所折射的角度及反射回去的光线明暗程度就会不一样。c m o s ，c c d 的光学器件就 会因此而收集到明暗程度不同的图片信息，从而实现了指纹的采集。一般来说， 选用半导体指纹传感器主要要考虑几个指标分辨率，则一般至少要求2 5 6 d p i ， 否则细指纹不易分辩。抗静电性能，一般要求大于1 5 k v ，否则很容易被击穿使 用寿命要求，传感器的使用的时间要求一般要可以达到使用l o o 万次1 1 2 】 9 2 1 2 预处理 由于传感器自身含有噪声，以及手指按压可能不均匀而造成灰度差异，所 以需要进行预处理用来去除噪声，以及将整枚指纹图像调整到同一个级别的灰度 上，以方便后续处理预处理常常使用滤波方法，例如中值滤波，均值滤波等等1 1 3 】 2 1 3 图像增强 由于手指自身因素或者由于传感器因素，所采集到的指纹图像会含有大 量噪声，会有指纹粘连，模糊，断裂等现象，在这种情况下直接进行后续识别步 骤是不合适的，识别率会严重下降，所以就需要图像增强，把指纹图像变得清 晰，把粘连部分正确分开，把断裂部分正确连接，图像增强过程将整个识别率 有着重要影响一般来说对于指纹图像的增强是利用其纹线方向图来计算的， 这也是指纹的特点之一指纹增强的算法有许多，常用的基于指纹方向纹理的增 强算法框图如下【1 4 1 ： 图4 指纹增强基本流程 2 1 4 图像二值化 图像二值化是指把从指纹传感器所获得的灰度图像，变成易于识别的二指 图像，灰度图像拥有2 5 6 个等级0 2 5 5 ，每个像素只有一个采样颜色值，o 一2 5 5 分别代表从最暗黑色到最亮白色的灰度可以用1 个字节来表示而二值图像仅 拥有0 ，l 两个值，例如1 代表纹线o 代表背景，这样才可以给后续处理带来方 便，可以发现从灰度图像到二值图像是一个信息舍去的过程，每个像素从8 b i t 变为了1 b i t ，因此需要二值化算法来区分哪些是纹线，哪些是背景，然后将其合 并，其取值称为阈值，阈值过低则过多的原有纹线信息将会被舍去，阈值过高， 则会引入极大的噪声，常用的二值化算法有固定阂值划分，动态阈值划分等 等【1 5 】 2 1 - s 二值化后去噪 前面己述，二值化的过程会引入一定量的噪声，或者是图像本身的噪声， 但是经过二值过程被放大了。常见的噪声有孤立点噪声，边缘毛刺噪声等等，因 此需要一定的算法进行去除，使得后续处理更加准确，提高识别率 2 1 6 图像细化 所谓的细化就是将原有纹线进行缩小直到仅一个像素，而不破坏原有连通 性，由于指纹纹线粗细不同，因此要通过剥离原有像素，去掉一些”无用的像 素，一直到得到图像的骨架，但是仍然要保持原有形状，且不破坏连通性f 1 6 】一般 数学形态学上的细化算法就是通过形态学构建一张腐蚀模板通过模板匹配，将满 足条件的点予以删除，不断腐蚀直到达到细化要求，而模板的选择必须满足：保 持连通性，有规律地缩小为前提，而模板构建的好坏也会直接影响到细化效果。 好的细化算法要要保证细化后细线的连通性，满足收敛性，要保持原有图形的 形状和骨架，迭代次数尽量少一般基于模板匹配的算法有h i d i t c h 【1 7 】，d e u t e h ， r o s e n f e i d 等，其区别表现在删除原有像素的条件不同 2 1 7 中心点提取 指纹的中心点是指手指的中心，纹线聚集的位置或者脊线曲率最大的点，由 于整枚指纹较大，各个部分包含的信息量和质量也不相同，而中心点一般位于指 纹的中心位置，且周围特征点信息丰富，且由于每次按压的位置和力量不同，纹 线可能拉升变形或者旋转，中心点可以提供一个可靠的参考点，使得特征点可以 根据中心点的相对偏移来计算匹配，将会降低匹配复杂度，增加匹配的准确 性【1 8 】 2 1 8 特征提取 特征提取是指从指纹纹线上提取特定点的信息。这些特定点包括前面所叙 述的终结点，分叉点，分歧点，孤立点，环点等，这些点的相对位置和方向则可以 标识整枚指纹，一般认为7 1 0 个特征点就足够用来区分了 2 1 9 特征匹配 1 1 特征匹配的过程是指纹认证的过程，从数据库中提取出已有的指纹特征，和 新采集到的指纹特征进行匹配，如果相似度高于一定的阈值则认为是同一枚指 纹，否则认为不同指纹，由于2 次采集的位置，压力等不同，可能造成的特征点不 完全相同，纵然完全相同，由于用力不同，接触方向不同，特征点间的相对位置 也可能不同，这就需要一定的匹配算法从中迅速的，准确的找到匹配的指纹，因 为这个过程往往是1 ：n 甚至n ：n 的过程，因此需要迅速的匹配算法【1 9 】 2 2 指纹识别关键算法 2 2 1 预处理算法 中值滤波，均值滤波算法： 中指滤波，均值滤波算法是一种非线性的数字平滑技术，通常用于去除信号 或者图像中的噪声，中指滤波的原理是把信号中的某一个值用其邻域的各值的 中值代替，相似的均值滤波是指把信号中的某一个值用其邻域的各值的平均值 代替，中值滤波能够抑制随机噪声同时不使得边缘太过模糊，而均值滤波则会导 致比较大的程度的边缘模糊清晰度下降，采用加权的均值滤波算法则会有一定 改善 均值滤波 v ( i ，j ) = 鼍竽( a ，b g 珏l 兰毗阮为邻域两极m = n 2 ) 中值滤波 v ( i ，j ) = v ( a ，b ) ( v ( a ，b ) 为v ( i ，j ) 邻域中的中间值) 中值滤波过程，将模板窗口内所包含的像素按照灰度值由大到小排列，然 后选取序列的中间值作为中值，并把改值赋值给当前处理的点，一般为模板的中 点，作为中值滤波的输出由于在有脉冲干扰的情况下，受到干扰的点的值与邻 域的值有很大的差别，一般表现为灰度值特别大，当对该点进行中值滤波后，该 点的值被周围较正常的点的值改写，因此可以认为该受到干扰的点的被消除了 中值滤波是非线性的过程，他能在保持原有图像轮廓的情况下消除噪声 2 2 2 图像增强 g a b o r 滤波算法： g a b o r 变换是属于加窗傅立叶变换，g a b o r 函数可以在频域的不同方向上，尺 度上提取相关的特征。另外g a b o r 函数与人眼的生物作用比较相似，所以经常用 作纹理识别上，并取得了较好的效果。1 2 1 】 傅立叶变换是由法国学者f o u r i e r 所创立的，f o u r i e r 指出任何周期函数都可以用 一系列正弦波来表示傅立叶变换直接反映了时域与频域的内在联系，建立了时域 与频域间的关系，可是傅立叶变换也有不足，那就是他无法反映非平稳的信号在 某一段局部上的频率特征，无法确定所对应的频率这往往在实际情况中是存在 相当大的误差的，所以为了研究信号在局部范围内的频谱特性，g a b o r 提出了短时 傅立叶变换；g a b o r 提出了一种同时用时间及频率表示一个时间函数的方法，称 作为g a b o r 展开，而g a b o r 展开系数的积分表现形式即被称为g a b o r 变换平稳 信号只需要从时域或者频域的一维空间上分析就可以了，而非平稳信号则需要 从二维空间上进行分析【2 0 】 复频图 凡，g ( ，。，国。) = = f 二矽( ，) g + ( f 一，。弦一m 衍 其中( ，) 为信号，g ( ，) 为窗函数，f 。g ( ，) 斫= 1 ，g 饥，。) 是( ，) g 。( ，一，。) 的傅立叶变换，重构原信号矽( ，) ： 矽( f ) = 古f 二上召( f 。，国。) g o 一乇弦7 州斫。如。 其中q 丁= 2 万( 临界采样) ： 复谱图在网格点( 聊丁，刀q ) 的取值厶。为： 厶= 手f ：g + ( 卜聊r 弦一加础 对矽( ，) 和g ( ，) 以t 间隔采样，并定义下面三组f o u r i e r 变换对： ( ，缈) = 矽( f + 朋7 弘一加砑 g ( f ，国) = g ( ，+ 朋丁弘一加町 矽o + 所n = 古工主( f ，国弦加胛出 o 酏+ m d = 吉工扣川p 加砑如 1 3 f ( f ，国) = 厶。p 卅小删 m = ，l = 厶= 击睡舻咖砌小删妣 经推导可得： f o ，国) = 西o ，国) g ( f ，国) 于是，厶。己知一f ( ，国) 可知一( f ，国) 可得一( f ) 可求出。 连续g a b o r 展开( 临界采样) ： 由( f ，国) = 彳( f ，国) g ( ，国) ，又可得一f o u r i e r 变换对： 彳( f ，国) = p 小删 ，”= a o ，= m 口。= 击鹭皆以咖砌小删批 经推导后得： o + m d = 口。甜，+ ( 肌7 一所) 丁p 帕 该式可简写成： o ) = 口。g 。( f ) ，其中g 。( f ) = g ( f m 丁弦加q ， 亦即将信号得时频平面( f ，) 转换成两个离散采样网格参数( m ，刀) 的平面。口。称 为g a b o r 展开系数，g 。( f ) 称为沏，力) 阶g a b o r 展开的基函数。 g a b o r 变换有三种展开形式： 欠采样m 2 石 临界采样m = 2 万 过采样m s t m 3 2 0 x 0 2 返回当前标签号码方向s t m 3 2 标签号码存放于数据字段 o x 0 3 移动当前读写指针到第条被允许的标签号码方向 s t m 3 2 位于数据字段的第1 ，2 字节总共可以存在6 5 5 3 6 条记录 代表在s t m 3 2 中保存的被授权的标签的序列号 o 0 4 返回第x 条被允许的标签号码方向s t m 3 2 代表在s t m 3 2 中保存的被授权的标签的序列号 o x 0 5读取第条被允许的标签号码方向 s t m 3 2 0 0 6 设置第x 条被允许的标签号码方向 s t m 3 2 标签号码位于数据字段 当使用读取设置命令时需要先使用0 3 命令移动读写指针到指定位 置 0 0 7 获取当前工作状态方向一 s t m 3 2 3 7 0 x 0 8 返回当前工作状态方向s t m 3 2 o x 0 9 返回认证结果方向s t m 3 2 存放于数据字段，1 代表认证通过，o 代表认证失败 用h 桥推动门锁来实现门锁的开启与关闭 4 3 软件部分 由上所述，该系统有2 种运行模式，独立运行与联合运行，由于本系统强调安 全性，故这里设计为协同认证模式，即指纹和r f i d 同时进行认证，全部通过则允 许进入由6 4 1 0 作为主处理器，掌握着控制，记录数据库等操作，而r f i d 模块则 仅仅提供r f i d 码来进行认证，及获取控制信号进行h 桥的开关通过之所以用 r f i d 端来推动h 桥一方面是软件比较简单，s t m 3 2 可以方便的g p i o ，而运行于 6 4 1 0 的操作系统则需要内存映射等一些额外操作，另一方面是由于r f i d 模块较 为小巧，使得h 桥位于r f i d 模块端较为节约空间，及易于硬件上的实现综上，认 证的大流程如下： 图2 2 软件流程图 4 3 1 底层 f m l 7 0 2 同时支持s p i 串口和并行接口，考虑到数据流量较低，不需要很高的速度， 所以采用了s t m 3 2 的串行接口和f m l 7 0 2 进行通信s t m 3 2 的s p l 支持8 1 6 位， 支持主从模式，最高频可达1 8 m h z ，可编程的数据顺序和时钟极性，支持硬件c r c ， 支持d m a 程序中配置的s p i 如下： s p l l n j t s t r u c t u r e s p l d i r e c t i o n = s p l d i r e c t i o n 一2 l i n e s f u l | d u p | e x ； i 配置为全双i s p i l n i t s t r u c t u r e s p i m o d e = sp i m o c | e m q s t e r ； ? 配置为i 模式 s p l l n i t s t r u c t u r e s p l d o t q s i z e = s p l d o t o s i z e ：- 8 b ； f i 数据位宽为8 s p u n i t s t r u c t u r e ，s p l c p o l = s p l c p o l l o w ； 配置空阑极性为低电平 s p l i n i t s t r u c t u r e s p t c p h a = s p l p h a 一2 e d g e ； f f 配置为双边沿采样 s p | 一| n j t s t r u c t u r e s p l n s s = s p l n s s s o f t ； ? n s s 采用软件控锄 s p | 一l n i t s t r u c t u r e s p l b q u d r q t e p r e s c q | e r = s p | 一b o u d r q t e p r e s c q | e l 2 5 6 ； ，s p l2 5 6 分频 s p | 一| n i 巧t r u a i u r e s p | 一f i r s t 8 i t = s p l f i r s t b - t m s 8 ； f ? 数据为高位在前m s 8 s p l 一| n i t s t r u c t u r e s p | 一c r c p o | y n o m i o | ：7 ； s 融j n l t l s p l l ，& sp l