（控制理论与控制工程专业论文）基于嵌入式的指纹识别系统研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 基于生物特征的身份鉴别技术是国内外专家研究的热点，而指纹识别技术 是生物特征识别技术中应用最为广泛的技术之一。传统的身份认证方法，像密 码、身份证和钥匙等，在安全性和便捷性上越来越不能满足现代社会的需求。 指纹的唯一性和不变性为人的身份识别提供了依据，计算机图像处理和模式识 别技术的发展使得指纹的自动识别成为可能。 自动指纹识别系统( a f i s ) 是基于计算机或高性能m c u 来进行指纹识别的 技术，具有方便、高效、安全、可靠等优点。在金融安全、数据加密、电子商 务等各个领域都得到了广泛地应用，并将在生产和生活中发挥越来越重要的作 用。传统的自动指纹识别系统大多是基于p c 平台的联机应用，而快速发展的民 用市场对自动指纹识别系统的可携带性和易用性提出了更高的要求。自动指纹 识别技术正向着小型化和嵌入式的方向发展。 本文的研究内容是结合d s p 技术与指纹识别算法，开发出一套基于嵌入式 d s p 平台的指纹识别系统，实现安全、高效、方便的个人身份鉴别。本文对指 纹识别技术做了大量的研究工作，主要分成四部分。首先，查阅了大量有关指 纹识别技术的资料，研究了指纹识别技术的发展概况和趋势以及当前存在的问 题，并对生物特征识别技术做了大量的介绍。 其次，对指纹识别算法进行了描述，分别从图象增强和指纹匹配两部分进 行阐述。根据在p c 平台上的指纹识别算法，本文通过对g a b o r 滤波算法的改进 和精炼并对匹配算法的创新来克服d s p 处理平台在运算速度和储存器资源上的 劣势。 再次，设计了一套基于d s p 的自动指纹识别硬件系统，整个系统从处理 性能和成本角度以及技术开发难度方面出发，做出了较好的折衷。对指纹采集 部分进行详细描述，详细讲述了它的电路设计以及采集程序；并且也对电源管 理部分、存储器扩展部分及以太网接口部分等主要部件进行了详细的设计。 最后，使用了适合v c 5 4 7 1 的嵌入式操作系统，并对各部分的驱动程序及指 纹识别算法进行了软件设计。 关键词：d s p ，自动指纹识别系统，嵌入式，传感器 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e t e c h n o l o g y o f i d e n t i t y i d e n t i f i c a t i o ni s b e i n g r e s e a r c h e d w i d e l y f o r i d e n t i f i c a t i o no fi n d i v i d u a l s f i n g e r p r i n t b a s e di d e n t i t yi d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g yi s o n eo fa l lb i o m e t r i c si d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g y ，w h i c hi s a d o p t e dw i d e l y t h e c o n v e n t i o n a lp e r s o n a li d e n t i f i c a t i o nm e t h o d ss u c ha sp a s s w o r d ，i d e n t i t yc a r da n dk e y c a l ln o t s a t i s f yt h en e e do fm o d e ms o c i e t yi ns e c u r i t y a n dc o n v e n i e n c e t h e i n v a r i a b i l i t ya n ds o l i t a r yo ff i n g e r p r i n tp r o v i d ei d e n t i t yi d e n t i f i c a t i o na n di t i s b e c o m i n gp r o s s i b i l i t yw i t ht h ed e v e l o p m e n to fi m a g ep r o c e s s i n g a n dp a t t e r n r e c o g n i 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 ns y s t e m ( a f i s ) w h i c hi st h et e c h n o l o g yo f f i n g e r p r i n ti d e n t i f i c a t i o nb a s e do nc o m p u t e ro rh i g h - p o w e r e dm c u ，i sp r o v i d e dw i t h t h ea d v a n t a g es u c ha sc o n v e n i e n c e ，h i g l le f f i c i e n c y ，s e c u r i t ya n dr e l i a b i l i t y i th a s b e e na p p l i e di nm a n yf i e l d ss u c ha sf i n a n c i a ls e c u r i t y ，d a t ae n c r y p t i o n ，e l e c t r o n i c b u s i n e s se t c t r a d i t i o n a la 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 mi sm a i n l yb a s e d o np co n l i n ea p p l i c a t i o n d u et ot h eq u i c k l yd e v e l o p i n gc i v i l i a nm a r k e t ，i ti sr e q u i r e d t ob ee a s i e rt oc a r r ya n du s e s ot h et r e n do f m i n i a t u r i z i n ga n de m b e d d i n gt h es y s t e m f o ra 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 nb e c o m em o r ea n dm o r ed i s t i n c t i nt h i st h e s i s ，t h eo b j e c t i v ei st od e s i g naf i n g e r p r i n tv e r i f i c a t i o ns y s t e mt op e r f o r m f u l l ya u t o m a t i cp e r s o n a li d e n t i f i c a t i o nb yc o n n e c t i n gw i t ht h ed s pt e c h n o l o g ea n d t h ef m 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 m t h i st h e s i sp a y sm u c ha t t e n t i o nt ot h e r e a s e r c ho ff i n g e r p r i n ti d e n t i f i c a t i o n ，a n dw h i c hi sc o m p o s e do ff o u rp a r t s f i r s t l y ，t h e l a r g ea m o u n to fd a t aa b o u tf 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 yw a sl o o k e du p ，t h e t r e n da n dp r o b l e mo ft h et e c h n o l o g yd e v e l o p m e n tw a ss t u d i e d ，a n dm u c ha b o u t b i o m e t r i c si d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g yw a sa l s od i s c u s s e d s e c o n d l y ，t h ep a p e rd e s c r i b e st h ea l g o r i t h mo ft h ef i n g e r p r i n ti d e n t i f i c a t i o nf r o m t w op a r t sw h i c ha r et h ei m a g es t r e n g t h e na n dt h ef i n g e r p r i n tm a t e s a c c o r d i n gt ot h e f i n g e r p r i n t i d e n t i f i c a t i o na l g o r i t h mo np cp l a t f o r m ，t h i s p a p e r d o s et h a tt h e i m p r o v e m e n to ft h eg a b o rs t r a i na l g o r i t h m i ca n dt h ei n n o v a t i o no ft h em a c h i n g a l g o r i t h m i cf o ro v e r c o m i n gt h ep l a t f o r mi n f e r i o rp o s i t i o no nt h ea r i t h m e t i cs p e e da n d r e s e r v o i rr e s o u r c es p e c i f i c a l l yf o rd s e t i r d l y , t h i sp a p e rd e s i g n sa s e to fd s p - b a s e da u t o m a t i o nf i n g e r p r i n ti d e n t i f i c a t i o n h a r d w a r es y s t e m e n t i r es y s t e mh a sm a d ef a i r l yg o o dc o m p r o m i s ef r o mt h ea s p e c t 武汉理工大学硕士学位论文 p r o c e s s i n gt h ef u n c t i o n ，t h ec o s ta n g l ea n dt h et e c h n o l o g yd e v e l o p sd e g r e eo f d i f f i c u l t y t h ep a p e rd e s c r i b e d st h ef i n g e r p r i n tg a t h e r i n gp a r tw h i c hi sc o m p o s e d a b o u ti t sc i r c u i td e s i g na n dt h eo r d e ro ft h ef i n g e r p r i n tg a t h e r i n g t h ep a r to ft h e p o w e rs o u r c em a n a g m e n t ，m e m o r ye x p a n d a t i o na n de t h e m e ti n t e r f a c ep a r t a r e d e t a i l e dd e s i g i n t h ee n d ，t h i sd i s s e r t a t i o nu s e st h ee m b d e d o p e r a t i n gs y s t e mb e i n gs u i t a b l et o v c 5 4 7 1 ，a n dd e s g i n st h es o f t w a r ea b o u tt h ed r i v e ro r d e ro fe v e r yp a r ta n dt h e f 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 m k e y w o r d s ：d s p ，a f i s ，e m b e d d e ds y s t e m ，s e n s t o r 独创性声明 本人声明，所呈交的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，除了文中特另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，也不包含为获得武汉理工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 表示了谢意。 签名：篷主宝一b 期：2 1 1 2 ：( 上 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有关 机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研完生c 签名，：盟导师c 签名，鹊期：鱼址 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 生物识别技术简介 第1 章绪论 长期以来，在人类的社会活动中需要验证个人身份时，传统的方法是验证 该人是否持有有效的证明文件或信物，如照片、密码、磁卡等。从本质上来说， 这种方法验证的是该人所持有的某种“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”认人的方 法的漏洞是显而易见的。各种伪造证件、信物以及密码的被破译或盗用又使非 法的人得到合法的验证。为了防范这类事件的发生，人们需要一种直接认人的 身份认证手段，这就是“人体生物特征识别技术”。【l 】【2 l 利用人体特有的生物特征，如指纹、声音、行为等进行身份识别已成为目 前研究的热点，并发展成为一种被称为“生物检测学”的专门学科，其相关的技术 也被称为“生物特征识别技术”，而实现该功能的计算机系统则被称为“生物识别 系统”。 并不是所有的人体特征都能作为身份验证，而是只有满足了下列条件的才 能用于验证人的身份。 ( 1 ) 普遍性即是否人人都具有该特征。比如像只有一部分人有的胎记或疤痕， 无法用于大范围的身份识别。 ( 2 ) 唯一性即每个人都应与其他人不一样。 ( 3 ) 稳定性即特征或行为应在一个相当长的时间内保持不变，经常变化的特 征是无法保证识别系统的鲁棒性的。 ( 4 ) 可采集性即是否可以方便地获取并量化这些特征或行为。 然而在实际操作中仅仅满足上述四个条件还是不够的，还需要考虑到以下 问题： ( 1 ) 系统整体的性能也就是说采用这种特征来识别人的身份，速度、精度 以及系统的鲁棒性是否能够达到指标要求。 ( 2 ) 采用这种生物特征，人们是不是可以接受，是否干涉了人的隐私或对人体 有伤害以及对用户而言是否操作方便等等。 因此一个实用的生物识别系统应具备以下特征：用于识别的生物特征可以 被人们所接受；可以方便地获取这些生物特征；系统的识别精度和速度能够满 足应用需要；对于各种欺骗手段系统应有足够的适应性。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 几种主要的生物特征识别技术 人体用于生物识别的特征可以分为两类：生理特征和行为特征。生理特征 主要有：指纹、掌形、虹膜、视网膜、人脸、面部热像等；行为特征主要有： 签名、语音、步态、击键等。研究和实验表明，人体的上述特征都在不同程度 上满足普遍性、唯一性、稳定性和可采集性等四个基本性质的要求。基于这些 特征，人们发展了多种生物识别技术，其中应用较广或研究较深的有：指纹识 别、掌形识别、虹膜识别、视网膜识别、人脸识别、面部热像识别】、签名识别、 语音识别等。 在各种生物识别技术中，指纹识别和掌形识别的应用最为广泛，可以看出 使用手部特征进行身份鉴别较易被大众所接受。其中指纹识别更是占据了绝对 的优势，国内外市场上的主要生物识别产品基本上都是基于指纹识别技术的。 视网膜识别具有高度的准确性和防伪性，但在采集方面要求较高，因此并未普 及应用，目前主要用于需要高度安全防范的场合。其它几种被看好的技术是虹 膜识别、人脸识别和语音识别。虹膜识别具有相当于视网膜识别的高准确性和 高防伪性，对采集设备的要求则相对低于视网膜识别。人脸识别和语音识别比 较容易为人们所接受，而且下一代智能人机接口也将融合有关的采集技术，因 此具有较大的应用潜力。实际上，人体生物特征要在现实中得到应用，不仅要 求具有上面提及的四个基本性质，还需要考虑其它一些因素，如所能达到的识 别精度、公众的接受度、防伪性、对硬件设备的要求等。综合考虑起来，目前 还不存在哪一种人体生物特征能够在所有方面同时占据优势，因此在实际应用 中必须根据需要进行适当选择。表1 - 1 给出了几种生物识别技术在各项性能上的 比较【3 1 。 表1 - 1常见生物特征比较 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 指纹识别 指纹识别主要是根据人体指纹的纹路、细节特征等信息对操作或被操作者 进行身份鉴定。当今的指纹识别技术无论是在应用规模、技术成熟度，还是市 场占有率方面，在整个生物识别技术领域中均处于主导地位。 指纹识别技术具有以下特点： ( 1 ) 指纹可以提供独一无二的个体特征，并且特征的精确度和复杂度足以满 足高准确的鉴别需要。 ( 2 ) 选择多样性，每个人可以选择多达1 0 枚以上的指纹，若加上它们之间的 各种组合，则可由更多的选择。 ( 3 ) 指纹具有良好的稳定性，且读取可靠，可在相当长的时间内维持不变。 ( 4 ) 指纹的采集方式属于非损伤性和非敏感性的采集，易于被操作者接受。 ( 5 ) 指纹采集的速度很快，使用方便。 ( 6 ) 指纹采集设备较为简单，容易小型化 ( 7 ) 存在着极少数人因手指受伤的外界因素，导致其指纹难以提取。 1 3 1 指纹识别技术的发展 人类对指纹的应用，从遥远的古代就开始了。大量的历史资料表明，中国 是世界上最早应用指纹识别技术的国家。指纹在中国古代的借贷契约、买卖文 凭、婚约休书、狱词供状、军队名籍等方面广泛应用，反映了我国人民已经根 据经验，认识到了指、掌纹可以代表一个人，而且是不变的。根据学者的推论， 以全球6 0 亿人口计算，3 0 0 年内都不会有两枚相同的指纹出现，这很好的体现 了指纹的惟一性。指纹特征被人们广泛认识和接受的原因不仅在于其惟一性， 还在于其不变性。具体来说就是不同手指的指纹纹脊样式不同和指纹纹脊的样 式终生不变。1 9 世纪末，指纹作为证据在犯罪事件中得以应用也是得益于这两 个特征。上世纪6 0 年代，随着计算机技术的蓬勃发展，人们开始利用这一新兴 的工具处理指纹，自动指纹识别系统的研究和应用在很多国家相继展开。 指纹识别技术在国外研究得较早，利用计算机进行指纹识别的技术也比较成 熟。许多大公司如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 等都有专门的机构从事该项技术的研究、开发和应用。其中，最具代表性的是 利用计算机处理的a f i s 系统( a u t o m a t i cf i n g e f f 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 ( 自 动指纹识别系统) 具有灵活的系统结构，可以建立大型的数据库，但是该系统的 3 武汉理工大学硕士学位论文 价格比较昂贵，而且由于需要连接计算机，限制了该系统在很多方面的应用。 其他一些小型系统，像d i g i t a l p e r s o n a 公司的u r u 系统和v e r i d i c o m 公司的 产品，指纹采集器采用光学或半导体传感器来完成指纹图像的采集工作，识 别算法的速度也在不断提高，但是，由于他们都需要接p c ，因此价格也比较 昂贵。 在我国，推出指纹识别产品的公司很多，但绝大多数公司是引进了国外 的技术，真正掌握核心技术、拥有自主知识产权的公司只有北大高科、中自 汉王、粤安集团等几家，而学术方面则是中国科学院自动化研究所、北京大 学计算机系、清华大学自动化系等单位居于国内领先地位。 1 3 2 指纹识别技术研究的关键 指纹识别系统的实现有软件和硬件两方面的基础，需要解决系统结构、 指纹获取、指纹图像处理算法、指纹数据库、指纹分类与识别算法、指纹压 缩解压等多项关键技术。指纹识别算法研究的重点和难点可以归纳为对采集 进来的各种有噪声图像进行滤波和增强；对指纹的全局和局部特征进行提取； 如何在图像不能完全定位和图像可能发生扭曲变形的情况下进行特征比对等 三个方面。鉴于指纹图像本质上是一种脊线和谷线交替出现、平行分布的纹 理图像，根据局部图像的纹理特点求出表征纹理走向的方向图，并借助方向 图进行图像增强，进而对图像通过二值化，细化，伪特征去除并提取特征的 思路已经得到了广泛的应用。 在硬件上，从系统结构来看可以将系统分为嵌入式系统和连接计算机的 桌面应用系统。其中，前者可独立运行，功能较为单一，识别效率较高，稳 定性较好，可以适用于广泛的应用场合；后者需要连接计算机，可建立大型 的数据库应用，可扩展性好。与计算机相连的桌面应用系统在以前研究较多 现在，随着大众对身份识别技术的要求越来越高，指纹识别也逐渐被广泛的 应用于各式各样的场合，因此嵌入式指纹识别系统越来越受到人们的重视。 大量的数据和资料显示由于指纹识别应用的日益广泛，开展指纹识别技术研 究必然可以因其丰富的应用产品而创造巨大的经济效益，兼之这种技术可以 在公安、金融、网络安全等方面的战略作用而创造巨大的社会效益。由于在 指纹识别技术发展的同时还可带动图像处理、模式识别、光电子和计算机等 相关学科的发展，因此指纹课题的研究具有很高的学术价值。 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 本文研究的内容 本文主要研究基于1 1 公司生产的双核d s pt m 3 2 0 v c 5 4 7 1 作为指纹识别系 统的主控制器，采用富士通公司的指纹传感器芯片m b f 2 0 0 进行指纹采集，设 计了指纹识别系统的硬件架构和各部分软件体系。 第2 章主要概述指纹识别系统及识别算法，提出指纹识别系统的整体设计 思想；针对d s p 处理平台在运算速度和储存器资源上的劣势，对于前人在p c 平台上实现的指纹识别算法进行改进和创新，在保证系统可靠性的前提下有效 的降低了运算量，这些工作包括对g a b o r 滤波算法的改进和精炼、在匹配算法 上的创新。 第3 章选用各方面性能较好的电容式指纹传感器m b f 2 0 0 实现指纹检测、 采集和数据a d 转换的功能。设计实现了s p i 接口来完成m b f 2 0 0 与v c 5 4 7 1 之间的数据传输。 第4 章设计了一套基于d s pv c 5 4 7 1 的自动指纹识别硬件系统，整个系统从 处理性能和成本角度以及技术开发难度方面出发，做出了较好的折衷。对电源 管理部分、存储器扩展部分及以太网接口部分等主要功能电路进行了详细的设 计。 。 第5 章讲述了系统所选操作系统，及芯片初始化和各功能模块的驱动程序， 并写出了指纹识别的软件流程。 5 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章指纹识别系统的总体设计 本文所描述的嵌入式指纹识别系统是指脱机的自动识别系统，整个采集识 别过程都在嵌入式系统上完成。本章主要讲述指纹识别系统的分类、组成原理 及重要算法，并对本系统的整体设计作了概述。 2 1 指纹识别系统的分类 指纹识别系统主要有两种方法，联机式指纹识别系统和嵌入式系统实现。 联机式指纹识别系统由上位机( 一般为p c 机) 与指纹采集器构成。采集器采集到 指纹后，通过串口、并口、u s b 或者以太网l a n 等接口的连接电缆将其传送到 p c 机，并由安装在p c 机上的指纹算法软件进行处理和识别，这种方式也被称 为p cb a s e d 。联机式指纹识别系统具有灵活的系统结构，多个系统可以共享指 纹识别设备，实现建立大型的数据库应用。但由于需要连接计算机才能完成指 纹识别的功能，因此限制了这种系统在许多方面的应用。联机式指纹识别系统 的典型应用是在银行储蓄系统和公安机关案例分析中0 嵌入式指纹识别系统是将指纹的采集、识别以及人机交互集中在一个脱机 系统中完成，通常这类系统是以d s p 这类具有高速运算能力的芯片来构建的， 其功能较为单一，用于完成特定的功能。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。例如指纹 门禁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、价格低、保密性强等优点被应用在各种领域。 2 2 指纹识别系统组成原理 生物识别技术是根据生物特征的唯一性、不变性和可测量性进行个体身份 识别的技术。指纹识别技术是最早通过计算机实现身份识别的生物技术，也是 现在应用最为广泛的生物识别技术之一。指纹识别技术主要涉及：指纹图像采 集、图像增强、特征提取，指纹分类和指纹匹配等。本系统的功能框图为2 - 1 所 示【5 矧。 6 武汉理工大学硕士学位论文 图2 1 指纹识别系统框图 首先，通过指纹取像设备读取得到指纹的数字图像，并对原始图像进行初 步处理，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一 一特征数据。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d s p 处理器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。可见，指纹识别过程实质上是一个图像识别过程。 在本系统中采集的指纹图像经过一下几个处理步骤： ( 1 ) 原始指纹图像数据来源于m b f 2 0 0 指纹传感器，采集象素尺寸为3 0 0 x 2 5 6 。 ( 2 ) 滤波：由于指纹头采集到的数据受到传输线路和物理器件的干扰，不可避免 的存在噪声。比较明显的是椒盐噪声，所以对采集到数据( 象素值小于1 7 ) 进 行了中值滤波。 0 ) 图像分割：区分指纹和背景区域。在3 0 0 x 2 5 6 模式下，指纹区域只是占整个 采集图像的一部分，并且在指纹区域，有些地方的纹线比较模糊( 比如污 迹) ，必须将其视作背景，以免产生伪特征。 h ) 在指纹的局部区域，纹线保持相同的方向。求出指纹在每个区域的方向信息， 此信息对后面的求纹线宽度和增强有着重要的作用。算法中将指纹分割成7 x 7 的块，然后求得每一块的方向信息。对所得方向信息进行量化，得到8 个方向 值。在某些位置，由于噪声的干扰或图像质量本身的问题，初次求得的方向信 息不准确，需要根据周围的方向信息对其进行修正。 佑) 细化：二值图像中，指纹的脊线宽度( 每条脊线上，垂直与脊线方向的象素 个数) 不为1 ，因此，将宽度变为一个象素的过程就是细化。 ( 6 ) 后处理：由于细化算法的不完备或者二值化图像不是很精确，所得到的细化 图像不可避免的存在一些毛刺和空洞。后处理就是消除毛刺和空洞。 7 武汉理工大学硕士学位论文 ( 7 ) 特征提取：指纹的主要信息是端点和分叉点。 ( 8 ) 匹配：将提取的信息与指纹库中的指纹特征信息进行比对，检查是否存在 相同的指纹。 2 2 1 图象增强算法 图像增强方法大致分为两类：基于空域的和基于频域的。空域滤波法通过对 滤波算子和原始图像作卷积来实现图像增强，具有简单直观，易于分析的优点。 例虫i h o n g 等提出采用具有方向和频率选择性的二维g a b o r 滤波器来增强指纹图 像。基于频域的算法是关于脊线整体特征的，先对指纹图像作傅立叶变换，在 频率域中进行处理，再作傅立叶反变换。本系统采用一种基于频域的图像增强 算法吲【1 4 1 。 基刁：l o g g a b o r 滤波的指纹图像增强算法主要包括以下步骤：( 1 ) 对指纹图 像实施加窗傅立叶变换，取得图像各局部区域的频谱；( 2 ) 根据指纹图像各局 部区域的纹理信息构造相应的l o g g a b & 滤波器对其频谱进行滤波：( 3 ) 对滤波 结果分别作傅立叶逆变换，再根据图像各局部区域的空间位置关系对逆变换结 果进行融合，从而得到完整的增强图像。 l o g - g a b o r 函数最早由f i e l d 提出，其传递函数定义为 g ( d e x p l - 2 【l o g ( 刎 其中，0 为滤波器的中心频率，s 为常数，用于控制滤波器带宽。 根据上式转变成二维l o g g a b o r 滤波器在极坐标系下的表示如下： 一x 一蝉 ( 2 - 1 ) 叶筹) p 动 上式所表示的滤波器可以分解为径向滤波器和角度滤波器两部分： 8 武汉理工大学硕士学位论文 g ，r ) = e x p f 一嵝笋1 ( 2 - 3 ) 。r j ， g 。( r ) - o x p ( 一等1 ( 2 - 4 ) 、 一f ， 其中，r 表示径向坐标，e 表示角度坐标，厂0 为滤波器的中心频率，吼为滤 波器的方向角，参数仃，和分别用于决定径向滤波器和角度滤波器的带宽，亦 即二维l o g - g a b o r 滤波器的径向带宽和角度带宽。 从滤波器的定义可以看出，具体的二维l o g g a b o r 滤波器取决于四个参数： 厶、o o 、q 和。其中厂。和吼分别对应于指纹图像的脊线频率和方向。由于 脊线频率和方向通常只在指纹图像的局部区域内保持一致，因此即便对于同一 幅指纹图像，厂0 和钆也不是固定的，而是随着脊线频率和方向的变化而改变。 参数口，用于确定滤波器的径向带宽，为指定的常数。参数口。用于确定滤波器的 角度带宽，则需要根据指纹的脊线曲率进行调节。 如前所述，l o g - g a b o r 滤波器的解析表达式只在频域中存在，因此这里的图 像滤波在频域进行。加窗傅立叶变换能够同时在空域和频域实现图像的局域化 分析，尤其适合对指纹图像作频谱分析，有利于减少冗余运算，提高处理效率。 因此，本文采用加窗傅立叶变换来提取指纹图像的频谱信息。对于二维的图像 需要使用二维加窗傅立叶变换，定义如下： ，电，j ，“， ，) = ff r ( x , y y b f ，y 一歹k 。螂 ( 2 5 ) v 电o - 其中，i 和j 分别为图像子块( i ，j ) 中心像素的横坐标和纵坐标，k ，y ) 表示 窗函数，f 和f 分别表示原始图像和图像频谱。值得注意的是，由于我们需要从频 域滤波结果中恢复出空域图像，因此对变换窗口的位置、尺寸和形状有较为严 格的要求，以保证图像不产生失真。窗口的中心与对应图像子块的中心应相互 重合，窗口的尺寸不能取得太小，通常应大于图像分块尺寸，以消除分块处理 所带来的块边缘效应，同时也不能将窗口尺寸取得过大，以免增加不必要的计 算代价。根据经验，对于分辨率为5 0 0 d p i 的指纹图像，将窗口尺寸w x w 取为3 2 x 3 2 能取得较好的折中。图像分块尺寸b x b 通常取为1 6 x 1 6 ，因此相邻的窗口实际上 是相互交错的，即存在重叠的区域。为更好地满足图像逆变换的需要，我们采 取一种圆形的升余弦窗作为加窗傅立叶变换的窗函数。窗函数的定义如下： 9 武汉理工大学硕士学位论文 w fg ，y ) - 其中， 1 ，s0 2 ，( x ，y ) s 一等，等1 ( 2 - 6 ) ，其他 一j 她一 曰 2 对于任意一个图像子块，应根据其脊线方向和频率将l o g - g a b o r 滤波器调制 到相应的方向和频率上，并根据其脊线曲率确定滤波器的角度带宽，然后使用 所构造的滤波器对其频谱进行滤波处理。令f ( u ，v ) 和f ( u ，v ) 分别表示滤波前后的 频谱，则可将滤波步骤表示如下： f ( u ，v ) = g ( u ，v ) f ( u ，v ) 其中，g ( u ，v ) 为l o g - g a b o r 滤波器的直角坐标表示。显然，滤波器的尺寸应 当与频谱的尺寸保持一致。 对每一个图像子块的频谱完成滤波后，还需要分别对其作傅立叶逆变换， 变换公式如下： ，一矿1w 磊- 1 磊w - i f 唧( 等叫) ) ( 2 - 7 ) 其中，w 为正方形频谱的边长，亦即前述加窗傅立叶变换中的窗口边长。 显然，逆变换结果通常为复数，每一次变换得到的数据块同样具有w x w 的尺寸。 对于逆变换得到的各数据块，我们保留其实部作为变换回空域的图像块，再在 空域对各图像块进行融合，以取得完整的增强图像【1 3 l 。 2 2 2 指纹匹配算法 指纹匹配是指纹识别系统的关键环节和必要步骤，就是通过对两枚指纹特 征集之间相似性的比较，来判断对应的指纹是否来自同一手指的过程，是一种 非常经典而又亟待解决的模式识别问题。根据指纹细节特征的不同，指纹匹配 算法主要包括基于点模式匹配算法、基于纹理模式匹配算法和基于图的匹配算 法1 2 7 瑚l 。 2 2 2 1 初匹配 细节点配准是指纹匹配的关键，本文采取先局部后全局的方式来配准输入 细节点集和模板细节点集。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 令p 一帖f ，y f ，卵) | ，y ：，锘，j 表示模板图像中的m 个细节点， q = 帖p ，y p ，卵，b 暑，y 舅，卵，j 表示输入图像中的n 个细节点则对指纹 p 上的每个特征点建立局部特征向量可得到一个m 维的局部特征向量组，对指 纹q 可得到一个n 维的局部特征向量组。 初匹配的过程就是将指纹p 的m 维向量组和指纹q 的n 维向量组进行比较： 把p 中每一个特征点只( i = 1 ，2 ，oo l pm ) 的局部特征向量与q 中每一个特征 点q ，0 - - 1 ，2 ，o9 的局部特征向量进行一一匹配，相应的匹配分数记录在 矩阵s c o r e 一中，旋转的角度记录在r o t a t e 【i 】u 】中，匹配分数的计算方法为： 若p 。，q ，向量的中心点类型不一致，即s p s f 贝l j s c o r e i j = 0 ，若只，q f 向 量的中心点类型一致，即s j ：p s ? ，且其5 个邻域分量中有x 个邻域点匹配，则 s c o r e i j l = x ( 1 - x = 5 ) 完成匹配后，在矩阵s c o r e 的每一行中标记出匹配分数 最大且不为零的元素，这些元素的位置可以确立特征点只与q ，的一一对应， 其分数总和称为总匹配分数记作g 柚。这里使用相对匹配分数 s 1 0 0 q j 吼。1 作为初匹配的判决条件。为减少拒判时间，设置初匹配 门限，即最高匹配分数s 一和最低匹配分数s 旆若s s 一则直接判为 p ，q 来自同一指纹。 。 初匹配阶段主要完成了两个任务：( 1 ) 标记出匹配矩阵s c o r e 中分数值最大 的元素s c o r e 【a 】【b 】，在第二阶段的匹配中将以指纹p 的第a 个点尸和q 的第b 个 点么作为对两个指纹进行全局坐标校准的最佳参考点。( 2 ) 直接排除相差较大 的输入指纹图像，减少匹配的拒判时间，从整体上加快系统得识别速度。 2 2 2 2 全局匹配 坐标校准后得到的点集记为 p 一僻。，只，只j ，q i 昭i ，q i ，q ：j 将p 中的每个点与q 中的每个点进行基于界限盒的一一匹配，建立m n 维 的匹配度矩阵。同一次匹配中的方法类似，为避免一点与多点相配的情况 出现，采取以匹配度由高到低的原则建立只。与q ：的一一对应1 1 7 j 。 指纹图像不可避免的存在一定范围的局部变形，这是一种非线性形变， 一般在变形的中心区域内变化较大，然后非线性地向外扩张。因此，在判 断平面中两点是否匹配时，还需要考虑一定范围内的变形，本算法引入限 界盒的概念来解决这个问题。限界盒就像是放在指纹特征点上的一个盒子， 武汉理工大学硕士学位论文 限界盒的大小一般由极角和极半径来刻画，这里定义其大小为可变化的，如图 2 2 所示。从图中可看出，限界盒的大小由当前特征点和中心点间的距离来决 定，在离中心点近的地方极半径应该变小，极角变大；相反，在离中心点远 的地方应该极半径变大，极角变小。当两个特征点。和珥落在同一个限界盒 中时则认为这两个点匹配成功。 图2 2 界限盒 2 3 指纹识别系统的方案设计 径 指纹识别系统是由三大层次构成的，第一层是系统的硬件平台，也是该 系统的物理基础，提供软件的运行平台和通信接口。系统的硬件平台一般是 基于d s p 等微处理器构建的。第二层操作系统，这一层提供任务调度以及接 口驱动，同时，通过硬件中断来实现系统通信请求的实时响应，如对指纹采 集的控制、对h p i 通信的控制等。这种方式可以提高系统的运行效率。第三 层是指纹识别核心算法的实现。 在嵌入式指纹识别系统的整体设计中，主要分为几个部分进行系统设计 一指纹采集电路、主运算控制电路、存储电路、以太网通信电路等，指纹识 别系统结构框图如图2 3 所示。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 图2 3 指纹识别系统的结构框图 硬件结构说明如下： ( 1 ) 指纹传感器 指纹传感器主要完成指纹的采集工作。本文采用由富士通生产的超薄型 硅半导体直接接触式指纹传感器m b f 2 0 0 。传感器在d s p 的控制下对指纹图 像进行采集，并对指纹图像进行2 5 6 灰度级的数字量化，并将量化后的指纹 图像传到s r a m 静态随机存储器中。 ( 2 ) d s p d s p 是本系统的核心部分，主要对他外围器件的控制、数学运算及通信 等。本系统中d s p 主要完成指纹图像处理及匹配，并对外围器件进行控制， 完成与以太网的连接通信等。 ( 3 ) f l a s h 接口 f l a s h 单元主要是为了存储启动程序( b o o t l o a d e r ) 、启动参数、操作系统、 文件系统及其硬件驱动程序和应用程序代码。一般这种f l a s h 芯片采用 n o r f l a s h 芯片，它的存储速度比r a m 要慢，可是在掉电情况下，它能够继 续保存f l a s h 片内的数据和程序。 ( 4 ) s d r a m 接口 s d r a m 接口在该系统中主要用作程序的运行操作系统、文件系统和暂存 采集过来的数据。他的存取速度要比在f l a s h 中要快得多，且单位空间存储容 量大。 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 ( 5 ) 时钟和电源 t l 公司的d s p 芯片采用的是双供电模式，即内核电压和i o 口电压要分 别供电。因此本系统采用了线形稳压器t p s 7 6 7 d 3 0 1 为d s p 供电。本系统选 择的d s p 芯片及具有d s p 核也有a r m 核，a r m 子系统始终管理模块负责控 制d s p 、m c u 以及外设的时钟，本系统2 5 m h z 频率的主时钟采用四脚有源 晶振提供。 ( 6 ) 以太网接口 本系统设计的是脱机的指纹识别系统，为便于以后用于网络数据传输与 应用，特设计了以太网接口电路。选择支持1 0 m b s 1 0 0 m b s 双绞线应用，也 支持1 0 0 m b s 光纤接口，符合i e e e 标准的网络通讯接口电路。 ( 7 ) 人机接口 人机接口单元主要完成系统的键盘输入与液晶显示功能。通过键盘操作 记录采集人员的编号，并通过按键进行指纹采集等；液晶显示是显示所采集 到的指纹图像以及所比对后的结果等。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章指纹采集模块的设计 指纹获取部分是指纹识别系统中很重要的一步，采集图像质量的好坏会直 接影响到指纹识别算法的设计及最终识别效果。指纹图像的获取包括指纹采集 部分和模数转换部分，随着半导体技术的发展，这两部分的功能己经可以由一 个芯片来完成，并且采集到的图像质量也可以满足实际应用的要求。本章将着 重对指纹采集模块的设计及指纹图像的采集进行详细地阐述。 3 1 指纹传感器的简介 指纹传感器按工作原理来分，可以分为：光电式指纹传感器、电容式指纹 传感器、压敏式指纹传感器、热敏式指纹传感器与超声波扫描指纹传感器等几 大类。若按工作方式来分，则可以分为：滚动式采集、平面式采集和刮拉式采 集3 种。其中，滚动式采集主要是为了满足警用a f i s 在司法刑侦上的应用需求。 光电式指纹传感器是最早被采用的一种指纹传感器，其历史可以追溯到2 0 世纪7 0 年代。光电式指纹传感器的工作原理是依据光的全反射原理，当光线照 射到压有指纹的玻璃表面时，由于脊和谷部位的反射光线强度不同，图像经棱 镜折射后被半导体光电器件捕获，并通过光电转换成电信号，再经a d 转换成 具有灰度数字图像信号输出。 半导体电容式指纹传感器是最近才出现的新型指纹传感器。它利用了大规 模集成电路技术，将近百万个电容传感单元阵列集成到了一个小块半导体晶片 上。当人的手指压在传感器的绝缘表面上时，由于指纹的脊和谷与电容传感单 元之间的距离不同，所形成的分布电