（微电子学与固体电子学专业论文）基于armlinux平台指纹采集识别系统的设计与实现.pdf

： t i ! d e s i g na n d r e a l i z a t i o no ft h ef r i n g e r p r i n ta c q u i s i t i o na n d r e c o g n i t i o nb a s e do na r m & l i n u xs y s t e mp l a t f o r m b y h uz a n m i n b e ( h u n a nu n i v e r s i t y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fs c i e n c e i n m i c r o e l e c t r o n i c sa n ds o l i d s t a t ee l e c t r o n i c s i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r a s s o ci a t ep r o f e s s o r ，a n gz h e n d a o a p r i l ，2 0 1 1 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：诩後民 日期：力i7 年岁月乡日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校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。本人授权湖南大学可以将本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和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 诩镂民 之键亟 日期：勿f1 年月弓日 醐。跏1 年岁月弓日 基于a r m & l i n u x 平台指纹采集识别系统的设计与实现 摘要 指纹识别技术是目前应用最为广泛的生物识别手段，随着人们对安防事业的 重视，指纹识别技术作为身份认证的手段应用到越来越多的领域。半导体技术的 发展使价格高昂的指纹自动识别系统的成本大大降低，进一步促进了指纹识别技 术在现实生活中的推广和应用。 本文首先对指纹图像的预处理算法进行了研究，其中包括指纹图像背景分 割、规格化、图像增强、基于动态阈值的二值化和细化处理等，并对经过预处理 后的指纹“骨架一图像进行了指纹特征提取算法和匹配算法的研究。 其次，根据指纹识别系统市场应用的需求，设计了一款基于a r m & l i n u x 平 台的c m o s 光学指纹采集识别系统，其成本低廉但性能优越。论文分析了不同 类型指纹采集系统的优缺点，对本指纹采集识别系统的各个硬件模块电路进行了 详细的设计，如c m o s 传感器接口电路、系统电源电路、外挂s d r a m 和n a n d f l a s h 接口电路等，然后在硬件a r m 平台上进行了嵌入式l i n u x 操作系统的移植， 其中包括u b o o t 的移植、系统内核的配置、根文件系统的制作等。最后对图像 传感器的i i c 接口驱动程序作了详细的设计，并经过调试取出指纹图像，最终经 过指纹算法的处理达到了指纹识别认证的目的。 在硬件电路设计过程中，通过在c m o s 图像传感器和a r m 总线之间增加一 片三态总线驱动器件，解决了系统总线数据冲突和时序不同步的问题。经过测试， 该系统达到了很好的指纹采集识别效果。 关键词：指纹识别；a r m ；l i n u x ：移植；预处理算法 硕士学位论文 a b s t r a c t f i n g e r p r i n tr e c o g n i t i o ni so n e o ft h em o s tw i d e l ya p p l i e db i o m e t r i c sa tp r e s e n t a sm u c hm o r ea t t e n t i o ni sp a i dt o s e c u r i t y ，f 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 yi s a p p l i e di nm o r ea n dm o r ed o m a i n ss u c ha sa u t h e n t i c a t i o n sm e t h o da n ds oo n b e n e f i tf r o mt h es e m i c o n d u c t o rt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t ，t h ea u t o m a t e df i n g e r p r i n t i d e n t i f i c a t i o ns y s t e mc o s ti sr e d u c e dr a p i d l y ，w h i c hp r o m o t e sf u r t h e ra p p l i c a t i o no f f 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 yi nr e a lw o r l d f i r s t ，f i n g e r p r i n ti m a g ep r e p r o c e s sw a ss t u d i e d ，i n c l u d i n gs e g m e n t a t i o no f f i n g e r p r i n ti m a g eb a c k g r o u n d ，n o r m a l i z a t i o n ，i m a g ee n h a c e m e n t ，b i n a r i z a t i o nb a s e d o nd y n a m i ct h r e s h o l da n dt h i n n i n gp r o c e s s i n g a f t e ri m a g ep r e p r o c e s s ，f i n g e r p r i n t f e a t u r ec a nb ee x t r a c t e df r o mt h e s k e l e t o n o ff i n g e r p r i n ti m a g e ，a n df i n g e r p r i n t m a t c h i n ga l g o r i t h mw a ss t u d i e da sw e l l o nt h ec o n s i d e r a t a i o no ft h em a r k e tr e q u i r e m e n t sf o rf i n g e r p r i n tr e c o g n i t i o n s y s t e m ，ac m o so p t i c a lf i n g e r p r i n tg a t h e r i n gi d e n t i f i c a t i o ns y s t e m ，w i t hl o wc o s t s a n dh i g hp e r f o r m a n c e ，i sd e s i g n e db a s e do nt h ea r m & l i n u xs y s t e mp l a t f o r m o n t h eb a s i so fa d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e sa n a l y s i sa b o u td i f f e r e n t t y p e so ft h e f i n g e r p r i n tg a t h e r i n gs y s t e m ，a l lh a r d w a r em o d u l ec i r c u i t si n t h i s f i n g e r p r i n t g a t h e r i n gr e c o n g n i t i o ns y s t e m ，s u c ha sc m o ss e n s o ri n t e r f a c e ，s y s t e mp o w e rs u p p l y , e x t e r n a ls d r a m & n a n df l a s hi n t e r f a c ea n ds o o n ，a r ed e s i g n e di nd e t a i l f u r t h e r m o r e ，t h ee m d e d d e dl i n u xo p e r a t i n gs y s t e mi st r a n s p l a n t e dt ot h i sa r m h a r d w a r ep l a t f o r m ，i n c l u d i n gu - b o o t ，c o n f i g u r a t i o no ft h el i n u xs y s t e mk e r n e l ，r o o t f i l es y s t e m a l s oc a r e f u l l yd e s i g n e di st h ei i cd r i v e rp r o g r a mf o ri m a g es e n s o r i n t e r f a c e ，w h i c hu l t i m a t e l yo b t a i n e dt h ef i n g e r p r i n ti m a g e ，t h a ts a t i s f i e st h ed e m a n d s o ff i n g e r p r i n tr e c o g n i t i o nw i t hf i n g e r p r i n tp r o c e s s i n ga l g o r i t h m i nh a r d w a r ed e s i g n ，at r i s t a t eb u sd r i v e rw a s a p p l i e db e t w e e nt h ec m o si m a g e s e n s o ra n da r mb u s ，w h i c h e v e n t u a l l y r a v e l e do u tb u sc o n f l i c ta n d t i m e s y n c h r o n i z a t i o n e x p e r i m e n tr e s u l t sv a l i d a t ef i n g e r p r i n tg a t h e r i n ga n dr e c o g n i t i o n k e yw o r d s ：f i n g e r p r i n tr e c o g n i t i o n ；a r m ；l i n u x ；p r e p r o c e s s i n ga l g o r i t h m h i 基于a r m & l i n u x 平台指纹采集识别系统的设计与实现 目录 学位论文原创性声明及学位论文版权使用授权书i 摘要】 i a b s t r a c t 。m 目录 第1 章绪论。1 1 1 课题的研究背景1 1 2 指纹识别技术的应用现状及发展趋势2 1 2 1 指纹识别技术的国内外现状2 1 2 2 指纹传感器的应用。3 1 2 3 指纹自动识别系统的应用5 1 2 4 指纹数据预处理研究现状。5 1 3 论文研究内容及安排7 1 3 1 研究内容7 1 3 2 论文安排7 第2 章指纹识别算法的研究。9 2 1 指纹图像数据的预处理。1 0 2 1 1 指纹图像的背景分割处理1 0 2 1 2 指纹图像的规格化处理。1 1 2 1 3 指纹图像的增强处理1 2 2 1 4 指纹图像的二值化处理1 3 2 1 5 指纹图像的细化处理1 4 2 2 指纹图像的特征提取1 5 2 3 指纹图像的匹配算法1 6 第3 章a r m & l i n u x 嵌入式系统开发平台的搭建1 8 3 1 嵌入式系统的概述1 8 3 1 1 典型的嵌入式系统组成及指纹采集系统的结构1 8 3 1 2 嵌入式系统的开发模式与流程。1 9 3 1 3 嵌入式系统的硬件开发过程。2 1 3 1 4 嵌入式系统的软件开发过程2 1 3 2 指纹采集系统软硬件的选型2 3 3 2 1 嵌入式微处理器及图像传感器的选型2 3 3 2 2 嵌入式操作系统的选型。2 7 i v 硕士学位论文 第4 章系统的硬件电路设计。2 9 4 1 系统硬件总体设计方案。2 9 4 2 图像传感器g c 0 3 0 7 接口电路模块设计3 0 4 3 存储模块接口电路设计3 2 4 3 1n a n df l a s h 接口电路设计3 3 4 3 2s d r a m 接口电路设计3 5 4 4 电源模块电路3 7 4 5r s 2 3 2 与j t a g 接口电路设计3 8 4 5 1r s 2 3 2 串行接口电路设计。3 8 4 5 2j t a g 接口电路设计。3 8 4 6 复位与晶振电路设计3 9 4 6 1 复位电路的设计。3 9 4 6 2 晶振电路的设计4 0 第5 章指纹采集识别平台软件系统的设计。4 1 5 1 建立嵌入式l i n u x 交叉编译开发环境4 l 5 2b o o t l o a d e r 的设计与移植。4 2 5 2 1b o o t l o a d e r 程序架构设计4 3 5 2 2u b o o t 在指纹采集系统上的移植4 3 5 3 嵌入式l i n u x 内核的移植。4 5 5 4 文件系统的移植4 8 5 4 1 根文件系统的制作4 8 5 4 2y a f f s 2 文件系统的移植5 1 5 5 图像传感器i i c 接口驱动程序的设计5 2 5 5 1l i n u x 平台下i i c 驱动架构分析5 2 5 5 2s 3 c 2 4 1 0i i c 总线驱动的实现5 3 5 5 3i i c 通信接口设备g c 0 3 0 7 驱动程序的实现5 5 5 6 指纹采集平台软件系统的整体测试5 8 j i i 论f ；：! 参考文献6 3 j 1 5 【谢6 6 附录a 攻读学位期间所发表的学术论文目录6 7 v 硕士学位论文 1 1 课题的研究背景 第1 章绪论 近年来，信息和智能技术飞速发展，给人们带来方便与利益的同时也产生了 许多安全隐患，尤其在个人身份认证安全方面日益突出。在人类活动中，传统的 检验个人身份信息的方法如检验个人身份证、磁卡、用户名、密码等方式，都面 临着被窃取和伪造等安全问题。由于人体的生物特征具有不可复制的特点，人们 开始将目光转向了生物识别技术【1 1 ，希望利用此技术来应对现行系统信息安全所 面临的挑战。 生物识别技术是利用人体的生物特征进行身份验证的一门技术。生物特征的 稳定和唯一性特征是人们利用人体的生物特征进行身份识别的前提，经大量的科 学研究表明，人的指纹、d n a 、面孔、发音、掌纹、虹膜等都具有上述两种必 备特征，即单个人体的生物特征都是区别于他人并且具有终生稳定不变性的，由 此就可以借助这种生物特征信息进行身份的识别。基于人体的生物特征，人们发 明了基于声音、面部、指纹等多种生物识别技术【列。在实际中应用生物识别技术， 需要对不同的识别技术的现实因素作以考虑，其参数对比如表1 1 所示： 表1 i 几种生物特征提供对象参数对照表 目前，以上部分生物识别技术己经得以应用，从实际操作的通用性、公众认 可性、应用方便性等角度分析，可以发现选择指纹作为特征提取对象比较理想。 与其他特征识别识别技术相比较，指纹识别技术是生物识别技术领域中被人们研 究和应用最早的，也是已经发展较为成熟的高新技术。指纹识别技术最早应用于 刑侦、债务、抵押等事务中，近年来，随着半导体技术发展和智能产品的广泛应 用，并得益于现代电子集成制造技术和快速可靠的算法的研究，指纹识别认证技 术正在逐渐取代传统的身份识别方法，成为一种公认的身份认证技术广泛应用于 银行、医疗、保险、住宅、办公等多个生活领域中1 3 1 基于a r m & l i n u x 平台指纹采集识别系统的设计与实现 在指纹识别技术中，指纹图像的采集和指纹数据的算法处理是其中的关键 技术。指纹识别的过程是先进行采集指纹图像，然后对采集的指纹图像数据进行 算法处理，所以能否采集到高质量的指纹图像是做好指纹图像数据处理的前提条 件。因此，指纹图像传感器和处理器组成的嵌入式图像采集平台的性能将直接影 响到指纹数据处理结果的优劣。尽管指纹只是人体皮肤的- , b 部分，但用于识别 的数据量还是相当大，对这些数据进行比对不是简单的相等与不相等的问题，而 是需要进行大量运算的模糊匹配算法。目前我国的指纹识别认证技术还不是十分 的完善，在指纹图像采集、指纹数据算法等方面的技术研究还较为落后，因此对 本课题的研究有着重要的理论价值和实践意义。 1 2 指纹识别技术的应用现状及发展趋势 1 6 8 4 年，英国植物形态学家n e h e m i a hg r e w 发表了关于指纹结构研究的论 文，这是人类第一篇对指纹识别技术进行科学研究的论文，对指纹脊线、谷线和 孔状结构的对称性作了研究。1 8 8 0 年，h e n r y 和h e r s c h e l 经过长时间的研究， 提出指纹具有唯一性的论点，这一发现奠定了现代指纹识别技术研究的基础。从 此以后，很多人开始了致力于指纹识别技术的研究。2 0 世纪初期，指纹用于个 人身份鉴别的地位被正式确立为司法鉴定的标准方法之一，阿根廷、苏格兰等地 相继将指纹识别技术应用于罪犯鉴别。 过去，指纹鉴定一直采用传统的人工识别方法。随着半导体技术发展特别是 大规模集成电路的出现，以及图像处理技术和模式识别技术的飞速发展，使得使 用高效自动的指纹识别系统来替代人工指纹识别成为可能。自二十世纪六十年代 开始，为了解决人工鉴别指纹工作量大而且效率低等问题，法国巴黎警察局、英 国内务部以及美国f b i 等各自开发了自己的指纹识别系统，较好解决了效率低 的问题。在当前，随着指纹识别技术所需的软件硬件平台的成熟，使得自动指纹 识别系统在司法领域中被广泛接应用，半导体技术的发展使得计算机性能提高的 同时，也使得指纹识别系统的开发成本大大降低，并且指纹识别这一技术也逐步 深入得到老百姓的接受和认可，最终使得指纹识别技术已经突破了司法、刑侦领 域进入更为广泛的民用领域，从而促使指纹识别技术更加快速的发展1 4 j 。 当前，世界上的大部分国家政府都接受了指纹识别这一技术，并将其广泛推 广使用到军用或民用等许多领域，在日常生活中，最为常见到公司考勤、金融、 安防等领域中更是充分利用了指纹识别的技术，因此大量市场的需求，使得指纹 识别技术应用前景更为广阔。 1 2 1 指纹识别技术的国内外现状 有关指纹识别的研究与应用，西方国家起步比我国早。国外很多国家都有公 2 硕士学位论文 司或专门的科研机构在从事自动指纹识别技术的研究，而且主要利用计算机进行 指纹识别，技术比较成熟，美国等西方国家在这一领域的研究水平居于世界最前 沿。我国在指纹认证技术方面的研究起步虽然较晚，但是在指纹核心算法技术的 研究非常的迅速，并且部分研究成果在国际同行中还具有领先水平。在实际的应 用技术上特别是硬件指纹数据采集技术上，国内与国外的水平差距较大。 国内除少数几家科研机构拥有自主产权外，其他的多以代理国外产品为主， 很少拥有自主知识产权，缺乏核心技术。国内自主研发的产品的性能方面不论从 精度上还是效率上来看，均不如国际领先的同类产品。以指纹采集传感器的硅芯 片应用为例，国外几个大厂商几乎垄断了国内市场。而相对容易切入的光学传感 器采集仪领域，高端市场也基本上被国外厂商所垄断。图1 1 给出了指纹识别流 程。 图1 1 指纹认证流程图 指纹的认证过程包括了前期的指纹图像数据的采集，以及后期指纹数据的处 理。先进的指纹采集系统是获取高质量指纹数据的保证，进而也有利于提高指纹 识别的准确率，降低指纹算法的难度。因此国内在重点研究提高指纹算法的准确 率和反应速度上的同时，也应注意到指纹采集技术作为指纹认证的前端技术也至 关重要。 1 2 2 指纹传感器的应用 指纹传感器是采集指纹图像数据的设备，目前市场上大多指纹传感器都具有 图像采集和图像数字化的双重功能。按工作原理指纹传感器可以分为：光学式传 感器、电容式传感器、压敏式传感器、热敏式传感器和超声波扫描式指纹传感器 等。随着半导体技术的发展，图像传感器日益向多功能、智能化、高速度以及高 分辨率的方向发展。目前市场上常见的有光学式传感器、半导体电容式传感器及 超声波扫描式传感器。 ( 1 ) 光学式传感器 光学取像设备主要包括光学扫描仪、光学c c d 和c m o s 图像传感器，利用 光的全反射的原理，在反射方向接收指纹图像，再经过a d 等其他电路处理转化 3 基于a r m & l i n u x 平台指纹采集识别系统的设计与实现 后便得到了指纹图像的数字信号然后进行输出。 c c d 图像传感器的技术发展较为成熟，具有读取噪声低、响应灵敏度高、 动态范围大等优点，在各种摄像机和照相机中被广泛采用，但c c d 传感器不易 与主流的c m o s 技术进行片上系统的集成，同时还具有功耗高、体积大等缺点。 随着半导体工艺及技术的发展，c m o s 图像传感器是近年来发展较为迅速的新型 图像传感器【7 1 ，得益于c m o s 工艺技术，c m o s 图像传感器可以轻易的与周边 的外围电路如：时钟电路、a d 电路、图像信号处理电路( i s p ) 等集成到传感 器芯片中，使得板级控制电路的设计极为简单。因此c m o s 图像传感器具有体 积小、集成度高、成本低、抗干扰能力强等优点，并且可以利用并口或者u s b 接口直接和控制器通信，易于操作控制。基于以上优势，c m o s 图像传感器越来 越受市场欢迎。 ( 2 ) 半导体电容式传感器 2 0 世纪末开始出现了半导体电容式指纹传感器，它在半导体单个晶片上集 成了约十万个电容传感器阵列，当手指放在其绝缘表面时，手指皮肤构成了电容 传感器的一极，由于指纹的脊线和谷线相对电容传感器另一极的距离不同，便形 成了不同的电容值，通过不同电容值转化的电压值便可获取指纹图像i 引，另外还 有根据传感器表现的压力和温度不同而设计的压感式和温度式电容传感器。目前 国内厂家还不具备做半导体指纹传感器的核心技术，此类产品主要从国外进口。 在早期，半导体电容式传感器具有易受静电的影响，比较易于损坏等缺点， 随着半导体技术及工艺的发展，传感器的防静电性能和耐用性都有了很大的提 高。半导体电容式传感器的分辨率最高可达6 0 0 d p i ，在一般应用中常见为5 0 0 d p i ， 因而可获取相对较高质量的指纹图像。该类传感器具有体积小、功耗低等特点， 便于集成在手持设备等高端智能产品上。随着该技术的成熟应用及制造成本的降 低，该设备在未来具有非常广泛的应用前景。 ( 3 ) 超声波扫描式传感器 相对于前两种指纹传感器，超声波扫描式传感器被认为是最指纹采集最好的 设备，它的工作原理是：通过设备发出超声波对指纹表面进行扫描，然后设备接 收被反射回来的超声波信号，由于指纹表面脊线和谷线的声阻抗的不同，接收器 接收的反射回来的声波的能量便会不同，最后通过测量声波能量的大小而得到指 纹图像。 由于超声波不受手指汗渍、油脂的干扰，因而可以获取具有较高精确度的指 纹图像，其最高分辨率可高达1 0 0 0 d p i 。然而由于对超声波指纹采集技术的研究 尚不成熟，且制造成本比较高，在目前的指纹的采集系统中很少被采用。 以上三种指纹采集设备在不同的应用场合各有自己的优势，本课题的研究是 以日常生活中的家庭安防系统为基础，对产品成本比较敏感，而对设备体积和功 4 硕士学位论文 耗要求较低，因此低成本的c m o s 光学指纹图像传感器为最佳选择。 1 2 3 指纹自动识别系统的应用 ( 1 ) 指纹采集设备和计算机组合模式 在这类应用模式中，指纹图像采集设备和图像数据处理设备是分离的，即通 过专门的硬件设备来采集指纹图像，然后将采集到的指纹图像数据传送给计算 机，利用计算机强大的运算能力和超大的存储空间来进行指纹数据的处理【6 l ，达 到高效快速提取指纹特征、存储、对比、识别的目的。这类系统在金融机构和司 法机构中较为常用。 ( 2 ) 嵌入式系统模式 这种模式是将指纹的采集与处理集成在一个小型的嵌入式系统中，它是一个 独立的系统，不需要与外围设备和计算机相连就能够完成指纹的采集、预处理、 特征提取、比对等功能，目前市场上常见的指纹门锁、指纹保险柜、指纹考勤终 端都属于嵌入式系统模式的指纹采集识别系统。 目前市场上的嵌入式指纹采集设备多是通过d s p 和图像传感器来采集指纹 图像，或者是利用可编程逻辑器件c p l d 和图像传感器来进行指纹图像的采集，。 然后将指纹数据传送给主控制器m c u 进行数据的处理。这种方式利用了d s p 高速运算能力的优势和c p l d 可编程的功能，易于快速将大量的指纹数据进行处 理，在一些实时性要求较高的场合比较适用。 在市场上常用的安防系统终端设备，对实时性要求不高而对产品的成本比较 敏感，因此上述方式便不再适合，随着半导体技术及工艺的发展，a r m 处理器二，二 凭借其优越的性能越来越多的应用到各种消费类电子产品中。将图像传感器的数 据直接送到a r m 中进行处理运算，并利用其集成的丰富的外围设备资源，可能 构建成一个强大的智能指纹系统平台。这种方式不需要d s p 及其外围扩展存储 器件等，因此节约了大量的成本，也有利于系统稳定性和安全性的提高，这种单 芯片的指纹嵌入式系统将是未来民用市场应用的趋势。 1 2 4 指纹数据预处理研究现状 对指纹图像进行识别处理时，首先从指纹图像中找到指纹的特征点，然后根 据这些特征点建立用户身份的指纹特征数据，这是一种单向的转换，只能从指纹 图像转化成特征数据，而不能反过来轮换，不同的指纹图像就会产生不同的指纹 特征数据，然后通过对指纹图像的特征数据和存放在指纹特征数据库中的指纹特 征数据进行模式匹配，再计算出它们的相似度，最终得到指纹的匹配结果。 由于手指潮湿、油腻、脏污等和采集系统自身缺陷等各种外界因素的干扰， 造成获取到的指纹图像含有大量的噪声，这些噪声很大程度上降低了指纹图像的 质量，指纹特征数据的准确性依赖于图像质量，因此在提取指纹特征数据前，需 5 基于a r m & i j n u x 平台指纹采集识别系统的设计与实现 要对指纹图像进行预处理。其目的就是要滤除这些噪声干扰，并不破坏原图像的 特征点等重要信息，从而提高图像质量。指纹图像的预处理是后期指纹特征提取 和指纹比对的前提和基础，发挥着至关重要的作用。预处理过程如图1 2 所示： 指纹图像 背景分割 ( 1 ) 背景分割 指纹图像规 格化处理 刻指纹图像 i ；1 的增强剖翟暑茬 图1 2 指纹图像预处理算法流程图 八i 图像的细 洌化算法 指纹图像由前景区域和背景区域组成。指纹的背景分割处理就是指纹的将前 景区域和背景区域分开，然后只对前景的有效指纹区域进行处理，将无效的区域 数据剥离出去，这样就大大减少了所要处理的指纹数据，即节约了时间又能减少 背景区域的伪特征对指纹特征数据的干扰，从而提高了整个系统的性能。 ( 2 ) 规格化处理 由于手指按压用力不均及指纹传感器本身的噪声等因素，造成指纹的脊线和 谷线的图像的灰度差异较大，图像的规格化处理的目的就是把图像的对比度和灰 度调整到一个统一的的范围内，为后面的处理提供一个较为统一的图像规格。规 格化操作并不是预处理是必须的步骤，但能对后续的预处理带来方便。 ( 3 ) 指纹图像增强 在指纹采集过程中，对于老化、破损、潮湿、油脂的指纹难以采集到理想的 图像，为了弥补这些指纹图像的缺陷，同时消除由于偶然性因素造成的图像质量 不高的情况，通过采用图像增强的处理的方法，尽量突出和增强图像固有的特征 信息，并将断裂的纹线连接，衰减或去除纹线间的噪声干扰，从而得到较高质量 的指纹图像。图像增强处理是指纹预处理的关键组成部分，图像增强结果的好坏 直接影响到后续提取的特征结果的可靠性和准确性。 ( 4 ) 指纹图像的二值化 在指纹灰度图中包含有大量的数据，这对实时性要求较高的场合不太适用， 因此，通过设定阈值把灰度图像转换成只用1 和o 表示的二值图像，其原理是将 指纹图像化分为n * n 的子模块，然后去计算每个子模块的灰度平均值，把灰度 平均值大于阈值的模块设置为黑点1 ，反之则设置为白点o ，这样就得到了二值 化后的指纹图像。 指纹图像经过二值化后，指纹的纹线更加清晰，同时使指纹图像数据量大大 减少，减少了后续数据处理的时间花销，为图像细化处理打下了基础。 ( 5 ) 图像细化算法 图像的细化是指在保持指纹图像拓扑结构、连接性、细节特征不变的情况下， 通过删除指纹纹线的边缘像素，尽可能快地抽出一个单像素宽的纹线骨架的过 6 硕士学位论文 程，它是图像预处理过程中的重要一环。细化后的图像使得指纹数据进一步的压 缩，提高了特征数据的提取速度和识别的准确性。 1 3 论文研究内容及安排 1 3 1 研究内容 本文主要的研究内容是针对安防系统终端设备的市场需求，在尽可能降低成 本的前提下，设计出一款性价比高的指纹采集与识别处理控制集一体的系统。首 先对指纹图像识别算法进行了研究，前期的指纹图像预处理包括了指纹背景分割 处理，图像规格化处理，指纹图像的增强处理、二值化以及细化处理。 本课题选择了目前市场应用最为热门的a r m 处理器和价格低廉且应用广泛 的c m o s 图像传感器作为硬件平台，设计了a r m 处理器的系统电路及与图像传 感器相关的硬件接口电路。 随后在a r m 处理器上搭建了嵌入式l i n u x 的多任务操作系统平台，在此基 础上详细设计了c m o s 图像传感器的i i c 总线驱动程序，调试后最终从系统中 获取到了指纹图像，最后指纹图像经过指纹识别算法的处理后得到了正确的认证 结果。 1 3 2 论文安排 论文共分为五章，各章节安排如下： 第一章为绪论部分，阐述了指纹认证的背景和国内外发展现状，在此基础上 进一步分析了，指纹认证技术的采集仪发展状况及指纹自动识别系统的应用现 状，最后对指纹的预处理方法作了概述。 第二章为对指纹图像识别算法的研究，首先阐述了预处理的方法，然后对指 纹图像依次进行图像背景分割、规格化、图像增强、二值化和细化处理，最终得 到经细化后质量较高的指纹图像，最后对基于细化后的指纹图像进行了指纹特征 提取算法和匹配算法的研究。 第三章为指纹采集识别系统a r m l i n u x 平台的搭建，分别对系统软硬件开 发模式及流程作了介绍，重点对嵌入式软件开发过程作了详细的分析，给后根据 市场应用的需要给出了器件资源的选型，以及嵌入式操作系统的选型。 第四章为系统的硬件电路设计，首先给出了硬件系统的总体设计方案，然后 对c m o s 图像传感器接口电路、电源模块电路、存储模块等电路进行了详细设 计，针对处理器和图像传感器的接口电路，采用f i f o 作为中间环节，解决了 c m o s 图像传感器和a r m 总线数据冲突及时序不同步的问题。 第五章为整个指纹采集识别系统的软件设计部分，其中包括嵌入式l i n u x 操 作系统平台的搭建和i i c 总线驱动的设计两大部分。由于本文所设计的系统为指 7 基于a r m & l i n u x 平台指纹采集识别系统的设计与实现 纹图像采集、指纹数据处理识别及控制集一体的系统，因此在一些场合中有实时 多任务处理的需求，为此进行了嵌入式l i n u x 操作系统的移植。首先搭建了l i n u x 交叉编译环境，然后选择合适的b o o t l o a d e r 进行移植固化，并制作了根文件系 统和y a f f s 2 日志文件系统。随后对i i c 驱动程序作了详细的设计，i i c 通信实 现了处理器对c m o s 图像传感器的操作控制，处理器通过i i c 总线对c m o s 图 像传感器工作模式进行参数配置，并通过现场调试给出了采集到的指纹图像效果 图，经过指纹识别算法的处理得到了最终的识别认证结果。 最后对论文工作进行了总结，并展望了下一步的研究工作。 8 硕士学位论文 第2 章指纹识别算法的研究一 通常情况下，指纹识别由四部分组成：指纹图像的采集、指纹图像的预处理、 指纹图像特征的提取以及指纹图像的匹配，具体的指纹识别流程见图1 1 所示。 指纹图像的采集是指纹识别的基础，指纹图像预处理、特征提取和指纹匹配为指 纹算法的关键内容。 指纹图像中有两类重要特征【8 】：一类是用人眼就可以辨认的特征，如指纹外 部形状有螺旋型、弓型、环型等见图2 1 ，或称全局特征【9 l ；另一类是指纹特征 基于a r m & l i n u x 平台指纹采集识别系统的设计与实现 2 1 指纹图像数据的预处理 从指纹传感器上直接采集获得的指纹图像通常伴随着各种各样的噪声，一方 面是由于指纹采集系统自身造成的，如指纹图像传感器上的污渍，或者传感器工 作寄存器参数设置不恰当等；另外一方面是由于手指的状况造成的，如手指的过 干、太湿、伤疤、脱皮等因素。前一种现象是一种比较是固定的系统误差，只需 要对硬件作以相应的处理即可消除这种噪声因素，而后一种噪声因素因人而异， 不易进行消除。 指纹识别的关键在于对指纹特征的正确提取，而高质量的指纹图像又是正像 提取指纹特征的前提，因此对从指纹图像传感器上直接取得的指纹图像要先进行 预处理，以确保后续指纹特征提取的正确性。指纹图像的预处理就是通过一些算 法对原始图像进行降噪处理，以获取理想的指纹“骨架 图形。指纹图像的预处 理是指纹识别算法的至关重要的一步，它关系到后面提取指纹特征点的正确与 否，其过程主要包括指纹图像的背景分割处理、规格化处理、图像增强处理、二 值化处理以及细化处理等【1 0 l ，预处理的流程见图1 2 所示。 2 1 1 指纹图像的背景分割处理 从传感器上取得的指纹图像通常是由指纹脊线和谷线组成的前景区及背景 区组成，利用背景分割算法将前景区域和背景区域分开，然后只对前景的有效指 纹区域进行处理，将无效的背景区域数据剥离出去，这样就大大减少了要处理的 指纹数据，既节约了时间又能减少背景区域的伪特征对指纹特征数据的干扰，大 大减少了为后续的其他处理算法的运算量。 指纹的前景区呈现脊线和谷线交替分布现象，其灰度值呈跳跃变化，而背景 区的灰度值变化比较缓慢，利用这一特性可以将前景区与背景区分离开来【1 。 将指纹图像分割成不重叠的w x w 个子块，然后计算每一个子块的平均灰度 值m ( k ，1 ) 以及方差v ( k ，1 ) t 1 2 j ： m ，z ) 。万毛善荟1 3 f ，j ) ( k - 1 ，2 m ；l = 1 ，2 ，n ) ( 2 1 ) v ( k ，| ) - 二罗罗 o ，j ) 一m ( k ，例2 ( k - - 1 ，2 ，m ；1 = 1 ，2 ，n ) ( 2 2 ) w xw7 = i 衙 其中n ( i ，j ) 为第( i ，j ) 原始指纹图像子块的灰度值，m 、n 为被分割的图像子块 在行列方向的最大取值，给出预定义的方差灰度阈值t 后，将也每个子块的方 差v ( k ，1 ) 进行比较，当大于阈值t 时将其图像子块设置为前景区，否则设置为背 景区，当给定w 和t 的值后，图像经过背景分割前后的效果如图2 3 所示： 1 0 硕士学位论文 图2 3 指纹图像背景分割处理前后对比图 2 1 2 指纹图像的规格化处理- 外界噪声等因素造成指纹的脊线和谷线的图像的灰度差异较大，图像的规格 化处理的目的就是把图像的对比度和灰度调整到一个统一的的范围内【1 3 1 ，为后 面的处理提供一个较为统一的图像规格。图像的规格化处理并不改变指纹脊线和? ： 谷线原来的清晰度，只是降低了不同图像之间灰度值的差异，为后续的处理提供 基于a r m & l i n u x 平台指纹采集识别系统的设计与实现 图2 4 指纹图像规格化处理前后对比图 2 1 3 指纹图像的增强处理 由于指纹采集设备的不完善及其他噪声因素的影响，对于干、湿、脏、老化、 磨损的指纹，往往难以采集到清晰的图像。指纹图像经过图像增强算法处理后能 够更好的真实再现原指纹，好的指纹增强算法一般具备以下特征：能够保持指纹 原来脊线和谷线的走向和连续性；断开由于噪声等原因造成的脊线之间或者谷线 之间的粘连，使指纹纹线更加清晰；能够使受干扰断开的脊线或谷线连通。图像 增强的算法的种类主要有基于数学形态的滤波算法、基于g a b o r 滤波器的滤波算 法和基于方向的方向图滤波算法【1 4 】等。 根据指纹图像局部区域的纹线分布具有较稳定的方向和频率，设计相应的带 通滤波器，能有效地在局部区域对指纹进行修正和滤噪。g a b o r 滤波器在方向选 择性和带通性上有着突出的优势，可以在频域和空域上获得最佳的分辨率【1 5 】， 能够较好的保留指纹细节特征，因此本系统选择g a b o r 滤波器对指纹图像进行增 强处理【1 6 1 。 g a b o r 函数是唯一能达到时频测不准关系下界的函