（微电子学与固体电子学专业论文）自动指纹识别系统的研究与设计.pdf

华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 i 摘 要 指纹识别，广泛应用的生物识别技术之一，具有便利性、唯一性、高安全性、 智能性、一次性投资等优点，是今后个人认证的发展潮流。目前指纹识别系统广泛 应用于指纹考勤机、指纹门禁控制器、指纹一体化锁、指纹保险柜等，今后指纹识 别技术将更加广泛的应用到公安机关犯罪指纹系统、网上银行系统、养老金领取系 统等。目前指纹识别研究的重点是怎样将指纹识别小型化，提高指纹识别的正确率。 本论文针对指纹识别系统采集、指纹方向计算及纠正、指纹增强、细化等方面 进行了研究。 首先，提出了方向是影响指纹图像处理的最敏感、最重要的参数。建立了在 vs2005环境下的分析软件，能实时显示指纹每个像素点的所有参数，尤其是对方向 的实时显示、修改，并在此环境下验证了方向是指纹图像处理的最敏感、最重要的 参数。 其次，由于指纹核心点区域方向变化快、变化大等特点，提出了核心点区域方 向单独校正的思想。在此基础上，进一步提出了基于原图采用对方向场求熵找核心 点的方法，该算法能有效的找到指纹核心点，这样就可将传统的方向纠正的算法有 效的应用到非核心点区域，并为核心点区域方向单独纠正提供了可能。 最后，改进了传统快速细化算法，改进后的算法能有效的防止纹路缩短现象， 为特征点的准确提取提供了保证。 硬件平台验证表明：采用上述三种改进的方法能有效防止噪声对方向产生的影 响，为gabor滤波的增强纹线信息、滤除噪声和恢复指纹的真实纹路奠定基础，最终 准确提取出特征点。 关键词：指纹采集，核心点提取，gabor滤波，细化，特征提取 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 ii abstract fingerprint identification, one of the most extensive applications of biometric technology, with the advantages of the convenience, unique feature, high security, intelligence, and the one- time investment, is the development trend of personal authentication in the future. now fingerprint identification system widely used in fingerprint time machine, fingerprint access controller, the integration of fingerprint locks, fingerprint safe. fingerprint recognition technology will be more widely applied to public security organs criminal fingerprint systems, internet banking, pensioners system in the future. how to miniaturize the fingerprint recognition and increase the accuracy of fingerprint identification is still the focus of the study fingerprint recognition. identification system for the collection, calculation and corrected the direction of fingerprints, enhanced fingerprints and other aspects have been in- depth focusing in this paper. first of all, point out that direction is the most sensitive and most important factor to the influence of fingerprint image processing. with the analysis software under the vs2005 environment, real- time display each pixel point fingerprints of all parameters, particularly the right direction parameters of real- time displaying and modifying, and verify that direction is the most sensitive and most important factor to the fingerprint image processing. second, as the direction of the fingerprint core region changes rapidly and largely, point out that correct separately the direction of the core region. on this basis, also point out that we can use the direction of the original picture for entropy way to find the core point, this method can find an effective fingerprint core, this can effectively applies the traditional direction correction to non- core points region, and make it possibility for separately modifying direction of the core region. finally, improves the traditional rapidly thinning method, improved algorithm can effectively prevent the lines shorten phenomenon, provides a guarantee for accurately extract the feature points. 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 iii the hardware platform verifies that: the three improved methods can effectively prevent noise on the impact of the direction, lay the foundation for the gabor filter of the enhancement of fingerprint, filter out noise and the restoration of the true fingerprint patterns, and finally extract feature points accurately. keywords: fingerprint collection, core point extraction, gabor filter, thinning, feature extraction 独 创 性 声 明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除文中已标明引用的内容外，本论文不包含任何其他人或集 体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，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结果由本人承担。 学位论文作者签名： 年 月 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，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。 本人授权华中科技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。 保 密?，在_年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密?。 （请在以上方框内打“ v” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 年 月 日 年 月 日 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪论 本章首先简要介绍指纹识别技术的发展历程，以及指纹识别技术研究的内容和 意义、指纹形态特征、相关识别方法，然后介绍了采集仪、识别技术国内外的研究 现状，最后介绍本文的主要内容。 1.1 指纹识别技术的发展历程 考古证实：公元前七到六千年以前，指纹作为身份鉴别的工具已经在古叙利亚 和中国开始应用。在那个时代，一些粘士陶器上留有陶艺匠人的指纹，中国的一些 文件上印有起草者的大拇指指纹，古城市的房屋留有砖匠的指纹等。由此可见，指 纹的一些特征在当时已经被人们认识和接受。十九世纪初，科学研究发现了至今仍 然承认的指纹的两个重要特征，一是两个不同手指的指纹纹脊的式样不同，另外一 个是指纹纹脊的式样终生不变（即指纹的唯一性和不变性），这个研究成果使得指 纹在犯罪事件的鉴别中得以正式应用。主要代表性的事件有：十九世纪九十年代阿 根廷首次应用，然后是苏格兰，二十世纪初其他国家也相继应用到犯罪事件的鉴别 中。二十世纪六十年代，由于计算机可以有效地处理图形，人们开始着手研究利用 计算机来处理指纹。自那时起，自动指纹识别系统在法律实施方面的研究和应用在 世界许多国家展开。到了上世纪末，个人电脑、光学扫描这两项技术的革新，使得 它们作为指纹取像的工具成为现实，从而使指纹识别可以在其他领域中得以应用。 现在，随着取像设备的引入及其飞速发展，指纹识别技术也日趋成熟，可靠比对算 法的发现也为指纹识别技术提供了更广阔的舞台。 指纹识别系统具有如下特点： （1） 识别速度是所有生物识别系统中最快，应用最方便的； （2） 推广容易、应用最为广泛、适应能力强； （3） 误判率和拒真率低； （4） 稳定性和可靠性强； 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 （5） 易操作，无需特殊培训既可使用； （6） 安全性强，系统扫描对身体无害； （7） 指纹具备再生性； （8） 可持续的发展性。 由于指纹识别具有上述诸多优点，所以它是目前应用最广泛的生物识别技术， 市场潜力极大，比如：指纹考勤系统代替了ic卡、磁卡等传统的考勤方法，从根本 上杜绝了代打考勤的现象；指纹门禁系统代替了密码、钥匙、ic卡等传统的开门方 式，提升了系统的安全性等，国内指纹识别市场快速发展的今天，指纹识别技术已 不仅仅是单一地用于门禁考勤，也在消费类电子指纹银行等众多应用领域得到了广 泛应用。 根据国际生物认证组织 ibg （international biometric group）的预测，到2008 年，整个生物认证市场的总量将达到46亿美元，并将保持每年36以上增长速度； 利用生物认证技术解决安全问题的比例将达到44。 1.2 指纹识别技术研究的内容和意义 指纹识别系统主要由指纹采集、指纹图像预处理、指纹特征提取、特征匹配组 成。指纹采集主要研究在不同的应用场合指纹传感器的选择以及指纹信息的采集方 式，现在市场上有将pc机作为上位机，光学指纹采集仪如中控科技的u.are.u4000b 为指纹传感器的指纹考勤系统、指纹门禁系统等；有将dsp作为上位机，半导体指纹 采集仪如mbf200作为指纹传感器的嵌入式应用等。 预处理通常包括方向计算、 滤波、 二值化等，目前研究的重点是如何快速、有效的得到纹路正确的方向，怎样针对指 纹的特点快速、有效对指纹滤波增强；指纹特征提取主要研究怎样从预处理后的指 纹中提取指纹的特征点，并去除其中的为特征点；特征匹配即根据特征点的类型、 位置、方向等参数比对，最终判断指纹是谁的过程，现在研究的重点是如何快速的 特征匹配。 在生物识别技术领域中，指纹识别技术是各国科学家和科研机构研究的重点， 由于指纹识别是采用人与生俱来的生物特征，无法假冒，并且在人的一生之中，指 纹特征能基本保持不变，每个人都具有十个指头，而每一个指头都具有不同的指纹 特征，只要选取其一，就可以作为每个人唯一的识别代码，终生享有，使用成本为 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 3 零，安全系数极高，并且突破传统束缚，无需携带磁卡、ic卡、atm卡、射频卡等 识别载体，更无需记忆密码。由于指纹技术特点及其广阔的应用前景，指纹识别研 究已引起国际学术界、企业界、政府以及国防军事部门的高度关注。 指纹识别技术突破了原有的局限性，可广泛应用于任何需要安全性方面的领域， 如：税务、银行、证券、计算机系统、核电站、身份证、公安、汽车、电话、指纹 门禁、指纹考勤、特殊部门的确认系统、指纹进入智能管理系统、护照、警网现场 指纹认证等许多方面，这无疑将取代原有的识别技术而成为二十一世纪生物识别技 术应用的最新发展趋势，具有在各个领域的广泛应用前景和无比巨大的市场潜力。 目前，无论是指纹检测技术或指纹识别算法，国内与国外在理论和应用方面都 做了大量研究，在指纹检测方面有基于光学指纹传感器、基于压力指纹传感器、基 于半导体指纹传感器、基于超声波指纹传感器等，各有其优缺点，在指纹识别算法 方面，从理论到实践都提出了很多解决方案，后面会对这些内容做比较详细的综述， 由于这些算法大多比较复杂，对运行算法的硬件平台要求很高，所以目前市场中所 拥有的指纹识别方面的产品大多数是利用pc机运行该算法的，也有利用高主频微处 理器实现的，如ti公司就有一款基于64位，主频高达200 mhz的单片机实现的，无论 采用那种方案，该产品成本都比较高，如离线型指纹锁价格高达4000- 6000元，这严 重阻碍了该项技术的普及， 同时又由于无法普及而造成了指纹检测传感器需求量较 小，成本难以降低，形成了一个恶性循环，所以说指纹识别算法的优化研究非常有 现实意义，采用优化后的指纹识别算法，可非常有效降低指纹产品的使用成本，促 进指纹技术的推广应用。 1.3 指纹形态特征及相关识别方法描述 每个人包括指纹在内的皮肤纹路在图案、断点和交叉点上各不相同，呈现惟一 性且终生不变。据此，我们就可以把一个人同他的指纹对应起来，通过将他的指纹 和预先保存的指纹数据进行比较，就可以验证他的真实身份，这就是指纹识别技术。 指纹识别算法最终都归结为在指纹图像上找到并比对指纹的特征。 我们定义了指纹的两类特征来进行指纹的验证：总体结构特征和指纹细节特征。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 4 在考虑局部特征的情况下，只要比对13个特征点重合，就可以确认为是同一个指纹。 指纹总体结构特征：指那些用肉眼就可以较清楚的看到的特征，它包含环形、弓 形、螺旋形，总体特征是指纹最粗略的分类，如图1- 1所示，是不能用来准确识别的。 环形 螺旋形 弓形 图1- 1 指纹的总体特征图 指纹细节结构特征：在指纹识别中，一般用于识别的细节特征点是核心点、分叉 点、端点。 图1- 2 指纹端点 图1- 3 指纹分叉点 图1- 4 指纹核心点 图1- 5 指纹3种特征点 图1- 2所示为指纹端点示意图：端点是一条纹线在此点终结。 图1- 3所示为指纹分叉点示意图：分叉点为一条纹线在此分成2条纹线。 图1- 4所示为指纹核心点示意图：核心点位于指纹纹路的渐进中心。 图1- 5所示为这上述三种特征点在某个指纹图中的位置。其中a处是分叉点，b处 是核心点，c处是端点。 在指纹识别时， 只需将指纹中的这 3 种特征点提取出来， 然后匹配即可准确识别， 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 5 因为这 3 种特征点足以描述指纹的唯一性，同时，这 3 种特征点是指纹中出现最多 且最方便提取的，下表 1- 1 是端点和分叉点在指纹所有的特征点中所占比例1。 表1- 1 端点和分叉点在指纹所有的特征点中所占比例 细节特征 形状 百分比 分叉点 23.8 % 端点 68.2 % 指纹识别的方法很多， 但大体处理步骤是一样的： 先预处理恢复指纹的本来面貌， 去除噪声，再在此基础上提取指纹特征，然后将提取出来的特征与指纹库里的特征 进行匹配，得出判断结果。 在进行特征匹配时，根据提取的特征点的相对位置、方向、类型进行匹配，当匹 配达到一定精度时，则认为此次采集的指纹与指纹库中的某个指纹吻合，即识别到 是某个人的指纹。 本文软件识别部分主要研究指纹图像的预处理， 因为预处理部分是直接影响后面 的特征匹配，它处理的好坏决定了特征匹配的算法难度和复杂度，以及最终系统识 别的正确率。 目前各种指纹采集设备都不能在采集的过程中完全真实的反应指纹本身属性， 一 部分是因为采集仪器本身的灵敏度和精度问题，另一部分是因为指纹本身的一些问 题，如手上的汗液及断纹，指纹图像的预处理就是为了解决上述问题，恢复指纹的 真实面貌。 预处理部分通常包括：方向场计算、方向场校正、滤波、增强、二值化、细化、 及特征提取。处理步骤如下图 1- 6 所示。 值得说明的是，有些算法并不完全遵循上述步骤，一些算法在进行方向图计算之 前进行二值化处理，目的是为了减少不同指纹图像之间灰度值的差异，并为后续处 理做准备。还有考虑到图像分辨率问题，在滤波之前估算局部频率，进而使滤波效 果更理想。还有的算法直接从灰度图中提取特征点，但目前看来此种算法效果不佳， 因为在指纹采集时或多或少的会引入噪声。另外，每个步骤之间并不是完全孤立的， 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 6 每个步骤的算法之间互相联系才可以达到最佳效果。现有的指纹增强算法多数是基 于局部脊线方向，如 hung douglas 等人2的适应局部脊线方向的增强算法和 hong lin等人3的使用滤波器的方法。 图1- 6 预处理步骤 之后的指纹匹配算法目前有基于核心点的匹配算法和基于列队的指纹特征匹配 算法4。基于核心点的匹配算法是从核心点处开始匹配，根据周围特征的相对位置、 方向、类型进行逐个匹配，这种算法复杂度小、速度快，但是必须建立在准确找到 核心点的前提下；基于列队的指纹特征匹配算法主要有两个主要步骤构成，即排队 过程和匹配过程，排队过程主要是计算在输入指纹图像和数据库中的指纹模板之间 进行包括平移、旋转和缩放等变换过程的有关参数，输入指纹图像的特征按照前面 所计算的变换参数，与模板特征进行排队；匹配过程将输入的指纹图像特征与模板 特征在极坐标系中变换成多边形，利用弹性点模式匹配算法进行多边形匹配。 1.4 指纹采集仪的发展现状 目前常用的指纹采集设备有三种，光学式、半导体式、超声波式5。 指纹信息采集是系统的硬件电路部分，其任务是完成指纹信息的采集，主要包括 指纹传感器和 dsp 处理器，指纹传感器的选择是很重要的，它直接影响成像质量。 过去指纹传感器大多数是基于光学技术的指纹传感器，这类传感器结构复杂，价格 昂贵、体积庞大，并且对手指和取像镜片的要求较高，因此造成实际系统价格非常 昂贵。随着光电技术的发展，光学传感器的价格和体积也开始大幅度下降。90 年代 基 于 灰 度 的 方向场计算 方向场校正 滤波 图像增强 二值化 细化 特征提取 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 7 中期开始出现半导体指纹传感器，最初，这类传感器采集的图像质量和光学传感器 有较大的差距，但是随着半导体技术的进步，所采集的图像质量也越来越高，现在 这两类指纹传感器采集的图像质量差距已经很小了。半导体传感器具有价格低、体 积小的优点，特别适合集成在普通的消费电子产品中。超声波扫描技术的原理是基 于皮肤、指纹表面和空气对超声波产生的不同反射阻抗，因为超声波能穿透许多物 质，所以系统几乎不受手指和取像平台表面状况的影响，但是其成本大约为光学系 统的 2 至 3 倍。以下本文就针对几类指纹图像采集技术进行介绍。 光学指纹传感器是由光源、直角棱镜、透镜以及 ccd 面构成的，取像设备依据 的原理是光的全反射，光线照到压有指纹的玻璃表面，反射光线由 ccd 去获得，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。 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 ccd， 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，这样就在 ccd 上形成了指纹的图像。 不可否认，光学指纹采集器有它的优点，比如：能承受一定温度变化，能提供最 高达 500 dpi 的指纹图像；但是，光学指纹采集器也有它的弱点，主要表现在设备体 积和潜在指印两个方面。一些体积较小的光学采集器，通常有较严重的光学畸变； 而光学畸变较小的光学指纹采集器的体积较大，给使用带来一定程度的不便。光学 指纹采集器在完成上一次采集后会在采集器上留下潜在指印，这会降低下一次采集 指纹时图像的质量。而且 ccd 随着时间的推移会有损耗，从而降低了采集指纹的精 确度。 晶体传感器是 1998 年在市场上才出现的，尽管它在技术介绍性文章中已经出现 近 10 多年。这些含有微型晶体的平面通过多种技术来绘制指纹图像。最常见的硅电 容传感器通过电子度量被设计来捕捉指纹。 在半导体金属阵列上能结合大约 100， 000 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 阵列的另一面。电容器的电容值由于导体间的距离而降低，这里指的是脊（近的） 和谷（远的）相对于另一极之间的距离。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 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 8 电子信号。其他的晶体传感器还有温度感应传感器，它通过感应压在设备上的脊和 远离设备的谷温度的不同来获得指纹图像。 半导体指纹采集器可以获得相当精确的指纹图像，最高可达 600 dpi，常见的为 500 dpi。半导体指纹采集器体积小巧、功耗很低，便于集成到其它设备之中，这是 光学采集设备所无法比拟的，现在有很多指纹识别系统都采用半导体采集设备6。 早期半导体设备的弱点在于：容易受静电影响；手指汗液或者其它污物以及手指磨 损都会使半导体传感器取像很困难。但是随着各种工艺技术的不断发展，芯片的防 静电性能（已达到 8 kv）和耐用度得到了很大的改善。 超声波式指纹采集器被认为是最准确的指纹采集器。超声波指纹取像的原理是： 超声波扫描指纹表面，紧接着接收设备获取其反射信号，由于指纹的脊和谷的声阻 抗不同，导致反射回接收器的超声波的能量不同，测量超声波能量大小，进而获得 指纹灰度图像。超声波可以穿透灰尘和汗渍等，因此超声波指纹采集器能真实地反 映指纹，得到优质的指纹图像7。目前，超声波指纹采集技术尚不成熟，而且成本 很高，因此，超声波指纹采集器并没有被应用到指纹识别系统中。 总之，各种指纹采集仪都有优缺点，设计者应该根据自己系统需求来选择合适的 采集仪。超声波式指纹采集设备虽然性能优异，但是受成本及技术等因素的约束而 得不到广泛应用。光学式指纹采集设备因体积较大，也不是很受用户欢迎。半导体 式指纹采集设备相对于以上两种设备而言，成本较低；而且由于体积较小，易于灵 活地集成到其它设备。鉴于以上两个方面的因素，本文所设计的指纹采集系统选用 硅电容式半导体指纹采集器。三种传感器主要技术指标一览表见下表： 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 9 表 1- 2 三种传感器主要技术指标 设备类型 光学 半导体 超声波 成像能力 干手指差，汗多的和 稍微肿胀的手指成像 模糊。易受皮肤上的 脏物和油脂的影响 干手指好，潮湿、粗糙 手指亦可成像。皮肤上 的脏物和油脂的影响比 光学设备要小 非常好 成像区域 大 小 中 分辨率 最高达 500 dpi 最高达 600 dpi 最高达 1000 dpi 设备体积 大 小 中 耐用性 非常耐用 比较耐用 耐用一般 功耗 较大 小 较大 成本 较高 低 很高 在本设计中，在主要考虑到设计成本、嵌入到小型系统，同时成像质量较好、得 到指纹信息较快的需求下，选择硅电容式指纹传感器作为本次设计的指纹传感器。 1.5 指纹识别技术国内外研究现状 总的来说，指纹识别的关键技术包括图像获取技术、方向场计算和校正、指纹分 割、指纹增强、指纹分类技术、指纹安全技术等，所有这些技术都在不断发展中。 虽然指纹识别领域已经取得许多进展，但指纹识别中的许多问题仍然有待解决，主 要有：纹路方向如何准确计算和纠正，如何根据特征提取算法的能力准确的进行指 纹分割、如何增强低质量的纹路，如何准确的提取特征点、高性能的匹配指纹算法、 基于网络的安全指纹识别等。 本文这里主要介绍纹路方向的计算和纠正，因为纹路是指纹最基本的属性，而纹 路的方向最能反应指纹的这种属性，同时也可以根据纹路的方向场来还原指纹的本 来面貌。 纹路方向计算是进行指纹识别的基础，目前指纹识别中大多数算法都以正确的 纹路方向为前提，如频率计算、纹路跟踪、核心点和三角点的检测、指纹分割、指 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 10 纹增强、节点的对齐等。大多数的纹路方向计算方法基于像素之间的灰度关系。 kawagoe8将每个 22 像素块和四个边缘模板进行比较提取该像素的方向， 然后基于 一个更大的区域做平均估计以计算更准确的方向。methtre9使用灰度对齐的方法计 算纹路方向，将纹路方向离散化为 16 个方向，计算每个像素在每个方向上的灰度一 致性，将一致度最高的块的方向作为该像素的方向。黄10沿着每个方向计算灰度变 化，沿着纹路方向的灰度变化最小，沿着与纹路垂直的方向灰度变化最大。kovacs 和 rovatti等人11将像素二值化为纹路像素和非纹路像素，纹路方向离散化为16 个 方向，并计算每个像素在每个方向上的像素类型的一致性。 sherlock12使用投影法计 算纹路方向，将指纹图像分割成大小为 3232 的块，并计算每块在不同方向上的投 影，将投影方差最大的方向作为纹路的垂直方向。nagaty13使用层次化的神经网络 来计算方向场。目前最为广泛使用的纹路方向计算方法是基于梯度的方法。该方法 计算指纹图像在每个像素处的梯度矢量，梯度矢量的方向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，指纹图像中纹路 边缘处的像素梯度较大，该方法计算出的纹路方向基本由那些梯度较大的像素决定， 纹路边缘处的像素的梯度方向基本垂直于纹路方向，每个区域的纹路方向基于该区 域内的所有像素的梯度矢量计算。而纹路左右两边的边缘像素的梯度矢量方向刚好 相反，为了避免在技术中相互抵消，计算中将梯度矢量做平方，纹路左右两边的边 缘像素的平方梯度矢量会指向大致相同的方向，然后计算平方梯度矢量的平均方向， 因为平方梯度矢量的方向是平方前的两倍， 所以平方梯度矢量的平均方向的 1/2 即为 纹路垂直方向。基于梯度的方法的问题是，当由于图像质量的影响使得图像区域中 大部分边缘像素的梯度方向不垂直于纹路方向时，将会计算出错误的方向。詹14用 低通滤波器对方向场过滤，以纠正错误的方向估计。低通滤波器的方法能对相对孤 立的错误方向进行纠正但某个区域错误方向占多数时，不但错误方向难以纠正，正 确方向反而会被错误纠正，而且核心点附近的方向经过低通滤波器后往往会偏离真 实方向，特别是当核心点附近的纹路曲率较大时。 另一类纹路计算方法基于方向场模型全局地估计指纹图像的各部分的方向。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 11 sherlock15提出的方法根据指纹图像中核心点和三角点的位置来生成指纹图像的方 向场，但是核心点和三角点的相对位置相同的两幅指纹图像完全可能拥有不同的指 纹方向场，sherlock 方法却不能区分这种变化。针对该问题，vizcaya16和 araque17 进行了改进。方向场模型的一个有效途径是用来生成指纹图像，但方向场模型往往 难以正确地计算真实的指纹图像的纹路方向，特别是图像中不含有核心点和三角点 或者无法正确检测它们的位置时。对此，gu18和 zhou19结合梯度法建立方向场模 型，采用 lms 来全局地计算和纠正纹路方向。 1.6 本课题研究的主要内容 指纹识别的应用日益广泛，小型化更是指纹识别广泛应用的前提，如和在小型 化的嵌入式系统中实现指纹数据的采集和识别，是本课题的主要研究内容。 本文的章节主要内容如下： 在第一章，对指纹识别技术研究的内容、意义进行了说明，对指纹识别技术的 研究现状和研究方法进行了简要概述，并提出了本课题研究内容。 在第二章，先介绍了本系统的整体设计思想，然后介绍了指纹采集的原理和组 成，其中重点介绍了指纹采集器fps200的特点及在本系统中的应用，最后本章描述 了经典的gabor滤波器算法特点，并在此基础上提出了自己的指纹预处理算法。 在第三章，主要完成指纹采集的工作。首先介绍了指纹采集的系统框图，然后 介绍了ti公司的5402的mcbsp（multichannel buffered serial ports）多通道缓冲串口 的组成和工作原理，mcbsp口的spi（serial peripheral interface）工作方式的设定及 初始化fps200时mcbsp口的具体工作方式，最后介绍了读取指纹信息时mcbsp口的 工作方式及如何完成对指纹信息的读取。 在第四章，主要实现指纹图像的预处理。主要研究了方向的正确性对预处理产 生的影响，如何纠正方向及如何正确有效的提取特征点。本章首先验证了方向的正 确性关系到能否正确得到指纹的纹路，能否去除噪音、增强纹路，而在方向纠正中， 往往因为核心点区域方向变化快而导致该区域方向错误的纠正，所以本章提出了基 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 12 于原图找核心点，核心点区域与其它区域方向单独处理的思想，并采用计算方向熵 的方法较好的解决了核心点的提取问题。特征点的正确有效提取则关系到后续的匹 配工作，本章先介绍快速细化算法，然后对快速细化算法存在的问题进行了改进， 有效避免了细化产生的纹路缩短现象，最后对细化后的图进行了特征提取和去除伪 特征点等工作。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 13 2 指纹识别系统组成 2.1 系统整体设计思想 指纹识别系统包括硬件指纹采集部分和软件指纹识别部分，本文主要研究指纹 识别算法中预处理部分以及设计指纹采集的小型嵌入式系统，力求得到较好的指纹 图像并清晰恢复指纹的本身原有形态。 首先是快速采集指纹信息，将信息保存到 ti公司的 dsp 型号为 tms320c5402 （以下简称 5402）上，或者通过 rs232 将指纹信息传给 pc 机，然后对指纹进行预 处理，得到清晰的指纹本身原有形态。由于软件识别是系统的核心，它是否能达到 快速识别、高正确率、适合小型系统是整个工程具有可行性的前提和目标，所以本 文采用在上位机 pc 上设计、验证算法的合理性和正确性，然后将算法通过 ccs2.2 仿真软件下载到 5402，而指纹的采集直接在硬件采集系统中实现。 2.2 指纹采集设计原理 指纹采集的设计原理如图 2- 1 所示。当指纹传感器有手指按下时，快速记下指 纹按下时信息，然后在微处理器的控制下将数据传到微处理器，最后微处理器也可 以将数据传到 pc 上，在 pc 上显示采集的指纹图。 图2- 1 指纹采集系统框图 在本文的指纹采集中，指纹传感器的选择尤为重要，需要从如下几个方面考虑： （1） 能否基于嵌入式应用。首先考虑传感器体积，在目前主要应用的光学、半 导体传感器中，半导体指纹传感器体积一般小于光学指纹传感器。其次， 要考虑传感器与 5402 的接口设计，是否占用较少的端口； 指纹传感器 微处理器 rs232 指纹 至 pc 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 14 （2） 采集图像质量。光学、半导体指纹传感器都能够达到 500 dpi，理论上分 辨率高于 300 dpi 就能用于指纹识别； （3） 功耗。半导体指纹传感器功耗一般小于光学指纹传感器； （4） 使用寿命。半导体指纹传感器、光学指纹传感器一般都能够满足 3 年以上 的使用时间； （5） 价钱。目前半导体指纹传感器、光学指纹传感器价格都在 30 rmb50 rmb，都能满足设计的要求。 基于以上几点， 本文设计采用一款美国 veridicom公司设计的硅电容式指纹采集 器 fps200，它包含以下 3 个部分20：传感阵列、采样保持器、a/d 转换器。 （1） 指纹传感器最重要的就是传感阵列，它的原理如图 2- 2 所示。硅电容式指 纹传感器的传感阵列是二维电容阵列，所有传感电极在采集指纹时充当电容的一个 电极，与传感电极接触的手指表面充当另一个电极。当传感器工作时，首先将传感 电极充电至 vcc（芯片电源电压） ；接着，传感器会对手指表面与传感器电极之间 形成的电容（如图 2- 2 中的 c1，c2，c3等）放电，此时传感电极上的电压值会相对 前面有所变化。利用充电时传感电极的电压值和放电后传感电极的电压值之差来计 算各个传感电极与手指表面之间形成的电容值。这个电容值就是测量指纹纹线的依 据。 图2- 2 传感器原理图 （2） 采样保持器的一般结构形式21如图 2- 3 所示。 采样保持器是一种具有信号输入、信号输出以及由外部控制信号的模拟门电 路。它主要由模拟开关 k、电容 ch和缓冲放大器 a 组成。 手指表面 传感器阵列 c1 c2 c3 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 15 k 模拟地 驱动信号 a 模拟输入信号 1 u c u 0 u h c 图2- 3 采样保持器结构图 采样保持器的工作原理如图 2- 4 所示。在 t1时刻前，控制电路的驱动信号为 高电平时，模拟开关 k 闭合，模拟输入信号 u1通过模拟开关 k 加到电容 ch上，使 得电容 ch端电压 uc跟随模拟信号 u1变化而变化，这个时期叫跟踪期。 在 t1 时刻， 驱动信号为低电平，模拟开关 k 断开，此时电容 ch上的电压 uc保持模拟开关断开 瞬间的值 u1值不变并等待 a/d 转换器转换，这个时期叫保持期。在 t2时刻，保持 结束，此时驱动信号又为高电平，模拟开关 k 重新闭合，电容 ch端电压 uc又跟随 模拟输入信号 u1变化而变化，直到 t3时刻驱动信号为低电平时，模拟开关 k 断开。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 16 a t 0 a 0 a 0 t t 跟踪 保持 控 制 信 号 模 拟 输 入 采 样 保 持 输 出 t1t2t3 图2- 4 采样保持器的工作原理 采样保持器作用在于：在 a/d转换时间内将信号保持不变，以保证 a/d 转换 器的转换精度。 （3） a/d 转换器。a/d 转换器是将模拟电压或电流转换成数字量的器件或设 备，它是模拟系统与数字系统之间的接口22。 veridicom的 fps200 电容式固体指纹采集传感器，能采集到 500 dpi 的指纹图 像。 它的传感器是 256300 的阵列， 可以在 3.3 v5 v 的宽电压范围内操作。 fps200 的性能主要有以下几点23： a 适应更复杂的手指 fps200 的图象搜索功能 （imageseektm） 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象并自动选择最好的一幅。因此 fps200 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）的高质量指纹图象，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， 大大减低了误识率和拒识率。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 17 b 坚固耐用的芯片表层 fps200 表面运用 veridicom 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。 fps200 能承受超过 8 kv 的静电放电。因此 fps200 可应用在苛刻的环境下。 c 更易于集成 fps200 是一个内置三种通信接口的指纹设备：通用串行接口（universal serial bus, usb） 口、微处理器单元接口（micro controller uint, mcu） 、串行外设接口 （serial peripheral interface, spi） 。 这使得 fps200 可以方便集成到各种类型的设备 中去，甚至不需要外部接口设备的支持。 fps200 还内置其他电路单元，极大减少了芯片对软件的依赖。fps200 芯片的 256300 传感阵列和全新的瘦封装不但提供了更小的外观尺寸，而且使阵列布局更 合理，在减小传感器阵列数目的情况下没有降低图象尺寸及精度，同时也节约了芯 片的成本。 d 低功耗设计 fps200 在待命模式下的操作电流小于 20 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。fps200 还有手指自动检测电路，当有手指按在传感器表 面时，向主机发送一个中断信号。 手指自动检测电路允许主机在没有指纹时也处在 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，这种特性尤其有利于满足依赖电池供电的嵌入式系统需要。 e 提供多种接口 fps200 芯片内直接提供三种接口电路： usb：fps200 已内置了高速 usb 的核电路，不需要外部的 usb 控制器，因 此使 fps200 成为标准的 usb 设备。 fps200 在 usb 模式下可支持 13 帧/秒的指 纹图象采集传输速度。 微处理器总线（mcu） ：通过增加自动递增列和地址寄存器的值以及模数转换 的路径优化功能，fps200 内置的标准 8 位微处理器总线的性能大大加强，图象传 输速度达到 30 帧/秒，可以满足对连续指纹图象采集和比对的需要。 串行外设接口（spi） ：fps200 内置的 spi 接口可极大减小 fps200 对硬件的 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 18 依赖，只需要 6 条线就可以连接到带 spi 接口的微处理器。在 spi 模式下，fps200 的图象传输速度为 10 帧/秒。 在本文设计中，选择 spi 接口与微处理器之间通信，因为只有 spi 接口需要的 物理连线较少，只需 sck，miso，mosi，scs，共 4 条信号线。在 spi 模式下， 它的时钟源可以从外部输人，也可以外接一个晶体振荡器后，利用 fps200 内部的振 荡电路来获得时钟源。在选择了 spi 模式后，它的其他两种模式（usb，mcu）是 自动禁止的。 2.3 指纹预处理算法组成 在预处理算法研究过程中，本文先采用传统的经典的基于 gabor 函数指纹图像 增强算法进行研究，gabor 滤波器的增强方法有以下特点： （1） 滤波器能沿着指纹纹路的方向进行增强（具有方向性） ； （2） 滤波器窗口的大小 wmn对应于信号的一个周期，即脊线和谷线的宽度的 总和（具有周期性） ； （3） 进行图像增强是依赖于所处理图像所在区域的像素的平均灰度值，而不 是整幅图像的平均灰度（具有局部适应性） ； （4） 滤波器必须关于它的滤波方向具有水平和垂直对称性，滤波器的大小为 基数（具有对称性） 。 gabor 滤波器能够有效的连接指纹分裂处、断开指纹粘连处及在纹线方向上增 强指纹信息，起到滤除噪声，修复、增强指纹的效果。 本文基于经典的 gabor 函数指纹图像增强算法上，采用如下预处理步骤：方向场 计算、核心点提取、方向场校正、滤波、增强、二值化、细化、及特征提取。处理 步骤如下图 2- 5 所示： 图2- 5 本文预处理步骤 基 于 灰 度 的 方向场计算 方向场校正 gabor 滤波 图像增强 二值化 细化 特征提取 核心点提取 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 19 不过有些算法并不完全遵循上述步骤，一些算法在进行方向图计算之前进行二 值化处理，目的是为了减少不同指纹图像之间灰度值的差异，并为后续处理做准备。 还有考虑到图像分辨率问题，在滤波之前估算局部频率，进而使滤波效果更理想。 还有的算法直接从灰度图中提取特征点，但目前看来此种算法效果不佳。另外，每 个步骤之间并不是完全孤立的，每个步骤的算法之间互相联系才可以达到最佳效果， 在本文研究预处理算法时，就采用了多种不同的步骤。现有的指纹增强算法多数是 基于局部脊线方向， 如 hung douglas 等人2的适应局部脊线方向的增强算法和 hong lin等人3的使用滤波器的方法。 由于 gabor 滤波器中和指纹图像处理中，涉及到的参数较多，如方向、频率、 窗口大小、像素值、方差等，在研究中必须对各个参数对系统的影响进行评估，以 便认识存在问题的原因和研究的重点，因此在预处理算法研究过程中，对指纹信息 的参数实时分析、显示、修改、显示修改后的效果是研究预处理关键因素、关键步 骤的必要方法，本文采用在 vs2005 环境下验证了指纹图像处理的效果，其中在 vs2005 环境下的友好的人机交互式界面给算法研究及实际效果验证带来了很多方 便，尤其是对方向的实时修改再显示，使得项目很快将指纹识别部分的软件设计重 心转移到方向的纠正上，大大加快了科研的进度；另外算法都采用 c+语言编写， 能够在 ccs2.2 环境下移植到硬件系统中。 华 中 科 技 大