（模式识别与智能系统专业论文）指纹识别算法研究.pdf

摘要 摘要 人各不同，指指相异。由于指纹的唯一性和不变形，以及指纹识别技术的可 行性和实用性，指纹识别已经成为当前最流行、最方便、最可靠的个人身份认证 技术之一。尽管在此技术上已有多种成型产品，但因为许多核心技术因商业利益 而未经公开，以及社会的发展对系统的性能提出了更高的要求，所以从事该领域 研究，仍然具有重要的理论意义和实用价值。 本文研究了针对刮擦式指纹传感器( a t 7 7 c 1 0 4 b ) 的指纹图像识别技术。在 收集和分析了大量近年来国内外关于指纹识别技术的学术论文、研究报告的基础 上，对指纹图像采集过程、指纹图像预处理、指纹特征的提取及特征匹配四个环 节进行了深入的研究，以提高指纹识别系统的性能。 本文在以a r m 芯片( a t 9 1 s a m 9 2 6 1 ) 为核心的嵌入式系统上，实现了对刮 擦式指纹传感器的指纹数据采集，对采集到的数据进行重构，获得了重叠的指纹 帧序列图像。在对获取的指纹帧序列图像深入分析的基础上，研究了一种滑动指 纹序列的拼接算法，能将一枚指纹的重叠帧图像序列拼接成一幅完整的指纹图 像，拼接质量能有效地满足后续指纹识别算法对图像的要求。 在指纹图像的预处理中，对指纹图像增强和二值化算法做了重点研究与改 进。在增强算法中，本文对方向滤波和g a b o r 滤波两种滤波器进行深入探讨，由 于g a b o r 滤波器在空间上的频率特性与指纹图像在其纹线梯度方向上的频率特 性很好的吻合。选择恰当的参数，可以用g a b o r 滤波对指纹图像进行增强，通过 大量实验，效果非常好。最后采用了效果更好的g a b o r 滤波。对指纹图像二值化、 细化等算法，在文中均给出了详细的算法描述。 指纹特征提取过程采用模板匹配的方法搜索细节特征点，并用纹线跟踪的方 法确定特征点方向，用纹线延伸搜索与距离阈值相结合的特征去伪方法，去除绝 大部分虚假特征，保留真实的特征。同时，通过纹线采样获得可靠特征点及其所 在纹线的信息，为指纹特征匹配提供了可靠保证。 指纹特征匹配过程采用点模式匹配的理论，首先用可靠特征信息搜索基准 点，然后进行坐标变换，在极坐标下，最后采用可变界限盒获取匹配分数，并判 断两幅图像是否来自于同一手指。 整个指纹识别算法在m a t l a b 平台上编程实现，并采用刮擦式指纹传感器采 集到的图像进行了算法验证，具有较好的效果，同时在f v c 2 0 0 0 指纹库上进行 了测试，结果表明所研究算法是准确有效的，有一定的理论价值和实际应用价值。 关键字图像识别；指纹采集；预处理；特征提取；指纹匹配 a b s t r a c t p e o p l ea r ed i f f e r e n tw i t hd i f f e r e n tf i n g e r p r i n t s b e c a u s eo fu n i q u e n e s sa n d i n v a r i a b i l i t y , t h ef i n g e r p r i n ti d e n t i f i c a t i o n i s b e c o m i n go n eo ft h em o s tp o p u l a r p e r s o n a la u t h e n t i c a t i o nt e c h n o l o g i e s ，a n dm a n yf i n g e r p r i n tp r o d u c t sh a v eb e e n o f f e r e dn o w a d a y s h o w e v e r , m o s to f t h ek e ym e t h o d sw o u l dn o tb ep u b l i c i z e d ，w h i l e b e t t e rp e r f o r m a n c ei sr e q u i r e d s om o r er e l i a b l ea n da c c u r a t 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 m s ( a f i s ) h a v eb e e no f g r e a ti n t e r e s tt or e s e a r c h e r s t h i st h e s i sh a v es t u d yf i n g e r p r i n ti m a g er e c o g n i t i o nt e c h n o l o g yo ns c r a p i n g f i n g e r p r i n ts e n s o r ( a t 7 7 c 10 4 b ) b a s e do np l e n t yo fp a p e r sa n dt e c h n i c a lr e p o r t so n f i n g e r p r i n ti d e n t i f i c a t i o n ，t h i st h e s i sp r o v i d e ss o m ew o r k so nt h et h e o r i e so fa f i s t h ep r o b l e ma b o u th o wt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fa 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 nw i l lb ed i s c u s s e di nt h et h e s i s i nt h i st h e s i s ，a l g o r i t h mw i l lb ei m p r o v e d i nf o u ra s p e c t s ，a c q u i s i t i o n ，p r e p r o c e s s i n g ，f e a t u r ee x t r a c t i o na n d m a t c h i n g t h i st h e s i sh a v er e a c ho ne m b e d d e ds y s t e ma st h ec o r eo fa r mc h i p ( a t 9 1 s a m 9 2 6 1 ) c a na c q u i r ef i n g e r p r i n t d a t af r o m s c r a p ef i n g e r p r i n t s e n s o r , r e c o n s t r u c tt h ef i n g e r p r i n td a t a a c c e s st ot h eo v e r l a pb e t w e e nt h ef m g e r p r i n t f r a m ei m a g es e q u e n c e t h i st h e s i sf i n d so u taf a s ts t i t c h i n ga l g o r i t h m ，t h ea l g o r i t h m h a sb e e nt e s t e dt h r o u g ht h ea t 7 7 c 1 0 4 bf i n g e r p r i n tc o l l e c t o rt h a ta c c e s s e dl a r g e n u m b e ro ff i n g e r p r i n t f r a m es e q u e n c e ，i ts h o w sg o o de f f e c tw h e nc o m p l e t i n gt h e m o s a i co f h i g h - q u a l i t yf i n g e r p r i n ti m a g e s i nt h ep r o c e d u r eo ff i n g e r p r i n tp r e p r o c e s s i n g ，s t u d yo nf i n g e r p r i n te n h a n c ea n d b i n a r ya l g o r i t h m d i r e c t i o nf i l t e ra n dg a b o rf i l e ra r et y p i c a lf i l t e r si nt h ee n h a n c e a l g o r i t h mn o w a sg a b o rf i l t e ri ns p a c eo nt h ef r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c sa n df i n g e r p r i n t i m a g e s i ni t sd i r e c t i o no nt h e r i d g eg r a d i e n t o ft h e f r e q u e n c y o fg o o d a n a s t o m o s i s s e l e c tt h ea p p r o p r i a t ep a r a m e t e r s ，g a b o rf i l t eo nt h ef i n g e r p r i n ti m a g e e r d a a n c e m e n te f f e c tw a sv e r yg o o d t h r o u g he x p e r i m e n t s ，i nf i n a lu s et h eb e t t e rg a b o r f i l t e r t h eb i n a r ya n dt h i n n i n ga l g o r i t h mo ff i n g e r p r i n ti m a g ei sd e s c r i b e da tl e n g t h i nt h ea s p e c to fm i n u t i a ee x t r a c t i n g ，t e m p l a t e m a t c h i n gi su s e dt os e a r c h f i n g e r p r i n tm i n u t i a e t h eo r i e n t a t i o no fm i n u t i a ei sg a i n e db yr i d g e t r a c i n g m o s t f a l s em i n u t i a ea r ee l i m i n a t e d b y am e t h o d u s i n gr i d g e - - e x t e n d - t r a c i n g a n d d i s t a n c e - t h r e s h o l d ，a n dt h et m cm i n u t i a ea r er e s e r v e d f u r t h e r m o r e ，ac o n c e p to f r e l i a b l e m i n u t i a ei sp r o p o s e di nt h i sp a p e r , w h i c hc a r lb eg o t t e nb yr i d g e s a m p l i n g t h er e l i a b l ei n f o r m a t i o nc a na s s u r et h er e l i a b l ef i n g e r p r i n tm a t c h i n g i i a b s 仃a c l i nt h em a t c h i n gs e c t i o n ，t h et h e o r yo fp o i n t p a t t e mm a t c h i n gi su s e d t h e r e f e r e n c ep o i n t sa r ef o u n di nr e l i a b l em i n u t i a ef l r s t l y t h e nb o t ho ft h ec o o r d i n a t e sa r e l a - a n s f o r m e dt op o l a rc o o r d i n a t e s f i n a l l y , w et a k eb o u n db o xo f v a r i a b l es i z et oo b t a i n m a t c h i n gs c o r et oi d e n t i f yw h e t h e rt h e yb e l o n gt oas a m ef i n g e r p r i n t 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 mi sr e a l i z e do nm a t l a bp l a t f o r m t h ea c t u a l a c q u i s i t i o no ft h ef i n g e r p r i n ti m a g ei se f f e c t i v e ，w h i l ei nt h ef v c 2 0 0 0f i n g e r p r i n t so n t h et e s t ，e x p e r i m e n t sh a v eb e e nd o n ea n dt h er e s u l t ss h o wt h a tt h ea l g o r i t h md e a l i n g w i t hf i n g e r p r i n ti m a g e si sv a l i da n dw o r t h yt os o m ee x t e n te i t h e ri nt h e o r yo ri n p r a c t i c e k e yw o r d sf i n g e r p r i n ti d e n t i f i c a t i o n ；f i n g e r a c q u i s i t i o n ；p r e - p r o c e s s i n g ； m i n u t i a ee x t r a c t i o n ；f i n g e r p r i n tm a t c h i n g 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导- 7 i l i 指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别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，也不包含为获得北京工业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：磊p 末、日期：矽谬，“ i 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 虢却杰新虢黼胁砌舭z 7 第一章绪论 1 1 课题的背景及来源 1 1 1 课题的背景 第一章绪论 长期以来，在人类社会活动中需要验证个人的身份时，传统的方法是验证该 人是否持有有效的证明文件或信物；核对照片、密码、钥匙、磁卡和i c 卡等。 从本质上来说，这种方法验证的是该人是否持有的某种“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，其漏洞是显而易见的。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，非法的人利用各种伪造证件、信物以及被破译的密码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可直接认证的方法，就是现今被 人们广泛应用的生物特征识别技术( b i o m e t r i ei d e n t i f i c a t i o n t e c h n o l o g y ) 。 生物识别技术是利用人体生物特征进行身份认证的一种技术。为确保其准确 性，要求这些生物特征具有“人各有异”、“终身不变”和“随身携带”三个特点。 常见的生物识别技术主要有虹膜识别、视网膜识别、面部识别、声音识别和指纹 识别技术等。 但是每一个生物特征都有其优缺点和应用范围，尚没有一种生物特征可以在 任何情况下满足身份鉴定的所有要求。有些人的指纹无法提取特征：面相识别由 于相像者较多，因此不仅成本高，而且安全性低、误判率高；声音识别虽然成本 低，但是易被拷贝，安全性很低；步态、笔迹的识别也存在着同样的问题；虹膜 的安全性很高，可是患白内障的人虹膜会发生变化，而且需要精密的虹膜捕捉设 备，代价又过高。 相对于其它身份认证技术，指纹识别是一种更为理想的身份确认技术，不仅 具有许多独到的信息安全优点，更重要的是还具有很高的实用性、可行性，指纹 识别技术以其准确性高、识别速度快、便于采集、使用方便等优点，成为发展最 快的生物识别技术，其相关技术的研究成为当前生物识别领域的热点。 因此，指纹识别是一种最方便、最可靠的个人身份鉴别技术，可以说指纹识 别技术实现了身份鉴定领域的世纪革命。 北京- r ：g k 大学工学硕十学位论文 1 1 2 课题的来源 本课题是“嵌入式指纹识别系统”方向的研究课题，研究室为本课题提供了 充足的资金和实验设备支持。 1 2 指纹识别技术的研究现状 1 2 1 国内外指纹识别技术的研究进展 指纹识别作为生物识别技术的一种，有着悠久的历史。据考古学家证实：公 元前7 0 0 0 年到6 0 0 0 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，一些粘土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，在j e r c h o 的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。 到1 9 世纪初，科学家发现了至今仍被承认的指纹的两个重要特征，一是两 个不同手指的指纹脊线的式样不同，另外一个是指纹脊线的式样终生不变( 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( e p 要代表性的事件有：1 8 9 6 年阿根廷首次应用，然后是1 9 0 1 年的苏格兰， 2 0 世纪初其他国家也相继应用到犯罪事情的鉴别中) 。2 0 世纪6 0 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。从那时起， 自动指纹识别系统( a f i s ，a u t o m a t e df 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 ) 在法律实 施方面的研究和应用在世界许多国家展开。 、 目前，很多国家都有公司或专门机构在从事自动指纹识别技术的研究，美国 的i d e n t i c a t o r 公司、s e c u g e n 公司、法国的s e g a m 公司都有成型产品面市。亚洲 在这一领域研究水平最高的国家是朝鲜，台湾的s t a r e k 公司的指纹识别技术产品 的性能也达到国际领先水平。中国科学院光机所对指纹采集技术进行了较为深入 的研究，可以批量生产光电式活体指纹采集仪。中国科学院自动化所开发的自动 指纹识别算法在f v c 2 0 0 4 ( f i n g e r p r i n tv e r i f i c a t i o i lc o m p e t i t i o ni n2 0 0 4 ) 竞赛中 取得了优异成绩，所提交的两套算法分别参加f v c 2 0 0 4 的o p e n 组和l i g h t 组算 法竞赛，两套算法在国际科研机构中排名第一，o p e n 算法排名国际第三，l i g h t 算法排名国际第七，共获得5 枚金牌，7 枚银牌和7 枚铜牌，是国际学术机构和 国内参赛单位获得奖牌最多的单位。 指纹识别技术相对其它识别方法有许多独到之处，具有很高的实用性和可行 性。因此，指纹识别技术成为最流行、最方便、最可靠的身份认证方式，已经在 第一币绪论 社会的诸多方面得到广泛应用：如刑侦、门禁、金融、社保、户籍等方面。实践 证明，指纹识别是一种理想的身份认证技术，有着十分广泛的应用前景，是将来 生物特征识别技术的主流。 目前，指纹识别系统不断向嵌入式、小型化、与其它系统整合的方向发展， 市场上已经出现了指纹考勤系统、指纹锁、指纹鼠标、指纹卡等指纹识别产品。 不久前，日本三菱电机公司将“指纹认证装置”微型化，并内置于公司将要推出 的手机中，有效的防止了手机被人盗用；相应的，m 近来也把“指纹认证装 置”装入到其开发的手提电脑中，使用者再也不用记复杂的开机密码了。这些应 用为指纹识别技术提供了更广阔的应用空间。 为了促进网上交易，美国总统克林顿1 9 9 9 年6 月3 0 日在美国费城签署了电 子签名法案，这使电子签名在美国获得与普通书面签名一样的法律地位，从而进 一步方便企业和消费者在网上做生意。而这项法案的签署，促使美国各大生物技 术公司加紧开发保证电子签名安全的技术，这主要包括验证一个人身份的加密数 字代码装置和附加在计算机上的指纹检查设施等。 在国内，北京大学石青云院士领导研制的用于公安刑侦的指纹自动识别系统 在实际应用中取得了很大的成功，有很好的破案率。石青云院士通过对数字图像 的离散几何性质进行深入研究，创造了从指纹灰度图像精确计算纹线局部方向， 进而提取指纹特征信息的理论与算法。 1 9 9 9 年1 1 月，四川大学电子信息学院何小海教授领导的课题组，结合图像 处理、模式识别、神经网络等先进技术成功研制出具有先进水平的指纹识别算法。 现在，国内从事这方面研究的企业不多，其中最有影响力的是北京汉王科技 公司，这家出身于中国科学院的公司在指纹识别方面一直受到国家8 6 3 计划的支 持，是该领域完全具有自主知识产权的公司之一。 随着网络技术、计算机技术的飞速发展，基于指纹特征的身份鉴别技术应用 领域将更广泛，基于指纹特征身份鉴定的研究伴随着这一市场的发展越来越深 入，逐渐自成系统。随着新的身份识别技术的发展，指纹识别将成为未来身份认 定的重要方式。 1 2 2 指纹识别技术的特点 相对于其它生物特征鉴定技术，指纹识别是一种更为理想的身份确认技术。 具体表现在以下几个方面： ( 1 ) 每个人的指纹是独一无二，两人之间不存在着相同的手指指纹。1 9 世纪 北京t 业大学丁学碗士学位论文 末，英国学者亨利写出了专著，将指纹的特征及识别原理加以分析归纳，科学地 提出了人的指纹各不相同，并提出了基于指纹特征进行识别的原理和方法，以后 衍生出的各种识别方法都是基于该理论。按亨利的理论，一般人的指纹在出生后 9 个月得以成型并终身不变；每个指纹一般都有7 0 1 5 0 个基本特征点。从概率学 的角度，在两枚指纹中只要有1 2 1 3 个特征点吻合，即可认定为同一指纹。按现 有人口计算，上述概率1 2 0 年才可出现两枚完全相同的指纹。 ( 2 ) 每个人的指纹是相当固定的，很难发生变化。例如，指纹不会随着人的 年龄的增长、或身体健康程度的变化而变化。人的声音却有着较大的变化 ( 3 ) 便于获取指纹样本，易于开发识别系统，实用性强。目前已有标准的指 纹样本库，方便了识别系统的软件开发；另外，识别系统中完成指纹采样功能的 硬件部分( 即指纹采集仪) 也较易实现。而对视网膜则难于采样，也无标准的视 网膜样本库供系统软件开发使用，这就导致视网膜识别系统难开发，可行性较低。 ( 4 ) 一个人的十指指纹皆不相同，这样，可以方便地利用多个指纹构成多重 口令，提高系统的安全性。同时，并不增加系统的设计负担。 ( 5 ) 指纹识别中使用的样本并非最初的指纹图，而是由指纹图中提取的关键 特征，这就使系统对样本库的存储量较小。另外，对输入的指纹图像提取关键特 征后，使存储量大大减少，减轻了网络传输的负担，便于实现异地确认，支持计 算机的网络功能。 。 从以上的分析可以看出，指纹识别相对于其它方法不仅具有许多独到的信息 安全角度的优点，更重要的是还有很高的实用性、可行性。 1 3 本文的研究内容 本文在嵌入式指纹采集平台上实现指纹数据的采集，并在p c 机上实现了指 纹数据的重构和指纹拼接算法，然后进行了指纹图像的预处理、指纹图像特征提 取和指纹的特征匹配算法的研究。并对其中的一些算法作了重点研究。本文的主 要内容如下： ( 1 1 指纹图像的数据采集。以a r m 芯片( a t 9 1 s a m 9 2 6 1 ) 为核心的嵌入式 系统上，利用刮擦式指纹采集芯片a t 7 7 c 1 0 4 b 对指纹进行图像采集；对采集到 的指纹数据进行重构，形成重叠的指纹帧序列，对指纹序列图像进行拼接，形成 一幅完整的指纹图像。 ( 2 ) 指纹预处理研究。其中包括图像的归一化、分割、增强、二值化和细化。 指纹增强算法是指纹预处理中的核心算法，本文研究了基于时域的方向滤波器和 第币缔论 基于频域的g a b o r 滤波器。二值化算法采用了局部自适应的二值化算法。具有较 好的效果。 ( 3 ) 指纹特征提取算法的研究。根据指纹细化后的结构特点，采取相应的算 法取指纹细节特征。指纹特征提取后，对指纹特征进行了去伪。同时对指纹特征 结构信息进行优化处理，以尽量小的空间存储尽量大的指纹信息量，为指纹特征 匹配打好基础； ( 4 ) 指纹特征匹配算法研究。在提取的指纹特征结构基础上，把点模式匹配 理论同指纹特征匹配方法联系起来，运用一种纹线匹配方法，对指纹特征进行匹 配。算法不依赖指纹的奇异点，对指纹的旋转和局部形变有一定的鲁棒性。 本文研究重点了基于嵌入式系统的指纹数据采集，对形成的重叠指纹帧序 列，提出了一种滑动指纹序列的拼接算法：指纹的增强算法是预处理的核心算法， 研究了基于时域的方向滤波器和频域的g a b o r 滤波器。g a b o r 滤波器对低质量的 指纹图像具有较好的增强效果。 1 4 本文的创新点 本文主要针对当前指纹识别领域中高质量的指纹图像获取和指纹图像增强 两个关键问题做了较为深入的研究。以下是本文的创新点： ( 1 ) 高配准的指纹图像拼接算法。有效获取高质量的指纹图像是目前指纹识 别技术发展所要面对的一个挑战。文本针对刮擦式的温度传感器在图像获取及数 据处理做了重点研究，对获取的一幅重叠的指纹帧序列进行了拼接。研究出了一 种有效的指纹拼接算法。能够获取高质量的指纹图像。 ( 2 ) 指纹图像增强。指纹质量判断虽然可以提高图像的质量，但是牺牲了识 别的时间、增加了指纹录入时不成功的可能。如何准确地计算和纠正纹路方向， 如何增强低质量的纹路是目前指纹识别的一大难题。由于g a b o r 滤波器在空间上 的频率特性与指纹图像在其纹线梯度方向上的频率特性很好的吻合。选择恰当的 参数，对指纹图像增强效果很好。本文采用g a b o r 滤波器对指纹图像进行增强， 对低质量的指纹纹路有增强效果较好。 1 5 本文的结构 本文按照指纹识别的过程来安排顺序的，共分为五章。 第1 章主要介绍国内外指纹识别技术的发展现状、指纹识别的特点和关键问 题以及本文研究的主要内容； 北京t 业大学t 学硕士掌位论文 第2 章主要介绍了指纹传感器，详细阐述了指纹采集平台的工作流程，重点 对所研究的实用指纹拼接算法进行了论述。 第3 章主要研究了指纹图像的预处理算法，对指纹增强、二值化算法做了重 点研究，算法取得了较好的效果； 第4 章主要论述了指纹特征的提取，包括对指纹细化后形成的特征点的提取 及特征去伪算法； 第5 章主要研究指纹特征匹配算法，包括指纹基准点的搜索和指纹特征的比 对等； 最后，对研究工作进行总结，对工作不足给出了改进意见，并对今后的工作 进行了展望与设想。 6 第二章某于刮擦式指纹彳感器的图像采集 第二章基于刮擦式指纹传感器的图像采集 随着传感技术和芯片技术的不断进步，为了便于嵌入到各种便携式设备中 ( 手机、键盘、u 盘等) ，指纹采集系统也变得越来越小。越来越小的固态采集 芯片使得能够从采集到的指纹图像中提取到的信息也就越来越少，这直接影响到 最后识别的效果。于是“拼接”这个概念就被引入到指纹图像中来，像全景拼图、 医学图像的配准一样，将同一个指纹的多个局部样本图像进行拼接，生成组合图 像来形成一幅完整的指纹图像以弥补采集芯片面积的不足带来的问题。 本文首先对目前几种常见的指纹传感器进行了详细的分析，刮擦式指纹传感 器具有体积小、成本低、功耗低、具有自洁功能等优点。针对美国a i t v l e l 公司 的刮擦式传感器a t 7 7 c 1 0 4 b 采集的图像数据进行了深入研究，对实际采集的指 纹数据进行算法处理，形成一幅完整的指纹图像，为后面的指纹预处理以及识别 打下基础。 2 1 指纹传感器简介 2 1 1 指纹传感器的分类 目前指纹传感器按工作原理可分为：光电式传感器、电容式传感器、热敏式 传感器和超声波式传感器等多种。 光电式传感器有最悠久的历史，可以追溯到2 0 世纪7 0 年代。依据的是光的 全反射原理( f t i r ) 。光线照到压有指纹的玻璃表面，反射光线由c c d 去获得， 反射光的数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，这样就在c c d 上形成了指纹的图像。光学传感器受外界干 扰较小、采集精度较高，但数据量较大、处理时间较长，设备较大。 电容式传感器是最近在市场上才出现的。这些含有微型晶体的平面通过多种 技术来绘制指纹图像。电容式传感器通过电容的度量来捕捉指纹。在半导体金属 阵列上能结合大约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。电容器的电容值根据脊和谷之间的距离变 化而变化，由这种电容的变化可以得到指纹图像。压感式传感器表面的顶层是具 有弹性的压感介质材料，其依照指纹的脊和谷的凹凸地形转化为相应的电信号， 北京【业大学工学硕士学位论文 进而得到指纹图像。受半导体大规模集成电路制造技术水平的影响，其采集面积 不宜做大，并且对手指的干、湿度很敏感。 超声波传感器被认为是指纹取像技术中效果最好的一类取像技术。通过超声 波扫描指纹的表面，然后接收其反射信号，测量指纹的范围，得到脊的深度，进 而获得指纹图像。对于超声波扫描来说，积累在皮肤上的脏物和油脂对于所获得 的图像影响不大，所以超声波扫描所获得的图像是实际的纹线拓扑图形( 即指纹 凹凸1 的真实反映。超声波传感器的优点是采集面大，适应能力好，而体积较大， 成本较高。但成本高，难阻普及。 热敏式指纹传感器的采样原理是通过按在传感器上指纹的脊和谷的温度不 同来获得指纹图像。它的采集面通常呈窄条线状结构，改变了以往传统的按压模 式。依靠手指在指纹传感器表面上滑动时，各对应热敏传感单元上温度的不同变 化生成指纹图像的电信号。它的工作方式属于被动式扫描，输出信号为图像帧序 列，需要用专门的图像拼接算法程序来拼接出一幅完整的指纹图像。其体积比较 小，功耗低，成本极低。当手指离开传感器的表面后，不会留下隐约的痕迹。这 是其它接触式的传感器所不具备的优点。具有较好的应用前景。本文对热敏式的 指纹传感器做了重点研究。 2 1 2 刮擦式指纹传感器( a t 7 7 c 1 0 4 b ) 介绍 美国a t m e l 公司a t 7 7 c 1 0 4 b 指纹传感器是一款热敏指纹传感器。由检测 电路和数据转换电路组成，位于一个单独的矩形c m o s 裸片上。该传感器是一 款线性传感器，通过感应区域扫描手指来采集指纹图像。它也是目前世界上体积 最小的指纹图像传感器。综合考虑系统的性能要求和设计成本，本文选用了 a t m e l 公司的a t 7 7 c 1 0 4 b 温度指纹传感器。图2 - 1 是a t 7 7 c 1 0 4 b 的实际大小 和引脚图。 其中，s c k ：是串行外设接口( s p i ，s e r i a lp o r ti n t e r f a c e ) 时钟； m o s i ：是主输出从输入数据； m i s o ：是主输入从输出数据； s s s ：是慢s p i 选择； f s s ：是快s p i 选择。 下面对a t 7 7 c 1 0 4 b 指纹传感器的几个重要参数进行简单介绍。 ( 1 ) 分辨率指每英寸的点数或像素数( d p i ) 。分辨率越高，指纹脊、谷之间 的分辨就越清晰，细节点的间隔就越精细，a t 7 7 c 1 0 4 b 的分辨率为5 0 0d p i 。 ( 2 1 面积( o 4 x 1 1 6 m m )指纹传感器检测的矩形面积的大小是一个基本参 数。通常，矩形面积越大，每一帧采集的指纹面积也就越大。包含的特征信息也 第二章基于刮擦式指纹传感器的图像聚集 就越多。刮擦式传感器的指纹扫描技术使得传感器能够利用更小的面积提供相同 的特性。更小的面积意味着更低的成本。 幻芯片的外形b 1芯片的引脚描述 图2 1 a t 7 7 c 1 0 4 b 指纹传感器 f i g u r e2 - 1 a t 7 7 c 1 0 4 bf u a g e r e h i p ( 3 ) 动态范围或深度。表示对每个像素的密度值进行编码的比特数。 a t 7 7 c 1 0 4 b 传感器利用4 个比特对每个像素进行编码。为1 6 个灰度等级。 ( 4 ) 像素数。每帧8 x 2 3 2 ( 18 5 6 ) 像素。 ( 5 ) 串行外设接n s p i 。s p i 两个模式： s p i 快速模式，1 6 m b p s ( 最大值) ，用于图像采集： s p i 慢速模式，2 0 0 k b p s ( 最大值) ，用于导航与控制。 ( 6 ) 工作电压。2 3 v 3 。6 v ，工作温度范围：4 0 。c + 8 5 0 c 。 ( 7 ) 芯片内部有8 - b i t 模数转换器。 ( 8 ) 指纹扫描速度。2 2 0 c m s ，低功耗，小外形封装。 ( 9 ) 高保护镀层。可使用大于4 0 0 万次，对静电放电进行高度防护。 指纹传感器内部电路包括一个8 2 3 2 像素的阵列以及一个标志列、1 个模数转 换器、1 个片上振荡器、控制与状态寄存器以及导航与点击单元( c l i c ku n i t ) 。该 指纹传感器还拥有分离的接口用于快速与慢速使用模式。指纹传感器的具体结构 见附录。 a t 7 7 c 1 0 4 b 具有防止加热功能。为了限制温度稳定功能带来的过多电流消 耗，在传感器内部植入看门狗定时器。超过指定的时间长度，本地振荡器停止对 模块加热。传感器的功耗可以设置为5 0 m w 或1 0 0 m w 两个级别。 2 2 指纹数据采集平台 2 2 1 基于a r m 的指纹数据采集平台 本文利用a r m 为核心的嵌入式系统实现对刮擦式指皱传感器的指纹图像进 行采集，指纹数据采集平台得结构如图2 2 所示。 图2 - 2 指纹采集系统结构图 f i g u r e 2 2s 劬c t m ec h a r to f f i n g e r p r i n ta c q u i s i t i o ns y e t e m a t 7 7 c 1 0 4 b 指纹传感器用于采集指纹图像。 系统的c p u 采用a t l v l e l 公司的a t 9 1 s a m 9 2 6 1 。它是一款以 a r m 9 2 6 e j s 处理器为核心的超低功耗微控制器。专为功耗低、数据吞吐量大的 无线手持式应用而开发的，其待机电流不超过3 u a ；在工业级温度范围内，工作 频率为1 9 0 m h z 的情况下它的运算速度为2 1 0 m i p s ，此时即使所有外设开启， 其工作电流也仅仅是6 5 m a 。 a t 9 1 s a m 9 2 6 1 能提供庞大的数据吞吐量，并采用含数字信号处理器( d s p ) 扩展功能的指令集，能够在成组模式下快速地执行复杂的d s p 功能，此外还提 供片上或片外存储器及一系列外围控制、通信和数据存储的灵活配置。这些特征 使得这款芯片适合嵌入式指纹采集系统的开发。 d a t a f l a s h 用于存储数据和固化程序；选用a t m e l 公司的a t 4 5 d b 3 2 1 c ， 大小是4 m b n e s ，用于存放应用程序。 s d r a m 用于运行程序、存储临时数据。选用三星公司的 k 4 s 5 6 1 6 3 2 e u s ，两片1 6 m * 1 6 b i t 的s d r a m 来配置成3 2 位宽度的存储器。 整个系统的工作流程：上电后，固化在f l a s h 中的程序被转移到a r m 内 部r a m 和外部扩展s d r a m 中运行。指纹采集传感器通过内部温度感应阵列采 第二章基于刮擦式指纹传感器的图像采集 集到指纹数据后，通过s p i 传输到s d r a m 中保存，并通过串行通讯接口把采集 到的指纹数据发送到p c 机平台，在p c 机上完成指纹算法的研究。 2 2 2 指纹数据采集平台的工作原理 在指纹数据采集平台中，a t 9 1 s a m 9 2 6 1 经内部的s p i 接口与a t 7 7 c 1 0 4 b 相连通信时，a t 9 1 s a m 9 2 6 1 处于主机方式，a t 7 7 c 1 0 4 b 处于从机方式，连接方 式见图2 3 。 a t 9 l s a m 9 2 6 ia t 7 7 c1 0 4 b s p c k 0 s c k m o s l 0m o s i m i s o om i s o i r q 0i r o n p c s r e s 耵 n p c 8 0 2f s s n p c s 0 1s s s 图2 - 3a t 9 1 s a m 9 2 6 1 与a t 7 7 c 1 0 4 bf i n g e r c h i p 连接 f i g u r e 2 - 3c o m m u n i o n b e t w e e n a t 9 1 s a m 9 2 6 1a n d a t 7 7 c 1 0 4 b a t 7 7 c 1 0 4 b 传感器支持两个s p i 模式( 快速模式与慢速模式) 。启动s p i 慢速模 式用来对指纹传感器进行编程、控制与配置，该模式下s p i 串行接口的最高运行 速率可以达2 0 0 k h z 。s p i 快速模式用来对传感器进行数据采集，该模式下s p i 串行 接口的最高运行速率可咀达到1 6 m h z ( 最低运行速率可以达至i 1 8 m h z ) 。其中s s s 信号启动s p i 慢速模式，f s s 信号启动s p i 快速模式。 a t 7 7 c 1 0 4 b 传感器拥有一个指令接口并通过慢速s p i 接收指令。它拥有一组 寄存器用来配置不同的参数，实现点击模式、导航模式与数据采集模式。读取 s t a t u s 寄存器识别传感器状态。 在主模式通信过程中，系统通过s p i 控制指纹传感器的数据传输。对指纹传 感器的片选和s p c k 使能后，当a t 9 1 s a m 9 2 6 l 写发送数据寄存器时开始一次数据 发送。a t 9 1 s a m 9 2 6 1 通过p i o a 中的n p c s 0 2 提供片选信号，选择指纹传感器的 工作模式。可以利用两个3 2 位专用p d c 通道，在没有处理器干涉的情况下进行连 续的高速率数据传输，适用于快速获取指纹数据。 具体流程如下： 北京工业丈学工学硕士学位论文 f 1 ) x 寸a r m 处理器内核时钟与系统时钟进行设置； ( 2 ) 对外部s d r a m 进行初始化； ( 3 ) 指纹传感器初始化： ( 4 ) 利用s p i 慢速模式为各种不同的参数配置需要的传感器寄存器； ( 5 ) 将传感器转换至点击、检测模式并实现点击中断： ( 6 ) 检测到点击后，将传感器转换至导航模式，实现导航中断； ( 7 ) 检测到导航后，传感器转换到采集模式； ( 8 ) 配置加热控制与看门狗定时器设置； ( 9 ) 检查任何读取错误中断。如果发现错误，停止并重新启动： ( 1 0 ) 利用s p i 快速模式从传感器采集指纹数据： ( 1 1 ) 等待d m a 完成中断： ( 1 2 ) 在d m a 完成中断后，检查错误中断信息，若发现错误，停止并重新启动； ( 1 3 ) 重新安排接收数据的过程； ( 1 4 ) 序列返回到传感器转向点击检测模式的步骤。 1 芯片的初始化 在芯片上电后或者执行任何读写操作之前，指纹传感器都必须进行初始化。 此时传感器复位( r s r i ) 必须置为逻辑高电平，保持至少1 0 u s 。芯片初始化期间， 启动传感器s p i 接口，s s s 与f s s 必须置为逻辑高电平。只有在r s t 信号的下降经 过一个最小的“t r s t s u 间隔后，s p i 端e l 才能启用。芯片的初始化时序如图2 4 所 示。 r s t s s k 八八厂 m i s o 4 ：，把高四位左移四位： d a t a p r o c e s