（电路与系统专业论文）基于DSP的指纹识别系统硬件平台设计[电路与系统专业优秀论文].pdf

韭壅銮煎太堂亟堂建论塞主塞煎墨 中文摘要 摘要：指纹识别作为生物特征识别的一种，由于指纹具有的唯一性、终身不变性、 难于伪造等特点，使其在金融安全、数据加密、电子商务等安全性要求较高的行 业中得至广泛应用，是目前研究与应用的一个热点。随着标准c m o s 工艺制造， 且集成s p i 、u s b 和m c u 接口的指纹传感芯片的出现，以及d s p 在图像处理领 域的广泛应用，以d s p 和指纹传感芯片为核心的指纹识别系统结构是今后指纹识 别技术的一个发展方向。 本文在对指纹识别技术各环节进行深入研究的基础上，结合d s p 和指纹传感 芯片的特性，对系统各模块进行合理的组合与优化，设计了一个小体积、低功耗、 快速度的指纹识别系统硬件平台。论文的内容主要包括以下凡方面： 1 、研究和分析了目前国内外指纹识别技术和指纹识别系统的发展状况，在此 基础上提出了基于d s p 的指纹识别系统硬件平台设计方案。 2 、本着增加系统集成度、减小系统体积、提高便携性、降低功耗和成本同时 提升系统性能的原则，以d s p 芯片t m s 3 2 0 c 5 4 1 6 和指纹传感芯片m b f 2 0 0 为核 心，外配片外s r a m 和f l a s h 存储器以及l c d 显示屏等，设计了一个基于d s p 的便携式指纹识别系统硬件平台。 3 、对指纹识别系统硬件平台进行调试和验证，在平台j 下常工作的基础上完 成系统初始化和指纹图像采集程序的移植，最后实现了指纹图像的成功采集。 实验结果表明本文提出的硬件平台设计方案是可行的。基于d s p 的自动指纹 识别系统硬件平台在功耗、速度、体积和可扩展性方面有着独特的优势，具有广 阔的发展空间。 关键词：指纹识别；硬件平台；传感器；d s p 扯塞窑煎友堂亟堂焦论奎旦5 王基i a b s t ra c t a b s t r a c 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 so n eo fb i o l o g yc h a r a c t e ri d e n t i f i c a t i o n s ， b e c a u s eo ft h es t a b i l i t ya n ds e c u r i t y , h a sb e e nw i d e l ya p p l i e dt of i n a n c ea n de l e c t r o n b u s i n e s s ；i ti sah o l s p o to ft h ep r e s e n ts t u d ya n da p p l i c a t i o n w i t ht h ea p p e a x a n c eo f f i n g e r p r i n ts e n s o rc h i pa n dt h ed s pw i d ea p p l i c a t i o n st oi m a g ep r o c e s s i n g , t 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 ns y s t e ms t r u c t u r et h a tu s e sf i n g e r p r i n ts c l l s o ra n dd s p a st h e c o r ew i l lb e c o m ep o p u l a ri nf u t u r e i nt h i sp a p e r , b a s i n go nt h ei n - d e p t hr e s e a r c ha n ds o u n di n v e s t i g a t i o n ，ac o n v e n i e n t , f a s ta n di n e x p e n s i v eh a r d w a r ed e v e l o p m e n tp l a t f o r mo ff i n g e r p r i n ti d e n t i f i c a t i o n s y s t e mh a sb e e ns u c c e s s f u l l yd e s i g n e d ，t h i sp a p e ri sm a d eu po f t h ef o l l o w i n g p a r t s ： t h eb a s i cp r i n c i p l e ，s y s t e ms t r u c t u r e ，e s t i m a t i o nc r i t e r i o no ft 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 ns y s t e mh a v eb e e nr e a l i z e da n dt h ee l e m e n t so ft h es y s t e mh a v eb e e n c h o s e nb ya n a l y z i n gt h ep r e s e n td e v e l o p m e n ts t a t u so ff i n g e r p r i n ti d e n t i f i c a t i o na r t b yu s i n gd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gt m s 3 2 0 c 5 4 1 6a n df i n g e r p r i n ts e n s o rm b f 2 0 0 a si t sm a i nc h i p s ，w i t ht h ec o o p e r a t i o no fs r a mm e m o r y , f l a s hm e m o r y , l c da n d 5 0o n ，t h i sp l a t f o r mh a sa r c h i v e dt h eo b j e c t i v eo fh i g bp e r f o r m a n c ea n di n t e g r a t i o n ，l o w c o s ta n dc o n s u m p t i o n ，s m a l ls i z e d e b u ga n dv a l i d a t i o nh a v eb e e nm a d et om a k es u r et h a tt h ep l a t f o r mi si no r d e r f o l l o w i n gt h i s ，s y s t e mi n i t i a l i z a t i o na n df i n g e r p r i n ti m a g ec a p t u r ep r o g r a mh a v eb e e n s u c c e s s f u l l yt r a n s p l a n t e dt ot h eh a r d w a r ep l a t f o r m a tl a s t ，f i n g e r p r i n ti m a g e sh a v eb e e n e x a c t l yc a p t u r e d e x p e r i m e n t a t i o nh a sp r o v e dt h a th a r d w a r ep l a t f o r md e s i g np r e s e n t e db yt h i sp a p e r i sp r a c t i c a b l e f 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 mb a s e do nd s ph a sp a r t i c u l a ra d v a n t a g e s o fs p e e d ，p o w e r , a r e aa n de x p a n s i b i l i t ya n dh a sw i d ed e v e l o p m e n ts p a c e k e y w o r d s ：f m 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 ep l a t f o r m ；s e n s o r ；d s p 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：斗i 沁垮 签字日期：) 巾年i - , 9 升日 新躲 弦矗 签字日期：函7 年，z ，月名 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，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交通大学或其他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。 学位论文作者签名：午虱垮 签字日期： ，n 7 年j 2 月抖日 致谢 本论文的工作是在我的导师侯建军教授的悉心指导下完成的，侯建军教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来 侯建军老师对我的关心和指导。 刘颖教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予 了我很大的关心和帮助，在此向刘老师表示衷心的谢意。 陈后金教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷 心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，李赵红、宋伟等同学对我论文中的系统设计 研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的父母，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业 1 1 引言 1 绪论 近年来，随着社会的数字化、网络化、信息化进程不断加快，随着越来越多 的电子设备进入人民日常生活以及互联网的兴起，计算机、a t m 、门禁控制及各 种智能卡等对身份识别的准确性、安全性与实用性提出了更高要求。传统的身份 认证方法面临着密码遗忘或被破解、黑客攻击等问题。而信息系统领域以外，一 些传统的需要身份验证的场合也存在着类似的安全性等问题，如利用伪造证件进 入考场、持伪造证件出入境等，所以传统的身份识别技术已经远远不能满足这种 要求。 在这种情况下，不容易被作假的生物特征识别技术应运而生，它是利用人体 生物特征进行身份认证的一种技术。与传统的身份认证技术相比较，基于生物特 征的身份鉴别技术具有以下优点：不易被遗忘或丢失、防伪性好、不易伪造或被 盗、随身携带和使用方便等。用于身份鉴别的生物特征应该具有以下特点：普遍 性、唯一性、稳定性、易采集性；并且在实用的生物识别系统中往往还要考虑更 多的因素，包括：性能、可接受性、防伪性、费用代价等。但到目i j i 为止，还没 有一种单独的生物特征满足以上所有要求，每一种生物识别技术都有各自的优势 和不足。 指纹识别作为生物特征识别技术的一种，是一种比较理想可行的身份验证技 术。相对于其它识别技术，指纹识别技术具有下面的特殊优势：稳定性高、具有 唯一性、采集方便、实用性强。正是由于指纹识别的这些特点，恰好符合了市场 的需求，成为目前研究与应用的一个热点。指纹识别是模式识别领域中使用最早 和最为成熟的生物鉴定技术，它是集传感技术、生物技术、电子技术、数字图像 处理、模式识别于一体的高技术。目前，已经有很多自动指纹识别技术投入应用， 但比较成熟的指纹识别系统大都基于p c ，这样的系统造价高、系统复杂、体积庞 大，显然不适合在一些如保安、网络、手机、门禁等系统中应用。由于平台的规 模和价格因素限制了这类指纹识别产品的应用范围，也有一些国内外公司生产脱 机模式的指纹识别平台，但昂贵的价格使其应用得不到广泛的普及。 随着d s p 芯片性能的不断提高和价格的大幅度下降，它的应用范围亦不断扩 大，其中最重要的应用技术领域是实时信号处理。指纹识别系统对速度要求高、 计算量大，而且处理过程中很多运算都是乘加运算，而这些j 下是d s p 的强项。 本文正是基于以上思路，采用d s p 芯片t m s 3 2 0 c 5 4 1 6 为核心处理器，结合指 纹传感芯片m b f 2 0 0 、全局逻辑控制器件c p l d 、外配s r a m 和f l a s h 存储器、通 信接口和l 4 2 d 显示器等构建了一个小体积、低功耗、便携式的指纹识别系统硬件 平台。 1 2 指纹识别系统介绍 指纹识别系统集指纹的采集、预处理、特征点提取、特征点匹配或注册、系 统处理信息输出于一体，最终实现个人身份验证或信息注册。指纹识别系统按其 用途可以分为两类，即身份验i 正( v c r i f i c a t i o n ) 系统和身份辨 ，# , ( i d e n t i f i c a t i o n ) 系统： 按照系统的结构，指纹识别系统也可分为两类，即基于p c 的桌面应用系统和嵌入 式指纹识别系统。 传统的指纹识别系统大都是基于p c 的桌面应用系统，这样的系统具有以下特 点： 1 、以p c 、工作站或工控板作为主处理平台，系统结构简单、固定； 2 、采用通用c p u 实现识别算法，因此其运算和处理能力强、识别速度快； 3 、可以多个指纹识别系统共享指纹识别设备。 但这样的系统体积庞大、便携性差、必须连接到计算机才能实现指纹识别的 功能且系统价格昂贵。随着人们对移动设备安全性要求的不断提高和指纹识别应 用范围的不断扩展，基于p c 的系统平台模式的高功耗、高成本、低移动性等弊端 就显而易见，且限制了系统在金融证券业、r r 业、刑侦领域，安全防卫等许多方 面的应用。 在这种情况下，速度快、识别率高、移动性好、廉价的嵌入式独立指纹识别 系统就应运而生。正是基于嵌入式指纹识别系统的种种优势，其发展才如此迅速 且应用领域不断扩展，因此，进一步研究和开发安全、高效、实用的新型指纹识 别系统具有广阔的发展前景和重要的科学理论价值。 1 3 基于d s p 的嵌入式系统介绍 嵌入式系统就是内嵌到对象体系中的微型专用计算机系统。它具有比通用计算 机更简洁、更个性化的功能，可运用操作系统，又兼有单片机体积小、功耗低等 优点，是目前最热门的概念和应用最广泛的技术之一。 自从2 0 世纪8 0 年代仞d s p 芯片诞生以来，d s p 芯片得到了飞速发展。在过 去2 0 多年的时间里，d s p 芯片已经在信号处理、通信、图形图像处理、军事等许 2 多领域得到广泛应用。目前，随着d s p 芯片价格的越来越低和性价比的日益提高， 其在嵌入式系统中的应用存在着巨大的潜力。 基于d s p 的嵌入式系统是以数字信号处理为基础，因此具有以下特点： 1 、接口方便。d s p 嵌入式应用系统与其它以现代数字技术为基础的系统或设 备都是互相兼容的，它与这样的系统接口以实现某种功能比模拟系统与这些系统 接口要容易得多； 2 、编程方便。d s p 嵌入式系统中的可编程d s p 芯片可使设计人员在开发过程 中灵活方便地对软件进行修改和升级： 3 、稳定性好。d s p 嵌入式系统以数字处理为基础，受环境温度以及噪声的影 响较小，可靠性高； 4 、精度高。1 6 位数字系统可以达到1 0 4 级的精度： 5 、可重复性好。模拟系统的性能受元器件参数性能变化的影响比较大，而数 字系统基本不受影响，因此系统便于测试、调试和大规模生产： 6 、集成方便。d s p 嵌入式系统中的部件有高度的规范性，便于大规模集成。 基于d s p 的嵌入式系统开发是一个软硬件协同设计的过程，通常遵循以下步 骤进行开发： 1 、定义系统性能指标。在设计d s p 系统之前，首先必须根据应用系统的目标 确定系统的性能指标、信号处理的要求等。 2 、采用高级语言进行性能模拟。一半来说，为了实现系统的最终目标，需要 对输入的信号进行适当的处理，而处理方法的不同会导致不同的系统性能，要得 到最佳的系统性能必须在这一步确定最佳的处理方法，即数字信号处理的算法， 因此这一步也称算法模拟或仿真阶段。 3 、设计实时的d s p 系统。实时d s p 系统包括硬件设计和软件设计两个方面。 硬件设计首先要根据系统运算量的大小、对远算精度的要求、系统成本限制以及 体积、功耗等要求选择一合适的d s p 芯片。然后设计芯片的外围电路及其他电路。 软件设计和编程主要根据系统要求和所选的d s p 芯片编写相应的d s p 汇编程序， 若系统运算量不大且有高级语言编译器支持，也可用高级语言编程。 4 、借助丌发工具进行软硬件调试。软件的调试一般借助于d s p 开发工具，如 软件模拟器、d s p 丌发系统或仿真器等；硬件调试一般采用硬件仿真器进行。 5 、系统集成与独立系统运行。系统的硬件和软件分别调试完成后，就可以将 软件脱离丌发系统而直接在应用系统上运行。 3 j e塞窑亟太堂亟堂位i 金奎绪监 1 4 本文的主要内容 本文以嵌入式指纹识别系统设计技术为背景，结合国内外当前的研究状况，设 计了一个低功耗、小体积、高可靠性、便携式的指纹识别系统硬件平台。 首先对指纹识别技术的发展现状、基本原理、识别系统的性能评价指标和分类、 应用范围和领域等作了全面介绍；然后详细说职了如何搭建基于d s p 的指纹识别 系统硬件平台。针对嵌入式系统的特点，着重分析了采用d s p 作为系统处理器的 原因，讨论了d s p 处理器、指纹采集和存储器等模块的设计方法。并提出了系统 设计中的注意事项；最后介绍了系统平台的硬件调试和初始化方法、最佳指纹图 像获取的方法。 本文设计的系统灵活性强，除了为进一步实现的指纹识别软件提供了功能强 大的硬件基础外，对今后研究和开发速度快、性价比高、识别率高的嵌入式指纹 识别系统平台也有很高的参考价值。 4 2 1 国内外发展现状 2 指纹识别技术简介 近年来，随着计算机和光电技术的迅猛发展，指纹图像的采集和处理变得更 为方便和快捷，为指纹识别技术的研究奠定了坚实的基础。指纹识别技术主要由 两部分组成：采集技术和识别技术。 在采集技术方面，较早出现的光电式活体指纹采集设备，现在仍为大多指纹识 别系统所使用。后来出现的电容和电感式的采集设备，在某些条件下可提高指纹 采集的质量，但在耐磨性和稳定性等方面还存在着一些问题，对干、湿、脏的指 头或磨损严重的指纹均能可靠、正确的采集和尽量减少采集时的变形是指纹采集 技术需要解决的主要问题。 在识别技术方面，很多国家都有公司和专门机构在从事研究。研究的重点主 要集中在如何提高识别的准确率和速度上。美国的l d c n t i c a t o r 、b i o m c t r i c 、 v e r i d i c o m 、s e c u g e n 公司、法国的s e g a m 公司和日本的n e c 公司等都有成形的 产品面世。l d e n t i c a t o r 公司的1 1 3s a f e 生物识别技术已经得到较为广泛的应用，被 用于全世界上百万台计算机，有5 0 0 0 多万人登记使用i ds a f e 系统。国内的中科 院自动化所、北京大学、清华大学等高校和科研机构在这方面也取得了很大的进 步。北京大学石青云院士领导研制的用于公安刑侦的自动指纹识别系统在实际应 用中取得了很大的成功。北京中控公司、南京凹凸公司等许多公司都有各种产品 面世，已经开始在管理、门禁、金融、公安和网络安全等领域得到应用。 尽管当前的指纹识别产品已多种多样，指纹识别技术已发展得比较成熟，并 成功地应用到许多领域，但仍有一些瓶颈问题困扰着广大研究人员。譬如缺乏可 靠的细节特征提取方法，在进行比对的指纹图像中定量的定义匹配程度仍然是困 难的，不成熟的指纹分类方法，对于汗多、肿胀或蜕皮造成的非常模糊的指纹图 像，系统误识率和拒识率较高等。随着指纹识别技术的广泛应用，这些问题越来 越明显，阻碍了指纹技术的应用和普及。因此，研制快速、高效的指纹识别系统 是很必要的，既有很强的实际意义也有很高的理论价值。 2 2 指纹识别的原理 2 2 1 基本概念 指纹是指手指末端正面皮肤上凹凸不平产生的纹路，这些纹路就是通常所说 的脊和谷。尽管指纹只是人体皮肤的一小部分，但它蕴含着大量信息。这些近乎 平行的曲线，形成了指纹的模式，成为指纹的全局纹路结构；同时，指纹还有许 多局部特征，称为细节点。正是这些全局特征和局部特征构成了指纹的独特性， 使它成为身份认证的可靠工具。 一、全局特征是指那些用人眼就可以直接观察到的特征，包括： 1 纹形 环型弓型螺旋型 图2 - 1 常见纹形图案 f i g 2 - 1g e n e r a lf i n g e r p r i n tf i g u r e 图2 1 是三种常见的指纹图案环型、弓型、螺旋型，其它的指纹图案都基于 这三种基本图案。 2 模式区 图2 - 2 模式区 f i g 2 - 2 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，即从模式区就能够分辨出指纹是 属于那一种类型的。有的指纹识别算法只使用模式区的数据。 3 核心点 图2 - 3 核心点 f i g 2 3c o r ep o i n t 核心点位于指纹纹路的渐进中心，它在读取指纹和比对指纹时作为参考点。 许多算法是基于核心点的，即只能处理和识别具有核心点的指纹。 4 三角点 图2 4 三角点 f i g 2 - 4d e l t a 三角点位于从核心点开始的第一个分叉点或者断点、或者两条纹路会聚处、 孤立点、折转处，或者指向这些奇异点。三角点提供了指纹纹路的计数跟踪的开 始之处。 5 纹数 图2 - 5 纹数算法示意图 f i g 2 - 5a l g o r i t h mo fr i d g ec o u n t 指式区内指纹纹路的数量。在计算指纹的纹数时，一般先在连接核心点和三 角点，这条连线与指纹纹路相交的数量即可认为是指纹的纹数。 二、局部特征是指指纹上节点的特征，这些具有某些特征的节点称为特征点。 特征点通常以四种特征描述：特征点的类型，如端点、分叉点、孤立点等，方 向，曲率和位置。目前最常用的细节特征是美国联邦调查局提出的细节点坐标模 型，它利用端点和分叉点这两种关键点来鉴定指纹，图2 6 是它们的示例。 墙点 图2 - 6 特征点 f i g 2 - 6c h a r a c t e r i s t i cp o i n t 全局特征常用来指导指纹的类型，这使得在大规模数据库中搜寻指纹更为方 便快捷，而具体的指纹匹配则依赖于指纹的局部特征。通常认为两枚指纹只要有 1 2 个以上特征点重合，就可以认为来自同一手指。 2 2 2 基本原理 两枚指纹经常会具有相同的全局特征，但它们的局部特征( 特征点) ，却不可能 完全相同。因此，指纹识别技术通常使用指纹的全局特征来进行分类，再用局部 特征来识别用户身份。 通常，首先从获得的指纹图像上找出特征点，然后根据特征点的特性建立用 户指纹的数字表示指纹特征数据。由于两枚不同的指纹不可能产生相同的特 征数据，所以通过对采集到的指纹的特征数据和存放在数据库中的指纹特征数据 进行模式匹配，计算出它们的相似程度，最终得到两个指纹的匹配结果，根据匹 配结果来鉴定用户身份。 总之，指纹识别系统首先通过取像设备读取指纹图像，然后用识别软件提取 指纹的特征数据，最后通过匹配识别算法得到识别结果。其基本原理图如图2 7 所示。 离线部分 图2 - 7 指纹识别系统框图 f i g 2 - 7d i a g r a m o ff i n g e r p r i n tr e c o g n i t i o ns y s t e m 2 3 指纹识别系统构成 指纹识别就是从指纹特征数据库中查找与给定指纹相同的指纹特征，从而达 到身份辨识的目的。指纹识别系统主要包括两大功能：指纹注册和指纹匹配。一 个典型的指纹识别系统主要由指纹图像采集、预处理、特征匹配和特征数据库等 几个部分组成，其中预处理部分又可分为图像增强、二值化、细化等几个步骤。 系统的流程框图如图2 8 所示。 8 图 预 特 兰冷 输 像 处 征 出 采 理 提 结 集 取 果 图2 - 8 指纹识别系统流程图 f i g 2 - s f l o wc h a no ff i n g e r p r i n tr e c o g n i t i o ns y s t e m 下面对图2 8 所示的指纹识别系统框图各部分做简单介绍。 一、指纹采集。指纹取像技术是指纹识别系统中的关键技术之一，所采集的 指纹图像质量将直接影响到识别的精度和系统的处理速度。在目前的指纹识别系 统中，主要由指纹传感器负责采集指纹图像，并将采集到的指纹图像转换成数字 信号。常见的指纹传感器分3 类： 1 、光学传感器。光学传感器依据的原理是光的全反射。采集时，用一束光线 照在压有指纹的玻璃表面，有c c d ( c h a r g e c o u p l e dd e v i c e ，电荷耦合器件1 感应反 射光线，从而得到指纹图像。它是最早开发的指纹输入装置，这种传感器技术比 较成熟、成本低、性能稳定，但是成像质量差。 2 、超声波传感器。这种传感器的原理和光学传感器类似，只是用超声波代替 了光波。超声波扫描技术是指纹取像技术中非常好的一类，积累在皮肤上的脏物 和油脂对超声波获得的图像影响不大，因此成像质量非常高，缺点是价格较高， 耐用性也有待检验。 3 、电容式传感器。使用这种传感器采集指纹时，先将手指放在传感器表面， 传感器感受接触点并改变电容器的电压从而获取图像。固态传感器和光学传感器 相比具有体积小、集成度高、成像质量好、数字化等特点。目前它的抗静电能力 也有很大的提高，它将是未来最受欢迎的指纹传感器。 三种传感器技术参数比较如表2 1 所示： 二、预处理。在指纹识别过程中，由于受各种因素的影响，采集到的指纹图 像是一幅含噪声较多的灰度图像，不对其进行一定的图像增强很难进行特征提取。 预处理的目的就是去除图像中的噪声，把它变成一幅清晰的点线图，以便于 提取j 下确的指纹特征信息。预处理是指纹识别算法的第一步，它的好坏直接影响 到指纹识别的效果。预处理过程主要包括以下步骤：规格化、计算方向图、方向 滤波、二值化和细化等环节组成，如图2 - 9 所示。 9 原 始 图 像 计 规算 方 格方 向 二 细 化向 游 值 囤 波 化 化 图2 - 9 指纹图像预处理过程 f i g 2 - 9 p r e t r e a t m e n to ff i n g e g l i n ti m a g e 表2 - 1 指纹传感器技术参致比较 t a b l e 2 1p a r a m e t e r sc o n t r a s to ff i n g e t w i n ts e l l e o g s 点 线 指 纹 图 比较项目光学传感器超声波传感器电容式传感器 体积大 由 小 耐用性非常耐用一般容易磨损 耗电较多较多较少 成像能力干手指筹，汗多和稍较好干手指好，汗多和稍 胀的手指成像模糊胀的手指不能成像 成本低很高低 原始图像规格化就是对图像逐点地进行同一种操作，目的是降低脊线和谷线间 的灰度偏差并将图像的对比度和灰度都调整到一个固定的级别上，而并不改变指 纹图像中的脊线和谷线结构，为后续处理提供统一的规格。指纹最重要的特征之 一就是指纹的纹线具有明显的方向性，这对指纹图像预处理有着重要作用。利用 获得的方向图，对指纹图像进行方向滤波，使指纹在切向平滑和法向锐化，以消 除指纹的误断和叉连和含糊不清的地方，以得到一幅清晰的灰度图像。由于二值 图像在处理时速度高、成本低，且能用几何学中的概念进行分析和特征描述，因 此需要对灰度图像进行二值化处理。二值化就是把灰度指纹图像变成o 、1 取值的 二值图像，这样就使图像的灰度层次有原来的2 5 6 级变成2 级，从而大大减少需 要存储和处理的数据量，增强脊和谷的对比度，以便于后续的处理。由于指纹的 特征仅包含在纹线的形状结构中，所以为了提高处理速度和识别精度，应该在不 破环图像连通性的情况下去掉多余的信息，也就是进行图像的细化。细化是指删 除指纹纹线的边缘像素，使之只有一个像素宽度。细化时应保持纹线的连通性、 方向性、特征点不变，还应保持纹线的中心几乎不变。 三、特征点提取。指纹识别系统的特征提取过程就是通过相应的处理算法自 动提取经预处理后的指纹图像的全局特征和细节特征。特征提取的最终日的是要 方便实现指纹的比对，因此必须在特征提取的同时确定各细节特征的位置。为了 给各个缅节特征定位，一般的做法是先找到中心点和三角点以确定参考点，然后 各细节特征的位置可由参考点确定。 经过特征提取所得到的细节特征并不能直接用于比对，因为其中含有不少伪 特征点。这些伪特征点的产生源于输入的指纹图像畸变或含有大量噪声，即使通 过预处理也不可能将噪声完全消除，从丽在进行特征提取时被当成细节特征提取 出来。实验表明，一幅质量较差的图像在经过预处理和特征提取后会产生多大一、 二百个特征点，其中包含着大量的伪特征点，如果直接进行比对，就会大大降低 鉴定结果的准确性。因此，在进行指纹比对前应先对特征点进行验证以去伪保真。 四、指纹图像的匹配或存储。如果指纹识别系统是为实现指纹匹配，则待识 别的指纹经过特征提取后与数据库中的指纹进行比较以确定是否是来自同一手 指。匹配过程主要利用细节特征点来完成，如果两枚指纹的匹配特征点对数超过 了预先设定的衡量域值或标准，则说明它们来自同一手指；如果指纹识别系统是 为实现指纹注册，则对采集到的指纹图形经过预处理和特征提取后，将指纹的特 征信息存储在系统数据库中，以备以后的指纹匹配所用。 2 4 指纹识别系统的分类和性能评价标准 指纹识别系统按用途可以分为两类，即身份验h 正( v e r i f i c a t i o n ) 系统和身份辨识 ( i d e n t i f i c a t i o n ) 系统。 验证就是通过把一个现场采集到的指纹与一个已经登记的指纹进行一对一的 比较来确认个人身份的过程。作为验证的前提条件，他或她的指纹必须在模板数 据库中已经注册，以一定的压缩格式存储，并于其姓名或标识联系起来。然后在 比对现场，先验证其标识，然后，利用数据库中的模板与现场采集的特征比对来 证明其标识是合理的。验证是为回答这样一个问题：“他是他自己称的这个人 吗? ”。辨识则是把现场采集到的指纹与数据库中的模板逐一对比，从中找出与现 场特征相匹配的模板，这就是“一对多匹配”。辨识是为回答这样一个问题“他是 谁? ”。验证和辨识在比对算法和系统设计上各有特点，例如：验证系统对算法的 速度要求不如辨识系统高，但更强调易用性；另外。在辨识系统中，一般要使用 分类技术来加快查询的速度。 由于采集到的指纹图像含有大量噪声并有可能发生畸交，即使通过预处理和 特征提取过程也只能尽量减少而不可能完全消除，并且在处理过程中还可能引入 新的噪声，所以在进行比对时不可避免会产生误差，从而影响最终的鉴定结果， 使结果不能保证完全正确。评价指纹识别系统性能的指标主要有两个：误识率 f a r ( f a l s e a c c e p t r a t e ) 和拒识率f r r ( f a l s e r e j e c t r a t e ) 。误识率即非法用户能通过 指纹识别系统的概率；拒识率即真正用户在建档后无法通过的概率。指纹识别系 统的这两个指标越低越好，但f a r 和f r r 是成反比的，一个参数值的减少必然会 引起另一个参数值的增加。图2 1 0 给出反映f a r 和f r r 关系的r o c ( r e c e i v e o p e r a t i n gc u r v e ) 曲线，曲线上的点表示在某个给定域值下得到的拒识率和误识率。 域值设的低，则f r r 值低而f a r 值高；域值设的高，则f a r 值低而f r r 值高， 因此域值的选取应视具体系统的用途而定。 在实际应用中，要根据用途的不同，调整系统参数使其满足不同的应用目的。 例如：如果用于高度机密的访问控制，则可以适当调高拒识率，把误识率降到最 小：而对于公安部门，则降低拒识率，在更大的范围内搜查嫌疑人。另外，通过 在指纹登记时采集多个手指或每个手指采集多枚指纹，可以大幅提高指纹识别的 准确性。 2 5 指纹识别系统的应用 随着指纹识别产品的开发和生产，指纹识别技术的应用也越来越广泛，目前 的主要应用有： 一、刑侦领域。在刑侦系统，指纹识别系统可以帮助获取犯罪嫌疑人信息， 可以与其它信息系统联网，进行罪犯联网搜捕等。 二、民用领域。目前，指纹识别系统主要应用在民用领域的以下几方面： 0 ) 信息安全方面：如个人计算机密码使用指纹验证代码、网络安全防范、网 上银行、网上贸易、电子商务的安全交易等； ( 2 ) 数据通信方面：数据加密技术是信息安全传输的必要手段，指纹识别技术 作为生物密钥可对加密数据进行二次加密，以增加安全性： ( 3 ) 公共安全方面：如指纹锁、汽车门锁、个人指纹身份证等； ( 4 ) 金融安全方面：如指纹智能卡、a t m 指纹终端、指纹保险箱、指纹储蓄卡、 大额取款客户身份验证等； ( 5 ) 医疗方面：如献血输血管理、个人医疗档案管理等； ( 6 ) 社会福利方面：如公费医疗确认、保险受益人确认等； ( 7 ) 其它方面：如指纹考勤、俱乐部会员确认、海关出入境快速通关认证等。 总之，指纹识别技术已经应用于社会的许多方面，并随着计算机技术的不断发 展，其应用也会越来越广泛。但目前仍然有一些瓶颈问题未能得到解决，这将阻 1 2 碍指纹识别技术的应用和普及。因此，很有必要对指纹识别系统进行深入研究， 开发出更加高效、实用、安全的新型指纹识别系统。 f a r ( l o g ) 图2 1 0r o c 曲线示意图 f i g 2 1 0c u r v es k e t c hm a p o fr o c 协：2 “坦m 8 6 4 2 0 耋_l掌宣 3 1 系统平台框架 3 系统硬件平台设计 自动指纹识别系统是在图像处理和模式识别理论的基础上设计的硬件和软件 结合的系统，该系统是个对实时性要求较高的图像信号处理系统。根据指纹识别 算法的要求与各个安全控制领域中应用的需求，系统硬件设计需要考虑以下问题： ( 1 ) 系统需具有便捷的实时图像输入设备； ( 2 ) 指纹图像数据量大，系统必须具有处理大数据量的能力； ( 3 ) 识别算法复杂度相对较大，系统必须具备处理复杂运算的结构： h ) 算法识别过程运算量大，系统需具有快速运算的能力，满足实时性的要求； ( 5 ) 具有较大的图像数据处理空间； 伯) 具有方便灵活的人机接1 3 、通信等功能： ( 对系统的体积、功耗、稳定性要有严格的要求。 基于以上要求，采用了基于d s p 和c p l d 的嵌入式系统设计方法。系统的硬 件整体设计方案如图3 1 所示。 此平台集指纹图像采集、存储、处理和信息输出功能于一体，能够实现指纹 图像的采集、指纹数据的存储和传输、指纹图像的处理以及处理结果的输出。其 构成模块包括：电源模块、d s p 处理模块、指纹传感模块、全局逻辑控制模块、 存储模块、通信接口模块和人机交互模块。其工作原理为：指纹传感器采集用户 的指纹，c p l d 作为接口和全局逻辑控制器件，将采集到的指纹图像存储在s r a m 存储器中，并在采集完一幅指纹图像后通知d s p 数据已准备好。在数据处理阶段， d s p 将s r a m 中的数据分块取到其内部的1 2 8 k r a m 中作为指纹图像处理和识别 的临时数据，并对指纹图像进行预处理和特征提取，最后将提取的特征和预先存 储在f l a s h 中的指纹特征进行比对，并将比对的结果输出给l c d 显示模块，直观 地显示识别结果。电源模块为整个系统提供了三种不同的稳定电平，分别为5 v 、 3 3 v 和1 5 v ，保证为系统各模块j 下常供电。d s p 处理器是此系统的核心处理器， 采用了t i 公司的t m s 3 2 0 c 5 4 1 6 芯片，负责指纹识别算法的实现。指纹传感器负 责采集指纹图像，文中采用了富士通公司的m b f 2 0 0 ，其内部集成了8 位的a d 转换电路，直接输出指纹图像数据。全局逻辑控制器件实现了很多系统协调工作 所需的逻辑，其中利用了很多d s p 的表征信号参与逻辑设计。系统存储模块中采 用了s s t 公司的s s i 3 9 v f 4 0 0 af l a s h 存储器和c y p r e s s 公司的c y 7 c 1 0 4 9 v 3 3 s r a m 存储器，f l a s h 用于存储固化的程序、数据库信息，s r a m 是高速的数据 图3 - 1 指纹识别系统硬件框图 f i g 3 1h a r d w a r ed i a g r a mo ff i n g e r p r i n tr e c o g n i t i o ns y s t e m 存储器，用于存放程序运行时产生的临时变量。文中采用m a x 3 1 1 1 e 作为d s p 和 p c 的通信接口模块，d s p 提供了，三个高速、全双工的m c b s p 缓冲串口，并且可 以工作在与s p i 模式协议兼容的时钟停止模式下，很容易实现与m a x 3 1 1 1 e 的接 口。人机交互接口是指l c d 显示模块，它用于显示界面信息，本系统使用t c l 6 0 2 e l 字符型液晶显示器，有c p l d 控制与d s p 通信和相应信息的显示。以下各节是对 系统各模块的核心器件及其设计思路进行详细介绍。 3 2 电源模块设计 3 2 1 电源模块原理 本系统各模块共需三种不同电平的电压，分别为5 v 、3 3 v 和1 5 v 。其中5 v 电压是9 v 直流电压经三端稳压器l m 7 8 0 5 产生，得到的5 v 电压提供给t i 公司的 t p s 7 3 h d 3 0 1 电源芯片后，它又能产生稳定的3 3 v 和1 5 v 电压。具体的电路原理 如图3 2 所示。 图3 - 2 电源模块原理图 f i g 3 - 2s c h e m a t i cd i a g r a mo f p o w e rs u p p l ym o d u l e 电源输入端p o w e r 的输入电压为+ 9 v ，和随配的稳压电源配套使用。电路中 采用高性能的l d o ( 低压差线形稳压器) 芯片l m 7 8 0 5 ，输出稳定的5 v 直流电压。 为了防止电源的干扰信号，电路中加了滤波电容c 5 2 和c 5 4 ，另外为了防止高频 信号的干扰，加了小电容c 5 1 和c 5 3 。5 v 直流电压作为t p s 7 3 h d 3 0 1 芯片的输入， 它能产生3 3 v 和1 5 v 稳定输出电压，下面是对此芯片的具体介绍。 3 2 2 双输出电压调节芯片t p s 7 3 h d 3 0 1 的特点 双输出电压调节芯片t p s 7 3 h d 3 0 1 是1 1 公司为了配合d s p 而设计的一款电 源转换芯片。它的电压输入范围在0 3 v l l v 内；输出电压分两路，一路固定输出 3 3 v ，另一路为可调节电压输出，其输出范围在1 2 v 9 7 v 内。其中可调节输出 电压的功能模块结构如图3 3 所示。 从图3 - 3 可得，只要调节电阻r 1 和r 2 到合适的值就能得到合适的电压。输 出电压和电阻r 1 、r 2 的关系可以用等式( 3 1 ) 来表示： k 一所( 1 + 告) ( 1 ) n 二 式中v , , - t 是参考电压，大小为1 1 8 2 v 。由式( 3 1 ) 可得( 3 2 ) ： r 1 。( 旦一1 ) x r 2 ( 2 ) v r , - 当r 2 值固定时，根据所需的输出电压，由式( 2 ) 可计算得r 1 实际所需的值。 由此可得t p s 7 3 h d 3 0 1 输出电压的编程表，如表3 1 所示( 其中r 2 阻值取1 6 9 k q ) 。 图3 - 3t p s 7 3 h d 3 0 1 内部结构 h g 3 - 3h t e m a la r c h i 扯c t i l r eo f t p s h d 3 0 1 表3 - 1t p s 7 3 h d 3 0 1 输出电压的编程表 t a b j e 1 t h e l p u t p o w e r o f t p s 7 3 h d 3 0 1 输出电压复位电压r 1 q r 2 ，k q 1 5 v4 5 31 6 9 1 8 v8 8 71 6 9 2 5 v2 3 7 v1 9 11 6 9 3 3 v3 1 3 v 3 0 91 6 9 3 6 v3 4 2 v3 4 81 6 9 4 o v3 8 0 v4 0 21 6 9 5 0 v4 7 5 v5 4 91 6 9 6 4 v6 0 8 v7 5 01 6 9 与常用电源的供电电路相比，t p s 7 3 h d 3 0 1 芯片还具有电压监控功能，以保证 被供电芯片在一个恒压下正常工作。它为每一路电压输出提供一个r e s e t 输出口， 当它内部的比较器检测到某个稳压器输出的电压为欠压状态时，与此输出电压相 对应的r e s e t 管脚将输出一个周期为2 0 0 m s 的低电平复位脉冲，以启动微处理器 系统复位。表3 - 1 列出了几种常用输出电压的复位电压门限，从表3 1 中可以发现 当输出电压是1 5 v 或1 8 v 时，r e s e t 没有复位电压输出，这是因为只有输出电 压高于1 9 v 时，内部的比较器检测到某个稳压器输出的电压低于复位电压时， 甩 赫一 r e s e t 管脚才