（机械电子工程专业论文）基于指纹识别与数字视频采集的排队服务器系统.pdf

基于指纹和数字视频采集的排队服务器系统 基于指纹识别与数字视频采集的排队服务器系统 摘要 本文针对现有排队服务器的不足，提出了一种新型的排队服务 器系统基于指纹识别与数字视频采集的排队服务器，并对系统 的功能和结构进行了设计，对其中涉及到的指纹识别与数字图像采 集技术进行重点讨论，并给出了详细的设计说明和实现方法。 本文第一章首先综述了指纹识别应用技术的发展及现状，对指纹 识别的关键技术做了比较深入的分析和研究；第二章分别深入阐述 了数字视频采集、编码和传输技术，其中重点分析了m p e g 一4 视频 编码算法，对m p e g 一4 视频标准的关键概念进行了详细的解释。在 第三章，本文对这个颇富新意的基于指纹识别与数字视频采集的排 队服务器系统进行了详细的设计。第四章，给出了实现该系统的关 键方法和步骤。 该系统不仅解决了现有排队服务系统的不足，而且向用户提供 一种更加安全、可靠、便捷的服务。 一4 关键词排队服务器，指纹识别，数字图像采集，m p e g 基于指纹和数字视频采集的排队服务器系统 a q u e u e s e r v e rs y s t e m sb a s e do n f i n g e r p r i n ti d e n t i f i c a t i o na n dd i g i t a l i m a g e a c q u i s i t i o n a b s t r a c t t h ed e f i c i e n c yo ft h eq u e u es e r v e rn o w u s i n gi si n d i c a t e d ，a n da n e w t y p eq u e u e s e r v e rs y s t e m sb a s e do nf i n g e r p r i n ti d e n t i f i c a t i o na n dd i g i t a li m a g ea c q u i s i t i o ni s i n t r o d u c e di n t h i sp a p e r 7 l h et e c h n i q u e 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 n dd i g it a l i m a g ea c q u i s i t i o na l ep a r t i c u l a r l yd i s c u s s e d i na d d i t i o n ，d e s i g na b o u tf u n c t i o na n d s t r u c t u r ea n di m p l e m e n t a t i o nm e t h o da r eg i v e n i nt h ep a p e r ，t h e a p p l i c a t i o na n dt r a d i t i o nd e v e l o p m e n to ff i n g e r p r i n t i d e n t i f i c a t i o na r es u m m a r i z e di nt h ef i r s t c h a p t e r ，a n dt h ek e yf i n g e r p r i n t i d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g yi sa n a l y z e da n ds t u d i e dd e e p l y i nt h es e c o n dc h a p t e rh o w t oc o l l e c ta n dc o d ea n dt r a n s f e rv i d e of r e q u e n c yi ss e tf o r t ht os h o w , a m o n gt h e m v i d e oc o m p r e s s i o na n dc o d i n ga r i t h m e t i ci sg i v e na n ds o m ek e yc o n c e p t i o n o fm p e g 一4isin t r o d u c e d t h e ni nt h et h i r dc h a p t e rt h en e wa n dp r a ctic a l q u e u es e r v e rb a s e do f ff i n g e r p r i n ti d e n t i f i c a t i o na n dd i g i t a li m a g ea c q u i s i t i o ni s d e s i g n e di nd e t a i l l a s tt h ek e ym e t h o da n da p p r o a c ha l ei n t r o d u c e di nt h ef o u r t h c h a p t e r i naw o r d ，t h eq u e u es e r v e rb a s e do f f f i n g e r p r i n ti d e n t i f i c a t i o na n dd i g i t a l i m a g ea c q u i s i t i o nn o to n l yr e s o l v e st h ed e f i c i e n c yo ft h eq u e u es e r v e rn o wu s i n gb u t a l s oa s s u r e sas e c u r e ，r e l i a b l ea n de f f e c t i v ea p p r o a c hf o ru s e r k e yw o r d s ：q u e u es e r v e r , f i n g e r p r i n ti d e n t i f i c a t i o n ，d i g i t a li m a g ea c q u i s i t i o n m p e g 一4 3 撼于指纹和数字视频采集的排队服务器系统 独创性( 或创新性) 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，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，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邮电大学或 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 做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处， 本人签名： 曼搓象 本人签名： 亟接券 本人承担一切相关责任。 日期： 2 丝幺釜竺笪 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。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磁盘，允许学位论 文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采 用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解 密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在主年解密后适用本授权书。非保密 论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期：型丝2 ：丝 一 日期：一 螭于指纹和数视频采集的排队服务器系统 第一章概述 1 1 开题背景和研究的意义 古往今来，信息在人类的发展过程当中扮演着非常重要的角色，谁拥有并 控制了信息，谁就拥有了时间和财富。正是信息的这个功用造就了信息利用过 程中的两个对立面：合法地拥有和利用信息与非法地拥有和利用信息。信息保 安问题及其解决办法也由此而提出。 信息的产生、传送、获取、加工和利用的行为主体是：人。为了对信息的 安全负责，不可避免的是：对产生、传送、获取、加工和利用信息的人进行鉴 别，对其行为进行监视与控制。当人类为保护信息的安全而付诸行动时，人类 自身需要接受鉴别、监督和控制。 个人身份鉴别是信息安全的行为环节。对人的识别与身份鉴别认证是信息 安全论题的“潜台词”。选取一种简便、可靠、人人具有、可唯一确认的个人身 份鉴别特征并据此实现个人身份的安全可靠鉴别，就成为保证信息安全，及由 此关联地保证隐私、资金、设备、系统等的安全之关键所在。 作为生物鉴别技术之一的指纹身份鉴别技术就是信息安全领域中，与所有 防护需求相关的专用技术，我们都知道各种技术的发展依赖于其他各门学科的 相互发展，然而，指纹作为一种身份的象征由来已久，早在公元前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丌始应用，这说 明指纹的一些特征在当时已经被人们认识和接受，随着个人电脑、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，生物指 纹识别技术的逐渐成熟，可靠的比对算法的发现都为指纹识别技术提供了更广 阔的舞台。生物识别技术的飞速发展及其广泛应用将开创个人身份鉴别的新时 代! 而与此相对应的是各种监控技术的发展，从摄像机、电视机出现的那天起， 原始的监控系统就已产生。它广泛应用于保安、生产管理等场合。但随着网络 技术的迅猛发展，微机的普及化及数字音频、视频压缩编码的日益成熟，多媒 体网络的应用已逐渐普遍，基于数字视频的计算机监控系统也逐渐走向成熟。 在视频采集应用中，传统的以ccd 摄像头和图像采集卡为核心的图像系统 一直占有主导地位。目前大部分的安全监控系统在很大程度上还在使用模拟技 术，一般由传感器、闭路电视和录像机构成。由于模拟技术的固有缺陷，导致 7 基于指纹和数字视频采集的排队服务器系统 模拟监控录像系统存在诸多问题。首先，模拟系统的功能分立，系统庞大，不 便安装；其次，由于无法对模拟视频信号施加异常检测算法，监控功能只能舷 传感器完成，不但增加了成本，误报率也较高；第三，录像存储介质为磁带， 难以进行有效的信息查询和检索；第四，模拟视频图像的传输需要架设单独的 视频传输线路且存在信号衰减问题，难以进行远程传输，无法利用计算机强大 的运算能力和同益普及的计算机网络；在异常发生时无法及时通知用户等。因 此，研究以计算机和数字视频技术为核心的多媒体监控技术具有重要意义。 基于指纹识别与数字视频监控的排队服务器系统就是在上述两种技术发腱 的基础上提出来的。 排队服务器是银行等部门为方便客户而产生的一种服务终端，它不仅可以 规范人们的行为理念，而且为客户提供了一种舒适的服务环境，因此得到了广 泛的应用。然而，目前的排队服务器系统大都功能单一，在完成排队服务功能 的同时无法对客户的相关信息进行提取，而现有监控体系也只能做到大范围的 宏观监控，不可能及时地识别客户的身份，这往往使得这些部门在受到不法分 子的攻击后，无法为公安机关提供有力的破案线索，致使作案分子逍遥法外。 如果在排队服务器上增加数字图像和指纹采集设备，完成视频监控、近距离用 户图片抓取以及指纹信息的提取功能，则在方便用户业务轻松完成的同时，保 证了对每一个进入营业大厅的人员进行相关信息的提取与保存，利用指纹识别 技术和近距离的图片辨认，可以及时识别客户的身份，做到对现有监控系统的 一种补充，并为在案件一旦发生后的追踪与调查提供足够的依据。 本论文提出的基于指纹与数字视频监控的排队服务器系统，是对银行营业 大厅现有排对服务器的一种改进实现方案。 1 2 作者的主要工作 本文作者首先综述了指纹识别应用技术的发展及现状，对指纹识别的关键 技术做了比较深入的分析和研究；然后对数字视频的采集、编码和传输技术分 别进行了深入的阐述，其中重点分析了m p e g 一4 视频编码算法，对m p e g 一4 视 频标准的关键概念进行了详细的解释，作为研究开发人员，作者按照现有银行 系统的排队服务器系统进行了新的设计，提出并设计开发了一个颇富新意的基 于指纹识别与数字视频监控的排队服务器系统，从而解决了现有排队服务系统 的不足，为用户提供一种更加安全、可靠、便捷的服务环境。 作者在整个项目的开发过程中主要承担了以下的工作：系统可行性分析研 究，系统需求分析、系统概要设计、系统详细设计、相关2 4 个功能模块的程序 编写以及相关文档的整理与编写。 l 基于指纹和数字视频采集的排队服务器系统 1 。3 本文的章节安排 本文首先从指纹识别与数字视频的基本概念入手，详细介绍了其中的一些 关键算法和关键步骤，然后对系统进行详细的系统设计和实现。本文由七章组 成，每章的主要内容如下： 第二章指纹识别技术 阐述指纹识别的基本原理，从指纹图像提取，指纹图像预处理，指纹特征 值的提取，指纹特征值的验证等四个方面介绍了指纹识别的方法。 第二章数字视频技术 阐述数字视频的相关技术，包括视频捕获，视频压缩编码，视频传输。其 中对视频编码部分详细介绍了m p e g - 4 视频压缩技术的基本概念和关键算法。 本文的视频编码部分采用的x d i v 编码器正是基于m p e g 4 视频压缩技术的基 础上实现的。 第四章系统的功能及结构设计 本章在系统概述与需求分析的基础上对系统的总体结构进行了详细的议 计。本章不仅对系统的内部功能模块进行了划分，而且给出了系统的接口设计、 数据结构设计。 第五章系统的实现 给出了实现本系统需要的软硬件平台，对系统的主要功能模块给出了详细 的实现步骤和实现方法，最后给出实验测试结果。 第六章总结和展望 总结论文工作，指出系统的不足，展望应用前景。 9 基于指纹和数j 视频采集的排队服务器系统 第二章指纹识别技术 2 1 指纹识别技术综述 在各种生物识别技术中，最引人注目的是指纹识别技术。指纹识别技术可追 溯到古叙利亚和古代中国，它在美国和西欧也已经使用一百多年了。指纹算法的 改进发生在6 0 7 0 年代之间，一些公司开发出一种能自动识别指纹的仪器，用 于法律的实施，在六十年代未期，f b i 开始用一种自动识别指纹的设备。在七十 年代术期，已经有一定数量的设备开始在美国大范围使用。在我国国内，清华大 学和一些著名的指纹识别公司已经研制出实用的产品，并在公安、司法等领域的 到了广泛的应用。 事实已经证明，指纹作为一种更为安全、有效的认证技术，原因如下【1 】： 1 每个人的指纹是独无二的。两人之间不存在相同的手指指纹。 2 每个人的指纹是相对固定的，很难发生变化。 3 便于获取指纹样本，易于开发使用系统，目前已有很多实用的系统已经 投入使用。 4 指纹识别中用到的是指纹模板，指纹模板远远小于指纹图像，便于存储。 5 指纹模板具有不可恢复性，即，不能通过指纹模板恢复出原始的指纹矧 像，保护了用户的隐私权。 2 2 指纹识别技术原理 指纹其实是比较复杂的。与人工处理不同，许多生物识别技术公司并不直接 存储指纹的图像，而是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：总体特征和局部特征。在考虑局部特征的 情况下，英国学者e r h e r r y 认为，只要比对1 3 个特征点重合，就可以确认为 是同一个指纹。总体特征是指那些用人眼直接就可以观察到的特征，包括：纹 形、模式区( p a t t e r na r e a ) 、核心点( c o r ep o i n t ) 、三角席( d e l t a ) 、纹 我( r i d g ec o u n t ) 。局部特征是指指纹上的节点特征，这些具有某种特征的节 点称为特征点。两枚指纹经常会具有相同的总体特征，但它们的局部特征特征 点，却不可能完全相同。指纹纹路并不是连续的、平滑笔直的，而是经常出现 l o 基于指纹和数字视频采集的排队服务器系统 指 纹 图 像 获 取 指指指 纹纹纹 图图图 特特 像像像 征征 获获获 值值 取取取 提比 取对 预处理 图2 1 指纹识别系统原理图 中断、分叉或打折。就是这些特征点提供了指纹唯一性 z a 3 c 4 3 c 5 3 。 指纹识别的过程是：首先通过指纹采集设备采集指纹图像，然后通过对指纹 图像的处理提取特征数据，最后通过指纹特征匹配的方法得到识别的结果。 2 3 指纹识别技术的方法 2 3 1 指纹图像的提取 目前，市场上取像设备分为：光学、硅晶体传感器和其它。 各种技术在市场上都有其存在的理由，它们都具有各自的优势，也有各自的缺点。 我们在下面给出三种主要技术的比较。 比较项目光学全反射技术硅晶体电容传感超声波扫描 技术 体积大小中 耐用性非常耐用容易损坏一般 干手指差，但汗多干手指好，但汗多 成像能力的和稍脏的手指的和稍脏的手指 非常好 成像模糊不能成像 耗电较多较少 较多 成本低低 很高 表2 一l 成像技术比较 光学取像设备有最悠久的历史，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、谷的深度和皮肤与玻璃间的油脂。光 基于指纹和数字视频采集的排队服务器系统 线经玻璃射到指纹的谷后反射到c c d ，而光线射到指纹的脊后则不反射到c c d ( 确 切的说是脊上的液体反光的) 。 由于最近光学设备的革新，极大地降低了设备的体积。最近，传感器可以装 在6 x 3 x 6 英寸的盒子里，甚至是更小的设备( 3 x l x l 英寸) 。这些进展取决于多 种光学技术的发展而不是f t i r 的发展。例如：纤维光被用来捕捉指纹图像。纤 维光束垂直射到指纹的表面，他照亮指纹并探测反射光。另一个方案是把含有一 个微型三棱镜矩阵的表面安装在弹性的平面上，当手指压在此表面上时，由于脊 和谷的压力不同而改变了微型三棱镜的表面，这些变化通过三棱镜光的反射而反 映出来。 应用晶体传感器在市场上出现较晚。这些含有微型晶体的平面通过多种技术 来绘制指纹图像。电容传感器通过电子度量被设计来捕捉指纹。电容设备能结合 大约1 0 0 ，0 0 0 导体金属阵列的传感器，其外面是绝缘的表面，当用户的手指放在 上面时，皮肽组成了电容阵列的另一面。电容器的电容值由于金属间的距离而变 化，这里指的是脊( 近的) 和谷( 远的) 之间的距离。压感式表面的顶层是具有 弹性的压感介质材料，他们依照指纹的外表地形( 凹凸) 转化为相应的电子信号。 温度感应传感器被设计为感应压在设备上的脊和远离设备的谷温度的不同。 超声波扫描被认为是指纹取像技术中非常好的一类。很像光学扫描的激光， 超声波扫描指纹的表面。紧接着，接收设备获取了其反射信号，测量他的范围， 得到脊的深度。不像光学扫描，积累在皮肤上的脏物和油脂对超音速获得的图像 影响不大，所以这样的图像是实际脊形( 凹凸) 的真实反映。 由于巨大的指纹辨别市场，如果想指纹识别在商业上的巨大成功，三个因素 中的两个因素是非常重要的，它们是低价格和紧凑的体积( 另外一个是上面淡到 的识别率) 。9 0 年代初到后期，耿像设备的价格已经剧烈的下降，制造商最近又 承诺，在最近几年后，又要进行大幅度降价。至于体积，上面已经提到光学传感 器的体积从6 x 3 x 3 英寸降到3 x l x l 英寸。应用晶体的传感器的体积差不多是这样 或者更小。在晶片上，集成电路的技术越来越高，如：数字化电路把指纹信号转 化为数字信号强度，系统体积将越来越小，晶体传感器的体积接近与手指大小所 需要的体积，其长宽大约是l x l 英寸高不到1 英寸。 在晶体传感器之前，一些没有用到的机能是局部调整、软件控制、自动获取 控制( a g c ) 技术。对于大多数光学设备，只能通过人工调整来改变图像的质量。 然而，晶体传感器提供自动调节象素，行以及局部范围的敏感程度，从而提高图 像的质量。a g c 在不同的环境下结合反馈的信息产生高质量的图像。例如，一个 不清晰( 对比度差) 的图像，如干燥的指纹，能够被感觉并增强灵敏度，在捕捉 的瞬间产生清晰的图像( 对比度好) ：由于提供了局部调整的能力，图像不清晰 1 2 基于指纹和数字视频采集的排队服务器系统 ( 对比度差) 的区域也能够被检测到( 如，手指压得较轻的地方) 并在捕捉的瞬 问为这些象素提高灵敏度。 光学扫描也有自己的优势。其中之一在较大的模型可以做较大指纹取像i x 域。而制造较大的应用晶体传感器的指纹取像区域是非常昂贵的，所以应用晶体 传感器的指纹取像区域小于l 平方英寸，而光学扫描的指纹取像区域等于或大于 l 平方英寸。然而这个对于较小的光学扫描设备并不是优势。较小的光学扫描也 是较小指纹取像区域，这是因为较大的指纹取像区域需要较长的焦点长度，所以 要有较大包装，否则如果较大的取像区域使用较小的包装，则光学扫描设备会受 到图像边缘线形扭曲的影响。 晶体传感器技术最重要的弱点在于，它们容易受到静电的影响，这使得晶体 传感器有时候可能取不到图像，甚至会被损坏，另外，它们并不象玻璃一样耐磨 损，从而影响了使用寿命。 2 3 2 指纹图像的预处理 为了得到比较准确的指纹特征点，在获取指纹图像后要对其进行预处理，指 纹图像的预处理一般分为：滤波( 图像增强) ，二值化，细化三个步骤。 1 滤波口) 【动 一般地说来，从指纹采集设备获取的指纹图像是有很多噪音的，原因是手指 被弄脏或手指太干、太湿等，因此在获取指纹图像后，进行有效的去处指纹图像 中的噪音是非常重要的。 通过对图像的过滤，可以去除指纹噪音，增强指纹的脊谷的对比度，对于指 纹图像滤波的方法很多，但大多数是通过过滤图像使之与指纹的脊部方向相匹 配。图像一般被分为几个小窗1 3 ，在每个小窗1 3 内计算出指纹的脊的局部方向， 然后由局部方向来决定方向图。 方向图是用每一个象素点的方向来表示指纹图像。象素点的方向是指其狄度 值保持连续性的方向，可以根据象素点邻域中的灰度分布来判断，反映出指纹图 上纹线的方向。 在得到指纹的方向图后，根据每个象素点的方向值，利用方向滤波器对指纹 进行滤波，以消除噪音、增强纹线、提高指纹的脊谷之间的反差。_ 般情况下 处理图像只需一个滤波器，而方向滤波器是一系列与象素点方向有关的滤波器， 使用时根据某一块区域的方向特征，从一系列滤波器中选择一个相应的滤波器来 对这一块进行滤波。 过滤的结果应增强在同一方向上的脊的走向，并且在同一位置，减弱任何彳i 同于脊的方向。对于横跨脊的噪音或者是垂直于脊的局部方向上的那些不j 下确的 基于指纹和数字视频采集的排队服务器系统 桥都会被过滤掉。 2 二值化【6 l 二值化的操作是使一个狄度图像变成二值图像，即，用0 和1 表示图像，自，j 景点( 指纹脊线) 取作1 ，背景点取作0 ，以把指纹脊线提取出来，便于后续处理。图 像在强度层次上从原始的2 5 6 色降为2 色。图像二值化后，处理起来就比较容易。 为了进行二值化，首先应找出一个阀值。指纹图像二值化的困难在于并刁i 是 所有的指纹图像都具有相同的阀值，所以一般不能从单纯的强度入手。根据指纹 图中脊线与谷线宽度大致相等的特点，即二值化后黑白象素的个数应大致相同， 采用局部域值自适应算法。把指纹图分成w w ( w 为一个纹线周期) 的予块，在 每一子块内计算灰度均值： 彳y = 由f ( i ，j f ) f j f ( i ，j ) 为子块内( i ，j ) 的灰度值。在该块内若某一点的狄度值f ( i ， j ) av ，则f ( i ，j ) = 1 ：若f ( i ，j ) av ，则f ( i ，j ) = o 。对每一块都进行 这样的处理，可得n - 值图像。 3 j 细化 细化是图像分析、信息压缩、特征提取和模式识别常用的基本技术，它使图 像的每条纹线都变为单象素宽的“点线”，且细化后的纹线近似处于原图的“中 轴”。在指纹的自动识别过程中，需要把二值指纹图进行细化，可以大大减少冗余 的信息，突出指纹纹线的主要特征，从而便于后面的特征提取。 图像细化算法的种类很多，代表的有h il d t c h 、d e u t s c h 等方法，但这些算 法都难以满足指纹细化保持性、连续性、拓扑性和快速性的要求，典型一种细化 技术是谢尔曼技术( s h e r m a n ) ，它是应用一个3 3 的窗口，把该窗口的中心点 放在一个个黑色象素上，在窗口的每个位置，该方法总是把窗口中心的元素改变 为白色，除非满足以下两个条件中的一个哺】： 1 该象素是连接两个 不相邻的黑色象素 的唯一黑色象素， 如图2 2 中( a ) ； 2 窗口中的黑色象素 只有一个黑色领 域，如图2 - - 2 中 ( b ) ： 用这种细化规则循坏作 爨辫 秘 溅 t 生- 鞭 ( a ) ( b ) 图2 2 象素分布图 1 4 基于指纹和数字视频采集的排队服务器系统 用于整个指纹图像，直到不再出现黑色象素变为白色象素为止。 2 3 3 指纹特征的提取 特征提取的首要问题是确定细节点和它的位置，细节点位置和细节点的相对 位置很重要，尽管每个指纹中包括近8 0 个细节点，但只要确定十几个细节点就 足够用来识别了。 特征的提取很简单，用一个3x3 的模板来检测特征点的位置与类型，脊线 上的点用1 表示，背景用0 表示，设m 是待检测点，x 1 x 8 为m 八个相临 点，呈逆时针排列。如果m 是端点，那么满足如下公式1 6 l ： = i 五+ 。一x 。i = 6 五= x 。式( 2 - 2 ) 如果m 是分歧点则必须满足如下公式： 馓= l t + 一x 。l - 2 五= x ，式( 2 - 3 ) 用3 3 模板逐点对细化后的指纹图像的脊线进行检测，就可初步选出所有 的细节特征，并记录下这些细节特征的类型和位置坐标。 因为指纹预处理的不完善性，在细化后的纹线图中总存在或多或少的伪特征 点，因此有必要对这些粗筛选出的特征进行过滤裁减，以达到去伪存真的目的。 细节特征过滤标准主要依赖于以下三个条件：特征点到边缘的距离；细节特 征问的距离和角度关系；指纹的脊线和细节特征的空间分布。根据以上三个条件 组合各种特征滤波的标准，凡是符合标准的特征点删除，其余的给予保留，保留 下来的特征点以链码方式记录它们之间的相对位置关系1 7 】。 在进行特征点提取后，每个特征点包括1 6 j ： 1 特征点的x 坐标和y 坐标； 2 特征点的方向，即与特征点相连的局部的脊方向； 3 特征点的类型，即时终结点还是分叉点： 4 细节点对应的脊线。 2 3 4 细节点匹配 细节点的匹配一般在极坐标中进行，因为指纹图像的非线性形变往往呈放射 状，在某个区域内的形变比较大，然后非线形地向外扩张，因而，在极坐标中能 更好地描述非线形形变，另外，在极坐标中不需要考虑输入图像与模板图像的参 照点之间的平移，将一对对应点的坐标相对于参照点转换为极坐标时，平移就被 抵消了，同时，在极坐标中更便于处理两幅图像间的旋转 6 。 1 5 嫡十指纹和数字视频采集的排队服务器系统 由于按指纹时用力的差异 或指纹图像平移、旋转等多种原 因，必然会使两幅指纹图像的对 应点之间不可能完全重合，所以 比对之前要先经过校准，即使如 此，由于非线形形变地存在，很 难找到与指纹模板中特征点位 置完全一致的特征点，因此，匹 配的算法应该是弹性的，即允许 在某个范围内由于非线形形变 引起的误差，在这旱引入个界 图2 - - 3 指纹模板比对 线盒，界线盒是一个特征点周围的框【6 】【7 1 。如图2 3 所示： 匹配的算法如下【8 】【9 】： 1 将特征点坐标换为极坐标； 2 在模板指纹和输入指纹中找到两个类型相同的点分别作为参考点： 3 将模板和极坐标中输入点按照极角递增的顺序连接每个点； 4 如果对于模板特征点，输入的特征点在相应的允许框内( 界线和内) ，则 匹配指数加l ； 5 重复2 、3 、4 步骤，直到所有的可能被测试； 6 如果匹配指数大于预先设定好的阀值t ，则认为匹配成功，否则失败。 1 6 甚于指纹和数字视频采集的排队服务器系统 第三章数字视频技术 在桌面视频会议、可视电话等多媒体应用中，获得数字视频是一个关键 的前提。在v i d e of o rw i n d o w s ( v f w ) 出现之前，捕获数字视频是一项极其 复杂的工作。m i c r o s o f t 的v i s u a lc + + 自从4 0 版就开始支持v i d e of o r w i n d o w s ( 简称v f w ) ，这给视频捕获编程带来了很大的方便。 3 1 视频捕获技术 3 i i v i d e of o rw i n d o w s 简介 v f w 是m i c r o s o f t1 9 9 2 年推出的关于数字视频的一个软件包，它能使应用 程序数字化并播放从传统模拟视频源得到的视频剪辑。v f w 的一个关键思想是 播放时不需要专用硬件，为了解决数字视频数据量大的问题，需要对数据进行 压缩。它引进了一种叫a v i 的文件标准，该标准未规定如何对视频进行捕获、 压缩及播放，仅规定视频和音频该如何存储在硬盘上，在a v i 文件中交替存储 视频帧和与之相匹配的音频数据。v f w 给程序员提供v b x 和a v i c a p 窗口类 的高级编程工具，使程序员能通过发送消息或设置属性来捕获、播放和编辑视 频剪辑。现在用户不必专门安装v f w 了，w i n d o w s 9 5 以上的版本中都包括了 v i d e of o rw i n d o w s ，当用户在安装w i n d o w s 时，安装程序会自动地安装配置视 频所需的组件，如设备驱动程序、视频压缩程序等。 w i n d o w s 系统下视频捕获的开发程序层次： 图3 一l 视频捕获层次图 v f w 主要由以下六个模块组成： 1 a v i c a p d l l ：包含了执行视频捕获的函数，它给a v i 文件i o 和视频、 音频设备驱动程序提供一个高级接口； 1 7 基于指纹瑚数字视频采集的排队服务器系统 2 m s v i d e o d l l ：用一套特殊的d r a w d i b 函数来处理屏幕上的视频操 作； 3 m c i a v i d r v ：此驱动程序包括对v f w 的m c i 命令的解释： 4 i f i l e d l l 支持由标准多媒体i o ( m m i o ) 函数提供的更高的命令水 访问a v l 文件； 5 压缩管理器( i c m ) ：管理用于视频压缩和解压缩的编解码器( c o d e c ) ： 6 音频压缩管理器a c m ：提供与i c m 相似的服务，不同的是它适于波形 音频。 v i s u a lc h 在支持v f w 方面提供有v 所3 2 1 i b 、m s a c m 3 2 1 i b 、w i n m m 1 i b 等类似的库。特别是它提供了功能强大、简单易行、类似于m c i w n d 的窗口类 a v i c a p 。a v i c a p 为应用程序提供了一个简单的、基于消息的接口，使之能访 问视频和波形音频硬件，并能在将视频流捕获到硬盘上的过程中进行控制。 3 1 2 一般视频捕捉系统的软件流程 a v i c a p 支持实时的视频流捕获和单帧图像的捕获并提供对视频源的控 制。虽然m c i 也提供数字视频服务，比如它为显示a v i 文件的视频提供了 a v i v i d e o 命令集，为视频叠加提供了o v e r l a y 命令集，但这些命令主要是基于文 件的操作，它不能满足实时地直接从视频缓存中取数据的要求，对于使用没有 视频叠加能力的捕获卡的p c 机来说，用m c i 提供的命令集是无法捕获视频流 的。而a v i c a p 在捕获视频方面具有一定的优势，它能直接访问视频缓冲区， 不需要生成中间文件，实时性很强，效率很高。同时，它也可将数字视频捕获 到文件。 在视频捕获之的需要创建一个捕获窗，所有的捕获操作及其设置都以它为 基础。用a v i c a p 窗口类创建的窗口( 通过c a p c r e a t e c a p t u r e w i n d o w 函数创建) 被称为“捕获窗”，其窗口风格一般为w sc h i l d 和w sv i s i b l e 。在概念上， 捕获窗类似于标准控制( 如按钮、列表框等) 。捕获窗具有下列功能： 1 将一视频流和音频流捕获到一个a v i 文件中； 2 动态地同视频和音频输入器件连接或断开； 3 以o v e r l a y 或p r e v i e w 模式对输入的视频流进行实时显示； 4 在捕获时可指定所用的文件名并能将捕获文件的内容拷贝到另一个文 件； 5 设置捕获速率； 6 显示控制视频源、视频格式、视频压缩的对话框； 7 创建、保存或载入调色板； 基于指纹和数字视频采集的排队服务器系统 8 将图像和相关的调色板拷贝到剪贴板； 9 将捕获的一个单帧图像保存为d i b 格式的文件。 在建立视频捕获窗后，然后设置相应的视频回调函数，在回调函数中，都 有一个参数指定回调函数的名称，所制定的回调函数由操作系统来调用，而不 是由用户来调用，回调函数可以设置一个或多个，也可以不设。主要的回调函 数有： c a p s e t c a l l b a c k o n e r r o l c a p s e t c a l l l b a c k o n s t a t u s c a p s e t c a l l b a c k o n w a v e s t r e r a m c a p s e t c a l l b a c k o n v e d i o s t r e a m c a p s e t c a l l b a c k o n f r a m e c a p s e t c a l l b a c k o n y i e l d 3 1 3 视频捕获使用的数据结构 在利用a v i c a p 编程时，应该熟悉与视频捕获相关的结构，下面对常用的 四个结构做一个简要介绍，对于前三个结构都有对应的函数来设置和获得结构 包含的信息： 1 c a p s t a t u s - 定义了捕获窗口的当前状态，如图像的宽、高等； 2 c a p d r i v e r c a p s ：定义了捕获驱动器的能力，如有无视频叠加能力、 有无控制视频源、视频格式的对话框等； 3 c a p t u i 汪p a r m s ：包含控制视频流捕获过程的参数，如捕获帧频、指 定键盘或鼠标键以终止捕获、捕获时间限制等； 4 v i d e o h d r 定义了视频数据块的头信息，在编写回调函数时常用到其 数据成员l p d a t a ( 指向数据缓存的指针) 和d w b u f f e r l e n g t h ( 数据缓存的 大小) 。 3 1 4 视频数据传输模式 在w i n d o w s 系统下驱动程序与应用程序的数据传输方式有两种模式： 1 硬盘传输方式 在这种以硬盘文件方式传输的模式下，用户首先需要在硬盘上建立一个用 来存储捕获视频信息的文件，为确保驱动程序能够正确的访问该数据文件，该 文件必须是可读写的， 用户可以使用c a p f i l e s e t c a p t u r e f i l e 和 c a p f i l e g e t c a p t u r e f i l e 这两个函数来设置和取得存储数据的文件名。存储文件的 扩展名为a v i ，该文件格式是w i n d o w s 操作系统支持的一种标准的存储视频、音 1 9 螭于指纹和数：视频采集的排队服务器系统 频数据格式，存储文件可做进一步的处理。 这种模式主要应用在用户仅想把必要的数据存储下来的情况下使用。其优 点是编程容易实现，需要用户干预的内容也比较少；缺点是用户无法实时地对 每一帧数据进行处理。柔软性较差。用户如果要实时地对数据进行处理，应该 采用内存缓冲模式。 2 内存缓冲模式 内存缓冲模式是视频数据采集系统中广泛采用的一种数据传输方式，图像 数据通过一个或几个内存缓冲来传输数据。内存的开辟和建立不用用户来管理。 要使用内存缓存方式必须做到以下两点： 在系统初始化中用c a p s e t c a l l b a c k o n f r a m e 设置帧回调函数， 或用 c a p s e t c a l l b a c k v i d e o s t r e a m 设置视频流回调函数。二者的区别在于：当用户在 预览的图像的时候，如果想对视频数据进行处理，应该使用 c a p s e t c a l l b a c k o n f r a m e 设置帧回调函数。当采集到一帧数据后，操作系统会自 动调用c a p s e t c a l l b a c k o n f r a m e 设置的帧回调函数，当用户想在连续视频捕捉是 对数据进行处理时，应该使用c a p s c t c a l l b a c k v i d e o s t r e a m 设置视频流回调函数。 用c a p s c t c a l l b a c k o n f r a m e 和c a p s c t c a l l b a c k v i d e o s t r e a m 设置的回调函数中 必须包含两个参数：一个参数为视频捕获窗口的句柄，一个为指向实际数据的 头信息指针。该指针为l p v i d e o h d r 类型。其具体的含义在v f w h 中有详细 的定义。该数据块的含义是由文件头来解释的，文件头可调用 c a p g e t v i d e o f o r m a t 取得。 3 1 5 视频数据的捕获与显示方式 按照视频捕获过程前后两帧之间的间隔来划分，捕捉方式可分为连续捕捉 和单帧捕捉两种方式。连续捕捉就是在捕捉过程中不间断地将视频数据存储到 内存或硬盘中。如对宏e a p c a p t u r e s i n g l e f r a m e 的调用可以把一帧数据加到打丌 的文件中；而c a p g r a b f r a m e 则把一帧数据放到缓冲区中。要想把视频数据连续 的存放到某个文件中，则用户应该用c a p c a p s t r e a m s e q u e n c e ，若想不经过文件 存取而实时地对数据进行处理，应该使用c a p c a p t u r e s e q u e n c e n o f i l e 来完成。 a v i c a p 在显示视频时提供的两种模式： 1 预览( p r e v i e w ) 模式：该模式使用c p u 资源，视频帧先从捕获硬件传 到系统内存，接着采用g d i 函数在捕获窗中显示。在物理上，这种模式 需要通过v g a 卡在监视器上显示。 2 叠加( o v e r l a y ) 模式：该模式使用硬件叠加进行视频显示，叠加视频 的显示不经过v g a 卡，叠加视频的硬件将v g a 的输出信号与其自身的 基于指纹和数字视频采集的排队服务器系统 输出信号合并，形成组合信号显示在计算机的监视器上。只有部分视频捕 获卡才具有视频叠加能力。 3 2 视频压缩 3 2 1 视频压缩概述 数字化视频的低失真，高清晰度和易于计算机处理是其它模拟系统所无法 比拟的。但是视频对于存储容量和传输带宽的要求特别大。以p a l 电视信号为 例，帧率为2 5 帧秒，若分辨率为3 5 2 * 2 8 8 ，那么，未经压缩的视频数据量为 3 5 2 , 2 8 8 , 2 5 = 7 2 5 m b s 。那么一分钟的数据为7 2 5 木6 0 = 4 5 3 m b s 。即每分钟的视 频数据量大约为4 3 5 m 字节。如此大量的未经压缩的音频和视频信号对存储媒体 的容量和传输媒体的带宽要求都很高，尤其是动态的视频图像信号，为了减少 数据存储容量和缩短传输时间，必须采用高效的数字压缩算法驯。 视频编码技术主要有两种研究方向：一是对传统的运动预钡i d c t 的混合编 码方案的修改和改进，以适应低比特率传输的要求和提高视频译码质量。称为 第一代编码技术或古典编码技术。例如，h 。2 6 1 ，h 2 6 3 ，m p e g 一1 ，m p e g 一2 等。二 是对于模型编码技术的研究，称为第二代编码技术，如，m p e g 一4 。国外研究水 平比较高的有：同本的东京大学，瑞典大学，德国汉挪威大学等。 3 2 2 视频压缩的基本原理 1 视频数据压缩的必要性 视频数据的空间冗余 一般来说，组成一幅图像的各像素之间具有比较强的相关性，如果用数字化 的数据来代表个像素点，则这些相邻点之间的数值不会相差很大，也就是说相 邻点之间会比较平缓的从一点过渡到另一点，而且，往往存在着许多小区域， 在这些小区域内，各相邻点之间的数值几乎完全相等。显然，如果，我们采用 相邻点之间的差值来表征象素点，则我( j l t 匕使数据量明显降低。从空间频域角 度来考虑也是一样的，由于组成图像的各个象素点在数值上的强烈的相关性， 各相邻象素点的数据变化不大，如果将这些数据从空间时域变换到空间频域， 所得的数据主要集中在低频区，而高频区的数据将很少。但我们在表征该图像 的时候，对高频区域和低频区域中的数据都给予了一样的分辨率，这必然使的 高频区存在大量的数据冗余。如果我们对信息量比较重要的低频区用高分辨率 作量化，而对信息量较少也不那么重要的高频区采用低分辨率的量化，这必将 可以是的数据量减少，也更合理n 。 时间域冗余 2 l 基于指纹和数字视频采集的排队服务器系统 连续视频图像除了在空间域存在数据冗余外，在时间域上也存在明显的数据 冗余。对视频来讲，要达到比较令人满意的视觉效果，最起码的帧抽样频率为 2 5 帧s ，相应的一帧的显示时间为4 0 m s ，由于相邻数据的帧之间的时间| h j 隔很 小，因此，相邻的帧之间的数据般也存在着很强的相关性。例如，在一个彳j 着固定的背景的连续图像中，只有活动的局部域带有新的信息量，而我们在表 征相邻的数据帧时，却重复地将那些完全相同的数据或很接近的数据进行传输， 这必然会