（计算机应用技术专业论文）嵌入式环境下指纹增强和匹配算法的研究.pdf

原创性声明和关于论文使用授权的说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。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。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：趁划妇日期：独l q ：s 3 l 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或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；本人授权山东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、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) | 论文作者签名：型幽导师签名：彳瑶日 期：互山赳 - 二 _ l d 一，皋i童l 山东大学硕士学位论文 目录 摘要j i a b s t r a c t 第l 章绪论l 1 ，1 嵌入式指纹识别技术简介1 1 2 指纹识别的应用现状3 1 3 课题的选择和本文的创新之处4 1 4 本文完成的主要工作和文章组织4 第2 章嵌入式指纹识别系统设计5 2 1 嵌入式指纹系统特点5 2 2 嵌入式指纹识别面临的实际问题6 2 3 嵌入式指纹识别软件设计7 2 3 1 指纹识别系统流程7 2 4 2 指纹识别系统复杂度分析9 2 4 3 指纹识别系统面临关键问题及解决方案。1 0 第3 章指纹增强算法1 2 3 1 预处理1 2 3 2 快速加博增强l5 3 2 1 快速g a b o r 模板的构建1 5 3 2 2 卷积点的选取1 7 3 3 对快速g a b o r 的改进1 8 3 3 1 折线大模板1 9 3 3 2 变长模板2 0 3 4 实验结果2 1 3 5 本章小结2 6 山东大学硕士学位论文 第4 章基于三值特征向量的指纹匹配算法2 7 4 1 点模式匹配过程2 7 4 1 1 特征定义和选择2 8 4 1 2 特征向量构造和指纹对齐3 4 4 1 3 指纹匹配与分类3 4 4 2 实验结果3 7 4 3 本章小结4 l 第5 章总结与探讨4 2 参考文献4 3 致谢4 7 攻读学位期间发表的学术论文4 8 攻读学位期间参加的工作和所获奖励4 9 一 l 山东大学硕士学位论文 t a b l eo fc o n t e n t s a b s t r a c ti nc h i n e s e i a b s t r a c ti ne n 出i s h c h a p t e r1i n t r o d u “o n 1 1 1 i n t r o d u c t i o no f f i n g e r p r i n ti d e n t i f i c a c t i o n 一1 1 2 f i n g e r p r i n ti d e n t i f i c a c t i o ns t a t u s 3 1 3 t o p i cs e l e c t i n ga n di n n o v a t i o n 4 1 4 m a i nc o n t r i b u t i o n sa n do r g a n i z a t i o n 4 c h a p t e r2e m b e d d e df i n g e r p r i n tr e c o g n i t i o nd e s i g n 5 2 1 c h a r a c t e r so f e m b e d d e df i n g e r p r i n ts y s t e m 5 2 2p r o b l e m 6 2 3 s o f t w a r ed e s i g n 7 2 3 1 f l o w i n g 7 2 4 2c o m p l e xa n a l y z e 9 2 4 3p r o b l e ma n ds o l u t i o n 1 0 c h a p t e r3f i n g e r p r i n te n h a n c e m e n ta l g o r i t h m 。1 2 3 1 p r e p r a r a t i o n 1 2 3 2 f a s tg a b o re n h a n c e m e n t 1 5 3 2 1 s s t r u c u r eo f f a s tg a b o rt e m p l a t e ：1 5 3 2 2 p i x e l ss e l e c t i o n 1 7 3 3 i m p r o v e m e n to f f a s tg a b o r 1 8 3 3 1 c u r v et e m p l a t e 1 9 3 3 2 v a r i e st e m p l a t e 2 0 3 4 e x p e r m e n t a lr e s u l t s 2 1 3 5 s u m m a r y 2 6 c h a p t e r4f i n g e r p i n tm a t c h i n gb a s e do nt h r e e - v a l u ev e t o r 2 7 山东大学硕士学位论文 4 1 p r o c e s so f m a t c h i n g 2 7 4 1 1 c h a r a t e rd e f i n ea n ds e l e c t i o n 2 8 4 1 2 c h a r a c e rc o n s t r u c t i o na n da l i g n 3 4 4 2 e x p e r m e n t a lr e s u l t 3 7 c h a p t e r5s p a c ea n di n d e x i n g 4 2 c h a p t e r6c o n c l u s i o na n dd i s c u s s t i o n 4 2 c o n f e r e n c e 4 3 a c k n o w l e d g e m e n t 4 7 p u b l i c a t i o np a p e r s 4 9 a t t e n d e dp r o j e c t sa n da w a r d s 4 9 一 ， 山东大学硕士学位论文 摘要 随着指纹识别技术的日渐成熟和相关设备的配套，特别是指纹采集芯片性能 的不断提升，嵌入式指纹识别系统日渐被人们所接受。市场需求也日渐扩大。嵌 入式指纹识别系统成为一个有实际应用价值的研究课题。现今，已有不少国内外 学者和企事业单位对联机指纹识别系统作了大量的研究，联机指纹识别技术也日 趋成熟，但嵌入式指纹识别系统的构建却相对落后。相对于联机指纹识别系统， 嵌入式指纹识别系统存在的难点主要体现在如下几个方面：一是嵌入式环境下的 空间有限，二是芯片的运算速度相对较慢，三是嵌入式环境下的存储空间相对较 j 、。 本文针对以上的三个问题进行了深入研究，主要研究内容包括： 针对现有嵌入式环境下的运行空间有限的问题，采用分行分块的思想。整个 指纹的分割，方向场计算等各个处理步骤都采用基于块的。每一处理阶段都采用 按行处理，当上行处理完后处理下一行，减小系统运行所需要的运行空间。 提出了可变模板的增强算法。现有的增强算法大多是采用二维模板增强或一 维模板增强。二维模板增强能够利用的邻域像素点较多增强效果较好，但缺点是 计算量大难以在运算速度较慢的嵌入式环境下使用。采用一维模板增强由于使用 了较少的邻域像素增强速度快，但却损失了性能。本文采用一维的可变模板，根 据邻域像素的具体情况选择增强模板的形状和大小，更加准确地突出了指纹的纹 线结构，在提高增强速度的同时得到了较好的增强效果。 提出了基于三值特征向量的指纹匹配算法。现有的指纹匹配方法很多采用特 征点邻域的某方面特征作为特征点的特征描述子。首先单一方面的特征不能够全 面地描述细节点邻域的信息，而全面考虑特征点邻域的信息又会使指纹特征码变 得过长，增加存储容量和读取时间。本文选取细节点邻域的方向场，细节点，纹 线三方面的信息全面地描述细节点的邻域信息，并将特征以三值特征向量的形式 存储。基于三值特征向量的指纹匹配算法不仅提高了指纹匹配的速度，而且使芯 片能够存储更多的指纹特征码，提高了系统的指纹容量。 山东大学硕士学位论文 关键词：嵌入式指纹识别系统，d s p ，运行空间，指纹增强，三值匹配 i i 一 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h em a t u r a t i o no ff 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 ya n dr e l a t e de q u i p m e n t s u p p o r t i n g ，e s p e c i a l l y t h e i m p r o v e m e n to ft h ef i n g e r p r i n t s e n s o ra n dt h ec h i p s ， e m b e d d e df 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 sa r ei n c r e a s i n g l yb e i n gs e e na sa c c e p t a b l e m a r k e td e m a n di sa l s og r o w i n g e m b e d d 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 ma l s o b e c o m e sam e a n i n g f u la n dp r a c t i c a la p p l i c a t i o no ft h er e s e a r c ht o p i c n o w , q u i t ea n u m b e ro fd o m e s t i ca n df o r e i 印s c h o l a r sa n de n t e r p r i s e sm a d eal o to fr e s e a r c ho n o n l i n ef 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 ，o n - l i n ef 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 y h a v em a t u r e d ，b u tt h ec o n s t r u c t i o no fe m b e d d 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 mi s r e l a t i v e l y b a c k w a r d r e l a t i v et ot h eo n l i n 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 n s y s t e m , e m b e d d 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 mf a c es o m ed i f f i c u l t ：f i r s t ，t h el i m i t e ds p a c e i nt h ee m b e d d e de n v i r o n m e n t ，t h es e c o n di st h er e l a t i v e l ys l o ws p e e do ft h ec h i p o p e r a t i o n ，t h et h i r di se m b e d d e de n v i r o n m e n ts t o r a g es p a c ei sr e l a t i v e l ys m a l l i nt h i sp a p e r , t h ea b o v et h r e ei s s u e si n d e p t hs t u d y ，t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t s i n c l u d e ： f a c i n gt h ei s s u eo ft h el i m i t a t i o no fs t o r a g es p a c ei nt h ee m b e d d e de n v i r o n m e n t ， t h ef i n g e r p r i n ti sp r o c e s s e dl i n eb yl i n e a l lp r o c e s s i n gs t e p sa r eb a s e do nt h eb l o c k u s i n gt h i ss t r a t e g yt h es p a c ec o n s u m p t i o ni sr e d u c e d v a r i a b l et e m p l a t ee n h a n c e m e n ta l g o r i t h mi sp r o p o s e d o n e d i m e n s i o n a l o r t w o d i m e n s i o n a lt e m p l a t e sa r eu s e di nm o s to ft h ee x i s t i n ge n h a n c e m e n ta l g o r i t h m d u et ot h em o r eu s i n go ft h en e i g h b o r h o o dp i x e l s ，t w o - d i m e n s i o n a lt e m p l a t ec a n a c h i e v em o r ea c c e p t a b l ee n h a n c e m e n tr e s u l t s b u td r a w b a c ki sm o r et i m ec o n s u m i n g o n e d i m e n s i o n a lt e m p l a t e su s i n gf e w e rp i x e l st oe n h a n c et h ef i n g e r p r i n ts p e e du pt h e e n h a n c e m e n t ，b u tt h el o s so fp e r f o r m a n c e i nt h i sp a p e r , o n e - d i m e n s i o n a lv a r i a b l e t e m p l a t ei si n t r o d u c e d ，a c c o r d i n gt ot h es p e c i f i cc i r c u m s t a n c e so fn e i g h b o r h o o dp i x e l t h es h a p ea n ds i z eo ft h et e m p l a t ei sd y n a m i c a l l yc h a n g e d t h i ss t r a t e g yo ft e m p l a t e s e l e c t i o nc a nh i g h l i g h t st h ef i n g e r p r i n tr i d g es t r u c t u r em o r ea c c u r a t e l y , w h i l es p e e du p t h ee n h a n c e m e n ts p e e d 山东大学硕士学位论文 t h r e e - v a l u e df e a t u r ev e c t o r sb a s e df i n g e r p r i n tm a t c h i n ga l g o r i t h mi sp r o p o s e d m a n yo ft h ee x i s t i n gf i n g e r p r i n tm a t c h i n gm e t h o du s i n g c e r t a i n a s p e c t so f n e i g h b o r h o o dc h a r a c t e r i s t i c sa sc h a r a c t e rd e s c r i p t i o n s f i r s t ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so fa s i n g l ec o n t e x tc a nn o tf u l l yd e s c r i b et h ed e t a i l so ft h en e i g h b o r h o o di n f o r m a t i o n ，b u t a d d i t i o n a lf e a t u r ei n f o r m a t i o nw i l lm a k et h ec h a r a c t e rv e c t o rl o n g e r , i n c r e a s i n gt h e s t o r a g es p a c ea n dr e a d i n gt i m e i no u ra l g o r i t h m ，t h ed i r e c t i o no fm i n u t i a e n e i g h b o r h o o df i e l d ，n e i g h b o r h o o dm i n u t i a e ，n e i g h b o r h o o dr i d g e s a r eu s e da s d e s c r i p t i o n s a n d a l l d e s c r i p t i o n s a r e s t o r e da st h r e e - v a l u e df e a t u r ev e c t o r s t h r e e v a l u e df e a t u r ev e c t o r sb a s e df i n g e r p r i n tm a t c h i n ga l g o r i t h mn o to n l yi m p r o v e s t h es p e e do ft h ef i n g e r p r i n tm a t c h ，b u ta l s or e d u c et h es t o r a g es p a c e s t o r em o r e f i n g e r p r i n t st oi m p r o v et h es y s t e mc a p a c i t yo ff i n g e r p r i n t k e y w o r d s ：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 s p ；s p a c e ；f i n g e r p r i n te n h a n c e m e n t ； t h r e e - v a l u e d ； i v 一 山东大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 嵌入式指纹识别技术简介 在信息化社会，信息共享在给人们的交流带来方便的同时也对信息安全领域 提出了新的要求和挑战。信息安全包括信息传输安全，。信息存储安全，身份信息 认证等。其中身份认证和识别是整个信息安全中重要的一环。传统的身份认证方 式主要有账号密码方式，数字签名，证书等。传统的身份认证方式虽然在信息安 全领域取得了很大的成功，但也有其固有的缺陷，如需要记忆，容易遗失等。生 物特征识别技术为身份认证提供了更安全的方案。生物特征识别技术是利用人体 的生物特征进行身份认证的一种技术。通常所说的生物特征包括指纹，掌纹，静 脉，虹膜，人脸，签名，声音，步态等与个人身份信息相关的生物特征。相对于 传统的身份认证技术而言，生物特征具有唯一性，不可替代性，使用方便等方面 的优势。指纹识别技术作为生物特征识别技术的一种以高精准，较好的易用性和 较低的成本等优势得到了最广泛的应用 1 。 研究发现每个人的指纹都是独一无二的，任何人之间都不存在相同指纹的情 况，每个人的指纹特征是相当稳定的，不会随着年龄的增长或身体健康程度的变 化而改变。而且指纹样本便于获取，易于开发识别系统，识别性能高，实用性强。 鉴于指纹的这些方面的优势，指纹检测与识别成为当前生物特征识别的研究热点， 各种类型指纹识别算法也相继被开发出来 2 j 3 。自动指纹识别系统对由指纹采 集器获取的指纹图像进行特征提取和比对来确定是否为同一种指纹。一般而言， 指纹识别算法可分为基于图像处理的指纹识别算法，基于规则推理的指纹识别算 法，基于几何拓扑的指纹识别算法等。一般的指纹识别算法通常包括图像的采集， 指纹特征提取和指纹比对三个处理环节。指纹图像是经由指纹采集设备获取的， 采集设备一般包括光学采集和半导体采集设备，采集方式包括按压式和刮擦式等。 例如：光学采集器，电容式采集器，温度采集器，压力采集器，超声波采集器等。 各种采集器各有各自的特点。基于光学全反射技术的采集器的体积相对较大，耗 电较多，成本较低；基于硅晶体的电容传感技术的采集器体积较小，耗电较少但 山东大学硕士学位论文 较易损坏；基于超声波扫描技术的采集器具有非常好的成像能力，但成本相对较 高。 指纹特征提取将指纹转化为特征 4 。到目前为止，指纹可定义上百种特征， 其中端点和分叉点以其稳定性和较强的分辨能力而被多数指纹识别系统所采用， 是最常用的两种特征。其他一些特征还包括指纹方向，纹线频率，脊线弯曲度等 特征。由于受一些噪声和形变等一些因素的影响，在进行指纹特征提取之前需对 指纹进行一些预处理，如归一化，指纹增强，二值化，细化等一系列的处理过程。 其中增强是特征提取最重要也是耗时最多的一步，快速而准确的指纹增强算法能 够很大程度上提高特征提取的准确性。为判断两幅指纹是否为同源指纹，需要对 提取出的指纹特征进行比对。由于按压方向和位置的差异，在进行指纹匹对时需 要对指纹进行对齐。为提高指纹匹对速度需要快速地对指纹进行对齐 5 。 从1 9 世纪初至今，指纹识别技术经历了几个不同的发展阶段。 早期的指纹识别采用的方法是人工比对，效率低、速度慢，不能满足现代社 会的需要。自2 0 世纪6 0 年代开始，随着计算机技术和图形图像处理技术的高速 发展，有人提出了利用计算机图像处理和模式识别的方法来代替人工比对，于是 指纹的特征提取、储存和分析就可以通过计算机和光学设备自动完成，从而产生 了自动指纹识别系统。它面向诸多身份识别领域的应用系统，具有准确率高、防 伪性能好、使用方便等优点，很快就在世界各国得到了广泛的研究和应用。到了 2 0 世纪8 0 年代，个人电脑、光学扫描两项技术的革新，指纹采集设备得到很好地 发展，从而使自动指纹识别系统在更多的领域中得以应用，比如在企事业单位的 考勤系统中，用指纹来代替磁卡，不但十分方便，而且可以防止代打考勤的现象。 进入9 0 年代后，随着高速的数字信号处理芯片的出现，指纹识别技术越来越熟， 成为国内外的前沿热门研究方向，相关产品( 如指纹锁、指纹保险柜等) 也逐渐 进入市场，日益受到人们的欢迎 6 。 指纹识别技术在过去的几十年已经取得很大的发展，目前a f i s 仍是国内外模 式识别领域中研究的热点之一 7 。虽然我国对指纹识别技术的应用研究起步较 晚，但是发展迅速，核心技术方面与国外的差距不大。目前，生物特征识别技术 发展迅速，按照国际生物识别集团的生物识别技术市场与行业报告，2 0 0 7 年至2 0 1 2 2 山东大学硕士学位论文 年，该行业收入将从去年的3 0 亿美元，增长到2 0 1 2 年的近7 5 亿美元。在国家安 全领域，生物识别更是已经成为防范恐怖主义的主要手段，目前美国、日本等国 家已经要求旅客入境时必须留下其指纹信息。2 0 0 8 年夏天召开的北京奥运会使用 了人脸识别技术进行安检。在2 0 0 8 年年底召开的大学生冬季奥运会上，采用了指 纹识别技术进行安检。 1 2 指纹识别的应用现状 指纹识别的应用大体上可分为联机指纹识别系统和嵌入式指纹识别系统两 类。目前两类系统都有各自的应用和发展前景。联机指纹系统的典型应用主要包 括指纹考勤系统，指纹认证系统等。嵌入式指纹识别系统的典型应用主要包括指 纹考勤机，指纹门襟，指纹锁等 8 。 随着计算机和芯片技术发展和普及，从上个世纪6 0 年代以来自动指纹识别系 统越发自动化、小型化、成本越来越低，正确率越来越高，应用领域不仅仅涉及 安全领域，还延伸到民用领域。例如：( 1 ) 信息安全领域：如个人计算机系统使用指 纹进行验证，网上银行、电子商务的安全交易等：( 2 ) 公共安全方面：如指纹门锁、 汽车门锁、个人指纹身份证等：( 3 ) 金融安全方面：如指纹智能卡、指纹终端、指纹 保险箱、指纹储蓄卡、大额取款客户身份确认等：( 4 ) 数据通信领域：如指纹识别 技术作为生物密钥可对加密传输数据进行二次加密，增加安全性：( 5 ) 其它方面： 如指纹考勤、个人医疗档案管理、保险受益人确认、海关及民航快速通关认证等。 民用指纹识别市场以普通大众为目标，实现方便、快捷、高效、安全的个人身份 验证功能，人们对易用性、方便性和舒适性的追求，促使指纹识别设备向小型化、 嵌入式和全自动方向发展 1 0 。 目前，联机指纹识别技术己经相对成熟，并且已经大规模推广。联机指纹识 别软件和通过u s b 接口与p c 机相连的指纹采集器也已经非常普遍。但基于嵌入式 系统特别是d s p 系统的指纹识别技术，无论是硬件设计还是软件算法设计都才刚 刚起步，国内外对此研究的还不是很充分，同时由于嵌入式环境的资源的限制， 在联机上比较成熟的算法并不能一定简单的移植到d s p 系统中，因此进行嵌入式 d s p 指纹识别系统设计时一方面要考虑如何将联机的指纹识别算法移植到嵌入式 山东大学硕士学位论文 d s p 指纹识别系统中，另一方面要考虑如何设计或改进已有算法，使其适应嵌入式 环境 9 。 1 3 课题的选择和本文的创新之处 课题的选择：本课题依托于工程项目，目的是构建商用的嵌入式指纹识别算 法。 本文的创新之处：构建良好的嵌入式指纹识别系统需要系统同时具有良好的 识别性能和识别速度。即系统要有较快的特征提取速度，较快的匹配速度，较少 的存储空间占有量。对指纹识别系统进行分析发现：1 指纹识别预处理中指纹增 强往往要占到处理时间的8 0 ；2 在1 ：n 模式下，一枚指纹要与数据库中的所有 指纹做比对，指纹匹配的处理速度决定了整个系统的处理速度；3 指纹特征的大 小决定了嵌入式环境下指纹存储量。综合上面的分析，不难得出构建商用的嵌入 式指纹系统必需降低预处理的时间特别是指纹增强的处理时间，提高指纹匹配的 处理速度，减少指纹特征码的长度。针对上述问题，本文创新地提出了新的指纹 增强算法，和基于三值特征向量的指纹匹配算法。实验表明算法很好的地解决了 上面提出的问题。 1 4 本文完成的主要工作和文章组织 本文主要研究了嵌入式指纹识别算法。分析了嵌入式指纹识别算法所面临的 关键问题，即指纹特征提取的速度，指纹匹配速度和特征码大小。针对这些问题， 提出了解决这些关键问题的算法方案，提出了新的指纹增强算法，基于三值特征 向量的指纹匹配算法。并取得了较好的应用效果。 本文的组织结构如下： 第二章介绍了嵌入式指纹识别系统的软硬件设计理念和架构。 第三章介绍了一种新的指纹增强算法，并对其实现方案和性能进行了分析。 第四章介绍了基于三值特征向量的指纹匹配算法，本文的匹配算法提高了系 统的速度和系统的性能。 第五章对本文进行了总结，并探讨了一些今后的工作。 4 山东大学硕士学位论文 第2 章嵌入式指纹识别系统设计 随着指纹识别技术的日渐成熟，指纹识别产品不断的被应用于各种身份认证 领域。越来越多的厂商开始开发指纹采集设备 11 1 2 ，对指纹识别技术的发展 起到了很好的支撑作用。自动指纹识别系统可以是联机的也可以是嵌入式的，联 机指纹识别系统运行于p c 机上，p c 机的系统性能一般较高，运行速度较快，可支 持大规模的指纹比对。指纹采集器通过串口，并口或u s b 接口等方式与p c 机相连， 将采集到的图像传送的到p c 机上。运行于p c 机上的指纹识别系统对传入的指纹 进行处理。典型的应用如指纹考勤。还有一类应用脱离于p c 机称为嵌入式指纹识 别系统，即嵌入式指纹识别系统 1 3 。随着大规模集成电路技术的发展，微处理 器的处理能力不断提高，使指纹识别系统运行于嵌入式环境下成为可能。典型的 应用包括指纹锁，指纹门禁系统，指纹手机，指纹p d a 等。由于嵌入式指纹识别 系统相对于联机指纹识别系统有更广阔的应用空间，嵌入式指纹识别系统的研究 与构建成为指纹识别领域的一个热点问题 1 4 。 2 1 嵌入式指纹系统特点 一个嵌入式指纹识别模块包括嵌入式芯片，驱动，指纹识别核心算法模块等 部分。嵌入式芯片包括运算部件( 本文系统采用d s p 5 5 0 9 ) ，f l a s h ，电源部件，通 讯部件等。驱动的主要包括f l a s h 驱动，通讯驱动等。指纹识别核心算法模块主 要完成指纹图像的特征提取和比对等功能，是整个模块最关键的部分。嵌入式指 纹识别系统的开发一般都是面向产品的，最终要以产品的形式交付 1 5 。所以开 发过程中一定要有严格的开发计划和完善的开发文档。不同于联机指纹系统，嵌 入式系统本身是一个独立的运行环境，不同产品所采用的微处理器在功能与速度 上有很大差异。由于指纹识别模块要对大量的图像数据进行处理，因而对处理器 的性能和空间要求较高，然而高的处理器性能和大的芯片空间必然会使整个系统 的价格上升，丧失了价格上的优势。所以在进行芯片选型时要综合考虑各个方面 的要求，选择合理的芯片型号。在进行算法开发时要考虑到所选芯片的运行速度， 山东大学硕士学位论文 存储量，有的指纹处理算法虽然在联机环境下表现出良好的处理效果，但由于运 行速度和空间等方面的限制，在嵌入式环境下未必能够达到同样的性能。所以在 嵌入式环境下对算法进行移植和优化是一项重要的工作。 在进行指纹识别软件设计时，须关注几个相关的参数。 l 、拒识率f r r ( f a l s er e j e c tr a t e ) 已注册指纹被错误地判为未注册指纹的次数与所有比对次数的比值。它显示 了系统的易用性。 2 、误识率f a r ( f a ls ea c c e p tr a t e ) 未注册的指纹被系统错误地接受的概率，它描述指纹识别系统的安全性。 3 、拒登率( e r r o rr e g i s t r a t i o nr a t e ) 指的是指纹识别系统出现不能登录及处理的指纹的概率。它是用来描述指纹 识别系统的适应性。 4 、速度 指纹识别系统的工作速度主要由采集时间、图像处理时间、比对时间和平均 识别速度几项指标构成。采集时间通常包含了采集的操作时间和图像的传输时间。 5 、“l ：l ”与“l ：n ” 指纹识别系统有两种典型的工作方式：认证( v e r i f i c a t i o n ) 和识别 ( i d e n t i f i c a t i o n ) 。认证是指将现场采集到的待测指纹样本与指纹特征模板进行 “1 ：1 ”比对，如果指纹库中存在不止一枚指纹则需要i d 号来选择待匹配的指纹。 而识别则是将现场采集到的待测指纹样本与指纹特征数据库中的所有指纹进行 “l ：n ”的搜索比对。相对于“l ：1 ”，1 ：n 在本文构造的系统中使用更加方便。 2 2 嵌入式指纹识别面临的实际问题 嵌入式指纹识别系统在软硬件方面都有自己的特点和需要面临的实际问题。 如系统的实时性，稳定性，功耗，安全性和可靠性等。实时性是指系统对输入的 响应速度，指纹识别系统需要对输入的指纹图像进行特征提取，并与存储的指纹 特征码进行匹配，需要大量的计算。一般的指纹识别系统需要在3 秒内给出匹配 结果，所以除在硬件设计上要采用计算速度较快的c p u ，在软件方面也要提高指纹 6 一 山东大学硕士学位论文 识别预处理，指纹匹配和检索的速度。系统运行的所需的空间也是需要考虑的一 个问题，指纹图像占用大量的存储空间，运行时也需要额外的运行空间，然而嵌 入式芯片的内存一般较小，在进行软件设计时要充分考虑空间的消耗。功耗是嵌 入式系统的一个重要指标，低功耗能够降低系统的发热量，可以延长电池的使用 寿命，在进行硬件设计时根据功能需要设计硬件最小系统，并采用高效率的电源。 2 3 嵌入式指纹识别软件设计 嵌入式指纹识别系统的软件系统包括驱动部分，控制部分和应用软件部分。 驱动部分主要包括f l a s h 驱动，串口驱动等，驱动是硬件正常工作的必要组成部 分。控制系统部分主要用于控制整个系统的正常运行和人机交互。应用软件部分 主要指指纹识别算法，是整个软件系统的核心与研究重点。 2 3 1 指纹识别系统流程 为消除图像噪音，精确地提取出指纹特征，需要对图像进行一系列的处理， 指纹的处理过程包括图像归一化，分割，方向场计算，纹线距离估计，增强，二 值化，细化，特征提取，分类，匹配等步骤。指纹识别系统的一般处理流程如图 2 1 。 图2 - 1 算法流程 1 图像分割 指纹分割的目的时为了去掉指纹图像的背景部分，指纹的前景是指存在可辨 析的指纹的部分，其余部分称为指纹图像的背景部分。消除指纹图像的背景是为 了获得存在指纹纹线的区域，提高后续处理的速度。一个好的指纹分割算法要能 够去除指纹的背景区和不可恢复区。不可恢复区是指那些指纹上由于污迹和噪声 山东大学硕士学位论文 污染等而不能恢复其指纹原有的局部结构的区域。目前通过灰度均值，方差，方 向一致性等都能够对指纹进行分割。方差法：由于指纹图像的前景区域的前景区 的脊线和谷线的灰度差较大，所以前景区的局部灰度方差较大，而在背景区中由 于灰度值较为平滑，所以局部灰度方差较小，把指纹图像分为互不重叠的小块， 求取各个小块的方差，由于前景区和背景区的方差差别，把局部方差与某个阈值 比较，局部方差大于阂值的分块归为前景区，小于阈值的分块归为背景区。在本 文采用基于块方差的方法对指纹进行分割，分割方法快速有效。 2 确定增强参数： 利用g a b o r 函数作为指纹增强的滤波器前需要确定一些参数，其中方向场和 纹线距离是指纹增强的两个重要的参数。指纹方向场确定了滤波方向，而纹线距 离决定了滤波模板的大小。指纹是由一些近似平行的纹线构成，指纹方向场描述 了局部指纹纹线走向。一般而言，指纹方向场分为点方向和块方向。点方向场为 每个像素确定一个方向，点方向场能够较精确地表示每个点的方向，相邻像素间 的方向连续性较好。块方向是将图像分成等大小的块，每个块一个方向。由于指 r _ 纹局部的纹线结构具有相似性，所以将一个块内的像素赋一个方向具有一定的合 理性。将指纹图像分成块进行处理能够提高算法的处理速度。但相对于点方向场， 基于块的方向场相邻块之间的值跳跃性较大，特别对于纹线曲率较大的模式区。 在嵌入式环境下对处理速度和空间的要求较高且模式区占整幅图像的比例较少， 而且能通过平滑进行校正，所以基于块的方向场是较好的选择。纹线距离是指相 邻脊线或相邻谷线之间的距离。指纹不同位置的纹线距离会有轻微的差别，有些 算法中为得到较精确的增强效果采用了基于块的纹线距离，为每个块计算相应位 置的纹线距离。同时由于不同位置的纹线距离相差较小，也可采用全局的纹线距 离作为增强的参数。 3 指纹增强 指纹增强的目的是消除图像上的噪音，突出局部纹线结构，方便特征的提取。 一 指纹增强是预处理过程中最为重要的一步。指纹增强对指纹的处理速度和处理效 果具有很大的影响。构造快速有效的指纹增强算法对嵌入式指纹识别系统至关重 要。结合速度和性能两方面的要求，本文提出了一种新的指纹增强算法。 ， 山东大学硕士学位论文 4 二值化 主要可以分成全局阂值法、动态阂值法和方向二值法。 1 ) 全局阈值法 全局阈值法为整个图像规定一个阈值，当象素灰度值大于此阂值时，将像素 点取为1 或0 。这种方法算法简单，容易实现，可是最大的问题就是抗噪能力差， 因为阈值固定，没有办法很好的解决不同图像指纹灰度差异的问