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东北大学硕士学位论文 摘要 嵌入式指纹识别系统的设计与实现 摘要 指纹识别是指通过计算机，利用人体固有的指纹生理特征来进行个人身份鉴别的技术。 由于人体指纹具有唯一陆和不变性，使得指纹识别与传统的认证方法相比，具有更高的安 全性和易用性。传统的高性能指纹识别系统大多是基于p c 平台的，而今蓬勃发展的民用 市场对指纹识别系统的便携陛和易用性提出了更高的要求，指纹识别技术正向着小型化和 嵌入式的方向发展。 本课题的研究目标是结合嵌入式技术与指纹相关的处理算法，开发出一套基于嵌入式 平台的指纹识别系统，实现安全、高效、方便的个人身份识别。为了将传统的基于p c 机 平台的高性能的指纹图像处理算法和嵌入式平台有机的结合起来，课题在软件算法和硬件 体系结构的设计上做了大量的工作。在硬件方面，以c y g n a l 公司的c 8 0 5 1 f 1 2 4 单片机和 富士通公司的m b f 3 1 0 指纹传感器为核心，设计了一套指纹识别系统。在软件算法方面， 针对单片机处理平台在运算速度和存储器资源上的劣势，对于前人在p c 机平台上实现的 指纹算法进行改进，在保证系统可靠性的前提下有效的降低了运算量，实现了指纹识别系 统所需的基本功能。 试验证明，本课题设计的指纹识别系统在便携性、可靠性、实时性和设备成本方面都 基本达到令人满意的效果。 关键词：嵌入式系统指纹识别c 8 0 5 1 f 1 2 4m b f 3 1 0 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t d e s i g n a n dr e a l i z a t i o n o fe m b e d e d 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 m 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 ni s at e c h n i q u et oi d e n t i f yap e r s o nb a s e do nh i sf i n g e r p r i n t c h a r c a t e r i s t i c s b e c a u s eo f t h ef i n g e r p r i n ti se x c l u s i v ea n di n v a r i a b l e ，c o m p a r e dt ot h et r a t i t i o n a l a u t h o r i z e dm e t h o d ，f i n g e r p r i n ti d e n t i f i c a t i o ni si n h e r e n t l ym o r er e l i a b l ea n dm o l lc a p a b l ei n d i f f e r e n t i a t i n ga na u t h o r i z e dp e r s o nf r o maf r a u d u l e n ti m p o s t e r n o wm o s to ft h ea u t o m a t i c f m 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 sa l er e a l i z e do nt h ep c - b a s e dp l a t f o r m w i t ht h en e w l y d e v e l o p i n gm a r k e tf o rc i v i la p p l m a t i o n ，s y s t e m sp o r t a b i l i t ya n dc o n v e n i e n c ei sn e e d e d s ot h e t r e n do fm i n i a t u r i z i n ga n de m b e d d i n gf o rf i n g e r p r i n ti d e n t i f i c a i o nb e c o m em o l la n dm o r e d i s t i n c t i nt h i st h e s i s ，o t n o b j e c t i v ei st od e s i g naf 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 mt op e r f o r mf u l l y a u t o m a t i cp e r s o n a li d e n t i f i c a t i o nw i t hh i g hs e c u r i t yc o m p o s i n gt h ee m b e d e dt e c h n o l o g ya n dt h e a d v a n c e dp c b a s e da l g o r i t h mf o rf i n g e r p r i n tp r o c e s s i n gp r o p e r l y t oa c h i e v et h i so b j e c t ，ih a v e d o n eag r e a td e a lo f w o r ko ns o f t w a r ea l g o r i t h ma n dh a r d w a r ef r a m ed e s i g n i nh a r d w a r ed e s i g n a s p e c t , ih a v ed e s i g n e das e to ff 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 fc 8 0 5 1 f 1 2 4m c u w h i c hp r o d u c e db yc y g n a lc o r p o r a t i o na n dm b f 3 1 0f i n g e r p r i n ts e n s o rw h i c hp r o d u c e db y f u j i s t um i c r o e l e c t r o n i c s f o rs o f t w a r ea l g o r i t h r nd e s i g n ，a c c o r d i n gt ot h ei n f e r i o rp o s i t i o no f t h e m c u b a s e do no p e r a t i o nr a t ea n dm e m o r yr e s o u r c e ，ih a v ei m p r o v e df i n g e r p r i n ta l g o r i t h m f i n i s h e do nt h ep c - b a s e db yp r e d e c e s s o rs oa st or e d u c eq u a n t i t yo f o p e r a t i o nt h i sa l g o r i t h mh a s r e a l i z e db a s i sf u n 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 t i o ns y s t e m e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h i ss y s t e mh a sa c h i e v e ds a t i s f i e dp e r f o r m a n c eo np o r t a b i l i t y , r e l i a b i l i t y , r e a l - t i m ea b i l i t ya n dp r i m ec o s t k e y w o r d s ：e m b e d e d s y s t e m ，f m g e r p r i n ti d e n t i f i c a t i o n ，c 8 0 5 1 f 1 2 4 ，m b f 3 1 0 i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成果除加以 标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得 其他学位而使用过的材料。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谢意。 学位论文作者签名：邢辱 日期：狮，z 、瑶 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、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磁盘，允许论文被查阅和借阅。 本人同意东北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、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。) 学位论文作者签名 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 当今社会，电子设备和保密机构对更安全、更方便的身份认证和访问控制的需求变得 越来越紧迫，传统的机械钥匙、“用户d + 密码”以及智能卡等的保护措施存在着丢失、遗 忘、复制及被盗用的隐患，在这种情况下，生物识别技术为上述方法的不足提供了一个很 好的解决方案。一个人的生物特征是“随身携带”的；具有唯一性和不可复制性，不用担 心会丢失，可以不必携带大串的钥匙，也不用费心去记忆或更换密码。指纹识别是人类生 物特征识别方法的一种，有学者推论：以全球6 0 亿人口计算，3 0 0 年内都不会有两个相同 的指纹出现。指纹被称为“物证之首”，安全可靠【l 】。进入信息时代，生物特征识别在西方 又一次崛起。以电子商务、电子银行的安全认证为例，目前在电子商务中，他人假冒当事 人上网采购所造成的欺诈案越来越多，并有孩子冒充家长上网采购的案例。如果对当事人 的身份能有效确认，例如通过生物特征识别确认，就可有效防止类似事件的发生。另外， 网络、数据库和关键文件等的安全控制，机密计算机的登录认证，银行a t m 、p o s 终端等 的安全认证，蜂窝电话、p d a 的使用认证等都离不开可靠安全的生物特征识别。 研究和实践表明，指纹识别是最方便、最可靠的个人身份认证方法之一。随着图像处 理、模式识别和计算机科学等学科的发展，大约在7 0 年代，美日等发达国家先后开始研究 自动指纹识别系女 ( a u t o m a t e d 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 简称a f i s ) 。虽然在过去的3 0 多年中己取得很大进展，但a f i s 仍是国内外模式识别研究中的热点之一，每年在i e e e p a m i 和p r 杂志上都有不少关于指纹识别方面的文章，在国内清华大学、北京大学和中国 科学院己经研制出一些实际系统，在公安司法等领域得到初步应用。 1 9 9 8 年5 月2 0 日美国众议院举行了题为“b i o m e t r i c sa n dt h ef u t u r eo f m o n e y ”的听 证会，听取并讨论了关于生物特征( 包括指纹、人脸、视网膜、语音等) 身份确认技术应用 于银行、金融以及个人信息安全领域的情况。到会的有相关领域的公司、学校、科研机构 的总裁、首席行政官、教授等高层人士，他们各自介绍了当今生物特征身份确认技术的应 用状况以及未来的发展，并一致认为生物特征身份确认技术将改变人们现有的生活方式和 商业模式。 由此可以看出，自动指纹识别技术己经并将继续成为高技术领域的研发热点和市场应 用的重点。尽管目前己经有了多种指纹识别产品，但是由于指纹图像的噪声处理、非线性 形变、伪特征处理等指纹算法的复杂性，以及许多研究文献都因商业利益而保密未予公开。 理想的自动指纹识别系统的实现至今仍是一个相当困难的研究任务，而其处理流程中各个 东北大学硕士学位论文第一章 绪论 阶段的算法研究是当前指纹识别技术的核心内容。 1 2 指纹识别技术 指纹识别技术是指利用计算机进行的指纹自动识别的技术，它是一项综合技术，其研 究发展涉及到多个前沿及边缘科学，如模糊数学、数学形态学、神经网络、模式识别、计 算机视觉、人工智能、数据压缩、并行处理以及网络技术。 从指纹采集方式看，基木可以分为三类；捺印指纹、模糊指纹和活体指纹。捺印指纹 指的是将沾了印墨的手指按压在某种东西( 通常是纸) 上所留下的指纹痕迹，过去通常采 用的都是这种采集方式，直到今天，这种方式仍然是指纹采集的主要手段之一。模糊指纹 一般是指犯罪现场采集观察到的指纹。根据录入原理的不同，活体指纹录入可以分为光反 射式、超声反射式、热敏式以及电容式几种。根据采集时指头是否与录入仪器接触，又可 分为接触式和非接触式。根据是否可以滚动采集指纹又可分为滚动指纹录入仪和非滚动指 纹录入仪。 1 2 1 指纹识别的历史 据考古学家证实：公元前7 0 0 0 年6 0 0 0 年，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，些粘土陶器上留有陶艺人的指纹，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 的古城市的房屋上留有砖匠的指纹等。由此可见，指 纹的些特征在当时已经被人们认识和接受。 1 9 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，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( 即指纹的惟一性和不变性) 。 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( 19 9 6 年阿根廷首次应用，然后 苏格兰在1 9 0 1 年应用，2 0 世纪初其他国家也相继将此技术应用到犯罪事件的鉴别中) 。2 0 世纪6 0 年代，由于计算机可虬有效地处理图形，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 ) 在法律实施方面的研究和应用在世界许多国家展开。 1 2 2 指纹识别研究的现状 指纹自动识别系统是集计算机、网络、光电技术、图像处理、智能卡、数据库技术等 于一体的综合技术。 目前的指纹自动识别系统是采用的光电识别办法采集卟指纹信息，并把它变成可以 和计算机处理过的暗码相比对的代码。这些代码都经过加密处理，然后经独特的相关算法 进行识别判断，在算法上有的采用一个指纹的全部图案，而有的采用指纹的特殊细节。 根据已掌握的报道资料来看，目前的自动指纹识别系统已具有如下特点： 根据已掌握的报道资料来看，目前的自动指纹识别系统已具有如下特点： 东北大学硕士学位论文第一幸绪论 f 1 ) 可靠性：采用独特的容错技术，既使指纹有破坏，即指纹不全或指纹随时问有自然 的变化时也不影响正确识别。 ( 2 ) 快捷性：大多数系统鉴别时间仅需1 3 s ，登录注册一个新客户只需1 分钟的时间。 ( 3 ) 灵活性：一个指纹信息的代码可以压缩到几十个字节到几百个字节，因此可以存放 在一个磁条上或者一张二维条码卡上或者i c 卡上，甚至几个指纹代码可以存在一张智能卡 上。当然，成千上万的代码可以存放在本地或网络化数据库中，这样，代码可经网络迅速 传输。因而可以灵活的构成多种系统，即可以独立使用或集成到一个大范围的出入口控制 或者安全管理系统：如证卡存档识别系统中。 ( 4 ) 可接受性：一个因素是目前的系统具有高性能；另一个因素是目前的系统设计已考 虑到人类工程学设计，因而易被多数用户接受。 ( 5 ) 安全性：所有个人代码都经过了特殊加密。通过所存储的代码不可能复原源指纹， 彻底避免了指纹冒用。因此，即使证卡丢失，也不存在安全问题。 ( 6 ) 方便性：目前出现的各类指纹识别系统一般外观设计精巧、结实，采用了精密独特 的光电系统，具有全程液晶提示，各有多种安装模式。 ( 7 ) 兼容性：可以与现有的各类系统兼容，可实现全自动化的识别。 ( 8 ) 实时性：可实现完整的跟踪、实时报警功能。 正是由于目前已经开发出了具有如上特点的自动指纹识别系统。因此，以此为基础的 个人识别技术，即证卡、代码、指纹的综合动态模式组合，将可以对不同的应用场所提供 不同的安全等级。 迄今为止，自动指纹识别技术的研究虽然已经取得了很大的成绩，但是同时也面临一 些问题。影响指纹识别率的因素有噪声、变形等，例如脏手指、干手指或疤痕等导致的不 同时期、不同季节问指纹的差异；芯片表面残留物带来的噪声；手指按压过程中的扭转、 拉伸和按压力度等因素会使指纹产生变形。这些都会影响指纹质量，使多次录入的同一手 指的指纹不能被指纹识别系统辨识，这样给指纹识别带来困难，直接导致识别错误。随着 晶体半导体指纹录入芯片的诞生，使得指纹识别技术从单一的司法应用扩展到民用。为了 降低成本，指纹芯片的面积做得尽可能小，这样，由于指纹的多次按压不同，导致同一指 纹的重叠区域有时会很小。传统的基于细节点田的指纹识别算法只利用了指纹图像中的一 小部分信息( 细节点) ，丢失了丰富的结构信息，对于小面积指纹图像就有可能因为缺乏足 够的信息而影响识别率。而且细节点提取过程中，由于噪声的影响，很容易产生虚假细节 点和丢失真正的细节点，在指纹的受损区域，这种现象更为突出。另外，由于每个指纹的 细节点数都不同，导致产生出的特征向量长度不同，不利于快速匹配( 主要指数据库搜索) 。 此外，特征匹配时，细节点的相对位置随指纹的弹性变形而改变，会影响匹配精度。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2 3 指纹识别技术的市场及应用前景 自动指纹识别系统有着极其广阔的应用前景。众所周知，指纹识别最早是在罪犯鉴别 中应用。它对于提高侦察手段、震慑罪犯、打击刑事犯罪起到了重要作用。著名的例子是 1 9 8 2 年西德警方使用激光指纹检验方法，给隐藏了四十多年的一名葡萄牙法西斯分子定 罪，从此激光指纹检验因其神奇特点而声名大振。 根据目前的了解，a f i s 的其它适用场所为：政府各类机要部门( 例如档案馆、机要室) 、 国家重点实验室及生产重地、机场、军事要地、重要军事装备或关键设备的启动控制、银 行金库、金融系统、博物馆、珠宝箱、高级住宅、高级宾馆等重要门禁或入口控制、汽车 门锁等。除此之外，另一大潜在应用前景是：自动取款机( 删) 、信用卡、驾驶执照、 身份证、医疗健康卡、计算机系统安全等方面。 由于指纹识别技术的诸多优点，可以预料，一方面指纹识别系统将会在一切需要验证 身份的场所发挥越来越多的重要作用，其应用领域将会进步拓宽；另一方面，由于市场 的推动，指纹识别技术也会不断提高，在其识别可靠性、速度、成本等方面进一步朝实用 化迈进。 1 3 指纹识别的基本原理 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。多年来，在各个公司及其研究机构产生了许多数字化的算法，指纹识别算法最终 归结为在指纹图像上找到并比对指纹的特征。指纹的特征定义了指纹的两类特征以进行指 纹的验证：总体特征和局部特征【1 1 0 1 总体特征 总体特征是指那些用人眼直接就可以观察到的特征，包括以下几方面。 ( 1 ) 基本纹路图案 基本纹路图案包括环型( l o o p ) 、弓型( a r c h ) 和螺旋型( w h o r l ) 。其他的指纹图案 都基于这3 种基本图案。这只是一个粗略的分类，仅依靠图案类型来分辨指纹是远远不够 的，但通过分类可以使得在大型数据库中搜索更为方便。 ( 2 ) 模式区( p a t t e m a 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( c o r ep o i n t ) 核心点位于指纹纹路的渐进中心，它用于读取指纹和比对指纹时的参考点，如图1 1 ( a ) 所示。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 4 ) 三角点( d 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、 拆转处，或者指向这些奇异点。三角点提供了指纹纹路的读数和跟踪的开始之处，如图1 1 ( b ) 所示。 ( 5 ) 式样线( t y p el i n e s ) 式样线是指在包围模式区的纹路开始平行的地方出现的交叉纹路，式样线通常很短就 中断了，但它的外侧线开始连续延伸，如图1 1 ( c ) 所示。 ( 6 ) 纹数( r i d g e c o u n t ) 纹数是指模式区内指纹纹路的数量。在计算指纹的纹数时，一般先连接核心点和三角 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，如图1 1 ( d ) 所示。 ( a ) ( b ) ( c )( d ) 臻，撼勰瓣 图1 1 指纹总体特征 f i 9 1 1 g l o b a lc h a t a c t t a o f f i n g e x p r i n t 2 局部特征 局部特征是指指纹上的节点。两枚指纹经常会具有相同的总体特征，但它们的局部特 征节点却不可能完全相同。节点( m i n u t i ap o i n t s ) 指纹纹路并不是连续的、平滑笔直的， 而是经常出现中断、分叉或打折。这些断点、分叉点和转折点就称为特征点。就是这些节 点提供了指纹唯一性的确认信息。指纹上的节点有4 种不同特性。 ( 1 ) 分类 节点有以下几种类型，最典型的是终结点和分叉点。 a 终结点( e n d i n g ) 一条纹路在此终结。 b 分叉点( b i f u r c a t i o n ) ：一条纹路在此分开成为两条或更多的纹路。 c 分歧点( r i d g ed i v e r g e n c e ) ：两条平行的纹路在此分开a d 孤立点( d o to ri s l a n d ) ：一条特别短的纹路，以至于成为一点。 e 环点( e n c l o s u r e ) ：一条纹路分开成为两条之后，立即又合并成为一条，这样形成 的一个小环称为环点。 f 短纹( s h o r t r i d g e ) ：一段较短但不至于成为一点的纹路。 ( 2 ) 方向( o r i e n t a t i o n ) 每个节点都有一定的方向。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 3 ) 曲率( c u r v a t u r e ) 描述纹路方向改变的速度。 ( 4 ) 位置( p o s i t i o n ) 节点的位置通过( x ，y ) 坐标来描述，可以是绝对的，也可以是相对于三角点或特征点 的。 1 4 指纹识别系统的构成 指纹识别技术主要涉及4 个功能：读取指纹图像、提取特征、保存数据和比对，其系 统结构如图l - 2 所示。首先，通过指纹读取设备读取到人体指纹的图像，取到指纹图像之 后，要对原始图像进行初步的处理，使之更清晰。接下来，指纹辨识软件建立指纹的数字 表示特征数据，这是一种单方向的转换，即可以从指纹转换成特征数据但不能从特征数据 转换成为指纹，而两枚不同的指纹不会产生相同的特征数据。软件从指纹上找到被称为 “m i n u t i a ”的数据点，也就是那些指纹纹路的分叉、终止的坐标位置，这些点同时具有7 种以上的唯一性特征。因为通常手指上平均具有7 0 个节点，所以这种方法会产生大约4 9 0 个数据。有的算法把节点和方向信息组合产生了更多的数据，这些方向信息表明了各个节 点之间的关系，也有的算法还处理整幅指纹图像。总之，这些数据，通常称为模板，保存 为1 k b 大小的记录。无论它们是怎样组成的，至今仍然没有一种模板的标准，也没有一种 公布的抽象算法，各厂商自行其是。最后，通过计算机模糊比较的方法，把两个指纹的模 板迸行比较，计算出它们的相似程度，最终得到两个指纹的匹配结果。 图1 2 指纹识别系统结构 f i g1 2b l o c kd i a g r a mo f 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 m 1 5 本文的主要工作 本课题设计出一套完整的自动指纹识别系统，实验证明该系统是可靠有效的。整个系 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 统可分为硬件和软件算法两大部分。 在硬件部分，以c y g n a 】公司的c 8 0 5 1 f 1 2 4 单片机和美国富士通公司的m b f 3 1 0 指纹 传感器为核心，扩充了外部r a m 和e 2 p r o m ，并加装了液晶显示屏设备，制成了一套低 成本、高可靠性、人机界面友好的指纹识别系统。 在软件算法部分，包括指纹图像的预处理和指纹图像的特征提取与匹配。指纹国像的 预处理是指纹识别的关键部分，按其处理过程分为规格化和直方图均衡化、图像分割、灰 度图滤波去噪、二值化、二值化去噪、细化和细化后去噪六个阶段。本文首先对指纹图像 进行规格化和直方图均衡化，然后根据均值和方差值将图像分割为前景部分和背景部分， 接下来根据指纹图像每一像素点的周围像素的灰度值变化情况确定指纹的点方向图，并进 而求出块方向图，根据块方向图设计出上下文滤波器对指纹灰度图进行滤波去噪。以动态 阈值法对指纹图像进行二值化，二值化后进行了去噪处理。在细化过程中，本文采用并、 串行结合算法，从而较好地实现了细化处理。针对细化图中各种噪声的拓扑特点，本文分 别采用相应的算法将它们一一去除。 指纹图像的特征提取过程主要提取的是指纹的细节特征，即普遍认可的端点和分叉点。 本文先用8 邻域法将指纹细化图中所有的端点和分叉点全都找出来，并根据其独特的拓扑 结构，去除伪特征点。 指纹图像的匹配是完成最终识别的关键一步。本文采用无中心点的匹配方法，借用判 断三角形全等的“边角边”定理以确定两枚指纹是否匹配网。 东北大学硕士学位论文第二章指纹识别系统设计 第二章指纹识别系统设计 2 1 概述 指纹识别系统实际上是一个相当复杂的多任务系统，整个过程包括图像采集、预处理、 特征提取、识别匹配等，考虑到实际应用的需要，还必须加上数据传输、外围设备控制等 部分来完成一系列诸如人机对话、指纹数据库数据读取、匹配结果输出等工作。其中预处 理、特征提取和匹配识别都具有算法复杂、计算量大的特点，因此整个系统实际上也是一 个计算密集的过程。要实现这样一个多任务、高计算密度的系统，除了要求处理器拥有强 大的计算能力外还必须拥有强大的控制能力来协调调度和分配资源。同时，大量高速的存 储器资源也是必不可少的。传统的p c 机平台极好的满足了上述要求：p c 机处理器工作频 率高、计算速度快、功能强大；p c 机平台支持超宽的数据总线，海量高速的可扩展内存， 再加上大容量数据c a c h e 的支持，使得它在处理大量数据运算和数据存取方面有着独到的 优势。正l 司为如此，传统的具有较高精度要求和可靠性要求的自动指纹识别系统都是在基 于p c 机的平台上实现的。 但是，如今蓬勃发展的民用指纹识别市场在系统的方便性、便携性和成本上都提出了 更高的要求，传统的p c 机平台在这些方面显然是无能为力的，小型化、嵌入式将是指纹识 别系统发展的必然方向。 采用基于d s p 处理器的嵌入式平台来实现指纹识别已经有过许多研究报告，市场上也 可见到部分产品。但是总的来说，这些产品价格昂贵，推广、普及、应用较难。因此，本 课题做了大胆尝试，以c 8 0 5 1 f 1 2 4 单片机为核心，优化处理过程，在单片机上实现了指纹 识别算法。事实上，从运算量上讲，中档单片机完全可以实时的处理一些比较复杂的处理 算法，关键在于如何选择合适的算法以及如何建立合适的硬件体系结构并加以实现。关于 指纹识别算法将在下面两章介绍，本章着重于硬件实现。 2 2 指纹传感器的分类 指纹采集设备按指纹传感器工作原理的不同可分为五类：光电式、电容式、压敏式、 热敏式和超声波式【4 】。下面就指纹传感器的几种类型分别加以介绍。 2 2 1 光电式指纹传感器 光电式指纹传感器工作原理是利用从光源发出的一组光线，经过棱镜后照射在待采手 指上，由于指纹的脊和谷对光线的反射不同，所形成的指纹纹路图像被投射到半导体光敏 矩阵器件上，形成随图像明暗变化而改变的电信号。最后经过a d 转换电路转换为一连串 东北大学硕士学位论文 第二章指纹识别系统设计 的数字图像信息。 早期的光电式指纹传感器中，光电图像转换器件主要采用半导体c c d 器件，其信号 输出大多是模拟信号，与处理器的接口电路比较复杂，抗干扰能力也较弱。随着c m o s 数 码阵列光电图像传感器技术的不断成熟，在光电图像转换的领域中，c m o s 光电器件开始 逐步取代传统的c c d 光电器件。用c m o s 光电器件取代c c d 光电器件而构成的光电式 指纹传感器，称之为c m o s 光电式指纹传感器。与c c d 光电式指纹传感器相比，c m o s 光电式指纹传感器采用数字信号输出，抗干扰能力较强，与处理器的接口电路十分简单。 光电式指纹传感器的优势在于，产品的成本相对较低，耐用度好，抗静电强度高，能 承受一定程度的温度变化，并能够提供分辨率为5 0 0 d p i 的图像。不足之处主要表现在尺寸 过大和潜在指印两个方面。 2 2 2 电容式指纹传感器 半导体电容式指纹传感器是一种非视觉型的全新概念的指纹传感器。2 0 世纪9 0 年代 后期，产品化的半导体电容式指纹传感器开始在市场上出现。电容式指纹传感器由半导体 晶片构成，在半导体晶片的表面，集成了约1 0 0 ，0 0 0 个电容传感器阵列，其表面是绝缘的。 当活体手指放在上面时，皮肤组成了电容阵列，手指上导电性能良好的真皮层上的脊和谷 相对晶片表面的距离不同，与芯片之间产生不同的电容使电容传感器阵列中相应单元的电 压值也不同，继而使这些电信号转换成一个8 b i t 的灰度数字指纹图像。 半导体电容式指纹传感器具有自动增益( a g c ) 功能，在不同的环境下结合反馈的信 息，可以自动调节行、列、局部范围以及每一个像素的灵敏度，从而提高图像的质量。例 如一个局部不清晰( 对比度差) 的干燥指纹图像，或者是手指按压力度较轻而使边沿模糊 不清，都能够被反馈环路感觉到，并自动增强其灵敏度来进行补偿，在图像捕捉的瞬间生 成清晰的图像。因此采用半导体电容式指纹传感器录入设备，能够在相对较差的条件下生 成质量较好的指纹图像。对不同的气候变化和职业背景所带来的手指变化，具有较好的适 应性。 半导体电容式传感器体积小巧，它可以集成到许多现有设备特别是移动式设备中，图 像几何失真度小，能够生成质量较好的指纹图像，并且指纹录入时不需要较大面积的录入 头。其缺点是受半导体大规模集成电路制造技术水平的限制，其采集的面积不易做大。对 特别潮湿的手指，采集效果不佳。另外，容易受到静电的影响，这使得传感器有时会取不 到图像，甚至会被损坏。 2 2 3 热敏式指纹传感器 热敏式指纹传感器的采样原理是通过感应在传感器上指纹的脊和谷的温度不同来获 东北大学硕士学位论文第二章指纹识别系统设计 得指纹图像。它的采集面通常呈窄条线状结构，采集时改变了以往传统的“捺印”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来生成指纹 图像的电信号。热敏式指纹传感器的工作方式属于被动扫描型，输出信号为图像帧序列， 需要用专门的图像拼接算法来拼接出一蝠完整的指纹图像。其特点是体积小，成本极低。 但其输出的图像经拼接后生成的指纹图像几何失真度较大。 热敏式指纹传感器采用了全新的设计思路，它的工作机理是基于对温度的敏感。从而 可以在不影响芯片采集性能的前提下，在其表面涂覆一层导电的钛膜，既起到静电保护的 作用，又可以提高芯片的耐瘩损性能。因此，热敏式指纹传感器的抗静电能力较强，耐磨 损能力也强，通常可达数百万次。同时由于采用的是滑动的工作方式，所以较好地解决了 指纹残留所带来的各种问题。 2 2 4 压敏指纹传感器 压敏指纹传感器顶层的表面是具有弹性的压敏介质材料，它们根据指纹的外表脊纹线 的凹凸转化为相应的电子信号，继而形成指纹图像。其主要特点是成本较低，对干湿手指 适应能力极佳，即使将其浸入水中，也不会影响指纹图像采集质量。缺点是对于妇女、儿 童等皮肤较娇嫩的手指，采集的图像不够清晰。 2 2 5 超声波指纹传感器 超声波指纹传感器取像的原理是通过超声波扫描指纹的表面，接收其反射信号，测量 它的变化值，得到脊的深度和具体位置，进而获得指纹图像。该类传感器工作时，超声波 能够穿透台板以及指纹上的灰尘和残余物，所以积累在皮肤上的脏物和油脂对超声波扫描 获得的图像影响不大，因此这样的图像是实际脊线凹凸的真实反映。其优点是采集面积大、 适应能力好。缺点是设备体积大、成本高以及使用寿命不稳定。 2 3 指纹传感器m b f 3 1 0 f u j i s t u 公司的m b f 3 1 0 是一款固态“刮擦”( s w e e ps e n s o r ) 接触式由二维金属电极阵 列组成的电容性指纹传感器。它具有高性能、低功耗、低价格的特点。每一个金属电极作 为电容的一极而接触的手指作为另一极。器件表面的钝化层作为两板的绝缘层。当手指在 传感器表面滑动时，手指上的脊和谷在传感器阵列中产生不同的电容，最后读取变化的放 电后电压并形成指纹图像。 2 1 3 1 芯片工作原理 该传感器阵列包括2 1 8 列8 行的传感器电极，每一列都有两个采样保持电路。采集 一个指纹图像时每次获取一行数据，这个行捕获过程发生在两个阶段。第一阶段，将电容 东北大学项士学位论文 第二章指纹识别系统设计 板的被选择行的电极预充电到v d d 电压，在预充电阶段，一个内部信号使能第一个采样 保持电路采样被选行的电容单元电压。第二阶段是传感器电容板放电阶段，行传感器电 极以一定电流放电。每个单元的放电率跟“放电电流”成正比。经过一段时间( t g 即“放 电时间”) 一个内部信号激活第二个采样保持电路存储最终电极的电压。预充电与放电后 的电极电压的差值就是要测量的传感器单元的电容，行捕获结束后，就可以对行中的每个 单元进行a d 转换了。 芯片的灵敏度可以通过调整放电时间与放电电流来控制。电流源的参考值由外接于 i s e t 和地之间的电阻来决定。电流源由放电电流寄存器( d c r ) 控制。放电时间由放电时 间寄存器( d t r ) 控制。详细资料参见参考文献【5 】。 2 3 2m b f 31 0 芯片主要特性 电容性固态器件； 具有5 0 0 d p i 的分辨率； 传感器面积为1 0 9 c m x 0 9c m ； 传感器阵列2 1 8 8 ； 工作电压2 7 v 3 3 v ； 1 9 贞速率为2 删z 时大于2 9 0 0 帧秒： 两种总线接口方式： 8 位微处理器总线接口； 串行外围设备接口( s p l ) ： 2 k 字节先进先出( f o ) 缓冲器； 自动指纹检测，虚接触功能： 标准c m o s 技术； 低功耗，3 3 v 工作电压下的功耗小于4 0 m w 2 3 3m b f 3 1 0 内部结构图 指纹传感器m b f 3 1 0 的内部结构如图2 1 所示： 东北大学硕士学位论文第二章指纹识别系统设计 图2 1 内部结构图 f i 9 2 1i n n e r b l o c k d i a g r a m 2 3 4m b f 3 1 0 功能寄存器 m b f 3 1 0 是可编程的传感器芯片，它所具有的强大功能是通过内部寄存器设置完成的。 表2 1 所列是这些功能寄存器的地址和功能。在对这些寄存器进行操作时，先向地址寄存 器内写入所要访问寄存器的地址，然后读写数据寄存器即可。 东北大学硕士学位论文 第二章指纹识别系统设计 表2 1 功能寄存器表 t a b l e 2 1t h et a b l eo f f u n c t i o nr e g i s t e r 2 3 5i v l b f 3 1 0 接口模式 m b f 3 1 0 支持两种接口模式，即微处理器总线接口模式和串行总线接口模式，这两种 接口模式相互独立，二者不能同时工作。 1 、微处理器总线接口模式 在微处理器总线接口模式中，使用以下引脚：d 7 ：0 1 ，a 0 ，r d ，w r ，c s 0 ， c s l ，i n t r 和w a i t 。可以选取芯片内部的多谐波振荡器或者x t a l l x t a l 2 引脚的 晶振作为芯片的时钟信号。此时s p i 接口无效。指纹传感器芯片使用一个地址索引方案来 访问功能寄存器。芯片有8 根数据线( d 7 ：o 】) 和一根地址线( a d ) 。地址线用于选择索引 寄存器和功能寄存器。a 0 置低电平时选择索引寄存器，a 0 置高电平时选择由索引寄存器 指定的功能寄存器。索引寄存器保存其值直到被重新写入或者芯片复位。芯片有4 个控制 输入：r d ，w r ，c s 0 和c s l 。置c s 0 为低电平和c s l 为高电平选择芯片。数据 在w r 信号的上升沿锁存。芯片有2 根状态线：i n t r 和w a i t 。当中断事件发生时 东北大学硕士学位论文第二章指纹识别系统设计 i n t r 信号产生。在a d 转换过程中，读取a d 转换器时，w a i t 信号被拉低。a d 转换结束时w a i t 信号被拉高。当i n t r 和w a i t 无效时，i n t r 输出高阻。这样 1 n t r 就可以跟其他相连的低电平有效的中断信号进行线或。 2 、串行总线接口模式 ( 1 ) s p i 总线模式 s p i 总线模式使用以下引脚：s c l k ，s c s ，m o s i 和m i s o ，可以选取芯片内部的 多谐波振荡器或者x t a l l x t a l 2 引脚的晶振作为芯片的时钟信号。此时微处理器总线接 口无效。 ( 2 ) s p i 从模式 在s p i 从模式，传感器可以工作在s p i 模式( 0 ，0 ) ，其中c p o l = 0 、c 既n = o 或者s p i 模式( 1 ，1 ) ，其中c p o l = i 、c p h a = l 。s p i 主机可按时钟输入命令或输出数据达每秒2 0 兆 比特。s p i 主机甚至可在内部多谐波振荡器或者x t a l l x t a l 2 引脚的晶振停止时仍然读 写传感器的寄存器。 ( 3 ) s p i 从模式下寄存器读命令 寄存器读命令包括一个命令字节和一个地址字节。当s p i 主机置s c s 为低时命令序 列开始，接下来在m o s i 引脚发送读命令字节( 编码为0 x 0 3 ) 。紧接着命令字节，主机发 送地址字节即待读的寄存器地址。接收到地址最低有效位( l s b ) 后，s p i 从传感器在m i s o 引脚发送所选择的寄存器的内容。最后，主机在采样到数据的最低有效位后置s c s 为高 电平。当读a d 转换器时，主机应该保持s c s 为低电平以读出连续的像素直到当前行的 末尾。在读取下一行时必须再发送寄存器读命令。s p i 主机在发送另一个命令前必须置 s c s 为高电平。 ( 4 ) s p i 从模式下寄存器写命令 寄存器写命令包括一个命令字节和要写入数据的地址字节。当s p i 主机置s c s 为低 时命令序列开始，接下来在m o s i 引脚发送写命令字节( 编码为0 x 0 2 ) 。然后主机发送要 写入数据的地址字节。最后，主机发送数据，之后置s c s 为高电平。 2 4c 8 0 5 1 f 1 2 4 处理器 c 8 0 5 1 f 1 2 4 是c y g n a l 公司新推出的中档单片机，它是完全集成的混合信号片上系统型 m c u 芯片，运行速率为5 0 m i p s 。其结构如图2 2 所示。该单片机内含c i p 一5 1 的c p u 内核， 它的指令系统与m c s 5 1 完全兼容。单片机内含1 2 8 k b 闪速存储器，用于系统编程，8 4 4 8 b 内部数据r a m 、8 + i o 端口共6 4 根i o 线、一个1 2 位刖d 转换器和一个8 位a d 转换器以及一 个双1 2 位d ，a 转换器、2 个比较器、5 个定时器、5 个捕捉，比较模块的可编程计刿定时器 ( p c a ) 、硬件实现的s p i 、s m b u s 1 2 c 和2 个u a r t 串行接1 1 3 ，看门狗定时器、v d d 监视器 查! ! 垄兰堡堂堡垒查 笙三芏塑竺竖型墨丝堡盐 和温度传感器等部分。c 8 0 5 1 f 1 2 4 单片机支持双时钟，其工作电压范围为2 7 3 6 v ( 端口哟、 r s t 和j t a g 弓i 脚的耐压为5 v ) 。与以前的5 1 系列单片机相比，c 8 0 5 1 f 1 2 4 增添了许多新功 能，同时它的可靠性和速度也有了很大的提高。下面将本系统应用的主要模块作以介绍。 图2 2c 8 0 5 1 f 1 2 4 结构图 f i 9 2 2 c 8 0 5 1 f 1 2 4b l o c kd i a g r a m 2 4 1 端口的输入和输出 c 8 0 5 1 f 1 2 4 有8 位端口组织的6 4 个数字帕引脚。低端口( p 3 ，p 2 ，p 1 ，p 0 ) 既可以按位寻 址也可以按字节寻址。高端口( p 7 ，p 6 ，p 5 ，p 4 ) 只能按字节寻址。所有的引脚都耐5 v 电压，都可以配置成漏极开路或者推挽输出和弱上拉。端口的配置 主要分为以下几个要点。 1 ) 交叉开关引脚配置 2 ) 配置端口为输出方式 3 ) 配置端口为数字输入方式 4 ) 弱上拉 5 ) 配置端口为模拟输入方式 东北大学硕士学位论文 第二章指纹识别系统设计 详细资料请参照参考文献 6 】。 2 4 2 存储器组织 程序数据存储器( f l a s h ) 临时存储器( 只用于数据) 保留 h m h ( 在系统可编程扇区 规模为1 0 2 4 ) o 控9 0 0 0 o x l f