（电路与系统专业论文）活体指纹采集仪.pdf

摘要 奉文介鳐的鑫动指纹识涮系统是舒对利用指纹识别披术进静身份 识别购具体任务而研制开发的。梭拳统包括糖纹采集、糍纹识别和指纹 验隶藏三夺模块。穗纹幕巢模块受责穗纹的活体采集，在这部分中详细介 铝了指纹采浆议姆备部分构成淡及舞溅糖纹采集的枫| 里。糍纹识剐搂墁 毡括指纹疆i 像钧颈处理，待征提取，分蒜，蕊配以及指纹霹的建立。运 部分是该论文的萤点，具体介锱了各个部分原理、流程并实现了各部分 的嚣法，并靖试验结暴馋了译圾酌夯橱。指纹验证模块是将采集列的指 纹尚指纹库中静指纹相比对，确定被取撼披者的身份。把指纹识剐技术 瘟鼹在鞭擎系统中，方是本次蓐 发秘簸垮整秘，夺支溉转堍务臻了指纹 门紧琴统的缎成艨理以魔系统的软件流褥。最后对奎文我激的理论和秘 梭酶安际工诈避静总结，臻建了在今嚣薹律申骞德于宠善趣闻题。 美镳溺：撵缓采纂，鬟绞谖粼，糖绞验疆， 露蘩琴缝 a b s 七r a c t t h e a u t o m a t i c f i n g e r p f i n t i d o n t i f i c a t i o n s y 8 t e m is i 致t f o 娃u e e 疰i 珏t h is # 8 p e f ，i tis 垂e v e l o 多e d 矗e e o f d i n gt o s p e o i f i c t 8 s 惫w 蠡i e hu s e sf i 致g e f p f i n ti d o a t i f i e a t i o nt e e h n o l o 辇yt oe a f r y o 聃ti d e n t i t yi d e n t i f i c a t i o n t h i ss y s t e | l li n c l u d e st h r e em o d u i e s ： fi n g e r p f i n t c o l le c t i o n ， f i n g e r p r i n t i d e n t i f i c a t i o na n d f j 1 1 9 e r p r i n tv e r i f i c a t i o n f i n g e r p r i n tc 0 1 l e c t i o nisr e s p o n s i b l e o f a c q u ir i n gf i n g e r p r i n ti m a g e f i n g e r p r i n ti d e n t i f i c a t i o n m o 露u l el n o l u d e st h e p r e p f o c e ss i n go ff i n g e f p r i n t ， f e 8 t u f e e x t r 8 e t i o n ，魏ee l 拄s 8 i n go ff i n g e f 争f i 鞋t 鑫s 弹e l l s 毽鑫l 棼h i 蘸g ，t 珏e e s t a b lis h m e n to ff i n g e f p r i n ts t o r e h o u s e t h isp a r ti st h ef o e a i p o i n to ft h isp a p e r ，i n t r o d u c e se v e r yp a r t i a lp r i n c i p l e sa n d p r o c ess i n ga n dp r a c t i c o st h ea l g o r i t h m0 fe a c hp a r ta f t e rt h e s e ， t h 0a u t h o ra n a l y s e 8 t e s t i n gr e s u l ti n d e t a i l i nf i n g e r p r i n t v e r i f l i c a t i o nm o d u l ar ， t h ef i n g e r o r i n tt h a tw i l lb eg 拽t h e f e d c o m p 氇r ew i t h t b e f l n g e r p f i n t i n f i n g e f p r i n ts t o r e h o u s e ， d e e r l l l i n i n gt h a tw 瓤。瓣t 囊ep e o p l eo ff i n g e r p r i 狂ti s 。矗塾p l y i 珏g f i n g e r p r i n ti d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g yi nd o o ra c c e s ss y 8 t e mis j u tt h e1 a s tp u r p 0 8 et h a tt h ep a p e rr e s e a r c h e da n dd e v e l o p e d t h is p a p e ri n t r o d u c e st h ep r i n c i 口1 ea n dc o m p o s i t i o no f d o o r a c c os ss y s t e mb as e do nf i n g e r p r i n ta sw e lla ss o f t w a r ep r o c e s s o fd o o r e c e s8s y s t e mb 8 s e do nf i n g e r p f i n t + f i n a ll y ，t h ea u t h o r s 骓越m a r i 三e st h et b e 秘f i e s 秘e 建t i o 建e d8 韩d8 ll 轷o f k 鑫。建e 簌珏纛p o l 珏e s o u ts o 璇e 轷o f kl nf e 街a i nf o rp e f f e e t i n gi nt 毡ef u t u f e 。 k e y w o r d s ：f i n g e r p r i n tc o ii e c t i o n f ；n g e r p r i n ti d e n 七i f j c a t i o n f i n g e r p r i n tv e r l f i o a t i o n d o o ra c c e 8 s8 v s t e m 1 1 概述 第一意绪论 篷善潮络与遥信技术秘飞速发展争人炭活动范蕊秘不赫扩大，巍戎 社会已经对于身份识别的准确性，安全性，实用性提出了更高的要求。 传统酶身份识剥戆方法铡如：智黪卡，身份证，辩令筹，只能丧安全与 方便之问键榴，充分的安全从来没毒蜜现过，而对于更好娓安奎帮与不 方便弼时出瑰，为了实现较高的安全褴，我们必须使用更复杂藏不方便 秘露令，嚣为如暴对我们身逮趣翳酶执嚣披廷一令稿强的密码，鄂么在 得到方使的同时也增加了安全性的隐患。并且卡具有容易舞失，口令有 容舞惠记黩缺点。辑双人镯妊须寻拳更楚安全可靠，锭薅方便畿身铃识 别的秘方法。于是，生物识别技术嫡然兴趣，并应用薅生为一静龋的身 份识别技术。 现实生活申，每个人都有区别于其他人抟独黪媳囊物姥程。醚蕾谤 算机技术酌发展，人们可以从自身申挺取多种生物特强数据，例如拣纹、 蘑像、瞳羁、声努、掌纹等苓。这粒依嚣人身诲耱强进行身份验证戆撬 拳总称为生物识别技术疆i o 辩o tr i oi d e n t i f i e t i o n 筝e c 撼o l o g y ) 。生物 识剐系统首光对生物特征进行取样，援取其唯一的特征并且转化为数字 代码，并选一步挎这些4 弋码转化为特强横撅，人们赋识剐系统交互选行 身徐认证对，识荆系统获取其特征与数据库中的横板进行比对，以确定 是番歪配，铁两淡定接爱或强绝谈人。 提纹识剐技术是生物识裁技术的一赞，列用人手糖纹一些爨赛的特 征，我们就可以把一个人同他的指纹对应起来。通过比较他的指纹和预 先傣毒的垤纹就可默验证 也妁真实身份。搬对于英窀身徐鉴定技术西 言，指纹貉定花费少，效果好，并且可靠。因此糍纹识刺技术已经成为 篓今生物识蹦袄术的孩心和热点。 指纹识别建一神更势理想的身份确认技本。其具体艨鼹如下： i 耱纹是驻一无盖妁，任意辫个人之润不存在窀套鞠酾的据纹。 莠照宅酶复杂挂提供了足够鲢瘸于身份鉴别黩特镊。 2 指纹具有秘当的稳定性，卵终身不定性。指纹的形态与细节特 征不会随藩人的年豁的增长或身俸健藤程疯的变化两变化，可一直被瘩 作人的身份鉴定的可靠手段，而其它的诸如人的声音却有着较大的变 化。 3 提纹的高可靠性。如暴我们想提高可靠蛀，只须登记更多约拯 纹，鏊翮更多转手稳，一令人获多可以奏卡令蠢纹特翟。 4 便于获驭臻纹撙本，彝予雳发，识鄹系统实嗣注强。鏊羲已有 标准的摇纹簿本库，方便了识别系统蛹软臀开发。另靖识剐系统中究成 指纹采样功能的硬件部分较易实现，而相对于视网膜而言l 难于采样也 无标准的视网膜的样本霹供系统软件开发使用。这就导致视网膜识别系 统难以开发，可行性较低。 5 指纹采集的速度高，价格更加低廉，使用非常方便，指纹采熊 头可以更加小型化。 6 指纹识别中使用的模扳并非最初的指纹图像，而是在指纹图像 中提取的关键特征。这样使系统对模板库的存储量减小。另外对于输入 的指纹图像，提取关键特征詹可啦大大减少网络传输的负担，便于实现 异地确认指纹。 从以上砖分析可以看到：采瞒播纹识别相对于其它盼生物识别技术 如虹筷识爨，蠡像识别，镌嘲壤识列，语音识捌等，苇莰吴毒许多强弱 匏信息安全方鑫秘纯点，更熏受麓楚逐葵有舔蹇麓实焉疆争可蟹蘧，并 且幂易受鬟侵害。 1 2 指纹识别技术的j 逡用 指纹识别技术具有很好的应用前景，它可以通过多种方法应用到许 多方面。目前随着许多指纹识别产品的开发，指纹识别技术已经被应用 到民用市场，并且发展迅猛，几乎所有需要进行安全性防范的场合均可 以运用该技术。目前的应用主爨有： 1 在商业金融证券系统，可以使用到a t 唯指纹终端机、指纹倦险辐、 撩纹储蓄卡，大额取款客户身份确认、电子发文、交易终端客户身份确 认、远程交易身份确认等。整髓a 糍提款孰加装指纹识剐功能在羹蘧已 经开始使躅。 2 。在l 霉亚，瘟弱惹溪骞令人谤舞蕊系统密码、信惠安全跨范、爨络 安全防范，网土银行及电子脔务麓安全交易。 3 在安防监，有糖纹门禁系统、令人指纹证件等。 4 在医疗业，有献血输叔管理、个人医疗档案管理，电子病例管理， 药品管理，最新推出的指纹隘疗卡也是指纹识别技术的一个典型的庶 用。 5 在社会福利方面，可以使用在公费医疗确认、保险受益人确认和 各种社会福利如失业保险，人痔保险，养老保险等受益人身份确认等方 面。 另外，指纹考勤、俱乐部会员确认、海关及民航快速通关认证，以 及网络登录等也可以用到指纹识别技术。在这些应用中，指纹识别系统 将会取代或者补充大量使用照片和i d 的系统，尽管指纹识别技术发展 至今，已经有一些成型产品出现，如香港的多功能身份证、深圳等地的 储户身份识别等均含有指纹信息，但由于指纹图的噪声、皮肤弹性及疤 痕等引起的非线性变形、指纹录入的位置偏移或旋转角度过大等多方面 因素，以及实时性要求和指纹识别的复杂性等，开发更多理想的自动指 纹识别系统在目前仍是一个十分迫切和有一定难度的研究任务。 1 3 指纹识别系统的构成 基于计算机的指纹识别系统主要是由以下几个部分构成的，指纹图 像的读取，即指纹图像的采集；指纹图像预处理；特征提取；分类；指 纹匹配。该系统的流程框图如图1 1 所示： 指 纹 图 像 的 读 取 特 征 提 取 图1 1 指纹识别系统框图 指纹图像的读取： 随着光学仪器，传感器及数字技术的发展，各种快速，精确，方便 的指纹采集设备得到使用。目前主要使用光学扫描仪和固态阵列传感器 进行采集，前者使光照在手指上，然后用c m o s 或c c d 阵列摄取反射光， 由于反射光强随着指纹的脊和谷的深度不同而不同，因此可以得到指纹 图像。后者是用敏感元件组成固态阵列芯片，它们多数采用电容传感或 热敏传感技术，通过感受手指的压力或热度特征来摄取指纹。最近又有 一种超声波指纹仪问世，它是基于指纹脊与谷的深度对超声波的不同发 射原理而工作的。在这些指纹采集设备中，光学采集但因其技术比较成 熟，性价比好而得到广泛应用。 指纹图像的预处理： 它主要包括四个步骤：图像分割，其目的是用来识别和割除指纹图 一旧做旧偿份恢弭纹图像的预处飘 豫馥营景嚣；方向鬻，滤迂拳夫涣酌方向释商小块趣方惫，然黪对块方 渤阑进行平滑，使方蝴图藏连续、更准确，使舞更有利于二饿化处理； 图像二值化，其目的是把指纹图像转化成凡有0 和1 的二值圈像；图像 缎l 毁，其鞋题是删玲二缓倦意罅指纹圜像媳遗缘象素，使其变成只有单 象素璐纽化匿藩，汉艇于细繁餐氧戆提取。缎亿野童缳证纹裁媳连接蛀， 方愈挂和转器点幂雯挂，透应器跨绞蔑荫中心基奉苇鸯。 喾勰捷辍： 糖纹镌耱舞分为金莉耱征f 知_ 申，站点和局部赞整f 如端意、分又 点) 。在考虑局部特征的情况下，英阁的e r h e r r y 认为，在捕缱比对 时只热13 个特征点馔合就可以确认是同一个指纹。对于举同的艘用， 饕求爨酝戆跨秘点致令教会奏瑟不瓣，如：燃謇公安联谈瓣鼹爨醛配转 征点髓个誊雯藏要豫嚣在糖绞考囊蠢多。 稳纹麓鸯蒂骛拯零双煮壤多簿，磐蕊蹙姆征蠹蘧秘溉零瞢举一簿， 蕊多赞錾是辱常少霓魏，一蔽在磬绽承戴蓑拳孛常雳戆餐抟襁：端点 f i d g ee n d i n g ) 、夯曳点( f i d g eb i f u r 0 8 t i o 的。纹线端点糍秘斑纹线 突然始束的位置，两纹戏分叉点则是纹绒突然一分为二的位藏。在实际 应州中，端点争分叉点砖柏纹瞬像申出珧的概率最大，并且最髓定，比 辍崧黪获取，这蹲獒糖辍，基拳可跌描遵始绽戆唯一惶+ 总之，蒋罄捷驭就是对纽程盖秘赣纹漤豫羧黎分更意，端点秘审心 点警耱整，建立舔瘴璐耱蕊模蔹，懿褒避嚣稳绞戆莲酝工锋。 耱绞分类： 指纹分类就建根据槽披的特征，将指蚊分为凡类，宥刹于农庸太的 指纹席中查找目标指纹。传统的分类方 法悬舰指纹分成最热：斌涡型 ( 柏o r i ) 、左环型( 1 e f tl o o p ) 、右环型( r 期tl o o p ) ，拱型( 8 r o 砖、 是联爨e n e 娃a r 撼，蔑拳竞象薅天盖分蕊与蠡魂分类瓣跨套盼淀尜， 雷巍对赣绽遗爵走、孛、小分类，熊嚣基于糍纹蟪缬葶转鼗爻撂蔽旁 箴礤、冀、丰等囊整。鼹簸奢类蔌誊越凳罄，露令类垂酶榉誊黢糨霹孛 辑瞧舍翡样本薮蘩拣稳少，鼠而搪统逝棼 的次数和簿蕊髋越少， 糟纹l 敷配： 指蚨匹配是指纹螅嘞识别系统的核心，一般避，指纹殴酏都热基于 强绞酶妇节特强拳避行戆。美莲交零糖漆麓( n l s 黔援盎了用于越绽鉴定 的瓣瓣特程，聱端点、分叉点、复合黪舔 三分炙或交爻点拳泰跫更。 骜髓藏黉襄襞懿节爨籀是美燕联帮磷蚤甓祭8 l 蔽塞戆鳃节熹囊梅蠖 整，窀利建蒜点与分爻赢逡鼹穗籍餐拳鉴定捺纹。 被获取的原始掬坟添像经适以上各爹，卵：首先对艨始圈博进行谟 她聪，其次对处艘詹的寺旨绒图像进行特征撼取，再把提取到的精绒特征 与始缎分类捆结合，慰娥糍纹霞像的艘配，最惩输出指纹匹辩的姥暴。 毒 这就是指纹识别系统的整个过程。 1 4 指纹谈别巾麴相关术语 i 。赣纹验证f v e f f i c 8 t i o n ) ：礁定申请孝是器是吴毒舍汝身份越餐 个人，也就是薅申请孝舔生物耱舞与系统中注_ 羹| 馥参侮鼹杰糖特簸逡行 比婶，汉确定孛谤孝蟪每磅是否合法，这种识别方式电，_ ：i 匹配。 2 指纹识别( i d e n t i f i c a t i o n ) ：确定申请者是不是所有具精合法身份 的人中的一个，将申请者的生物特征与系统库存的所有特征避行比对， 以确定申请者的身份，这种识烈方式叫l ：n 匹配。 3 拒真率( 欺l s or e j e g # g 魏t e ，欺辩：媾误逸歆为一个夸法簿份 者是蒜岳身傍孝，璐簧之鼹绝稳为莰挺，也甓提美 l s e 毽e j e t i 挂蛰； 谨躯的次数在息疆酝次数中所占酌比捌叫强真率 f r 辩。 4 ，认伪率( f a ls ea c c e p f i n gr a t e ，f a r ) ：错误地认为一个非法身份 是合法身份者，两将之攘霸拣为认镑( 溉l $ oa e e e p t n ，钛髓砖次数 摩总器配率瑟善的蹴零- l 认糖率( f 矗站。 拒真率和认伪字楚一对矛鹰，减小其中一个必然会增加另外一个鼹 诧必须要在嚣孝之翔达裂一令妥协，即r 稼e c e i v e f0 p e f a t i n ge u f v o ， 酶篾，蘧叠线妻交了f 拣移张疑之藏酶美系。努溪! 一2 赞示： 黯r ( 1 0 臻) 瓣l 一2 握真率争识磷率莛幕趣褒 第二耄擐纹采集仪结梅与源理 2 1 指纹采集仪系统 过去指纹采集一直是通过油墨按印来完成的。如果油墨涂拣不均匀 或者手穗j 霹力不均鸯，印出拳戆箍纹转常模翔，不利于耱绞识嬲。麓藩 生物识别技术、计算机技术和数字图像处理技术的发展，活体指纹采隳 仪蔽写了这一历史，取代了传统油墨捺印方法。指纹采纂议的作用是抓 取指纹图像，只癸将手指在糟纹采集议的窗口上轻轻按一下，魏可把糟 绞砖毽像壹攘存储到计葵执黧，实现”姆搽秘毒“。使用活舔援纹采集系 统不但大大提高了指纹采集图像的质黄，还减轻了劳动强度，提高了办 事效率。 本论文麓浚诗秘摇纹采集援，是一静巢竞、瓿、奄。于一藩的活傣指 纹采集仪，它是针对特定人员的指纹信息进行活体采袋、存贮酶低成本 的穗纹是动采蒙系统。遮释撩纹采集援嗣于诗募执指纹瀚像处理和圈像 识别，可以为计算机及时提供高清晰、高对比，少畸变的指纹图像。 指纹采集仪的内部主要芯砖如圈2 一l ( a ) 黪示，援纹采袋便畿， 鼹如耀 2 一l ( b ) 所示： 麓2 一i 搂垂文采集投的主要芯麓鹫争， 跪固 另外，本系统的耐用性好，响应速度也比较快，该活体指纹采集仪 能够自动检测手指，并要求被检测的手援必须是活体，劣能得到捉纹图 像，阀时由于是对真皮艨进行采集，鸹此对手指酌污染，轻度于蝾，潮 湿等t 圭况有较强艇鑫适瘟蛙。拳系统对于鬻簧避行努份验证跨漆上型电 脑、桌面计算机戴其它的个人电脑装蔗，是最为理想的配件。 本指纹采集仪的技术指标如袁一所示。 表一：指致采集杈妁技术指括 有效窗啦面积 2 9x2 0 辩舻 接口方式 驻s b 分辨率50 0 d p i 采集方式 乎西捺印 电滁n e 5 v 温度一4 5 一4 5 湿度 2 0 一8o 才能正确鉴则不阀的指纹。如浆在很小瓣积的指纹殴像上容比较，结恭 髋苇一定丑确。辑有糖纹翁动识磷系统都要求参与 艺对的穗纹圈像惑够 大。另外，采集到的指纹图像如果歪斜也会给指纹识别带来一定的困难。 因女b 在采集嚣孛需注意以下拳项： 1 系统要求在采集指纹时瘴尽可能将手鞴中心放农采巢仪采集宙口 的申心，这样方可以曝证被 毫对赡鼹故糍纹翳豫赛足够太瓣彀蟪公共部 分，否则有可能圈套共部分太小而被要求妻新采集。如图2 2 ( a ) 所 示。 ( a ) 合格( b ) 手糖中心太编( c ) 手鞴太溅或压力霞 嚣2 2 皱取榉媾握纹套络与否示意蜀 2 。在采集指纹时，手指农采黎仪上的膳力过大、过小或扭动等都会造 成采集图像的质量下降，进而遗成拒识。因此在向采集器上放置手抬时 瘟壹起直落，将指纹中心尽可髓放在窗珏中心，不要撼动、扭籍，也不 要用力过轻或过萋。如躅2 2 抽) 鼹示。 3 。手指分泌确汗液直接影响采集器采榘的翁像质营，如羝手耩太温， 可能采集不到好的指纹而影响比对，这时需要用较干的布或纸巾擦一擦 薏蚤麓采集。上强戆第驾张稳纹燕示了手糍太湿对鹭采集戆指纹瑟像餍 量的影响。如图2 2 ( c ) 所示。 7 2 2 系缆的组成与原理 该活体指纹采集议，由精密的光学部件，l e d 光源，c m 0 s 数字摄像 集成电路( o v 7 6 20 ) ，0 v5 n p l us ，u s b 梭口，身份识别软件等组成。指 纹采集仪的详细结构图如下图2 3 ，图2 4 所示。 罄2 3 中蟪u l 与圈2 4 中酶u 2 按照管癌标号逆向秘连接，图2 一串的4 l e l 5 2 5 6 为动态r 矧，它为o v 5 1 l p i u s 酌程序存谙与数据妁交 换提供场所。图2 4 中u 3 为u s b 接口，u s b 接口与计算机连接，兼容 u s b l 1 接规范，易于蛰装，使用方便。 因2 3指纹采集仪的结构图( 一) 8 图2 4 指纹采集仪的结构图( 二) 在该活体指纹采集仪中，因为c m 0 s 数字摄像集成电路( o v 7 6 2 0 ) 和o v 5 l l p l u s 为系统重要组成部分，宛成了图像采集与攘制传输等主要 动能，所以下鼹对这鼹零分避嚣详细余绍。 2 2 1g s 戚像原理 c m o s ( c o m p l e m o n t a r ym e t a lo x i d es e m i c o n d u c t o r ) ，即“互辛 金 属氧化物半导体”。它是计算机系统内一种重要的芯片，保存了系统；l 导所需的大量资料。e m o s 图像传感器的象索结构目前主要有两种：无源 象素图像传感器p p s 秽a s s i v ep i x e ls e n s o ) 和毒滠熬素蘧像抟感器 a p s ( a c t i v ep i x o ls e n s o r ) ，如图2 5 所示。虫子p p s 僖嚷比较低、 成像壤饕差，鞫前瘟髑审绝太多数e 髓然罄豫传感器采躅的是a 糙结构。 a p s 镣橡转象索内部包舍一个毒潦器孛 ，该放戈器在象索内部具毒放大 和缓冲功能，葵脊良好酌消曝磷德，鼠电荷幂需要象8 器锌那辛= 丢经过 远姜纛离移位到逸输出藏大器，嚣溉避免? 雕有岛电蕊转移宥美始e 嚣 伟的缺陷。 蕊潞翡糖象素缝鞠圈： ( a ) p 盼豫黼构( b ) a 糌像素结构 鎏2 5e 豁痨静象索蟪构筑 国予每令玻天器仅在读出期阁被激发，蒋经光电转换廖的信号在象 素内放欠，然蒋用x y 地圭止方式读出，挺高了霹体瑟像礴感器的灵敏 庹。a 鹣象素单元宥教走器，窀举受电；穗转移效搴的隈髑，速嶷快，圈 像质量较p p s 得到明显改善。但熊，与p p s 相比，a p s 的象潦尺寸较大、 填充拳数小，葵设诗凑充系数典爨值垮2 0 嚣一3 。无论弼静e s 谤感 器，英童要部分辩楚敏感元件陲列，阵列中的每含象素如躜2 6 馥示： d 嚣2 6 单个象索繁 工作过程如下： ( i ) 麓竞逡入“复位菰态”，毙辩打秀门管辩，电容被充电曩vr ， 盎搬管处于反镦状态； ( 2 ) 然后进入“取样状态”，这时芙闭门管m ，在光照下二檄管产囊 悲电流，使电零上存贮的电勰放电，经过一令爨定鞋幸鞠阖隔詹，电零c 上存留的电荷量就与光照成正比例，这时就将一幅图像摄入到了敏感元 件阵列之中了； ( 3 ) 最后进入“读出状态”，这时再打牙门管m ，逐个读取各象素 中电容c 上存贮的电荷电压。 c 瓣o s 与c c d 之间的比较： 。 e 羽s 和c e d 图像传感器在结构和工作方式上的差别，使得在应用 中也存在很大不同。主要有几个方面： ( 1 ) 驱动脉冲电路。c m o s 芯片内部集成了驱动电路，大大简化了硬 件设计，同时也降低了系统功耗。 ( 2 ) 集成度。c 煳s 图像传感器可将光敏元件、图像信号放大器、信 号读驭电路、模数转换器、图像信号处理器及控制器等集成到一块芯片 上。 ( 3 ) 读取速度。e e d 信号输出速度较慢，e s 图像传感器在采集光信 号的同时就可以取盎电信号，还能实时处理各单元的图像信息，速度比 e c p 圈像传感器快很多”5 。 ( 4 ) 功耗。e m o s 光电传感器使用单一电源，耗电量非常小，节能。 ( 5 ) 价格。从爵前的市场看，c c d 器件的价格要远远高于e s 器件。 ( 6 ) 带宽。c m o s 具有低的带宽、并增加了信噪比。还有一个固有的 优点是：防模糊( b 1 0 0 m l n g ) 特性。在象素位置内产生的电压先是被切换 到一个纵列缓冲酝蠢，再被传送到输出放大器中。由于电压是直接被输 出放大嚣中去，就不会发生传输过程中的电荷损耗以及随后产生的蹰 像模糊现象。不足之处是每令象素中的放大器的阈值电压都有着细小差 剐，这种不均匀性会引起“固定模式噪声”“。 ( 7 ) 访问灵活性。e m o s 具有对局部象紊图像的编程随机访问的优点。 如果只采集很小区域的窗口图像，可以获取很高的椟频。这是c c d 图像 传感器很难做到的。 ( 8 ) 填充系数。由于例o s 的集成度高，单个象素的填充系数远低于 c e d 。 c m o s 隧像传感器的最新发展： 蜀前c m o s 图像传感器的研究与发展趋势主要有以下几个方面： ( 1 ) 多功缒、帮能化。传统的图像传感器仅仅局限于获取被摄对象的 图像，图像的传输、处理需要单独的硬件和软件来完成。由于e m o s 图 像传感器在系统集成土的优点，可以从系统级水平来设计芯片。如可以 在芯片内集成相应的功能部件应用于特定领域，如t r a n s c h i p 公司彳 发 的离质量手机用摄像机，内部集成了 s p ，并整合了j p e g 图像压缩功 能。也可以从通用蓐度考虑，在芯片内部集成通盾微处理器( 如t r i m e d i p f o c e ss o r ) 。为了消除数字图像传输的瓶颈，还可以将高速图像传输 技术( 如f i r e w ir e 、u s b 、基于l v 鹪的裹速并行传输) 袋成到闻一块 芯片上，形成意上系统型数字韵执( d i g l t a ic a m e r as y s t e mo n 熊l p ) 和智能铷o s 闽像侍感器( i n t e l l i g e n tc si 隧g es o a s o f ) 。新缎糖 欠掌的p d e ( p r 守g r a m m 曲i ed i g i t l 繇m e a ) 研究小经和一鍪专救厂 商合作，研究新的图像处理算法、体系结构和电路设计，致力于单片 p 我的研究。 ( 2 ) 高赖遴簪。由于测嬲氆像传感器具有访问灵活的优点，可默通 过只读出感光葫上感兴趣的很小区域采捉高颊速率。弼靖，例髂溺像 传感器奉身在动态范围和竞敏感度上自掇高，屯有利于帧速率的提高。 隧零半导体生产的蹦9 53 0 可迭到5 0 0 犊s 抟速度。髓坦辐走学始p ( p r o g f a 靛m 曲l e 融g i a e a 裁e f a ) 研窕小缀开发蟾卓冀p 翳，在3 5 2 2 8 8 分辨率下，可达l e ，0 0 0 帔s 。b 8 i s a 公司宣棼英垒产镑e 醚淤鐾 像传感器最高可这2 0 ，o o e 蟥s 。姒e r o n 公司的鞋1 9 麟i3 0 3 6 s 零誊1 2 9 1024 分辨宰下可以达到( 0 5oo ) 帧s 的帧速率，部分扫描时可迭 1o ，0 0 0 梭s 。 ( 3 宽动态范围，阻黩魏工韭大学( i s r a e ll n s t i t u t eo f f o c h n o i o g y ) 的v l s i 系统研究中心祷4 3 于c i c 和 c c 静的自遮应敏 感技术j i 蛩予e 瀚s 待感器中，使黼。s 馋感嚣的整个动态范阉可这8 4 d b ， 筹在一令5 4x6 的芯片上避行了实验。n a s 舂的j 黪察验蜜也致力予将 l 静le e d 熟工作模式竭予测然蹋豫传感器串。 高分辫警。霹请镶妫溪像姆感嚣最高分辩攀可逡3 1 7 0 x2 2 象嚣，棼6 1 6 鞋聚索。 ( 5 ) 低噪声技术。目前用于科擎研竞的离性能c c d 能这到的崃声7 k 乎 为3 5 个鹋予，而e 醒o s 图像转感嚣烈为3 0 0 s 0 0 个电子。j 弛囊竣 蜜采用婶s 技术砖固豫传感器能逮到l 令电子。 6 ) 辩c s l ( 鹾u l t i p l ee p t u f es i n g i oi 嫩a g e ) 技术。s t 8 n f o f d 大学 电予工程与心理学系研究提出m c s i 技术。该技术在同一块芯片上加工 爨一个2 2 妁c 搿o s 戴像渗翊，阵羚上的每个戒倦单元可双独立对场景 戍露，不藏成豫单元酌徐毋弦号经过可藏方式合威，蒜经遗 耱挟输 盘数字躅像，由予各夺威豫葶无绚盛稼属褴不筠，输瘦信号为各个威像 葶元狳交信号在游隅和空溺上的一章孛蘩加维恭，麓蔷了e 醅裙跨曝传感 器在悲劣的光线环境下的成像蹊量。 ( 7 ) 模睫化、低磅耗。齿予挝嚣霹像俦感器便于小瑟弼争豢成，可 以糖据特定应璃场合，l 警龋美璐磅鹈荣成在一起，秀遗遭筑纯谈嚣，艇 避一步跨低磅耗。如f u j i s h 公司生产稚鹬6 s 2 a 成像模淡，最低磅耗 仅为15 m w 15 f p s 。 总之，c s 图像砖感器豫在向高分辨率、高动态范围、毒是敷艨、 集成化、智能化的方向发展。芯片加工工艺不断发展，从0 15 m o l3 5 ”m o l25 越m 一- 0 1 18 ”m ，接口电压也在不断降低，从5 v 一3 l3 v 一2 】5 v 3 l3 ￥一1 i 8 v 3 l3 ￥。随簧e 羰懿电臻滇滚捷拳的透步，采雾l 薪工艺和改 善相关双采样电路能有效地降低固定模式噪声。提高c m o s 图像传感嚣 综合性能，缩小单元尺寸，调整c m 0 s 工艺参数，将数字信号处理电路、 图像压缩、通讯等电路集成在一起，并制作滤色片和微透镜阵列，以实 珑低成本、鼹功耗、低噪声、高度集成的单芯蔗或像擞系统。邃在微鐾 机电系统( 瓣e 潲) 、微型竞机电系统( 滟e 淞) 串有蘩要应用。随着空 间技术的发展，将c m o s 应用于空间技术中，如遥感成像、太阳敏感器、 整敏感器等，也是目前研究的方向。 2 2 2 翻o s 数字摄豫集成电路( o ￥7 6 2 0 ) 一芯片选择 视频图像鼹采集争处理在现在颤多媒俸技术申鑫赛及英重要的地 位。众萎雩罔农# ，铙簇器露数字纯后数据蚤 常魔大，对如诧大量高速数 据进行实时处理是计算机应用领域中技术难度最大的部分，如何奏瑰视 频图像的高倦真数字化并髓采取科学合理的方法实现数据的压缩和传 输是该领域中必须解决的问题。视频图像采集目前一般采用e e d 摄像机 薅逮过橇霸卡蔑实酵霹像采集( 压缩) 卡对撬额鹭像进行采集或攀壤 詹) 送入计算机中透行她瑷。采用这种方法对，由于摄像机的输出已转 按成n t s c 或p a l 制式并以s v i d e 0 或混合视频信号方式输出，且c c d 摄 像机的象素点在输出时序上很难与采集卡的采样点一一对应，因此视频 骥像数字化后图像质量损失较大，图像分辨事上限受制式鼹限制。另跨， 遗过上节e 与e 羰o s 的 b 较可知，这葶申方法存在成本高，结热复杂等 局限性，不便于推广和应用。所以，本指纹采集仪使用一种最新韵数字 图像技术：c m 0 s 数字摄像袋成电路( c m o sd i g i t a lv i d e oi 雌g ei c ) ( o v 7 6 2 0 ) 。 o v 7 6 2 8 的管麓知霾2 一? 翳示： 图2 7o v 7 6 2o 的管脚图 二o v 7 620 的内部结构：内部结构如图2 8 所示 健 一 l 鬻l 。e 哥； s i o cs 1 0 d c m o s 数字摄像i c 图( o v 7 6 2 0 ) 图2 8o v 7 6 2 0 的内部结构图 输出口 j 4 卜u 衄j o v7 6 2 0 穰图一个典型的c m 0 s 图像传感器的总体结构图。在同一片 上集成有模拟信号处理电路、视频时序产生电路、行选择、列选掇、光 敏单元阵列，a 转换器及控翻毒存器等。片土摸拟信号处理电路主要 执行相关双采样c d s ( c o r er e l a t e dd o u b l es a m p li n g ) 功能。片上a d 转换器可以分为象素级、列级和芯片级几种情况，即每一个象索有一 个a n 转换嚣、每一列像素有一个a d 转换器，或者礞一个感光降列有 一令a 转换器。由于受芯冀尺寸霸限截，象素级酶 ，b 转换器不易实 现。c 赫o s 芯片内部提供了一系列控制寄存器，通过总线编程来对自动 增益、自动曝光、白平衡等功能进行控制，编程简单、控制灵活。直接 输出的数字阁像信号可以根方便地和后续处理电路接口，供数字信号处 理器对其进行处理。 三。o ￥7 5 2 0 鼹耱点： 因为c m o s 数字摄像i c 将c m o s 和视频a d 转换及相应的时序电路 集成在一个i c 上，具有体积小、成本低、数字图像质量高、控制功能 强等许多特点，可做成手持式或便携移动式图像处理设备，除此之外， 还吴有如下燕蓑特点：6 4 9 0 棼羲：准￥g a 塑像分势率，显徐盎巍保 真的数字化图像；可进行避行扫描或者黼行扫描；输出视频数据格式可 为y c r c b 4 ：2 ：2 、g r b 4 ：2 ：2 或r g b 原始数据；1 到5 0 0 倍的自动曝光范 围；自动增强和白平衡控制；能进行亮度、对比度、饱和度校正等多种 调节功能；输出窗疆可从x4 到6 4 0 x4 8 0 之闻任意调整；单袁流5 v 供电，工铎功耗小于2 0 0 瓣w ，待祝功耗小于1 0 0 u w ；可输交单犊强像或 单行图像“。 另外，谈c m 0 s 数字摄像i c 不但能够应用在指纹采集仪中，它的独 特的特点决定了在其它视频图像械获和数字化领域都可以使用，侧如视 簸会议，可筏电话，撬壤奄。予零侍，竞擎圈豫蘸获争处理等壤域。 2 2 30 v 5 1 1 p i u s 霆e 鬻8 s 簸字疆缳| e 输l 囊酶是已经教字程秘称准筏簇驾像信号，麓 成指纹采集系统时只需增加适当的接口电路和视频图像处理识别部分， 而后者一般用计算机来实现。因此，构成实际应用系娩时，往往只需少 黄的接口电路即可。在不额外增加计算机成本的前提下，将数字图像送 入计算执镌最好方法是逮过现成酶h s b 接口( 最大可这1 2 m b s ) 。在拳 设计中，录罔了0 ￥5 1 l p i u s 芯片，来实魏将数字视频图像直接通过u s b 接口送八p c 机申进行处理。 o v 5 1 l p l us 芯片的管脚女，图2 9 所示： 营暮 霜 降 擀 擀 f p 降紧l 铲麟穗器冁藤器 添o v 5 i l p l u s勰 n 一 s 口n h 。x w i 翌 汹a 暑置嚣。l i i 璺齑荫；葶“11 0 0 y 6 l 墨若譬譬蛊臀镕g l l l l i l g g 图2 90 v s n p l u s 芯片豹管辫图 o v 5 11 4 u 蔓籀熊模块阁 匿2 一l o0 v 5 n p l u s 功能模块圆 0 v5 1 1 p l u s 是一个专用的数字摄像i c ( o v 7 6 2 0 ) 到u s b 的接口的芯 片，内含c m o s 数字摄像i c ( o v 7 620 ) 接口、d r a m 接口、实时图像压缩 引擎( o 帆i c e ) 、u s b 接口、s c c b 接口、信息包( i s of i f o ) 、控制逻辑 ( s y s t e mc o n tr 0 1 ) 等功能，外面仅加一片256 16 的d r a m 和一片u s b 收发器即可构成一个完整的视频图像采集电路“”。 其相应的电路结构如图2 10 所示。 一c m o s 数字摄像i c ( o v 7 6 20 ) 接口： o v 5 1 1 p l u s 的数字视频输入正是0 v 7 6 2 0 的输出，它可以是1 6 位的 y u v 4 ：2 ：2 r g b 原始数据形式( 2 个通道) ，也可以是8 位y 4 ：o ：0 r g b 原 始数据形式( 只有一个通道) 。c m o s 数字摄像i c ( 0 v 7 620 ) 接口具有压 缩和过滤的功能，最大的压缩图像尺寸为10 2 4 ( 象素) 10 2 4 ( 象素) ， 但由于该接口的输入形式不同，压缩图像的最大尺寸也有所不同。另外， 它也受d r 删大小的限制。进行过滤的目的是提高图像的质量。c m o s 数 字摄像i c ( o v 7 6 20 ) 接口根据不同的图像输入形式，产生不同的图像 输出形式。如果该接口的输入是1 6 位y u v 4 ：2 ：2 模式，那么该接口的输 出可以是y u v 4 ：2 ：0 模式，也可以是y u v 4 ：2 ：2 模式。其时序如图2 1 1 所示： c e t x 门门几几几几几几nn 一n 几nnn 几门nn p c l k h r e f y u v 图2 一l l o v 5 p l u s 输出时序图 二d r a m 接口： 在预置的图像尺寸和数据形式的基础上，d r a m 接口为信号的读写 周期产生d r a m 地址。根据数据形式( 例如y u v 4 ：2 ：2 ；y u v4 ：2 ：o ； y 4 ：0 ：0 ) 的不同，外部的d r a m 被分割成大小不同的域。d r a m 的空间 分配图如图2 12 所示： 4 ：2 ：2 4 ：2 ：0 o o o o o l v u 3 5 强f 3 5 8 0 0 3 f f f 4 ：o ：0 弼丽百 r a m 。3 f f f f 强2 一1 2p & a m 穗空嗣分配舞 d r 删接口也可以判断蕊埘是执行来自o v 7 6 2 0 接口的霹按求，还 是执行来自实时图像压缩引擎的读绥求。为了避免图像上溢或下溢， d r a m 接憎采用了流摭制。o v 5 1 1 p l u s 使用5 ve d o ，c a s b e f o r e r a s 硎暂，6 弧s d 曼a m 。其簿簿期对序如辫2 一l3 鼗示；其写读豢跨痔务蓬2 一l 所示。 r a 8 e a 轧 w 8 a d d r d 鑫t a 褥2 一l3d & 瞒接霜写周襄辩犀鬻 o v 5 “p u s 共曼持3 种复械方式，软件复位，上电莨位( 管脚 “r b s e t ”) ，另外，u s b 复位命令也可以使o v5 “p l us 和c m o s 数字 摄像集成电路初始化。当上电复按或u s b 复位时，c m o s 蒙成电路的 复位管秘( “r 秘疆”) 被羰定，款侍复拄克许令嬲秘密魏模块在没舂 改变寄存器内容的情况下复位。墨需要改变信息包的尺寸、腹缩参数 等时，软件复位是非常必要的。 等 躅2 1 4d r 删接口读周期时序蠲 三实对窝像压缩；l 擎溉n l e 趵： o m n i c e 是一个特有的压缩装置，它由预测器、量化器、和一个编 码器组成。预测器预测垂直的、水乎的图像象素。编码器具有可查的表， 该表可由鼹序虽辍撂诗箕秘褫零编程。椽搪交豫的复杂程瘦，o m n i 鼹 的压缩比率从4 载8 不等。为了获得理想的帧速率，各个参数可被动地 修改。o 抛n i c e 的结构如图2 1s 所示： 觚，预潲i - 鳖纯器+ 瀛：塑v 预测器 h 。 - 鳖纯器t 辅码器一一。- 可由 图2 一1 5o m n i c e 的结构图 哟信息包( i s 0f i f o ) ： 信息鼓为撬菝数据传送提供了一个嗣步终点。鞠兹，可绶髑妁信息 包尺寸有0 、 3 3 、1 2 9 、2 s 7 、3 8 5 ，5 l3 、7 6 9 和9 6 l ，信惑包的夭小 必须由程序员设定。此外，为了帮助使用者更换髂息包，在簿一个包的 末尾建搪入一令可皴嚣雳蟪氛号，氛号从0 l 嗣2 s 5 ，然后霹翻0 l ，只 有s 0 f 包使用0 0 包号。一令圈像巾贞从s o f 包开始，辩柬于e 鳟包。s 0 f e o f 形式如图2 1 6 所示。 s 静e o f 包周唯一的暗码表示，暗码的第一个字节到第八个字节都 是o ，第丸个字节龟；含了一令稚零的头，该关包含图像信惑，懒如探诈 模式、奇偶域等。在e o f 包中第十位和第十一位也包含了图像的宽度 争褰度信息。 o 一o ，3 3 - 1 2 9 ，2 5 7 ，3 8 5 ，5 1 3 ，7 6 9 ，9 6 1 ： 7 一e o f 6 一援缨搜裁 4 、5 一4 2 2 、兹0 、秘8 方式 3 一一l l 、2 一一标志 o 一一奇偶域 网2 16s o f e o f 彤式图 五控制逻辑( s y s t e mc 0 n t r o l ) ： 系统控割单元执行妁功巍有：系统时钟产生，上电复位，软件复拉 慕窝扎s b 复位今令，琴统勃始铝等。e v 5 l l p l h s 为h s e 总线凝镶8 赫e z 的输入，“e 球一4 跚”被2 分频后提供了芯线逻辑争取像时讳，o v 5 i l d l u s 时钟原理如图2 17 所示： 图2 1 7o v 5 u 似u s 时钟朦理图 第三章指纹识别技术 在生物识别技术中，最引人注目的是指纹识别技术。指纹识别的历 史悠久，可以追溯到古代中国，它在美国和西欧也已经使用了一百多年。 指纹识别的改进发生在六七十年代，一些公司开发出一种能自动识别指 纹的仪器，主要用于法律的实施。在六十年代朱期，f b i 开始使用一种 自动识别指纹的设备。在七十年代末期，已经有一定数量的设备开始在 美国大范围使用。此时，在国内，清华大学和北京大学也已经研制出实 用指纹采集与识别产品，并在公安、司法等领域得到了实用。 在通常情况下，一个优秀的指纹识别系统要求能实时迅速有效的完 成识别过程。所以一个指纹识别系统应包括如下几个过程：指