四手指指纹采集仪设计与实现.doc

西安电子科技大学 硕士学位论文四手指指纹采集仪设计与实现 姓名：王家才 申请学位级别：硕士 专业：计算机技术 指导教师：田玉敏；温晓军 2010-10-10 舢舢舢川删川洲圳 摘要 随着互联网络和高新技术的广泛应用，身份认证和信息安全越来越受到人们的重视，特别是美国“”事件后，各国反恐形势逐步严峻，声音、掌纹、虹膜、视网膜、面部、指纹等人体生理特征识别系统相继应用于政府、司法、商业、民用系统中。指纹识别技术因指纹提取方便、算法成熟、识别率高等优点，成为当前大家最为认可和广泛应用的：生物识别技术。指纹采集有三种方式：传统油墨捺印、刑侦现场指纹采集、活体：借纹采集。 本文主要研究四手指活体指纹采集仪。论文详细分析了四手指指纹采集仪的工作原理、技术指标、系统组成，给出了四手指指纹采集仪的原理框图、硬件设计方案；重点论述了对四手指指纹采集仪关键部件的控制方法，包括寄存器控制、控制时序、噪声种类和抑制、预处理分析等。 本文论述了关于四手指指纹图像质量的评价标准，根据此标准讨论了图像旋转、图像镜像、经验阈值探测指纹、指纹图像奇偶帧合并、通道?灼胶狻璞感肌允视潭匠杀洳匠讲手指等算法。本文有两方面的创新：设备初始校准算法能够减少设备硬件差异，降低背景图像影响；自适应探测手指算法降低各种手指差异，根据图像分析结果，反馈调节光源、增益、曝光参数，确保输出亮度合适、灰度均匀、动态范围广、图像一致性优良指纹图像。 对四手指指纹采集仪的测试结果表明：四手指指纹采集仪相比单手指指纹仪可以减少误操作、提高指纹识别准确率、支持和兼容各个国家标准多种指纹采集模式，能够完成个单手指平面采集、个单手指滚动采集、双食指平面采集、双拇指平而采集、双拇指滚动采集、采集模式（左手食指和中指右手食指和中指）、采集模式（左手四手指右手四手指双拇指）等。 本设备通过了认证，通过了图像质量认证，设备通过了防水、防尘和防震测试，测试结果表明本采集仪可靠性高，达到了预期设计要求。下一代半掌或全掌图像产品，将会考虑大容量数据缓存、高速传输、活体指纹检测等方面做进一步的研究。关键词：四手指指纹采集指纹采集仪指纹图像质量指纹设备校准 自动探测指纹 对卜 ， 矗） “” ， 倒 曲 碣 、，撕 （）印 ， ， ， ， ，印 盟 衄 彻： ， 印 ， 印 、 、 锄， 啪 百 、 、 撕、 、 印 、 、 、 仔 百、 、 、 印 （） ： ， （ ； ， 腩 ， ， 曲 ， 锄 锄， 曲，铲， ， ： ： ， 印 ） ， ， 盯 叩 百， ， ： ， ； 印， ， ， （ ）， （ 十 ） ？、 、 ， （ 如 ， 分研、 、 ： 哆 第一章绪论 第一章 绪论 全球经济一体化导致分工越来越精细，人们之间合作越来越紧密，网络虚拟空间和现实社会融入个人生活，个人信息和身份认证的要求越来越高，指纹识别技术因指纹提取方便、对人体介入较少、算法成熟、识别率高等优点，指纹识别技术广泛应用于政府、司法、商：业、民用等各方面。例如：刑侦现场指纹采集、指纹身份证（香港）、指纹投票选举（委内瑞拉）、指纹自助通关（香港美国欧盟等）、指纹准考证、指纹社保、指纹考勤、指纹锁、指纹保险箱、指纹认证支付、个人数据指纹加密。指纹行业呈现出应用领域不断拓展，行业应用逐步深入的趋势，手持、固定台式等指纹设备产品种类不断丰富。 四手指指纹采集仪的技术特点高分辨率数码相机与四手指指纹采集仪的比较 高分辨率数码相机与四手指指纹采集仪相似性 工作原理相似：首先通过镜头接收光线，（互补型金属氧化物）或（电耦合元件）感光传感器接收光信号转换成电信号，经过转换成数字数据，最后将数据按特定的数据排列方式记录到内置存储器和存储卡中。它们都能获得高分辨率的图像。 高分辨率数码相机与四手指指纹采集仪差异性 ）活体采集功能：如果用于拍摄指纹，首先数码相机可以拍摄平面指纹和人体手指的指纹图像，而指纹采集仪是通过指纹与棱镜接触介质表面形成全反射和漫反射原理成像，四手指指纹采集仪不会采集平面指纹图像，只采集有脊峪差异的真实的活体指纹图像，这样指纹采集仪相当于增加防伪功能。 ）对比度：当手指压在棱镜上时，指纹凸起处经由汗液接触了棱镜，汗液的折射率与水的折射率接近为：左右，指纹凸起处不满足全反射的条件而产生漫反射现象，如果皮肤的反射率为，而指纹凹陷处空气介质发生全反射的反射率为，光电传感器接受反射能量指纹凹陷处的能量为指纹突起处倍，形成一个高对比的黑白分明的图像。如果数码相机拍摄取指纹，指纹凸起和凹陷区的反射率差别并不大，数码相机拍摄取的指纹图像对比度不好。 ）指纹自动采集功能：数码相机拍摄指纹时需要拍摄者参与，不能自动采集。 ）分辨率一致性：如果拍摄者与被拍摄者之间物距和焦距不一致，会导致指纹图像分辨率不一致。 手指指纹采集仪设计与实现 ）光源亮度可控、不受外界环境光影响：外界光源环境会影响数码相机的图像亮度。综上所述高分辨率数码相机用于指纹采集不合适。半导体指纹采集仪与四手指指纹采集仪的比较 目前半导体指纹传感器有热敏式、电容式、超声波式，但由于半导体工艺和成本的原因，半导体的采集图像窗口比较小、分辨率较低，目前、等公司的半导体指纹传感器都小于英寸，同时由于抗静电能力差导致使用寿命短。半导体电容式由于环境湿度、温度差异导致半导体的电容变化，需要经常校准。半导体热敏式如果传感器与手指温度接近时需要加热，有温差才能感应指纹脊峪变化。目前分辨率高，能够提供高分辨率、采集窗口比较大的指纹图像。单手指指纹采集仪与四手指指纹采集仪的比较 四手指指纹采集仪指纹采集时四个手指处于相对固定的位置，指纹图像录入时能够减化指纹位置判断，便于图像分割处理后分类存储入指纹数据库，减少无意或故意交换手指的误操作。四手指指纹采集仪图像质量标准高，图像一致性更好，这方面也有利于提高指纹识别率。四手指指纹采集仪能够支持和兼容各个国家标准多种指纹采集模式，能够完成个单手指平面采集、个单手指滚动采集、双食指平面采集、双拇指平面采集、双拇指滚动采集、采集模式（左手食指和中指右手食指和中指）、采集模式（左手四手指右手四手指双拇指）等。四手指指纹采集仪的缺点 光学指纹设备的缺点：抗污能力差、残留指纹、指纹图像变形，抗污能力差、残留指纹通过设备校准可以改善，指纹图像变形通过软件可以修正。 指纹设备的发展和应用现状 人们很早以前就发现了指纹，将指纹捺印作为签名证据。直到十九世纪才有专家论述指纹唯一性、终身不变性，总结前人的经验，将指纹分类、提出指纹细节特征识别理论。最早的光学指纹采集设备于二十世纪七十年代首先用于刑侦系统，使用过程中完善指纹识别算法，提高指纹设备方便性、可操作性后，逐步应 第一章绪论用于工商业和民用领域。九十年代开始出现半导体指纹采集设备，而四手指指纹采集仪直到年左右才出现，目前世界上仅有 、 工、 、工工少数几家公司能够提供四?种?/B等大面积指纹采集设备，并且指纹图像质量通过、等公共政府机构认证，只有获得、等图像质量认证的指纹设备才能进入欧美政府相关采购目录，目前四手指指纹采集仪国外单价为至美元。（参看通过图像质量认证指纹设备目录：、，、，、仃）。 目前国内有北大高科、中国科学院自动化所（北京中科识别）、汉王科技等公司从事指纹算法的研究，北京海鑫、中控科技、长春方圆、深圳爱迪尔、杭州中正等公司可以提供单手指的光学镜头、指纹模块、指纹整机设备，用于指纹考勤、指纹门禁、指纹准考证、指纹社保管理等。目前国内只见过用扫描仪改装的大面积指纹采集仪，由于采集前需要预热、体积大、采集速度慢、图像质量差、采集机械噪声、扫描仪强光刺眼，不被市场所接受。目前国内还未见到与国际有竞争力的大面积指纹采集设备。 论文选题背景 本课题来源于科进（ ）生物识别有限公司光学指纹采集系统的研发项目。指纹识别（ ）和（ ）是绝对重要的参数，特别是对于军警、海关、边防等国家政府安全应用领域更加重要，即使的错误也不允许，经过长期对多万枚指纹库的跟踪研究发现随着库容量的增加，指纹识别的准确率越来越差，在这万枚指纹库中即使采用目前世界上最好的几套指纹算法单手指识别的准确率仅为，双手指的准确率为，三手指的准；晌率，四个手指及以上能够达到的准确率，研究证明多个手指指纹识别能够提高识别准确率，为了提高多指纹采集效率，并与传统十手指指纹捺印采集卡兼容，同时基于全球安全及反恐等因素，美国于年将所有的入境口岸及驻各国使馆的指纹设备更新换代为四手指指纹采集设备，同时欧美相互免签证的个国家指纹设备也会面临更新，四手指指纹采集仪市场前景极为广阔。 本文主要工作 论文在深入理解四手指指纹采集仪工作原理的基础之上，详细分析的四手指指纹采集仪的可行性，硬件方案选型、详细设计、可靠性设计，软件方面详细介绍了图像预处理分析，设备校准算法减少设备硬件差异，自适应的探测手指 手指指纹采集仪设计与实现算法降低各种手指差异，分析指纹图像后反馈控制光源、图像传感器增益和曝光控制、修正图像背景，确保图像传感器输出亮度合适、灰度均匀、动态范围广、图像一致性优良指纹图像。 论文主要内容安排如下： 第一章绪论：详细介绍了四手指指纹采集仪的特点，四手指指纹采集仪应用现状和论文选题来源。 第二章硬件部分：论文详细分析了四手指指纹采集仪的工作原理、技术指标、系统组成，给出了四手指指纹采集仪的原理框图、硬件设计方案；重点论述了对四手指指纹采集仪关键部件的控制方法，包括寄存器控制、控制时序、噪声种类和抑制、预处理分析。 第三章原始图像的预处理分析。 第四章软件部分：阐述了工关于四手指指纹图像质量的评价标准，详细论述了图像旋转、图像镜像、经验阈值探测指纹、指纹图像奇偶帧合并、通道白平衡、设备校准、自适应固定步长可变步长探测手指等算法。 结束语部分主要讲述了四手指指纹采集仪目前的市场应用情况，四手指指纹采集仪同其它生物识别产品的结合使用情况，对以后的产品从智能采集算法、数据缓存、数据传输方式、便携式设计、对活体指纹等方面进行前瞻性思索和实践。 第二章手指指纹采集仪系统组成和硬件设计 第二章四手指指纹采集仪系统组成和硬件设计 四手指指纹采集仪工作原理 四手指指纹采集仪是高精度的光机电一体化设备，利用棱镜和其它光学系统全反射原理（）。亮度可调的背光源照射直角棱镜的斜边时，如果光线的入射角大于临界角，则光会发生全反射的现象，既棱镜的斜边相当于一个镜面全部反射到棱镜的另一直角边，当手指压在棱镜上时，由于手指表面的油脂汗液存在，指纹凸起处经由汗液接触到棱镜，汗液的折射率与水的折射率接近为左右，指纹凸起的汗液接触处全反射的临界角变大了，不满足全反射的条件而发生漫反射，假设皮肤的反射率为，而指纹凹陷处发生全反射的反射率为，感光传感器接受反射能量指纹凹陷处的能量为指纹凸起处倍，光线经过透镜成像，再经过一级或多级反射镜（反射镜主要功能是延长光路，减少畸变，同时减少设备体积）照射到半导体感光传感器，感光传感器接收高对比度的光信号并将光信号转换成对应的电信号，经信号处理、转换后输出数字数据，最后将图像数据按特定的数据排列方式记录到内置存储器、存储卡或硬盘中。指纹采集仪成像原理图如图。 威爨系绕 感光传感器 图：指纹采集仪成像原理图 手指指纹采集仪设计与实现 四手指指纹采集仪系统组成、四手指指纹采集仪技术指标 四手指指纹采集仪的技术指标如表所示。 表 四手指指纹采集仪的技术指标 采集窗口 英寸 分辨率 传输接口 通迅方式，图像数据实时传输到计算机，并存储指纹图像数据 图像质量标准 指纹图像标准（参看第四章第节），并通过指纹认证 成本控制 成本控制在美元以下 其它要求 性价比高、操作方便、通过认证四手指指纹采集仪系统组成 分析图指纹采集仪成像原理图，评估表中四手指指纹采集仪的技术指标的各项需求，整理四手指指纹采集仪模块框图如图。 光学棱 感光传感可编程逻辑 通 电 豢爿毳黎莩爿鬈篓霉号蓑鲁嚣。迅控制器三脑 源 镜组合 处理器 广设硬件资源 图四手指指纹采集仪模块框图 四手指指纹采集仪模块框图表明需要考虑光学镜头和光学结构设计、硬件和光源设计、软件设计三方面。 光源亮度控制原理 校准设备时默认设置光源亮度为最高亮度的，读取背景图像，计算背景图像灰度统计直方图，判断图像平均灰度低于，先增加曝光值和增益值，如果曝光值和增益值都到达最大值时，背景平均灰度仍然低于一，则增加亮度；反之，当图像平均灰度高于，先减小曝光值和增益值，如果曝光值和增益值都到达最小值时，背景平均灰度仍然高于，则减小亮度。光源亮度控制原理图如图。 每组都由恒流源供电，通过接口设置电流，电流越大则光源亮度越高，电流越小则光源亮度越暗。光源有两组光源组成，当设备开机后，待机辅助光源一直打开，当检测到背景图像变化时（即手指压到光学棱镜 第二章手指指纹采集仪系统组成和硬件设计 表面），另一组主要照明红外光源才打开，这样设计方式可以节省电源，当另一组红外光源打开时，人眼视觉：不会感受到光源亮度变化，指纹图像采集完成后，红外光源关闭。两组光源亮度单独控制。 图 光源亮度控制原理图 感光传感器和信号处理器 感光传感器接收光信号，将光信号转换成对应的电信号，经信号放大处理、采样保持，最后通过转换为数字数据。 ）选择光电式指纹传感器原因 指纹传感器是指纹识别设备的数据输入端，目前市场上有光电式、半导体热敏式、半导体电容式、超声波式等指纹采集方式，但由于半导体工艺和成本的原因，半导体的采集图像窗口都小于英寸、分辨率较低，同时由于抗静电能力差导致使用寿命短。而四手指指纹采集仪最低标准是采集窗口英寸，分辨率为，所以此方案彻底放弃半导体传感器方案。超声波式传感器目前尚无大规模使用，可靠性待进一步成熟。光电式传感器具有分辨率高、采集图像窗口大、图像输出帧率高、抗静电能力强、使用寿命长等优点，表面有指纹残留、光学畸变的缺点可以通过软件修正，对于四手指指纹采集仪的采集窗口尺寸和分辨率的图像要求，只能选择光电式采集方式，选择了光电式指纹采集方式，就决定了需要进行光路设计、光源照明设计、硬件设计，以及与硬件相匹配的软件控制。 ）选择感光传感器原因 光电式传感器分为和，比较和的结构，的位置和数量是最大的不同。简单的说，：每曝光一次，在快门关闭后进行像素转移处理，将每一行中每一个像素的电荷信号依序传入“缓冲器”中，由底端的线路引导输出至旁的放大器进行放大，再串联输出；而的设计中每个像素旁就直接连着（放大兼数字信号转换器），信号直接放大并转换成数字信号。结构相对比较简单，与现：有的大规模集成电路生产工艺相同