（信号与信息处理专业论文）基于dsp的指纹识别系统.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 作为身份识别的主流方式，指纹识别技术显示出广阔的应用前景，它充分 利用了指纹的普遍性、唯一性和永久性的生物特征，已逐步取代了传统的基于 标志和数字的识别方式，目前在网络、银行、证券、医疗和保险等行业均得到 了广泛应用。通常，指纹识别的研究主要包括算法和应用两个方面，随着图像 处理技术的发展，各种有关指纹识别的算法层出不穷，如频域滤波、时域滤波、 方向图滤波等等；另一方面，伴随着数字信号处理器( d i 百t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 的 出现及其快速发展，通用d s p 芯片越来越多地被应用于指纹图像处理中。结合 这两方面的技术前景，如何实现快速和小型化的识别系统已成为目前该领域研 究的热点问题之一。 根据上述背景，本文的研究目标是基于d s p 技术与指纹相关的处理算法， 开发出一套基于d s p 平台的指纹识别系统，实现安全、高效、方便的个人身份 鉴别。在算法设计方面，本文首先对指纹识别系统的原理和基本过程进行了分 析和研究，然后重点研究了新的指纹识别方法一基于方向图的指纹图像滤波。 该算法选取八个基本方向，计算出图像中各像素点沿此八个方向的灰度变化值， 找出最小变化值所对应的方向，分别构建指纹图像的点方向图和块方向图，然 后选择合适的方向阈值进行图像分割，运用不同的方向图滤波器模板进行图像 滤波。通过对比实验表明，经过该算法预处理后的图像结构清晰，保持了方向 性和纹理性的特点。在硬件设计方面，本文首先给出了整个识别系统的硬件框 图，然后对其中每一部分分别加以详述，包括c c d 成像电路，f p g a 时序控制 电路，d s p 核心算法实现电路等等。系统的核心是1 1 公司的d s p 芯片，利用其 强大的数据处理能力，快速地完成指纹图像处理算法对指纹图像的各种处理任 务，满足系统的实时性要求；指纹图像采集部分通过视频解码芯片完成图像信 号的解码，借助f i f 0 实现与高速d s p 器件的接口，整个时序电路依靠f p g a 来控 制；最后在上位机中进行了指纹特征数据的存储，并完成相应的识别与匹配。 通过实验证明，本课题的研究对于实际的嵌入式指纹识别系统产品的应用 与开发，具有一定的实用参考价值。 关键词：指纹识别，预处理，方向图，特征提取及匹配，d s p 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t a st h em a i nm e t h o df o rf i g u r ei d e n t i f i c a t i o n , t h et e c h n o l o g yo ff i n g e r p r i n t i d e n t i f i c a t i o ni n d i c a t e sb r o a da p p l i c a t i o nf o r e g r o u n d t a k i n gf u l la d v a n t a g eo ft h e f i n g e r p r i n t su n i v e r s a l ，u n i q u ea n dp e r m a n e n tp r o p e r t i e s ，i th a st a k e np l a c eo f t r a d i t i o n a li d e n t i f i c a t i o nm e t h o da n dw a sf u l l yu s e di n n e t w o r k , b a n k , s e c u r i t y , t r e a t m e n ta n di l l s u 瑚c ea t p r e s e n t n o r m a l l y , f i n g e r p r i n ti d e n t i f i c a t i o nm a i n l y i n c l u d e st w oa s p e c t so na l g o r i t h ma n da p p l i c a t i o n a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to f i m a g ep r o c e s s i n g ，m a n ya l g o r i t h m sf o rf m g e r p f i n te m e r g ei ne n d l e s s l y , s u c ha s f r e q u e n c yf i l t e r , t i m ef i l t e r , o r i e n t a t i o ng r a p hf i l t e r ；o nt h eo t h e rh a n d , a l o n gw i t ht h e a p p e a r a n c eo f d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o oa n di t sd e v e l o p m e n t , g e n e r a ld s pc h i p s w e r em o r ea n dm o r eu s e di nf i n g e r p r i n ti m a g ep r o c e s s i n g c o m b i n e dw i t ht h e s et w o t e c h n o l o g yf o r e g r o u n d , h o wt or e a l i z er a p i da n dm i n i a t u r i z e di d e n t i f i c a t i o ns y s t e m h a sb e c a m eo n eo f t h ek e yp r o b l e m so f r e s e a r c hi nt h i sd o m a i n a c c o r d i n gt ot h eb a c k g r o u n dm e n t i o n e da b o v e ，t h eo b j e c tr e s e a r c h e di nt h i s p a p e ri st of i n do u ta l la p p r o p r i a t ea l g o r i t h mf o rf i n g e r p r i n ti m a g ep r o c e s s i n gb a s e d o nd s pt e c h n o l o g ya n dd e v e l o pa 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 mb a s e do nd s pa n d t or e a l i z e s a f e ， e f f i c i e n ta n dc o n v e n i e n t p e r s o n a lf i g u r e i d e n t i f i c a t i o n a b o u t a l g o r i t h md e s i g na s p e c t , t h et h e o r ya n db a s i cp r o c e s so ff i n g e r p r i n ti d e m i f i c a t i o n f i r s t l yw e r ea n a l y z e da n ds t u d i e da n dt h en e wf i n g e r p r i n ti d e m i f i c a t i o nm e t h o d - f i n g e r p r i n ti m a g ef i l t e rb a s e do no r i e n t a t i o ng r a p hw a se m p h a s i z e ds e c o n d l yi nt h i s p a p e r t h i sa l g o r i t h ms e l e c t e de i g h tb a s i co r i e n t a t i o n s ，c a l c u l a t e d t h eg r a yv a l u e v a r i e t i e so fe v e r yp i x e la l o n gt h e s ee i g h to r i e n t a t i o n s ，f o u n do u tt h eo r i e n t a t i o n c o r r e s p o n d i n gt o m i n i r n u n lv a r i e t y , r e s p e c t i v e l yc o n s t r u c t e d p o i n ta n ds e g m e n t d i r e c t i o ng r a p h , c h o s es u i t a b l ed i r e c t i o n a lt h r e s h o l dt os l i tt h ei m a g e ，f i l t e r e dt h e i m a g eu s i n gd i f f e r e n td i r e c t i o n a lf i l t e rt e m p l a t e s t h ee n n t r a s t i v e l ye x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wt h a tt h ei m a g ep r q ，r o c e s s e dw i t ht h i sa l g o r i t h mh a sac l e a rs t r u c t u r ea n d r e t a i n st h ef e a t u r eo ft h r e a da n dd i r e c t i o n a b o u th a r d w a r ed e s i g na s p c 2 t , t h ew h o l e s y s t e mh a r d w a r ef r a m ew a sg i v e nf i r s t l y , p a r t si n c l u d i n gc c di m a g i n gc i r c u i t ，f p g a t i m es e q u e n c ec o n t r o lc i r c u i t , d s pn u c l e a ra l g o r i t h me t c w e r ed e s c r i b e di nd e t a i l e d i i 武汉理工大学硕士学位论文 s e c o n d l yi nt h i sp a p e r s y s t e mc o r ei sd s pc h i pm a d ei nt ic o m p a n y u s i n gi t s p o w e r f u la b i l i t yo nd a t ap r o c e s s i n g , s y s t e mc a l lq u i c k l yc o m p l e t ek i n d so ft a s k s a s s i g n e db yp r o c e s s i n ga l g o r i t h mf o rf i n g e r p r i n ti m a g ca n dw a sm e e tt ot h er e q u e s t o i lr e a lt i m ec h a r a c t e r i s t i c ；w i t hv i d e od e c o d i n gc h i p ，f i n g e r p r i n ti m a g ec a p t u r ec i r c u i t a c c o m p l i s h e di m a g ed e c o d i n g ，r c a l i z g di n t e r f a c ew i t hh i 曲s p e e dd s pc o m p o n e n tb y f i f o ，c o n t r o l l e dt h et i m es e q u e n c ec i r c u i td e p e n d i n go nf p g a ；l a s t l y , i nt h eu p p e r c o m p u t e r , t h ef i n g e r p r i n tf e a t u r ed a t a b a s ew a ss e tu p ，t h ef i n a lr e c o g n i t i o na n d m a t c h i n gw c i ef i n i s h e d p r o v e dv i ae x p a i m g n t s ，t h es u b j e c tr e s e a r c hh a sc e r t a i nr e f e r e n c ev a l u ef o rt h e p r o d u c td e v e l o p m e ma n da p p l i c a t i o no f e m b 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 m k e yw o r d ：f i n g e r p r i n ti d e n t i f i c a t i o n , p r e p r o c e s s i n g ，o r i e n t a t i o ng r a p h , f e a t u r ee x t r a c t i o na n dm a t c h i n g ，d s p 1 1 1 此页若属实，请申请人及导师签名。 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得武汉理工大学或其它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已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅； 学校可以公布论文的全部内容，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存论文 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生签名 师签名：垒望日期煦：垒：鸯 注：请将此声明装订在学位论文的目录前。 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章引言 1 1 课题研究的目的、意义 当今社会科技水平发展迅速，人类已进入了新的网络信息时代，在商务、 数据、账务等方面的交流也目趋密切，而另一方面，随着社会活动中诸如密码 遗忘，丢失，被盗取等令人头疼问题的不断出现，表明了传统的基于标志和数 字的认证已逐步不再满足要求，因此在日常生活中人们不得不借助一些其它方 法进行合法身份的识别和认证，如何及时、准确和有效地验证每个社会成员的 身份，以保障人们的合法权益和各种社会活动的合法性和有效性则是当今社会 面l 临的一个新的难题。在此背景下，结合人体的身体特征具有不可复制的特点， 人们把目光转向了生物识别技术( b i o m e t r i ci d e n f i f i c a t i o l l t e c h n o l o g y ) ，希望可以 籍此技术来应付现行系统安全所面临的挑战。生物识别技术是利用人体生物特 征进行身份认证的一种技术，研究表明，人的指纹、掌纹、面孔、发音、虹膜、 视网膜、骨架等都是具有可量化性的生物特征，生物识别系统对这些生物特征 进行取样，提取其唯一的特征并且转化成数字代码，再进一步将这些代码组成 特征模板，人们同识别系统交互进行身份认证时，识别系统获取其特征并与数 据库中的特征模板进行比对，以确定是否匹配，从而决定接受或拒绝该人。其 中指纹识别技术是迄今为止出现的一种最为方便、准确与安全的生物识别技术， 相对于其它的生物识别技术，指纹具有以下三个方面的特性使其成为生物识别 技术的首选【l “。 ( 1 ) 普遍性：即所有正常人都具有的生物特征。 ( 2 ) 唯一性：即世界上两个指纹完全相同的概率小于1 旷。 ( 3 ) 永久性：即终生不变性。 作为身份识别的新方式，指纹识别技术显示出广阔的应用前景，目前在网 络、银行、证券、医疗和保险等行业已得到了广泛应用。它充分利用了指纹的 普遍性、唯一性和永久性的生物特征取代了传统的基于标志和数字的识别方式， 不仅在一定程度上保证国家经济信息的安全，还将真正给消费者的网上购物， 商家和企业的网上销售等活动营造一个安全、便捷的有利环境，同时带来不可 估量的经济效益和社会效盏。因此，大力推进生物特征识别技术、尤其是指纹 武汉理工大学硕士学位论文 识别技术的研究水平并促其产业化，不仅可以提高我们的安全防范水平，同时 可以带动计算机、电子、光学，图像处理、模式识别等相关学科的发展，具有 很大的理论与现实意义。 指纹识别的研究包括识别算法研究和应用系统研究。识别算法的研究主要 围绕两个目的：如何提高识别的准确性和识别的速度，主要研究内容包括指纹 图象增强、指纹特征提取、指纹特征匹配以及指纹分类；应用系统研究的目的 是构建经济实用、抗攻击性强、与各种应用无缝集成的指纹识别系统，如基于 指纹的计算机登录系统、基于指纹的文件加密系统等等。鉴于指纹识别的广阔 应用前景和目前所面l 晦的问题，本文应用数字图象处理、模式识别、计算智能 等方面的知识对指纹识别算法进行深入研究，提出了一种基于方向图的指纹图 像处理方法，克服了传统仅仅基于灰度值的图像滤波方法的不足；另一方面， 给出了基于d s p 芯片的指纹识别系统的硬件设计框图，对实际应用具有一定的 参考价值。在这些方面进行的探索以及给出的一些新的方法，目的是期待提高 指纹识别的性能，促进指纹识别的应用。 1 2 国内外研究现状、发展水平和存在的问题 现代指纹识别技术的研究是从十六世纪开始的。1 6 8 4 年，英国植物学家g r e w 发表了人类对指纹识别技术进行科学研究的第一篇论文，研究了指纹纹线脊、 谷和孔状结构的对称性。从此以后，很多人开始了致力于指纹识别技术的研究。 2 0 世纪6 0 年代末，以电子计算机技术为代表的信息技术逐步兴起，计算机 技术开始进入指纹识别领域，美国有人提出用计算机图像处理和模式识别方法 进行指纹分析以代替人工比对，这就是“自动指纹识别系统”( a u t o m a t e x 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 ，简称a f i s ) 。 2 0 世纪8 0 年代，个人电脑和光学扫描技术的飞速发展，使得它们作为指纹 取像的工具成为现实，从而使指纹识别系统完善起来，并且可以在其他领域中 得以应用，比如代替i c 卡。9 0 年代后期，低价位取像设备的引入和飞速发展， 可靠的比对算法的发现为个人身份识别应用的增长提供了更广阔的舞台。 自改革开放以来，我国在指纹识别系统也取得了很大的成果，以中国科学 院和中国工程院两院院士为鉴定委员的鉴定会一致认为，中国长春光机所研制 的指纹采集仪在目前国内居领先水平，该设备与信息图像处理系统相连，能广 2 武汉理工大学硕士学位论文 泛应用于公安，金融，保险等领域，具有巨大的市场前景。到2 0 0 3 年初，国内 指纹行业生产商、经销商及集成商合计超过8 0 家。如中国科学院自动化研究所、 北大高科、深安，杭州中正等。 目前世界上主要的几种指纹采集技术有光学采集技术，半导体采集技术， 超声波采集技术。美国f o r s t & s u l l i v a n 公司于美国时间2 0 0 3 年1 1 月2 6 日公布了 有关半导体指纹传感器市场的调查结果。认为“目前在面向生物体认证( 人体 认证) 的指纹传感器中，传统型光学传感器占有优势，由于受到半导体指纹传 感器技术进步和价格下降的影响，基于半导体的指纹传感器的势力将会增加”。 常见的指纹识别系统有两种，即嵌入式系统和连接计算机的应用系统。嵌 入式指纹识别系统是一个相对独立的完整系统，它不需要与其他设备或计算机 进行连接，可以独立完成其设计的功能。如指纹门禁，指纹考勤终端，指纹保 险箱等都是嵌入式系统，其功能可灵活设置，应用于完成特定的功能：而连接 计算机的应用系统具有灵活的系统结构，并且可以多个系统共享指纹识别设备， 可以建立大型的数据库应用。随着计算机与通信网络的蓬勃发展，电子商务的 不断推广应用，安全方便的指纹识别系统现已广泛应用于桌面电脑、笔记本电 脑、提款机、蜂窝电话，考勤系统、门禁控制以及电子商务安全系统，遍及银 行、保险、边防检查、医疗卫生及网络接入等各个领域。 总体来看，目前指纹识别领域主要存在的问题：( 1 ) 采集设备：光学采集设 备成本高，成像区域大，但功耗大，能力较差：半导体设备成本低，成像区域 小，但易受手指的清洁度影响；超声波成像较好，但成本太高。( 2 ) 处理系统： 计算机系统处理范围广适用于大型数据库，但可移动性差；嵌入式系统较为灵 活，但目前主要问题是一些系统容量不够，处理速度不够理想，扩展能力不强。 现在，随着高速处理器件的引入及其飞速发展，指纹数据的优质采集和处理 将达到一个更高的水平，研究指纹采集的通用方法及相应软件并使其朝着小型 化快速化方面发展将是一件十分有意义的工作。 1 3 本文的主要工作 本文首先介绍了指纹识别技术的发展现状及其应用前景，然后对国内外各种 指纹识别系统进行了对比性分析，在吸收和借鉴他人研究成果和经验的基础上， 重点对基于方向图的指纹识别算法进行了研究，同时对以d s p 为核心处理器的 3 武汉理工大学硕士学位论文 指纹识别系统硬件电路进行了设计，并进行了部分功能的仿真与调试。整个系 统的设计研究内容主要分为以下两个方面： ( 1 ) 指纹识别算法的设计。( a ) 指纹图像预处理：指纹图像预处理是整个指 纹识别算法的关键，其任务是准确可靠地再现指纹的纹理结构，以保证后续的 指纹匹配或分类。( b ) 指纹匹配：指纹匹配是指纹识别系统的最终目的，包含如 何提取最能表征指纹图像的特征以及如何匹配两幅指纹图像的特征两部分内 容。 ( 2 指纹识别系统硬件电路设计。( a ) 指纹图像采集：通过c c d 成像技术 对指纹图像进行采集，用视频解码芯片完成图像信号的解码，借助f i f o 实现与 高速d s p 器件的接口，整个时序电路依靠f p g a 来控制。( b ) 图像处理：核心算 法移植到d s p 芯片，完成图像的预处理。( c ) 特征识别：在上位机中进行指纹特 征数据的存储，并完成相应的识别与匹配。 论文分为六章，第1 章是引言，概述了课题研究的目的、意义，分析了国 内外研究现状、发展水平和存在的问题。 第2 章介绍了指纹识别系统的基本原理、基本流程，分析比较了主要流程 的目的和技术方法。 第3 章在分析了传统算法缺点的基础上引入了方向图的概念，并对系统的 每一部分算法进行了分析与实验仿真，并针对性地给出了部分程序。 第4 章对指纹识别系统的硬件进行了设计，给出了整个识别系统的硬件框 图，并对每一部分进行了详细的说明。 第5 章结合前面的算法和硬件设计，对具体的调试步骤进行了详细的说明， 并给出了实际的硬件实物图及调试结果图。 第6 章对本文的工作进行了总结，并对指纹识别系统的未来前景进行了展 望。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章指纹识别系统的基本原理和方法 2 。1 指纹的基本特征 指纹识别系统中，通常采用全局和局部两种层次的结构特征。两枚指纹可 能具有相同的全局特征，但局部特征却不可能完全相同。 2 1 1 全局特征 指纹的全局特征是指在指纹中心区域形成的特殊结构，该结构包含着人眼 直接就可以观察到的特征，包括：纹型、模式区( p a t t e ma r e a ) 、核心点( c o r e ) 、三 角点( d e l t a ) 蝴= 纹数( r i a g ec o u n t ) 等，如图2 一l 所示。 纹型：指纹的基本纹型图案主要分为三类：环型( 1 0 0 p ) ，拱型( a r c h ) ，漩涡型 ( w h o r l ) ，其他的指纹图案都基于这三种基本图案。仅仅依靠图案类型来分辨指 纹是远远不够的，这只是一个粗略的分类，但通过分类使得在大数据库中搜寻 指纹更为方便，以减小搜索范围。指纹图像类别通常按这样比例分配：漩涡型( 包 括w h o r l ，d o u b l ew h o r l ) 占2 7 9 ，环型( 包括r i g h tl o o p 。l e f tl o o p ) 占6 5 5 ，拱 型( 包括a r c h , t e n t e da r c h ) 占6 6 。 模式区( p a t t e m a r e a ) ：模式区是指指纹上包括了全局特征的区域，即从模式 区就能够分辨出指纹是属于哪一种类型的。有的指纹识别算法只使用模式区的 数据，而有的指纹识别算法则使用完整指纹而不仅仅是模式区进行分析和识别。 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，可作为指纹读取和比 对时的参考点。 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、折转处，或者指向这些奇异点。三角区提供了指纹纹 路的计数和跟踪的开始之处。 纹数( r i d g ec o u n t ) ：指模式区内指纹纹路的数量。在计算指纹纹数时，一般 先连接核心点和三角点，这条线与指纹纹路相交的数量即可认为是指纹的纹数。 5 武汉理工大学硕士学位论文 漩涡型 环型拱型 拶。甥弧瓣 模式区核心点三角点纹数 图2 - - 1 指纹的基本特征 2 1 2 局部特征 局部特征是指指纹纹路上的节点的特征，也称为细节特征，因为指纹纹路经 常出现中断、分叉或打折，所以形成了许多节点。人们根据纹路的局部结构特 征共定义了1 5 0 多种细节特征，常见的有端点( e n d i n g ) 、分叉点( b i f u r c a t i o n ) 、 孤立点( d o to ri s l a n d ) 、环点( e n c l o s u r e ) 和短纹( s h o r tr i d g e ) 等等，如果同 时使用所有的这些特征，将很难自动而且迅速地从指纹图像中提取并且区分它 们。通常，自动指纹识别系统只使用其中两种主要的特征，即分叉点和端点，如 图2 2 所示，其他细节特征都可以用它们的组合来表示。 分叉点 图2 2 指纹的局部特征 特征点通常以四种参数描述。( 1 ) 类型( t y p e ) ：如端点、分叉点、孤立点等， 6 (黼 fi - 1 l 、 武汉理工大学硕士学位论文 通常采用的是端点和分叉点，它们在指纹图像中所占的比例分别为6 8 2 和 2 3 8 ；( 2 ) 位鼍( p o s i t i o n ) ：特征点的位置通过坐标来描述，它可以是基于原始图 像的坐标，也可以是基于某个参考点的坐标：( 3 ) 方f i ( o r i e n t a t i o n ) ：节点处纹线 的方向；( 4 ) 曲率( c u r v a t u r e ) ：节点处纹线的曲率，描述了纹理方向变化的速度。 要区分任意两枚指纹仅仅依靠全局特征是不够的，还需通过局部特征的类 型、位置、数目和方向才能唯一的确定。 2 2 指纹识别的基本原理 一个典型的措级谚 别糸统王曼由瑁级米集、坝处理、特，址堤取、特，仕址配、 特征数据库等几个部分组成，如图2 - 3 所示。 图2 - 3 指纹识别流程 2 2 1 指纹图像柔笔 利用取像设备将一个人的指纹采集下来是指纹识别的首要步骤。当今所使 用的主要指纹采集技术有光学指纹采集技术，半导体指纹采集技术和超声波指 纹采集技术。 光学指纹采集技术有着许多优势，它经历了长时间实际应用的考验，能承 受一定程度温度变化，性能很好，成本相对较低，光学采集设备也有不足之处， 主要表现在图像尺寸和潜在指印两个方面，台板必须足够大才能获得质量较好 的图像。 半导体传感器1 9 9 8 年在市场上才出现的，这些含有微型晶体的平面通过多 种技术来绘制指纹图像，其中包括硅电容指纹传感器，半导体压感式传感器， 半导体温度感应传感器。半导体指纹采集设备可以获得相当精确的指纹图像， 并且指纹采集时不需要象光学采集设备那样要求有较大面积的采集头。由于半 导体芯片的体积小巧，功耗很低、可以集成到许多现有设备中，这是光学采集 设备所无法比拟的，现在许多指纹识别系统研发工作都采用半导体采集设备来 7 武汉理工大学硕士学位论文 进行。 超声波指纹图像采集技术被认为是指纹采集技术中最好的一种，但在指纹 识别系统中还不多见，成本很高，而且还处于实验室阶段。 总之，各种技术都具有它们各自的优势，也有各自的缺点。表2 1 给出了 三种主要技术的比较。 表2 l 图像采集技术比较 比较 光学全反射技术硅晶体电容传感技术超声波技术 项目 体积大小 由 耐用性非常耐用容易破损 一般 成像千手指差，但汗多的和稍胀的手干手指差，但汗多的和稍胀的手 非常好 能力指成像模糊 指不能成像 耗电较多较少较多 成本 低 低很高 2 2 2 指纹图像预处理 在指纹识别过程中。输入的指纹图像由于各种原因的影响，是一幅含噪声 较多的灰度图像，预处理的目的就是去除图像中的噪声，使图像画面清晰，边 缘明显，把它变成一幅清晰的点线图，以便于提取正确的指纹特征。指纹图像 预处理环节在整个指纹识别系统中具有重要的地位和作用，它的好坏直接影响 着指纹识别的效果。预处理一般分为四步进行：图像分割、图像滤波、二值化、 细化。 ( 1 ) 图像分割：图像分割是把图像划分为若干区域，各自对应于不同的物 理实体。目的是将图像中质量很差的图像区及背景与有效区分开，使后继处理 能集中于有效区，从而提高特征提取的精度。 ( 2 ) 图像滤波：指纹预处理过程中最重要的一步就是对指纹图像进行增强， 也就是滤波去噪，它是指纹图像预处理需要解决的核心问题。图像滤波的目的 是在增强脊线谷线结构对比度的同时抑制噪声，连接断裂的脊线和分离粘连的 脊线，按特定的需要突出一幅图像中的某些信息，同时削弱或去除某些不需要 的信息。 ( 3 ) 二值化：图像经滤波处理后，其中的纹线( 脊) 部分得到了增强，不过 8 武汉理工大学硕士学位论文 脊的强度并不完全相同，表现为灰度值的差异。二值化的目的就是使脊的灰度 值趋向一致，使整幅图像简化为二元信息在自动指纹识别系统中，一方面对图 像信息进行了压缩，保留了纹线的主要信息，节约了存储空间，另一方面还可 以去除大量的粘连，为指纹特征的提取和匹配作准备。 ( 4 ) 细化：指纹图像二值化后，纹线仍具有一定的宽度，而指纹识别只对 纹线的走向感兴趣，不关心它的粗细。细化的目的是为了删除指纹纹线的边缘 像素，使之只有一个像素宽度，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。细化时应保证纹线的连接性，方向性和特征点不变， 还应保持纹线的中心基本不变。 2 2 3 指纹特征提取 原始指纹图像经预处理后碍到的是一幅细化的二值图像，下一步要做的工 作就是对细化后的图像进行特征提取，得到可以识别不同指纹的关键特征。特 征提取把指纹图像的纹线走向，纹线断点、交叉点等能充分表示该指纹唯一性 的特征用数值的形式表达出来。为了比对的准确性，要求特征提取算法尽可能 多地提取有效特征，同时滤除由各种原因造成的虚假特征。一般在指纹自动识 别技术中只使用两种细节特征点：端点和分叉点，其他类型特征点出现的机率 很小，这两类特征点在指纹中出现的机会最多、最稳定，比较容易获取。如何 准确高效的提取验证指纹特征是指纹细节特征提取要开展的工作，或者说是采 取什么样的步骤和方法，是后面指纹匹配工作的基础。 2 2 4 指纹特征匹配 特征匹配主要是细节特征的匹配，将新输入指纹的细节特征值与指纹库中 所存指纹的细节特征值进行比对，找出最相似的指纹作为识别的输出结果，也 就是所说的指纹验证辨识过程，它是指纹识别系统的最终目的。由于各种因素 的影响，同一指纹两次输入所得的特征模板很可能不同。因此，只要有输入指 纹的特征模板与所存储的模板相似时，就说这两个指纹是匹配的。于是产生了 有关的衡量标准的问题。通常，匹配结果用“匹配度”来表示。当匹配度大于 某一阈值时，认为两指纹匹配：相反，当小于该阈值时。认为不匹配。阕值大 小通常根据经验、系统安全级别等因素人为设定。 9 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章指纹识别系统的算法软件设计 通常，对指纹图像进行处理的方法可分为两类【4 】：空域方法和频域方法。传 统的方法主要是将指纹图像当作一幅灰度图来进行灰度滤波，如低通滤波、均 值滤波、中值滤波、直方图均衡化滤波、极值滤波、高通滤波等方法，它们主 要是针对图像中的随机噪声进行滤波而得到一幅较清晰的指纹灰度图像，但却 忽视了对图像纹理结构特征的保持及再现，因此效果不是特别理想。而指纹图 像除了具有普遍性、唯一性、永久性等特点之外，还有着如下不同于其它生物 特征图像的几个重要特点： ( 1 ) 在一定范围内，指纹图像中的纹线近似平行，具有一致的方向性； ( 2 ) 在一定范围内，指纹图像中纹线宽度基本相同： ( 3 ) 在一定范围内，指纹图像中纹线间距基本相同。 我们可以根据这些特征，建立反映指纹图像纹理结构本质的方向图【5 】，方向 图作为直接从原始图像中得到的有用信息，实际上描述了指纹图像中每一像素 点所在纹线在该点的切线方向，即用纹线的方向表示该纹线，它是指纹图像的 一种变换表示方法，可以根据像素点邻域中的灰度来判断，在某一方向上像素 的灰度值将保持连续。与传统的方法相比，方向图处理方法的主要特点是使用 与指纹局部方向致的滤波器进行滤波，使指纹纹线方向的点得到增强，随机 噪声得到滤除，指纹纹线平滑连续，达到既能使图像得到增强又不破坏指纹的 纹理结构的目的，从而弥补了传统方法的不足。 3 1 指纹方向图的获取 方向图可分为点方向图和块方向图，图中的每一元素代表指纹图像中某个 给定区域的纹线方向，在该方向上指纹图像的灰度值将保持连续性。其中点方 向图表示指纹图像中每一点脊线的方向；块方向图表示指纹图像中每一块脊线 的大致方向。具体的方向值可以根据像素点及其邻域中像素点的灰度值来判断。 3 1 1 点方向图的获取 我们在。一石之间平均划分个基本方向，每个方向为，指纹中每个像 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 素点的方向为个方向中的一种。理论上值越大越好，因为越大，得到的 方向就越多，最后图像改善就越好嘲，但要消耗更多的计算时间，使系统的负荷 大大增加通常n = 8 ，即如图3 1 所示八个方向。 8 图3 1 八方向图 每个像素点上方向值的判定是在其m m 邻域模板中得到的，一般取m - - 9 。 即在每方向上，我们取待求像素点的四个邻点，则八个方向可共同构成一幅 形如9 9 的邻域模板，如图3 2 所示。 7 n l 8 p s i 6 p p p 托 p n p b p b p np o p + 2p b玛2p 2 1 p 争 p 口p 1 p 玎 p bp 日p u 图3 2 9 9 邻域模板 因为指纹在一定范围内具有一致的方向性，即在同一方向上指纹图像的灰 度值变化最小，所以欲求出点p ( i ，j 1 的方向，我们首先要计算出沿各个方向的 灰度变化，如式( 3 i ) 。 蜀= i f ( i ，) 一厶瓴， ) id = l ，n ( 3 - 1 ) k = l 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 式( 3 1 ) e p f ( i ，_ ，) 是点p ( i ，) 的灰度值，厶( ，丘) 是方向d 上点p ( f ，_ ，) 的第七 个邻点的灰度值，是所取的方向数，厅是所取的邻点数，此处n = 4 ，n = s 。 为了能减少误差，我们可以先计算出沿各方向的灰度均值z ( f ，) ，如式( 3 2 ) ， 相当于进行了一次均值滤波，然后用z ( f ，) 取代式( 3 - 1 ) 州j f ( i ，j ) ，如式( 3 - 3 ) ， 最后找出其中最小的值s = r a m ( s , ) ，则s 所对应的d 值即为p ( f ，) 的方向。 成，j 3 = 吾喜厶( 似) 州，( 3 - 2 ) 蜀= 窆f 石( f ，) 一厶瓴，五) f 矗= l ，( 3 - 3 ) t = l 3 1 2 块方向图获取 由于噪声的影响或者纹线本身有断纹，点方向图并非完全真实地反映了每 个像素点所在纹线的方向。考虑到指纹纹线方向的连续性，即在一个小区域内， 纹线的方向一般是一致的，所以利用块方向图中的方向代替某一点的方向是可 行的，并且可以有效消除点方向图中的随机误差。计算块方向图的平均方向可 以采用中值、加权中值和直方图等方法。中值的方法是将点方向图分块后，将 其中的所有方向排序，选用位于中间位置的方向作为块方向图的方向。对于方 向图受到均匀噪声影响的情况，选用中值的方法较为合理。加权平均的方法是 把点方向图分块后，统计子块中每一方向的频率，用子块中总的像素数目去除 该频率，可以得到相应方向的权系数。用所有的方向去乘相应的权系数，然后 求和便得到了块方向。由于指纹像素某个局部区域内各点的方向大致相同，因 此直方图方法较为适合，即把点方向图分成n x n 大小的块。然后对每一子块计 算方向直方图，方向直方图中的峰值方向即为该块的方向。根据得到的指纹点 方向图，首先把图像分成w w 大小的块，这里_ 1 ，= 1 6 ，对每一块计算方向直方 图，横坐标为所设定的方向值，这里为 l ，2 ，3 ，4 567 ，8 ) ，纵坐标为取这些方向的 像素个数，方向直方图中的峰值所对应的方向即该块的方向，这样，块方向图 也就计算出来了。 3 1 3 程序设计及实验结果 为了正确地获得指纹图像的方向图，首先我们必须设定指纹的宽度与高度 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 ( 具体的值根据实际的采集的情况而定) ，然后为方向图数组申请内存，最后根 据前面所述的方法进行循环遍历计算得出有关的方向图，其主要代码如下： 产输入图像的宽度和高度， f v s i n t _ tw z i m a g c g c t w i d t h ( i m a g e ) ； f v s i n t _ th = i m a g c g v t h e i g h t ( i m a g e ) ； f v s i n t _ tp i t c h5i m a g c g c t p i t c h ( i m a g e ) ； f v s b y t e _ t p = l m a g e ( 3 c t b u f f e r ( i m a g e ) ； f v s i n t _ _ t i ，j ，i l v 与y ； f v s f i o a t _ td x ( n b l o c k s i z e + 2 + 1 ) ( n b l o c k s i z e + 2 + 1 ) 】； f v s f l o a t _ td y ( n b l o c k s i z e 2 + 1 ) ( n b l o c k s i z e + 2 + 1 ) 】； f v s f l o a t _ tn x , n y ； f v s f l o a tt o u t ； f v s f l o a t _ _ t + t h e t a 5 n u l l ； f v s e r r o u tn r e t 2 f v s o k ； ，输出图像 n r e t = f l o a t f i e l d s c t s i z c ( f i e l d ，w ，h ) ； i f ( n r e t ! = f v s o k ) r e - * t l l i t ln r e t ； n r e t = f l o a t f i e l d c l e a r ( f i e l d ) ； i f ( n r e t ! = f v s o k ) r c t u r rn r e t ； o u t = f l o a t f i e l d g e t b u f f e r ( f i e l d ) ； ，为方向数组申请内存吖 i f ( n f i l t e r s i z e 0 ) t h e m2 ( f v s f l o a tt ) m a l l o e ( w h s i z e o f ( f v s f i o a t _ t ) ) ； i f ( t h e t a ! = n u l l ) m e m s e t ( t h e t a , 0 ，( w h 。s i z e o f ( f v s f l o a t _ t ) ) ) ； 产内存错误，返回吖 i f ( o 归n u l l1 i ( n f i l t e r s