（控制理论与控制工程专业论文）基于mbf200的指纹识别算法的研究.pdf

1 ：fj i ： 一：t1 。，0i，001，2；。j_-_一 ，-jj1，】，l 略 r 7 l i 1 ， ， d i s s e r t a t i o ni nc o n t r o l t h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g r e s e a r c ho f f i n g e r p r i n tv _ e r i f i c a t i o nb a s e do nm b f 2 0 0 b yp a n gy u s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rz h a oj u n n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i 锣 j a n u a r y2 0 0 8 3洲0舢，jjj-4 舢8ii_y 叱， p，l口f、f 襄 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，不包含其他人已经发表或撰写过的 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已在论文中作了明确的说明并表示诚挚 的谢意。 学位论文作者签名：庑羽 签字日期：矽矿绎引，自 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：压羽 导师签名：豇缮 签字 日期 ：z 弼午乡缨慨字日期：娜) ，1 ， 詹 k 东北大学硕士学位论文 摘要 基于f 2 0 0 的指纹识别算法的研究 摘要 指纹识别技术是一种重要的生物身份识别技术，也是目前生物识别技术发展的最为 成熟的一个分支。作为一种飞速发展的技术，指纹识别已经在刑侦领域大显身手，在银 行身份认证等民用领域，这项技术也具有广阔的应用空间。将指纹识别技术和嵌入式系 统相结合可以使指纹识别技术的应用摆脱空间与环境的限制，更加广泛的适用于各种场 厶 口。 本文主要研究指纹识别技术的一些算法，基于现有的理论框架，用s u a l c + + 实现 了一套完整的指纹识别算法。并对其中的一些问题进行了深入的研究，提出一些改进的 方法。主要的研究工作内容概括如下： ( 1 ) 首先对生物识别系统的基本概念以及常见的生物识别技术进行了较为详细的综述， 并对不同种类的生物识别技术进行比较；阐述了自动指纹识别系统的结构、工作原理 和目前的研究现状。在分析自动指纹识别系统的关键问题基础上，提出了论文的研 究内容。 ( 2 ) 研究了指纹图像的采集技术，对指纹采集技术的相关定义和性能指标做了下介绍， 并对现有的指纹图像采集技术做了下总结和比较。 ( 3 ) 在算法研究方面，采用了图像分割、图像增强，二值化，细化，特征提取，伪特征 去除，指纹匹配等处理步骤，详细讨论了各个步骤现有处理方法的思路，分析了这 些算法的优点和不足；根据嵌入式系统的要求优选了各个步骤合适的算法；并根据 本身条件进行了一定的改进；完成了相应的开发，初步实现了整套指纹识别系统。 ( 4 ) 究了指纹的特征提取与匹配，回顾了前人的指纹特征提取和匹配算法，并在前人算 法的基础之上，改进了基于8 邻域纹线跟踪特征提取和基于中心点和相似三角形特 征匹配的识别方法。 ( 5 ) 在本文介绍的算法基础之上，开发了指纹识别软件。 关键词：预处理；g a b o r 滤波；特征提取；指纹匹配 一i i - j i 、， 以 前 ，“ p 、 ， 东北大学硕士学位论文 a b s t “l c t r e s e a r c ho ff i n g e r p r i n tv | e r i f i c a t i o nb a s e do nm b f 2 0 0 a b s t r a c t f i n g e 印r i n tv e r i f i c a t i o ni sa l li m p o r t 锄tb i o m e t r i ct e c 王l l l i q u ef o rp e r s o n a li d e n t i f i c a t i o n a n di ti sa l s ot h em a ：t u r e s tb r a n c ho fb i o m 嘶ct e c m l i q l l e a sar a p i d l ye v o l v i l l gt e c l l i l o l o 卧 f i n g e r p 血tv e r i f i c a t i o nl 粥b e e n 谢d c l yl l s e di n t h ef i e l do fc d m i n a 】i d e n t i f i c a t i o l l 锄d o b v i o u s l yi t h a st 1 1 ep o t e n t i a lt ob ew i d e l ya d o p t e di i lav e r yb r o a d 啪g eo fc i v i l i a n 印p l i c a t i o n ss u c h 嬲b a n k n gs e c u r i 够t h ec o m b i n a t i o no ff i n g e 唧n t 诚f i c a t i o n 锄d 锄b e d d e ds y s t e m sw o u l dm d k et h i st e c l l i l i q u eb es u i t a b l ef o rm 甜l yl 【i n d so fo c c 硒i o n s t h ed i s s e r t a t i o nf o c u s e so nr e c 0 9 1 1 i t i o no ff i i 坞e 印r i n t b a s e do nc w 彻tt b e o r e t i c 缸吼e w o r k ，ac o m p l e t ea l g o r i t h mo ff i n g e 印r i n tr e c o 印i t i o nh a sb e e na c c o m p l i s h e do nv i s u a l c + + a _ t t e n t i o n sl l a ：v eb e e ng i v e nt 0s o m ep r o b l e m sf o r f h n 】k ri i n p r o v e m e m t h em 血 c o n t r i b u t i o n so fo u rw o r kr e p o r t e di nt h j st h e s i sa r e 硒f o l l o 、s ： ( 1 ) 7 i kb 嬲i cc o n c e p to ft h eb i o m e t r i ci d e n t i f i c a t i o ns y s t e ma n dt h e 矗珊i l 协b i o m e 仃i c i d e m i f i c a t i o nt e c b l l i q u e sa r es u 埘衄a r i z e d t h es 仇l c t u r e ，p r i n c i p l ea i l dt l l er e s e a r c h s t a ：c u so f a f i sa r ci 曲的d u c e d 1 1 l ek e yp r o b l e m si i la f i sa r ea i l a l y z e d ( 2 ) 1 1 1 et e c l l i l o l o g ) ，o ff i n g e 印血ti m a g ea c q u i s i t i o ni s 删i e d 1 kr e l e v 锄c ed e f i i l i t i o na n d 劬c t i o ni n d e xo ff i n g e 删n ti m a g ea c q u i s i t i o ni si n t r o d u c e d a n dc o m p 撕n g 廿l e t e c l l i l o l o g yo ff i n g e 印r i mi m a g ea c q u i s i t i o n ( 3 )ni n t r o d u c e sa l g o r i t l l i i l si nf i n g e 删mi m a g ep r o c e s s i n gw i t l ld i v i s i o n ，e i l l ：脚1 c e m e n t ， b i 船t l l i n ，f e 钡鹏se x 臼a c t i o na n df 酞ef e a c i i r e s 蛹e c t i ta n a l y s e s 也ei d e a ，a d v 觚t a g e s 锄dd i s a d v a n _ t a g e so fa v a i l a b l ea l g o r i 也m so fe v e 巧s t e p s ，s e l e c t e da 1 1 di l i l p r o v em eb e s t o n eo fe a c hs t 印c o n s i d e r i n go fo u rs y s t e m ，c o m p l e t et h ec o n e s p o n d i n gd e v e l o p m e n t 锄d r e a l i z et i l ew h o l es y s t e mp r i m a r i l y ( 4 ) m i n u t i e x n a c t i o na n df i n g e 印r i n ti d e m i f i c a t i o na 1 9 0 r i t h m sb a s e d0 n 廿1 em i n u t i m a t c l l i r 培a l g o r i t l l m so ff i n g e 印r i n t sa r er e s e a r c h e d t h ee x i s t e dm i n u t i a ee x 位l c t i o n 粕d m a t c h i i l ga l g o r i m l sa r er e v i e 、e d a n db a s e do nt h es t u d yo fe x i s t e dm e m o d san e w i d e n t i f i c a t i o na l g o r i t i 蚰i sp r o p o s e d ( 5 ) b a s e do nt h ea l g o r i t h m so f “sp 印e r ，w ed e s i 弘f i n g e 印r i n ts o r w 暑鹏 k e yw o r d s ： p r e p r o c e s s i n g ；g a b o rf i l t e r ；m i n m i a ce x t r a c t i o n ；f i n g e 印r i n tm a t c h i n g i i i l q a f 氇 ，l 0 东北大学硕士学位论文第一章绪论 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a ( 玎。l 第一章绪论1 1 1 研究背景l 1 2 指纹识别技术发展前景。2 1 3 论文主要工作7 第二章指纹识别预处理算法9 2 1 获取指纹图象。9 2 1 1 光学指纹图像采集技术9 2 1 2 半导体指纹采集技术1 0 2 1 3 超声波指纹图像采集技术1 1 2 2 指纹图象质量评估1 1 2 2 1 前景、背景分离1 2 2 2 2 确定前景图象块的方向。1 3 2 2 3 图象总体质量判断。1 4 2 2 4 判断指纹的干湿情况。1 5 2 2 5 判断手指是否放偏1 6 2 3 指纹图象预处理1 7 2 3 1 指纹图象增强1 7 2 3 2 指纹图象二值化。2 8 2 3 3 细化3 1 2 4 求取中心点3 4 2 4 1 第一种方法3 5 2 4 2 第二种方法3 7 第三章特征点的搜索与指纹比对。4 1 3 1 特征提取与后处理4 1 3 1 1 指纹特征分与指纹比对类4 1 3 1 2 指纹特征提取的方法4 4 3 2 指纹特征比对4 7 3 2 1 基于直角坐标的中心点指纹特征比对4 8 一一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 3 2 2 无中心点比对5 0 第四章系统硬件设计5 3 4 1 概述。5 3 4 2c 8 0 5 1 f 1 2 4 处理器简介5 3 4 2 1 端口的输入和输出5 5 4 2 2 存储器组织5 5 4 2 3 增强型串行外设接口( s p d 5 6 4 2 4 串行通信接口a r d 5 7 4 3 指纹传感器m b f 2 0 0 5 7 4 3 1m b f 2 0 0 概述及特点5 7 4 3 2m b f 2 0 0 的工作原理5 8 4 3 3m b f 2 0 0 与处理器借口5 8 4 3 4m b f 2 0 0 功能寄存器及其简介5 9 4 3 5m b f 2 0 0 接口模式及操作6 1 4 4 系统硬件结构6 2 4 4 1 系统存储空间的硬件设计6 3 4 4 2 指纹传感器m b f 2 0 0 的硬件设计6 3 4 5d 、结6 5 第五章上位机程序6 7 5 1 指纹识别程序概括6 7 5 2 下位机与上位机的串行数据通信6 9 5 2 1 打开串口6 9 5 2 2 配置串口7 0 5 2 3 超时设置7 1 5 2 4 事件设置7 2 5 2 5 读串口。7 3 5 2 6 写串口一7 3 5 2 7 关闭串口7 4 第六章总结和展望7 5 6 1 总结。7 5 6 2 展望。7 6 参考文献7 9 ， 致谢：8 3 附录a 8 5 一v 一 j - p 一。 q 矿簟 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论弟一早珀。t 匕 随着电子信息大众化和电子商务的日益普及，信息安全管理工作越来越受到各行各 业的高度重视，而传统的身份认证是基于数字、字符等组成的密码验证技术，在防范要 求高的场合，其保密性、安全性、便捷性已经满足不了要求。人体特征具有唯一性、稳 定性，不易复制，难以破解，因此利用生物识别技术的省份身份验证系统以成为开发热 点。随着计算机技术的飞速发展，低价位指纹采集仪的出现以及高可靠算法的实现，更 使得自动指纹识别技术越来越多地进入到人们的生活和工作中。作为一种理想的身份认 证技术，指纹识别有着十分广泛的应用前景，是将来生物特征识别技术的主流。 据考古发现，公元前7 0 0 0 6 0 0 0 年，古代的亚述人和中国人就意识到了指纹的特点， 并使用指纹作为身份的象征，1 9 世纪中叶开始了对指纹在科学意义上的研究，并得出两 个重要结论：一是没有任何两个手指指纹的纹线形态一致；二是指纹纹线的形态终生不 变。从而这些研究使一些政府开始使用指纹进行罪犯鉴别，如阿根廷在1 8 9 6 年，苏格 兰在1 9 0 1 年，其他一些国家在2 0 世纪初期也纷纷引入指纹技术鉴定罪犯。2 0 世纪6 0 年代起用计算机自动识别指纹，同时刑侦用的指纹自动识别系统( a f i s ) 逐渐在全球开始 了广泛应用。而这时的指纹采集一般都采用油墨捺印的方式。 1 9 8 0 年后，随着个人计算机和光学指纹采集器的发明，指纹识别技术开始进入了一 些非司法领域，如居民身份证等。1 9 9 0 年以后，廉价指纹采集器和计算设备的出现，解 决了快速准确的匹配算法问题，使指纹识别技术走向了基于个人的应用。从此，人们对 指纹识别技术的研究，对指纹的性质也有了进一步的认识。因此，指纹也就是成为当之无 愧的”物证之首选”的应用对象。 当今世界假币、假支票、假信用卡、假护照、假身份证、假印章等泛滥成灾。由于 仿真技术的提高，这些假东西达到以假乱真、真假难辨的程度。例如美钞假币的逼真程度 就连制假者也需在假币上做特殊记号才能识别。为此，多年来许多国家投入巨资研究新的 防伪技术，其中指纹识别系统就是近年来发展最快的技术之一，备受重视。 世界上相同指纹的人是很少的，几千万人中才有一个，但绝对不存在十四个部位特征 完全相同的另一只手掌。利用光学扫描器和计算机制成了能实现自动鉴别人们身份的指 。 一l 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 纹识别系统，人只要把自己的手放入扫描仪，便能验明身份。手掌做身份证明最可靠，不会 遗忘，不会丢失。为此，指纹识别系统率先应用于国防、安全、司法等重要保密部门。一 些国家的军方绝密作战中心装备了指纹识别系统。进入中心的人必须经过指纹识别系统 鉴别才能进入。这种方式比身份证验明身份要安全得多。司法部门验指纹确定罪犯，采用 指纹识别系统核实嫌疑犯的效率将大大提高，由几个月变成几十分钟，破案率提高。一种 叫f a s t 的旅行者身份指纹识别系统已问世，并在纽约机场试用。世界旅游委员会的库特 纳评价说t 在纽约，检查护照的等候时间已大大减少。 以往最多需用四十分钟的检查，在 此只需若干秒就完成了。美国、加拿大、德国、澳大利亚、荷兰等国已打算采用这种指 纹识别系统。该系统在大范围推广后，将给旅行带来一次根本性的变革：手就是护照。 银行系统采用指纹识别系统可取代塑料制的信用卡，从而杜绝诈骗事件发生，每年可 减少数十亿美元的损失。有些国家政府相信指纹识别系统用于投票可避免投票者作弊行 为。邮电部门采用指纹识别系统将能从根本上杜绝公话私用现象，这一点对我国有特殊意 义。指纹识别系统用于保安系统将给制锁业代来一次根本性革命，人们将丢掉用了千年的 钥匙，用上更安全的锁，再不用顾及钥匙的丢失。专家指出，如能实现指纹识别系统小型化 或微型化，再同其它系统结合能生产出更多的派生产品，潜力会更大。 1 2 指纹识别技术发展前景 身份识别就是通过特定方式确定用户身份的过程。总的来说，身份认证的基本方式 可以分为三大类。第一类根据被认证对象所掌握的信息来确定其身份，如口令、身份识 别码等；第二类是利用被认证对象所拥有的物品对其进行身份识另i j ，如各种身份证件、 护照、信用卡等；第三类是依据被识别对象本身所具有的特征进行身份识别，如指纹、 语音、虹膜等生物学特征。前两类认证方式在目前的应用相当广泛，但这并不能掩盖它 们所固有的局限性。例如，密码有被遗忘的可能，也有被盗用的可能；信用卡有遗失的 可能，甚至有被伪造的可能。这两类方法的固有局限所产生的根本原因在于其认证操作 对象并不是被识别人本身，而是通过对物品( 或知识) 进行的识别来间接认证人的身份。 现在，随着科技的迅速发展，在公共安全、电子商务、社会保险、金融、通讯等领域的 应用，这两类根据“此物即此人，彼物即彼人的思路进行认证的方式已经不能完全满 足日益严苛的身份识别要求。相比较而言，当前日益受到关注的生物特征识别认证则是 一种更为可靠、而且更为方便的认证方式。 生物特征识别认证是根据人体所固有的生理特征或行为特征来确定被识别人身份 ， 一2 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 的。人类所具有的生物特征有指纹、掌纹、虹膜、人脸、视网膜、体味、手形、姿态、 语音、签名、笔迹等。但是可以用于身份认证的生物特征必须满足以下的条件：普遍性， 即每个人都要拥有此生物特征；唯一性，即任何两人的此特征不可能完全相同；永久性， 即此特征相对于时间的流逝具有不变性；可采集性，即特征可以被采集和检测；性能， 体现了识别的精度；可接受性，表明了人们对此生物特征乐于接受的程度。指纹、虹膜 等生物特征本身具有上述的优异性质，根据这些生物特征进行识别，显然可以从本质上 克服间接认证的多方面的局限，并满足人们对认证方式的更高要求。因而，生物特征识 别技术产业将拥有越来越大的市场，应用前景也极为广阔。下面对现在应用较多的生物 特征识别方案作一个简要的叙述。 语音识别：通过识别人的语音频率来识别说话的人。语音识别系统每隔o 0 1 秒采集 一次声音频率，这些频率曲线被排在一起用来描述人在1 秒内产生的语音声波，并以此 为依据进行分析识别。相比于其它的生物识别方式，语音识别较为复杂并且精度较低。 手形识别：根据特殊的方程式对每根手指和手指的指关节的尺寸和形状以及整只手 的尺寸进行三维测量，利用手形图像进行识别，目前来说，相比较之下准确性较低。 人脸识别：通过分析脸部特征的惟一形状、模式、位置来识别人。主要有基于标准 像技术和基于热量绘图技术的两种识别方法。目前，尽管在人脸识别方面做了大量的研 究，但是依然不能说识别的精度和系统的可靠程度已经得到了保证。 虹膜识别：用摄像机取得虹膜的特征样本并将人的虹膜形状图像变换成数字代码， 然后与存储模板进比对。这是一种在所有生物识别技术中可靠性最高的识别技术，但是 由于它对于盲人和眼疾患者的无效性，人们并不认为它是一种方便的认证方式。 指纹识别：指纹具有惟一性和终生不变性，利用指纹进行身份认证的过程即是比对 两幅指纹图像的全局特征和局部细节特征的过程。自动指纹识别兴起于上世纪六十年 代，它利用计算机取代人工来进行指纹的识别，发展至今它已经成为生物特征鉴别技术 中应用最为可靠、方便的一种生物识别方式。随着计算机技术的飞速发展，低价位指纹 采集仪的出现以及高可靠算法的实现，自动指纹识别技术已经越来越多地进入到人们的 生活和工作中h 1 。作为一种理想的身份认证技术，指纹识别有着十分广泛的应用前景， 是将来生物特征识别技术的主流。 作为对上述几种生物识别方式的总结，表1 1 对几种技术做了比较： 一3 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 表1 1 几种生物识别技术的比较 1 a b l e1 1c o m p a r i s o no f b i o m e t r i ci d e n t i f i c a t i o nt e c h n i q 鹏s 识别效果1 比l 比对1 比多比对 传感器价格仪器体积 指纹很好可以可以 l o 1 0 2 很小 虹膜或视网膜很好 手形好 人脸变化 语音变化 可以 可以 可以 可以 可以 不能 不能 不能 1 0 2 一1 0 3 1 0 2 1 0 2 o 1 0 2 大 居中 小 很小 通过比较可知，从识别效果来看，指纹识别和眼睛识别的效果较好，人脸识别受光 线的影响较大，语音识别受麦克风的影响较大。指纹识别和眼睛识别的错误率较低，但 通过对传感器价格和仪器体积比较可知，指纹识别更易于普及。 全球6 0 亿人，每个人( 包括指纹在内) 皮肤纹路在图案断点和交叉上各不相同，也 就是说是唯一的，并且终生保持不变。依靠人体指纹的不变性和唯一性，我们就可以把 一个人同他的指纹联系起来，通过把他的指纹和预先保存的指纹进行比较，就可以验证 他的真实身份。这就是指纹识别技术。现代化的指纹识别系统具有登记、自动提取特征、 保存数据、远程控制、自动查询、统计、打印报表等等功能，并能够科学管理已存数据。 指纹识别技术是目前应用前景最为广阔的身份验证和识别技术。 指纹识别技术可以通过几种方法应用到许多方面。 应用指纹作为身份认证的方式将使得金融系统的安全性达到一个质的飞跃。随着我 国金融事业的蓬勃发展，各银行业务蒸蒸日上，如何为客户提供快捷方便、安全可靠的 服务，是每个银行尽力争取的目标，活体指纹识别系统的大众化应用为银行业的优质服 务提供了有利工具。使用指纹密码系统，储户开户时，可以选择取款时用指纹作身份鉴 别，然后通过指纹采集器在指纹库中登记一枚或几枚指纹；取款要求鉴别身份时，储户 在指纹采集器上按下指纹，系统顷刻之间即可鉴别储户身份真伪，万无一失。同时，无 论是储户本身还是金融系统内部人员的登录及授权的身份确认，该方式均满足了当事人 的身份认证需求。能够准确、安全、快捷的验证使用者的真实身份。 社会福利保险系统中的养老、人寿、医疗、失业等各种保险系统的身份识别将呈现 崭新面貌。社会保险部门将借助计算机指纹验证系统发放养老金、失业保险金等，杜绝 各种骗领、冒领现像，使管理更科学、安全和高效。： 司法系统中的指纹采集、身份鉴别、证件鉴别( 身份证、护照、驾照等) ，外来人口 一4 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 管理、海关及民航快速通关认证等将有一个无可比拟的高安全性保障 应用指纹密码，教育系统中的学籍管理、考试管理、远程教育、准考证等将进入一 个全新的便捷、安全管理时代。 在医院里，指纹识别技术可以验证病人身份，通过指纹医疗卡、电子病历管理，特 别是献血、输血管理，可以辨别多次献血及不合格献血者。在这些应用中，指纹识别系 统将会取代或者补充许多大量使用照片和i d 的系统。 通过使用指纹验证来取代各个计算机应用程序的密码就是一个典型的实例。可以想 象如果计算机上的所有系统和应用程序都可以使用指纹验证的话，人们使用计算机就会 非常方便和安全，用户不再讨厌必要的安全性检查，而i t 开发商的售后服务工作也会 减轻许多。i b m 公司已经开发成功并广泛应用的g l o b a ls i 萨o n 软件通过定义唯一的口 令，或者使用指纹，就可以在公司整个网络上畅行无阻。由于指纹数据通过电子邮件 或其他传输方法在计算机网络上进行传输和验证，通过指纹识别技术，限定只有指定的 人才能访问相关地址，可以极大地提高网上信息的安全性，这样，包括网上银行，网上 贸易，电子商务和一系列商业行为，就有了安全性保障。 从公司的服务器机房到幼儿监护中心，对于需要便捷、安全的访问应用来说，指纹 读取器提供了无与伦比的安全性和易用性，使工厂、研究室、金库的特殊安全管理迈上 一个崭新的台阶。 把指纹识别技术同i c 卡结合起来，是目前最有前景的一个方向之一。该技术把卡 的主人的指纹( 加密后) 存储在i c 卡上，并在i c 卡的读卡机上加装指纹识别系统，当读 卡机阅读卡上的信息时，一并读入持卡者的指纹，通过比对卡上的指纹与持卡者的指纹 就可以确认持卡者是否是卡的真正主人，从而进行下一步的交易。在更加严格的场合， 还可以进一步同后端主机系统数据库上的指纹作比较。在操作上按指纹与密码的时间差 不多。 现代企业都已经注意到良好的人事管理对企业生存和发展中所产生的重要作用，其 中员工的出勤管理更是进行人事管理的重要环节。现在有了指纹考勤系统，员工的出勤 管理更准确，可靠。 正如指纹识别技术的应用首先在以防盗为主要目标的安防领域引爆开来一样，指纹 识别技术在汽车领域的应用首先引爆的也是汽车防盗。汽车指纹门锁、汽车指纹遥控器、 车库指纹门锁、汽车指纹排挡锁、汽车指纹点火控制装置在短短的2 年时间内相继问世， 并渐次成为各大汽车展会上的新亮点。 一5 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 在汽车防盗领域，据报道，目前在原装新车中带有指纹识别技术的车型仅有奥迪 a 8 ( 2 0 0 5 年新款) 、2 0 0 5 款奔驰e 2 4 0 和大众第六代帕萨特等不多的几款。在不影响原有 电子防盗装置的基础上，花二三千元钱给自己的爱车加装上带有身份识别装置的指纹识 别系统，在汽车盗窃案件日益增多的今天，将越来越受到有车族的欢迎。 当然，就指纹识别技术在汽车领域的应用总体而言，目前我国在汽车管理方面应用 还不是非常普遍，也未能引起人们的足够重视。不过前景还是非常广阔的。 随着全球汽车产业格局的不断调整，中国已经成为世界第四大汽车生产国。而水涨 船高的消费市场也对汽车的安全性、娱乐性、便捷性等方面的要求不断提升，这无疑为 中国的汽车电子产业孕育了巨大的商机。据赛迪顾问股份有限公司预测，到2 0 0 9 年中 国的汽车电子市场规模将达到1 4 3 4 1 亿元。 而据行业专业人士分析，在汽车电子市场需求中，汽车安全防盗方面的需求最为巨 大，约占总需求的4 0 左右，而作为技术最成熟，应用最广泛的指纹识别安全防盗技术 将发挥巨大的作用，估计到2 0 0 9 年，其在汽车安全防盗方面的市场规模应该在4 0 0 5 0 0 亿元左右。 在汽车管理方面，虽然国内自上世纪九十年代起就在有意识的控制政府公务用车的 规模并探索公务用车管理的新方法，但效果均不是非常的明显。从国外政府在公务车的 使用和管理经验来看，虽然规模巨大，但管理却相当严格。所以从需求方面来看，具有 严格、完善管理方法和管理制度的公务用车不仅是中国政府的迫切需求，也是不少国内 大公司和公交、物流型企业的迫切需要。 据中国经济时报2 0 0 5 年报道，保守统计，我国公车目前已达3 5 0 万辆，每年用 在公车上的开支达3 0 0 0 亿元。有政协委员调查发现，与社会轿车每万公里运输成本为 8 2 1 5 4 元相比，党政机关等单位每辆车竟高达数万元? 每辆出租车的工作效率为公车的5 倍，而运输成本仅为公车的1 3 在职务消费中，车辆消费占单位行政经费的9 0 左右， 占到全部国家财政支出的3 8 ；在公务车使用中，公用占l 3 7 干部私用占l 3 7 司机私用 占l 3 7 如果能将指纹识别技术应用到国家公务用车的管理中，每位用车的公务员每次用 车都需经过简单方便的指纹身份认证，这就能从心理和意识两方面对公务员滥用车辆的 行为进行遏制，也方便国家监督机关的监督管理。 而在企业公务用车的管理上，虽然各企业采取了一系列的管理措施，取得了较好的 管理效果，但从成本与效益上分析，如果能将指纹识别技术运用到企业公务用车的管理 上，实行用车指纹身份识别，则将减少公车管理程序，提高公车管理效率，并可最大可 一6 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 能的降低公车运营成本。目前，企业公务用车( 出车) 需求最为迫切的应属公交车、出租 车、物流公司等。 综上所述，指纹技术在汽车领域的应用将非常广阔。汽车指纹防盗装置将极大地推 动指纹技术在汽车防盗领域的应用。在汽车指纹管理方面，据业内市场人士透露：“我 们的技术和方案就是放在国际化的大环境里，也绝不逊色，但基本中国的国情，特别是 在政府公务用车这一块，由于其是社会关注的焦点问题，不少地方政府仍然在观望之中。 如果能够得到政府的积极支持，不仅能为国家节省不少的钱，也能使一直僵持不下的政 府公务车管理改革推向彻底。 总之，随着许多指纹识别产品已经开发和生产，指纹识别技术的应用已经开始进入 民用市场，并且发展迅猛，在未来年，我国将有近几百亿元的市场等待着企业去开拓。 指纹识别技术的巨大市场前景，将对国际、国内安防产业产生巨大的影响。而民用内市 场为了满足不同应用的需求，也对指纹识别技术提出了很多的要求。例如要小型化，廉 价的指纹采集设备，高速计算平台，更高的识别准确率等。对指纹识别技术也是一个挑 战。 正是指纹识别系统有极其广阔的应用范围和巨大的经济和社会效益，市场潜力巨大， 才备受各国商业公司的重视，他们纷纷出巨资研制用于各方面的指纹识别系统，投入市 场。 1 3 论文主要工作 指纹识别技术主要涉及四个功能：读取指纹图象、提取特征、保存数据和比对。 在一开始，通过指纹读取设备读取到人体指纹的图象，取到指纹图象之后，要对原 始图象进行初步的处理，使之更清晰。 接下来，指纹辨识软件建立指纹的数字表示一特征数据，一种单方向的转换，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”节点”( m i i l u t i a e ) 的数据点，也就是那些指纹纹 路的分叉、终止或打圈处的坐标位置，这些点同时具有七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 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 一7 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 种公布的抽象算法，而是各个厂商自行其是。 最后，通过计算机模糊比较的方法，把两个指纹的模板进行比较，计算出它们的相 似程度，最终得到两个指纹的匹配结果。 本课题是对基于m b f 2 0 0 的指纹识别系统的算法进行研究，内容涉及了嵌入式系统 硬件设计和指纹图像处理与识别算法研究两个大的方面。在系统硬件( 下位机) 。设计方 面，主要是硬件采集电路、人机交互接口和数据存储的设计；在上位机软件设计方面， 将采用v c 6 o 作为编程工具，主要算法流程为：指纹图像增强一指纹图像二值化一指纹 图像细化一特征提取一伪特征的去除一指纹比对。在图像采集过程中我们加入了图像质 量评估模块，根据采集到的图像质量的评估结果调整m b f 2 0 0 的参数，这样使采集到的 指纹质量得以保证，方便后续处理。在上位机与下位机通讯方面，将采用串行数据通信， 将下位机提取的指纹图象数据传送给上位机进行处理。为保证通信数据的正确性与流畅 性，上位机的通讯程序将采用w i n d o w sa p i 函数的多线程编程方法。 一8 一 东北大学硕士学位论文 第二章指纹识别预处理算法 第二章指纹识别预处理算法 2 1 获取指纹图象 指纹识别系统通常包括指纹图像采集、图像预处理、指纹特征提取以及匹配等几个 步骤【9 】，其处理流程如图2 1 所示。指纹的表面积相对较小，日常生活中手指常常会受 到磨损，所以获得优质的指纹细节图像是一项十分复杂的工作。指纹采集的过程本质上 是指纹成像的过程。其原理是根据脊与谷的几何特性、物理特征和生物特性的不同，以 得到不同的反馈信号，根据反馈信号的量值来绘成指纹图像。 图2 1 指纹识别系统框图 f i g2 1f i n g e r p r i n ti m a g ep r e p r o c e s s i n g 指纹的几何特性是指在空间上脊是突起的，谷是凹下的。脊与脊相交、相连、分开 会表现为一些几何图案。 指纹的生物特性是指脊和谷的导电性不同，与空气之间形成的介电常数不同、温度 不同等。 指纹的物理特性是指脊和谷着力在水平面上时，对接触面形成的压力不同、对波的 阻抗不同等。 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。 2 1 1 光学指纹图像采集技术 光学指纹采集技术是最古老也是目前应用最广泛的指纹采集技术，光学指纹采集设 备始于1 9 7 1 年，其原理是光的全反射( f t i r ) 。光线照到压有指纹的玻璃表面，反射光 线由c c d 去获得，反射光的量依赖于压在玻璃表面指纹的脊和谷的深度以及皮肤与玻 璃间的油脂和水分。光线经玻璃照射到谷的地方后在玻璃与空气的界面发生全反射，光 线被反射到c c d ，而射向脊的光线不发生全反射，而是被脊与玻璃的接触面吸收或者 漫反射到别的地方，这样就在c c d 上形成了指纹的图像。 光学采集设备有着许多优势：它经历了长时间实际应用的考验，能承受一定程度温 一9 一 东北大学硕士学位论文 第二章指纹识别预处理算法 度变化，稳定性很好，成本相对较低，并能提供分辨率为5 0 0 d p i 的图像。 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。潜在指印是手指在台板上按完后留下的，这种潜在指 印降低了指纹图像的质量。严重的潜在指印会导致两个指印的重叠。另外台板上的涂层 ( 膜) 和c c d 阵列随着时间的推移会有损耗，精确度会降低。 2 1 2 半导体指纹采集技术 半导体传感器是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。 ( 1 ) 硅电容指纹图像传感器 这是最常见的半导体指纹传感器，它通过电子度量来捕捉指纹。在半导体金属阵列 上能结合大约1 0 0 0 0 0 个电容传感器，其外面是绝缘的表面。传感器阵列的每一点是一 个金属电极，充当电容器的一极，按在传感面上的手指头的对应点则作为另一极，传感 面形成两极之间的介电层。由于指纹的脊和谷相对于另一极之间的距离不同( 纹路深浅 的存在) ，导致硅表面电容阵列的各个电容值不同，测量并记录各点的电容值，就可以 获得具有灰度级的指纹图像。 ( 2 ) 半导体压感式传感器 其表面的顶层是具有弹性的压感介质材料，它们依照指纹的外表地形( 凹凸) 转化为 相应的电子信号，并进一步产生具有灰度级的指纹图像。 ( 3 ) 半导体温度感应传感器 它通过感应压在设备上的脊和远离设备的谷温度的不同就可以获得指纹图像。 半导体指纹传感器采用了自动控制技术( a g c 技术) ，能够自动调节指纹图像像素行 以及指纹局部范围的敏感程度，在不同的环境下结合反馈的信息便可产生高质量的图 像。例如，一个不清晰( 对比度差) 的图像，如干燥的指纹，都能够被感觉到，从而可以 增强其灵敏度，在捕捉的瞬间产生清晰的图像( 对比度好) ；由于提供了局部调整的能力， 图像不清晰( 对比度差) 的区域也能够被检测到( 如：手指压得较轻的地方) ，并在捕捉的 瞬间为这些像素提高灵敏度。 半导体指纹采集设备可以获得相当精确的指纹图像，分辨率可高达6 0 0 d p i ，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 一1o 一 东北大学硕士学位论文 第二章指纹识另4 预处理算法 在许多指纹识别系统研发工作都采用半导体采集设备来进行。早期半导体传感器最主要 的弱点在于：容易受到静电的影响，使得传感器有时会取不到图