基于ARM的指纹识别应用系统设计毕业论文.doc

沈阳建筑大学城市建设学院毕业设计 论文 1 基于基于 ARMARM 的指纹识别应用系统设计毕业论文的指纹识别应用系统设计毕业论文 目录目录 第一章 前言 1 1 1 1 课题的研究背景及意义 1 1 1 1 课题的研究背景 1 1 1 2 课题的意义 1 1 2 以太网指纹识别门禁系统的研究现状和发展 2 1 3 本文的研究内容 2 第二章 指纹识别相关原理介绍 4 4 2 1 嵌入式操作系统简介 4 2 2 嵌入式 LINUX介绍 6 2 3 ARM 介绍 7 2 3 1 ARM 微处理器介绍 7 2 4 指纹识别原理介绍 8 2 4 1 指纹采集技术 10 2 4 2 指纹传感器 11 2 4 3 指纹识别技术步骤 14 第三章 系统设计实现 1919 3 1 系统软硬件设计 19 3 1 1 系统概述及设计原则 19 3 1 2 系统组成及功能 20 3 2 嵌入式主控模块设计 22 3 2 1 ARM 微处理器与地址空间映射 22 3 2 2 NAND FLASH 单元 23 3 2 3 SDRAM 单元 24 3 2 4 RS232 串口单元 25 3 2 5 USB 及 USB 摄像头单元 26 3 3 界面显示接口模块设计 27 沈阳建筑大学城市建设学院毕业设计 论文 2 3 4 网络通信接口模块设计 29 3 5 指纹识别模块设计 30 3 5 1 系统软件设计 31 3 5 2 指纹图像采集 34 3 5 3 网络通信 37 3 5 4 系统网络通信软件设计 38 3 6 系统基本结构 40 3 6 1 FPS200 的内部结构 40 3 6 2 系统硬件电路结构图 45 3 6 3 系统工作流程 46 第四章 技术经济分析 4848 4 1 指纹识别的技术与经济的意义 48 4 2 指纹识别对社会管理的作用 49 4 3 指纹识别技术的发展 49 第五章 结论 5353 参考文献参考文献 5555 致谢致谢 5656 附录一附录一 附录二附录二 沈阳建筑大学城市建设学院毕业设计 论文 1 第一章第一章 前言前言 1 1 1 1 课题的研究背景及意义课题的研究背景及意义 1 1 1 1 1 1 课题的研究背景课题的研究背景 日常生活中的许多场合都需要进行身份认证 比如登录操作系统 使用某些应用软 件 登录网络站点 到银行取钱 鉴别疑犯 进入军事要地等 指纹识别技术的发展 与半导体技术 光电技术和计算机技术的发展密切相关 从最初体积大 价格昂贵的 光学技术传感器到目前体积小 价格低廉的半导体传感器 指纹采集设备在逐渐地向 低功耗 小体积 低价位 高精度方向发展 传统的基于计算机的指纹识别系统虽然 具有处理能力强 识别速度快 指纹样本储存量大和系统界面友好等特点 但是 由 于该系统价格较贵 功耗高 移动性能差等缺陷限制了该系统平台在民用领域的广泛 推广和应用 因此 开发低功耗 高性能 移动性强的嵌入式指纹识别系统具有实现 的使用意义和广泛的应用前景 近年来 低功耗便携的嵌入式指纹识别系统已经成为 新的研究热点 嵌入式指纹识别系统具有体积小 功耗低 安装方便等优点 势必将 逐渐取代传统的以 PC 为平台的指纹识别系统 1 1 1 1 2 2 课题的意义课题的意义 系统采用指纹采集作为门禁系统的前端部分 由于指纹识别具有唯一性 不变性和 贴身性的特点 使它成为一种安全有效的身份验证方法 另外 系统采用基于 TCP IP 协议的网络型门禁控制器是通过局域网传递数据的 管理中心随时可以变更 不需要重新布线 很容易实现网络控制和远程控制 并且指纹的处理和识别可以在运 算速度更快的管理中心实现 这样控制器功能简单 而且多个控制器可以连接到一个 服务器 提高了门禁系统控制和管理的效率 1 1 2 2 以太网指纹识别门禁系统的研究现状和发展以太网指纹识别门禁系统的研究现状和发展 据考古学家证实 公元前 7000 年 6000 年 指纹作为身份鉴别的工具已经在叙利 亚和中国开始应用 但是由于缺乏专门性研究 未能将指纹识别技术上升为一门科学 20 世纪早期 指纹识别正式成为身份识别的方法并被法律部门用作身份鉴定的依据 并开始在世界范围内建立指纹识别机构和罪犯指纹档案 指纹识别的有关技术 包括 指纹采集技术 指纹分类技术和指纹匹配技术都得到了较快发展 例如美国联邦调查 局 FBI 在 1924 年库存样本指纹就达到了 8 1 万枚 20 世纪 80 年代 个人电脑 光学 沈阳建筑大学城市建设学院毕业设计 论文 2 扫描等技术革新使得他们作为指纹取像的工具成为现实 从而使指纹识别可以在其他 领域中得以应用 随着取像设备的引入及其飞速发展 生物指纹识别技术的逐渐成熟 可靠的比对算法的发现都为指纹识别技术提供了更广阔的舞台 目前 利用计算机进 行指纹识别的技术在国外已很成熟 并且已经开始大规模推广 许多大公司有专门的 机构从事该项技术的研究 开发与应用 包括美国 Digitalperson Identix Vreridicom 韩国现代及台湾 Aeter 公司等 识别算法上都达到 世界先进水平 美国 Veridicom 公司的指纹识别算法同样是国际上最优秀的算法之一 它不进行细化 直接对二值化后的指纹图进行滤波 在其上提取特征点 利用拓朴图 进行对比 其拒判率小于 1 误判率小于 0 01 智能安防的日益流行对于楼宇管理 自动化和安全监控提出了更高的安全性和可靠性要求 基于指纹识别的智能门禁管理 系统应用得越来越广泛 在一些发达国家已得到普遍的应用 面对规模已经越来越大 的门禁控制系统 普通的单机门禁系统已经不适合 比如智能小区 景点门禁系统等 因此必须要开发进行远距离传输的 TCP IP 的网络型门禁控制系统 由于网络型门禁 控制系统很容易实现远程控制和分布式管理 还可以方便日后扩容和维护 日益变得 重要 1 1 3 3 本文的研究内容本文的研究内容 本设计的研究内容分为指纹识别的算法研究和 ARM 门禁控制器硬件实现两个部分 在以往算法的研究基础上 利用指纹图像灰度梯度和方差的结合对指纹分割方法进行 改进 仿真实验证明本文中的改进算法鲁棒性好 论文在以 ARMS3C2410 为核心和嵌 入式操作系统 Linux 的基础上 设计开发了基于指纹识别的以太网门禁控制系统 本文具体内容主要有以下几个方面 1 系统整体方案概述和设计 根据系统功能要求 设计指纹识别以太网门禁系统 重 点阐述了其中关键模块的硬件设计 2 系统工作平台搭建 交叉编译环境的建立 移植启动引导程序 VIVI 制作 CRAMFS 根文件系统和 JFFS2 文件系统 移植嵌入式操作系统 Linux 以及系统所需相 关设备驱动的移植 NAND FLASH 网卡 USB USB 摄像头 指纹采集 FPS200 3 指纹识别算法的理论分析和仿真 研究了指纹识别算法 主要包括指纹图像预处理 以及指纹图像的特征提取和匹配两部分 4 系统软件总体设计 阐述了门禁控制系统软件的总体设计 然后对各模块进行应用 沈阳建筑大学城市建设学院毕业设计 论文 3 编程 主要包括视频采集 指纹采集以及 TCP IP 网络应用编程 5 系统测试 结合实验测试环境和测试数据 分析了系统的工作情况 6 最后 对全文进行了总结 并对指纹识别以太网指纹门禁控制系统的未来发展趋势 做出展望 沈阳建筑大学城市建设学院毕业设计 论文 4 第二章第二章 指纹识别相关原理介绍指纹识别相关原理介绍 2 12 1 嵌入式操作系统简介嵌入式操作系统简介 随着嵌入式操作系统及嵌入式处理器技术的发展 嵌入式操作系统已经被广泛应 用到大量以嵌入式处理器为硬件基础的系统中 常见的嵌入式操作系统有 Linux WindowsCE Symbian Palm 和 C OS 等 这些操作系统都各有自己强劲 的优势 Linux 以其开源的经济优势被广泛应用到很多嵌入式系统中 得到了中小型企 业的青睐 Windows CE 有着全球最大的操作系统厂商 Microsoft 强大的技术后盾 得 到了越来越多的市场份额 Symbian 操作系统是全球最大的手机研发制造商 NOKIA 的 手机操作系统 被广泛应用于高端智能手机上 在将来相当长的一段时间内 将存在 几个操作系统并存发展 齐头并进的情况 但是 经过一段时间的角逐 常用的嵌入 式设备所采用的操作系统将会集中到其中的 2 3 种 嵌入式系统 Embedded System IEEE 对于嵌入式系统的定义是 An Embedded system is the devices used to control monitor or assist the operation of equipment machinery or plants 嵌入式系统是 用于控制 监视或者辅助操作机器和设备的装置 1 在中国嵌入式系统领域 比较认同的嵌入式系统概念是 嵌入式系统是以应用为 中心 以计算机技术为基础 并且软硬件可裁剪 适用于应用系统对功能 可靠性 成本 体积 功耗有严格要求的专用计算机系统 它一般由嵌入式微处理器 外围硬 件设备 嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成 用于实现对其他设备 的控制 监视或管理等功能 由于嵌入式的应用太广泛 因此 我们在这里仅给出未来发展空间最为看好的嵌 入式系统特点 即嵌入式系统是一类在硬件上采用专用 相对于通用的 X86 来说 的 高性能处理器 通常为 32 位 在软件上以一个多任务的操作系统为基础的专用系统 一方面 它与通用的计算机平台有本质的区别 软硬件可裁剪 另一方面 又与以前 的单片机有着本质的区别 因为单片机几乎无法使用移植操作系统 而 32 位嵌入式处 理器设备能够很便捷地移植操作系统 实时嵌入式系统也称为实时系统 它反映了嵌入式系统对时间响应要求较高的特 点 即如果逻辑和时序出现偏差将会引起严重后果 2 常见的实时系统有两种类型 即 软实时系统和硬实时系统 它们各自任务要求如下 沈阳建筑大学城市建设学院毕业设计 论文 5 1 软实时系统 系统的宗旨是使各个任务运行得越快越好 但并不要求限定某一任 务必须在多长时间内完成 2 硬实时系统 各任务不仅要执行无误 而且要做到准时 例如 火星车 在实际 应用中 大多数实时系统是以上二者的结合 常见的实时操作系统分为以下 3 类 具有 强实时特点的操作系统 系统响应时间在毫秒或者微秒级 如数控机床 3 一般实时特点的操作系统 系统响应时间在毫秒到几秒的数量级上 如电子点机 4 弱实时特点的操作系统 系统响应时间约数十秒以至更长时间 如 MP3 系统 下面列出部分实时操作系统所具有的特点 高效的任务管理 实时操作系统支持多任务 优先级管理和任务调度 其中任务调度是 基于优先级的抢占式调度 并采用时间片轮转调度的算法 快速灵活的任务间通信 实时操作系统的通信机制采用消息队列和管道等技术 有效地 保障快速灵活的任务间通信 5 高度的可裁剪性 实时操作系统的系统功能可针对需求对软件进行剪裁 调整 便捷地实现动态链接与部件增量加载 快速有效地实现中断和异常事件处理 动态内存 管理 7 嵌入式系统一般指非 PC 系统 它包括硬件和软件两部分 硬件包括处理器 微处理器 存储器及外设器件和 I O 端口 图形控制器等 软件部分包括操作系统软 件 OS 要求实时和多任务操作 和应用程序编程 有时设计人员把这两种软件组合 在一起 应用程序控制着系统的运作和行为 而操作系统控制着应用程序编程与硬件的 交互作用 嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器 嵌入式微处理器一般就具备以下 4 个特点 1 对实时多任务有很强的支持能力 能完成多任务并且有较短的中断响应时间 从 而使内部的代码和实时内核心的执行时间减少到最低限度 2 具有功能很强的存储区保护功能 这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化 而 为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用 需要设计强大的存储区保护功能 同时 也有利于软件诊断 3 可扩展的处理器结构 以能最迅速地开展出满足应用的最高性能的嵌入式微处理 器 4 嵌入式微处理器必须功耗很低 尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信设 备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此 如需要功耗只有 mW 甚至 W 级 沈阳建筑大学城市建设学院毕业设计 论文 6 嵌入式计算机系统同通用型计算机系统相比具有以下特点 1 嵌入式系统通常是面向特定应用的嵌入式 CPU 与通用型的最大不同就是嵌入式 CPU 大多工作在为特定用户群设计的系统中 它通常都具有低功耗 体积小 集成度高 等特点 能够把通用 CPU 中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部 从而有利于嵌入 式系统设计趋于小型化 移动能力大大增强 跟网络的耦合也越来越紧密 2 嵌入式系统是将先进的计算机技术 半导体技术和电子技术与各个行业的具体应 用相结合后的产物 这一点就决定了它必然是一个技术密集 资金密集 高度分散 不 断创新的知识集成系统 3 嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计 量体裁衣 去除冗余 力争在同 样的硅片面积上实现更高的性能 这样才能在具体应用中对处理器的选择更具有竞争力 4 嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起 它的升级换代也是和具体产品同步进 行 因此嵌入式系统产品一旦进入市场 具有较长的生命周期 5 为了提高执行速度和系统可靠性 嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片 或单片机本身中 而不是存贮于磁盘等载体中 6 嵌入式系统本身不具备自举开发能力 即使设计完成以后用户通常也是不能对其 中的程序功能进行修改的 必须有一套开发工具和环境才能进行开发 7 目前 嵌入式系统多用于手机等操作系统的开发 具有巨大的市场潜力 2 22 2 嵌入式嵌入式 LinuxLinux 介绍介绍 Linux 从一开始 就决定自由扩散 Linux 包括源代码也发布在网上 随即就引起 爱好者的注意 他们通过因特网也加入了 Linux 的内核开发工作 一大批高水平程序 员的加入 使得 Linux 达到迅猛发展 1993 年底 Linux1 0 终于诞生 Linux1 0 已经 是一个功能完备的操作系统了 其内核写得紧凑高效 可以充分发挥硬件的性能 在 4MB 内存的 80386 机器上也表现得非常好 Linux 加入 GNU 并遵循公共版权许可证 GPL 由于不排斥商家对自由软件的进 一步开发 不排斥在 Linux 上开发商业软件 故而使 Linux 又开始了一次飞跃 出现了 很多的 Linux 发行版 如 Slackware Redhat TruboLinux OpenLinux 等 10 多种 而 且还在增加 还有一些公司在 Linux 上开发商业软件或把其他 UNIX 平台的软件移植 到 Linux 上来 如今很多 IT 界的大腕 如 沈阳建筑大学城市建设学院毕业设计 论文 7 IBM Intel Oracle Infomix Sysbase Nestcape Novell 等都宣布支持 Linux 商家 的加盟弥补了纯自由软件的不足和发展障碍 Linux 得以迅速普及 Linux 由 NUIX 操作系统的发展而来 它的内核由 Linus Torvalds 及网络上组织松 散的黑客队伍一起从零开始编写而成 Linux 的目标是保持和 POSIX 的兼容 Linux 操 作系统具有以下特点 1 Linux 具有现代一切功能完整的 UNIX 系统所具备的全部特征 其中包括真正的 多任务 虚拟内存 共享库 需求装载 共享的写时复制程序执行 优秀的内存管理 以及 TCP IP 网络支持等 2 Linux 的发行遵守 GNU 的通用公共许可证 GPL 3 在原代码级上兼容绝大部分的 UNIX 标准 如 IEEE POSIX SystemV BSD 它遵从 POSIX 规范 2 32 3 ARMARM 介绍介绍 1990 年 ARM 公司成立于英国剑桥 ARM 公司自己并不生产芯片 而是出售芯 片设计技术的授权 ARM 公司作为知识产权供应商 靠转让设计许可由合作公司生产 各具特色的芯片 世界各大半导体生产商从 ARM 公司购买的 ARM 微处理器内核 根据各自不同的应用领域 加入适当的外围电路 从而形成自己的 ARM 微处理器芯 片进入市场 ARM 技术具有很高的功效和性能 得到众多芯片厂家的好评 现在 ARM 的合作 伙伴包括许多世界顶级的半导体公司 前 10 大半导体公司都使用了 ARM 的技术授权 全世界有近百家大公司生产 ARM 芯片 目前 采用 ARM 技术知识产权核的微处理 器 已遍及消费类电子产品 网络系统 无线系统 通信系统等各类产品市场 基于 ARM 技术的微处理器应用已经占据了 32 位 RISC 微处理器 75 以上的市场份额 ARM 技术正在逐步渗入到人们生活的各个方面 由于全世界有几十家大的半导体公司都使用 ARM 公司的授权 因此使得 ARM 处理器技术获得更多的第三方面工具 软件的支持 制造 使基于 ARM 微处理器的整 个系统成本降低 开发时间周期明显缩短 是产品更容易 更快速地进入市场被消费 者所接受 更具有竞争力 2 3 12 3 1 ARMARM 微处理器介绍微处理器介绍 到目前为止 ARM 处理器及技术的应用几乎已经深入到各个领域 沈阳建筑大学城市建设学院毕业设计 论文 8 1 工业控制领域 作为 32 位的 RISC 架构 基于 ARM 核的微处理器芯片不但占据 了高端微控制器市场的大部分市场份额 同时也逐渐向低端微控制器应用领域扩展 ARM 微控制器的底功耗 高性价比 向传统的 8 位 16 位微控制器提出了挑战 2 无线通信领域 目前已有超过 85 的无线通信设备采用了 ARM 技术 ARM 以 其高性能和低成本等特性 在该领域的地位日益巩固 3 网络应用 随着宽带技术的推广 采用 ARM 技术的 ADSL 芯片正逐步获得竞争 优势 4 消费类电子产品 ARM 技术在目前流行的数字音频播放器 数字机顶盒和游戏 机中得到广泛应用 此外 ARM 在语音及视频处理上得到优化 并获得了广泛的支持 同时也对 DSP 的应用领域提出了挑战 手机中的 32 位 SIM 智能卡甚至处理芯片也采 用了 ARM 技术 5 成像和安全产品 现在流行的数码相机和摄像头中绝大部分采用 ARM 技术 6 海量存储设备 如硬盘 微型闪存卡和可读 写优盘等都大量使用 ARM 技术的芯 片来构成核心系统 7 汽车上使用的 ARM 技术的芯片也无处不在 包括驾驶 娱乐 安全等方面的电 子应用都使用 ARM 系列芯片 除此以外 ARM 微处理器及技术还应用到其他不同领域 并会在将来取得更加广 泛的应用 2 42 4 指纹识别原理介绍指纹识别原理介绍 指纹是手指末端正面皮肤上凹凸不平产生的纹路 尽管指纹只是人体皮肤的一小 部分 但是 它蕴含大量的信息 指纹特征可分为两类 总体特征和局部特征 总体 特征指那些用人眼直接就可以观察到的特征 包括基本纹路图案 模式区 核心点 三角点 式样线和纹数等 基本纹路图案有环型 弓型 螺旋型 局部特征指指纹上 的特征点 即指纹纹路上的终结点 分叉点和转折点 这些指纹特征点可用以下 4 种 特性来描述 1 位置 特征点的位置通过 x y 坐标来描述 可用是绝对的 也可以是相当于三 角点的 2 方向 该特征点所在的局部脊线的方向 3 分类 特征点有以下几种类型 终结点 分叉点 分歧点 孤立点 环点 短纹 沈阳建筑大学城市建设学院毕业设计 论文 9 等 最典型的终结点和分叉点如图 2 1 所示 4 脊线 特征点对应的脊线 d a 特征点对应的脊线用在该脊线上的采样点来表 示 采样点用该点与对应特征点的距离 d 连接该点与对应特征点的直线 以及对应特 征点方向的夹角 a 来表示 图 2 1 典型的指纹特征点 指纹识别技术通常使用指纹的总体特征和纹形 三角点等来进行分类 再用局部 特征如位置和方向等来进行识别用户身份 通常 首先从获取的指纹图像上找到 特 征点 minutiae 然后根据特征点的特性建立用户活体指纹的数字表示 指纹特征 数据 一种单向的转换 可以从指纹图像转换成特征数据但不能从特征数据转换成为 指纹图像 由于两枚不同的指纹不会产生相同的特征数据 所以通过对所采集到的指 纹图像的特征数据和存放在数据库中的指纹特征数据进行模式匹配 计算出它们的相 似程度 最终得到两个指纹的匹配结果 根据匹配结果来鉴别用户身份 总之 指纹识别技术首先通过读取指纹图像 然后用计算机识别软件提取指纹的 特征数据 最好通过匹配识别算法得到识别结果 其基本原理框图如图 2 2 所示 沈阳建筑大学城市建设学院毕业设计 论文 10 图 2 2 指纹识别原理框图 2 4 12 4 1 指纹采集技术指纹采集技术 指纹采集技术的发展经过了较长的历史时期 其过程也受传感技术的发展影响和 推动 指纹采集技术有两种采集模式 一种是在被采集人已知的状况下 实施的主动 式采集 另一种是在被采集人未知的状况下 如刑侦现场 通过各种化学的 物理的 方式显影指纹并采集的过程 这种方式一般称为现场指纹提取 并涉及指纹分离的过 程 第一代指纹采集技术采用 按压留痕 的方式来采集指纹 利用的是指纹 触物留痕 的特性 这一时期主要通过 油墨 指纹卡 的方式采集 第二代指纹采集技术采用自 动化 数字化的采集方式 指纹数据以数字信息表示和存储 指纹采集原理和过程 指纹采集的过程本质上是指纹成像的过程 其原理是根据嵴与峪的几何特性 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 指纹的几何特性是指在空间上嵴是突起的 峪是凹下的 嵴与嵴相交 相连 分 开会表现为一些几何图案 指纹的生物特性是指嵴和峪的导电性不同 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嵴和峪着力在水平面上时 对接触面形成的压力不同 对波 的阻抗不同等 指纹采集的方法有两种 一种是由指纹采集器件主动向手指发出探测信号 然后 分析反馈信号 以形成指纹嵴与峪的图案 如光学采集和射频 RF 采集属于主动式 采集 另一种是指纹采集器件是被动感应的方式 当手指放置到指纹采集设备上时 因为指纹嵴和峪的物理特性或生物特性的不同 会形成不同的感应信号 然后分析感 应信号的量值来形成指纹图案 如热敏采集 半导体电容采集和半导体压感采集属于 第二种 对指纹采集设备来讲 一般经过 感知手指 图像拍照 质量判断与自动调整 三 个主要过程 考虑到设备功耗 在无手指接触时 采集设备处在休眠状态 当手指接 触到采集设备时 采集器会迅速感知到手指的接触并切换到工作状态 对于半导体类 指纹采集设备大多具有这种敏锐的指纹察觉技术 有的时候还会根据手指特有的生理 沈阳建筑大学城市建设学院毕业设计 论文 11 表现 来判断是否为真实的手指 如果用手背等其它肤纹来接触采集设备 会被拒绝 随着活体采集技术的研究进展 指纹采集设备还会判别是否为活体手指 这可以通过 检测手指的活体特性 如出汗 血液流动 导电性等 来实现 图像拍照 是采集过程的关键步骤 指纹采集器件以每秒几十帧甚至几百帧的速 度来产生指纹图像 对于主动式采集的器件 会通过器件内部的控制电路发出探测信 号 如光 RF 超声波 然后根据嵴与峪对探测信号的反馈值的大小 来形成指纹图 像 对于感应式采集的器件 根据感应到的嵴与峪所形成的信号大小来绘制指纹图像 每次形成的指纹图像 采集器件内部的控制系统会判断图像质量 如果图像质量 过低 不能达到预先设定的质量要求 会通过 AGC 自动增益电路 增加探测信号或感 应信号的强度 以达到理想的取图效果 部分厂商的指纹采集器件 在采集过程中 能针对干湿手指作自动适应 以适应不同类型手指的用户 理想情况下 如果在采集过程中外界噪声足够小 得到的指纹图像则是干净的 真实的 现实情况是 由于手指表面脱皮的影响 污渍的影响 设备采集面的不干净 等多种因素影响 所以一般还需对采集到的指纹图像进行处理 2 4 22 4 2 指纹传感器指纹传感器 指纹传感器介绍 指纹传感器 又称指纹 Sensor 是实现指纹自动采集的关键器件 指纹传感器按 传感原理 即指纹成像原理和技术 分为光学指纹传感器 半导体电容传感器 半导 体热敏传感器 半导体压感传感器 超声波传感器和射频 RF 传感器等 指纹传感器的制造技术是一项综合性强 技术复杂度高 制造工艺难的高新技术 半导体指纹传感器因其制造工艺复杂 单位面积上传感单元多 包含高端的 IC 设 计技术 大规模集成电路制造技术 IC 芯片封装技术等 所以半导体指纹传感器几乎 全部是由 IC 技术发达的国家或地区 如美国 欧洲 台湾等地设计 制造的 一颗不 足 0 5 平方厘米的晶片表面集成了 10000 个以上的半导体传感单元 内部还包括了自动 增益电路和逻辑控制芯片 以及串行 并行 USB 等接口电路 目前半导体指纹传感 器的灵敏度高 分辨率也达到了 500dpi 或以上 其功能已经突破了单一的传感能力 加上软件配合 可以用做全向导航器 沈阳建筑大学城市建设学院毕业设计 论文 12 半导体指纹传感器目前朝小型化方向发展 2004 年以前以 1 平方厘米见方的方型 为主 目前多为滑动式 SWIPE 芯片 全球最小的滑动式采集芯片只有 12x5 mm 是由 Authentec 最近推出的 1610 光学传感器中存在棱镜 其体积较大 一般为半导体的几 倍甚至 10 倍大小 所以限制了其在小型设备上的应用 在类似考勤机 门禁等大设备 上使用没有体积限制的问题 但在 U 盘 移动硬盘 手持设备上使用 体积成了最大 的障碍 所以光学指纹传感器也出现了滑动式的 指纹传感器的选择 指纹传感器是指纹采集设备中的核心器件 如何在产品设计中作好传感器的选型 是产品开发重要的一环 指纹传感器是指纹图像的自动采集和生成部分 是指纹识别 产品的数据输入端 绝大多数指纹传感器通过光学扫描 半导体热敏 半导体电容等 三种主要传感技术采集指纹图像 衡量一个指纹传感器的性能好坏 主要看以下几个 方面 1 成像质量 指纹传感器成像质量是衡量指纹传感器性能的首要指标 成像质量主要表现为对 指纹图像的还原能力和去噪能力 性能良好的指纹传感器产生的图像 失真 和 形变 非 常小 后续图像处理时可以忽略不计 分辨率是影响成像质量的第二个关键因素 分 辨率越高 也就是单位面积上传感单越多 其获得的指纹图像就越细致真实 2 对不同类型手指的适用能力 由于不同手指指纹的纹路深浅不同 干湿度不同 污渍程度不同 老化程度不同 指纹传感器需要能够对所有这些情况有效兼容 是其适用能力的表现 当然不是所有 指纹传感器都对这些类型手指作到 一网打尽 式的兼容 在选择指纹传感器时 需要 针对应用场合的不同来选择 沈阳建筑大学城市建设学院毕业设计 论文 13 图 2 3 指纹采集图 3 图像采集速度 第三看采集速度 采集速度表现为从手指放到传感器接触面后多长时间内完成一 次指纹采集的时间 或者单位时间内可以采集的次数 指纹采集速度的快慢直接影响 到用户的使用体验 4 电气特性 电气特性是从产品化的角度考虑指纹传感器是否真正可用于某种产品 电气特性 主要关注两个参数 工作电压和功耗 如把指纹传感器应用到手机上 必然要考虑手 机的现有供电方式能否满足增加了指纹传感器后的电压和功耗的要求 大部分指纹 SENOSR 的电压都在 3 6V 以下 含 5 硬件接口 硬件接口能力也是从产品化的角度来衡量指纹传感器的 硬件接口能力直接影响 指纹图像数据的传送方式 影响着与指纹处理模块之间的通讯方式和通讯速度 目前 USB 接口已经成为外设与主机通讯的最主要方式 已具备 USB 接口能力的指纹传感器 沈阳建筑大学城市建设学院毕业设计 论文 14 可以直接与 USB 端口相连 而没有 USB 接口的 就需要通过 USB 控制器来实现 给 产品化增加一道技术门槛 6 应用程序接口 SDK 应用程序接口能力用于描述指纹传感器的功能 也就是与指纹传感器配套使用的 程序接口的功能 一般在这些接口中定义了上层应用如何启动或终止指纹传感 以及 如何控制指纹传感器的数据传输 包括发送指纹传感器初始化命令 要求指纹传感器 开始或停止捕获指纹图像的命令 以及询问手指是在采集设备表面 甚至可以驱动指 纹传感器判断待扫描物体是否为指纹 对于滑动式 SWIPE 指纹采集芯片来讲 还 包括指纹重构 拼接 的命令接口等 当指纹传感器用于嵌入式产品开发中时 嵌入 式开发包 EDK 的能力是考查指纹传感器能力的重要方面之一 7 使用寿命 在考查指纹传感器使用寿命时 一是从器件本身的衰变考虑 二是从指纹采集面 的防磨损防腐蚀能力考虑 一般的光学采集表面比较怕磨损刮擦 而半导体传感的表 面 都有坚固的涂层 保护芯片避免划伤 部分半导体指纹传感器表面可以用手指正 常刮擦 1000 万次以上 对于需要经常在露天使用的指纹传感器 防腐蚀性能是需要重 点考虑的 8 可装配性 指纹传感的体积 外形和封装 以及使用对象 如劳工 军人与 OFFICE 人员指 纹的区别 对产品设计和生产也会产生较大影响 在进行指纹传感器选型时 这些都 需要综合考虑 9 附加功能 部分半导体指纹传感器除了具备指纹图像采集能力之外 还能够感知手指的移动 方向 手指的点击方式 单击双击 这被称之为导航能力 可以通过与软件配合来实 现 笔者见过的一款导航能力非凡的指纹传感器 可以非常灵活的玩贪吃蛇游戏 有的指纹传感器 如 Atmel 和 Authentec 的 可以提供指纹特征值的模板访问接口 这些都是除了基本功能之外 指纹传感器厂商附加的功能 这些都为特殊需求场合而 准备的 2 4 32 4 3 指纹识别技术步骤指纹识别技术步骤 由指纹识别的基本原理可知 指纹技术主要经过以下 4 个步骤 指纹图像的获取 沈阳建筑大学城市建设学院毕业设计 论文 15 指纹图像的预处理 指纹特征的提取和指纹特征匹配 下面将对指纹识别技术的每个 步骤做详细论述 1 指纹图像的获取 获取指纹图像的设备可分为三类 光学 硅晶体传感器和其他 光学取像设备应 用的历史最久 它依据的是光的全反射原理 应用晶体传感器是最近在市场上才出现的 这些含有微型晶体的平面通过多种技 术来绘制指纹图像 电容传感器就是其中的一种 它通过电子度量被设计来捕获指纹图像 电容设备 能结合大约 100 000 导体金属阵列的传感器 其外面是绝缘的表面 当用户的手指放在 上面时 皮肤组成了电容阵列的另一面 电容器的电容值由于金属间的距离而变化 这里指的是脊 近的 和谷 远的 之间的距离 除了以上两类 超声波扫描被认为 是指纹取像技术中非常好的一类 但价格太高 体积偏大 一般采集到的指纹图像都 是存成 256 级灰度的图像 2 指纹图像预处理 为了得到比较准确的指纹特征点 指纹图像预处理一般要经过图像增强 滤波去 掉噪声 计算方向图 二值化和细化等过程 图像增强 一般来说 刚获得的指纹图像都有很多噪声 比如 手指被弄脏 手指有疤痕 太 干 太湿或撕破等 所以如何在获取指纹图像之后 有效地过滤图像噪声是指纹识别 技术中的难题之一 通过图像增强可以过滤噪声 增强脊和谷的对比度 图像增强的方法有很多 但 大多数是通过过滤图像与脊局部方向相匹配 图像首先被分成几个小区域 窗口 并 在每个区域上计算出脊的局部方向来决定方向图 可以由空间域处理 或经过快速二 维傅里叶变换后的频域处理来得到每个小窗口上的局部方向 然后设计合适的 相匹 配的滤镜 使之适用于图像上所有的像素 空间场是其中的一个 依据每个像素处脊 的局部走向 滤镜应增强在同一方向脊的走向 并且在同一位置 减弱任何不同于脊 的方向 由于后者含有横跨脊的噪声 所以其垂直于脊的局部方向上的那些不正确的 桥 会被滤镜过滤掉 计算方向图 沈阳建筑大学城市建设学院毕业设计 论文 16 方向图描述了指纹图像中每一像素点所在脊线或谷线在该点的切线方向 作为一种 可直接从源灰度图像中得到的有用信息 它的计算一直是指纹识别技术中必不可少的 一步 方向图也可以看做是原始指纹源图像的一种变换表示方法 即用纹线上某点的方 向来表示该纹线的方向 一般有两种方向图 一种是点方向图 表示原始指纹图像中 每一像素点脊线的方向 另一种是块方向图 表示原始指纹图像中某点区域所有元素 的平均方向 计算方向图的基本思想是 在原始灰度指纹图像中计算每一点 或每一块 在各 个方向上的某个统计量 如灰度差 梯度等 根据这些统计量在各个方向上的差异 确定该点 该块 的方向 在实际处理中 往往采用块方向图 因为块方向图常常比点方向图有更强的抗噪 性 而且块方向图可以减少计算量 有利于模块化处理 块方向图可以由点方向图得 到 也可以用最小均方估计算法求得二值化 首先 根据指纹的脊线和谷线等宽的假设 再结合局部灰度分布的考察 可以得 到具有自适应性的自动门限 自适应阀值的选取方法是先找到该点的法向方向 在理 想情况下 法向上的平均值即可作为阀值 然而考虑到噪声的影响 故应该去掉最大 最小值后的点的平均值再加上一修正值作为阀值 第二 在指纹图像中 考虑同一区域的像元应具有相近的连续变化的灰度 根据 灰度变化平稳 这一假设邻元灰度的变化来进一步确认像元素隶属前景和背景的程 度 可以很好的排除不清晰指纹在自动门限附近的分割不一致性 第三 为解决二值化在分割图像中视野太小的局限 并同时对模糊区域和孤立噪 声进行处理 采用广义的拉普拉斯算子对图像进行滤波 二值操作使一个灰度图像变成二值图像 图像在强度层次上从原始的 256 色降为 2 色 图像二值化后 随后的处理就会比较容易 二值化的困难在于 因为并不是所有的指纹图像都有相同的阀值 所以一般不能 从单纯的强度入手 而且单一图像的对照物是变化的 比如 由于手在中心地带按得 比较紧 因此一个叫 局部自适应的阀值 的方法被用来决定局部图像强度的阀值 细化 在提取指纹特征点之前的最后一道工序是 细化 细化是在不影响原图的拓扑连 接关系下 将脊的宽度降为单个像素的宽度的处理过程 一个好的细化方法是保持原 沈阳建筑大学城市建设学院毕业设计 论文 17 有记得连续性 降低由于人为因素所造成的影响 人为因素主要有毛刺和短脊线 这 些都造成提取出来的特征中有很多的伪特征 细化方法的优点是减少内存空间 它只需要存储图像中必需的结构信息 这样 在对图像的处理中能简化数据结构 根据细化的定义易知细化的关键是如何找到原图像的骨架 通常采用模板匹配方 法 这种方法是根据某个像素的局部领域的图像特征对其进行处理 当然也有外轮廓 计算 神经网络等细化方法 1 提取指纹特征点 如表 2 4 所示 特征提取用一个 3 3 的模板来检测特征点的位置与类型 M 是被 检测的指纹特征点 N0 N7 是特征点 M 的按逆时针方向排列的邻近点 表 2 4 特征点的位置与类型 N3N2N1 N4MN0 N5N6N7 进行特征提取后 对于每个特征应该保留以下的参数 特征点的 X 坐标和 Y 坐标 特征点的方向即与特征点相连的局部脊方向 特征点的类型即是终结点还是分叉点和 与特征点相连的脊 与特征点相连的脊是通过沿着脊线方向以脊间距采样来表示 2 比对特征点 在指纹录入时 即使是同一个手指 两次录入的指纹图像也不完全相同 会产生 各种变形 比如平移 旋转等 要进行有效的匹配必须尽量减小各种变形 考虑到指 纹的各种非线性变形通常是放射性的 可以在极坐标系中进行指纹匹配 另外 由于 非线性变形的存在 很难找到与指纹模板中特征点位置完全一致的特征点 因此匹配 的算法应该是弹性的 即允许在某个范围内由于非线性变形引起的误差 指纹特征匹配采用允许框来实现弹性 允许框是一个在特征点周围的框 如图 2 4 所示 沈阳建筑大学城市建设学院毕业设计 论文 18 图 2 5 匹配图 沈阳建筑大学城市建设学院毕业设计 论文 19 第三章第三章 系统设计系统设计实现实现 3 13 1 系统软硬件系统软硬件设计设计 3 3 1 1 1 1 系统概述及设计原则系统概述及设计原则 门禁管理系统是新型现代化的安全管理系统 主要用于管理重要部门出入口 是实 现安全防范管理的有效措施 适用于各种重要部门 如企业 政府 银行 宾馆 金 融贸易楼和综合办公楼等 门禁系统一般分为独立型和联网型 联网型门禁系统通讯方式常见的有 RS 一 232 RS485 CAN 和 TCP IP 采用 TCP IP 通讯方式的联网型门禁系统简称为 TCP IP 网络门禁系统 相对其它通讯方式 基于 TCP IP 网络通信的门禁系统通过 局域网传递数据 更容易实现远程控制和分布式管理 从门禁锁的控制方式来看 主要有钥匙 密码 磁卡 IC 卡等 随着现代生活对 安防水平要求的提高 从目前已有的门禁锁具的控制方式来看 存在着一定的安全隐 患 钥匙 密码和磁卡容易复制 窃取 IC 卡的安全性较高 但也容易丢失 因此 现在人们心目中的门禁锁具必须具有方便 安全 美观等特点 随着计算机技术的飞 速发展 基于人体生理特征的身份识别系统逐渐被人们开始采用 目前 从实用角度 看 指纹识别技术要比其它生物识别技术更安全和方便 基于指纹识别的 TCP IP 网 络门禁系统方案设计的前提是满足用户的各种需求 利用系统强大的功能以及良好的 性价比 让用户得到最好的服务和最大的利益 方案设计的原则如下 1 实用性 门禁系统的功能应符合实际需要 不能华而不实 片面追求系统的超前性 势必造成 投资过大 同时 门禁系统的前端新产品与软件的操作要简单易用 使一般用户或操 作人员通过简单的培训或提供说明书便能独立操作 2 稳定性 由于门禁系统的特殊性 必须是运行稳定 故障率低的可以长期不问断工作的系统 所以稳定性显得尤为重要 3 安全性 在系统可靠运转的同时 系统还必须提供安全可靠的门锁控制 由于指纹的不变性和 唯一性决定了指纹是目前最廉价 最可靠的身份识别方式 所以指纹开门更安全 此 外 系统还必须提供实时的监控功能 备份功能 联动功能和报警功能等 沈阳建筑大学城市建设学院毕业设计 论文 20 4 可扩展性 门禁系统的设计和实施就要考虑到将来可扩充的实际需要 例如 可以灵活的增删或 更新子系统 软件管理的更新等 5 易维护性 门禁系统运行过程中的维护应做到简单易行 方便用户的管理维护和使用 3 3 1 1 2 2 系统组成及功能系统组成及功能 一般 RS485 门禁控制器只支持 128 台或者 256 台设备联网 而 TCP IP 门禁控制 器理论上可以支持无限多台门禁设备 所以 TCP IP 网络型门禁控制器是最适合大型 大面积的门禁系统联网的 例如供电部门的变电站门禁的联网管理 银行储蓄所的 门禁管理等都适合这种模式 互联网的门禁系统结构如图 3 1 所示 图 3 1 互联网的门禁系统结构图 基于指纹识别的 TCP IP 门禁系统方案基本组成 1 管理中心 一台连接到门禁控制器或网络的 PC 机 通过局域网或广域网与其它门 禁控制器或 PC 机连接 实现门禁控制器采集信息的处理和分析 并发送控制指令 以 及对相应的软件管理 2 门禁管理软件 管理工作站通过管理软件远程监控服务器和各门禁控制器的工作状 态 实现各种管理功能 3 门禁控制器 用于前端信息的采集 传输和处理 并控制门禁的电控锁和门铃 执 行处理器下达的开门 报警 启动门铃等指令以及提供通信多机连接端口等 沈阳建筑大学城市建设学院毕业设计 论文 21 4 电子门锁 门禁系统的执行机构和关键设备 用于对物理通道的控制 5 电力设备 采用直流电源作为整个门禁系统的运行电源和门锁电源 一般采用内部电 源 6 联动设备 可与门禁控制器所有输入 输出节点进行联动 实现防盗报警 消防报 警等大型系统的联动 一般在门禁管理软件中对联动设备进行相关的编程设置 7 通讯设备 包括交换机设备 路由器和 MODEM 等 实现设备的网络连接 指纹识别门禁系统的主要功能特点 1 采用高效的指纹识别模块 可使指纹直接开锁 使用方便快捷 具有很高的安全性 2 应用 ARM 处理器和 Linux 操作系统 可以很好的保证门禁系统独立连续工作 稳 定性好 3 系统采用指纹与密码的结合 可以根据实际需要设置多种认证模式 支持多用户 多组别组合开门 具有良好的灵活性 4 系统配以科学化管理软件 可以实现门禁系统的科学化管理 5 应用 TCP IP 以太网模块 可以方便实现网络控制和远程控制 6 系统采用分级管理 分为管理者和用户 采用逐级权限管理 将用户的指纹采集并 存储在中央管理主机上 根据用户的开门权限 将用户指纹下传至相应的子门禁系统 中 7 系统有视频监控和报警等一些相应的辅助功能 提高系统的安全性 本设计基于 ARM9 S3C24l O 设计和实现了一种指纹识别的网络型门禁控制器 采 用指纹识别器为前端信息的采集 用以太网控制器实现门禁控制器与上位 PC 机间的通 信 并利用 LCD 来实时显示态 并可以提供一些其它的辅助功能 如语音提示 报警 和摄像监控等 指纹型网络门禁控制系统框架如图 3 2 所示 沈阳建筑大学城市建设学院毕业设计 论文 22 图 3 2 门禁系统框图 3 3 2 2 嵌入式主控模块设计嵌入式主控模块设计 3 3 2 2 1 1 ARMARM 微处理器与地址空间映射微处理器与地址空间映射 本系统选择了韩国三星公司的高性能 ARM9 微处理器芯片 S3C241 O 作为主处理 器 S3C2410 芯片是基于 ARM920T 内核 五级流水线和哈佛结构 内核工作电压为 1 8V 输入输出电压为 3 3V 具有 180MHZ 200MIPS 性能 是高性能和低功耗的 硬宏单元 ARM920T 内核具有全性能的 MMU 指令和数据 Cache 以及高速 AMBA 总线接口 S3C2410 内部结构比较复杂 可提供很多可扩展的功能模块 主要有 MMU 虚拟内存管理单元 LCD 控制器 支持上到 4k 色的 STN 和 256k 色的 TFT 3 通道 UAl 汀 4 通道 DMA 4 通道具备 PWM 功能的定时器 I o 口 具有日历功能的 RTC 实时时钟 8 通道 10bit 精度 ADC 和触摸屏控制器 IIC 总线接口 IIS 数字音 频总线接口 两个 USB2 0 全速主设备及一个从设备 SD MMC 卡控制器 2 通道 SPI 及内置 lQ 100M 的网络接口等 S3C24l O 空间映射如图 3 3 所示 S3C2410 理 论上可以寻址的空间为 4GB 但是其中有 3GB 的空间都预留给处理器内部的寄存器和 其他设备了 因此留给外部可寻址的空间只有 lGB 也就是 Ox00000000 Ox3 脚 总 共应该有 30 根地址 线 这 lGB 的空间 S3C2410 处理器又根据所支持的设备的特点 将它分成了 8 份 每份空间有 128M 这每份空间又称为一个 BANK 区 为方便操作 S3C2410 独立地给每个 BANK 区一个片选信号 nGCSO nGCS7 其中 nGCS6 对应的 地址空间和 nGCS7 二所对应的地址空间是专门用于动态存储空间的 也即为系统的内 存 如图 3 3 沈阳建筑大学城市建设学院毕业设计 论文 23 图 3 3 S3C24lO 存储空间分