【硕士论文】基于USB接口的指纹图像采集与处理的研究.pdf

摘要 摘要 本文的主要工作是通过研究p c 机与外围设备的u s b 接口驱动方式 实 现了p c 帆与指纹传感嚣之问的控制和数据传输 完成了指纹图像的采集工 作 并对采集到的数据进行了处理 为班后的嵌入式指纹识别模块的研究打 下了基础 本文薛先介绍了指纹城剐技术的发麟i 况和自动指纹识别系统 a f i s 主要阐述了与自动指纹识别系统相关的技术发展状况 各种 类型的指纹采集传感器 指纹识别算法 自动识别系统的应用等 针对率课题使用的电容式指纹倦感嚣f p s 2 0 0 详细介绍了它的性 能以及它的开发应用 利用f p s 2 0 0 提供的t l s b 总线接口 设计了指纹 采集模块 并完成了硬件电路的设计 制版和调试工作 本文麴重点是实现指纹采集模块与主枕的连接和数据传输 详细 副析了u s b 总线协议和w i n d o w sw d m 驱动程序模型 分析了i j s b 驱动 程序的结构 完成了f p s 2 0 0 指纹传燎器在w i n d o w s 2 0 0 0 系统中u s b 驱动程序的设计编写和调试 最后 利用指纹图像鑫身翦特点 对罄于方向图的滤波器设计幕l 指纹图像滤波处理进行了研究 详细给出了方向淘的计算和方向滤波 器的设计 关键词 指纹传感器 f p s 2 0 0 通用串行总线 u s b w i n d o w s 驱动程序模型w d m 方向豳 滤波器 a b s t r a c t t h ist h e m si sm a i n l yt a l k i n ga b o u th o wt ou s et h ed r ir i n g w a y o ft h ep cm a c h i n e u s bi n t e r f a c eo f t h ep e r i p h e r a le q u i p m e n tt o r e a l i z et h ec o n t r o la n d d a t at r a n s m i s s i o nb e t w e e np ca n df i n g e r p r i n t s e n s o r f i n i s ht h ef i n g e r p r i n ti m a g ee o l l e o t in ga n dt h e np r o c e s st h e c o l l e c t e dd a t a s u c hk i n d o ft h e s ed e t a i l e dw o r km a d eaf i r mb a s is f o r t h ef u t u r es t u d yo fe m b e d d e df i n g e r p r i n ti d e n t i f i e a t i o nm o d u l e t h ef i r s tb e g i n n i n go ft h i st h e s i si es y n o p t i c a l l yi n t r o d u c i n g f i n g e r p r i n t i d e n t i f l e a r i o nt e c h n o l o g y a u t o m a t i cf i n g e r p r i u t i d e n t i f i c a t i o ns y s t e m a f i s m a i n l ya b o u tt h ed e v e l o p m e n t a l t e c h n o l o g ys t a t u sr e l a t e dw i t ha u t o m a t i nf i n g e r p r i n ti d e n t i f i c a t i o n s y s t e m s u c ha sa 1 1s o r t so ff i n g e r p r i n tc o l l e c t i n gs e n s o r s f i n g e r p r i n ti d e n t i f y i n ga r i t h m e t i ca n da p p l y i n gt y p e se t c t h ef o l l o w i n gp a r ti sa b o u tc m p a c i t i v ef i n g e r p r i n ts e n s o rf p s 2 0 0 i n c l u d i n gd e t a i l e d i n t r o d u c t i o no fp e r f o r m a n c ea n da p p l i c a t i o n b a s e do nu s b b u si n t e r f a c es u p p l i e db yf p s 2 0 0 w ec a nd e s i g n f i n g e r p r i n t c o l l e c t i n gm o d u l ea n dr e a l i z ed e s i g n i n g m a k i n ga n d d e b u g g i n go f t h eh a r d w a r ec i r c u i t t h ek e yp a r ti se x p o u n d i n gt h er e a l i z a t i o no f t h ec o n n e c t i o na n d d a t at r a n s m i s s i o nb e t w e e nf i n g e r p r i n tc o l l e c t i n gm o d u l ea n d h o s t c o m p u t e r t h ec o n t e n ti n c l u d e sd e t a i l e da n a l y s i so fu s bb u sp r o t o c o l w i m o w sw d md r i v e rm o d u l ea n du s bd r i v e rs t r u c t u r e t h e nt h i sp a r t c o m p i l e sa n dd e b u g su s bd r i v e ro ft h ef p s 2 0 0f i n g e r p r i n ts e n s o ru n d e r w i n d o w s 2 0 0 0o p e r a t i o i ls y s t e m f i n a l l y u s i n gf i n g e r p r i n ti m a g es e l f c h a r a c t e ra n ds t u d yf o r d i r e c t i o n a lf i l t e rd e s i g na n df i n g e r p r i n ti m a g ef i i t e r i n gp r o c e s s t h i st h e s i sg i v e saw a yf o rr e s o l v i n gt h ed i r e c t i o n a ld i a g r a m 2 摘要 a r i t h m e t i ca n dd it e e t i o t a 1f j l t e rd e s j g n k e y w o r d s f i n g e r p r i n ts e n s o r f i s 2 0 0 u n i v e r s a ls o f i a b u s is b w i n d o w sd r i v e rm o d a lw m d i r e c t i o n a li m a g e f i i t e r 第一幸绪论 第一章绪 论 1 1 课题的酲的和意义 1 1 1 指纹识嗣技术概述 生物识别技术是基于个人独特白警生理和行为特征进行自动身份验证的 一种方法 它是随着信息技术的发展而产生和发展起来的一种新型的身份认 证技术 人体的身体特征具有不可复制的特点 并且有唯一性和稳定性 这是生 物识别技术的基础 研究和经验表明 生物谶别技术可以利用的人体生理特 征有 人的指纹 举纹 面孔 声音 虹旗 视网膜 骨架等等 每个人豹 这些特征都与别人不同 并且终生不变 因此就可以掘此识别出入的身份 在这些人体特征中 人的指纹相对于其它的人体特征具有下述的特点 1 稳定性 指纹有很强的稳定性 并且终生不变 一个人在从少年一直 到老年这一生的时间里 其指纹的特征始终是不变的 z 独特性 指纹有观显的独特性 没有讴个拯纹完垒相同的人 耐 个 人的十指指纹也有骧显的不同 3 指纹样本便于获取 指纹采集硬件设备容易实现 识别系统抒发比较 容易 4 十指捂纹各不相同 可以方便的构成多种信息的组合 5 指纹模板存储的不是指纹图像 而是指纹的特征点 这对系统的存储 量和传输时间的要求比较低 具有了这些优越的条件 人体指纹的检测与识别因此成为当前生物识别 方面的热点研究课题 第一章绪论 1 l2 课题的目的和意义 随着社会现代化 信息化的发展 安全问题成为目前许多系统首震考虑 的问题 通常 管理员强迫用户使用一些密碍机制或硬件标志 确认用户身 份 监控其进行的相关操作 以此来达到保证系统及信息安叠的目的 现在 普遍使用的许多系统 仍采用传统的防范措旌 1 现在许多计算机系统 都是使用 用户i d 密码 的方法来进行用 户登录的身份认证和访问控制 这种方案豹隐患是恩面易见的 例如 霞码 容易被忘记 容易被别人窃取 而且 所造成的危害与用户的级别青密切的 关系 如果是普通用户忘记了密码 也就不能进入系统 恒可以通过系统管 理员重新设定密玛来重新拜始工作 但如果是系统管理负忘记了自己的密 码 整个系统也许只有重新安装后才能工作 密码被别人盗取是一件更可怕的事情 因为用心不良的人可齄会进一步 窃取系统内部的机密数据 可能会盗用别人的名义做不正当的事情 并且在 实鞴应用中 密码的盗取是比较容易豹 并且 在现代薅速计算机豹帮助下 对一般密码进行暴力破解也是很容易徽到的 尽管现行系统通过要求用户及 时改变他们的口令来防止谥用口令行为 但这种方法也不能从根本上解决问 题 2 除了计算机网络及其应用系统外 一些传统的需要进行身份验证 的场台 也存在着类经的安全性问题 例如日常生活中广泛使用的钥匙 证件的伪造和撩用 不正当的转借等 述有在考勤管理系统中的弄虚作镁等问题 另外t 目前已被广泛戍用的磁卡 i c 卡等自身都有可复制 可移植 可 替代的弱点 婀样也存在着一定的安全隐患 并且 醚着科技发震 对它的 破解也变得非常容易 这些晦匿都说明 随饕科技的不断发展 现行的系统安全技术已经面临 严峻的挑战 3 因此 人们把目光转向了生物识别技术 希望可以借此技术来应 对现行系统安全所面临的挑战 第章绪 论 4 指纹具有唯一性 稳定性 不可复制性 可甜棒为工e 确汉别个人 身份的依掘 并且指纹的采集托较容易 准确 傻用方便 具有实用性和可 行性 因此指纹识别系统在身份鉴别和身份认证等许多方面得到广泛应用 研究这个课题的露的就是为了使这种个人舟份鉴别系统尽可能地合情 台 理 并且简单易行 价格便宣 能够得弼最广泛的应用 1 2 圈内外研究现状 1 2 1 指纹识别技术的发展 1 9 世纪初 科学研究发现了至今仍然承认的指纹的两个重要特征 一是 两个不同手指的指纹纹脊的式样不弼 另外 个是指纹纹脊的式样终生不馥 变 这个研究成果使撂指纹首先在犯罪鉴别中得以正式应用 2 0 世纪6 0 年代 由予计算机可以有效的处理窝形 人们开始着手研究 利用计算枧来处理指纹 从那对超 自动指纹识别系续x a u t o m a t i cf i n g e r p r i n t m e n t i f i c a t i o ns y s t e m 简称a fs 的研究和斑用在世界许多篷家展开 2 0 世纪8 0 年代 个人电脑 光学扫描这两项技术的飞速发展 使得它 们作为指纹取像的工具成为现实 从新使指纹识别系统完瞢起来 并且w 以 在其饱领域中得以应用 眈如代替i c 卡 9 0 年代嚣期 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 1 2 2 自动指纹识剐系统 自动指纹识制系统 a u t o m a t i c 辩n 咎r p r 矗眭i 如n t i 6 c a t i o n s y s t e m 简拣 a f i s 是剩用指纹对用户身份避行自动鉴黜认证的系统 它的发展和应用 得益于现代电子集成制造技术的发展霸快速可靠的指纹识别算法的研究 虽然指纹墨零人体皮肤的银小一都分 但用于识别的数据量相当大 阻 第一牵绪 论 f p s 2 0 0 电容式指纹传惑器为例 每枚指纹的图像为2 5 6 3 0 0 的位图 有 7 5 k b n e 指纹的比对 也不是简单豹进行数据比较 相等与不相等的问题 丽是使用需要进行大量运算的模糊匹配算法 个人计算橇飞速发展的运算速度提供r 在p c 机甚至单片机上可以进行 两个指纹比对运算的可能性 同时 随着现代电子集成锖i 造技术的发展 我 们可以制造出相当小的指纹匿像读取设备 加上匹再己算法可靠性的 i 断提 高 使得自动指纹识别按术己经非常实用 自动指纹识别系统 a f i s 其自动化程度高 人工干预少 指纹的缓型 分类 特缸的抽取 图像的存储以及检索 图形比对 雏节特征的匹配等都 是由计算机自动完成的 它已经成为信息安防的蕈要产品之一 自动指纹识别系统所涉及的基础技术重点在传感与鉴别技术 尤其是指 纹的采集与识别算法的实用化技术 所涉及的基础产品包括 指纹传感器采集器件 指纹印整与身份识别 指纹图像处理与豁涮环境平台 应用领域 公民身份证应用 多功能智能卡应嗣 电信通讯 门禁系统 应用等 自动指纹识别系统技术的任何一次有决定意义的进步 都是基于指纹传 感器元件 指纹识别算法和运算处理器件这三大基石的发展 1 2 3 指纹采集设备 鑫动指纹识别系统 a f i s 技术的进步和指纹传感器技术的发展密切相 关 随着半导体技术的进步 指纹传感嚣从结构复杂 价格蹦贵 体积庞夫 的基于光学技术的忙感器 发展到9 0 年代中期开始出现的半导体指纹传盛 器 它的价格越来越低 体积也越米越小 而采集的图像质蠹越来越高 下碰简单介绍一下这几类指毁传感器 1 光学俦感器 9 第一军靖诧 基十毙学按术抟传感器都是利用了光学垒反射技术 光学全反射技术的 原理是 光线照射到压有指纹的玻璃表面 时 由c 0 1 获得反射光线 反射光的数量 依赖于压在玻璃表面的手措指纹的脊和 谷的深度以及受肢与玻璃问的油脂和水 分 光线经敬璃照射载指纹韵谷韵地方 后 在玻璃与空气豹界面发生垒反射 光 线被反射到c c d 照射向指纹的脊的光线 不发生全反射 而是被脊与玻璃的接触面j 圈卜1 光学指纹传感器 吸收或者漫反射到别的地方 于是就在c c d 上生成了指纹图像 光学传感器生产厂商如国外的i d e n t i x 5 e c u g e n 等公司 国内的长春 光机所为刑侦部门研制的光学传感器也具有相当高的水平 如图卜1 所示 就是长春方弱公司生产的一种光学指纹传感器 2 电容式佟感器 电容传感器是在单个晶片上集成了l o 多万个电容传感器 其步卜面是绝 缘的表露 手指放在j 面时 手指皮肤组成了电容阵列的另一极 电容器的 电容值由于指纹的脊和谷相对于另一极的距离彳 同而不同 通过测量空间中 不同的电容值而褥到完整的指纹图像 该类型较典型的产品为v e i l d i e o m 公 司的f p s l l 0 f p s 2 0 0 指纹传感器 如图l 2 所示 在指纹采集过程中 根 据反馈信息调节电容放电时间等参数娃 增强其灵敏度 它的面积只有1 5 1 5 c m 集成9 0 0 0 0 个电容 且带有高速a 仍转换 器件 该产品的分辨率为5 0 0 d p i 系统提 供u s b 接口 s p t g 狲8 位并行数据总图卜2 电容式指纹传感器f p s 2 0 0 线接口 3 瓣度传感器 温度传感器避过感应压在传感器设备上的指纹的脊和谷的温度不同来 获得指纹图像 目前世界上最小的温度传蚌器是法国a t r a e l 公司生产的 1 0 第一章靖沧 一 一 一一 f i n g e rc h i p 系列的f c d 4 8 1 4 如鹫 1 3 所示 它外形小 敏感区域只有 04 r a n l 1 4 m m 通过手指扫过传感医 域获取指纹图像 可承受一百万次的 揩头游动动作 使用休眠方式管理电 源 功耗 l 成本较低 图1 3 热敏指纹抟感器f c d 4 8 1 4 4 压力俦盛器 压力传感器其表面的顶层是具 有弹性的压感介质材料 他们依照 指纹的姊袁地形转他为樱应豹电子 信号 压力传感器的特点是成本低 体积小 耗电攫少 谯易受手扰 表面丰 料耐跨臻自 力蕴 如图1 4 鬻l 一4 越力指纹使感器b l p 1 0 0 所示是日本b m fc o r p o r a t i o n 公司 生产的b m f l 0 0 它包括传感器b l p 1 0 0 和控制器b c t 1 0 d 5 超声波传感器 超声波扫描指纹的表面后 接收设备获得指纹对超声波的 瞳射信号t 然 后根据指纹的脊秘谷的反射值号重构出指纹图像 超声波扫描不蕞光学扫 描 积纂在手指皮肤上的脏物和油脂对超声波影响不大 可i 三 得到高晶质的 指纹图像 u l t r a s c a n 是首家推出超声波采集传感产品的公司 但是由于成 本较高 限制了该技术的推广应耀 表1 是这几种传撼器性能的比较 裘卜1 传惑器性能比较 比较项避光学垒反射技术硅晶体电容传感技术超声波扫描 体积大 小 由 耐用性非常耐用容易损坏一般 成像能力 千手指簸 但汗多千手指好 但汗多的和非常好 一 第一章绪沧 的和稍胀的手指成稍胀的手指不能成像 像模糊 l 耗电较多较少较多 l 成本低 低很高 1 2 4 指纹处理算法 利用指纹传感器采集弼指纹的图像以质 自动指纹识别系统 a f i s 就 进入下一个处理过程 开始进行指纹图像的处理 这是自动指纹识别系统的 核心 指纹处理算法是依据指纹特征辨识需求 按计算机程序设计规律建立起 来的 指纹识别与判定规则的数学模型描述 指纹处理算法的实现大致有四 种基本类型 l 基于图像处理的图像识别算法 2 基于觏m 推理的人工智能方法 3 基于几何拓扑的图形识别算法 4 上述各类方法的综合运用算法 指纹处理算法是一组算法的集合 通常包台三个基本部分 即 1 图像采集与处理 2 指纹特征辨识与横板生成 3 指纹模板比对鉴别 指纹处理算法软件首先建立指纹的数字表示 特征数据 它是一种单方 向的转换 只能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 n 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 这些点同时具毒七种以上的唯一性特征 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 合起来产生更多的数据 这些方向信息表明了各个节点之间的关系 也有的 算法是处理整幅指纹图像 总之 这些数据 通常被称为模板 保存为i 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 第一章结诒 宵一种公开的抽象算法 丽是各个厂商自行其是 最后 计算机通过模糊比较的方法 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 目前 在进行指纹匹配研究中普遍采用的方法主要包括以下这几个处 理过程 图像预处理 圈像处理过程是一个关键阶段 它是将一幅利用指纹传麟辩读取到的指 纹图像变换成指纹箨和脊非常清楚 完整的霉像 可以非常方便地提取有荚 指纹特征 最新成果中 m i c h i g a n 州立大学的l i nh o n g 等提出了图像处理 相关方法 包括读取指纹圈像的点和蛱方向场 对指纹图像进行方恕场滤波 对滤波后的图像进行二值化处理 最后对二值化后的图像进行细化操作 锝 到脊谷清晰的糖纹图像 指纹特征 根据各种指纹鉴别文献的定义 指纹大约有三十种特征 掇据特征的出 现频率及识别豹可能性 一般选出6 8 种特征 这些特征又可分成两大类 一类称为基本特征 如赢和分叉点 另一类称为复台特征 复合特征均可出 基本特征复合而成 一般在指纹识别算法中 只采用两个特征点即可 即点 和分叉点 这两个特征点占全部特镬点的8 7 左在 足以进行指皱比较 冕 参考文献 2 3 特征提取 特征提取主要是对指纹线进行搜索 摄取各婺特征丧l 置及各类特征点的 坐标位置 对指纹中任意一个特征点来说 萁楣邻特征点的个数和荦巾类是不 变的 它们之间的距离和方向由于非线性畸变原因丽有可能发生变化 其 中不变性就是指纹的结构特征 可以利用这些特薤来碡定参照点 孺变化性 珂通过援坐标变换 既克服了非线性畸变的影响 t 又使下一步匹配箍单易行 大幅度减少了珏配计算羹 为识别节约了时阔 指纹匹配 第一章绪论 目前 使用最广泛的指纹匹配方法主要是基于特征结构的指纹匹配方 法 无论指纹图像发生怎样的畸变或旋转 对指纹中任意个特征点来说 其相邻特征点的数目和种类都是不变的 只是它们之间的相对距离和方向有 所变化 这种不变性就是指纹的结构特征 其算法原理是 为指纹图中每一 个特征点建立一个多维矢量 考察每一个特征点的种类及在半径为r 内的 相邻特征点的个数和类型 分叉或端点 等 井将统计结果放入多维矢量中 匹配时 对待识别的指纹提取n 个矢量特征与样本库中的每个指纹特征的矢 量组进行匹配 得到识别结果 评估一个优秀的能够商业他大瑶积推广的指纹算法 不仅要从常规的误 判率 拒判率 相对准确率 拒登率等参数来评估 还包括有许多方面 例 如 能否充分滤滁指纹噪啻 是否能够适应不同的角度 不阃的按压力发 是否适应不同的指纹质餐 是否考虑到高速匹配 是否能够在尽量少的特 征点下识剐 是否能够处理过于干燥或湿润的指纹 是否占有非常少的内 存 是否对系统的依赖性很低 是否可以方便的移植到单片机系统中去 是否可蛆黑尽量少的特征表述指纹信怠 是番缝过大量的指纹库的测试 是否能适应不同质量的陶像 是否能够提供给用户良好的开发接口 等等 现在国际上有一些自动化程度意的 技术比较先进的a f i s 系统 妇 我国北京大学的p u a f i s 系统 美国联邦调查局 f b i 的a f i s 系统 英 国迪拉鲁印迹公司 d e l a r u e p r i n t r a c i n c 的a f l s 系统 日本n e c 公司 的a f i s 幕统 北美莫弗公司 n o r t h a m e r i g a n m o p h o s y s t e m s i n c 的a f i s 系统 1 2 5 自动指纹识别系统应用 当今市场上的指纹识别系统厂商 除r 提供完整的指纹识别应用系统爰 其解决 案外 可以提供从指纹取像设备的o e m 产品到完整的指纹识别软 件开发包 从丽使得无论是系统集成商还是应用系统开发商都可以自行开发 第 章靖论 自己的增值产品 包括敬入式的系统和其他应用指纹验证静计算机软件 利用指纹识别技术的应用系统 从其使用功能的角度划分 大致有以下 瓶种基本形式 连接p c 的桌面应用系统 它是基于计算机系统环境的指纹采集 处理 识别 比对软件系统 连接p c 的桌面应用系统具有灵活的系统结构 并且可以多个系统共亨 指纹识别设备 建立大型的数据库应用系统 但是由于需要连接计算机才能 完成指纹识别的功能 限制了这种系统在许多方面的应用 例如 v e t i d i c o m i n f i n c o n s t 三家主要的固态俦感器厂商和光学传 感器厂商u a x e u 都拥有各自的成套软件 主要是基于w i n d o w s 环境的指 纹软件产品 同时还有指纹传感采集装置作为配套的外部设备提供 形成 采 集一计算机系统处理模式 的指纹采集 处理 识别 比对系统产品 嵌入式应用系统 即集成化的指纹采集 处理 识别 沈对装置 与p c 桌面应用系统模式不同 嵌入式系统作为一个相对独立的完整系 统 它不需要连接其他设备或计算机就可以独立完成其设计豹功能 这类产 品的指纹识别算法是以固件形式与传感采集装置集成为一体化智能型装置 是不依赖计算机系统环境的设各 实现了完整的指纹采集 登记 验证 识 别和存储功能 可以作为一个功能模块嵌入到机电设备中 通过通信协议和 控制指令集与其他模块和部件互檩通讯 完成预定功能 象指纹门镀 指纹 考勤终端就是嵌入式系统 其功熊较为单一 适用于完成特定的功能 如加 拿大s e c u g e n 公司的f d a o i 模块以及国内中正公司的m i a x i s 系列中s m 2 模块 在国外 从六十年代宋期 f b i 开始傻用一种自动识别指纹的设备 到 在七十年代末期 已经有 定数量的设备开始在美国大范围使用 而到了目 前 利罐讨 算机进行指纹识采的技术在屋靠已饭成熟 并且已经开始大规模 推广 无论从单一功能的嵌入式系统 还是具有复杂功能的连接p c 的应用 系统 都已经得到了广泛的应用 许多大公司鸯专门的机构从事该项技术豹 第一准绪论 研究 歼发 应用 如i b m i n t e v e r i d i c o m 韩园现代 美国d i g i t a l p e r s o n a l 等 吲国外相比 指纹识别技术在国内的发展也非常迅速 目前 国内有许 多企业在参与指纹识别技术的开发 应用 但是 系统所需要的主要芯片都 沫自国外 同时 绝大多数企业是引进国外指纹识别模块进行系统集成 这 就造成了系统成本亮 市场推广难度大 技术不能得到狠好的推广和应用 虽然国内部分企业拥有自己的识别算法 但产品价格高 性能不稳定 其性 价比不能满足市场的需要 因此开发适合我国现状 符台国际标准的性能可靠 低成本的指纹识别 系统 对藐国安垒技术 防伪技术 身份识剐技术的发震是一个巨大的促进 同时 由于它也可以应用乎各类门禁 计算机 网络 电子商务等授权业务 及其它备类识别身份的智能卡认迁系统中 因此应用前景广阔 对国民经济 有极火的带动作用 具有很好的市场前景和产业化前景 1 3 论文的主要内容 本文所要采用的指纹识别系统的结构框图如图l 一5 所示 通过指纹传感 图卜5 指纹识别系统框图 第一章绪论 器采集到指纹图像 然后通过u s b 接口方式 将数据传送到处理单冗 p c 机或其他处理器 在这里 对指纹图像进行处理 提取特征 如果是登记 注册 则把指纹模扳存储到存储器内 如果是验证 则从存储器内读取模板 与新提取的指纹特征进行比对 并将比对结果发送到执行机构 课题的目的是想要在更小的硬件平台上实现成本更加低廉的指纹识别 系统 适用于普通用户 本文作为此指纹识别系统的一部分 主要做了以下 几方面的工作 利用传感器制作一个独立的指纹采集装置 可以与其它各种处理模块相 连接 采集 传送指纹数据 然后送入处理器模块执行指纹识别 比对 本文首先阐述了电容式指纹传感器芯片的原理 应用等方面的知识 然 后 重点描述了u s b 接口及u s b 驱动程序的编写 调试工作 完成了指纹的 采集工作 并对指纹数据的滤波处理进行了研究 1 7 第二章指牧采集模块碰件设计 第二章指纹采集模块硬件设计 2 1 指纹传感器f p s 2 0 0 对指纹识剐系统 尤其是对嵌入式系统两言 在保证性能的前提下 减小各功能音 j 件的体积和功耗是一个重要的目标 经过认真的比较和选择 本文选用了v e r i d i c o m 公司的f p s 2 0 0 作为指纹采集器件 f p s 2 0 0 是v e f i l i c o m 公司推出的第三代半导体指纹传感器 是一款低 功耗 高性能的电容式固态指纹传感器 是理想的接触式指纹采集设备 图2 l 是f p s 2 0 0 的功能结构框图 图2 1f p s 2 0 0 结拇框图 f p s 2 0 0 可以通过直接接触手指而获取指纹 其工作原理是 它有一个 3 0 0 行x 2 5 6 列的二维的金属电极组成的传癖器阵列 这些电极作为电容器 的一个极板 面把接触传感器的手指作为电容器的另一个极板 转感器表 8 嚣二章指纹采集横块惶件t 计 丽韵钝化层作为电容器两极之闻的介质 指纹的脊和谷在电容阵列上产生 j i 同的电容量 结果导致产生不同的放电电流 读取这些不同的电流值就 形成一幅指纹的图像 再经过采样和保持电路 a d 转换 转变为数字信 号 由于f p s 2 0 0 的独特功能 因雨得到了广泛的应用 它酶主要特点有 f p s 2 0 0 的图像搜索功能 i m a g e s e e k t m 通过改变电容阵列的参数值 可在1 秒钟以内扫描多幅指纹踞像并自动选择最好的一幅 医此f p s 2 0 0 对人手指的适应面更广 可 以获得备种类型手指0 9 于手指到湿手指 的 离质量指纹图像 并能应甩在备辩气候条件下 如高温或高混度的环境 由于成像质量的提高及稳定 大大减低了误识率 f a r 和抠识率 f r r 因此i p s 2 0 0 可应用在更广阏的领域 f p s 2 0 0 芯片由2 5 6 列和3 0 0 行电容阵列组成 芯片内设计有两个采样 保持电路玛于指纹西像的采集 通过铡量每个传感单元在每次充电螽懿电 压值和放电后的电压值的麓来获得每个传感单元的电容值 每次捕捉每行 臀像后 在瑷行内的每个佟感单元内就有待数字他的电容值 因此通道功 能寄存器改变放电电流犬小和放电时阀就可以改变f p s 2 0 0 的灵敏度 f p s 2 0 0 是第一个内鼍三种通信接口构指纹采集设备 u s b 口 微处 理器单元接口 m c u 串行卦设接b s p i 这使得f p s 2 0 0 可以方便集 成到各种类型纳设备中去 甚至不需要外豁接口设备的支持 f p s 2 0 0 还内鬻其他电路单元 极大减少了芯片对软件的依赖 f p s 2 0 0 不但提供了受小的外观尺寸 两且使倍感器阵列布局更合理 在减小传感 器阵列数目的情况下没有降低图像尺寸及糟度 同时也节约了芯片的成本 f p s 2 0 0 的表面坚固耐用 可防止各种物质对芯片匏翊伤 腐蚀 磨损 等 f p s 2 0 0 能承受超过8 k v 的静电放电 e s d 因此f p s 2 0 0 可应用在 条件苛刻的环境下 f p s 2 0 0 在待命模式下的操作电流小于2 0 u a 这在 上电池干 为供电设 第二 章指故采集模缺硬件 殳 十 备的应糟中 可节约电池的消耗 延长电池寿命 f p s 2 0 0 还有手指自动检 测电路 a f d 在有手指按在传感器表面时 向主机发送一个中断信号 a f d 电蹄允许圭自t 在没有指纹时处在低功耗待命壤式 只有当有手指时才 唤醒主机进行处理 因此节省了整个系统的功耗 这种特性尤其满足嵌入 式系统的需要 也用范围广 f p s 2 0 0 封装为只有1 4 m m 厚的塑料外壳 非常适嗣子各 种i n t e 烈设备 僵携设备和手机等 例如 移动指纹认证系统 膝上型电燕 p d a 等其他移动设备豹安全登录 网络 工作站 数据库的安全登录及安全操作 电子商务 两上银行 鼹上证券 p o s 系统的交易安垒 家庭 办公室 汽车的门锁或门禁控制系统 p k j 纳增强安全保护及i c 卡韵安全补充 2 2f p 8 2 0 0 的接口配置 u s b u n i v c r n ls 鲥a l b l l s 通用串行总线 是一个新的接口协议 2 0 0 0 年4 月发表了u s b 2 0 规范 蟊前u s b 端口已成为了微机主板的标准端瞄 微机外设包括键盘 鼠标 显示器 打印祝 数码相机 扫描仪等等都可 以通过u s b 口与主机相连 这种连接较以往普通井口和串口的连接而言 主要的优点是速度高 功耗低 支持h 蹦l 即用 p l 甥 p l a y 使用维护方 便 因此 越来越多的设备采用了u s b 接口方式 f p 2 0 0 也提供了u s b 接口 袭2 1 是f p s 2 0 0 的管脚名称及其功能 p 2 0 0 内星了高速u s b 的核电路 不需要井部蛇u s b 控制器 因此 f p s 2 0 0 雄以作为标准的u s b 设备使用 f p s 拍0 在u s b 模式下可支持1 3 帧 秒的指纹图像采集传输速度 它的u s b 接口有两种使用方式 一辩是使用辨部r o m 作为配置存储 第二章指纹采集横块硬件鳢计 一一 一 器 另一种是便朋芯片内部r o m 作为配置存储器 使用内部r o m 的u s b 接口模式 这种方式比较简单 不需要另外附 加任何外围器件 只需一个1 2 m h z 的强部晶振电路 利用芯片内部的r o m 存储器巾的设蔷描述符来配置u s b 控制器 在此模式下 内音 j1 2 m h z 的 振荡器 并行总线 s p i 总线接口全部禁止 j j 到的管脚只有 d p d m e x 1 1 n t x t a l l x t a l 2 如果使用外部r o m 的u s b 接口模式 必须要同时使用s p i 接目 s p i 接 1 q 连接外部r o m 存储器 主控器响应u s b e t d e s c r i p t o r 帝令 罔外部r o m 中的设各描述符代替内部r o m 中的设备描述符来配置u s b 控制器 用到的管脚为 d p d m s c l k s c s m o s i m i s o e x t i n t x t a i l x t a l 2 表2 1f p s 2 0 0 的管脚功能 管脚号名称功能 管脚号 名称功能 lv a 1模拙电潭zv s s a l模拟地 3 i s e t设置参考电流 4a i n 模拟输入 5r s e t 设置内部震蒋器频率 6v s s a 2模 醴地 7v 叻a 2 模拟电源 8t e s t 测试模式允许 9p 0输出嫡口o1 0p 1输出端口i 1 1d 7数掭线 1 2d 6 数据线 1 3i 5 数据线 1 4i 4 数据线 1 5v s s l数字地1 6v d d l数字电源 1 7 1 3数据线1 8i 2数据线 1 9d 1 数据线 9 0 数据线 2 la o 地址输入 2 2r d 一 读允许 低有效 2 3棘一 驾允许 抵有效 2 4v s s 2 数字地 2 57 0 1 2数字电源2 6x t l 2 内部振荡器输出 2 7 x 貅l 1内部提韩嚣输入鹬i n t r 一 中断输出 低有教 第二章指纹采集模块碰件设计 2 9 a i 卜 等待 骶有效 3 0e x t i n t外部中斯输入 3 1 c si s o l k片选 商有效3 2c s o s c s 一片选 低有效 3 3m 沿i s p i 主m 从入 3 4 m i s os p l 主a 放出 3 5m o d e l 接口模式选择1 3 6m o d e o 接口模式选择0 3 7d mu s bd 3 8阳u s bd 3 9 v d d 3数字电源4 0v s s 3 数字地 卜8 0 n c没有连接 f p s 2 0 0 提供的其它两种接口方式为 s p i 接口 s p l s c r i a lp e r i p h e r a li n t e r f a c e 串行外围设备接口总线技术是摩托罗拉 公司推出的一种全双二l 同步串行接口 s p i 总线是一种三线同步总线 如图2 2 s p i 的扶设备和圭设备共用 一个时钟线 而时钟始终是从主设备里发送出来的 0 s i 一 i l i s o r i s l a w e 嚣 一l 图2 2s p i 总线 f p s 2 0 0 内置了s p i 接口 极大的减小了f p s 2 0 0 对硬件的依赖 只需 要6 条线就可以连接到带s p i 接1 2 1 的微处理器 在s p i 模式 f f p s 2 0 0 的 图像传输速度为l o 帧 秒 f p s 2 0 0 在s p i 方式下 是作为从设备工作 用 到的管脚为 s c i k s c s m o s i m i s o e x t i n t x t a l i x t a l 2 s p i 主殴各可以以每秒1 2 m b k s 的速度传送命令和数据 即使在晶振停止 对 也可以读写传感器的寄存器 其通信规则是 m o s i 在s c k 时钟信号的上升沿采样 m i s o 在s c k 时钟信号的下降沿采样 辩二孳指皱采集模块硬什设计 s c k 时钟信号不论在离或低的状态都可以停止 传送数据时 最高位在前 微控制器 r i c u 总线接口 通过增加自动递增列和行地址寄存器的值以及模数转换的路径优化功 能 f p s 2 0 0 内置的标准8 圣 微处理器总线的性能大大加强 图像传输速度 达到3 0 帧 秒 可以满足对连续指纹图像采集和比对的需要 在搬控制器总线方式下 用到的管脚为 d 7 o a 0 r d 一 w r c s o 一 c s i e x i i n t 孙r r r w a l t x t a l i x t a l 2 f p s 2 0 0 使用d 7 o 作为数据线 a 0 作为地址线 将a 0 置低时选择 索引寄存器 将a 0 置为高时则选择由索引寄存器所指向的功能寄存器 索g 寄存器的僖在被重写或芯片复位之前 一直缳持不变 f p s 2 0 0 使用r d w r c s o c s i 作为控制线 在c s 0 置低 同时 c s t 置搿时选中传感器芯片 数据在w r 的上封沿被镄存 i n t r 和 w a i t 作为状态信号 当中断事件产生时 n q t r 信号有效 如果在a d 转换正 在进行的时候读取转换结果 w a l t 簧低有效 2 3u s b 接口应用 根据系统结构和u s b 接口速度高 功耗低 支持即插即用的特点 在 此选择使用u s b 接口 为了减少外围器件 使用f p s 2 0 0 的内部r o m 作 为配置存储器 2 3 iu s b 体系结构 u s b 的拓扑结构 u s b 的物理连接是有层敬性的星型结构 u s b 总线连接u s b 设备和 u s b 主机 一个u s b 系统包含三类硬件设备 u s b 主机 u s bh o s t u s b 设备 u s bd e v i c e u s b 集线器 u s bh u b 如图2 3 所示 每个网 第二章指皱采集模块硬件设计 络集线器是在星型的中心 得条线段是点点连接 从主机到集线器或其功 能部件 或从集线器到集线嚣或其功能部件 u s b 手机 u s b h o s t 在一个u s b 系统中 只存一个u s b 主机 它提供以下功能 豳2 3 u s b 系统拓扑结构 根层 1 层 2 层 3 层 4 层 柃测u s b 设各的连接与拆除 管理主机与设备之间豹控制传送 管理主机与设备之润豹数据传送 收集状态信息及一些活动的统计数字 控制主机控制器与u s b 设备的电气接1 3 包括提供有限的电源 u s b 设备 u s bd e v i c e u s b 设备接收u s b 总线上的所有数据包 通过地址包的地址来判断是 不是发给自己的数据包 若地址相符 则与主机按照协议配置进行数据传 输 地址不持 则丢弃该数据包 苓傲处理 在一个u s b 系统中 u s b 设备和u s b 集线器的总数不能超过1 2 7 个 u s b 集线器 u s b h u b u s b 集线器用于设备的扩展连接 是u s b 设备和主机的硬件接口 所 有u s b 设备都是连接在u s b 集线嚣的端口上 一个u s b 主机总是与一个 第二章指纹采集模块碗侔设计 根集线器相连接 u s b 集线器支持的u s b 功能有 连接行为 电源管理 设备连接 拆除检测 总线错误检测和恢复 支持高速和低速设备 一般的 u s b 设备与u s b 集线器之间的连线长度不超过5 米 u s b 系统的级联不 超过5 缎 包括根集线嚣 在此系统中 f p s 2 0 0 就是连接到p c 机的u s b 集线器上 u s b 的层次结构 p c 机与指纹传感器通过u s b 总线的连接 从终端用户的角度来看 述个实现了一台主机和一台附属的u s b 设备之间的通信功能的u s b 系统 可简单地用图2 4 表示 圈2 叫u s b 主机 设备的简单模型 在实际的实现上 u s b 系统提出了一些重要的概念和情况来支持现代 个人计算机 p c 所提出的可靠性要求 所吼对u s b 系统可从不同的层 图2 5u s b 的层次结构 实际通信 u s b 系统软件 u s bs y s t e ms o r w a r e 此软件用于在特定的操作系 统中支持u s b 它由操作系统提供 与具体的u s b 设备无关 也 独立于客户软件 u s b 系统软件包括u s b 驱动程序 主机控制器 驱动程序 主机软件 客户软传 c l i e n ts o r w a m 为一个特定的u s b 设备筒在主机上运 行的软件 这种软件由u s b 设备的提供者提供 或由操作系统提 供 d s b 物理设备 u s bp h y s i c a ld e v i c e u s b 上的硬件 可运行一些用户 程序 u s b 物理设备的逻辑结构包括 u s b 总线接口 u s b 逻辑设备 r 应用层 第二章指纹采集横块硬件设计 2 3 2f p s 2 0 0 的u s b 连接 使用f p s 2 0 0 制作的指纹采集板 如图2 6 所示 它作为功能设备 图26 指纹采集板 通过u s b 总线连接到p c 主机 主机与u s b 设备通过电缆连接 电缆中包括v b u s g n d 二条线 向设备提供电源 v b u sf f e r s v 电源 d 十 d 一是信号线 携带交替方向的 单一差分信号 v b u s d d g n d v e u s d d g n d 图2 7u s b 电缆 p c 机通过u s b 奎机控制器和w i n d o w