便携式指纹识别系统设计及实现工程硕士论文.doc

电 子 科 技 大 学UNIVERSITY OF ELECTRONIC SCIENCE AND TECHNOLOGY OF CHINA工程硕士学位论文ENGINEERING MASTER DISSERTATION 论 文 题 目： 便携式指纹识别系统设计及实现 独 创 性 声 明本人声明所呈交的学位论文是本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，也不包含为获得电子科技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谢意。矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。签名： 日期： 年 月 日关于论文使用授权的说明本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定，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。本人授权电子科技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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。聞創沟燴鐺險爱氇谴净。（保密的学位论文在解密后应遵守此规定）签名： 导师签名： 日期： 年 月 日 摘 要毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。酽锕极額閉镇桧猪訣锥。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日摘 要伴随着信息时代的来临，人们愈来愈多地面临身份鉴别的问题。为确保身份鉴别的精确性、可靠性和安全性，生物特征识别技术应运而生。由于指纹的唯一性和不变性，以及指纹识别技术的可行性和实用性，指纹识别技术已成为当前最流行、最方便的身份认证技术之一。发展比较成熟的指纹识别系统大多基于PC机，造价高、系统复杂、体积庞大，只能适用于固定场所。并不适合在一些如保安、网络、手机、门禁等系统中应用。近年来，随着嵌入式技术的发展，指纹识别技术的研究再次掀起高潮。性能卓越的嵌入式处理器构建的指纹识别系统，不仅降低了系统成本，而且大大提高了系统性能。厦礴恳蹒骈時盡继價骚。本文在阅读大量的文献资料的基础上，对指纹图像预处理、指纹特征提取、指纹特征匹配各环节关键算法进行了深入的研究，并通过仿真实验，对各种算法的实际效果进行比较，完成图像算法的设计。同时在指纹采集方面引入一种低功耗、低价格、小尺寸的滑动式指纹传感器LTT-SS500，并提出了一种专门适用于滑动式指纹传感器的基于距离判别法的图像重组算法，该算法巧妙地利用了有限个像素点的信息，有效地判断手指在扫刮方向上的位移，以及在扫刮过程中的左右偏移，并能据此恢复出完整的没有任何交叠的指纹图像，充分利用高速运行的TMS320VC5509 DSP芯片实时性和低功耗等优良特性，设计实现了一个既可单机运行又可嵌入到其它产品中去的指纹识别原型系统。茕桢广鳓鯡选块网羈泪。实验结果表明该系统的运行速度和识别准确率都达到了理想的效果，并在2008年浙江省高考阅卷浙江工业大学阅卷点安保工作中成功应用。鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴。关键词：滑动式指纹传感器，图像重组，DSP，指纹识别I英文摘要AbstractWith the development of the information technology, more and more people come to the problem of identification. Biometric identification technology is now introduced into the identification domain; it is accurate, reliable and also secure. Because fingerprint is unique and fingerprint identification technology is feasibility and practicability, fingerprint identification has become one of the most popular and convenient identification technology. The relatively-mature Fingerprint identification system are PC-based、high cost and complex, its size is huge and can only be applicable to fixed location. In the last few years, with the development of embedded technology. Fingerprint identification technology research became hot again. Embedded processor with high ability is introduced into the AFIS, it not only reduces the price, but also improves the performance of the system.籟丛妈羥为贍偾蛏练淨。Lots of articles about the AFIS were read, key arithmetic of fingerprint image preprecess、fingerprint minutiae extraction and fingerprint minutiae matching were discussed. Practical results of arithmetic were analyzed though simulation, after that, image arithmetic was designed. LTT-SS500, a fingerprint sensor which is small, cheap and low power consumption is introduced into the fingerprint capturing system.At the same time, new arithmetic based on distant which adapt to scratch fingerprint sensor was put forward. This arithmetic can capture the displacement of the fingerprint using the information contained in the pels of the sensor, it can also resume the fingerprint image without any crossover. By using TMS320VC5509 DSP, a new fingerprint system was designed which can either be used separately or be embedded in other products. 預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴。The result of the experiment shows that the systems operation speed and the accuracy rate of identifying have all reached the ideal targets, and successfully put in use of security applications of zhejiang industry university branch, one of the 2008 Zhejiang university entrance examination examines test papers spot.渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦。Key words: fingerprint sweep sensor, image reconfigument, DSP, fingerprint identification铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡。目 录目 录第一章绪 论1擁締凤袜备訊顎轮烂蔷。1.1 引言1贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷。1.2 生物特征识别技术2坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚。1.2.1 生物特征识别技术的特点2蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘。1.2.2 各种生物识别技术的比较2買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄。1.2.3 自动指纹识别技术3綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴。1.3 指纹识别技术的发展现状4驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦。1.4 课题的目的和意义5猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑。1.5 本文研究的主要内容和结构安排5锹籁饗迳琐筆襖鸥娅薔。第二章 自动指纹识别原理与算法设计7構氽頑黉碩饨荠龈话骛。2.1 指纹识别系统的算法结构7輒峄陽檉簖疖網儂號泶。2.2 指纹特征介绍8尧侧閆繭絳闕绚勵蜆贅。2.3 指纹图像预处理11识饒鎂錕缢灩筧嚌俨淒。2.3.1 指纹图像增强12凍鈹鋨劳臘锴痫婦胫籴。2.3.2 方向图计算13恥諤銪灭萦欢煬鞏鹜錦。2.3.3 二值化处理15鯊腎鑰诎褳鉀沩懼統庫。2.3.4 细化处理16硕癘鄴颃诌攆檸攜驤蔹。2.4 指纹特征提取17阌擻輳嬪諫迁择楨秘騖。2.5 指纹特征匹配17氬嚕躑竄贸恳彈瀘颔澩。2.6 性能评价18釷鹆資贏車贖孙滅獅赘。2.7 本章小结19怂阐譜鯪迳導嘯畫長凉。第三章 系统设计方案20谚辞調担鈧谄动禪泻類。3.1 嵌入式指纹识别系统概况20嘰觐詿缧铴嗫偽純铪锩。3.2 需求分析20熒绐譏钲鏌觶鷹緇機库。3.3 基于DSP的系统构成21鶼渍螻偉阅劍鲰腎邏蘞。3.4 DSP芯片21纣忧蔣氳頑莶驅藥悯骛。3.4.1 DSP芯片选型21颖刍莖蛺饽亿顿裊赔泷。3.4.2 TMS320VC5509的结构性能23濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻。3.5 引导方式25銚銻縵哜鳗鸿锓謎諏涼。3.6 本章小结26挤貼綬电麥结鈺贖哓类。第四章 滑动式指纹传感器与图像重组算法27赔荊紳谘侖驟辽輩袜錈。4.1 指纹传感器概述27塤礙籟馐决穩賽釙冊庫。4.1.1 活体指纹传感器27裊樣祕廬廂颤谚鍘羋蔺。4.1.2 指纹输入方法28仓嫗盤紲嘱珑詁鍬齊驁。4.2 滑动式指纹传感器LTT-SS500的结构特性29绽萬璉轆娛閬蛏鬮绾瀧。4.3 指纹传感器LTT-SS500的电路设计30骁顾燁鶚巯瀆蕪領鲡赙。4.3.1 LTT-SS500指纹传感器工作原理30瑣钋濺暧惲锟缟馭篩凉。4.3.2 指纹采集模块的硬件设计33鎦诗涇艳损楼紲鯗餳類。4.4 条状指纹图像重组算法的研究34栉缏歐锄棗鈕种鵑瑶锬。4.4.1 重组算法基本原理35辔烨棟剛殓攬瑤丽阄应。4.4.2 距离判别法原理36峴扬斕滾澗辐滠兴渙藺。4.4.3 距离法实现指纹图像重组的过程37詩叁撻訥烬忧毀厉鋨骜。4.5 两个重要参数指标的说明37则鯤愜韋瘓賈晖园栋泷。4.6 实验结果38胀鏝彈奥秘孫戶孪钇賻。4.7 本章小结39鳃躋峽祷紉诵帮废掃減。第五章 系统实现40稟虛嬪赈维哜妝扩踴粜。5.1 系统硬件设计40陽簍埡鲑罷規呜旧岿錟。5.1.1 外部存储器扩展40沩氣嘮戇苌鑿鑿槠谔應。5.1.2 USB接口设计42钡嵐縣緱虜荣产涛團蔺。5.2 系统软件设计43懨俠劑鈍触乐鹇烬觶騮。5.2.1 系统初始化43謾饱兗争詣繚鮐癞别瀘。5.2.2 图像算法软件设计44呙铉們欤谦鸪饺竞荡赚。5.2.3 指纹管理的软件设计49莹谐龌蕲賞组靄绉嚴减。5.3 系统程序的引导51麸肃鹏镟轿騍镣缚縟糶。5.4 系统调试52納畴鳗吶鄖禎銣腻鰲锬。5.5 实验结果及分析52風撵鲔貓铁频钙蓟纠庙。5.6 本章小结53灭嗳骇諗鋅猎輛觏馊藹。第六章 总结与展望54铹鸝饷飾镡閌赀诨癱骝。致谢55攙閿频嵘陣澇諗谴隴泸。参考文献56趕輾雏纨颗锊讨跃满賺。附录60夹覡闾辁駁档驀迁锬減。在学期间的研究成果61IV第一章 绪 论第一章绪 论1.1 引言随信着息时代的来临，在日常生活中人们愈来愈多地面临身份鉴别的问题。无论你是到银行取钱、到网上交易、注册网络服务还是到朋友单位拜访,太多的场合需要身份认证。基于标识的传统身份认证技术由于受到证件伪造以及密码破解等手段的威胁，逐渐表现得有些力不从心，随之而来的利用身份欺骗而造成公司及个人的机密数据泄漏和利益受损的问题也日益严重。据报道，由于传统身份识别的缺陷，每年全球至少有5亿美元的信用卡、10亿美元的移动电话和30亿美元的取款机被盗。这对个人身份鉴别技术提出了重大的挑战。如何自动、快速及准确地鉴别个人身份、保护信息安全是当今信息化时代必须解决的关键性社会问题。现代身份鉴别技术不仅要求具有极高的安全性和准确性，鉴别过程自动化、易于管理和以人为本也是它应该具有的关键性特征。视絀镘鸸鲚鐘脑钧欖粝。传统的身份鉴别技术可以分为两大类：（1）基于标识的鉴别技术（2）基于知识的鉴别技术基于标识的方法是指拥有特定的标志来获得个人认证，例如身份证和钥匙等；而基于知识的方法使用“所知”鉴别个人身份，待鉴别者通过私有的知识和信息来证明自己的身份，如密码和口令等。基于标识和基于知识的鉴别技术已经被人们使用了千百年，其主要优点是简单而且成本较低。但最大的问题在于它们是以物识人或以某种知识来识别人，而非以人识人。这些物或知识与人本身没有本质的联系，一定条件下，有可能被别人获取，因此实际使用时存在很大的安全漏洞，身份证等可能会被盗取、替换、丢失，密码则易遗忘或被熟悉的人猜中，而且这些传统的身份鉴别方法是无法区分授权人和冒名顶替者的。偽澀锟攢鴛擋緬铹鈞錠。正是由于传统身份识别方法精确性较低，安全漏洞较大，使用越来越受到限制，人们都期待有一种新的身份识别方式来满足自身的需求，利用人体本身的特征来识别个人身份，确保身份鉴别的精确性、可靠性和安全性。于是，生物特征识别技术应运而生。緦徑铫膾龋轿级镗挢廟。1.2 生物特征识别技术1.2.1 生物特征识别技术的特点所谓生物特征识别技术就是利用人体生理特征、行为特征进行身份认证的一种技术。生物特征分为两类:生理特征和行为特征。其中生理特征有指纹、掌纹、手型、脸型、体型、虹膜、瞳孔、声音等；行为特征则有笔迹、步态等。生物特征识别具有以下几个特点：騅憑钶銘侥张礫阵轸蔼。(1) 广泛性：即每个人都应该具有这种特征；(2) 唯一性：每个人拥有的该项特征各不相同，独一无二；(3) 稳定性：其特征基本不随时间、外界条件变化；(4) 可采集性：所选择的特征应便于测量。1.2.2 各种生物识别技术的比较不同的生物特征有他们自己的特点，如表1-1所示。如果考虑到永久性问题的话，那么脸型、体型、笔迹、声音等识别方式不是很理想的，因为这些生物特征都会随着时间慢慢变化；如果考虑到硬件成本因素的话，虹膜和瞳孔识别也不是理想的选择，因为辨识计算量太大，耗费较多硬件资源，如果用在政府机构还可以考虑，但是如果应用在一般门禁上的话则成本偏高。疠骐錾农剎貯狱颢幗騮。表1-1 常用生物特征比较生物特征独特性永久性精确度防伪性采集性指纹高高高高中人脸低低低低高虹膜高高高高中瞳孔高中高高低笔迹低低低低高声音低低低低中 指纹识别技术相对于其他识别技术有许多独到之处，具有很高的实用性和可行性。同时，它具有独一无二的个体特征和良好的稳定性，并且特征的精确度和复杂度足以满足高准确的鉴别需求。近年来，由于数字图像处理学的迅速发展1,2使得指纹识别作为最流行、最方便、最可靠的身份认证方式，己经在社会生活的诸多方面得到广泛应用。镞锊过润启婭澗骆讕瀘。1第一章 绪 论1.2.3 自动指纹识别技术 指纹是手指皮肤表面隆起的脊和凹下的谷构成的特定纹路，其纹理在婴儿胚胎时期就已经确定。科学研究发现，两枚指纹完全相同的概率非常小，可以认为世界上没有两个人的指纹完全相同，而且每个人的指纹是保持终生不变，即使磨损，只要不伤及真皮，也能重新长出。依靠这种唯一性和稳定性，可以把一个人同他的指纹对应起来，通过对他的指纹和预先保存的指纹进行比较，就能验证他的真实身份，这就是指纹识别技术。近年来，国内外学者对自动指纹识别技术进行了深入和广泛的研究，取得了明显的进展，研究的重点主要集中在如何提高识别的准确率和速度上。榿贰轲誊壟该槛鲻垲赛。指纹用于身份鉴定的历史悠久。早在古叙利亚和古代中国指纹鉴别就己经开始应用。19世纪初，科学研究发现了指纹的两个重要特征：邁茑赚陉宾呗擷鹪讼凑。(1) 不同手指的指纹纹脊的式样不同(2) 指纹纹脊的式样终生不变这个研究成果至今仍然是被承认的，并使得指纹在犯罪鉴别中得以正式应用。早期的指纹识别由人工来完成，由有经验的指纹专家对指纹逐个进行比对、辨别。这种方法耗时长、效率低、准确率也低。随着人口数量的急剧增长和应用范围的扩大，这种方法越来越不能满足实际应用的要求。20世纪60年代，随着计算机技术的诞生、发展与不断进步，图像处理与模式识别方法的日益完善，人们开始着手研究利用计算机来处理指纹。之后，自动指纹识别系统(Automatic Fingerprint Identification System，AFIS)在法律实施方面的研究和应用在世界许多国家展开。20世纪80年代，光学扫描和个人电脑这两项技术的革新，使得它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，比如代替IC卡。20世纪90年代，随着低价位取像设备的引入及其飞速发展、可靠的比对算法的研究发现，指纹识别在个人身份识别应用得到了进一步的增长。据统计，到20世纪末，全世界的生物识别产品市场约为1.12亿美元，其中指纹识别约为1.00亿美元，这标志着指纹识别是当前最成熟、稳定、并且应用最广泛的生物识别技术2。嵝硖贪塒廩袞悯倉華糲。与人工处理不同，现代指纹识别技术并不直接存储指纹的图像，而是记录从图像中提取到的指纹特征，这样做主要是考虑到存储空间限制和隐私问题。指纹识别算法最终都归结为在图像上找到指纹的特征并进行比对。因此，自动指纹识别系统主要涉及五个功能：图像读取、图像处理、特征提取、保存数据和特征匹配。首先，通过指纹读取设备取得图像，并对原始图像进行初步处理，使之更清晰。然后，利用指纹识别软件建立指纹的数字表示特征数据。这是一种根据指纹类型、纹线断点、交叉点等结构特征得到数据的单方向转换（可以从指纹转换成特征数据但不能从特征数据转换成指纹），而两枚不同的指纹不会产生相同的特征数据，这些数据通常称为模板，保存为数据库中的一条记录。最后，对两个指纹的模板进行比较，计算出它们的相似程度，最终得到匹配结果。该栎谖碼戆沖巋鳧薩锭。1.3 指纹识别技术的发展现状几十年来，指纹技术的研究一直为各国的科学家和政府所关注。美国、日本以及欧洲诸国相继投入大量的资金和科研人员加快此项技术的研究与应用。欧美国家凭借其强大的科技力量和经济实力，在该领域的研究和开发中处于领先位置。在亚洲，日本和韩国在指纹技术领域处于领先地位。1998年年底，时任国家主席的江泽民同志对日本国进行国事访问期间，专程参观了日本国研制的指纹识别以及其他生物识别技术成果3。劇妆诨貰攖苹埘呂仑庙。在国外，指纹采集芯片领域的龙头老大地位首推由美国贝尔实验室成立的美国Verdicom公司。贝尔实验室历经数十年的研究，投资几十亿美金，终于在生物识别技术方面获得了突破性的进展，研制成功了半导体指纹传感芯片，并联合Intel等大机构，共同注资成立Veridicom公司，专业开发及生产半导体指纹采集系列产品。目前全球从事指纹采集芯片研发的著名公司还有：美国DigitalPerson公司，Authentec公司，美国BII公司，美国IBM公司，RitronicsBAC公司，美国Gateway公司，法国ST公司，日本富通公司，日本电气株式会社 (NEC Corporation)，日本电气公司，韩国 Pantech公司，韩国HP公司等4。较早涉足该领域的 Identicator公司的 IDSafe生物识别产品已经得到了较为广泛的应用，已有5000多万人登记使用 IDSafe系统。臠龍讹驄桠业變墊罗蘄。目前，我们国家从事指纹技术的开发、应用的科研企事业单位情况如下：部分国内各大高校的相关专业的研究生在做学术研究开发，走向产品化的较少；从事指纹技术的公司中，比较有名气的、有自主开发实力的公司也有一些：杭州中正生物认证技术有限公司(Miaxis Biometrics Co., Ltd.)，北京北大高科指纹技术有限公司，北京中控科技股份有限公司，北京海鑫科金信息技术有限公司，北京艾迪沃德科技发展有限公司，深圳市泰迪科技发展有限公司，深圳市深安科技发展有限公司，深圳市派思数码科技有限公司，上海安威士生物科技有限公司，上海安安指纹识别系统有限公司，上海众义电子科技有限公司，南昌安必信信息工程有限公司，中科院长春光机所，长春鸿达光电子与生物识别统计技术有限公司，南京凹凸软件，西安青松科技有限公司。目前我国在民用指纹领域的公司大多还是依赖进口，国内主要是做代理、二次开发和系统集成等4,5。但是我国台湾有些公司的指纹识别技术产品的性能达到国际领先水平，如台湾祥群科技有限公司，本文使用的就是该公司生产的滑动式指纹传感器，详细内容会在第四章介绍。鰻順褛悦漚縫冁屜鸭骞。1.4 课题的目的和意义目前，指纹识别技术系统常见有两种应用方式：连接 PC 的桌面应用系统和嵌入式系统。连接 PC 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享指纹识别设备，可以建立大型的数据库应用，但它造价高、系统复杂、体积庞大，只能用于固定场所，适用范围小；嵌入式系统是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的功能，像指纹门锁、指纹考勤终端就是嵌入式系统，其功能专一，应用于完成特定的功能。穑釓虚绺滟鳗絲懷紓泺。上述内容是当前自动指纹识别技术研究实现的重点和难点，同时也是民用指纹识别系统发展的必然趋势。CMOS传感器的出现，活体扫描 (Live Scan)设备的体积越来越小巧，用指纹开启门锁，登陆网络，通过安检己不再仅仅是科幻电影中的场景。隶誆荧鉴獫纲鴣攣駘賽。从指纹识别系统的发展趋势来看，当今蓬勃发展的民用指纹识别市场以普通公司和大众为目标，着眼于实现方便快捷高效安全的个人身份认证功能。为了满足人们对易用性、方便性和舒适性等多方面的追求，指纹识别设备正朝着小型化、嵌入式和全自动方向发展，特别是基于DSP和嵌入式的便携式指纹产品是指纹识别设备发展的主流方向。浹繢腻叢着駕骠構砀湊。对于便携式产品的开发，在实现上要考虑到两个方面的因素，也是本文研究的主要目的：(1)软件方面是否具有较小的运算量，是否占有非常少的内存；(2)硬件方面，在设计上需要满足低功耗、安全稳定、轻巧易用的要求。鈀燭罚櫝箋礱颼畢韫粝。便携式指纹识别系统的开发不仅具有迫切的市场需求和良好的市场前景，而且可以提高我们的安全防范水平，也可以产生很大的经济效益、社会效益。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。惬執缉蘿绅颀阳灣熗鍵。1.5 本文研究的主要内容和结构安排本文依据指纹识别技术的发展趋势，采用滑动式指纹传感器LTT-SS500和DSP技术，设计并实现一个体积小、成本低、功耗低的独立指纹识别系统。主要研究内容如下：贞廈给鏌綞牵鎮獵鎦龐。1阅读大量的文献资料，并对指纹图像预处理、指纹特征提取、指纹特征匹配各环节关键算法进行深入的研究，通过仿真实验，对各种算法的实际效果进行比较，完成本文的算法设计。嚌鲭级厨胀鑲铟礦毁蕲。2采用了小体积、低功耗的滑动式指纹传感器LTT-SS500完成指纹采集模块的设计，并针对LTT-SS500采集到的条状指纹图像，本文专门提出了一种非常实用的基于距离判别法的图像拼接算法，该方法运算简单、便于实现，在运算速度和精度上都达到了非常理想的效果。薊镔竖牍熒浹醬籬铃騫。3根据系统的实际需求，构建了一个包含主控电路 (DSP芯片和存储器)、输入通路 (指纹图像采集部分)、输出通路 (RS232、USB接口)、人机交互设备 (LED显示)、调试端口(JTAG )和电源管理及监控电路等六大部分综合而成的既可单机运行又可嵌入到其它产品中去的指纹识别原型系统。齡践砚语蜗铸转絹攤濼。本文结构安排如下：第一章概述了生物识别以及指纹识别技术的发展现状，并对各种生物特征识别技术进行了比较。根据国内外指纹识别技术的发展趋势，提出本课题的研究目的和意义。绅薮疮颧訝标販繯轅赛。第二章系统地阐述了指纹识别的基本原理，并对指纹识别算法进行了总结和分析，并分别将图像预处理、特征的提取与对比三部分的算法设计做了详细说明。饪箩狞屬诺釙诬苧径凛。第三章根据系统需求，提出本文总体设计思想和设计方案，并对核心器件DSP的各项特性进行深入研究，为后文的详细设计奠定基础。烴毙潜籬賢擔視蠶贲粵。第四章 仔细研究了滑动式指纹传感器LTT-SS500结构性能，并针对该传感器提出了一种高效、快速的条状指纹图像拼接算法，对基于距离判别法的图像重组算法进行详细的论述。鋝岂涛軌跃轮莳講嫗键。第五章 完成了系统关键模块的硬件和软件设计，进行系统测试，最后对实验结果进行了总结和分析。第六章总结了本文研究所取得的成果及不足之处，提出课题进一步研究的方向。5第二章 自动指纹识别原理与算法设计第二章 自动指纹识别原理与算法设计2.1 指纹识别系统的算法结构指纹识别技术是指使用取像设备读取指纹图像，通过识别软件提取出指纹图像中的特征数据，然后根据匹配算法得到的结果鉴别指纹所有人身份的生物特征识别技术。一个完整的自动指纹识别系统主要工作流程如图2-1所示：撷伪氢鱧轍幂聹諛詼庞。图2-1指纹识别系统图其工作原理可以简要描述为：(1) 指纹采集：通过指纹取像设备读取指纹的数字图像。常用的指纹采集设备有光学采集器，半导体采集器，超声波采集器。踪飯梦掺钓貞绫賁发蘄。(2) 指纹图像预处理：在实际采集过程中，受各种因素的影响，采集到的指纹图像不能保证都很清晰，图像中可能出现纹线粘连、纹线断裂或对比度不均匀等情形，需要对原始的指纹图像进行预处理。指纹图像的预处理包括增强、二值化、细化等处理步骤。预处理算法是指纹识别系统中的重要内容之一。因为预处理部分位于指纹识别系统的前端，其处理质量将对系统的整体性能产生重要的影响。婭鑠机职銦夾簣軒蚀骞。(3) 特征提取：建立指纹图像简约数字表示特征数据。绝大多数指纹识别系统都采用指纹的端点和分叉点等结构特征作为匹配的元素，特征提取算法多数针对已经细化后的二值图像进行，由于抽取的特征可能包括伪特征，而伪特征对指纹的匹配影响非常大，所以在进行最后的特征匹配前，一般要先进行伪特征点过滤。譽諶掺铒锭试监鄺儕泻。 (4) 特征匹配：预存的数据模版与当前的数据特征进行比较，计算出他们的相似度，从而得到两幅指纹图像的匹配结果。俦聹执償閏号燴鈿膽賾。本文将对指纹采集、图像预处理、特征提取、特征匹配四大模块的原理和算法进行深入研究，其中图像采集内容将在第四章详细介绍，本章将主要介绍图像预处理、特征提取、特征匹配三部分内容。 缜電怅淺靓蠐浅錒鵬凜。2.2 指纹特征介绍人的指纹有两类特征：总体特征和细节特征。总体特征包括：基本纹路图案（环型、弓型和螺旋型）、中心点、三角点和纹线数等5。细节特征是指在指纹拓扑图中的几种有效的特征，它是指纹识别的最基本的依据。即使两枚指纹的总体特征相同，但是他们的细节特征却不可能完全相同。一些学者认为只要有13个局部特征相符，就可以认为是同一个指纹。骥擯帜褸饜兗椏長绛粤。(1) 总体特征 总体特征是指那些用人眼直接就可以观察到的特征，比如环型、弓型和螺旋型，如图2-2所示。 环型（loop） 弓型（arch） 螺旋型（whorl）图2-2 基本纹型癱噴导閽骋艳捣靨骢鍵。其它的纹型都基于这三种基本纹型。仅仅依靠纹型来分辨指纹是远远不够的，这只是一个粗略的分类，通过更详细的分类使得在大数据库中搜索指纹更为方便快捷。鑣鸽夺圆鯢齙慫餞離龐。更详细的总体结构分类如下所述：模式区：图2-3模式区模式区是指纹上包括了总体特征的区域，即从模式区就能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，有的指纹识别算法还是使用了所取得的完整指纹进行分析和识别。榄阈团皱鹏緦寿驏頦蕴。中心点：中心点位于指纹纹线的渐近中心，它在读取指纹和比对指纹时作为参考点。许多算法是基于中心点的，即只能处理和识别具有中心点的指纹。中心点对于某些指纹识别算法很重要，没有中心点的指纹某些算法是不能处理的。逊输吴贝义鲽國鳩犹騸。三角点：三角点是位于从中心点开始的第一个分叉点、断点、两条纹线会聚处、孤立点、转折处等。三角点是指纹纹线的计数跟踪的开始之处。幘觇匮骇儺红卤齡镰瀉。式样线：式样线是指在包围模式区的纹路线开始平行的地方所出现的交叉纹路，式样线通常很短就中断了，但是它的外侧开始连续延伸。誦终决懷区馱倆侧澩赜。纹数：指模式区内指纹纹线的数量。在计算指纹的纹数时，一般先要连接中心点和三角点，这条连线和指纹纹线相交的数量即可认为是指纹的纹数。医涤侣綃噲睞齒办銩凛。(2) 细节特征细节特征是指纹上具有某种特征的节点，这些具有某种特征的节点也称为特征点。两枚指纹经常会具有相同的总体特征，但是它们的细节特征却不可能完全相同。舻当为遙头韪鳍哕晕糞。指纹纹线并不是连续的、平滑笔直的，而是经常中断、分叉和打折的。这些断点、分叉点和转折点就称为“特征点”，如图2-4所示。就是这些特征点提供了指纹唯一性的确认信息，指纹的细节特征点主要是节点。鸪凑鸛齏嶇烛罵奖选锯。图2-4 指纹细节特征点指纹上的节点有四种不同特性： 分类：节点有以下几种类型，最典型的是端点和分叉点，见表2-1。端 点：一条纹路在此终结分叉点：一条纹路在此分开成为两条或更多的纹路分歧点：两条平行的纹路在此分开孤立点：一条特别短的纹路，以至于成为一点环 点：一条纹路分开成为两条之后，立即又合并成为一条，这样形成的一个小环称为环点短 纹：一段较短但不至于成为一点的纹路表2-1各类特征点出现概率情况类型特征端点分叉点分歧点短纹孤立点环点出现概率60.6%22.6%6.1%5.7%4.3%0.7% 方向：节点可以朝着一定的方向。 曲率：描述纹路方向改变的速度。 位置：节点的位置通过坐标来描述，可以是绝对的，也可以是相对于三角点或特征点的。 指纹的细节特征是人工识别与计算机自动识别所依赖的主要根据。在指纹领域知识的支持下实现从指纹原始图像到其特征表示的映射，是指纹识别系统实现的重点。然而在实际中，受各种因素的影响，采集到的指纹图像不能保证都很清晰，图像中可能出现纹线粘连、纹线断裂或对比度不均匀等情形。在这种情况下很难从图像中正确地分离出指纹纹线，导致指纹特征的可靠提取变得非常困难。造成指纹图像质量差的主要原因有6：筧驪鴨栌怀鏇颐嵘悅废。(1) 手指表面与采集设备表面的非均匀接触；(2) 采集设备本身性能的原因；(3) 指纹本身的原因，统计结果表明，大约有 4的人其指纹天生就不好。另外，老人的手指上通常存在很多折皱，皮肤病患者的手指上有很多翘皮，体力劳动者的手指上存在老茧且经常会产生划痕。韋鋯鯖荣擬滄閡悬贖蘊。指纹纹线模糊对指纹局部特征提取的影响尤为严重。当指纹图像质量较差时，作为指纹匹配关键环节的细节点特征提取过程可能会产生以下错误：涛貶騸锬晋铩锩揿宪骟。(1) 产生大量虚假细节点；(2) 遗漏真实细节点；(3) 细节点位置和方向存在误差；(4) 细节点类型错误。基于错误的细节点显然很难达到较高的指纹匹配精度。为了保证可靠地提取出指纹特征，为指纹识别提供更加可靠的依据，一方面需要研究对指纹图像质量具有鲁棒性的指纹特征提取方法，另一方面应该从提高指纹图像的质量入手。要获得质量较好的指纹图像，首先应该提高指纹采集设备的性能，其次是依靠用户在采集指纹时的配合，最后是对指纹图像进行预处理。钿蘇饌華檻杩鐵样说泻。2.3 指纹图像预处理在指纹识别系统中，指纹图像的预处理是非常重要的一部分，它关系到后期指纹特征提取和匹配的效果7-14。在传统的指纹识别系统中预处理主要采用方向滤波方法来改善指纹图像质量，预处理一般包括图像增强、方向图求取、二值化、细化等几个主要步骤。图像增强的目的是去除噪声，同时增强指纹图像的脊和谷之间的对比度。通常采用平滑滤波、锐化、灰度修正等手段。二值化是把指纹灰度图像转换为黑白二值图像，细化则是把二值化后的指纹图像的纹线转变为只有一个像素宽的细化图，以便于特征提取。实际应用中可根据需要，选择合适的预处理方法，为图像特征提取提供质量较好的预处理图像，使之尽量减少因图像噪声引起的伪特征的数目。戧礱風熗浇鄖适泞嚀贗。图像预处理是一项相对耗时的工作，一幅像素的图像有90,000个像素，对每个像素进行若干次乘法和加法操作，这样需要很大的时间开支。如果在预处理环节上采用过于简化的处理方法，以期望达到快速匹配，往往得不偿失。因此为了提高整个系统的性能指标，必须选择合适的预处理。下面就预处理技术进一步进行说明。購櫛頁詩燦戶踐澜襯鳳。2.3.1 指纹图像增强数字图像处理中一些通用的图像增强方法如均值滤波、低通滤波、边缘增强等对指纹图像的增强效果不理想，这是因为这些方法主要针对图像中的随机噪声，而模糊指纹图像中的指纹纹线缺陷属于结构性噪声。理想的指纹图像由脊线和谷线交替构成，脊线和谷线粗细均匀，除了在细节点、奇异点等区域出现不规则形状外，在大部分区域，脊线之间和谷线之间互相平行，且呈现连续的、方向平缓变化的曲线形态。当指纹图像质量较差时，指纹纹线不再具有上述形状。然而对质量较差的指纹图像，指纹专家仍然能定位出其中的细节点和判断指纹的类型，这是因为他们在观察时依据了一些重要的视觉线索，如局部纹线方向、纹线的连续性、纹线的走势等等，这些特性反映了指纹纹线的结构。受此启发，人们利用这些视觉线索设计出很多专门针对指纹的图像增强方法。嗫奐闃頜瑷踯谫瓒兽粪。有些指纹增强算法对细化指纹图像进行增15-19，有些方法采用直接纹线分割来实现指纹增强20,21，还有一种做法是在原始灰度图像上进行指纹增强22-29。在原始灰度图像上进行指纹增强的方法是依据局部纹线的两个重要特性：纹线方向和纹线频率，采用具有方向和频率选择特性的低通滤波器进行指纹增强处理。与基于细化纹线增强和纹线分割方法相比，这类方法具有较好的效果。采用这种思想的方法有：虚龉鐮宠確嵝誄祷舻鋸。(1) OGorman等人采用滤波器掩码在空间域进行滤波22；(2) Sherlock等人利用Butterworth带通滤波器和一种角度选择滤波器的组合来构造滤波器23；與顶鍔笋类謾蝾纪黾廢。(3) Hong等人采用Gabor滤波器在空间域进行滤波24；(4) Kamei等人滤波处理也是在频域进行，滤波器形式上为两个高斯带通滤波器的乘积，它们分别对方向和频率进行选择29；結释鏈跄絞塒繭绽綹蕴。本文直接在灰度图上采用常用的图像增强算法Gabor滤波法。Gabor滤波器是一种带通滤波器，它具有良好的方向和频率选择特性24,26,30，其在空间域的表达式为：餑诎鉈鲻缥评缯肃鮮驃。 （2-1）其中： （2-2） （2-3）Gabor 滤波器的四个参数：、，分别决定了滤波器频域通带的中心方向、中心频率、频率通带大小和方向通带大小。本文通过大量试验效果的比较，当Gabor 滤波器掩码的及均取3.9时，运算速度和处理效果达到比较理想的状态，把代入式（2-1）式后，大大简化了 Gabor 滤波公式，滤波增强时间降为原来的70%左右，增强效果如图2-5所示。爷缆鉅摯騰厕綁荩笺潑。 原始图像 增强后的图像图2-5 Gabor 滤波增强效果图锞炽邐繒萨蝦窦补飙赝。2.3.2 方向图计算方向图的概念最初是由Graseli提出的，他指出除奇异区外，指纹纹线排列一般是平行的，且方向变化平缓，因而指纹数据间存在着大量的信息冗余。根据这个特性，可将指纹图像划分为一个个独立的、互不重叠的子块，每个子块用一个方向码来表示，这个方向码对应于这个子块中的纹线的主要方向。由这些方向码组成的图就叫做方向图。用指纹方向图来表示指纹原灰度图像，不仅可以保留它的整体结构信息，而且可以大大降低数据的冗余。方向图的求取是许多自动指纹识别系统中一个不可缺少的环节和步骤。曠戗輔鑽襉倆瘋诌琿凤。方向图代表了指纹图像中纹线的走向，它在指纹图像分析中起着很重要的作用，如指导方向滤波或指导二值化。方向图分为两种：一种是点方向图，表示源指纹图像中每一点脊线的方向；另一种是块方向图，表示源指纹图像中每一块脊线的大致方向。目前从灰度图中获取方向图的原理都大体相同，其基本原理是：在原灰度图像中计算每一点（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（块）的方向。针对每个像素得到的方向则形成点方向图。为了保持点方向的有效性和使用方便，对点方向在一小块内聚类则得到块方向图。轉厍蹺佥诎脚濒谘閥糞。计算指纹方向图的方法有很多，如Mehtre等31,32、O Gorman等22、Sherlock等23基于方向灰度差分分析的方法；Tojo等33基于方向微模板分析的方法；Wilson等34基于傅立叶频谱分析的方法。这些方法的缺点是往往只能得到有限数目的方向，如 8个方向、16个方向等，因此精度较低。Bazen、Kass等35,36提出了基于梯度分析的求方向图方法，能够得到任意精度的方向值，具有较好的效果，因此被很多指纹处理算法采用，本文所使用的即为该方法。具体就求指纹方向图的算法描述如下：嬷鯀賊沣謁麩溝赉涞锯。 将指纹