指纹识别系统、算法的设计与实现分析解析

1、题目单片机指纹识别系统、算法的设计与实现论文摘要本文介绍了指纹识别系统的基本结构和整体流过程，并且从硬件系统和软件系统两个主要方面探讨了设计指纹识别系统的基本方法。硬件系统的设计主要是基于MCS-51系列单片机、FPS200指纹传感器、RS232串口芯片的电路连接以及相关的程序设计；软件系统的设计主要是指纹识别系统算法的设计，其中包括图像处理和图像识别两个方面,并且在MATLAB编写平台上实现了图像处理的算法。通过实验显示，该系统釆集的指纹图像较清晰、失真较小，处理后的图像轮廓分明、特征突出，利于指纹分类与识别。通过对指纹识别系统的研究、设计与开发，综合运用了信号采集及接收技术，图像处理及识别

2、技术，基本实现了利用单片机进行指纹识别系统开发的目的。全文内容分为五章：第一章为绪论；第二章包括系统设计的电路硬件部分的组成和数据采集算法；第三章是指纹图像处理与识别算法的设计；第四章是主要算法的实现以及指纹识别系统实验与结果分析；第五章为总结。关键词：指纹识别；FPS200指纹传感器；MCS-51系列单片机；图像处理；图像识别论文AbstractIllthispaper,wemtioducethebasicstnictiueoffiiigeipnntidentificationsystemanditsmampiogiamWealsodiscussonhowtodesignafingeiprm

3、tidentificationsystemintwoaspectsmcludinghardwaresystemandsoftwaresystemHaidwaiesystemisbasedontheckcuitcoimectionwiththeseiiesofMCS-51chip,FPS200fingeipimtsensorandRS232mteifacechip,andalsoincludingthepiogiamdesignoftheclup;softwaresystemisincludedtwomainaspects,imageprocessingandimageidentificatio

4、n,andwegivethepiogiamoftheimageprocessingincomputerlanguage(MATLAB).Theresultsshowthattheullagesacquuedfiomthesystemproposedintluspaperaremoreclearandlessdistorted,andtheprocessingimagesaremoredistmguisli,theimagesaftertiaiisfonnarewondeifiilprepareforclassificationandidentificationoffiiigeipimts.Th

5、efiilltextcontentsincludefivechapters:1.ThefustChapterisintroduction;2ThesecondChapteristhedesignofthehaidwaieandthereceivepiogiamofdata3.ThethirdChapteristhehnplementAlgontlmiofimageprocessingandtheullageidentification;4.ThefouilhChaptei*istheimplementofmamAlgoiitlunandanalysisofexperiment;5Thefift

6、hChapterissununaiyKeywords:fingeipimtidentification;FPS200fingeipimtsensor;theseiiesofMCS-51chip;ullageprocessing;imageidentificationn论文目录第一章绪论11.1综述11.2指纹识别技术的发展历史2第二章指纹识别系统的硬件设计32. 1概述32.2主要芯片的功能介绍32.2.1FPS200半导体指纹传感器32.3硬件平台的设计方案4第三章指纹图像处理与识别的算法63. 1指纹识别的基本概念6第四章指纹图像处理的算法实现74. 1引言74.2MATLAB简介74.3

7、基于MATLAB编程平台的算法实现84.4程序调试与结果分析8第五章总结10致谢11参考文献12英文原文错误!未定义书签。译文辛昔误!未定义书签。III论文第1章绪论1.1综述我们手掌及其手指、脚、脚趾内侧表面的皮肤凸凹不平产生的纹路会形成各种各样的图案。这些纹路的存在增加了皮肤表面的摩擦力，使得我们能够用手來抓起重物。人们也注意到，包括指纹在内的这些皮肤的纹路在图案、断点和交叉点上各不相同，也就是说,是唯一的。依靠这种唯一性，我们就可以把一个人同他的指纹对应起來，通过比较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。这种依靠人体的身体特征來进行身份验证的技术称为生物识别技术，指纹

8、识别是生物识别技术的一种。相对于其它身份认证技术，自动指纹识别是一种更为理想的身份确认技术，用自动指纹识别不仅具有许多独到的信息安全优点，更重要的是还具有很高的实用性、可行性，具体体现在以下几个方面：1）个人的指纹是独一无二的，两人之间不存在着相同的手指指纹。2）每个人的指纹是相当固定的，不会随着人的年龄的增长或身体健康程度的变化而变化，但是人的声音等却存在较大变化的可能。3）指纹样本便于获取，易于开发识别系统，实用性强。目前己有标准的指纹样本库，方便了识别系统的软件开发;另外，识别系统中完成指纹釆样功能的硬件部分也较易实现。而对视网膜则难于采样，也无标准的视网膜样本库供系统软件开发使用，这就

9、导致视网膜识别系统难以开发，可行性较低。4）一个人的十指指纹皆不相同，这样可以方便地利用多个指纹构成多重口令，提高系统的安全性。5）指纹识别中使用的模板并非最初的指纹图，而是由指纹图中提取的关键特征，这样使系统对模板库的存储量较小。另外，对输入的指纹图提取关键特征后，可以大大减少网络传输的负担，便于实现异地确认，支持计算机的网络功能。近些年来，电子信息技术的飞速发展，特别是传感技术、电子信号处理技术、计算机数据管理技术、计算机网络技术的飞速发展，为指纹识别技术的成型提供了强大的硬件支持。与此同时，图形图像处理学、人工智能学、软件工程学等新兴学科的蓬勃发展也为指纹识别技术的进步提供了强有力的软件

10、支持。指纹识别的发展中，也存在自身的不足，如指纹识别系统性能的测试和评估标准的确立、相关软件的标准化问题都是有待进一步解决的。指纹识别技术作为一项迅猛发展的新技术，有了软硬件等方面的强大保障，同时乂有指纹识别自身的诸多优点，相信指纹识别技术一定会有更加美好的发展前景。论文1.2指纹识别技术的发展历史人们使用指纹进行个人身份鉴定己经有很长的历史考古证实，公元前7000年到6000年以前，古叙利亚和中国，指纹作为身份鉴别己经开始应用。考古发现，在这个时代，一些粘土陶器上留有陶艺匠人的指纹，中国的一些文件上印有起草者的大拇指指纹，在Jercho的古城市的房屋留有砖匠一对大拇指指纹的印记等。在我国，早

11、在公元650年，唐代作家贾公秀在其作品中就着重提到了指纹是确认个人身份的方法。我国将指纹应用于民间契约及断案有悠久的历史，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。虽然指纹的一些特征己经被人们认识和接受但不能证明，但指纹己经广泛应用社会的各个方面。离线部分用指纹采集仪采集指纹,提取出细节点，然后将细节点保存到数据库中,形成指纹模板库。在线部分用指纹采集仪采集指纹，提取出细节点，然后将这些细节点与保存在数据库中模板细节点进行匹配，判断输入细节点与模板细节点是否来自同一个手指的指纹。一般來说，离线处理允许人工因素介入，可根据需要手动调整系统参数，而在线处理应完全由系统自动完成所有操

12、作。自动指纹识别系统框图如图1.1所示：离线部分匹配指纹图像降噪后的图像细节点在线部分图1.1自动指纹识别系统框图本系统从结构上分为三层，最低层为物理层，是模块的通信介质，提供可靠的机械、电气功能以及无误码的比特流。中间层包括系统通信协议、任务调度以及接口驱动。在本系统中，除了进行指纹的识别之外，还要实现指纹釆集的控制，以及外设的控制如串行口的通信等。为了能够使系统实时响应外面的通信请求，我们通过硬件中断來实现。这种实现方案可以极大提高系统运行的效率，上位机可以实时控制改系统。最上层是核心算法。该算法高效地对釆集到的指纹进行处理和匹配。在此只是对该指纹识别系统做一个整体的介绍，具体的硬件和软件

13、系统设计步骤将在后面详细给出。指纹识别系统的硬件设计2.1概述硬件系统是实现一切系统功能的物质基础，它是系统不可缺少的一个整体，一个工程系统的建立都是在硬件基础上展开的。本次设计任务的硬件设施已经配备，其核心是FPS200固态指纹传感器与80C51MCU,我们的任务是完成两者的主电路连接，实现指纹图像采集的功能。本章将着重介绍基于单片机和指纹传感器的硬件电路的实施方法。2.2主要芯片的功能介绍硬件电路的主要应用到的芯片是，80C51MCU,FPS200指纹传感器和RS232串口芯片。这里就FPS的主要功能，80C51与RS232的串口连接，以及80C51与上位机的连接方式进行重点介绍。2.2.

14、1FPS200半导体指纹传感器vendicom公司的FPS200固态指纹传感器是一个接触式指纹认证设备。FPS200系列是一款高性能、低功耗、低价格的传感器，它由两个釆样保持电路构成用于指纹图像的釆集。每个金属电极作为电容的一极，而触摸传感器的手指就作为另外一极。装置表面有一层绝缘材料使得两电极之间绝缘。当手指接触到传感器时，手指纹路的凹凸不平会产生一系列不同的电容值，通过读取这些电容值而获得指纹图像。图2.1FPS200指纹采集芯片在第二个阶段，每列的电极与一个直流电源之间进行放电。没个单元的放电率正比于直流源的电量。经过一个很短的时间（这个时间与放电时间有关），一个内部信号就触发另外一组采

15、样保持电路來储存最后的电极电压。每个传感单元的电容值是通过测量充电后的电压值和放电后的电压值的差而获得的。在得到了电容值之后，电容值就将要被数字化To2.3硬件平台的设计方案硬件平台大致可以分为5个部分：电源部分、核心部件（CPU）、JTAG调式接口以及外部串行接口单元（SPI）o如图2.3所示：图2.2系统硬件接口框图其中Power电源部分负责给系统供电。该系统是一个多电平系统，包括5V电源，3.3V电源以及1.8V电源。电源部分采用常见的LD0电压转换芯片实现5V输入电压到3.3V,1.8V的转换。表2.1给出RTL8019AS兼容芯片中公有的寄存器列表：表2.1RTL8019AS寄存器列

16、表NO(HEX)PAGE0PAGE1PAGE2RWR/WR00CRCRCRCR01CLDA0PSTARTPAR0PSTART02CLDA1PSTOPPARIPSTOP03BNRYBNRYPAR2-04TSRTPSRPAR3TPSR05NCRTBCR0PAR4-OCRSRRCRMAR4RCR0DCNTR0TCRMAR5TCR以下是我们根据数据采集流程图写出的汇编程序:LGMPSTARTORG0000HLJMPSTARTORG0050HMOVTMOD,#20HMOVTL1,#OFFHMOVTH1,#OFFHMOVPCON,#80HSETBTRIMOVSCON,#050HMOVRO,#09HMOVA

17、,ROMOVDPTR,#8000HMOVX©DPTR,AMOVRO,#O7HSTART:12第3章指纹图像处理与识别的算法3.1指纹识别的基本概念指纹图像是比较复杂的，它有着许多不同于其他图像的特征。与人工处理不同，许多生物识别技术并不直接存储指纹的图像(一是考虑到隐私权，二是由于存储空间)而是记录从指纹图像提取的特征,指纹识别算法最终都归结为在指纹图像上找到并比对指纹的特征。我们定义了指纹的两类特征来进行指纹的验证：总体特征和局部特征。总体特征是指那些用肉眼直接就可以观察到的特征，包括：模式区(PatternArea):模式区是指指纹上包括了总体特征的区域，即从模式区就能够分辨出指

18、纹是属于那一种类型的。许多算法是基于核心点的，既只能处理和识别具有核心点的指纹。核心点对于指纹识别算法很重要，但没有核心点的指纹它仍然能够处理。三角点(Delta)三角点位于从核心点开始的第一个分义点或者断点、或者两条纹路会聚处、孤立点、折转处，或者指向这些奇异点。三角点提供了指纹纹路的计数跟踪的开始之处。纹数(RidgeCount)指模式区内指纹纹路的数量。在计算指纹的纹数时，一般先在连接核心点和三角点，这条连线与指纹纹路相交的数量即可认为是指纹的纹数。局部特征:局部特征是指指纹上的节点的特征，这些具有某种特征的节点称为细节点。两枚指纹经常会具有相同的总体特征，但它们的局部特征细节点，却不可

19、能完全相同。指纹纹路并不是连续的、平滑笔直的，而是经常出现中断、分叉或打折。这些断点、分叉点和转折点就称为“细节点”。就是这些细节点提供了指纹唯一性的确认信息。指纹上的细节点有四种不同特性：细节点的分类,有以下儿种类型，最典型的是终结点和分叉点。终结点(Ending)一条纹路在此终结。分叉.点(Bifurcation)一条纹路在此分开成为两条或更多的纹路。分歧点(RidgeDivergence)两条平行的纹路在此分开。孤立点(DotorIsland)一条特别短的纹路，以至于成为一点。环点(Enclosure)一条纹路分开成为两条之后，立即有合并成为一条，这样形成的一个小环称为环点。第4章指纹图

20、像处理的算法实现4.1引言在上一章节里，我们介绍了一种行之有效的指纹图像处理的算法，该算法是实现指纹识别功能的理论基础。算法只有通过具体的计算机语言才能实现其要实现的功能。在这一章里，我们将提供一种实现该算法的方法，MATLAB的编程是我们实现该算法的工具。下面我们将就基于MATLAB的编程环境，MATLAB的一些基本功能以及部分源代码进行解说。4.2MATLAB简介MATLAB是MATrixLABoratory的缩写，早期主要用于现代控制中复杂的矩阵、向量的各种运算。目前，MATLAB已经成为国际上最流行的科学与工程计算的软件工具，现在的MATLAB己经不仅仅是一个“矩阵实验室”了，它已经成

21、为了一种具有广泛应用前景的全新的计算机高级编程语言了，有人称它为“第四代”计算机语言，它在国内外高校和研究部门正扮演着重要的角色。MATLAB语言的功能也越來越强大，不断适应新的要求提出新的解决方法。MATLAB程序，大致分为两类：M脚本文件（M-Script）和M函数（M-function）,M函数格式是MATLAB程序设计的主流MATLAB的M函数是由function语句引导的，其基本格式如下：function返回变量列表二函数名（输入变量列表）图4.1M文件编译调试窗口函数是在M文件编译调试窗口（如图4.1）内进行的注释说明语句段，由%引导输入、返回变量格式的检测函数体语句。这里输入和返

22、回变量的实际个数分别由nargin和nargout两个MATLAB保留变量来给出，只要进入该函数，MATLAB就将自动生成这两个变量，不论您是否直接使用这两个变量。返回变量如果多于1,则应该用方括号将它们括起來，否则可以省去方括号。输入变量和返回变量之间用逗号來分割。注释语句段的每行语句都应该由百分号引导，百分号后面的内容不执行，只起注释作用。用户采用help命令则可以显示出来注释语句段的内容。此外，正规的变量个数检测也是必要的。如果输入或返回变量格式不正确，则应该给出相应的提示。程序编写完后将以M文件保存起來,调用时只需要在command窗口(如图4.2)里键入相应的函数名称和变量，就可以实

23、现相应的函数功能。help等命令也是在该窗口内实现的，同时也会显示相应的提示信息，command窗口是MATLAB的主控窗口。图4.2command窗口4.3基于MATLAB编程平台的算法实现在这里我们着重对图像的预处理算法实现进行了研究，通过这个函数的编写，基本上了解了MATLAB函数编写的特点，也我们后面的工作打下了良好的基础。4.4程序调试与结果分析指纹图像的基本釆集步骤是，首先通过单片机的仿真器(WAVE6000)将汇编程序写入,再打开VB的接收程序，准备接收数据。程序写入之后就可以进行釆集工作了，只需将手指按在FPS200采集器上，然后点击VB控件上的接收按钮，就可以接收数据了，接收

24、数据大概需要2秒钟，在这期间手指不能离开釆集器。数据将以文本文件的形式保存在PC机上，最后通过MATLAB将图像显示出来。图4.3是试验阶段，数据釆集界面：D|X|?OmzC*ecwc口JIa"RDAoRDApwRMRMBMRMyMMAMUHnMVvmnc“3F»».hCsk«is<fyp*'h*Lplaalb*X»lk_<*<ha*ferkar«ax匕匸“os.Wri-x咒ea®*<GOOZ«$)=2W.42-5i=l.3W3-畑Jl2!4<-5-<>1WOIUJ

25、“8caif?!STEiTftlItt»5t.V=4'丿InpurtVix»cd:D:/tscQ.“<«tt«dls«l«ctniTlABH«l>*I»pcirtrixu*l<ra*t*lrwi*bl*tintL*Ewprtttxvicr«atd*«/1«bl«>tntk«»|rr?Uk&»r*Mtr<w3tutkatvsa.'*'【pyrtftru*iriritbl*cir»

26、;tl*I»pcirtrixu*l<ra*t*lrwi*bl*tintL*Ewprtttxvicr«atd*«/1«bl«>tntk«【pyrtftru*iriritbl*cir»tl*I»pc>rtrixu*i<rw«rwi*bl*tintL*»LJHPSTART|ORG059HS1MY：KOUTKOO.B2IM1KOUTL1,n(lFfHMOVTHl.ttOrFHWUPCON.HWSET9TR1KOUscoN.aesoHKOUR0.S09H>®UA.R

27、wuKOUXOOPTR.AKOUHP,07HKOUA.R»&®uDPTR.BHB01HMJUXOOPTR.AwuL0P5：HOPOJMZRO.LOOPS<KCGXHDFTK：0»XA皿xwiidcolumn“pmaaomvoiHiUms“ColurmMP”叼torOOQQ砂reinecerihee:o0s|:,'Acr»b&tofDrtastfiatdfrwl"23<Vir/lc*2WIWriyis/Vw曲tftrcalDdto1CW*ICariII<feckII“呦茶"3X.匸田4jV匸、1

28、9%图4.3数据釆集界面本实验小组的成员共6人，数据采集都成功完成，并且得到采集上來的原始图像，以下是本人的指纹图像如图4.4所示：图4.4原始的指纹图像第5章总结指纹识别系统的设计研究综合应用了硬件电路设计，软件编程，图像处理等方面的知识技能，毕业设计阶段的主要的设计工作具体包括：(1) 了解国内外指纹识别研究的发展状况，比较各种指纹识别技术的优缺点，判断并选择出适合毕业设计要求的指纹识别技术，为后期工作选定发展方向。(2) 掌握51系列单片机和FPS200芯片的性能指标及其功能特点，在这个基础之上，完成接口电路的连接以及相应的单片机汇编指令。(3) 学习并掌握图像处理和图像识别的基本方法，

29、选择一种适合指纹图像处理和识别的算法，并且最终能够实现图像预处理的算法。(4) 通过计算机调试得到实验结果，并且分析实验结果，总结设计结论。通过本组成员的齐心协力的共同工作，基本完成了以上设计工作。对整个指纹系统有了一个全面的了解，特别是运用计算机编程来实现图像处理功能有了一定的认识，同时也熟悉了MATLAE这个在工程设计上广泛应用的设计软件。不仅完成了毕业设计任务，而且在设计期间提高了自身各方面的能力，尤其是综合运用知识的能力，检验了人学四年学到的知识技能，增强了实际操作能力，为以后走向工作岗位打卜了良好的基础。致谢本课题的研究和本文的写作是在老师和老师的悉心指导和帮助下完成的，他们倾入了大量的心血和精力。在论文的研究写作中，老师们无论在学习还是在生活上都给予了我莫大的帮助和热情关怀，老师学时渊瞎，治学态度严谨，学术思想活跃，勤恳敬业,也深深的感染了我。在此，我特向他们表示深切的谢意和崇高的敬意，他们永远是我学习和工作中的