【正文】 ..................................................... 26 第 5 章 總 結(jié) ..................................................................................................... 28 參考文獻(xiàn) ................................................................................................................. 29 致 謝 ................................................................................................................. 29 附 錄 一 ....................................................................................................... 30 附 錄 二 ........................................................................................................ 30 1 第 1 章 緒 論 課題的背景和意義 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，我們的生活中常常需要身份確認(rèn)。信息時(shí)代我們每個(gè)人都擁有大量的認(rèn)證密碼，比方說銀行密碼、開機(jī)密碼、手機(jī)密碼、開機(jī)密碼等等。而我們大多數(shù)人則喜歡采用配備各種鑰匙，保險(xiǎn)柜，防盜報(bào)警等傳統(tǒng)安全系統(tǒng)。社會(huì)的進(jìn)步，促使傳統(tǒng)的安全系統(tǒng)越來越脆弱。生物識(shí)別技術(shù)開始走進(jìn)安全系統(tǒng)，指紋識(shí)別作為生物識(shí)別的一種已經(jīng)獲得 了廣泛的應(yīng)用。指紋特征是人終生不變的特征之一，并且每個(gè)人的指紋是不同的，可以說指紋是一個(gè) 人 身份的標(biāo)識(shí)。指紋含有天然的密碼信息， 其具有作為密碼信息必須具備的三個(gè)重要性質(zhì)： ①廣泛性，每個(gè)人都有自己的指紋，很普遍。 ②唯一性， 人與人之間的指紋是不同，可以作為身份的識(shí)別。 ③終生不變性 [1]， 非意外事故發(fā)生終身不變。 指紋識(shí)別技術(shù)相對(duì)于其他識(shí)別方法有許多獨(dú)到之處，具有很高的實(shí)用性和可行性。由于指紋識(shí)別技術(shù)的廣泛應(yīng)用，人們對(duì)它的研究也日趨成熟。所以了解指紋識(shí)原理，懂得如何設(shè)計(jì)指紋識(shí)別系統(tǒng)顯得很有必要。 由于本系 統(tǒng)采用的是單片機(jī)作為主控 MCU，所以在實(shí)時(shí)性，擴(kuò)展性上受到了極大的限制，但是也有它自身的突出的優(yōu)點(diǎn)和意義，那就是以最簡單的，處理數(shù)據(jù)能低的 MCU 完成了指紋識(shí)別系統(tǒng)應(yīng)該具備功能。這對(duì)于我更好的理解指紋識(shí)別原理和單片機(jī)結(jié)構(gòu)功能很有幫助，這也是選題的意義所在。 生物識(shí)別技術(shù)概述 所謂生物識(shí)別技術(shù) [2]就是，通過計(jì)算機(jī)與光學(xué)、聲學(xué)、生物傳感器和生物統(tǒng)計(jì)學(xué)原理等高科技手段，利用人體固有的生理特性，（如指紋、臉象、紅膜等）和行為特征（如筆跡、聲音、步態(tài)等）來進(jìn)行個(gè)人身份的鑒定。 由于人體特征具有人 所固有的不可復(fù)制的 唯一性，這一生物密鑰無法復(fù)制，失竊或被遺忘，利用生物識(shí)別技術(shù)進(jìn)行身份認(rèn)定，安全、可靠、準(zhǔn)確。目前已經(jīng)出現(xiàn)了許多生物識(shí)別技術(shù)，如指紋識(shí)別、手掌幾何學(xué)識(shí)別 [3]、虹膜識(shí)別 [3]、視網(wǎng)膜識(shí)別 [3]、面部識(shí)別、簽名識(shí)別、聲音識(shí)別等，但其中一部分技術(shù)含量高的生物識(shí)別手段還處于實(shí)驗(yàn)階段。我們相信隨著科學(xué)技術(shù)的飛速進(jìn)步，將有越來越多的生物識(shí)別技術(shù)應(yīng)用到實(shí)際生活中。 指紋識(shí)別 指紋是指人的手指末端正面皮膚上凸凹不平產(chǎn)生的紋線。紋線有規(guī)律的排列形成不同的紋型。紋線的起點(diǎn)、終點(diǎn)、結(jié)合點(diǎn)和分叉點(diǎn)，稱為指紋的細(xì)節(jié)特征點(diǎn)。指紋 識(shí)別即指通過比較不同指紋的細(xì)節(jié)特征點(diǎn)來進(jìn)行鑒別。由于每個(gè)人的指紋不同，就是同一人的十指之間，指紋也有明顯區(qū)別，因此指紋可用于身份鑒定。 2 手掌幾何學(xué)識(shí)別 手掌幾何學(xué)識(shí)別就是通過測(cè)量使用者的手掌和手指的物理特征來進(jìn)行識(shí)別，高級(jí)的產(chǎn)品還可以識(shí)別三維 圖像 。 靜脈識(shí)別 靜脈識(shí)別系統(tǒng)就是首先通過靜脈識(shí)別儀獲 得個(gè)人靜脈分布圖，從靜脈分布圖依據(jù)專用比對(duì)算法提取特征值，通過紅外線 CMOS 攝像頭獲取手指靜脈、手掌靜脈、手背靜脈的圖像，將靜脈的數(shù)字圖像存貯在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，將特征值存儲(chǔ)。靜脈比對(duì)時(shí)，實(shí)時(shí)采取靜脈圖，提取 特征值，運(yùn)用先進(jìn)的濾波、圖像二值化、細(xì)化手段對(duì)數(shù)字圖像提取特征，同存儲(chǔ)在主機(jī)中靜脈特征值比對(duì)，采用復(fù)雜的匹配算法對(duì)靜脈特征進(jìn)行匹配，從而對(duì)個(gè)人進(jìn)行身份鑒定，確認(rèn)身份。全過程采用非接觸式。 虹膜 識(shí)別 虹膜是位于人眼表面黑色瞳孔和白色鞏膜之間的圓環(huán)狀區(qū)域，在紅外光下呈現(xiàn)出豐富的紋理信息，如斑點(diǎn)、條紋、細(xì)絲、冠狀、隱窩等細(xì)節(jié)特征。虹膜識(shí)別通過對(duì)比虹膜圖像特征之間的相似性來確定人們的身份，其核心是使用模式識(shí)別、圖像處理等方法對(duì)人眼睛的虹膜特征進(jìn)行描述和匹配，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的個(gè)人身份認(rèn)證。 視網(wǎng)膜 識(shí)別 視網(wǎng)膜是眼睛 底部的血液細(xì)胞層。視網(wǎng)膜掃描是采用低密度的紅外線去捕捉視網(wǎng)膜的獨(dú)特特征，血液細(xì)胞的唯一模式就因此被捕捉下來。視網(wǎng)膜識(shí)別的優(yōu)點(diǎn)就在于它是一種極其固定的生物特征 ， 不可能受到磨損，老化等影響，因?yàn)橐暰W(wǎng)膜是不可見的，故而不會(huì)被偽造。 指紋識(shí)別技術(shù)概述 人手的指紋即為手指皮膚上的花紋，它是人的一種生物特征。該特征具有獨(dú)特的性質(zhì)。在指紋識(shí)別技術(shù)中的指紋 (fingerprint)確切地說應(yīng)該稱作指印 ，即人手指的 按印 ,如圖 1。 圖 1 指紋 19世紀(jì)初，科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)指紋的兩個(gè)重要特征，一是兩個(gè)不同手指的指紋紋 脊不同，二是指紋 紋脊的樣式終生不變性 [1]。這一研究發(fā)現(xiàn)使得指紋正式在犯罪鑒別中得以應(yīng)用。到了 20世紀(jì) 60年代，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，人們開始研究利用計(jì)算機(jī)來處理指紋，從那時(shí)起自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng) AFIS（ Automated 3 Fingerprint Identification System）在法律方面的研究和應(yīng)用在許多國家展開。 20世紀(jì) 80年代，個(gè)人電腦、光學(xué)采集技術(shù)的發(fā)展，使他們成為取像的工具，從而使指紋識(shí)別在其他領(lǐng)域得以應(yīng)用，比如代替 IC卡。 90年代后期，低價(jià)位取 像 設(shè)備的引入及其飛速發(fā)展，可靠的比對(duì)算法的 發(fā)現(xiàn)為個(gè)人 身份識(shí)別應(yīng)用的增長提供了舞臺(tái)。 21世紀(jì)，指紋識(shí)別技術(shù)已經(jīng)基本成熟，研究方向也開始轉(zhuǎn)向最求高效，快速的指紋算法。 相對(duì)于其他身份鑒定技術(shù)，指紋識(shí)別技術(shù)之所以優(yōu)于其他身份鑒定技術(shù)而被廣泛采用的原因是指紋具有以下基本性質(zhì) [4]： 1．指紋是獨(dú)一無二的，兩人之間不存在著相同的指紋： 2．指紋是相當(dāng)固定的，不會(huì)隨年齡、健康狀況的變化而改變； 3．指紋樣本易于采集，難以偽造，便于開發(fā)，實(shí)用性強(qiáng)； 4．每個(gè)人十指的指紋皆不相同，可以利用多個(gè)指紋構(gòu)成多重口令，提高系 統(tǒng)的安全性； 5．指紋識(shí)別中使用的模板并非最 初的指紋圖像，而是由圖像提取的關(guān)鍵特 征，使所需存儲(chǔ)的信息量減小，而且在實(shí)現(xiàn)異地確認(rèn)時(shí)，可以大大減少 網(wǎng)絡(luò)傳輸負(fù)擔(dān)，支持網(wǎng)絡(luò)功能。 可以看出，指紋識(shí)別技術(shù)相對(duì)于其他識(shí)別方法有許多獨(dú)到之處，具有很高的實(shí)用性和可行性。因此，指紋識(shí)別成為最流行、最方便、最可靠的身份認(rèn)證方式，己經(jīng)在社會(huì)生活的諸多方面得到廣泛應(yīng)用。 指紋識(shí)別技術(shù)的應(yīng)用系統(tǒng)主要有兩種，即嵌入式系統(tǒng)和基于 PC機(jī)的桌面應(yīng)用系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的、完整的系統(tǒng)，它不需要連接其他設(shè)備或計(jì)算機(jī)就可以獨(dú)立完成其設(shè)計(jì)的功能，其功能比較單一，如指紋門鎖、 指紋考勤終端等。而基于 PC機(jī)的桌面應(yīng)用系統(tǒng)則有靈活的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并且可以多個(gè)系統(tǒng)共享指紋識(shí)別設(shè)備，可以建立大型的數(shù)據(jù)庫，當(dāng)然，由于需要連接計(jì)算機(jī)才能完成指紋識(shí)別的功能，限制了這種系統(tǒng)在許多方面的應(yīng)用。 指紋識(shí)別研究現(xiàn)狀 我國在研制指紋自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)方面起步較晚，直到 80年代初才開始進(jìn)行，近幾十年來，國內(nèi)外越來越多的研究機(jī)構(gòu)和人員在對(duì)指紋識(shí)別的各個(gè)關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行研究；越來越多的公司從事指紋身份鑒別產(chǎn)品的開發(fā)和銷售。就目前的發(fā)展?fàn)顩r來看，自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)已經(jīng)由大型計(jì)算機(jī)處理、微機(jī)處理發(fā)展到嵌入式處理階段。國 內(nèi)外眾多指紋識(shí)別研究機(jī)構(gòu)和公司廠商都已將嵌入式指紋識(shí)別系統(tǒng)作為研究開發(fā)的重點(diǎn)，并推出了部分產(chǎn)品，已經(jīng)體現(xiàn)了當(dāng)前的一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)。目前，雖然許多商業(yè)機(jī)構(gòu)報(bào)告了自己的系統(tǒng)的較低的錯(cuò)誤率，但國內(nèi)外沒有專門檢測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確、統(tǒng)一、權(quán)威的評(píng)價(jià)。 4 并且各個(gè)自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)在測(cè)試時(shí)使用的數(shù)據(jù)庫在容量、指紋質(zhì)量方面各不相同，測(cè)試方案也差別較大，所以各系統(tǒng)間的可比性差。 論文內(nèi)容安排 本文以指紋識(shí)別系統(tǒng)的指紋識(shí)別原理和硬件設(shè)計(jì)、制作為研究主體，針對(duì)指紋識(shí)別系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)提出多種設(shè)計(jì)方案。選擇了其中較 為可行的方案，并制作和調(diào)試電路板。具體的章節(jié)和各章的內(nèi)容安排如下： 第一章：在介紹本論文的課題背景和意義，并簡述了生物識(shí)別和指紋識(shí)別技術(shù)，以及指紋識(shí)別研究現(xiàn)狀，確定了本文所做的主要工作。 第二章：對(duì)研究對(duì)象 — 指紋進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，然后說明了自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)的原理。 第三章：介紹了指紋識(shí)別系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，包括設(shè)計(jì)方案，和相關(guān)器件，最后給出設(shè)計(jì)電路。 第四章： 闡述了在布局布線時(shí)該注意的基本問題；然后描述了在調(diào)試階段遇到的問題和解決方案。 第五章：對(duì)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)做一個(gè)簡單的總結(jié)。 第 2 章 指紋識(shí)別基本原理 指紋學(xué)的基本知識(shí) 指紋的形成 在皮膚發(fā)育過程中，雖然表皮、真皮，以及基質(zhì)層都在共同成長，但柔軟的皮下組織長得比相對(duì)堅(jiān)硬的表皮快，因此會(huì)對(duì)表皮產(chǎn)生源源不斷的上頂壓力，迫使長得較慢的表皮向內(nèi)層組織收縮塌陷，逐漸變彎打皺，以減輕皮下組織施加給它的壓力。如此一來，一方面使勁向上攻，一方面被迫往下撤，導(dǎo)致表皮長得曲曲彎彎，坑洼不平，形成紋路。這種變彎打皺的過程隨著內(nèi)層組織產(chǎn)生的上層壓力的變化而波動(dòng)起伏，形成凹凸不平的脊紋或皺褶，直到發(fā)育過程中止，最終定型為至死不變的指紋。 指紋 分類 有 3 種基本類型 — 斗型 、弓型和箕 型。 是皮下組織對(duì)指肚表皮頂壓 的方向 不同造就了這不同的類型。研究表明，如果某人指頭肚高而圓，其指紋的紋路將是螺旋型?，F(xiàn)在，科學(xué)家已能夠通過模型再現(xiàn)那些較為常見的指紋，也能重復(fù)不太復(fù)雜的罕見指紋的形成過程。 指紋是人類手指末端指腹上由凹凸的皮膚所形成的紋路。指紋能使手在接 5 觸物件時(shí)增加摩擦力，從而更容易發(fā)力及抓緊物件。是人類進(jìn)化過程式中自然形成的。 依據(jù)目測(cè)程度 ： 第一類是明顯紋，就是目視即可見的紋路。如手沾油漆、血液、墨水等物品轉(zhuǎn)印而成，通常都是印在指紋卡上成為基本資料； 第二類是成型紋，這 是指在柔軟物質(zhì)，如手接觸壓印在蠟燭、黏土上發(fā)現(xiàn)的指紋； 第三類是潛伏指紋，這類指紋是經(jīng)身體自然分泌物如汗液，轉(zhuǎn)移形成的指紋紋路，目視不易發(fā)現(xiàn)，是案發(fā)現(xiàn)場中最常見的指紋。潛伏指紋往往是手指先接觸到油脂、汗液或塵埃后，再接觸到干凈的表面而留下，雖然肉眼無法看到這些指紋，但是經(jīng)過特別的方法及使用一些特別的化學(xué)試劑加以處理，即能顯現(xiàn)出這些潛伏的指紋。鑒識(shí)人員最常接觸到的指紋是潛伏紋。如果指紋是留在金屬、塑膠、玻璃、磁磚等非吸水性物品的表面，檢驗(yàn)方法就比較容易。通常可以用粉末法，選擇顏色對(duì)比大的粉末，撒在物品 表面提取出完整的指紋；另一方法是磁粉法，以微細(xì)的鐵粉顆粒，用磁鐵作為刷子，來回刷掃，顯現(xiàn)指紋。如果指紋留在紙張、卡片、皮革、木頭等吸水性物品的表面，必須經(jīng)過化學(xué)處理才能在化驗(yàn)室顯形。 指紋的相關(guān)概念 （ 1）指紋： 指頭表面 凹凸 紋線。 （ 2）指?。? 指頭 凹凸紋 線與承受客體接觸時(shí)留下的痕跡。 （ 3）脊線： 是手指上的特殊的皮膚花紋的隆線。 （ 4）谷線： 兩個(gè)脊線之間低陷的部分。 （ 5）細(xì)節(jié)特征： 指紋中出現(xiàn)的各種特征，例如最常用的就是脊線端點(diǎn)和分叉點(diǎn)。 （ 6）細(xì)節(jié)特征點(diǎn)間脊線數(shù)：在兩個(gè)細(xì)節(jié)特 征之間畫一 條直線，與這條直線相交的脊線數(shù)目，就叫細(xì)節(jié)特征間脊線數(shù)。這些脊線 具有平移、旋轉(zhuǎn)不變性，是指紋識(shí)別系統(tǒng)中經(jīng)常利用的一個(gè)重要特征。 （ 7）中心點(diǎn)： 指紋中心點(diǎn)定義為最內(nèi)層弧狀脊線的上頂點(diǎn)，當(dāng)最內(nèi)層脊線的上凸 出的 部出現(xiàn)分枝點(diǎn)時(shí)，將分枝點(diǎn)定義為中心點(diǎn)；當(dāng)最內(nèi)層脊線不是弧狀而是一條線時(shí)，則脊線的上端點(diǎn)定義為中心點(diǎn)；當(dāng)這種脊線不是一條，而是多條時(shí)，定義為最左邊一條脊線的上端點(diǎn)為中心點(diǎn)。 指紋特征可以分為全局特征、局部特征和細(xì)微特征。全局特征包括： (i)基本紋路圖案：基本紋路圖案通常分為左箕型、右箕型、斗型 、拱型和尖拱型，如圖 2 6 （ 1） 左箕型 （ 2）右箕型 （ 3）斗型 （ 4）拱型 （ 5）尖拱型 圖 2 各種類型的指紋 （ ii）模式區(qū)： 模式區(qū)是指紋圖像上包含了總體特征的區(qū)域，從模式區(qū)上 能夠辨出指紋屬于那種類型。 （ iii）核心點(diǎn)： 核心點(diǎn)位于指紋紋路的漸近中心，它常用作讀取指紋和比對(duì)指紋時(shí)的參考點(diǎn)。 （ iv）三角點(diǎn)： 三角點(diǎn)是指紋圖像中三角形紋路區(qū)域的中心點(diǎn)，離