【正文】 度總督威廉 . 赫青爾就要求當(dāng)?shù)鼐用癫粌H要在契約上簽字，而且還要押上指紋。 1877 年他首次提出要把指紋作為鑒定和識(shí)別作案分子的手段，后來(lái)逐步得到推廣應(yīng)用。 1889 年英國(guó)“自然”科學(xué)雜志發(fā)表了一篇福爾茨的論 文，文中指出“每一個(gè)人的指紋沒(méi)有一個(gè)相同的，而且又是終生不變的”。這篇論文是世界最早提出的指紋理論學(xué)說(shuō)。目前已成為各國(guó)保安和執(zhí)法部門(mén)進(jìn)行偵破案件的重要依據(jù)。 1905 年，英國(guó)倫敦警方偵破了一起兇殺案被稱(chēng)之 為世界上第一個(gè)用指紋信息來(lái)確定犯人的案例。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)信息處理技術(shù)日趨成熟和普及，美、英、 日、法等發(fā)達(dá)國(guó)家的警察局，已以用計(jì)算機(jī)管理了數(shù)千萬(wàn)少的指紋檔案， 并建立了以指紋自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)為核心的指紋信息管理系統(tǒng)，使指紋信息的應(yīng)用達(dá)到了一個(gè)新階段。 （ 2） 我國(guó)指紋識(shí)別的發(fā)展?fàn)顩r [5] 指紋是我國(guó)古代就用以畫(huà)押，證明身份的符號(hào)。 但 我國(guó)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(kāi)始進(jìn)行，我國(guó)最早的指紋應(yīng)用可追溯至秦朝。到唐朝，指紋捺印已經(jīng)在文書(shū)、契約等民用場(chǎng)合被廣泛采用。自宋朝起，指紋則開(kāi)始 被用做刑事訴訟的物證。新中國(guó)政權(quán)建立之后，各地公安機(jī)關(guān)積累了五萬(wàn)多份刑事指紋檔案，后來(lái)又采用了計(jì)算機(jī)管理。使指紋檔案工作在偵破案件和尋查無(wú)名尸體等方面，都發(fā)揮了很大作用。自改革開(kāi)放以來(lái)，國(guó)家公安部在借鑒國(guó)外指紋信息自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)管理經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上 ， 為建立自己的指紋信息自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng) ， 組織了全國(guó)各方面的技術(shù)力量進(jìn)行攻關(guān)。并于 1996 年 1 月由公安部組織召開(kāi)了一個(gè)由我國(guó)自己研制的指紋信息自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的專(zhuān)題鑒定驗(yàn)收會(huì)。目前我國(guó)已經(jīng)研制出 6 種型號(hào)的指紋自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng) ， 將裝備全國(guó)各省、市和自治區(qū)的公安機(jī)關(guān) ， 以便加快破案速度 ， 提 高 破案的準(zhǔn)確率。 1997 年 12 月中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光機(jī)所的“方圓光電技術(shù)公司”研制成功 5 種 ZY 系列活體指紋采集儀 ， 它可與多種指紋圖像處理軟件配套 ， 組成指紋自動(dòng)處理與識(shí)別系統(tǒng)。該儀器既可實(shí)現(xiàn)活體指紋實(shí)時(shí)采集 ， 又可實(shí)現(xiàn)活體指紋的滾動(dòng)采集和靜止平面采集 ,還可獲得高質(zhì)量、高對(duì)比度與無(wú)畸變的指紋中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 7 頁(yè) 共 52 頁(yè) 圖像。以中國(guó)科學(xué)院和中國(guó)工程院兩院院士王大晰為首的鑒定委員會(huì)認(rèn)為長(zhǎng)春光機(jī)所研制的活體指紋采集儀是一種先進(jìn)的指紋信息系統(tǒng) ， 居國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平 ,并具有創(chuàng)造性和先進(jìn)性。該指紋儀與指紋圖像信息處理系統(tǒng)連用 ,可廣泛應(yīng)用于公安、保安、金融等 領(lǐng)域 ,有著巨大的市場(chǎng)前景。長(zhǎng)春光機(jī)所“方圓光電技術(shù)公司研制的活體指紋采集儀系列 ,由于采用精密光學(xué)成像系統(tǒng)和先進(jìn)的 512X512CCD 傳感器 ， 可以把活體指紋光學(xué)采集與計(jì)算機(jī)圖像處理有機(jī)地融為一體 ， 提供一種既不能偽造、又不可改變、更不能混淆的鑒別 身份的先進(jìn)方法。 我國(guó)指紋管理工作經(jīng)歷了手工管理、計(jì)算機(jī)半自動(dòng)管理和全自動(dòng)管理三個(gè)發(fā)展階段。清華大學(xué)與北京市局刑科所研制的“ CAFIS”系統(tǒng) ,北京大學(xué)與上海市局刑科所研制的“ PUAFIS”系統(tǒng) ,以及公安部二所與南昌市公安局研制的“微機(jī)指紋自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)”都通過(guò)了國(guó)家測(cè)試 。 20 世紀(jì) 90 年代初 ， 北京郵電大學(xué)同清華大學(xué)合作開(kāi)發(fā)了“全微機(jī)化指紋自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)” ，燕山大學(xué)與秦皇島市公安局合作開(kāi)發(fā)了“ LYAFIS”微機(jī)指紋自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)。以清華、北大為代表的指紋自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的科研成果 ， 為我國(guó)在這一領(lǐng)域的發(fā)展奠定了雄厚的基礎(chǔ) ， 縮短了與世界發(fā)達(dá)國(guó)家之間的差距。清華、北大研制的指紋自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng) ， 充分考慮了我國(guó)指紋捺印現(xiàn)狀和實(shí)際工作要求 ， 在自動(dòng)紋型分類(lèi)和自動(dòng)定位技術(shù)等方面有創(chuàng)新算法 ,在確定紋型 ,抽取中心、三角和特征方面的準(zhǔn)確率較高；在指紋圖像的預(yù)處理算法 ,指紋圖像壓縮技術(shù) ， 人機(jī)交互功能 ， 比對(duì)準(zhǔn)確 性 ,特別是無(wú)中心現(xiàn)場(chǎng)指紋的比對(duì)算法等方面都達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì) ,全國(guó)已有三十個(gè)省、市、區(qū)公安廳局所屬的五十多個(gè)市、縣（市）公安機(jī)關(guān)建立和使用了指紋自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)。鐵道部鄭州公安管理干部學(xué)院刑科室和廣州鐵路公安局也使用了該系統(tǒng)。廣東、上海等省市的公安機(jī)關(guān)正在引進(jìn)日本的 NES 公司 ， 美國(guó)的EASTSHORE、 COGENT 公司開(kāi)發(fā)的指紋自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)。日趨完善的指紋自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng) ， 具備了指紋管理、儲(chǔ)存、查詢(xún)、檢驗(yàn) ， 包括以案找人、以人查案、前科查詢(xún)、串并案件等功能 ， 基本上實(shí)現(xiàn)了原來(lái)指紋檔案的手工管理到計(jì)算機(jī) 全自動(dòng)管理的轉(zhuǎn)變和指紋破案的規(guī)范 ， 并且在實(shí)戰(zhàn)中發(fā)揮了作用，破獲了大量的對(duì)事案件 ， 初步顯示了指紋自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的生命力和廣泛的應(yīng)用前景。 在識(shí)別技術(shù)方面 ，很多國(guó)家都有公司或?qū)ｉT(mén)機(jī)構(gòu)在從事自動(dòng)指紋識(shí)別技術(shù)的研究， 歐美國(guó)家憑借 其強(qiáng)大的科技力量和經(jīng)濟(jì)實(shí)力，在該領(lǐng)域的研究和開(kāi)發(fā)中處于領(lǐng)先位置。 美國(guó)的 Identicator 公司、 Secugen 公司、法國(guó)的 Segam公司都有成型產(chǎn)品中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 8 頁(yè) 共 52 頁(yè) 面市，較早涉足該領(lǐng)域的 Identicator 公司的 ID Safe 生物識(shí)別技術(shù)已經(jīng)得到了較為廣泛的應(yīng)用，被用于全世界上百萬(wàn)臺(tái)個(gè)人計(jì)算機(jī)，有 5 000 多萬(wàn)人登記使用 1D Safe系統(tǒng)。亞洲在這一領(lǐng)域研究水平最高的國(guó)家是朝鮮， 1989 年在中國(guó)成立 Pefis 公司，其指紋產(chǎn)品在國(guó)際上享有 一定的聲譽(yù)。 我國(guó)臺(tái)灣的 Startek 公司的指紋識(shí)別技術(shù)產(chǎn)品的性能也達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。 中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化所、清華大學(xué)、國(guó)防 科技大學(xué)、吉林大學(xué)等高校和科研機(jī)構(gòu)很早就開(kāi)始了這方面的研究工作。 自九十年代初開(kāi)始，我國(guó)的北大方正集團(tuán)、長(zhǎng)春鴻達(dá)集團(tuán)、西安青松集團(tuán)等機(jī)構(gòu)分別以所在 地高校為技術(shù)依托，陸續(xù)開(kāi)始進(jìn)行這方面的研究工作。目前我國(guó)已出現(xiàn)指紋身份證、指紋支付、指紋鎖、 指紋汽車(chē)啟動(dòng)裝置、指紋保 管箱 、指紋“刷”銀行 POS 機(jī)等指紋應(yīng)用領(lǐng)域，利用指紋信息不僅安全可靠、方便快捷，而且是 新潮時(shí)尚的象征 。 選 題主要研究?jī)?nèi)容 本文 就基于 DSP 芯片 的指紋識(shí)別系統(tǒng)做初步研究，具體完成以下幾項(xiàng)工作： （ 1）通過(guò)查找資料了解指紋識(shí)別的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，分析當(dāng)前各種生物識(shí)別方法及其各自的優(yōu)勢(shì)領(lǐng)域，給出研究指紋識(shí)別的意義。 （ 2）查閱資料了解 DSP 芯片的相關(guān)理論知識(shí)，并熟悉 DSP 芯片的原理與運(yùn)用。對(duì)指紋圖像 進(jìn)行預(yù)處理，主要包括：圖像分割、濾波、增強(qiáng)、二值化、細(xì)化等 。對(duì)指紋圖像進(jìn)行歸一化處理，減 少指紋圖像的灰度等級(jí)，通過(guò)計(jì)算指紋圖像的梯度值對(duì)指紋圖像的分割，采用簡(jiǎn)化的 Gabor 濾波器對(duì)指紋圖像進(jìn)行增強(qiáng)，采用查表完成對(duì)指紋圖像的細(xì)化。 （ 3）掌握指紋識(shí)別算法的基本算法流程，在對(duì)指紋圖像進(jìn)行匹配時(shí)，本文首先采用改進(jìn)的奇異點(diǎn)計(jì)算算法，快速得到奇異點(diǎn)，對(duì)指 紋進(jìn)行分類(lèi)。 最后利用一種改進(jìn)的指紋匹配算法完成指紋圖像的匹配。 （ 4）利用 MBF200 完成指紋采集電路的設(shè)計(jì)，利用 TMS320VC5402 設(shè)計(jì)嵌入式 DSP 指紋識(shí)別系統(tǒng)，完成對(duì)指紋采集電路軟件設(shè)計(jì)和 BOOTLOADER 程序設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)指紋識(shí)別系統(tǒng)的硬件電路， 得到指紋的采集圖像特征信息，并對(duì)指紋圖像進(jìn)行預(yù)處理和指紋匹配，使得電路能夠在較短時(shí)間完成指紋匹配。 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 9 頁(yè) 共 52 頁(yè) 2 指紋識(shí)別系統(tǒng)的系統(tǒng)概述 系統(tǒng)的主要功能 指 紋識(shí)別系統(tǒng)必須包括以下幾個(gè)基本功能： （ 1） 注冊(cè)：將合法的用戶(hù)的指紋特征 (指紋模板 )存放在指紋庫(kù)中。 （ 2） 刪除：剔除指紋庫(kù)中的指定指紋模板。 （ 3）驗(yàn)證：提取使用者的指紋特征 與指紋庫(kù)中的合法用戶(hù)指紋模板比對(duì)，比對(duì)結(jié)果為匹配 （ 接暖 ） 或不匹配 （ 拒絕 ） 。 系統(tǒng)功能的選擇通過(guò)撥碼開(kāi)關(guān)來(lái)設(shè)定，通常 ：作在驗(yàn)證狀態(tài)。當(dāng)使用者將手指放置在指紋傳感器后， DSP 控制 傳感器將使用者指紋圖像采入 DSP，經(jīng)過(guò)指紋特征提取算法得到指紋特征，將該特征與指紋庫(kù)中的指紋模板進(jìn)行匹配，根據(jù)匹配結(jié)果輸出 控制量或信號(hào)量。采集到的指紋圖像 由于各種噪聲的影響，經(jīng)常包含許多噪聲，致使指紋圖像模糊，指紋粘連。低質(zhì)量的灰度指紋圖像經(jīng)過(guò)預(yù)處理以后 ，消除了指紋圖像的不確定性，得到的是一幅經(jīng)過(guò)細(xì)化的清晰的指紋圖像，再通過(guò)特征提取?？梢缘玫郊?xì)節(jié)點(diǎn)的相關(guān)信息。得到的指紋細(xì)節(jié)點(diǎn)信息與指紋庫(kù)中已有的用戶(hù)指紋模板進(jìn)行匹配算法的驗(yàn)證，并輸出結(jié)果，從而完成一個(gè)完整的識(shí)別過(guò)程。 指紋識(shí)別系統(tǒng)的工作原理 [6] 指紋識(shí)別技術(shù)使用取像設(shè)備讀取指紋圖像 ， 通過(guò)識(shí)別軟件提取指紋圖像中的特征數(shù)據(jù)，然后根據(jù)匹配算法得到的結(jié)果鑒別指紋所有人身份。 指紋識(shí)別系統(tǒng)從整體上可分為指紋圖像采集、圖像處理和識(shí)別三大部分組成。工作原理框圖如圖 所示。系統(tǒng)學(xué)習(xí)模塊負(fù)責(zé) 用指紋采集儀 采集用戶(hù)指紋數(shù)據(jù)，對(duì)指紋圖像進(jìn)行預(yù)處理，提取這些指紋特征，作為將來(lái)的對(duì)比模板存人數(shù)據(jù)庫(kù)；指紋識(shí)別模塊則負(fù)責(zé)采集和處理指紋圖像，在提取特征后與數(shù)據(jù)庫(kù)中的指紋模板進(jìn)行對(duì) 比，然后 判斷輸入特征點(diǎn)與模板特征點(diǎn)是否來(lái)自同一個(gè)手指的指紋 ，得出結(jié)論。整個(gè)系統(tǒng)核心就是圖像處理、特征提 取以及指紋比對(duì)。 指紋識(shí)別過(guò)程可以分為 4 個(gè)步驟：采集指紋圖像、提取特征、保存數(shù)據(jù)和比對(duì)。通過(guò)指紋讀取設(shè)備讀取到人體指紋的圖像 ， 取到指紋圖像之后，要對(duì)原始圖像進(jìn)行初步的處理，使之更清晰。指紋辨識(shí)軟件建立指紋的數(shù)字表示特征數(shù)據(jù)，軟件從指紋上找到被稱(chēng)為“節(jié)點(diǎn)”（ minutiae）的特征點(diǎn)，這些數(shù)據(jù) (通常稱(chēng)為模板 )，保存為 1K 大小的記錄。最后，通過(guò)計(jì)算機(jī)模糊比較的方法，把兩個(gè)指紋的模板進(jìn)行比較，計(jì)算出它們的相似程度，最終得到兩個(gè)指紋的匹配結(jié)中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 10 頁(yè) 共 52 頁(yè) 果。 系統(tǒng)學(xué)習(xí)模塊 指紋采集 圖像處 理 特征提取 數(shù)據(jù)庫(kù) 指紋采集 圖像處理 特征提取 特征匹配 指紋識(shí)別模塊 輸出匹配結(jié)果 圖 指紋識(shí)別 系統(tǒng)工作原理框圖 指紋圖像采集參數(shù) [7] 指紋具有惟一性（隨身攜帶、難以復(fù)制、人人不同、指指相異）。根據(jù)指紋學(xué)理論，將兩人指紋分別匹配上 12 個(gè)特征時(shí)的相同幾率僅為 1/1050。指紋還具有終身基本不變的相對(duì)穩(wěn)定性。指紋在胎兒六個(gè)月 時(shí)已完全形成，隨著年齡的增長(zhǎng)，盡管人的指紋在外形大小、紋線(xiàn)粗細(xì)上會(huì)有變化，局部紋線(xiàn)之間也可能出現(xiàn)新細(xì)線(xiàn)特征，但從總體上看，同一手指的指紋紋線(xiàn)類(lèi)型、細(xì)節(jié)特征的總體布局等無(wú)明顯變化。指紋的這些特點(diǎn)為身份鑒定提供了客觀(guān)依據(jù)。 （ 1） 圖像的尺寸 ： 圖像的尺寸通常用長(zhǎng)度 (mm)寬度 (mm)來(lái)表示，如 18mm ,或者用垂直方向上的像素點(diǎn)數(shù)水平方向上的像素點(diǎn)數(shù)來(lái)表示，如 360 256 點(diǎn)陣。圖像尺寸和點(diǎn)陣數(shù)越大，則表示指紋傳感器的采集區(qū)域越寬。用于民用領(lǐng)域的指紋傳感器，大多采用平面采集方式，因而不要求較大的采 集區(qū)域，一般不小于 256*156 點(diǎn)陣。 （ 2） 圖像分辨率 ： 圖像分辨率體現(xiàn)了對(duì)圖像細(xì)紋之處的描述精度，通常用每英寸多少點(diǎn)像素 （ dpi） 來(lái)表示。為了保障提取指紋特征的精確度，指紋圖像應(yīng)有較高的圖像分辨率。一般不低于 256dpi，要求較高的場(chǎng)合通常不低于 500dpi。 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 11 頁(yè) 共 52 頁(yè) （ 3） 圖像的灰度 ： 采集設(shè)備與方法不同，所采集到的指紋圖像也不同。絕大多數(shù)指紋圖像是單色圖像，我們把沒(méi)有色調(diào)變化的單色圖像稱(chēng)為二值圖或黑白圖，具有色調(diào)變化的單色圖像稱(chēng)灰度圖?；叶葓D含有更加豐富的圖像信息，有利于指紋識(shí)別與對(duì) 比。依照對(duì)色調(diào)變化的表現(xiàn)力，灰度圖分為 2bit、 4 bit、 6 bit、 8 bit 幾個(gè)不同等級(jí)，一般較多采用的是 8 bit (256 級(jí) )灰度。 指紋圖像的采集 指紋圖像的采集是自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng) [8](Automatic Fingerprint Identification System， AFIS)的重要組成部分。早期的指紋采集都是通過(guò)油墨按壓在紙上產(chǎn)生的，如 NIST NIST NISTl4 這些標(biāo)準(zhǔn)指紋數(shù)據(jù)庫(kù)就屬于這一類(lèi)。那時(shí)候 AFIS 系統(tǒng)的應(yīng)用范圍也比較窄，主要用于大規(guī)模指紋數(shù)據(jù)庫(kù)的管理和 檢索，屬于離線(xiàn)處理類(lèi)型。 20 世紀(jì) 80 年代，隨著光學(xué)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，開(kāi)始出現(xiàn)光學(xué)的指紋采集儀。這個(gè)時(shí)期的光學(xué)指