【正文】 .................. 1 . 指紋識(shí)別技術(shù) ............................................... 1 . 指紋識(shí)別技術(shù)特點(diǎn) ...................................... 2 . 指紋識(shí)別技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 .................................. 3 . 系統(tǒng)概述 ................................................... 4 2. 指紋識(shí)別原理 ..................................................... 5 . 指紋圖像的分割 ............................................. 5 . 指紋圖像分割概述 ...................................... 5 . 均值方差法 ............................................ 6 . 指紋圖像的細(xì)化 ............................................. 7 . 指紋圖像細(xì)化的預(yù)處理 .................................. 7 . 指紋圖像的特征提取 ......................................... 9 . 指紋特征提取概述 ...................................... 9 . 指紋特征提取和去偽特征 ............................... 10 . 指紋圖像的匹配 ............................................ 11 3. 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) .................................................... 12 . 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) .............................................. 12 . 系統(tǒng)功能簡(jiǎn)述 ......................................... 12 . 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì) ......................................... 12 . 系統(tǒng)核心部件單片機(jī) ........................................ 13 . 其他模塊電路 .............................................. 16 . 電源模塊 ............................................. 16 II . 時(shí)鐘模塊 ............................................. 17 . 按鍵模塊 ............................................. 17 . 顯示模塊 ............................................. 18 . 復(fù)位模塊 ............................................. 18 . 下載口模塊 ........................................... 19 . 指紋模塊 .................................................. 20 . TFSM51 指紋識(shí)別模塊 ................................. 20 . TMS320VC5501 芯片 .................................... 21 4. 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì) .................................................... 24 . TFSM51 指紋識(shí)別模塊指令系統(tǒng) .............................. 24 . 通信方式 ............................................. 24 . 主要通訊協(xié)議命令說(shuō)明 ................................. 25 . 單片機(jī)的程序設(shè)計(jì) .......................................... 29 . 鍵盤管理及指示燈響應(yīng)程序設(shè)計(jì) ......................... 29 . LED 顯示模塊設(shè)計(jì) ..................................... 34 . 通信模塊程序設(shè)計(jì) ..................................... 35 5. 調(diào)試 ............................................................ 38 . 單片機(jī)的程序下載 .......................................... 38 . 串口調(diào)試 .................................................. 38 6. 總結(jié)和展望 ...................................................... 45 參考文獻(xiàn) ........................................................... 46 致 謝 .............................................................. 48 附 錄 .............................................................. 49 附錄 A 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路圖 .................................... 49 附錄 B PCB 圖 .................................................. 51 附錄 C 元器件布局圖 ............................................ 53 III 附錄 D 單片機(jī)最小系統(tǒng)實(shí)物圖 .................................... 54 附錄 E 單片機(jī)最小系統(tǒng)元器件清單 ................................ 55 附錄 F 程序清單 ................................................ 56 1 1. 緒論 . 研究的背景及意義 科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展為人類的生產(chǎn)生活帶來(lái)了極大的便利，大大地推動(dòng)了社會(huì)的進(jìn)步和發(fā)展。 指紋特征是人終生不變的特征之一，而且不同人的指紋特征相同的可能性幾乎為零。正是這些無(wú)窮無(wú)盡的細(xì)節(jié)特征組合構(gòu)成了指紋的唯一性．事實(shí)上，甚至包括雙胞胎，世界上兩個(gè)指紋相同的概率小于 1109，幾乎為零。盡管人們已經(jīng)對(duì)自動(dòng)指紋識(shí)別技術(shù)作了深入廣泛的研究，指紋識(shí)別技術(shù)也獲得了不少應(yīng)用，但是其應(yīng)用在目前并沒(méi)有獲得普及，這主要是因?yàn)橹讣y識(shí)別在識(shí)別準(zhǔn)確性和 識(shí)別速度方面還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足很多實(shí)際應(yīng)用的要求。 . 指紋識(shí)別技術(shù)特點(diǎn) 指紋的使用比起其它證卡來(lái)說(shuō)更快捷、安全、準(zhǔn)確、無(wú)干擾，可實(shí)現(xiàn)快速登錄注冊(cè)，系 統(tǒng)兼容性好，也就是說(shuō)可以獨(dú)立或者通過(guò)聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成系統(tǒng)并且很容易并入各類證卡和定義識(shí)別系統(tǒng)中。就現(xiàn)有文獻(xiàn)和產(chǎn)品來(lái)看，對(duì)低質(zhì)量的指紋圖像的處理效果還遠(yuǎn)不能令人滿意，對(duì)于質(zhì)量很差的圖像，如果不經(jīng)過(guò)特殊的增強(qiáng)處理，是很難正確地進(jìn)行特征提取的。實(shí)際應(yīng)用要求最好自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)能對(duì)識(shí)別任務(wù)實(shí)時(shí)做出響應(yīng)，而讓指紋匹配算法同時(shí)達(dá)到高速度和高準(zhǔn)確率也是一個(gè)難題。 基于特征的指紋識(shí)別算法是找到并比對(duì)指紋的特征。對(duì)應(yīng)的匹配方法可以分為：基于點(diǎn)模式的匹配，基于脊線的匹配，基于紋理的匹配以及多種細(xì)節(jié)特征混合的匹配方法。中科院自動(dòng)化所智能生物信息系統(tǒng)研究組和北京數(shù)字指通軟件技術(shù)有限公司對(duì)自動(dòng)指紋識(shí)別技術(shù)進(jìn)行了長(zhǎng)期的理論研究和應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，指紋圖像的識(shí)別準(zhǔn)確率和識(shí)別速度已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。主要表現(xiàn)在：指紋錄入設(shè)備的質(zhì)量還不太過(guò)關(guān)；自動(dòng)指紋識(shí)別算法研究水平還有待提高，在應(yīng)用上的表現(xiàn)為產(chǎn)品適應(yīng)性和易用性較差，對(duì)干、濕一些的指紋往往不能正確區(qū)別，對(duì)指紋錄入時(shí)的旋轉(zhuǎn)、平 移比較敏感。 2. 5 指紋識(shí)別原理 . 指紋圖像的分割 . 指紋圖像分割概述 在指紋識(shí)別系統(tǒng)中，指紋圖像分割是圖像預(yù)處理的一部分。通過(guò)提取圖像特征 ,可將原始圖像映射到特征空間，使圖像特征在特征空間中呈現(xiàn)一定的分布。圖像均值就是對(duì)每一個(gè)單位塊的灰度值取均值，方差則反映該塊中各點(diǎn)與均值的偏差性，這可以很好的反映紋理 的變化趨勢(shì)。此方法的實(shí)現(xiàn)是利用方向?yàn)V波器。具體步驟分以下三步： 首先，將低頻圖分成 MM 大小的無(wú)重疊方塊，方塊的大小以一谷一脊為宜。 在使用方差均值法之前還要使用歸一法將圖變?yōu)榈皖l圖。下面的圖像為指紋圖像歸一化和分割后的結(jié)果。由于指紋圖像脊、谷相間，因此指紋圖像的處理常是將指紋圖像二值化。根據(jù)是否將圖像分塊處理，又分全局閾值算法和局部閾值算法兩種，全局閾值算法是將整幅圖像以一個(gè)閾值處理，而局部閾值算法則把原圖分 成若干個(gè)子圖，在每個(gè)子圖中確定閩值，在進(jìn)行二值化，由于指紋圖像在不同區(qū)域的亮度和對(duì)比度是有差別的，因而全局閾值算法不適用。 采用動(dòng)態(tài)局部閾值，即滿足這種條件下的灰度值為 128，不滿足則灰度值為255。 二值化后的圖像中的點(diǎn)還要進(jìn)行修改，修改條件為：當(dāng)像素為 1 時(shí)，它周圍點(diǎn)不大于 3 個(gè)為像素 1 點(diǎn)則修改為 0；當(dāng)像素為 0 時(shí)，它周圍不小于 7 個(gè)點(diǎn)為像素 1 的點(diǎn)，則修改為 1。所謂“骨架”，是指圖像中央的骨骼部分，是描述圖像幾何及拓?fù)湫再|(zhì)的重要方法之一。理想細(xì)化后的紋線骨架應(yīng)該是原始紋線的中間位置，并保持紋線的連通性、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和細(xì)節(jié)特征。 (4) 保持性：保護(hù)指紋的細(xì)節(jié)特征。 已有的算法迭代按迭代方式的不同分為串行算法和并行算法。因而細(xì)化中選擇一個(gè)好的模板是關(guān)鍵。 細(xì)化將黑白二值圖像細(xì)化成了單個(gè)像素帶寬的指紋圖像，由于模板的選擇不同，上圖中的細(xì)化圖像一定程度上存在毛刺、分 叉、斷點(diǎn)等不理想的情況。對(duì)于自動(dòng)指紋識(shí)別技術(shù)而言，選擇一種合適的、能表達(dá)指紋唯一性的特征量是非常關(guān)鍵的。 (4) 魯棒性：要求這種特征對(duì)噪聲的存在與指紋形變不敏感。 為了比較兩個(gè)指紋是否相同，需要從指紋圖像中提取出能表示指紋唯一性的特征。 目前已定義的特征類型己達(dá) 150 多種，但是這些擴(kuò)展的特征往往不易提取相互區(qū)分，并且它們都可以由端點(diǎn)和分叉點(diǎn)的組合進(jìn)行描述，這使得 端點(diǎn)和分叉點(diǎn)成為最常用的結(jié)構(gòu)特征，也稱為細(xì)節(jié)特征，它被認(rèn)為是最穩(wěn)定、最容易檢查的，而且占全部特征點(diǎn)的 80％以上。對(duì)于細(xì)化二值圖像，像素點(diǎn)的灰度值只有兩種情況。 . 指紋圖像的匹配 指紋匹配要解決的是對(duì)兩幅給定指紋圖像的特征模式進(jìn)行比對(duì)，判斷這兩幅圖像是否來(lái)自同一個(gè)人的同一手指。目前最為常用的方法是 FBI 提出的細(xì)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)模型來(lái)做細(xì)節(jié)匹配。 3. 12 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) . 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) . 系統(tǒng)功能簡(jiǎn)述 本系統(tǒng)是針對(duì)指紋采集、識(shí)別模塊開(kāi)發(fā)出的指紋識(shí)別系統(tǒng)。 該系統(tǒng)的主要功能有以下幾個(gè)方面： (1) 指紋錄入。能進(jìn)行指紋的識(shí)別，指紋識(shí)別出錯(cuò)時(shí)，報(bào)警提示。對(duì)添加到庫(kù)中的用戶指紋進(jìn)行權(quán)限管理，設(shè)置最高權(quán)限用戶，并能夠?qū)ζ溥M(jìn)行添加和刪除管理。 . 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì) 系統(tǒng)電路框架是根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)要求，對(duì)系統(tǒng)所需元件、設(shè)備參數(shù)進(jìn)行必要的計(jì)算，通過(guò)認(rèn)真研究、分析、比較選定設(shè)備型號(hào)，再將設(shè)備、元件通過(guò)可靠的接口電路聯(lián)系起來(lái)構(gòu)成的一個(gè)完整的系統(tǒng)。系統(tǒng)的工作過(guò)程主要是當(dāng)檢測(cè)到有按鍵按下時(shí)先由 MCU 通過(guò)串口通信控制指紋模塊對(duì)指紋進(jìn)行采集、錄入、存儲(chǔ)、比對(duì)。片上 Flash 允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器?？臻e模式下， CPU 停止工作，允許 RAM、定時(shí)器計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。對(duì) P0 端口寫 “ 1” 時(shí)，引腳用作高阻抗輸入。程序校驗(yàn)時(shí)，需要外部上拉電阻。 此外， 和 分別作定時(shí)器計(jì)數(shù)器 2 的外部計(jì)數(shù)輸入（ ）和定時(shí)器計(jì)數(shù)器 2 的觸發(fā)輸入（ ） 在 FLASH 編程和校驗(yàn)時(shí)， P1 口接收低8 位地址字節(jié)。在訪 問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或用 16 位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（例如執(zhí)行 MOVX DPTR）時(shí)， P2 口送出高八位地址。 P3 口： P3 口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 IO 口， P3 輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) TTL 邏輯電平。在 FLASH 編程和校驗(yàn)時(shí)， P3 口也接收一些控制信號(hào)。 ALEPROG：當(dāng)訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低 8 位字節(jié)。如有必要，可通過(guò)對(duì)特殊功能寄存器（ SFR）區(qū)中的 8EH 單元的 D0 位置位，可禁止 ALE 操作。 EAVPP：外部訪問(wèn)允許，欲使 CPU 僅訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器（地址為0000HFFFFH）， EA 端必須保持低電平（接地）。 XTAL1：振蕩器反相放大器和內(nèi)部