【正文】 算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)功能。指紋識別系統(tǒng)主要包括 5 部分：指紋圖像采集，指紋圖像預(yù)處理，指紋圖像二值化及細(xì)化，指紋特征提取和指紋特征匹配，如圖 1 所示。計算復(fù)雜性是自動指紋識別技術(shù)中一個重要的研究課題。這類算法的問題在于圖像特征難以定義和匹配，因此算法的拒識率和誤識率較高。指紋特征多種多樣，有特征點、奇異點、域方向圖、脊線數(shù)目，甚至脊線線型等。 目前許多公司和研究機(jī)構(gòu)在指紋識別技術(shù)領(lǐng)域都取得了突破性的進(jìn)展，推出許多指紋識別與傳統(tǒng) IT 技術(shù)完美結(jié)合的應(yīng)用產(chǎn)品，這些產(chǎn)品已經(jīng)被越來越多的用戶所認(rèn)可。 與國外相比，我國在自動指紋識別技術(shù)的研究水平上還存在一定的差距。完成后整體 可構(gòu)成一個獨立的指紋識別系統(tǒng)，或作為一個完整的外部設(shè)備。特征集合則是幾種的結(jié)合。其中塊指的是將圖像分個成一個個小的圖像塊。這種方法 最大的優(yōu)點是易實現(xiàn)，很好體現(xiàn)出紋理，但缺點是對于變化太快的部分出錯。 該算法基于背景區(qū)灰度方差小，而指紋區(qū)方差大的思想，將指紋圖像分成塊，計算每一塊的方差，如果該塊的方差小于閾值為背景，否則為前景。 ? ??????1H010 ),(LH1A V EiLj jiI （ 5） 21H010 A V E),( LH1V A R ）（? ?????? iLj jiI （ 6） 最后，如果計算得到的方差幾乎接近于零就認(rèn)為是背景，對于方差不為零的區(qū)域再進(jìn)行閾值分割算法，這種算法主要是根據(jù)計算得到的方差來決定其是否為背景區(qū)。 ????????????V A RA V EyxIV A RV A RA V EyxIV A Ryx200200)),((A V E)),((A V E),I （ （ 7） 其中 AVE0和 VAR0為期望的灰度均值和方差。 6 . 指紋圖像的細(xì)化 . 指紋圖像細(xì)化的預(yù)處理 這部分預(yù)處理主要為二值化?；叶葓D二值化的基本思想是選取適當(dāng)?shù)幕叶乳撝?，將灰度圖像轉(zhuǎn)化為二值圖像。這種方法雖然簡單，但是對噪聲較大，圖像質(zhì)量不好的指紋會產(chǎn)生較大的二值化噪聲。此時背景為白，紋線為黑。細(xì)化可以便我們得到絞線的單像素的骨架。 細(xì)化處理是指在指紋圖像二值化以后，在不影響紋線連通性的基礎(chǔ)上，刪除紋線的邊緣像素，直到紋線為單像素寬為止。 (3) 拓?fù)湫裕翰灰鸺y線的逐步吞食，保持原圖像的基本結(jié)構(gòu)特性。 (7) 快速性：算法簡單，速度快。 不同的文獻(xiàn)上有不同的關(guān)于細(xì)化方法，如 王家隆等以及王業(yè)琳等的細(xì)化模板， 制約細(xì)化的直觀表現(xiàn)在計算速度、毛刺和斷點上。 細(xì)化結(jié)果如圖 3 所示： 圖 a 指紋分割圖像 圖 b 指紋二值化圖像 圖 c 指紋細(xì)化圖像 圖 3 指紋圖像的二值化及細(xì)化結(jié)果 從分割后的二值化處理圖像中，我們可以看到，整個灰度變成了黑白的二值圖像圖，圖像的條紋比較清楚，它的實現(xiàn)有助于壓縮數(shù)據(jù)量和細(xì)化的實現(xiàn)。前面所敘述的指紋圖像預(yù)處理目的就是為指紋的特征提取和最終識別建立一個良好的基礎(chǔ)，以保證整個系統(tǒng)識別率比較高。 (3) 緊湊性：要求提取的特征不應(yīng)包含指紋唯一性 以外的冗余信息，并且信息量要盡量小，便于存儲、管理和計算。 (3) 基于細(xì)化圖像的特征提取方法：這種方法是將指紋圖像處理后得到細(xì)化圖像，通過細(xì)化圖像提取特征點。 Galton 定義了 4 種細(xì)節(jié)點類型：分叉點，端點，環(huán)、島，并指出細(xì)節(jié)點具有唯一性，可以用于指紋匹配。 . 指紋特征提取和去偽特征 目前在細(xì)化二值圖像中提取細(xì)節(jié)特征多是用 8 鄰域法，該方法比較簡單，在得到可靠的細(xì)化二值圖像后，只需要一個 3 3 的模板便可將端點和分叉點提取 9 出來。在匹配前還需對毛刺、小橋等偽特征點加以識別和處理，這樣有助于后面匹配的進(jìn)行，使匹配更加精確無誤和快速?；谔卣鼽c的匹配算法具有簡單、快速、魯棒性等優(yōu)點。點匹配算法是通過某些變換，如平移變換、旋轉(zhuǎn)變化、伸縮變換，可以把兩個點集中的對應(yīng)點匹配起來。簡單的描述本次設(shè)計的功能即使用指紋模塊檢測、錄入指紋，將比對結(jié)果顯示。 (2) 指紋識別。能進(jìn)行指紋數(shù)據(jù)的管理，添加和刪除指紋數(shù)據(jù)。若信息經(jīng)核對相符，即提示該用戶擁有權(quán)限，若不相符，即提示非法操作。系統(tǒng)總 體框圖如圖 5 所示： 11 圖 5 系統(tǒng)總體框圖 系統(tǒng)主要由 MCU（ Microcontroller Unit，微程序控制器）、 LED 屏（ Large Electronic Display，大型電子展示 ）、指紋模塊組成。使用 Atmel 公司高密度非 易失性存儲器 技術(shù)制造，與工業(yè) 80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。 另外， AT89S52 可降至 0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持 2 種 軟件 可選擇節(jié)電模式。作為輸出口，每位能驅(qū)動8 個 TTL 邏輯電平。在 FLASH 編程時， P0 口也用來接收指令字節(jié)；在程序校驗時，輸出指令字節(jié)。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（ IIL）。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因， 13 將輸出電流（ IIL）。在 flash 編程和校驗時， P2 口也接收高 8 位地址字節(jié)和一些控制信號。 P3 口亦作為 AT89S52 特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。當(dāng)振蕩器工作時， RST 引腳出現(xiàn)兩個機(jī) 器周期以上高電平將是單片機(jī)復(fù)位。對 FLASH 存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（ PROG）。 PSEN：程序儲存允許（ PSEN）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當(dāng)AT89S52 由外部程序存儲器取指令（或數(shù)據(jù)）時，每個機(jī)器周期兩次 PSEN 有效，即輸出兩個脈沖，在此期間，當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，將跳過兩次 PSEN 信號。 FLASH 存儲器編程時，該引腳加上 +12V 的編程允許電源 Vpp，當(dāng)然這必須是該器件是使用 12V 編程電壓 Vpp。 . 其他模塊電路 . 電源模塊 整個模塊采用 USB 供電，以按鍵式開關(guān)啟動或關(guān)閉電源。時鐘電路為單片機(jī)產(chǎn)生時鐘脈沖序列，本設(shè)計中采用的晶振頻率為 ，電容為 33pF。 每按下一個鍵，鍵盤能自動生成鍵盤代碼，鍵數(shù)較多，且具有去抖動功能。矩陣式鍵盤也稱行列式鍵盤，因為鍵的數(shù)目較多，所以鍵按行列組成矩陣。 RST 引腳是復(fù)位信號的輸入端，復(fù)位信號是高電平有效，完成復(fù)位操作共需要 24 個狀態(tài)周期，本設(shè)計使用頻率為 的晶振，所以復(fù)位信號持續(xù)時間應(yīng)大致超過 2μ s 才能完成復(fù)位操作。 在 RS232標(biāo)準(zhǔn)中，字符以一串行的比特串來一個接一個的串行方式傳輸，優(yōu)點是傳輸線少，配線簡單，傳送距離可以較遠(yuǎn)。 引腳功能如表 1 所示： 表 1 指紋模塊引腳功能 接 口 功能 管 腳 定義 說明 J1 采 集 頭 接口 16P 接 光 學(xué) 指紋頭 J3 調(diào) 試 接口 內(nèi) 部用 J4 升 級 接 品 內(nèi) 部用 J5 開 發(fā) 接 口 （ 與 TFSM12兼 容 ） Pin1 電 源 輸 入 電 源 Pin2 UART_OUT 當(dāng) 模塊 處 于開 發(fā) 模式時 用于 與外界 通 信 ， 兼 容 5V邏 輯 電 平 Pin3 UART_IN Pin4 地 Pin5 CTRL_PWR （ 新增功能 ） 模塊電源控制接口：輸入高電平：模塊供電；輸入低電平：模塊掉電 Pin6 CTRL_LED （新增功能） 指 示 燈 輸出 接 口： 指 紋 頭 燈亮 ： 輸出高 電 平 指 紋 頭 燈滅：輸 出 低 電平 J2 備用 開 發(fā) 接 口 （ 排 針 ） Pin1 電 源 輸 入 同 J5 Pin1 Pin2 UART_OUT 同 J5 Pin2 Pin3 UART_IN 同 J5 Pin3 Pin4 CTRL_LED 同 J5 Pin6 Pin5 CTRL_PWR 同 J5 Pin5 Pin6 地 同 J5 Pin4 18 . TMS320VC5501 芯片 指紋模塊的核心處理單元是 TI 公司推出的高性能數(shù)字信號處理器TMS20VC5501 片具有精度高、低功耗、靈活性大、可靠性高、時分復(fù)用等特點。 19 芯片提供 2 個乘法累加單元（ MAC），每一個在一個指令周期內(nèi)可執(zhí)行1717bit 的乘法運算。 5501 由業(yè)界獲獎的 eXpressDSP， Code Composer Studio 的綜合開發(fā)環(huán)境（ IDE）， DSP / BIOS，德州儀器的算法標(biāo)準(zhǔn) 提供支持 。 指紋模塊與單片機(jī)接口框架如圖 12 所示： 圖 12 TMS320VC5501 芯片與 AT89S52 單片機(jī)接口框圖 RXD TXD TX RX AT89S52 指紋模塊 GND GND 20 4. 軟件系統(tǒng)設(shè)計 . TFSM51 指紋識別模塊指令系統(tǒng) . 通信方式 DSP 模塊作為從設(shè)備，由主設(shè)備發(fā)送相關(guān)命令對其進(jìn)行控制。 (8) 設(shè)置 /讀取指紋采集等待超時（命令 /應(yīng)答均為 8 字節(jié)） 表 12 設(shè)置 /讀取指紋采集等待超時 指令格式 字節(jié) 1 2 3 4 5 6 7 8 命令 0xF5 0x2E 0 Byte=0：新超時時間 Byte=1:0 0：設(shè)置新的超時時間 1：讀取當(dāng)前超時時間 0 CHK 0xF5 應(yīng)答 0xF5 0x2E 0 當(dāng)前超時時間 ACK_SUCCESS ACK_FAIL 0 CHK 0xF5 說明： 指紋等待超時時間（ tout）范圍為 0255。 表 13 按鍵功能 按鍵 1 2 3 4 5 6 7 8 功能 休眠 添加用戶 刪除指定用戶 刪除所有用戶 驗證用戶 上翻 下翻 權(quán)限管理 鍵 掃流程圖如下： 圖 13 鍵掃流程圖 程序設(shè)計見附錄 F。 當(dāng)添加用戶信息時，通過按鍵 2 操作，添加指示燈點亮，單片機(jī)向 DSP 芯開始 IT0=1，選擇 INT0 為脈沖觸發(fā)觸發(fā)方式下降沿有效； EX0=1， EA=1 KEY_value=0xff 賦初始鍵值，關(guān)系統(tǒng)中斷 讀取 P1口狀態(tài)，給KEY_value，消抖，判斷是否有效 等待按鍵釋放，消抖 判按鍵，轉(zhuǎn)到相應(yīng)子程序 返回 N Y 25 片發(fā)出命令， 指紋傳感器 獲取 指紋 圖像 ， 其后 DSP 以 固化程序執(zhí)行圖像處理相關(guān)計算 并將處理后的值存入緩存區(qū)，若第一次添加成功，則指紋采集儀指示燈再次點亮， DSP 合并處理兩次信息成功后，通過串口向單片機(jī)發(fā)送應(yīng)答信號，此時確認(rèn)指示燈點亮，表示 此用戶信息添加成功。此操作需要在添加用初始化串口 讀取最后用戶編號，并加 1 若 TL=FF，則 TL=00， TH=TH+1 否則 TL=TL+1， TH 不變 設(shè)置權(quán)限等級，按鍵 2 發(fā)送CMD=0x01 指令，指示燈 2 亮 讀取失敗，返回 Q3=FAIL 應(yīng)答 操作失敗指示燈亮 第一次采集圖像 采集失敗 若返回 Q3=FAIL，顯示： FAIL 若返回 Q3=FULL，顯示： FULL 若返回 Q3=TIMEOUT，顯示： OU 操作失敗指示燈亮 采集成功 返回 Q3=SUCCESS 應(yīng)答 顯示：用戶 ID+AFFI 開始 返回 第一次采集成功，則進(jìn)行第二次采集 采集失敗 若返回 Q3=FAIL，顯示： FAIL 若返回 Q3=EXIST，顯示： EIS 若返回 Q3=TIMEOUT，顯示： OU 操作失敗指示燈亮 26 戶之前操作（因為協(xié)議未提供讀取用戶權(quán)限及修改命令），然后按下鍵 2 以確認(rèn)，隨后由指紋識別頭采集圖像。 刪除所有用戶時，以按鍵 4 執(zhí)行。 程序流程如圖 17 所示： 圖 17 認(rèn)證用戶流程圖 程序設(shè)計見附錄 F。 程序流程如圖 18 所示： 圖 18 LED 顯示流程圖 程序設(shè)計見附錄 F。 開始 檢測接收緩存是否有數(shù)據(jù) 繼續(xù)等待 判斷返回數(shù)據(jù)第四位 顯示相應(yīng)結(jié)果 N Y 返回 開始 串口初始化 檢測發(fā)送緩存是否有數(shù)據(jù) 繼續(xù)等待 向 DSP 發(fā)送 數(shù)據(jù) DSP 響應(yīng)并返回應(yīng)答 N Y 返回 30 5. 調(diào)試 . 單片機(jī)的程序 下載 程序存儲器的更新以頁的方式進(jìn)行。 通過電腦上的下載軟件將 *.HEX 文件傳輸?shù)?USB下載線板上的 ATmega8 芯片里，程序代碼在這里經(jīng)過處理后從固定的 I/O 管腳中輸出燒寫到單片機(jī)的 Flash 存儲器中。傳統(tǒng)方式串口程序的調(diào)試，往往是利用專用的單片機(jī)硬件仿真器。 利用 Keil 軟件 可以 仿真更多的單片機(jī)功能 ， 使用這種方法，無需任何硬件仿真器，甚至都不需要用戶電路板 ，可以 利用計算機(jī)的串口來模擬單片機(jī)的串口（這不同于很多軟件在仿真時使用的激勵文件方式，可以直接與其他串口進(jìn)行通信，更加方便