【正文】 的不成熟，目前的指紋識(shí)別設(shè)備從各方面來看并不成熟。（5） 沒有國際標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn)來檢測(cè)各廠商的指紋產(chǎn)品，產(chǎn)品性能良莠不齊,并且各廠商的指紋產(chǎn)品基本不兼容，阻礙了指紋的推廣。利用新型傳感器采集高質(zhì)量的指紋圖像，指紋識(shí)別技術(shù)的逐漸成熟，可靠的比對(duì)算法的發(fā)現(xiàn)都將為指紋識(shí)別技術(shù)提供更廣闊的舞臺(tái)。隨著第二代居民身份證件中采用指紋技術(shù)，公眾會(huì)逐步接受和使用指紋。數(shù)據(jù)保存和網(wǎng)絡(luò)傳輸加密，只有指定的人才可能解開加密數(shù)據(jù)，指紋技術(shù)將廣泛服務(wù)公眾社會(huì)。研究發(fā)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理器對(duì)指紋傳感器MBF200的控制是一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。如果這兩步?jīng)]有處理好，就難以做到對(duì)指紋圖像的進(jìn)一步處理。為此，確定本次課題研究的主要內(nèi)容如下:（1） 指紋采集技術(shù)和指紋傳感器MBF200的研究使用；（2） DSP芯片TMS320VC5509A和CCS開發(fā)工具的研究使用；（3） 編寫指紋采集軟件，選擇合適的環(huán)境參數(shù)，獲取正確的指紋數(shù)據(jù)；（4） 對(duì)指紋預(yù)處理算法進(jìn)行多方面研究，選擇合理預(yù)處理算法，給出算法的原理、方法和步驟。本課題研究的主要方法是以指紋傳感器MBF200為采集頭，以DSP為控制和計(jì)算核心。第2章 系統(tǒng)概述 自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)AFIS主要由采集、處理和顯示三個(gè)模塊組成。指紋識(shí)別系統(tǒng)由離線和在線兩個(gè)部分組成，主要涉及指紋圖像采集、圖像預(yù)處理、特征提取、特征匹配和結(jié)果顯示等過程。在系統(tǒng)的在線部分，用指紋采集設(shè)備實(shí)時(shí)采集指紋，進(jìn)行預(yù)處理和提取特征點(diǎn)，然后將這些特征點(diǎn)與保存在模板庫中的特征點(diǎn)進(jìn)行匹配，判斷輸入特征點(diǎn)與模板特征點(diǎn)是否來自同一個(gè)手指的指紋。圖22 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案流程圖系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)以TI（Texas Instruments 德州儀器）公司的數(shù)字信號(hào)處理器TMS320VC5509A為主處理芯片，以MBF200為指紋采集芯片，利用XILINX公司的XC9572XL作為邏輯控制芯片。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案如下圖23所示。指紋采集部分的關(guān)鍵是對(duì)指紋傳感器的功能寄存器操作以及采集參數(shù)的調(diào)整，合理設(shè)置參數(shù)可得到效果很好的指紋圖像。指紋采集模塊由邏輯控制芯片XC9572XL和指紋傳感器MBF200為核心部件構(gòu)成。指紋采集系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如下圖31所示。 指紋擴(kuò)展模塊與DSP接口指紋擴(kuò)展模塊與DSP的接口電路十分關(guān)鍵，只有正確的與DSP連接才能保證采集得到的指紋數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。設(shè)計(jì)中用到了P3和P4口，這兩個(gè)總線接口各引腳的功能定義分別見附錄1和附錄2。當(dāng)手指觸摸傳感器表面時(shí)，指紋的高低不平就會(huì)在傳感器陣列上產(chǎn)生變化的電容，從而引起二維陣列上電壓的變化，并形成指紋傳感圖像。另外，多頻振蕩電路用于為芯片提供時(shí)鐘信號(hào)。由于列地址的最大值為256，所以只有一個(gè)列開始寄存器CAL， 和一個(gè)列結(jié)束寄存器CEL。MBF200共有19個(gè)寄存器。AINSEL位選定了A/D轉(zhuǎn)換器的來源。（5） 當(dāng)向CTRLA中寫“0”時(shí)，除了會(huì)清除AINSEL之外，并不會(huì)使MBF200放 棄當(dāng)前的圖像。控制寄存器A、B的各位含義如表32所列。在微處理器接口模式中，可將MFB200與DSP相連，且其接口形式非常簡(jiǎn)單。USB接口有兩種模式：一種是用芯片內(nèi)部的ROM來存儲(chǔ)設(shè)備信息，一種是用外部串行ROM來存儲(chǔ)設(shè)備信息。指紋傳感器通過目錄地址表去選擇它的功能寄存器。芯片有四個(gè)控制輸入引腳：、和CS1。它是TMS320VC5509的改進(jìn)版本。由于總線工作是獨(dú)立的，所以可以同時(shí)訪問程序和數(shù)據(jù)空間。此單元接收程序代碼并放入指令緩沖隊(duì)列，由指令譯碼器解釋指令，然后再把指令流傳給其他的P單元、A單元和D單元來執(zhí)行這些指令。此單元產(chǎn)生讀/寫數(shù)據(jù)空間地址，并發(fā)送到BAB、CAB和DAB總線上。DSP易于滿足圖像處理中運(yùn)算量大、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、數(shù)據(jù)傳輸速率高等要求，兼之計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的多媒體交互能力，因此DSP被廣泛地應(yīng)用于圖像處理領(lǐng)域中。由于DSP的速度較快，要求譯碼的速度也必須較快，利用小規(guī)模邏輯器件譯碼的方式，已不能滿足DSP系統(tǒng)的要求。該邏輯控制芯片在系統(tǒng)中的作用如下：（1） 完成對(duì)訪問地址的解碼，產(chǎn)生片選信號(hào)、地址信號(hào)。第4章 指紋采集和預(yù)處理軟件設(shè)計(jì)本章詳細(xì)介紹了指紋采集軟件和指紋圖像預(yù)處理軟件的設(shè)計(jì)。它提供一整套的程序編制、維護(hù)、編譯和調(diào)試環(huán)境，CCS支持標(biāo)準(zhǔn)C語言編程，各種標(biāo)準(zhǔn)庫都可以使用。圖41 CCS開發(fā)界面CCS一般工作在兩種模式下：軟件仿真器和與硬件開發(fā)板相結(jié)合的在線編程。獲得高質(zhì)量的原始指紋圖像是進(jìn)行精確的指紋識(shí)別的前提和保證。 光學(xué)指紋采集技術(shù)光學(xué)指紋采集技術(shù)是最古老也是目前應(yīng)用最廣泛的指紋采集技術(shù)，光學(xué)指紋采集設(shè)備始于1971年，其原理是光的全反射。 其中硅電容指紋圖像傳感器這是最常見的半導(dǎo)體指紋傳感器，它通過電子度量來捕捉指紋。半導(dǎo)體指紋采集設(shè)備可以獲得相當(dāng)精確的指紋圖像，分辨率可高達(dá)600dpi，并且指紋采集時(shí)不需要像光學(xué)采集設(shè)備那樣，要求有較大面積的采集頭。超聲波指紋取像的原理是：當(dāng)超聲波掃描指紋的表面，緊接著接收設(shè)備獲取的其反射信號(hào)，由于指紋的脊和谷的聲阻抗的不同，導(dǎo)致反射回接收器的超聲波的能量不同，測(cè)量超聲波能量大小，進(jìn)而獲得指紋灰度圖像。由表可見，硅半導(dǎo)體指紋傳感器有許多無可替代優(yōu)點(diǎn)，它將是指紋傳感器應(yīng)用的主流。初始化DSP主要包括以下幾個(gè)方面：DSP 主頻、擴(kuò)展存儲(chǔ)器EMIF 接口和定時(shí)器等，初始化程序見附錄3。 void FPSensorlnit() {FPWriteReg(CTRLA,0x00)。 //設(shè)置放電參數(shù)FPWriteReg (FP_ISR, 0x03)。主要是對(duì)控制寄存器B（CTRLB）的參數(shù)設(shè)置，即設(shè)置CTRLB的使能位。void FPLowPower (void){FPWriteReg (FP_CTRLB, (FPReadReg(FP_CTRLB)amp。void FPWriteReg(uint8 REG,uint8 DATA){ FPWriteIndexReg (REG)。uint8 FPReadReg(uint8 REG){FPWritelndexReg (REG)。 FPWriteReg (FP_DCR, discharge_current)。指紋圖像行獲取流程如圖42所示。 //set LSB of row addressFPWriteReg(FP_CTRLA, FP_GET_ROW)。 i++) //loop for 256 pixels in row{data[i]=FPReadReg(FPes CTRLA)。圖43 指紋全圖像數(shù)據(jù)的獲取流程圖 全圖獲取部分代碼如下：void FPMCUGetWhole(FP_IMAGE data){ uintl6 i, j。 jFP_MAX_ROW。 i++) //loop for 256 pixels in row{ data[j] [i]=FPReadReg(FP_CTRLA)。每一列有兩個(gè)采樣保持電路，每次捕獲一行指紋圖像數(shù)據(jù)。放電階段結(jié)束后，可由一個(gè)內(nèi)部信號(hào)使能另一個(gè)采樣保持電路去采樣電容單元的最后電壓，充電電壓與放電電壓之差就是所要測(cè)量的有用傳感信號(hào)電壓。取指紋圖像程序流程如下圖45所示。消除圖像噪聲的工作稱之為圖像平滑或?yàn)V波。所謂的圖像頻譜變換則是將圖像從空間域進(jìn)行傅立葉變換于頻譜域，檢測(cè)和研究圖像頻譜域特性，并進(jìn)行濾波處理，最終將處理的頻譜經(jīng)傅立葉逆變換恢復(fù)圖像于空間域。對(duì)于中值濾波，窗口中心點(diǎn)所對(duì)應(yīng)像素的灰度值用窗口內(nèi)所對(duì)應(yīng)像素的中間值代替。在上按行（或列）對(duì)每個(gè)像素選取一定尺寸的鄰域，并用鄰域中鄰近像素的平均灰度來置換這一像素值，對(duì)全部像素處理后可獲得。如果是噪聲點(diǎn)，其鄰近像素灰度與之相差很大，一旦用簡(jiǎn)單鄰域平均法，即鄰近像素的平均值來置換它，能明顯的將噪聲點(diǎn)抑制下去，使鄰域中灰度接近均勻，起到平滑灰度的作用。2維中值濾波算法是：對(duì)于一幅圖像的像素矩陣，取以目標(biāo)像素為中心的一個(gè)子矩陣窗口，這個(gè)窗口可以是33 ，55 等根據(jù)需要選取，設(shè)計(jì)中選擇33窗口，對(duì)窗口內(nèi)的像素灰度排序，取中間一個(gè)值作為目標(biāo)像素的新灰度值。圖47 均值濾波流程圖 中值濾波程序流程中值濾波程序流圖如下圖48所示。但要注意，能夠進(jìn)行銳化處理的圖像必須有較高的信噪比，否則銳化后圖像信噪比反而更低，從而使噪聲的增加比信號(hào)還要多，因此一般是先除去或減輕噪聲后再進(jìn)行銳化處理。設(shè)為拉普拉斯算子，則 （42）對(duì)于離散數(shù)字圖像，其一階偏導(dǎo)數(shù)為； （43）則二階偏導(dǎo)數(shù)為： （44）所以，拉普拉斯算子為： （45）對(duì)于擴(kuò)散現(xiàn)象引起的圖像模糊，可以用下式來進(jìn)行銳化： （46）這里是與擴(kuò)散效應(yīng)有關(guān)的系數(shù)。二值化是數(shù)字圖像處理中一項(xiàng)最基本的變換方法，將目標(biāo)圖像從背景分離出來便于以后的研究分析。我們知道，一幅圖像包括目標(biāo)物體、背景還有噪聲。閾值化的變換函數(shù)表達(dá)式如下： （48）其中T為指定的閾值，閾值T就像個(gè)門檻，比它大就是白，比它小就是黑。迭代閾值法[10]能自動(dòng)計(jì)算最佳閾值，而不是人為規(guī)定，采用此法得到的二值圖像相對(duì)更為理想，迭代法基于逼近的思想，其步驟如下：（1） 求出圖像的最大灰度值和最小灰度值，分別記為Max和Min，令初始閾值 T=(Max+Min)/2；（2） 根據(jù)閾值T將圖像分割為前景和背景，求出兩者的平均灰度值M1和M2；（3） 求出新閾值iT=( M1+ M2)/2；（4） 若T=iT，則所得即為閾值；否則轉(zhuǎn)2，迭代計(jì)算；（5） 根據(jù)最佳閾值iT將圖像二值化。圖411 迭代閾值法二值化程序流程圖 細(xì)化處理由于我們所關(guān)心的不是紋線的粗細(xì)，而是紋線的有無。如干涉條紋圖像，由于條紋粗、寬二邊緣彌散，不細(xì)化成線狀就沒有辦法去精確地取數(shù)計(jì)算它。因而應(yīng)先將指紋脊線的寬度采用逐漸剝離的方法，使得脊線成為只有一個(gè)像素寬的細(xì)線，這將非常有利于下一步的分析，這個(gè)過程叫細(xì)化。骨架形狀描述的方法是Blum最先提出來的，他使用的是中軸的概念。細(xì)化的數(shù)學(xué)表達(dá)式： （49）式中表示擊中擊不中變換，S是二值圖像進(jìn)行細(xì)化后的像素集合，B表示用來進(jìn)行細(xì)化運(yùn)算的結(jié)構(gòu)元素，結(jié)構(gòu)元素內(nèi)的每一個(gè)元素取值為0或1，它可以組成任何一種形狀的圖形，在圖形中有一個(gè)中心點(diǎn)；X表示原圖像經(jīng)過二值化后的像素集合。下面舉例說明如何判斷細(xì)化處理過程中滿足以上兩個(gè)條件。表42 55的鄰域S模板S[0][0]S[0][1]S[0][2]S[0][3]S[0][4]S[1][0]S[1][1]S[1][2]S[1][3]S[1][4]S[2][0]S[2][1]S[2][2]S[2][3]S[2][4]S[3][0]S[3][1]S[3][2]S[3][3]S[3][4]S[4][0]S[4][1]S[4][2]S[4][3]S[4][4]N（S[2][2]）表示以S[2][2]為中心的33鄰域內(nèi)目標(biāo)像素（即黑點(diǎn)）的個(gè)數(shù)。由此總結(jié)出4個(gè)條件來判斷像素點(diǎn)是否可以刪除，當(dāng)像素點(diǎn)同時(shí)滿足這4個(gè)條件時(shí)，這個(gè)點(diǎn)就可以刪除。 細(xì)化實(shí)現(xiàn)流程細(xì)化程序流程如圖414所示。決大多數(shù)AFIS的指紋比對(duì)是以細(xì)節(jié)特征為基礎(chǔ)進(jìn)行匹配的，因而細(xì)節(jié)特征的檢測(cè)和提取是極為重要的。每一個(gè)細(xì)節(jié)特征點(diǎn)的方向可以通過方向圖中對(duì)應(yīng)的位方向值得到。將邊緣處的一些特征點(diǎn)及一些空洞和毛刺去除：計(jì)算已經(jīng)選定的可能特征點(diǎn)與邊緣的距離，當(dāng)小于門限值的時(shí)候，認(rèn)為該點(diǎn)不可靠，將其去除。因此在常用的指紋識(shí)別系統(tǒng)中，往往要對(duì)提取后的指紋特征數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪x取。特征點(diǎn)選取的原則和方案有多種，較多的做法是以指紋的中心點(diǎn)為圓心，沒有中心的指紋則以三角點(diǎn)為圓心，完全沒有奇異點(diǎn)的指紋則以該指紋圖像的幾何中心點(diǎn)為圓心，由近及遠(yuǎn)地選取。對(duì)于待匹配的指紋圖像，經(jīng)預(yù)處理和特征提取后，形成一個(gè)坐標(biāo)鏈碼記錄，根據(jù)這些特征點(diǎn)的位置關(guān)系與指紋數(shù)據(jù)庫中的樣本作圖形匹配，得到最終的識(shí)別結(jié)果。 硬件調(diào)試方法在進(jìn)行硬件調(diào)試的時(shí)候，主要的方法和步驟如下：首先，連接指紋擴(kuò)展模塊和DSP系統(tǒng)，尤其需要注意的是擴(kuò)展口P3和P4的連接，如果與P1和P2誤接或者將P3和P4顛倒，將不能準(zhǔn)確運(yùn)行采集系統(tǒng)，并有可能損壞器件造成損失。CCS有十分強(qiáng)大的軟件開發(fā)和圖形顯示功能，設(shè)計(jì)中通過設(shè)置Image菜單的相關(guān)選項(xiàng)就可以查看和比較處理前后的指紋圖像。通過設(shè)置指紋傳感器MBF200的功能寄存器參數(shù)得到一幅較清晰的指紋圖像，然后保存采集得到的原始指紋圖像數(shù)據(jù)。當(dāng)軟件仿真中各個(gè)預(yù)處理算法通過之后，對(duì)各個(gè)處理算法進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試，最后采用硬件仿真即可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)指紋的采集與處理。圖 51 Image菜單如圖51所示，其中0x200000為存放指紋圖像的緩沖區(qū)指針，300和256表示指紋圖像為300行，每行256像素。文獻(xiàn)[13]中提出了利用DSP的