【正文】 s, to do an analysis of the fingerprint image segmentation algorithm and the fingerprint image thinning algorithm, including the microcontrollerbased fingerprint identification system . With the application of TFSM51 fingerprint module, I designed a based on the MCU, in order to form an independent fingerprint identification system. The means of munication between MCU and fingerprint module in the system is based on serial munication. MCU sends a corresponding instruction to the fingerprint DSP chip module through standalone keyboard keys, in order to execute the functions, such as Add User, Delete the Specified User, Delete All Users, Authenticated Users, and Manage User Permissions and so on. Key words: Biometric technology。 以往我們采用各種鑰匙來保護(hù)安全，如門鎖鑰匙，汽車鑰匙，保險(xiǎn)柜鑰匙等；在網(wǎng)絡(luò)化的社會(huì)中，每個(gè)人都擁有大量的認(rèn)證密碼，比如設(shè)備開機(jī)密碼、郵箱密碼、 銀行密碼、論壇登陸密碼等等，但這些都是傳統(tǒng)的安全系統(tǒng)所采用的方式，容易被遺忘、丟失，甚至是遭人破解，隨著社會(huì)的發(fā)展，其安全性越來越脆弱。人體指紋含有天然的密碼信息，它具有作為密碼信息必須具備的四個(gè)重要性質(zhì)： (1) 廣泛性，指每一個(gè)正常的人都有指紋。 (3) 終生不變性，即指紋的圖案永遠(yuǎn)不會(huì)改變，從人的出現(xiàn)到死后的分解為止（除非指紋受到傷害）。這就需要研究指紋識(shí)別環(huán)節(jié)中若干問題，以助問題的解決。因此，指紋識(shí)別技術(shù)的應(yīng)用范圍極廣。 圖 1 指紋識(shí)別流程圖 指紋匹配算法的性能主要取決于所提取到的 特征點(diǎn)的數(shù)目、位置和相互關(guān)系的可靠性。 指紋采集 指紋庫 輸出結(jié)果 指紋匹配 預(yù)處理 （極值濾波、一次平滑、銳化、二次平滑） 生成指紋圖像 二值化 細(xì)化 提取特征值 3 . 指紋識(shí)別技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 指紋識(shí)別算法的研究方向主要分為：基于圖像的識(shí)別算法和基于特征的識(shí)別算法。指紋特征的復(fù)雜度足以提供用于鑒別的足夠特征。 大多數(shù)基于特征的識(shí)別算法專注于脊線上的末梢點(diǎn)和分叉點(diǎn)，該方法根據(jù)各個(gè)特征點(diǎn)的位置和方向來表示和區(qū)分 指紋，從而使指紋識(shí)別問題轉(zhuǎn)化為判斷兩個(gè)特征點(diǎn)集間的最大相似度 (最大重合度 )的問題。另外，一些 公司和機(jī)構(gòu)結(jié)合社會(huì)應(yīng)用的實(shí)際需求，開發(fā)了各種類型的具有獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的嵌入式指紋識(shí)別模塊、指紋應(yīng)用系統(tǒng)軟件等，用戶反映良好。 4 . 系統(tǒng)概述 本 系統(tǒng) 主要 由 指紋識(shí)別模塊 、 單片機(jī)、電源、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、指示燈、按鍵和數(shù)碼顯示管等 構(gòu)成，在無需上位機(jī)參與管理的情況下， 構(gòu)成 具有指紋錄入、指紋對(duì)比、搜索和 管理 等功能的智能型模塊。 指紋分割的最基本的依據(jù)是圖像某些特征和特征集合。這里主要分析基于塊特征的圖像分割。一般來說，常見的方向場(chǎng)的計(jì)算分為掩模法和公式法兩大類。 6 . 均值方差法 在圖像分割概述中，已經(jīng)提到基于塊特征的指紋圖像分割。 然后，計(jì)算出每一塊的均值和方差。歸一化的目的是把不同原圖像的對(duì)比度和灰度調(diào)整到一個(gè)固定的級(jí)別上，為后續(xù)處理提供一個(gè)較為統(tǒng)一的圖像規(guī)格。 7 a 指紋原始圖片 b 歸一處理圖片 c 分割后圖像 圖 2 指紋圖像的歸一及分割處理結(jié)果 從圖中可以看到用方差均值法分割既適用于比較圓滑的指紋，又適用紋線變化很大的指紋圖像。灰度圖像二值化是將灰度圖變換為只有黑和白兩種灰度的圖像。 灰度圖二值化的基本思路是選取適當(dāng)?shù)幕叶乳撝?，將灰度圖像轉(zhuǎn)化為二值圖像。再根據(jù)前面判斷的是否為背景即 Icc 值的來修正：灰 度值為 128 且 Icc 為 1時(shí)（非背景指紋紋線時(shí)）， Icc 值為 0，像素值置為 0。這種修改是為了使圖像連續(xù)圓滑。獲取一個(gè)圖像骨架的過程通常稱為對(duì)圖像“細(xì)化”的過程。一種 好的細(xì)化算法應(yīng)該滿足下列條件： (1) 收斂性：迭代必須是收斂的。 (5) 細(xì)化性：骨架紋線的寬度為 1 個(gè)像素，即單像素寬。在串行細(xì)化算法中，當(dāng)前迭代的結(jié)果不僅取決于前一次的迭代圖像，而且與當(dāng)前處理情況有關(guān)；而在并行方式中，當(dāng)前迭代僅僅 是由前一次的迭代情況決定，串行細(xì)化算法的處理結(jié)果依賴于對(duì)像素處理的先后順序，因而像素點(diǎn)的消除或保留不可預(yù)測(cè)。模板分為保留模板和消除模板，消除模板就是根據(jù)條件判定這點(diǎn)去除作為背景的模板；保留模板則是根據(jù)條件判定這點(diǎn)保留作為前景的模板。所以在特征提出前還需稍加處理，細(xì)化好的模板選擇可以提高圖片的質(zhì)量和細(xì)化運(yùn)算的速度。一般說來，這種特征應(yīng)有以下性質(zhì)： 10 (1) 單一性：要求這種特征能夠充分體現(xiàn)指紋的唯一性。 對(duì)于特征點(diǎn)提取的常用算法很多，如： (1) 基于二值化的特征提取方法：這種算法對(duì)于預(yù)處理和增強(qiáng)后得指紋圖像進(jìn)行二值化，然后再提取特征點(diǎn)。 Galton 提出的指紋細(xì)節(jié)點(diǎn)是人工指紋匹配中最常用的特征。提取出的特征點(diǎn)還必須經(jīng)過偽特征點(diǎn)的去除，盡可能地去除掉由于二值化、細(xì)化處理等過程引入的偽特征點(diǎn)。 在提取指紋圖像的細(xì)節(jié)特征中，由于圖像質(zhì) 量和噪聲的干擾，存在大量的偽特征點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)表明一幅質(zhì)量較差的圖像在經(jīng)過預(yù)處理，細(xì)節(jié)特征提取后可能產(chǎn)生 11 多達(dá)一兩萬個(gè)細(xì)節(jié)特征點(diǎn)，其中包含了大量的偽特征點(diǎn)，這些偽特征點(diǎn)的存在，不但使匹配的速度大大降低，還使指紋識(shí)別性能急劇下降，造成識(shí)別系統(tǒng)的拒真率和誤識(shí)率的上升，因此在進(jìn)行指紋匹配之前，應(yīng)對(duì)細(xì)節(jié)特征進(jìn)行驗(yàn)證，盡可能將偽特征點(diǎn)去除，同時(shí)保留真特征點(diǎn)。指紋匹配是自動(dòng)指紋識(shí)別的最后一步，也是非常關(guān)鍵的一步。它利用脊線上的端點(diǎn)和分叉點(diǎn)這兩種關(guān)鍵點(diǎn)來鑒定指紋。該系統(tǒng)使用指紋模塊搜索手指，一旦搜索到手指，立即采集指紋圖像，并將采集到的圖像轉(zhuǎn)化成數(shù)據(jù)的形式發(fā)送出去。能進(jìn)行指紋的錄入，二次錄入無誤后，記錄該指紋數(shù)據(jù)。圖像采集完成后，與庫中已存在指紋進(jìn)行對(duì)比，與所有有權(quán)限用戶信息對(duì)比后，若無相符信息即提示報(bào)警。 (4) 操作顯示。綜合考慮系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性要求，以保證所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)達(dá)到預(yù)期的要求。然后，根據(jù)所得的數(shù)據(jù)對(duì)其它接口器件，如顯示屏、蜂鳴器、指示燈進(jìn)行響應(yīng)操作。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng)可編程 Flash，使得AT89S52 為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 AT89S52 單片機(jī) 數(shù)碼 顯示管 指紋模塊 獨(dú)立按鍵 指示燈 蜂鳴器 電源、時(shí)鐘電路 14 掉電保護(hù)方式下， RAM 內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。當(dāng)訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， P0 口也被作為低 8 位地址數(shù)據(jù)復(fù)用。 P1 口： P1 口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 IO 口， p1 輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) TTL 邏輯電平。 端口引腳第二功能： 15 T2（定時(shí)器計(jì)數(shù)器 T2 的外部計(jì)數(shù)輸入），時(shí)鐘輸出 T2EX（定時(shí)器計(jì)數(shù)器 T2 的捕捉重載觸發(fā)信號(hào)和方向控制） MOSI（在 系統(tǒng)編程 用） MISO（在系統(tǒng)編程用） SCK（在系統(tǒng)編程用） P2 口： P2 口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 IO 口， P2 輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) TTL 邏輯電平。在這種應(yīng)用中， P2 口使用很強(qiáng)的內(nèi)部上拉發(fā)送 1。對(duì) P3 端口寫 “1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。 端口引腳第二功能： RXD(串行輸入口 ) TXD(串行輸出口 ) INTO(外中斷 0) INT1(外中斷 1) TO(定時(shí)計(jì)數(shù)器 0) T1(定時(shí)計(jì)數(shù)器 1) WR(外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通 ) RD(外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通 ) 此外， P3 口還接收一些用于 FLASH 閃存 編程和程序校驗(yàn)的控制信號(hào)。一般情況下， ALE 仍以時(shí)鐘振蕩頻率的16 輸出固定的脈沖信號(hào)，因此它可對(duì)外輸出時(shí)鐘或用于定時(shí)目的。該位置 位后，只有一條 MOVX和 MOVC 指令才能將 ALE 激活。需注意的是：如果加密位 LB1被編程，復(fù)位 時(shí)內(nèi)部會(huì)鎖存 EA 端狀態(tài)。 XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。 17 圖 7 電源模塊電路 . 時(shí)鐘模塊 時(shí)鐘電路用來產(chǎn)生單片機(jī)工作所需要的時(shí)鐘信號(hào)，單片機(jī)本身就是一個(gè)復(fù)雜的同步時(shí)序電路，為了保證同步工作方式的實(shí)現(xiàn)，電路應(yīng)在唯一的時(shí)鐘信號(hào)控制下嚴(yán)格地按時(shí)序進(jìn)行工作。按其結(jié)構(gòu)形式可分為非編碼鍵盤和編碼鍵盤。非編碼鍵盤僅提供按鍵開關(guān)工作狀態(tài)，其鍵碼由軟件確定，這種鍵盤鍵數(shù)較少，硬件簡(jiǎn)單，廣泛應(yīng)用于各種單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)， 在單片機(jī)控制電路中，可把單片機(jī)使用的鍵盤分為獨(dú)立式和矩陣式兩種。 圖 9 按鍵模塊電路 . 顯示模塊 采用八位共陽數(shù)碼管，顯示原理跟單個(gè) LED 的顯示原理完全相同，在段控線和位控線都串接一個(gè)電阻，以提高其輸出功率，在這里采用 220 歐母電阻。 圖 11 復(fù)位模塊電路 . 下載口模塊 采用 RS232 接口 ，從 PC 機(jī)將程序下載至單片機(jī)芯片當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)編程實(shí)際應(yīng)用。 20 圖 12 下載口模塊 . 指紋模塊 . TFSM51 指紋識(shí)別模塊 TFSM51 指紋開發(fā)模塊是深圳市十指科技有限公司最新推出的，以 TI 公司的 TMS320VC5501 高速 DSP 處理器為核心，結(jié)合具有公司自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的商用指紋算法，光學(xué)指紋傳感器 ，具有指紋錄入、圖像處理、特征值提取、模板生成、模板儲(chǔ)存、指紋比對(duì)和搜索等功能的智能型模塊，并提供 UART 接口和通訊協(xié)議，方便進(jìn)行二次開發(fā)應(yīng)用 。 TMS20VC5501 具有先進(jìn)的多總線架構(gòu)，包括 1 程序存儲(chǔ)器總線， 3 獨(dú)立數(shù)據(jù)讀總線和 2 數(shù)據(jù)寫總線，以及額外的為外設(shè)和 DMA 活動(dòng)準(zhǔn)備的專用總線 。 此外，該芯片支持變量的字節(jié)寬度調(diào)整，以提高編碼密度。 5501 同樣支持 C55X DSP 的 庫文件 ， 該庫包括 50 多個(gè)基礎(chǔ)內(nèi)核（ FIR 濾波器， IIR 濾波器， FFT 運(yùn)算，以及各種數(shù)學(xué)函數(shù)）以及芯片和電路板支持庫 。 . 主要 通訊協(xié)議命令說明 (1) 添加指紋（命令應(yīng)答均為 8 字節(jié)） 為確保有效性，用戶必須錄入 3 次指紋，主機(jī)須向 DSP 模塊發(fā)送 3 次命令 。 注： T0 為采集處理一幅圖像所需的時(shí)間，一般為 。按下鍵 1 后，休眠指示燈點(diǎn)亮。第一次和第二次采集失敗均返回失敗響應(yīng)，其余應(yīng)答信號(hào)包括用戶已存在應(yīng)答以及超時(shí)應(yīng)答。 鍵 3 用于刪除指定用戶，首先以鍵 6 和鍵 7 上下調(diào)節(jié)以選定要操作的用戶，然后通過按鍵 3 確認(rèn)操作，并發(fā)送刪除當(dāng)前選定用戶指令。 程序流程如圖 16 所示： 開始 返回 按鍵 3 發(fā)送 CMD=0X04 指令 指示燈 3 亮，刪除指定用戶 調(diào)節(jié)用戶名 ID 返回 Q3= SUCCESS 應(yīng)答 顯示： ID+DELE 刪除失敗，返回 Q3= FAIL 應(yīng)答 操作失敗指示燈亮 33 圖 16 刪除所有用戶流程圖 程序設(shè)計(jì)見附錄 F。 注：相應(yīng)的點(diǎn)亮熄滅指令已經(jīng)包含在對(duì)應(yīng)的功能子程序當(dāng)中。當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到發(fā)送緩存有數(shù)據(jù)時(shí)，開始向 DSP 發(fā)送數(shù)據(jù)， DSP 收到命令后，進(jìn)行相應(yīng)操作響應(yīng)，隨后向單片機(jī)返回各種結(jié)果的應(yīng)答。 SPM 指令以一次一個(gè)字的方式將數(shù)據(jù)寫入臨時(shí)頁緩沖器。下載線采用 接口技術(shù)解決了筆記本不帶并口的遺憾，此外下載線下載程序速度快等優(yōu)點(diǎn)得到了眾 多編程愛好者的青睞而被廣泛使用 。 但是 很多仿真器不能做到完全硬件仿真，因而會(huì)造成仿真時(shí)正常，而實(shí)際運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤的情況；也有仿真不能通過，但實(shí)際運(yùn)行正常的情況。首先按上述方法設(shè)置晶振，編譯程序，執(zhí)行“開始停止調(diào)試”，打開軟件工具欄外圍設(shè)備里的串口調(diào)試窗口，如下圖所示： 圖 22 串口調(diào)試窗口 然后單步運(yùn)行程序，第一次運(yùn)行到 while(TI==0)語句時(shí)，可看到窗口 SBUF一欄中數(shù)據(jù)由 0x00 變?yōu)?0xF5，即表示此時(shí)發(fā)送了 8 字節(jié)數(shù)據(jù)中的第一字節(jié)。仿真電路如下： 圖 24 Proteus 仿真電路圖 執(zhí)行單步操作后，可得到波形圖和虛擬終端界面顯示數(shù)據(jù)分別如圖 2