【正文】 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。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、檢驗(yàn) ， 包括以案找人、以人查案、前科查詢、串并案件等功能 ， 基本上實(shí)現(xiàn)了原來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。 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。 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。 （ 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。 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 9 頁 共 52 頁 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)：將合法的用戶的指紋特征 (指紋模板 )存放在指紋庫中。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)過指紋特征提取算法得到指紋特征，將該特征與指紋庫中的指紋模板進(jìn)行匹配，根據(jù)匹配結(jié)果輸出 控制量或信號(hào)量。得到的指紋細(xì)節(jié)點(diǎn)信息與指紋庫中已有的用戶指紋模板進(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)別過程。系統(tǒng)學(xué)習(xí)模塊負(fù)責(zé) 用指紋采集儀 采集用戶指紋數(shù)據(jù)，對(duì)指紋圖像進(jìn)行預(yù)處理，提取這些指紋特征，作為將來的對(duì)比模板存人數(shù)據(jù)庫；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)是否來自同一個(gè)手指的指紋 ，得出結(jié)論。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為“節(jié)點(diǎn)”（ minutiae）的特征點(diǎn)，這些數(shù)據(jù) (通常稱為模板 )，保存為 1K 大小的記錄。指紋還具有終身基本不變的相對(duì)穩(wěn)定性。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。一般不低于 256dpi，要求較高的場(chǎng)合通常不低于 500dpi。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。 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，開始出現(xiàn)光學(xué)的指紋采集儀。由于半導(dǎo)體傳感器具有明顯的綜合優(yōu)勢(shì)，所以迅速成為指紋識(shí)別市場(chǎng)的主流產(chǎn)品，市場(chǎng)占有率也越來越高。 近幾年又出現(xiàn)了很多新的光學(xué)傳感器技術(shù)，例如使用纖維光來捕捉指紋圖像。 半導(dǎo)體傳感器的最大優(yōu)勢(shì)就是成本低、體積小。市場(chǎng)上已經(jīng)開始出現(xiàn)了真皮指紋傳感器，它采集的不是表面的指紋信息，而是指紋表皮下的真中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 12 頁 共 52 頁 皮信息，可以有效地 克服指紋圖像采集較差的問題。但在寒冷的地區(qū)，則不需用 (除非太冷或出現(xiàn)有結(jié)冰 )。此外，它還能處理不規(guī)則的紋路結(jié)構(gòu)，也不存在老化的問題。另外，其造價(jià)較高，大約是光學(xué)系統(tǒng)的 2～ 3 倍。紅外線傳感器測(cè)量有靈敏度高、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。所謂“離線式”就是指在指紋采集時(shí)，利用某些中間介質(zhì)（如油墨和紙張）來獲取指紋圖像，在通過一定的技術(shù)手段將圖像數(shù)字化輸入計(jì)算機(jī)，它屬于非實(shí)時(shí)采集。 （ 1）指紋圖像采集面積?。?指紋圖像采集過程中，手指按得輕或者太偏會(huì)造成采集的指紋面積太小，從指紋上提取 的指紋信息就少，指紋信息較少很容易造成拒真的情況。 （ 4）指紋龜裂：由于季節(jié)的原因有時(shí)候指紋出現(xiàn)一些龜裂，在指紋采集的圖像上會(huì)顯示出縱橫交錯(cuò)的裂痕，有時(shí)這些裂痕又會(huì)消失。該指紋在計(jì)算紋線方向的時(shí)候誤差較大。 指紋的總體特征 總體特征是指那些用人眼直接就可以觀察到的特征， 包括基本紋路圖案：環(huán)型（ loop），弓型（ arch），螺旋型（ whorl）。按我國(guó)是指紋分析法，指紋分三大類型 如圖 ， 五 大種形態(tài)。按箕技的流向分 為 橈側(cè)箕形紋（反箕）和尺側(cè)箕形紋（正箕）兩種。分為環(huán)形、螺形、囊形、雙箕形、雜形五種。 （ 4） 弧形紋：是 由 平緩 或略微突起的弧形線組成的一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的花紋形式。兩枚指紋經(jīng)常會(huì)具有相同的總體特征，但它們的局部特征 — 特征點(diǎn)，卻不可能完全相同。特征點(diǎn)的分類有以下幾種 如圖 ,最典型的是 端 點(diǎn)和分叉點(diǎn)。所謂指紋識(shí)別算法的精確度是指其識(shí)別與提取的特征數(shù)量與準(zhǔn)確率及進(jìn)行特征匹配時(shí)的準(zhǔn)確率。其定義為： FRR=錯(cuò)判的指紋數(shù)目 /考察的指紋總數(shù)目 100%。 （ 3）速度 ： 指紋識(shí)別系統(tǒng)的工作速度主要由采集時(shí)間、圖像處理時(shí)間、比對(duì)時(shí)間和平均識(shí)別速度幾項(xiàng)指標(biāo)構(gòu)成。 （ 6）比對(duì)效率 :即在建檔后 ,直接比對(duì)一對(duì)指紋特征 (不進(jìn)行圖像處理和特征提取 )所用的時(shí)間 ,一般用每秒鐘比對(duì)的次數(shù)來表示 ,當(dāng)然越多越好。 DSP 芯片的選擇 DSP 芯片 [9]發(fā)展簡(jiǎn)況 。 隨著 DSP 芯片應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大 ,DSP 芯片已形成低、中、高三種檔次 :低端產(chǎn)品執(zhí)行速度一般為 20～ 50MIPS,能維持適量存儲(chǔ)和功耗 ,提供了較好 的性能價(jià)格比 ,適用于儀器儀表和精密控制等，中端產(chǎn)品執(zhí)行速度一般為 100～ 150MIPS,結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，具有較高的處理速度和低的功耗，適用于無線電信設(shè)備和高速解調(diào)器等。 指紋算法通常 比較復(fù)雜，對(duì)硬件系統(tǒng)的要求比較高。 TMS320VC5402 芯片 [10][11]具有優(yōu)化的 CPU 結(jié)構(gòu)，內(nèi)部有 1 個(gè) 40 位的算術(shù)邏輯單元 （ 包括一個(gè) 40 位的桶式移位寄存器和兩個(gè)獨(dú)立的 40 位累加器 ） ，一個(gè) 17 17的乘法器和一個(gè) 40 位專用加法器， 16K 16bit 的 RAM 空間和 4K 16bit 的 ROM空 間， 共 20 根地址線，可尋址 64K 16bit 數(shù)據(jù)區(qū)和 1M 16bit 程序區(qū)，具有 64K I/0 空間， 處理速度為 100MIPS，速度高、功耗低。 DSP 芯片內(nèi)部一般采用哈佛 (Harvard)結(jié)構(gòu) ，三條 16 位數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器總線和一條程序存儲(chǔ)器總線 。而 DSP芯片的指令基本上都是單周期指令 ,因此單周期指令執(zhí)行時(shí)間可以作為衡量 DSP芯片性能的一個(gè)主要指標(biāo)。可能包括的外設(shè)有 :多路 DMA 通道、外部主機(jī)接口、外部存儲(chǔ)器接口、芯片間高速鏈接口、外部中斷、通信串口、定時(shí)器、可編程鎖相環(huán)、 A/D轉(zhuǎn)換器、 JTAG接口等。 （ 7） 程序的加載引導(dǎo)：加載引導(dǎo)是指器件在上電復(fù)位后執(zhí)行一段引導(dǎo)程序 ,用于從端口 (異步串口、 I/O 口、主機(jī)接口 )或外部 EPROM/FLASH 存儲(chǔ)器中加載程序至高速 RAM 中運(yùn)行。 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 19 頁 共 52 頁 3 指紋識(shí)別算法研究 指紋識(shí)別算法 [12][13][14][15]是指紋識(shí)別的核心技術(shù)，本系統(tǒng)的指紋識(shí)別算法流程圖，如圖 所示 ， 先經(jīng)過圖像分割、濾波增強(qiáng) （ 包括規(guī)格化、計(jì)算方向圖和方向?yàn)V波 ） 、二值化、細(xì)化這幾個(gè)指紋圖像預(yù)處理后，再進(jìn)行特征提取和特征匹配 ， 最后輸出結(jié)果。 指紋識(shí)別算法流程圖 指紋圖像分割 圖像 分割主要是將指紋圖像的前景區(qū)域和背景區(qū)域分割開來。圖像特征是指紋圖像的固有屬性 ， 如灰度值 ， 鄰域關(guān)系 ， 紋線的扭 曲程度等。圖像預(yù)處理 特征 提取 特征 匹配 指 紋 數(shù)據(jù)庫 獲取 指紋 輸出 結(jié)果 圖像 分割 濾波 增強(qiáng) 二值 化 細(xì)化 規(guī)格化 計(jì)算方向 圖 方向 濾波 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 20 頁 共 52 頁 因此根據(jù)以上的灰度值鄰域關(guān)系，紋線的扭曲程度，指紋圖像分割大致分為三類：基于像素的圖像分割，基于塊特征的圖像分割以及基于全局的圖像分割。 對(duì)于任意函數(shù) ? ? ? ?RL2?tf 的連續(xù)小波變換 ：公式（ ）為變換公式，公式（ ）為重構(gòu)公式。 另一種 閾值分割就是簡(jiǎn)單地用一個(gè)或幾個(gè)閾值將圖像的灰度直方圖分成幾個(gè)類，認(rèn)為圖像中灰度在同一個(gè)灰度類內(nèi)的像素屬同一物體 。其優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算簡(jiǎn)單， 僅需比較灰度值即可； 運(yùn)算效率較高，速度快； 它的 缺陷在于僅考慮圖像的灰度信息，而忽略了圖像的空 間信息，對(duì)于圖像中不存在明顯灰度差異或各物體的灰度值范圍有較大重 疊的圖像分割問題難以得到準(zhǔn)確的結(jié)果 。 一般來中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 21 頁 共 52 頁 說，常見的方向場(chǎng)的計(jì)算分為掩模法和公式法兩大類 。此方法的實(shí)現(xiàn)是利用方向?yàn)V波器。 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。 設(shè)指紋圖像 I的大小為 HL， I(i,j)為像素點(diǎn) (i,j)的灰度， AVE和 VAR分別為原指 圖像的均值和方差， AVE和 VAR可以通過公式 ()和 ()計(jì)算得到。指紋圖像的歸一化公式如式 ()所示，當(dāng)大于平均值時(shí)為加。 指紋圖像獲取時(shí)，由于噪音及壓力不同 的影響，將會(huì)導(dǎo)致兩種破壞紋線的情況：斷裂及叉連。 圖像規(guī)格化 規(guī)格化即是把指紋圖像的對(duì)比度和灰度都調(diào)整到一個(gè)固定的級(jí)別上，為后續(xù)處理提供統(tǒng)一的規(guī)格。這部分工作主要通過統(tǒng)計(jì)圖像中各點(diǎn)像素值得到該圖像的直方圖，然后利用直方圖來計(jì)算指紋圖像的相關(guān)指標(biāo)。我們?cè)O(shè)定 8 個(gè)方向，如圖 所示，各方向之間夾角為 8? 。若取值過大，則在紋線曲率較大的區(qū)域窗口內(nèi)紋線方向不一致，會(huì)對(duì)以后的濾波操作造成不良影響。d41),(),(8,21),(),(kkkkdkkkdkdjifjifSKdjifjifS ， （ ） 其中 d 代表與 39。 的灰度值。當(dāng)d=1， 2， … ， 8 時(shí)分別求出39。將方向圖中各象素點(diǎn)的方向值乘以 30，并作為該點(diǎn)的灰度值。平滑也是在窗口中進(jìn)行的，窗口中心像點(diǎn)上的平滑結(jié)果由窗口中各象素點(diǎn)方向值及其分布確定。一般情況下處理圖像只需一個(gè)濾波器，而方向?yàn)V波器是一系列與象素點(diǎn)方向有關(guān)的濾波器，使用時(shí)根據(jù)某一塊區(qū)域的方向特征，從一系列濾波器中選擇一個(gè)相 應(yīng)的濾波器來對(duì) 這一塊進(jìn)行濾波。 z/3y/33/3/3/3/3/zxuxy 3/23/23/23/23/23/23/2zyxuxyx?? zyxuxyz?? zyxuxyz?? zyxuxyz?? 3/23/23/23/23/23/23/2zyxuxyx?? 3/3/3/3/3/3/3/zyxuxyz?? 圖 水平方向?yàn)V波器 77 各系數(shù)之間有關(guān)系： uxy=0， z0 和 u+2x+2y2z=0。根據(jù)本文所設(shè)計(jì)濾波器的特點(diǎn)，如果指紋中出現(xiàn)斷點(diǎn)，即這一點(diǎn)的灰度值比周圍點(diǎn)小得多，經(jīng)過濾波器的處理后就接近周圍點(diǎn)的中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 26 頁 共 52 頁 灰 度值了；如果指紋中出現(xiàn)叉 連點(diǎn)把相鄰的兩條脊線連接起來，則其上下兩行的灰度值較大，而其同一 行上鄰點(diǎn)的灰度值較小，經(jīng)過濾波后叉連點(diǎn)的灰度值會(huì)明顯降低。i ， 39。ji （ ） 其中 8/)( Id ??? 為濾波器旋轉(zhuǎn)的角度， d 為方向代碼 (2～ 8)。 ),( ji 經(jīng)常不是整數(shù)值，此時(shí)該點(diǎn)上的系數(shù)需要用其周圍點(diǎn)的系數(shù)進(jìn)行內(nèi)插得到。濾波時(shí)，在指紋圖上，從上到下，從左到右，逐點(diǎn)移動(dòng)，根據(jù)每一個(gè)象素的方向值，選用相應(yīng)的濾波器模板進(jìn)行卷積濾波運(yùn)算： ),(),(),(39?；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，一般的圖像處