【正文】 身份證和鑰匙等；而基于知識(shí)的方法使用 “所知 ”鑒別個(gè)人身份，待鑒別者通過(guò)私有的知識(shí)和信息來(lái)證明自己的身份，如密碼和口令等。據(jù)報(bào)道，由于傳統(tǒng)身份識(shí)別的缺陷，每年全球至少有 5 億美元的信用卡、 10 億美元的移動(dòng)電話和 30 億美元的取款機(jī)被盜。 關(guān)鍵詞 ： 滑動(dòng) 式指紋傳感器，圖像重組， DSP，指紋識(shí)別 I 英文摘要 Abstract With the development of the information technology, more and more people e to the problem of identification. Biometric identification technology is now introduced into the identification domain。性能卓越的嵌入式處理器構(gòu)建的指紋識(shí)別系統(tǒng)，不僅降低了系統(tǒng)成本，而且大大提高 了系統(tǒng)性能。由于指紋的唯一性和不變性，以及指紋識(shí)別技術(shù)的可行性和實(shí)用性，指紋識(shí)別技術(shù)已成為當(dāng)前最流行、最方便的身份認(rèn)證技術(shù)之一。本人授權(quán) 大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)的成果作品。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過(guò)的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過(guò)的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說(shuō)明并表示謝意。據(jù)我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的研究成果，也 不包含為獲得電子科技大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書(shū)而使用過(guò)的材料。 （保密的學(xué)位論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定） 簽名： 導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日 摘 要 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說(shuō)明 原創(chuàng)性聲明 本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是我個(gè)人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。 作者簽名： 日 期： 2 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。 作者簽名： 日期： 年 月 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū) 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。 為確保身份鑒別的精確性、可靠性和安全性，生物特征識(shí)別技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。近年來(lái)，隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展，指紋識(shí)別技術(shù)的研究再次掀起高潮。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)的運(yùn)行速度和識(shí)別準(zhǔn)確率都達(dá)到了 理想的效果 ，并 在 20xx年浙江省高考閱卷浙江工業(yè)大學(xué)閱卷點(diǎn)安保工作中 成功 應(yīng)用?；跇?biāo)識(shí)的傳統(tǒng)身份認(rèn)證技術(shù)由于受到證件偽造以及密碼破解等手段的威脅，逐漸表現(xiàn)得有些力不從心，隨之而來(lái)的利用身份欺騙而造成公司及個(gè)人的機(jī)密數(shù)據(jù)泄漏和利益受損的問(wèn)題也日益嚴(yán)重。現(xiàn)代身份鑒別技術(shù)不僅要求具有極 高的安全性和準(zhǔn)確性，鑒別過(guò)程自動(dòng)化、易于管理和以人為本也是它應(yīng)該具有的關(guān)鍵性特征。這些物或知識(shí)與人本身 沒(méi)有本質(zhì)的聯(lián)系，一定條件下，有可能被別人獲取，因此實(shí)際使用時(shí)存在很大的安全漏洞，身份證等可能會(huì)被盜取、替換、丟失，密碼則易遺忘或被熟悉的人猜中，而且這些傳統(tǒng)的身份鑒別方法是無(wú)法區(qū)分授權(quán)人和冒名頂替者的。 生物特征分為兩類 :生理特征和行為特征。如果考慮到永久 性問(wèn)題的話，那么臉型、體型、筆跡、聲音等識(shí)別方式不是很理想的，因?yàn)檫@些生物特征都會(huì)隨著時(shí)間慢慢變化；如果考慮到硬件成本因素的話，虹膜和瞳孔識(shí)別也不是理想的選擇，因?yàn)楸孀R(shí)計(jì)算量太大，耗費(fèi)較多硬件資源，如果用在政府機(jī)構(gòu)還可以考慮，但是如果應(yīng)用在一般門(mén)禁上的話則成本偏高。第一章 緒 論 3 自動(dòng)指紋識(shí)別技術(shù) 指紋是手指皮膚表面隆起的脊和凹下的谷構(gòu)成的特定紋路，其紋理在嬰兒胚胎時(shí)期就已經(jīng)確定。 指紋用于身份鑒定的歷史悠久。這種方法耗時(shí)長(zhǎng)、效率低、準(zhǔn)確率也低。 20世紀(jì) 80 年代，光學(xué)掃描和個(gè)人電腦這兩項(xiàng)技術(shù)的革新，使得它們作為指紋取像的工具成為現(xiàn)實(shí)，從而使指紋識(shí)別可以在其他領(lǐng)域中得以應(yīng)用，比如代替 IC 卡。指紋識(shí)別算法最終都?xì)w結(jié)為在圖像上找到指紋的特征并進(jìn)行比對(duì)。這是一種根據(jù)指紋類型、紋線電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 4 斷點(diǎn)、交叉點(diǎn)等結(jié)構(gòu)特征得到數(shù)據(jù)的單方向轉(zhuǎn)換（可以從指紋轉(zhuǎn)換成特征數(shù)據(jù)但不能從特征數(shù)據(jù)轉(zhuǎn) 換成指紋），而兩枚不同的指紋不會(huì)產(chǎn)生相同的特征數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)通常稱為模板，保存為數(shù)據(jù)庫(kù)中的一條記錄。歐美國(guó)家憑借其強(qiáng)大的科技力量和經(jīng)濟(jì)實(shí)力，在該領(lǐng)域的研究和開(kāi)發(fā)中處于領(lǐng)先位置。貝爾實(shí)驗(yàn)室歷經(jīng)數(shù)十年的研究，投資幾十億美金，終于在生物識(shí)別技術(shù)方面獲得了突破性的進(jìn)展，研制成功了半導(dǎo)體指紋傳感芯片，并聯(lián)合 Intel等大機(jī)構(gòu)，共同注資成立 Veridi 公司，專業(yè)開(kāi)發(fā)及生產(chǎn)半導(dǎo)體指紋采集系列產(chǎn)品。目前我國(guó)在民用指紋領(lǐng)域的公司大多還是依賴進(jìn)口，國(guó)內(nèi)主要是做代理、二次開(kāi)發(fā)和系統(tǒng)集成等 [4,5]。 上述內(nèi)容是當(dāng)前自動(dòng)指紋識(shí)別技術(shù)研究實(shí)現(xiàn)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，同時(shí)也是民用指紋識(shí)別系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì)。 對(duì)于便攜式產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，在實(shí)現(xiàn)上要考慮到兩個(gè)方面的因素，也是本文研究的主要目的： (1)軟件方面是否具有較小的運(yùn)算量，是否占有非常少的內(nèi)存； (2)硬件方面，在設(shè)計(jì)上需要滿足低功耗、安全穩(wěn)定、輕巧易用的要求。主要研究?jī)?nèi)容如下： 1．閱讀大量的文獻(xiàn)資料，并對(duì)指紋圖像預(yù)處理、指紋特征提取、指紋特征匹配各環(huán)節(jié)關(guān)鍵算法進(jìn)行深入的研究，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，對(duì)各種算法的實(shí)際效果進(jìn)行比較，完成本文的算法設(shè) 計(jì)。根據(jù)國(guó)內(nèi)外指紋識(shí)別技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，提出本課題的研究目的和意義。 第五章 完成了系統(tǒng)關(guān)鍵模塊的硬件和軟件設(shè)計(jì)，進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試，最后對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了總結(jié)和分析。常用的指紋采集設(shè)備有光學(xué)采集器，半導(dǎo)體采集器，超聲波采集器。因?yàn)轭A(yù)處理部分位于指紋識(shí)別系統(tǒng)的前端，其處理質(zhì)量將對(duì)系統(tǒng)的整體性能產(chǎn)生重要的影響。 本文將對(duì)指紋采集、圖像預(yù)處理、特征提取、特征匹配四大模塊的原理和算法進(jìn)行深入研究，其中圖像采集內(nèi)容將在第四章詳細(xì)介紹，本章將主要介紹圖像預(yù)處理、特征提取、特征匹配三部分內(nèi)容。即使兩枚指紋的總體特征相同，但是他們的細(xì)節(jié)特征卻不可能完全相同。僅僅依靠紋型來(lái)分辨指紋是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，這只是一個(gè)粗略的分類，通過(guò)更詳細(xì)的分類使得在大數(shù)據(jù)庫(kù)中搜索指紋更為方便快捷。許多算法是基于中心點(diǎn)的，即只能處理和識(shí)別具有中心點(diǎn)的指紋。 式樣線： 式樣線是指在包圍模式區(qū)的紋路線開(kāi)始平行的地方所出現(xiàn)的交叉紋路，式樣線通常很短就中斷了，但是它的外側(cè)開(kāi)始連續(xù)延伸。兩枚指紋經(jīng)常會(huì)具有相同的總體特征，但是它們的細(xì)節(jié)特征卻不可能完全相同。 圖 23 模 式區(qū) 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 10 圖 24 指紋細(xì)節(jié)特征點(diǎn) 指紋上的節(jié)點(diǎn)有四種不 同特性： ① 分類：節(jié)點(diǎn)有以下幾種類型，最典型的是端點(diǎn)和分叉點(diǎn)，見(jiàn)表 21。 指紋的細(xì)節(jié)特征是人工識(shí)別與計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別所依賴的主要根據(jù)。造成指紋圖 像質(zhì)量差的主要原因有 [6]： (1) 手指表面與采集設(shè)備表面的非均勻接觸； (2) 采集設(shè)備本身性能的原因； (3) 指紋本身的原因，統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，大約有 4％的人其指紋天生就不好。 基于錯(cuò)誤的 細(xì)節(jié)點(diǎn)顯然很難達(dá)到較高的指紋匹配精度。在傳統(tǒng)的指紋識(shí)別系統(tǒng)中預(yù)處理主要采用方向?yàn)V波方法來(lái)改善指紋圖像質(zhì)量， 預(yù)處理一般包括圖像增強(qiáng)、方向圖求取、二值化、細(xì)化等幾個(gè)主要步驟。實(shí)際應(yīng)用中可根據(jù)需要，選擇合適的預(yù)處理方法，為圖像特征提取提供質(zhì)量較好的預(yù)處理圖像，使之盡量減少因圖像噪聲引起的偽特征的數(shù)目。下面就預(yù)處理技術(shù)進(jìn)一步進(jìn)行說(shuō)明。然而對(duì)質(zhì)量較差的指紋圖像，指紋專家仍然能定位出其中的細(xì)節(jié)點(diǎn)和判斷指紋的類型，這是因?yàn)樗麄冊(cè)谟^察時(shí)依據(jù)了一些重要的視覺(jué)線索，如局部紋線方向、紋線的連續(xù)性、紋線的走勢(shì)等等，這些特性反映了指紋紋線的結(jié)構(gòu)。與基于細(xì)化紋線增強(qiáng)和紋線分割方法相比，這類方法具有較好的效果。 2 39。本文通過(guò)大量試驗(yàn)效果的比較，當(dāng) Gabor 濾波器掩碼的 x? 及 y? 均取 時(shí)，運(yùn)算速度和處理效果達(dá)到比較理想的狀態(tài)，把 y ???? 代入式（ 21）式后，大大簡(jiǎn)化了 Gabor 濾波公式，濾波增強(qiáng)時(shí)間降為原來(lái)的 70%左右，增強(qiáng)效果如圖 25 所示。用指紋方向圖來(lái)表示指紋原灰度圖像，不僅可以保留它的整體結(jié)構(gòu)信息，而且可以大大降低數(shù)據(jù)的冗余。目前從灰度圖中獲取方向圖的原理都大體相同，其基本原理是：在原灰度圖像中計(jì)算每一點(diǎn)（塊）在各個(gè)方向上的某個(gè)統(tǒng)計(jì)量（如灰度差、梯度等），根據(jù)這些統(tǒng)計(jì)量在各個(gè)方向上的差異，確定該點(diǎn)（塊）的方向。 Gorman 等 [22]、 Sherlock等 [23]基于方向灰度差分分析的方法； Tojo 等 [33]基于方向微模板分析的方法； Wilson等 [34]基于傅立葉頻譜分析的方法。 ② 計(jì)算其每一像素點(diǎn)的一階偏導(dǎo)數(shù)，根據(jù)計(jì)算需要，一階偏導(dǎo)算子可以選簡(jiǎn)單的 sobel算子。 ③ 計(jì)算每塊圖像的方向信息，如下式所示： （ 24） （ 25） 22 2222( , ) ( ( , ) ( , ) )wwijx x ywwu i v jV i j u v u v??? ? ? ?? ? ? ??? 2222( , ) 2 ( , ) ( , )wwijy x ywwu i v jV i j u v u v??? ? ? ?? ? ??? 第二章 自動(dòng)指紋識(shí)別原理與算法設(shè)計(jì) 15 （ 26） 二值化處理 (1) 二值化 指紋圖像二值化即脊線提取，將脊線和谷線分別變?yōu)楹诎變缮?，這樣不僅可以大大減少存儲(chǔ)量，而且可使指紋特征信息更為清晰，使后面判斷過(guò)程少受干擾。全局閾值法算法簡(jiǎn)單，但要有圖像的先驗(yàn)知識(shí) ,有一定的局限性，對(duì)于殘缺或灰度不均勻的指紋圖像，容易產(chǎn)生斷線。 原始圖像 二值化圖像 圖 26 動(dòng)態(tài)閾值法二值化效果圖 ( , )1( , ) a r c t a n2 ( , )yxV i jijV i j? ? 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 16 (2) 二值化后的去噪 指紋圖像經(jīng)過(guò)二值化后，由于量化等原因，紋線邊緣凹凸不齊或畫(huà)面出現(xiàn)離散點(diǎn)。理想細(xì)化后的紋線骨架應(yīng)該是原始紋線的中間位置，并保持紋線的連接性、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和細(xì)節(jié)特征?？焖偌?xì)化算法為 4 連通并行細(xì)化算法，其原理是判斷出指紋紋線的邊界點(diǎn)并逐步刪除，該算法速度很快，但細(xì)化不徹底，細(xì)化后的紋線不是單像 素寬。本文采用王業(yè)琳等 [41]提出的一種新的指紋圖像細(xì)化算法。全局特征用于指紋的分類，它指的是指紋中脊線的總體走向，局部特征是指指紋圖中的細(xì)節(jié)特征，指紋的唯一性并不是基于它的全局特征。這些無(wú)關(guān)細(xì)節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)經(jīng)驗(yàn)閾值來(lái)去除。雖然不同時(shí)期手指的濕度、灰塵影響著指紋圖像的質(zhì)量，但使匹配最為困難的是手指在按壓過(guò)程中指紋圖像產(chǎn)生的非線性形變，主要是在錄入時(shí)指紋的按壓存在或多或少的位置偏差、旋轉(zhuǎn)偏差以及由于按壓力度的不同產(chǎn)生的角度偏差。 性能評(píng)價(jià) 指紋識(shí)別系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)是拒識(shí)率 (FRR)和誤識(shí)率 (FAR)。系統(tǒng)往往需要在兩個(gè)錯(cuò)誤率之間取一個(gè)折中。 從理論上來(lái)說(shuō)，采用拒識(shí)率 FRR、誤識(shí)率 FAR、識(shí)別速度這三個(gè)度量標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于評(píng)估一般的自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)性能指標(biāo)己經(jīng)足夠了。因此，第二章 自動(dòng)指紋識(shí)別原理與算法設(shè)計(jì) 19 尋找一種合理的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)的實(shí)際推廣是必要的。本章 最后提出指紋識(shí)別系統(tǒng)的性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，為軟硬件設(shè)計(jì)時(shí)系統(tǒng)性能的提高提供了依據(jù)。性能卓越的嵌入式處理器構(gòu)建的指紋識(shí)別系統(tǒng)，不僅降低了系統(tǒng)成 本，而且大大提高了系統(tǒng)速度。而 DSP（ Digital Signal Pocessor）由于其很強(qiáng)的數(shù)學(xué)計(jì)算能力以及特有的實(shí)時(shí)性和快速實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)，在指紋識(shí)別系統(tǒng)方面應(yīng) 用非常普遍。盡量減少電能的消耗，延長(zhǎng)使用時(shí)間對(duì)于其實(shí)際應(yīng)用具有很大的意義； 系統(tǒng)應(yīng)具備對(duì)外通訊接口，使得用戶能很方便地對(duì)它進(jìn)行二次 開(kāi)發(fā)。