【正文】 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 開發(fā)。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。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。系統(tǒng)往往需要在兩個(gè)錯(cuò)誤率之間取一個(gè)折中。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。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?？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。 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)過二值化后，由于量化等原因，紋線邊緣凹凸不齊或畫面出現(xiàn)離散點(diǎn)。 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，使后面判斷過程少受干擾。 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。用指紋方向圖來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。 2 39。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)。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。 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。 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)。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。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。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。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。 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。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)。 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)。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)開發(fā)及生產(chǎn)半導(dǎo)體指紋采集系列產(chǎn)品。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)庫中的一條記錄。 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。 指紋用于身份鑒定的歷史悠久。如果考慮到永久 性問題的話，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)用在一般門禁上的話則成本偏高。這些物或知識(shí)與人本身 沒有本質(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法區(qū)分授權(quán)人和冒名頂替者的?；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題也日益嚴(yán)重。近年來，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。 作者簽名： 日期： 年 月 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 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)校保留并向國家有關(guān)部門或機(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。 （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。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明并表示謝意。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)表或撰寫的成果作品。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。 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。 傳統(tǒng)的身份鑒別技術(shù)可以分為兩大類： （ 1） 基 于標(biāo)識(shí)的鑒別技術(shù) （ 2）基于知識(shí)的鑒別技術(shù) 基于標(biāo)識(shí)的方法是指擁有特定的標(biāo)志來獲得個(gè)人認(rèn)證，例如身份證和鑰匙等；而基于知識(shí)的方法使用 “所知 ”鑒別個(gè)人身份，待鑒別者通過私有的知識(shí)和信息來證明自己的身份，如密碼和口令等。其中生理特征有指紋、掌紋、手型、臉型、體型、虹膜、瞳孔、聲音等；行為特征則有筆跡、步態(tài)等?？茖W(xué)研究發(fā)現(xiàn)，兩枚指紋完全相同的概率非常小，可以認(rèn)為世界上沒有兩 個(gè)人的指紋完全相同，而且每個(gè)人的指紋是保持終生不變，即使磨損，只要不傷及真皮，也能重新長(zhǎng)出。隨著人口數(shù)量的急劇增長(zhǎng)和應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，這種方法越來越不能滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。因此，自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)主要涉及五個(gè)功能：圖像讀取、圖像處理、特征提取、保存數(shù)據(jù)和特征匹配。在亞洲，日本和韓國在指紋技術(shù)領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。但是我國臺(tái)灣有些公司的指紋識(shí)別技術(shù)產(chǎn)品的性能達(dá)到國際領(lǐng)先水平，如臺(tái)灣祥群科技有限公司，本文使用的就是該公司生產(chǎn)的 滑動(dòng) 式指紋傳感器，詳細(xì)內(nèi)容會(huì)在第四章介紹。 便攜式指紋識(shí)別系統(tǒng)的開發(fā)不僅具有迫切的市場(chǎng)需求和良好的市場(chǎng)前景，而且可以提 高我們的安全防范水平，也可以產(chǎn)生很大的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益。 第二章 系統(tǒng)地闡述了指紋識(shí)別的基本原理，并對(duì)指紋識(shí)別算法進(jìn)行了總結(jié)和分析，并分別將圖像預(yù)處理、特征的提取與對(duì)比三部分的算法設(shè)計(jì)做了詳細(xì)說明。 (2) 指紋圖像預(yù)處理：在實(shí)際采集過程中，受各種因素的影響，采集到的指紋圖像不能保證都很清晰，圖像中可能出現(xiàn)紋線粘連、紋線斷裂或?qū)Ρ榷炔痪鶆虻惹樾?，需要?duì)原始的指紋圖像進(jìn)行預(yù)處理。 指紋特征介紹 人的指紋有兩類特征：總體特征和細(xì)節(jié)特征。 環(huán)型（ loop） 弓型（ arch） 螺旋型（ whorl） 圖 22 基本紋 型 第二章 自動(dòng)指紋識(shí)別原理與算法設(shè)計(jì) 9 更詳細(xì)的總體結(jié)構(gòu)分類如下所述： 模式區(qū)： 模式區(qū)是指紋上包括了總體特征的區(qū)域，即從模式區(qū)就能分辨出指紋是屬于哪一種類型的。 紋數(shù)： 指模式區(qū)內(nèi)指紋 紋線的數(shù)量。 端 點(diǎn)：一條紋路在此終結(jié) 分叉點(diǎn)：一條紋路在此分開成為兩條或更多的紋路 分歧點(diǎn)：兩條平行的紋路在此分開 孤立點(diǎn)：一條特別短的紋路，以至于成為一點(diǎn) 環(huán) 點(diǎn)：一條紋路分開成為兩條之后，立即又合并成為一條，這樣形成的一個(gè)小環(huán)稱為環(huán)點(diǎn) 短 紋：一段較短但不至于成為一點(diǎn)的紋路 表 21 各類特征點(diǎn)出現(xiàn)概率情況 類型特征 端點(diǎn) 分叉點(diǎn) 分歧點(diǎn) 短紋 孤立點(diǎn) 環(huán)點(diǎn) 出現(xiàn)概率 % % % % % % ② 方向：節(jié)點(diǎn)可以朝著一定的方向。另外，老人的手指上通常存在很多折皺，皮膚病患者的手指上有很多翹皮，體力勞動(dòng)者的手指上存在老繭且經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生劃痕。圖像增強(qiáng)的目的是去除噪聲，同時(shí)增強(qiáng)指紋圖像的脊和谷之間的對(duì)比度。 指紋圖像增強(qiáng) 數(shù)字圖像處理中一些通用的圖像增強(qiáng)方法如均值濾波、低通濾波、邊緣增強(qiáng)等對(duì)指紋圖像的增強(qiáng)效果不理想，這是因?yàn)檫@些方法主要針對(duì)圖像中的隨機(jī)噪聲，而模糊指紋圖像中的指紋紋線缺陷屬于結(jié)構(gòu)性噪聲。采用這種思想的方法有： (1) O’Gorman等人采用濾波器掩碼在空間域進(jìn)行濾波 [22]； (2) Sherlock 等人利用 Butterworth帶通濾波器和一種角度選擇濾波器的組合來構(gòu)造濾波器 [23]； (3) Hong 等人采用 Gabor 濾波器在空間域進(jìn)行濾波 [24]； (4) Kamei 等人濾波處理也是在頻域進(jìn)行，濾波器形式上為兩個(gè)高斯帶通濾波器的乘積，它們分別對(duì)方向和頻率進(jìn)行選擇 [29]； 本文直接在灰度圖上采用常用的圖像增強(qiáng)算法 ——Gabor 濾波法。 方向圖計(jì)算 方向圖的概念最 初是由 Graseli 提出的，他指出除奇異區(qū)外，指紋紋線排列一般是平行的，且方向變化平緩，因而指紋數(shù)據(jù)間存在著大量的信息冗余。針對(duì)每個(gè)像素得到的方向則形成點(diǎn)方向圖。選擇一階偏導(dǎo)算子越復(fù)雜，求導(dǎo)結(jié)果越精確，計(jì)算得到的方向信息也越準(zhǔn)確，同時(shí)算法越耗時(shí)。局部閾值法是利用全局閾值算法的思想，將圖像分成若干個(gè) ww? 子塊，對(duì)于每一塊選定一個(gè)閾值進(jìn)行二值化。一種好的細(xì)化算法應(yīng)該滿足下列條件：收斂性、連接性、拓?fù)湫?、保持性、?xì)化性、中軸性、快速性 [38]。該算法在改進(jìn)的 OPTA 算法的基礎(chǔ)上增加了 8 個(gè)消除模板，改進(jìn)了快速細(xì)化算法和改進(jìn)的 OPTA 算法存在的不足，細(xì)化完全徹底，細(xì)化后的指紋骨架在紋線中心線，并 且紋線光滑，毛刺較少，保證了以后特征提取以及識(shí)別的準(zhǔn)確性。例如，比較接近兩個(gè)端點(diǎn)，如果它們的方向是相反的，則也可以把這兩個(gè)端點(diǎn)連接起來，這是因?yàn)?，它們可能本來是一條脊線上的，只是由于噪聲或采集時(shí)手指太干等原因造成了脊線斷裂。誤識(shí)率是指將冒充者識(shí)別為真正的生物特征擁有者；拒識(shí)率是指生物特征擁有者被系統(tǒng)拒絕。實(shí)際上，這幾個(gè)參數(shù)都是從具體的測(cè)試數(shù)據(jù)集中得出來的，并 不一定對(duì)其它的指紋數(shù)據(jù)庫也適用。 電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 20 第三章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 嵌入式指紋識(shí)別系統(tǒng)概況 發(fā)展比較成熟的指紋識(shí)別系統(tǒng)大多基于 PC 機(jī)，但是這類識(shí)別系統(tǒng)造價(jià)高、系統(tǒng)復(fù)雜、體積龐大，