【正文】 小型化發(fā)展，價格也在不斷降低，采集性能不斷提高。 指紋圖像的采集 指紋圖像的采集是自動指紋識別系統(tǒng) [8](Automatic Fingerprint Identification System， AFIS)的重要組成部分。用于民用領域的指紋傳感器，大多采用平面采集方式，因而不要求較大的采 集區(qū)域，一般不小于 256*156 點陣。最后，通過計算機模糊比較的方法，把兩個指紋的模板進行比較，計算出它們的相似程度，最終得到兩個指紋的匹配結中北大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 10 頁 共 52 頁 果。 指紋識別系統(tǒng)的工作原理 [6] 指紋識別技術使用取像設備讀取指紋圖像 ， 通過識別軟件提取指紋圖像中的特征數(shù)據(jù)，然后根據(jù)匹配算法得到的結果鑒別指紋所有人身份。 （ 2） 刪除：剔除指紋庫中的指定指紋模板。 （ 2）查閱資料了解 DSP 芯片的相關理論知識，并熟悉 DSP 芯片的原理與運用。 在識別技術方面 ，很多國家都有公司或專門機構在從事自動指紋識別技術的研究， 歐美國家憑借 其強大的科技力量和經(jīng)濟實力，在該領域的研究和開發(fā)中處于領先位置。清華大學與北京市局刑科所研制的“ CAFIS”系統(tǒng) ,北京大學與上海市局刑科所研制的“ PUAFIS”系統(tǒng) ,以及公安部二所與南昌市公安局研制的“微機指紋自動識別系統(tǒng)”都通過了國家測試 。并于 1996 年 1 月由公安部組織召開了一個由我國自己研制的指紋信息自動識別系統(tǒng)的專題鑒定驗收會。隨著科學技術的飛速發(fā)展，計算機信息處理技術日趨成熟和普及，美、英、 日、法等發(fā)達國家的警察局，已以用計算機管理了數(shù)千萬少的指紋檔案， 并建立了以指紋自動識別系統(tǒng)為核心的指紋信息管理系統(tǒng)，使指紋信息的應用達到了一個新階段。由于指紋識別技術的諸多優(yōu)點，可以預料，一方面指紋識別系統(tǒng)將會在一切需要驗證身份的場所發(fā)揮越來越多的重要作用，其應用領域將會進一步擴展；另一方面，由于市場的推動，指紋識別技術也會不斷提高，在其識別可靠性、速度、成本等方面進一步朝現(xiàn)代化邁進 。 加上 每個人的指紋具有唯一性 且 終身不變 ， 因此指紋識別是代替?zhèn)鹘y(tǒng)身份識別手段的最安全、最可靠、最方便的方法之一。這是因為在信息化高度發(fā)達的商業(yè)社會，人們每天將有大量的進行身份驗證的需要，除了網(wǎng)上虛中北大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 5 頁 共 52 頁 擬世界的各種登錄認證之外，現(xiàn)實世界也有 很多的身份鑒別的需要，例如人們?nèi)ャy行、去會所、去單位登記等等。另外，對輸入的指紋圖像提取關鍵特征后，可以大大減少網(wǎng)絡傳輸?shù)呢?擔，便于實現(xiàn)異地確認，支持計算機的網(wǎng)絡功能。指紋是人體獨一無二的特征，并且它們的復雜度足以提供用于鑒別的所需特征。但與其他生物識別產(chǎn)品相比，這類產(chǎn)品目前數(shù)量很少。 作為一種已經(jīng)確立的方法，手掌幾何學識別不僅性能好，而且使用比較方便。 （ 5）視網(wǎng)膜識別： 視網(wǎng)膜是眼睛底部的血液細胞層。另外，它有能力實現(xiàn)更高的模板匹配性能。 到目前為止，面部識別在實際應用中還很少成功。 談及指紋識別，我們接觸最多的技術詞匯就是拒真率與認假率，所謂拒真就是系統(tǒng)中有該枚指紋數(shù)據(jù)卻被拒絕，所謂認假就是系統(tǒng)中沒有該枚指紋數(shù)據(jù)卻被接受。而這三個特點其實正是信息安全從業(yè)者不懈追求的目 標。生物識別技術最大的特點無非三個方面：高唯一性、高安全性和高便捷性。指紋也具有唯一性，不同的兩個人不會具有相同的指紋 。與視頻識別不同的是，熱成像技術不 需要良好的光源，即使在黑暗情況下也能正常使用。當進行身份識別時，只需將掃描的待檢測者的虹膜圖像，與事先儲存的數(shù)字代碼相對照，即可判明身份 它使用相當普通的照相機元件，而且不需要用戶與機器發(fā)生接觸。 目前，雖然已經(jīng)有一些聲音識別產(chǎn)品進入市場，但使用起 來還不太方便，這主要是因為傳感器和人的聲音可變性都很大。 掌形和指紋一樣，也是很早就使用的生物特征識別技術之一，利用掌紋的線特征、點特征、紋理特征、幾何特征完全可以確定一個人的身份。實踐證明，簽名識別是相當準確的，因此簽名很容易成為一種可以被接受的識別符。 指紋識別的優(yōu)勢 中北大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 4 頁 共 52 頁 指紋識別的優(yōu)點，具體體現(xiàn)在以下幾個方面： （ 1）每個人的指紋都是相當固定的，不會隨著人年齡的增長或身體健康程度的變化而變化，但是人的聲音、面像等卻存在較大變化的可能。 （ 5）指紋識別中使用的模板并非最初的指紋圖，而是由指紋圖中提取的關鍵特征，這樣使得系統(tǒng)對模板庫的存儲量縮小，也保護了使用者的個人隱私。除開政府、軍隊等涉密系統(tǒng) 的行業(yè)企業(yè)級應用外，生物識別更大的應用是即將走入信息社會 的方方面面。 指紋技術被越來越多應用在市民的日常生活中，如指紋汽車啟動裝置、指紋保管箱等 。以其方便性、快捷性、高度安全性和可靠性，達到其他系統(tǒng)所不能替代的作用。 1905 年，英國倫敦警方偵破了一起兇殺案被稱之 為世界上第一個用指紋信息來確定犯人的案例。自改革開放以來，國家公安部在借鑒國外指紋信息自動識別系統(tǒng)管理經(jīng)驗的基礎上 ， 為建立自己的指紋信息自動識別系統(tǒng) ， 組織了全國各方面的技術力量進行攻關。 我國指紋管理工作經(jīng)歷了手工管理、計算機半自動管理和全自動管理三個發(fā)展階段。日趨完善的指紋自動識別系統(tǒng) ， 具備了指紋管理、儲存、查詢、檢驗 ， 包括以案找人、以人查案、前科查詢、串并案件等功能 ， 基本上實現(xiàn)了原來指紋檔案的手工管理到計算機 全自動管理的轉變和指紋破案的規(guī)范 ， 并且在實戰(zhàn)中發(fā)揮了作用，破獲了大量的對事案件 ， 初步顯示了指紋自動識別系統(tǒng)的生命力和廣泛的應用前景。 選 題主要研究內(nèi)容 本文 就基于 DSP 芯片 的指紋識別系統(tǒng)做初步研究，具體完成以下幾項工作： （ 1）通過查找資料了解指紋識別的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，分析當前各種生物識別方法及其各自的優(yōu)勢領域，給出研究指紋識別的意義。 中北大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 9 頁 共 52 頁 2 指紋識別系統(tǒng)的系統(tǒng)概述 系統(tǒng)的主要功能 指 紋識別系統(tǒng)必須包括以下幾個基本功能： （ 1） 注冊：將合法的用戶的指紋特征 (指紋模板 )存放在指紋庫中。得到的指紋細節(jié)點信息與指紋庫中已有的用戶指紋模板進行匹配算法的驗證，并輸出結果，從而完成一個完整的識別過程。指紋辨識軟件建立指紋的數(shù)字表示特征數(shù)據(jù)，軟件從指紋上找到被稱為“節(jié)點”（ minutiae）的特征點，這些數(shù)據(jù) (通常稱為模板 )，保存為 1K 大小的記錄。圖像尺寸和點陣數(shù)越大，則表示指紋傳感器的采集區(qū)域越寬。依照對色調(diào)變化的表現(xiàn)力，灰度圖分為 2bit、 4 bit、 6 bit、 8 bit 幾個不同等級，一般較多采用的是 8 bit (256 級 )灰度。由于半導體傳感器具有明顯的綜合優(yōu)勢，所以迅速成為指紋識別市場的主流產(chǎn)品，市場占有率也越來越高。 半導體傳感器的最大優(yōu)勢就是成本低、體積小。但在寒冷的地區(qū)，則不需用 (除非太冷或出現(xiàn)有結冰 )。另外，其造價較高，大約是光學系統(tǒng)的 2～ 3 倍。所謂“離線式”就是指在指紋采集時，利用某些中間介質(zhì)（如油墨和紙張）來獲取指紋圖像，在通過一定的技術手段將圖像數(shù)字化輸入計算機，它屬于非實時采集。 （ 4）指紋龜裂：由于季節(jié)的原因有時候指紋出現(xiàn)一些龜裂，在指紋采集的圖像上會顯示出縱橫交錯的裂痕，有時這些裂痕又會消失。 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）。按箕技的流向分 為 橈側箕形紋（反箕）和尺側箕形紋（正箕）兩種。 （ 4） 弧形紋：是 由 平緩 或略微突起的弧形線組成的一種結構簡單的花紋形式。特征點的分類有以下幾種 如圖 ,最典型的是 端 點和分叉點。其定義為： FRR=錯判的指紋數(shù)目 /考察的指紋總數(shù)目 100%。 （ 6）比對效率 :即在建檔后 ,直接比對一對指紋特征 (不進行圖像處理和特征提取 )所用的時間 ,一般用每秒鐘比對的次數(shù)來表示 ,當然越多越好。 隨著 DSP 芯片應用領域的不斷擴大 ,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,能維持適量存儲和功耗 ,提供了較好 的性能價格比 ,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,結構較為復雜，具有較高的處理速度和低的功耗，適用于無線電信設備和高速解調(diào)器等。 TMS320VC5402 芯片 [10][11]具有優(yōu)化的 CPU 結構，內(nèi)部有 1 個 40 位的算術邏輯單元 （ 包括一個 40 位的桶式移位寄存器和兩個獨立的 40 位累加器 ） ，一個 17 17的乘法器和一個 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。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)行時間可以作為衡量 DSP芯片性能的一個主要指標。 （ 7） 程序的加載引導：加載引導是指器件在上電復位后執(zhí)行一段引導程序 ,用于從端口 (異步串口、 I/O 口、主機接口 )或外部 EPROM/FLASH 存儲器中加載程序至高速 RAM 中運行。 指紋識別算法流程圖 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。圖像預處理 特征 提取 特征 匹配 指 紋 數(shù)據(jù)庫 獲取 指紋 輸出 結果 圖像 分割 濾波 增強 二值 化 細化 規(guī)格化 計算方向 圖 方向 濾波 中北大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 20 頁 共 52 頁 因此根據(jù)以上的灰度值鄰域關系，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。 另一種 閾值分割就是簡單地用一個或幾個閾值將圖像的灰度直方圖分成幾個類，認為圖像中灰度在同一個灰度類內(nèi)的像素屬同一物體 。 一般來中北大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 21 頁 共 52 頁 說，常見的方向場的計算分為掩模法和公式法兩大類 。 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。指紋圖像的歸一化公式如式 ()所示，當大于平均值時為加。 圖像規(guī)格化 規(guī)格化即是把指紋圖像的對比度和灰度都調(diào)整到一個固定的級別上，為后續(xù)處理提供統(tǒng)一的規(guī)格。我們設定 8 個方向，如圖 所示，各方向之間夾角為 8? 。d41),(),(8,21),(),(kkkkdkkkdkdjifjifSKdjifjifS ， （ ） 其中 d 代表與 39。當d=1， 2， … ， 8 時分別求出39。平滑也是在窗口中進行的，窗口中心像點上的平滑結果由窗口中各象素點方向值及其分布確定。 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 水平方向濾波器 77 各系數(shù)之間有關系： uxy=0， z0 和 u+2x+2y2z=0。i ， 39。 ),( ji 經(jīng)常不是整數(shù)值，此時該點上的系數(shù)需要用其周圍點的系數(shù)進行內(nèi)插得到?；叶葓D二值化的基本思想是選取適當?shù)幕叶乳撝?，將灰度圖像轉化為二值圖像，一般的圖像處