【正文】 ，快速的指紋算法。 靜脈識(shí)別 靜脈識(shí)別系統(tǒng)就是首先通過(guò)靜脈識(shí)別儀獲 得個(gè)人靜脈分布圖，從靜脈分布圖依據(jù)專用比對(duì)算法提取特征值，通過(guò)紅外線 CMOS攝像頭獲取手指靜脈、手掌靜脈、手背靜脈的圖像，將靜脈的數(shù)字圖像存貯在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，將特征值存儲(chǔ)。 ③終生不變性 [1]， 非意外事故發(fā)生終身不變。本文簡(jiǎn)述了指紋和指紋識(shí)別系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上重點(diǎn)研究了基于單片機(jī)的指紋識(shí)別系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和制作。所以了解指紋識(shí)原理，懂得如何設(shè)計(jì)指紋識(shí)別系統(tǒng)顯得很有必要。 虹膜 識(shí)別 虹膜是位于人眼表面黑色瞳孔和白色鞏膜之間的圓環(huán)狀區(qū)域，在紅外光下呈現(xiàn)出豐富的紋理信息，如斑點(diǎn)、條紋、細(xì)絲、冠狀、隱窩等細(xì)節(jié)特征。因此，指紋識(shí)別成為最流行、最方便、最可靠的身份認(rèn)證方式，己經(jīng)在社會(huì)生活的諸多方面得到廣泛應(yīng)用。 第 2 章 指紋識(shí)別基本原理 指紋學(xué)的基本知識(shí) 指紋的形成 在皮膚發(fā)育過(guò)程中，雖然表皮、真皮，以及基質(zhì)層都在共同成長(zhǎng)，但柔軟的皮下組織長(zhǎng)得比相對(duì)堅(jiān)硬的表皮快，因此會(huì)對(duì)表皮產(chǎn)生源源不斷的上頂壓力，迫使長(zhǎng)得較慢的表皮向內(nèi)層組織收縮塌陷，逐漸變彎打皺，以減輕皮下組織施加給它的壓力。如果指紋留在紙張、卡片、皮革、木頭等吸水性物品的表面，必須經(jīng)過(guò)化學(xué)處理才能在化驗(yàn)室顯形。 局部特征包括： (i)端點(diǎn)：一條紋路在此終結(jié)。這些數(shù)據(jù)通常稱為模板。 下表是各種取 像 設(shè)備的性能比較： 取 像 設(shè)備比較表 比較項(xiàng)目 光學(xué)取像設(shè)備 電容時(shí)傳感器 超聲波掃描 體積 大 小 中 耐用性 非常耐用 容易損壞 一般 成像能力 干手指差，但汗多的和稍脹的手指成像模糊 干手指好，但汗多的和稍脹的手指不能成像 較好 耗電 較多 較少 較多 成本 低 低 很高 表 1 各種指紋采集設(shè)備比較 圖像處理 在指紋采集的過(guò)程中，不可能避免噪聲的影響，圖像中的斷點(diǎn)， 叉連 很容易受到噪聲的干擾，從而影響指紋特征信息的提取。 從二值圖像上提?。涸诙祱D像上從上到下，從左到右逆時(shí)針檢測(cè)像素變化以追蹤脊線位置，當(dāng)像素之間的角度變化大于閥值時(shí)則認(rèn)為遇到了端點(diǎn)或者分叉點(diǎn)。 STC12C5A60S2 單片機(jī)包含了數(shù)據(jù)采集和控制中所需要的所有單元模塊，可稱得上一個(gè)片上系統(tǒng)。（顏色：白） 4 GND — 信號(hào)地。 *注釋 2：模塊內(nèi)部接有上電復(fù)位電路，因此在不需要經(jīng)常復(fù)位的場(chǎng)合可將該端懸空。我們?cè)?網(wǎng)上 找 關(guān)于該采集頭的資料，但是由于該考勤機(jī)出產(chǎn)很久，沒(méi)能找到很詳細(xì)的 資料不能確定 每根 信號(hào)線 的作用。通過(guò)理論計(jì)算如果采用 51單片機(jī)就僅采集一個(gè)指紋就需要耗時(shí) 8秒左右，過(guò)程必須保證手指在傳感器不能移動(dòng)。并行通信控制簡(jiǎn)單、傳輸速度快；由于傳輸線較多，長(zhǎng)距離傳送時(shí)成本高且接收方的各位同時(shí)接收存在困難。也可采用 MAX232 芯片實(shí)現(xiàn)兩對(duì) TTL/CMOS 電平與 RS232C 電平的轉(zhuǎn)換。所以當(dāng)按鍵 S1 按下時(shí)單片機(jī)復(fù)位。其主電路見(jiàn)附錄。 （ 1） 電路不通 由于在制作電路板的時(shí)候腐蝕的時(shí)候腐蝕不均勻，造成板子上有一部分腐蝕的較為厲害出現(xiàn)斷線的情況。原因是采集設(shè)備多式多樣，造成圖像質(zhì)量也是千差萬(wàn)別，采集時(shí)手指的皮膚狀況也難以保證，這就對(duì)指紋算法提出很好的要求。測(cè)其兩端電壓為 伏，經(jīng)仔細(xì)嘗試和分析，得出的結(jié)論 是兩端電壓不夠，解決辦法是把封面器到電源的電阻去掉，用導(dǎo)線代替， 改了之后 ， 蜂鳴器可以使用。的折線布線，不可使用 90186。每個(gè)驅(qū)動(dòng)器將TTL/CMOS 輸入電平轉(zhuǎn)換為 EIA/TIA232E 電平。單片的最小系統(tǒng)，或者稱為最小應(yīng)用系統(tǒng)，是指利用單片自身的資源，用最少的輔助元件組成一個(gè)可以工作的系統(tǒng)。從而使 RS232C 串行通訊協(xié)議僅需 3 根線便可在兩個(gè)數(shù)字設(shè)備之間全雙工的傳送數(shù)據(jù)。 通過(guò)比較上述三種方案，綜合考慮各方面因素，我們選擇方案三，選擇其原因是其原理簡(jiǎn)單，能方便的實(shí)現(xiàn)，性價(jià)比高。解決辦法是選用 3片單片組成 主從機(jī) ，其中主機(jī)片負(fù)責(zé)采集和傳輸，從機(jī) 1 負(fù)責(zé)存儲(chǔ)和處理指紋，從機(jī) 2負(fù)責(zé)存儲(chǔ)處理后的數(shù)據(jù)。 圖 8 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 方案設(shè)計(jì) 根據(jù)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖，結(jié)合功能要求和手上現(xiàn)有的材料器件，提出了關(guān)于三種實(shí)現(xiàn)指紋識(shí)別的設(shè)計(jì)方案，下面將一一為大家介紹。可顯示 8 4 行 16 16 點(diǎn)陣的漢字。模塊與用戶設(shè)備的串行通訊時(shí)，接口 J1引腳定義如下： FM180 引 腳功能表 表 3 引腳功能 引腳號(hào) 名稱 類型 功能描述 1 VCC IN 電源正輸入端（顏色：紅） 2 TXD OUT 串行數(shù)據(jù)輸出。內(nèi)部集成 MAX810 專用復(fù)位電路， 2 路 PWM， 8 路高速 10 位 A/D 轉(zhuǎn)換，針對(duì)電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場(chǎng)合。全局特征表述了指 紋紋線的走向，主要表現(xiàn)在奇異點(diǎn)，就是紋線方向變化較大的點(diǎn)，就是三角點(diǎn)和核心點(diǎn)，他們比起細(xì)節(jié)特征更加穩(wěn)定可靠，是指紋特征匹配和指紋分類的重要依據(jù)。當(dāng)手指放在它上面時(shí)構(gòu)成了電容傳感器的另一面，由于指紋凹凸距離半導(dǎo)體不同而造成電容值不同，把電容值轉(zhuǎn)化為電壓值并記錄下來(lái)就能得到指紋的灰度圖像。首先通過(guò)指紋采集設(shè)備采集到人的指紋圖像，并對(duì)原始的圖像進(jìn)行簡(jiǎn)單的處理，是指紋圖像的特征信息更清晰明顯。 （ iv）三角點(diǎn)： 三角點(diǎn)是指紋圖像中三角形紋路區(qū)域的中心點(diǎn)，離該點(diǎn)最近的三條指紋紋線構(gòu)成一個(gè)近似等邊三角形，三角點(diǎn)提供了指紋紋路計(jì)數(shù)和跟蹤的起始位置 。潛伏指紋往往是手指先接觸到油脂、汗液或塵埃后，再接觸到干凈的表面而留下，雖然肉眼無(wú)法看到這些指紋，但是經(jīng)過(guò)特別的方法及使用一些特別的化學(xué)試劑加以處理，即能顯現(xiàn)出這些潛伏的指紋。 第二章：對(duì)研究對(duì)象 — 指紋進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，然后說(shuō)明了自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)的原理。 90年代后期，低價(jià)位取 像 設(shè)備的引入及其飛速發(fā)展，可靠的比對(duì)算法的 發(fā)現(xiàn)為個(gè)人 身份識(shí)別應(yīng)用的增長(zhǎng)提供了舞臺(tái)。 2 手掌幾何學(xué)識(shí)別 手掌幾何學(xué)識(shí)別就是通過(guò)測(cè)量使用者的手掌和手指的物理特征來(lái)進(jìn)行識(shí)別，高級(jí)的產(chǎn)品還可以識(shí)別三維 圖像 。 ②唯一性， 人與人之間的指紋是不同，可以作為身份的識(shí)別。系統(tǒng)采用的是增強(qiáng)型 51單片機(jī) STC12C5A60S2 作為主控芯片，而 FM— 180指紋識(shí)別模塊作為指紋采集和處理的核心。 由于本系 統(tǒng)采用的是單片機(jī)作為主控 MCU，所以在實(shí)時(shí)性，擴(kuò)展性上受到了極大的限制，但是也有它自身的突出的優(yōu)點(diǎn)和意義，那就是以最簡(jiǎn)單的，處理數(shù)據(jù)能低的 MCU 完成了指紋識(shí)別系統(tǒng)應(yīng)該具備功能。虹膜識(shí)別通過(guò)對(duì)比虹膜圖像特征之間的相似性來(lái)確定人們的身份，其核心是使用模式識(shí)別、圖像處理等方法對(duì)人眼睛的虹膜特征進(jìn)行描述和匹配，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的個(gè)人身份認(rèn)證。 指紋識(shí)別技術(shù)的應(yīng)用系統(tǒng)主要有兩種，即嵌入式系統(tǒng)和基于 PC機(jī)的桌面應(yīng)用系統(tǒng)。如此一來(lái)，一方面使勁向上攻，一方面被迫往下撤，導(dǎo)致表皮長(zhǎng)得曲曲彎彎，坑洼不平，形成紋路。 指紋的相關(guān)概念 （ 1）指紋： 指頭表面 凹凸 紋線。 (ii)分叉點(diǎn)：一條紋路在此分成兩條或多條紋路。不管他們是怎么組成的，至今仍然沒(méi)有一種模板的標(biāo)準(zhǔn)，也沒(méi)有公布一種抽象的算法。圖像處理的目的就是利用信號(hào)處理技術(shù)剔 除圖像中得各種噪聲，把它轉(zhuǎn)化為圖像清晰的二值化 圖像，以便提取正確的特征信息。 指紋匹配 目前匹配的方法有：圖像相關(guān)匹配、紋理特征匹配、紋線匹配和細(xì)節(jié)點(diǎn)匹配 [12]。 13 圖 6 STC12C5A60S2內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 指紋識(shí)別模塊 FM180 FM180 亮背景光學(xué)頭指紋識(shí)別設(shè)備采用光學(xué)指紋傳感器，由高性能 DSP 處理器和 FLASH 等芯片構(gòu)成，具有指紋圖像處理、模板提取、模板匹配、指紋搜索和模板存儲(chǔ)等項(xiàng)功能。內(nèi)部與電源地連接。 *注釋 3：如背光和模塊共用一個(gè)電源，可以將模塊上的 JA、 JK 用焊錫短接。后來(lái)我們?nèi)y(cè)試，唯一確定的是電源線和地線， 8根數(shù)據(jù)線，剩下的控制信號(hào)線，不能確定其作用。主機(jī)傳輸?shù)綇臋C(jī)采用的是串行通信耗時(shí)更是遠(yuǎn)大于 8 秒 。串行通信是將數(shù)據(jù)字節(jié)分成一位一位的形式在一條傳輸線上逐個(gè)地傳送。 RS232C 規(guī)定使用 25 針標(biāo)準(zhǔn)連接口，采用 DB25 型連接器。 功能選擇電路 該模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)指紋錄入，指紋比 對(duì)，指紋清除的功能選擇，工作過(guò)程是，單片機(jī)檢測(cè)到有相對(duì)的按鍵按下時(shí)，進(jìn)入相應(yīng)的工作的模式。 第 4 章 硬件電路制作和調(diào)試 繪制 PCB 板 布局要求 A 遵照“先大后小，先難后易”的布置原則，即重要的單元電路、核心元器件應(yīng)當(dāng)優(yōu)先布局。表現(xiàn)為串口電路不工作。 本文主要介紹設(shè)計(jì)指紋識(shí)別系統(tǒng)的硬件的過(guò)程，提出了以 MCU 和指紋識(shí)別模塊建立主從機(jī)通信模式，來(lái)完成指紋識(shí)別過(guò)程的設(shè)計(jì)思路。 （ 4） 蜂鳴器 最后調(diào)試的是蜂鳴器，寫入測(cè) 試程序后蜂鳴器沒(méi)有鳴叫。 ③ ．盡可能采用 45186。這些接收器具有 1. 3V 的典型門限值及 0. 5V 的典型遲滯，而且可以接收士 30V 的輸入。 最小系統(tǒng)電路 所謂的系統(tǒng)就是可以獨(dú)立實(shí)現(xiàn)某些 特定功能的一個(gè)產(chǎn)品。 單片機(jī)和 PC 機(jī)的通信 大多數(shù)的計(jì)算機(jī)設(shè)備都具有 RS232C 串行通訊接口，盡管它的性能指標(biāo)并非很好，但是 RS232C 借助與并行通訊口相比更多的寄存器，使用這些寄存器實(shí)現(xiàn)串行數(shù)據(jù)的傳送及 RS232C 設(shè)備之 間的握手與流量控制。 FM—180 該模塊的市場(chǎng)價(jià)格在 200 元左右，雖然仍然很貴，但是同比市場(chǎng)上的指紋采集部分的芯片，它的性價(jià)比遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于后者。這樣出現(xiàn)一個(gè)問(wèn)題就是不能同時(shí)選中 FPS200 和存儲(chǔ)器件進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。至于 關(guān)鍵的指紋采集和指紋存儲(chǔ)，它的選擇直接影響整個(gè)系統(tǒng)的效果，下一節(jié)將介紹有關(guān)于這方面的選擇，這里就不做介紹。可構(gòu)成全中文人機(jī)交互圖形界面。用戶無(wú)特殊要求時(shí)，所提供的用戶接口引線長(zhǎng)度為 150mm。 第 3 章 指紋識(shí)別系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 相關(guān)器件介紹 STC12C5A60S2 的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn) STC12C5A60S2單片機(jī)是 STC生產(chǎn)的單時(shí)鐘 /機(jī)器周期的單片機(jī)，是高速 /低功耗 /超強(qiáng)抗干擾的新一代 8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051，但速度快 812 倍。 特征提取 指紋的特征包括了全局特征和局部細(xì)節(jié)特征 [9]。 電容式取 像 設(shè)備則是由在半導(dǎo)體金屬上集合了上萬(wàn)甚至十萬(wàn)個(gè)電容傳感器。 自動(dòng)識(shí)別技術(shù)主要涉及指紋圖像采集、指紋圖像預(yù)處理 [8]、特征提取 [7]、數(shù)據(jù)保存、指紋特征值的比對(duì)等過(guò)程。 （ iii）核心點(diǎn)： 核心點(diǎn)位于指紋紋路的漸近中心，它常用作讀取指紋和比對(duì)指紋時(shí)的參考點(diǎn)。如手沾油漆、血液、墨水等物品轉(zhuǎn)印而成，通常都是印在指紋卡上成為基本資料； 第二類是成型紋，這 是指在柔軟物質(zhì)，如手接觸壓印在蠟燭、黏土上發(fā)現(xiàn)的指紋； 第三類是潛伏指紋，這類指紋是經(jīng)身體自然分泌物如汗液，轉(zhuǎn)移形成的指紋紋路，目視不易發(fā)現(xiàn)，是案發(fā)現(xiàn)場(chǎng)中最常見(jiàn)的指紋。具體的章節(jié)和各章的內(nèi)容安排如下： 第一章：在介紹本論文的課題背景和意義，并簡(jiǎn)述了生物識(shí)別和指紋識(shí)別技術(shù)，以及指紋識(shí)別研究現(xiàn)狀，確定了本文所做的主要工作。 20世紀(jì) 80年代，個(gè)人電腦、光學(xué)采集技術(shù)的發(fā)展，使他們成為取像的工具，從而使指紋識(shí)別在其他領(lǐng)域得以應(yīng)用，比如代替 IC卡。由于每個(gè)人的指紋不同，就是同一人的十指之間，指紋也有明顯區(qū)別，因此指紋可用于身份鑒定。指紋含有天然的密碼信息， 其具有作為密碼信息必須具備的三個(gè)重要性質(zhì)： ①?gòu)V泛性，每個(gè)人都有自己的指紋，很普遍。通過(guò)二者的通信完成對(duì)指紋的采集，錄入，提取特征值，比對(duì)等功能。這對(duì)于我更好的理解指紋識(shí)別原理和單片機(jī)結(jié)構(gòu)功能很有幫助，這也是選題的意義所在。 視網(wǎng)膜 識(shí)別 視網(wǎng)膜是眼睛 底部的血液細(xì)胞層。嵌入式系統(tǒng)是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的、完整的系統(tǒng)，它不需要連接其他設(shè)備或計(jì)算機(jī)就可以獨(dú)立完成其設(shè)計(jì)的功能，其功能比較單一，如指紋門鎖、 指紋考勤終端等。這種變彎打皺的過(guò)程隨著內(nèi)層組織產(chǎn)生的上層壓力的變化而波動(dòng)起伏，形成凹凸不平的脊紋或皺褶，直到發(fā)育過(guò)程中止，最終定型為至死不變的指紋。 （ 2）指?。? 指頭 凹凸紋 線與承受客體接觸時(shí)留下的痕跡。 (iii)分歧點(diǎn)：兩條平行的紋路在此分開(kāi)。最后通過(guò)計(jì)算機(jī)模糊比較的方法，把兩個(gè)指紋模板進(jìn)行比較，計(jì)算他們的相似度，最終得到這兩個(gè)指紋的匹配結(jié)果。一般的圖像處理過(guò)程是：增強(qiáng)濾波、二值化和細(xì)化 [10]。前二者匹配速度快，對(duì)圖像要求不高，但是忽略了細(xì)節(jié)點(diǎn)特征，因此正確性不高。和同類指紋產(chǎn)品相比， FM180 指紋識(shí)別設(shè)備 具備下列特色： ● 指紋適應(yīng)性強(qiáng) 指紋圖像讀取過(guò)程中，采用自適應(yīng)參數(shù)調(diào)節(jié)機(jī)制，使干濕手指都有較好的成像質(zhì)量，適用人群更廣泛。（顏色：黑） 15 圖 7 FM180實(shí)物圖 FM180 在 FLASH 中開(kāi)辟了一個(gè) 512 字節(jié)的存 儲(chǔ)區(qū)域作為用戶記事本，該記事本邏輯上被分成 16 頁(yè)，每頁(yè) 32 字節(jié)。 功能描述 基于單片機(jī)的指紋識(shí)別系統(tǒng)是由 STC12C5A60S2 MCU 處理器、