【文章內(nèi)容簡介】 圖 3 指紋圖像的二值化及細化結(jié)果 從分割后的二值化處理圖像中，我們可以看到，整個灰度變成了黑白的二值圖像圖，圖像的條紋比較清楚，它的實現(xiàn)有助于壓縮數(shù)據(jù)量和細化的實現(xiàn)。 細化將黑白二值圖像細化成了單個像素帶寬的指紋圖像，由于模板的選擇不同， 上圖中的細化圖像一定程度上存在毛刺、分叉、斷點等不理想的情況。所以在特征提出前還需稍加處理，細化好的模板選擇可以提高圖片的質(zhì)量和細化運算的速度。 8 . 指紋圖像的特征提取 . 指紋特征提取概述 特征提取就是對細化后的指紋圖像提取表示其特征的信息的操作。前面所敘述的指紋圖像預(yù)處理目的就是為指紋的特征提取和最終識別建立一個良好的基礎(chǔ)，以保證整個系統(tǒng)識別率比較高。對于自動指紋識別技術(shù)而言，選擇一種合適的、能表達指紋唯一性的特征量是非常關(guān)鍵的。一般說來，這種特征應(yīng)有以下性質(zhì)： (1) 單一性：要求這種特征能夠充分體現(xiàn)指紋的唯一性。 (2) 可測試性：適用于指紋匹配算法，便于在匹配算法中應(yīng)用。 (3) 緊湊性：要求提取的特征不應(yīng)包含指紋唯一性以外的冗余信息，并且信息量要盡量小，便于存儲、管理和計算。 (4) 魯棒性：要求這種特征對噪聲的存在與指紋形變不敏感。 對于特征點提取的常用算法很多，如： (1) 基于二值化的特征提取方法：這種算法對于預(yù)處理和增強后得指紋圖像進行二值化，然后再提取特征點。 (2) 基于直接灰度的特征提取方法：這種方法直接從灰度圖像出發(fā)，通過分析圖像的紋理屬性和拓撲結(jié)構(gòu)提取特征點。 (3) 基于細化圖像的特征提取方法：這種方法是將指紋圖像處理后得到細化圖像，通過細 化圖像提取特征點。 為了比較兩個指紋是否相同，需要從指紋圖像中提取出能表示指紋唯一性的特征。 Galton 提出的指紋細節(jié)點是人工指紋匹配中最常用的特征。指紋由脊線和谷線交替構(gòu)成，在大多數(shù)地方紋線連續(xù)且相互平行，而某些局部不連續(xù)的地方構(gòu)成了細節(jié)點。 Galton 定義了 4 種細節(jié)點類型：分叉點，端點，環(huán)、島，并指出細節(jié)點具有唯一性，可以用于指紋匹配。 目前已定義的特征類型己達 150 多種，但是這些擴展的特征往往不易提取相互區(qū)分，并且它們都可以由端點和分叉點的組合進行描述，這使得端點和分叉點成為最常用的結(jié)構(gòu)特征，也稱為細 節(jié)特征，它被認為是最穩(wěn)定、最容易檢查的，而且占全部特征點的 80％以上。提取出的特征點還必須經(jīng)過偽特征點的去除，盡可能地去除掉由于二值化、細化處理等過程引入的偽特征點。最后確定出特征點的類型、位置、方向。 . 指紋特征提取和去偽特征 目前在細化二值圖像中提取細節(jié)特征多是用 8 鄰域法，該方法比較簡單，在得到可靠的細化二值圖像后，只需要一個 3 3 的模板便可將端點和分叉點提取 9 出來。對于細化二值圖像，像素點的灰度值只有兩種情況。 在提取指紋圖像的細節(jié)特征中，由于圖像質(zhì)量和噪聲的干擾，存在大量的偽特征點，實驗表明一幅質(zhì)量較差 的圖像在經(jīng)過預(yù)處理，細節(jié)特征提取后可能產(chǎn)生多達一兩萬個細節(jié)特征點，其中包含了大量的偽特征點，這些偽特征點的存在，不但使匹配的速度大大降低，還使指紋識別性能急劇下降，造成識別系統(tǒng)的拒真率和誤識率的上升，因此在進行指紋匹配之前，應(yīng)對細節(jié)特征進行驗證，盡可能將偽特征點去除，同時保留真特征點。 圖 4 通過判斷后得到的特征點分布圖 這個特征點分布結(jié)果圖包含了特征點和偽特征點。在匹配前還需對毛刺、小橋等偽特征點加以識別和處理，這樣有助于后面匹配的進行，使匹配更加精確無誤和快速。 . 指紋圖像的匹配 指紋匹配要解決的是 對兩幅給定指紋圖像的特征模式進行比對，判斷這兩幅圖像是否來自同一個人的同一手指。指紋匹配是自動指紋識別的最后一步，也是非常關(guān)鍵的一步。 指紋圖像匹配方面，主要有基于圖像，脊線結(jié)構(gòu)和特征點的方法?；谔卣鼽c的匹配算法具有簡單、快速、魯棒性等優(yōu)點。目前最為常用的方法是 FBI 提出的細節(jié)點坐標模型來做細節(jié)匹配。它利用脊線上的端點和分叉點這兩種關(guān)鍵點來鑒定指紋。通過將細節(jié)點表示為點模式，一個指紋識別問題可以轉(zhuǎn)化為一個點模式匹配問題。點匹配算法是通過某些變換，如平移變換、旋轉(zhuǎn)變化、伸縮變換，可以把兩個點集中的對應(yīng)點匹配 起來。 10 3. 硬件系統(tǒng)設(shè)計 . 系統(tǒng)總體設(shè)計 . 系統(tǒng)功能簡述 本系統(tǒng)是針對指紋采集、識別模塊開發(fā)出的指紋識別系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用指紋模塊搜索手指，一旦搜索到手指，立即采集指紋圖像，并將采集到的圖像轉(zhuǎn)化成數(shù)據(jù)的形式發(fā)送出去。它利用人體指紋各異性和不變性，為用戶提供加密手段，使用時只需將手指平放在指紋采集儀的采集窗口上，即可完成采集任務(wù)，并將顯示出指紋模塊采集指紋圖像各個流程及比對的結(jié)果。簡單的描述本次設(shè)計的功能即使用指紋模塊檢測、錄入指紋，將比對結(jié)果顯示。 該系統(tǒng)的主要功能有以下幾個方面： (1) 指紋錄入。能進行指紋的錄入， 二次錄入無誤后，記錄該指紋數(shù)據(jù)。 指紋圖像通過專門的指紋采集儀采集 。 (2) 指紋識別。能進行指紋的識別，指紋識別出錯時，報警提示。圖像采集完成后，與庫中已存在指紋進行對比，與所有有權(quán)限用戶信息對比后，若無相符信息即提示報警。 (3) 指紋管理。能進行指紋數(shù)據(jù)的管理，添加和刪除指紋數(shù)據(jù)。對添加到庫中的用戶指紋進行權(quán)限管理，設(shè)置最高權(quán)限用戶，并能夠?qū)ζ溥M行添加和刪除管理。 (4) 操作顯示。通過按鍵進行指紋系統(tǒng)的功能選擇，采用數(shù)碼管與 LED（ Light Emitting Diode，發(fā)光二極管 ）指示燈綜合提示操作內(nèi)容。若信息經(jīng)核對相符 ，即提示該用戶擁有權(quán)限，若不相符，即提示非法操作。 . 系統(tǒng)電路設(shè)計 系統(tǒng)電路框架是根據(jù)設(shè)計任務(wù)要求，對系統(tǒng)所需元件、設(shè)備參數(shù)進行必要的計算，通過認真研究、分析、比較選定設(shè)備型號，再將設(shè)備、元件通過可靠的接口電路聯(lián)系起來構(gòu)成的一個完整的系統(tǒng)。綜合考慮系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性要求，以保證所設(shè)計的系統(tǒng)達到預(yù)期的要求。主控芯片選用 AT89S52 單片機。系統(tǒng)總 體框圖如圖 5 所示： 11 圖 5 系統(tǒng)總體框圖 系統(tǒng)主要由 MCU（ Microcontroller Unit，微程序控制器）、 LED 屏（ Large Electronic Display，大型電子展示 ）、指紋模塊組成。系統(tǒng)的工作過程主要是當檢測到有按鍵按下時先由 MCU 通過串口通信控制指紋模塊對指紋進行采集、錄入、存儲、比對。然后，根據(jù)所得的數(shù)據(jù)對其它接口器件，如顯示屏、蜂鳴器、指示燈進行響應(yīng)操作。 . 系統(tǒng)核心部件單片機 AT89S52 是一種低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 系統(tǒng)可編程Flash 存儲器。使用 Atmel 公司高密度非 易失性存儲器 技術(shù)制造，與工業(yè) 80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上 Flash 允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng)可編程 Flash，使得AT89S52 為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 AT89S52具有以下標準功能： 8K 字節(jié) Flash， 256 字節(jié) RAM， 32 位 I/O 口線，看門狗定時器， 2 個數(shù)據(jù)指針，三個 16 位定時器 /計數(shù)器，一個 6 向量 2 級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及 時鐘電路 。 另外， AT89S52 可降至 0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持 2 種 軟件 可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下， CPU 停止工作，允許 RAM、定時器 /計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下， RAM 內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。 AT89S52 引腳圖如圖 6，其主要引腳功能介紹如下： AT89S52 單片機 數(shù)碼 顯示管 指紋模塊 獨立按鍵 指示燈 蜂鳴器 電源、時鐘電路 12 圖 6 AT89S52引腳圖 P0 口： P0 口是一個 8 位漏極開路的雙向 I/O 口。作為輸出口，每位能驅(qū)動8 個 TTL 邏輯電平。對 P0 端口寫 “ 1” 時，引腳用作高阻抗輸入。當訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器時， P0 口也被作為低 8 位地址 /數(shù)據(jù)復(fù)用。在這種模式下， P0不具有內(nèi)部上拉電阻。在 FLASH 編程時， P0 口也用來接收指令字節(jié)；在程序校驗時，輸出指令字節(jié)。程序校驗時，需要外部上拉電阻。 P1 口： P1 口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， p1 輸出緩沖器能驅(qū)動 4 個 TTL 邏輯電平。對 P1 端口寫 “ 1” 時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可 以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（ IIL）。 此外， 和 分別作定時器 /計數(shù)器 2 的外部計數(shù)輸入（ ）和定時器 /計數(shù)器 2 的觸發(fā)輸入（ ） 在 FLASH 編程和校驗時， P1 口接收低 8 位地址字節(jié)。 端口引腳第二功能： T2（定時器 /計數(shù)器 T2 的外部計數(shù)輸入），時鐘輸出 T2EX（定時器 /計數(shù)器 T2 的捕捉 /重載觸發(fā)信號和方向控制） MOSI（在 系統(tǒng)編程 用） MISO（在系統(tǒng)編程用） SCK（在系統(tǒng)編程用） P2 口： P2 口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 輸出緩沖器能驅(qū)動 4 個 TTL 邏輯電平。對 P2 端口寫 “1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因， 13 將輸出電流（ IIL）。在訪問外部程序存儲器或用 16 位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行 MOVX @DPTR）時， P2 口送出高八位地址 。在這種應(yīng)用中， P2口使用很強的內(nèi)部上拉發(fā)送 1。在使用 8 位地址（如 MOVX @RI）訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時， P2 口輸出 P2 鎖存器的內(nèi)容。在 flash 編程和校驗時， P2 口也接收高 8 位地址字節(jié)和一些控制信號。 P3 口： P3 口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P3 輸出緩沖器能驅(qū)動 4 個 TTL 邏輯電平。對 P3 端口寫 “1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（ IIL）。 P3 口亦作為 AT89S52 特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。在 FLASH 編程和校驗時， P3 口也接收一些控制信號。 端口引腳第二功能： RXD(串行輸入口 ) TXD(串行輸出口 ) INTO(外中斷 0) INT1(外中斷 1) TO(定時 /計數(shù)器 0) T1(定時 /計數(shù)器 1) WR(外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通 ) RD(外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通 ) 此外， P3 口還接收一些用于 FLASH 閃存 編程和程序校驗的控制信號。 RST：復(fù)位輸入。當振蕩器工作時， RST 引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平將是單片機復(fù)位。 ALE/PROG：當訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時， ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低 8 位字節(jié)。一般情況下， ALE 仍以時鐘振蕩頻率的1/6 輸出固定的脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是：每當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時將跳過一個 ALE 脈沖。對 FLASH 存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（ PROG）。如有必要，可通過對特殊功能寄存器（ SFR）區(qū)中的 8EH 單元的 D0 位置位，可禁止 ALE 操作。該位置位后，只有一條 MOVX和 MOVC 指令才能將 ALE 激活。此外，該引腳會被微弱拉高，單片機執(zhí)行外部程序時，應(yīng)設(shè)置 ALE 禁止位無效。 PSEN：程序儲存允許（ PSEN）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當AT89S52 由外部程序存儲器取指令（或數(shù)據(jù)）時，每個機器周期兩次 PSEN 有效，即輸出兩個脈沖，在此期間，當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，將跳過兩次 PSEN 信號。 EA/VPP：外部訪問允許，欲使 CPU 僅訪問外部程序存儲器（地址為 14 0000HFFFFH）， EA 端必須保持低電平（接 地）。需注意的是：如果加密位 LB1被編程，復(fù)位時內(nèi)部會鎖存 EA 端狀態(tài)。如 EA 端為高電平（接 Vcc 端）， CPU則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器的指令。 FLASH 存儲器編程時，該引腳加上 +12V 的編程允許電源 Vpp，當然這必須是該器件是使用 12V 編程電壓 Vpp。 XTAL1：振蕩器反相放大器和內(nèi)部時鐘發(fā)生電路的輸入端。 XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。 此外，片上資源包括看門狗定時器、 UART、定時器 0 和定時器 1，以及定時器 2。 . 其他模塊電路 . 電源模塊 整個模塊采用 USB 供電，以按鍵式開關(guān)啟動或關(guān)閉電源。當按下電源鍵 時，電源開啟，電源指示燈點亮。 圖 7 電源模塊電路 . 時鐘模塊 時鐘電路用來產(chǎn)生單片機工作所需要的時鐘信號，單片機本身就是一個復(fù)雜的同步時序電路，為了保證同步工作方式的實現(xiàn)，電路應(yīng)在唯一的時鐘信號控制下嚴格地按時序進行工作。通過在芯片的外部 XTAL1 和 XTAL2 兩個引腳跨接晶體振蕩器和微調(diào)電容，形成反饋電路，就構(gòu)成了一個穩(wěn)定的自激振蕩電路。時鐘電路為單片機產(chǎn)生時鐘脈沖序列，本設(shè)計中采用的晶振頻率為 ，電容為 3