【文章內(nèi)容簡介】 花紋的隆線。 （ 4）谷線： 兩個脊線之間低陷的部分。 （ 5）細節(jié)特征： 指紋中出現(xiàn)的各種特征，例如最常用的就是脊線端點和分叉點。 （ 6）細節(jié)特征點間脊線數(shù)：在兩個細節(jié)特 征之間畫一 條直線，與這條直線相交的脊線數(shù)目，就叫細節(jié)特征間脊線數(shù)。這些脊線 具有平移、旋轉不變性，是指紋識別系統(tǒng)中經(jīng)常利用的一個重要特征。 （ 7）中心點： 指紋中心點定義為最內(nèi)層弧狀脊線的上頂點，當最內(nèi)層脊線的上凸 出的 部出現(xiàn)分枝點時，將分枝點定義為中心點；當最內(nèi)層脊線不是弧狀而是一條線時，則脊線的上端點定義為中心點；當這種脊線不是一條，而是多條時，定義為最左邊一條脊線的上端點為中心點。 指紋特征可以分為全局特征、局部特征和細微特征。全局特征包括： (i)基本紋路圖案：基本紋路圖案通常分為左箕型、右箕型、斗型 、拱型和尖拱型，如圖 2 6 （ 1） 左箕型 （ 2）右箕型 （ 3）斗型 （ 4）拱型 （ 5）尖拱型 圖 2 各種類型的指紋 （ ii）模式區(qū)： 模式區(qū)是指紋圖像上包含了總體特征的區(qū)域，從模式區(qū)上 能夠辨出指紋屬于那種類型。 （ iii）核心點： 核心點位于指紋紋路的漸近中心，它常用作讀取指紋和比對指紋時的參考點。 （ iv）三角點： 三角點是指紋圖像中三角形紋路區(qū)域的中心點，離該點最近的三條指紋紋線構成一個近似等邊三角形，三角點提供了指紋紋路計數(shù)和跟蹤的起始位置 。 核心點和三角 點統(tǒng)稱為奇異點。 （ v）紋數(shù)： 作為全局特征，紋數(shù)一般是指模式區(qū)內(nèi)指紋紋路的數(shù)量。也有些算法用某兩個點之間的紋路數(shù)作為指紋特征，比如兩個節(jié)點之間的紋路數(shù) 。 局部特征包括： (i)端點：一條紋路在此終結。 (ii)分叉點：一條紋路在此分成兩條或多條紋路。 (iii)分歧點：兩條平行的紋路在此分開。 (iv)孤立點：一條特別短的紋路，以至于成為一點。 (v)短紋：一條較短但不至于成為一點的紋路。 (vi)環(huán)點：一條紋路分成兩條后又立即合成一條，這樣形成的一個小環(huán)稱為環(huán)點。 (vii)橋：兩條并行的紋路在此被 搭接起來。 (viii)曲率：紋路方向改變的速度。 如圖 3 7 圖 3 基本紋路圖案 自動指紋識別原理 指紋是手指末端皮膚上的凹凸不平的紋路，這些紋路的存在不僅增加皮膚表面的摩擦力，使我們能夠拿起物品，而且指紋本身蘊含大量信息。指紋在圖案、端點和交叉點上各不相同的，也就是“特征”，這些特征每個人每個手指都不相同，根據(jù)指紋的唯一性和可靠性，我們就把一個人和他的指紋一一對應起來，通過比對指紋特征和預先保存的指紋特征，就可以驗證他的身份。 自動指紋識別是通過取 像 設備采集指紋圖像，然后利用 計算機技術提取指紋的特征數(shù)據(jù)，最后通過匹配算法進行比對識別。 自動識別技術主要涉及指紋圖像采集、指紋圖像預處理 [8]、特征提取 [7]、數(shù)據(jù)保存、指紋特征值的比對等過程。首先通過指紋采集設備采集到人的指紋圖像，并對原始的圖像進行簡單的處理，是指紋圖像的特征信息更清晰明顯。然后，指紋特征提取算法建立指紋的特征數(shù)據(jù)，這是不可逆的轉換，可以從指紋圖像轉換到特征數(shù)據(jù)，但不可以從特征數(shù)據(jù)轉換到指紋圖像，兩枚不同的指紋產(chǎn)生不同的特征數(shù)據(jù)。特征文件存儲從指紋上找到“細節(jié)點”，也就是指紋脊線的分叉點或末梢點。有的算法把 特征 點 和方向信息組合產(chǎn)生更多的數(shù)據(jù)，這些信息反映了特征點之間的關系，也有的算法處理整個指紋圖像。這些數(shù)據(jù)通常稱為模板。不管他們是怎么組成的，至今仍然沒有一種模板的標準，也沒有公布一種抽象的算法。最后通過計算機模糊比較的方法，把兩個指紋模板進行比較，計算他們的相似度，最終得到這兩個指紋的匹配結果。 8 指紋識別系統(tǒng) 一個完整的指紋識別過程可分為：指紋采集、指紋圖像的預處理、特征提取和指紋匹配幾部分 [6]，如圖 4： 圖 4指紋識別過程 指紋采集 指紋由圖像輸入設備轉化成數(shù)字信息，并將其保存在機器內(nèi)部 的過程。 圖像輸入設備是指紋識別系統(tǒng)的先導硬件，它具有圖像輸入和數(shù)字化雙重功能 。目前市場常見的指紋采集可以分為光學式取 像設備、電容式取像 設備和超聲掃描。 光學式取 像 設備是根據(jù)指紋紋理和全反射原理（ FTIR）設計的。指紋紋路有凹凸部分即谷、脊。當光線照在玻璃表面時，由于玻璃表面壓有指紋，射到紋路 凹 的 部分 光線發(fā)生全反射，反射光線由 CCD獲得；而射到紋路凸的光線不發(fā)生全反射，由于脊和玻璃表面接觸就吸收或者散射到其他地方，這樣在 CCD上就形成了指紋圖像。而另外一種光學取 像 設備則是利用微型三棱鏡，把他安裝在彈性的平面 上，當手指按在上面由于脊谷壓力不同，而改變微型棱鏡的表面。最后通過棱鏡反射出來。 電容式取 像 設備則是由在半導體金屬上集合了上萬甚至十萬個電容傳感器。當手指放在它上面時構成了電容傳感器的另一面，由于指紋凹凸距離半導體不同而造成電容值不同，把電容值轉化為電壓值并記錄下來就能得到指紋的灰度圖像。由于傳感器容易受到靜電干擾，易損壞，不如光學式的經(jīng)用耐磨。 超聲波掃描原理是發(fā)射超聲波到指紋表面即掃描，然后再有接收設備獲取反射回來的信號，由于指紋的谷脊的阻抗不同造成接收回來的能量不同，測量后就可得到指紋的灰度圖像。超聲 波掃描得到的指紋圖像是指紋的真實圖像， 9 應用起來 方面，不受指紋上的油脂和贓物的影響，但是設備價格非常昂貴。 下表是各種取 像 設備的性能比較： 取 像 設備比較表 比較項目 光學取像設備 電容時傳感器 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 各種指紋采集設備比較 圖像處理 在指紋采集的過程中，不可能避免噪聲的影響，圖像中的斷點， 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。圖像處理的目的就是利用信號處理技術剔 除圖像中得各種噪聲，把它轉化為圖像清晰的二值化 圖像，以便提取正確的特征信息。一般的圖像處理過程是：增強濾波、二值化和細化 [10]。 增強濾波：通過濾波的方法消除指紋圖像中的干擾噪聲。普通的濾波方法如低通濾波、邊緣增強等對噪聲的濾除效果不是很好。因為指紋紋線具有一定的方向和頻率，在頻域看來就是紋線頻譜處于某一 特定的位置和方向上。因此可以選用帶通濾波器。目前主流的圖像增強濾波算法都是基于這一原理。 二值化：就是把原始的灰度圖像轉化成只有黑白兩種顏色的圖像，目前二值化的方法有兩種：固定門限和動態(tài)門限。前者整個圖像采用一個門限，對輸入圖像要求高，要求圖像灰度均衡；后者則是根據(jù)不同區(qū)域選用不同門限，對輸入圖像要求不高。 細化 [10]：就是把經(jīng)過前面處理的指紋圖像的脊的寬度降到最小，去除紋線上的毛刺，從而減少因為毛刺生成的偽交叉點和斷點。 特征提取 指紋的特征包括了全局特征和局部細節(jié)特征 [9]。全局特征表述了指 紋紋線的走向，主要表現(xiàn)在奇異點，就是紋線方向變化較大的點，就是三角點和核心點，他們比起細節(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)。局部細節(jié)特征主要包括了端點和分叉點，目前主要的提取方法分三類： 從細化圖像上提?。喊阎讣y圖像二值化、細化后，分析指紋紋線‘骨架’上 8個相鄰的像素點取值來判斷細節(jié) 點 的類型和位置，再通過該點和紋線的連線 10 來計算其方向。 從灰度圖像上提取 [13]：在經(jīng)過增強濾波的灰度圖像上，選取起始點，根據(jù)指紋方向卻定追蹤步長。每前進一段距離，在追蹤發(fā)向的垂直線段上的灰度投影確定紋線位置， 當遇到端點和分叉點時停止并記錄。 從二值圖像上提?。涸诙祱D像上從上到下，從左到右逆時針檢測像素變化以追蹤脊線位置，當像素之間的角度變化大于閥值時則認為遇到了端點或者分叉點。 指紋匹配 目前匹配的方法有：圖像相關匹配、紋理特征匹配、紋線匹配和細節(jié)點匹配 [12]。前二者匹配速度快，對圖像要求不高，但是忽略了細節(jié)點特征，因此正確性不高。紋線匹配需要大量的特征信息，因此匹配速度慢，模板容量大。細節(jié)特征匹配充分利用了指紋在細節(jié)點上的差異，因此簡單準確得到了廣泛的應用。 細節(jié)點匹配通常把匹配模板和待匹配的細 節(jié)點集對齊，設定匹配規(guī)則，統(tǒng)計二者對應的細節(jié)點相同的個數(shù)來衡量他們的相似度。但是這種方法對細節(jié)的位移，旋轉，形變較為敏感。細節(jié)點匹配的難點有： ①細節(jié)點提取過程中會產(chǎn)生虛假細節(jié)點、丟失真細節(jié)點，并且細節(jié)點的位置，方向可能有偏差。 ②指紋圖像存在平移和旋轉，需要尋找參考依據(jù)以便特征對齊。 ③指紋采集過程中由于壓力不均，造成圖像的扭轉，拉伸和形變。 ④指紋之間的重合區(qū)域小 ， 相同指紋的細節(jié)點對應關系難以確定。 第 3 章 指紋識別系統(tǒng)硬件設計 相關器件介紹 STC12C5A60S2 的結構與特點 STC12C5A60S2單片機是 STC生產(chǎn)的單時鐘 /機器周期的單片機，是高速 /低功耗 /超強抗干擾的新一代 8051單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051，但速度快 812 倍。內(nèi)部集成 MAX810 專用復位電路， 2 路 PWM， 8 路高速 10 位 A/D 轉換，針對電機控制，強干擾場合。 8051 CPU， 1T，單時鐘 /機器周期，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051； ： STC12C5A60S2 系列工作電壓： （ 5V單片機） ： 0 35MHz，相當于普通 8051的 0～ 420MHz； 8K /16K / 20K / 32K / 40K / 48K / 52K / 60K / 62K字節(jié)； 11 1280 字節(jié) RAM； I/O 口（ 36/40/44 個），復位后為：準雙向口 /弱上拉（普通 8051傳統(tǒng) I/O口），可設置成四種模式：準雙向口 /弱上拉，推挽 /強上拉，僅為輸入/高阻，開漏，每個 I/O 口驅動能力均可達到 20mA，但整個芯片最大不要超過55 mA； 7. ISP（在系統(tǒng)可編程） /IAP（在應用可編程），無需專用編程器，無需專用仿真器 可通過串 口（ ）直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成一片； EEPROM功能 (STC12C5A62S2/AD/PWM 無內(nèi)部 EEPROM)； 9. 看門狗； MAX810 專用復位電路（外部晶體 12M 以下時，復位腳可直接 1K電阻到地）； :在 口有一個低壓門檻比較器， 5V 單片機為，誤差為 +/5%, 單片機為 ，誤差為 +/3%； ：外部高精度晶體 /時鐘，內(nèi)部 R/C振蕩器 (溫漂為 +/5%到 +/10%以內(nèi) ) 1用戶在下載用 戶程序時，可選擇是使用內(nèi)部 R/C振蕩器還是外部晶體 /時鐘，常溫下 內(nèi)部 R/C 振蕩器頻率為： 單片機為： 11MHz～ ， 單片機為： 8MHz～ 12MHz，精度要求不高時，可選擇使用內(nèi)部時鐘，但因為有制造誤差和溫漂，以實際測試為準； 4個 16位定時器 兩個與傳統(tǒng) 8051 兼容的定時器 /計數(shù)器 ,16位定時器 T0和 T1，沒有定時器 2，但有獨立波特率發(fā)生器 做串行通訊的波特率發(fā)生器 再加上 2 路 PCA模塊可再實現(xiàn) 2個 16位定時器； 14. 2個時鐘輸出口，可由 T0的溢出在 ，可由 T1的溢出在 ； I/O口 7路 ,傳統(tǒng)的下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷 ,并新增支持上升沿中斷的 PCA 模塊， Power Down 模式可由外部中斷喚醒，INT0/,INT1/,T0/, T1/, RxD/,CCP0/(也可通過寄存器設置到 ), CCP1/ (也可通過寄存器設置到 )； 16. PWM(2路） /PCA（可編程計數(shù)器陣列 ,2路）： —— 也可用來當 2路 D/A使用 —— 也可用來再實現(xiàn) 2個定時器 —— 也可用來再實現(xiàn) 2個外部中斷 (上升沿中斷 /下降沿中斷均可分別或同時支持 )； , 10 位精度 ADC，共 8路，轉換速度可達 250K/S(每秒鐘 25萬次 ) (UART)，由于 STC12系列是高速的 8051，可再用 12 定時器或 PCA軟件實現(xiàn)多串口； 19. STC12C5A60S2 系列有雙串口，后綴有 S2 標志的才有雙串口，RxD2/(可通過寄存器設置到 )， TxD2/(可通過寄存器設置到)； ： 40 +85℃ (工 業(yè)級 ) / 0 75℃ (商業(yè)級 )：PDIP40,LQFP44,LQFP48 I/O 口不夠時，可用 2 到 3 根普通 I/O 口線外接 74HC164/165/595（均可級聯(lián)）來擴展 I/O口 , 還可用 A/D做按鍵掃描來節(jié)省I/O口，或用雙 CPU,三線通信，還多了串口。 圖 5 STC12C5A60S2管腳圖 STC12C5A60S2 單片機的內(nèi)部結構框圖如圖 6 所