【文章內(nèi)容簡介】 一般包括圖像增強(qiáng)、濾波、二值化、細(xì)化等步驟。預(yù)處理的方法通常為：先求方向圖，后求頻率圖，最后由此得到的Gabor濾波器對圖像進(jìn)行濾波。圖像增強(qiáng)是指紋圖像預(yù)處理需要解決的核心問題，指紋圖像增強(qiáng)的主要目的是為了消除噪聲，改善圖像質(zhì)量，便于特征提取。由于指紋紋理由相間的脊線和谷線組成。這些紋理蘊(yùn)涵了大量的信息，如紋理方向、紋理密度等等。在指紋圖像的不同區(qū)域，這樣的信息是不同的。指紋圖像增強(qiáng)算法就是利用圖像信息的區(qū)域性差異來實(shí)現(xiàn)的。傳統(tǒng)的指紋圖像增強(qiáng)就是利用圖像的紋理方向信息，構(gòu)造方向?yàn)V波器模板來實(shí)現(xiàn)濾波的。濾波器構(gòu)造的簡單性和指紋圖像復(fù)雜性的矛盾限制了其作用的有效性。本系統(tǒng)中采用的是參考了指紋圖像紋理頻率信息，并且以GABOR變換這個能夠同時對圖像局部結(jié)構(gòu)的方向和空域頻率進(jìn)行解析的最優(yōu)濾波器作為濾波器的模板，因而極大的改善了增強(qiáng)算法的效果。 脊線方向的計(jì)算除奇異區(qū)外，指紋圖像在一個足夠小的區(qū)域內(nèi)，紋理近似于相互平行的直線，這就是指紋圖像的方向性特征。方向性特征是指紋圖像中最為明顯的特征之一，它以簡化的形式直觀的反映指紋圖像的基本形態(tài)特征，因而被廣泛應(yīng)用于指紋圖像的分類、增強(qiáng)、特征提取等方面。提取脊線方向方法為：(1)將指紋圖像分割成足夠小的子塊，以滿足塊中紋理近似平行的條件。(2)對一個子塊中的每一個點(diǎn)P(s,t)(s,t=0,1,w1)，利用sobel算子分別計(jì)算其x方向梯度和y方向梯度。(3)利用下面的公式計(jì)算每個子塊的方向θ(m,n)。其公式為： 脊線頻率的計(jì)算指紋紋理除了具有穩(wěn)定的方向性特征外，還具有穩(wěn)定的頻率性特點(diǎn)。在指紋圖像的一個局部區(qū)域內(nèi)，脊線和谷線的紋理走向平行，同時沿脊谷方向的灰度分布近似于正弦包絡(luò)。脊線頻率被定義為兩條脊線之間間距的倒數(shù)。通過定位該包絡(luò)中極大、極小值點(diǎn)，就能得到相應(yīng)的脊線間距和谷線間距，進(jìn)而計(jì)算出脊線頻率。如果方向窗口內(nèi)沒有細(xì)節(jié)點(diǎn)和單點(diǎn),X[k]形成一個離散正弦波,這個正弦波的頻率即為脊線和谷線交替的頻率。在求取正弦波峰峰間距之前,對其進(jìn)行一次低通濾波,可消除混疊的毛刺噪聲。設(shè)子塊B(m,n)的脊線間距為 λ(m,n),脊線頻率f(m,n)，其中0≦mM,0≦nN,f(m,n)=1/λ(m,n)。 指紋圖像的濾波在指紋處理中用到濾波器，主要在于去除圖像噪聲，增強(qiáng)圖像質(zhì)量，即增強(qiáng)指紋脊與谷的對比度，修補(bǔ)圖像——連接脊中出現(xiàn)的斷點(diǎn)、去除圖像中的叉連現(xiàn)象。Gabor濾波器可以在空域和頻域上獲得最佳的分辨率,具有良好的帶通性和方向選擇性。利用Gabor濾波器的參數(shù)可利用指紋的方向性和紋理性，用Gabor濾波器來作為帶通濾波器，去除噪音，增強(qiáng)脊谷結(jié)構(gòu)。這種算法難點(diǎn)在于需要計(jì)算圖像的頻率圖——將指紋圖像看成由脊和谷組成的周期圖像，在每一個局部領(lǐng)域內(nèi)都會有一個相對固定準(zhǔn)確的頻率。Gabor函數(shù)是唯一能達(dá)到時頻測不準(zhǔn)關(guān)系下界的函數(shù)二維表示： Gabor函數(shù)是二維高斯函數(shù)在空間頻率域的平移函數(shù),σx,σy為對應(yīng)于X方向和Y方向的角頻率平移參數(shù)。二維Gabor函數(shù)的實(shí)部和虛部可各自表示為一個函數(shù),分別稱為偶Gabor和奇Gabor函數(shù)。偶Gabor函數(shù)適于增強(qiáng)目標(biāo)物體,而奇Gabor函數(shù)適于增強(qiáng)物體邊緣。GABOR變換由于具有最佳時域和頻域連接分辨率的特點(diǎn)，能夠同時對圖像局部結(jié)構(gòu)的方向和空域頻率進(jìn)行解析，可以很好地兼顧指紋圖像的脊線方向和脊線頻率信息。本系統(tǒng)中采用GABOR濾波器函數(shù)的實(shí)部作為模板，以與子塊紋線方向垂直的方向作為濾波器方向，以脊線頻率作為濾波器頻率來構(gòu)建濾波器。濾波過程如下式所示： 其中，G(s,t)為原始圖像灰度，G(s,t)是GABOR濾波后的圖像灰度，W為濾波器模板大小，S為模板系數(shù)和，θ為子塊的域方向值。需要注意的是GABOR濾波器中的θ與指紋文理方向垂直。對σX和σV的取值需要進(jìn)行折衷，取值越大，則濾波器的抗噪性能越好，但也容易聲成假的脊線。這里取σX =4和σV =6。二值化是指紋圖像預(yù)處理中必不可少的一步。常用的二值化方法有固定閥值法、自適應(yīng)閥值法、局部自適應(yīng)閥值法等，這些方法僅僅利用了圖像的灰度信息，對指紋圖像的二值化效果很不理想；現(xiàn)有的大部分指紋圖像預(yù)處理方法都是經(jīng)過濾波處理后再進(jìn)行二值化，這樣就需要對圖像進(jìn)行兩次掃描，不利于處理速度的提高。將指紋圖像自身的方向結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與源圖像灰度值變化特點(diǎn)結(jié)合起來，確定對圖像中每一像素點(diǎn)二值化的動態(tài)閥值。這種方法取代了一般指紋圖像預(yù)處理中無效區(qū)域分割、濾波、增強(qiáng)、二值化等步驟，一次完成圖像的二值化功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明，該方法得到的二值化圖像能夠基本保持源圖像上的特征點(diǎn)不丟失，確保了以后的特征提取和比對的正確性和可靠性。指紋圖像二值化后，紋線仍具有一定的寬度，而指紋識別只對紋線的走向感興趣，不關(guān)心它的粗細(xì)。為了進(jìn)一步壓縮數(shù)據(jù)，得到更精確的細(xì)節(jié)特征，提高識別的準(zhǔn)確性，對指紋圖像進(jìn)行細(xì)化處理是不可忽略的。所謂細(xì)化，就是從原來的圖中去掉一些點(diǎn)，但仍要保持原有的形狀。實(shí)際上，是保持原圖的骨架。指紋圖像的細(xì)化是指刪除指紋紋線的邊緣像素，使之只有一個像素寬度，細(xì)化時應(yīng)保證紋線的連接性、方向性和特征點(diǎn)不變，還應(yīng)保持紋線的中心基本不變。 特征提取及其后處理特征提取一般是指提取指紋圖像的局部特征，也就是細(xì)節(jié)點(diǎn)特征。在基于細(xì)節(jié)點(diǎn)的指紋自動識別系統(tǒng)中，特征提取是在細(xì)化后的指紋圖像上進(jìn)行的。特征提取的首要問題是確定細(xì)節(jié)點(diǎn)和它的位置，細(xì)節(jié)點(diǎn)的位置和細(xì)節(jié)點(diǎn)間的相對位置很重要，盡管每個指紋中包括將近80個細(xì)節(jié)，只要確定十幾個細(xì)節(jié)點(diǎn)就己經(jīng)足夠用來識別了。這種方法中鄰域的選取很重要，如果取得比較小，則可能起不到去除假特征點(diǎn)的作用；如果取得比較大的話，則可能將真正的特征點(diǎn)也一并刪去。在具體實(shí)現(xiàn)中，我們?nèi)∑浒霃綖榧箤挼囊话搿γ恳粋€細(xì)節(jié)點(diǎn)，我們記錄如下信息：1．細(xì)節(jié)點(diǎn)的x,y坐標(biāo)。2．細(xì)節(jié)點(diǎn)的方向，這個方向就是該細(xì)節(jié)點(diǎn)所在的塊的塊方向。3．細(xì)節(jié)點(diǎn)的類型，即脊線端點(diǎn)或脊線分叉點(diǎn)。4．細(xì)節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的脊線。細(xì)節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的脊線用該脊線上的采樣點(diǎn)來表示，采樣的距離約為脊線間的平均距離。分叉點(diǎn)對應(yīng)的脊線是與該細(xì)節(jié)點(diǎn)的方向最近的那條，端點(diǎn)對應(yīng)的脊線就是該細(xì)節(jié)點(diǎn)所在的脊線。采樣點(diǎn)用該點(diǎn)與對應(yīng)細(xì)節(jié)點(diǎn)的距離，和連接該點(diǎn)與對應(yīng)細(xì)節(jié)點(diǎn)的直線與對應(yīng)細(xì)節(jié)點(diǎn)方向的夾角來表示，的取值范圍在180到180度之間。下圖給出了細(xì)節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的脊線與脊線上的采樣點(diǎn)的例子。在細(xì)節(jié)匹配中，對應(yīng)脊線將被用來對兩個平面點(diǎn)集進(jìn)行校準(zhǔn)，而且，校準(zhǔn)的參數(shù)，也就是兩個點(diǎn)集中任意一對脊線間的旋轉(zhuǎn)角度，將被用來作為判斷它們所對應(yīng)的細(xì)節(jié)點(diǎn)能否看作匹配的細(xì)節(jié)點(diǎn)的條件。 指紋識別中細(xì)節(jié)點(diǎn)的匹配細(xì)節(jié)匹配一般在極坐標(biāo)系中進(jìn)行，因?yàn)橹讣y圖像的非線性形變往往呈放射狀，在某個區(qū)域內(nèi)的形變比較大，然后非線性地向外擴(kuò)張，因而，在極坐標(biāo)中能更好地描述非線性形變；另外，在極坐標(biāo)中不需要考慮輸入圖像與模板圖像的參照點(diǎn)之間的平移，將一對對應(yīng)點(diǎn)的坐標(biāo)相對于參照點(diǎn)轉(zhuǎn)換為極坐標(biāo)時，平移就被抵消了；還有，在極坐標(biāo)系中顯然比在直角坐標(biāo)系中更便于處理兩幅圖像間的旋轉(zhuǎn)。為了把細(xì)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)移到極坐標(biāo)系中去，需要在模板細(xì)節(jié)點(diǎn)集和輸入細(xì)節(jié)點(diǎn)集中各選一個參照點(diǎn)作為相應(yīng)的極坐標(biāo)系中的原點(diǎn)，并算出其它細(xì)節(jié)點(diǎn)相對于參照點(diǎn)的極坐標(biāo)。由于事先不知道模板點(diǎn)集與輸入點(diǎn)集的對應(yīng)關(guān)系，需要考慮所有可能的參照點(diǎn)對。對模板點(diǎn)集中的每一點(diǎn)和輸入點(diǎn)集中的每一點(diǎn)，定義為將和當(dāng)作參照點(diǎn)對時，從輸入圖像到模板圖像的旋轉(zhuǎn)角度。如果可以被當(dāng)作一對對應(yīng)點(diǎn)，即它們分別對應(yīng)的脊線相似性到了一定程度，則將取0度到360度間的一個值，否則，我們定義取值為400，以表示和不能是一對對應(yīng)點(diǎn)。如果是不同類型的細(xì)節(jié)點(diǎn)，也就是說它們一個是端點(diǎn)，一個是分叉點(diǎn)，則它們不是對應(yīng)點(diǎn)對，取值為400。即表示對應(yīng)的脊線相似性到了一定程度。第4章 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì) 嵌入式系統(tǒng)及單片機(jī)技術(shù) 嵌入式系統(tǒng)簡介嵌入式系統(tǒng)的出現(xiàn)最初是基于單片機(jī)的。70年代單片機(jī)的出現(xiàn)，使得汽車、家電、工業(yè)機(jī)器、通信裝置以及成千上萬種產(chǎn)品可以通過內(nèi)嵌電子裝置來獲得更佳的使用性能：更容易使用、更快、更便宜。這些裝置已經(jīng)初步具備了嵌入式的應(yīng)用特點(diǎn)，但是這時的應(yīng)用只是使用8位的芯片，執(zhí)行一些單線程的程序，還談不上“系統(tǒng)”的概念。 從80年代早期開始，嵌入式系統(tǒng)的程序員開始用商業(yè)級的“操作系統(tǒng)”編寫嵌入式應(yīng)用軟件，這使得可以獲取更短的開發(fā)周期，更低的開發(fā)資金和更高的開發(fā)效率，“嵌入式系統(tǒng)”真正出現(xiàn)了。適合嵌入式應(yīng)用。這些嵌入式實(shí)時多任務(wù)操作系統(tǒng)的出現(xiàn)，使得應(yīng)用開發(fā)人員得以從小范圍的開發(fā)解放出來，同時也促使嵌入式有了更為廣闊的應(yīng)用空間。 90年代以后，隨著對實(shí)時性要求的提高，軟件規(guī)模不斷上升，實(shí)時核逐漸發(fā)展為實(shí)時多任務(wù)操作系統(tǒng)（RTOS），并作為一種軟件平臺逐步成為目前國際嵌入式系統(tǒng)的主流。這時候更多的公司看到了嵌入式系統(tǒng)的廣闊發(fā)展前景，開始大力發(fā)展自己的嵌入式操作系統(tǒng)。除了上面的幾家老牌公司以外，還出現(xiàn)了Palm OS，WinCE，嵌入式Linux，Lynx，Nucleux，以及國內(nèi)的Hopen，Delta Os等嵌入式操作系統(tǒng)。隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展前景日益廣闊，相信會有更多的嵌入式操作系統(tǒng)軟件出現(xiàn)。 單片機(jī)技術(shù)單片機(jī)的全名叫做微型單片處理機(jī),簡稱單片機(jī)，主要用于自動化控制。最早的單片機(jī)是Intel公司的 8048，它出現(xiàn)在1976年。Motorola同時推出了68HC05，Zilog公司推出了Z80系列，這些早期的單片機(jī)均含有256字節(jié)的RAM、4K的ROM、4 個8位并口、1個全雙工串行口、兩個16位定 時 器。之后在80年代初，Intel又進(jìn)一步完善了8048，在它的基礎(chǔ)上研制成功了8051，這在單片機(jī)的歷史上是值得紀(jì)念的一頁，迄今為止，51系列的單片機(jī)仍然是最為成功的單片機(jī)芯片，在各種產(chǎn)品中有著非常廣泛的應(yīng)用。 1．89C51的基本特性和引腳介紹1) 基本特性89C51帶閃存單片機(jī)在一小塊芯片上，集成了一個微型計(jì)算機(jī)的各個組成部分，即89C51單片機(jī)芯片內(nèi)包括：l 一個8位的89C51微處理器（CPU）。l 片內(nèi)256字節(jié)數(shù)據(jù)存儲器RAM/SFR，用以存放可以讀/寫的數(shù)據(jù)，如運(yùn)勢的結(jié)果、最終的結(jié)果，以及欲顯示的數(shù)據(jù)等。l 片內(nèi)4KB程序存儲器FLASH ROM，用以存放程序、一些原始數(shù)據(jù)和表格。l 4個8位并行的I/O端口P0~P3，每個端口既可以用作輸入，也可以用作輸出。l 兩個16位的定時器/計(jì)數(shù)器，每個定時器/計(jì)數(shù)器都可以設(shè)置成計(jì)數(shù)方式，用以對外部事件進(jìn)行計(jì)數(shù)，也可以設(shè)置成定時方式，并可以根據(jù)計(jì)數(shù)或定時的結(jié)果實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制。l 具有5個中斷源、兩個中斷優(yōu)先級的中斷控制系統(tǒng)。l 一個全雙工UART的串行I/O口，用于實(shí)現(xiàn)單片機(jī)之間或單片機(jī)和PC機(jī)之間的串行通信。l 片內(nèi)振蕩器和時鐘產(chǎn)生電路，但石英晶體和微調(diào)電容需要外接，最高允許振蕩頻率為24MHZ。l 89C51單片機(jī)與8051相比，具有節(jié)電工作方式，即休閑方式及掉電方式。2) 管腳說明89C51的引腳共有40個，下面敘述一些主要引腳的功能。P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。P1口：P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口：P2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時，其管腳被內(nèi)部上拉 電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。P3口：P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時，要保持RST腳兩個機(jī)器周期的高電平時間。XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。 89C5單片機(jī)除有四個8位并行口外，還具有串行接口，此接口是一個全雙工串行通信接口，即能同時進(jìn)行串行發(fā)送和數(shù)據(jù)接受。 89S51串行通訊的方式選擇、接受和發(fā)送控制以及串行口的狀態(tài)標(biāo)志等均由特殊功能寄存器SCON控制和指示。其中SCON中的SM0和SM1是串行口工作方式選擇位。89S51串行口共有四種工作方式。89S51串行口是可編程接口，對它初始化編程只需用兩個控制字分別寫入特殊功能寄存器SCON(98H) 和電源控制寄存器PCON (87H)中即可。 串行口工作方式SM0 SM1工作方式說 明波特率0 0方式0同步移位寄存器fosc/120 1方式110位異步收發(fā)器由定時器控制1 　 0方式211位異步收發(fā)器fosc/32或fosc