【文章內容簡介】 一般包括圖像增強、濾波、二值化、細化等步驟。預處理的方法通常為：先求方向圖，后求頻率圖，最后由此得到的Gabor濾波器對圖像進行濾波。圖像增強是指紋圖像預處理需要解決的核心問題，指紋圖像增強的主要目的是為了消除噪聲，改善圖像質量，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。指紋圖像增強算法就是利用圖像信息的區(qū)域性差異來實現(xiàn)的。傳統(tǒng)的指紋圖像增強就是利用圖像的紋理方向信息，構造方向濾波器模板來實現(xiàn)濾波的。濾波器構造的簡單性和指紋圖像復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構的方向和空域頻率進行解析的最優(yōu)濾波器作為濾波器的模板，因而極大的改善了增強算法的效果。 脊線方向的計算除奇異區(qū)外，指紋圖像在一個足夠小的區(qū)域內，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，因而被廣泛應用于指紋圖像的分類、增強、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P(s,t)(s,t=0,1,w1)，利用sobel算子分別計算其x方向梯度和y方向梯度。(3)利用下面的公式計算每個子塊的方向θ(m,n)。其公式為： 脊線頻率的計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。在指紋圖像的一個局部區(qū)域內，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。脊線頻率被定義為兩條脊線之間間距的倒數(shù)。通過定位該包絡中極大、極小值點，就能得到相應的脊線間距和谷線間距，進而計算出脊線頻率。如果方向窗口內沒有細節(jié)點和單點,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,對其進行一次低通濾波,可消除混疊的毛刺噪聲。設子塊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，增強圖像質量，即增強指紋脊與谷的對比度，修補圖像——連接脊中出現(xiàn)的斷點、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，增強脊谷結構。這種算法難點在于需要計算圖像的頻率圖——將指紋圖像看成由脊和谷組成的周期圖像，在每一個局部領域內都會有一個相對固定準確的頻率。Gabor函數(shù)是唯一能達到時頻測不準關系下界的函數(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)適于增強目標物體,而奇Gabor函數(shù)適于增強物體邊緣。GABOR變換由于具有最佳時域和頻域連接分辨率的特點，能夠同時對圖像局部結構的方向和空域頻率進行解析，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、自適應閥值法、局部自適應閥值法等，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處理方法都是經(jīng)過濾波處理后再進行二值化，這樣就需要對圖像進行兩次掃描，不利于處理速度的提高。將指紋圖像自身的方向結構特點與源圖像灰度值變化特點結合起來，確定對圖像中每一像素點二值化的動態(tài)閥值。這種方法取代了一般指紋圖像預處理中無效區(qū)域分割、濾波、增強、二值化等步驟，一次完成圖像的二值化功能。實驗結果也表明，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，不關心它的粗細。為了進一步壓縮數(shù)據(jù)，得到更精確的細節(jié)特征，提高識別的準確性，對指紋圖像進行細化處理是不可忽略的。所謂細化，就是從原來的圖中去掉一些點，但仍要保持原有的形狀。實際上，是保持原圖的骨架。指紋圖像的細化是指刪除指紋紋線的邊緣像素，使之只有一個像素寬度，細化時應保證紋線的連接性、方向性和特征點不變，還應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，也就是細節(jié)點特征。在基于細節(jié)點的指紋自動識別系統(tǒng)中，特征提取是在細化后的指紋圖像上進行的。特征提取的首要問題是確定細節(jié)點和它的位置，細節(jié)點的位置和細節(jié)點間的相對位置很重要，盡管每個指紋中包括將近80個細節(jié)，只要確定十幾個細節(jié)點就己經(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的作用；如果取得比較大的話，則可能將真正的特征點也一并刪去。在具體實現(xiàn)中，我們取其半徑為脊寬的一半。對每一個細節(jié)點，我們記錄如下信息：1．細節(jié)點的x,y坐標。2．細節(jié)點的方向，這個方向就是該細節(jié)點所在的塊的塊方向。3．細節(jié)點的類型，即脊線端點或脊線分叉點。4．細節(jié)點對應的脊線。細節(jié)點對應的脊線用該脊線上的采樣點來表示，采樣的距離約為脊線間的平均距離。分叉點對應的脊線是與該細節(jié)點的方向最近的那條，端點對應的脊線就是該細節(jié)點所在的脊線。采樣點用該點與對應細節(jié)點的距離，和連接該點與對應細節(jié)點的直線與對應細節(jié)點方向的夾角來表示，的取值范圍在180到180度之間。下圖給出了細節(jié)點對應的脊線與脊線上的采樣點的例子。在細節(jié)匹配中，對應脊線將被用來對兩個平面點集進行校準，而且，校準的參數(shù)，也就是兩個點集中任意一對脊線間的旋轉角度，將被用來作為判斷它們所對應的細節(jié)點能否看作匹配的細節(jié)點的條件。 指紋識別中細節(jié)點的匹配細節(jié)匹配一般在極坐標系中進行，因為指紋圖像的非線性形變往往呈放射狀，在某個區(qū)域內的形變比較大，然后非線性地向外擴張，因而，在極坐標中能更好地描述非線性形變；另外，在極坐標中不需要考慮輸入圖像與模板圖像的參照點之間的平移，將一對對應點的坐標相對于參照點轉換為極坐標時，平移就被抵消了；還有，在極坐標系中顯然比在直角坐標系中更便于處理兩幅圖像間的旋轉。為了把細節(jié)點轉移到極坐標系中去，需要在模板細節(jié)點集和輸入細節(jié)點集中各選一個參照點作為相應的極坐標系中的原點，并算出其它細節(jié)點相對于參照點的極坐標。由于事先不知道模板點集與輸入點集的對應關系，需要考慮所有可能的參照點對。對模板點集中的每一點和輸入點集中的每一點，定義為將和當作參照點對時，從輸入圖像到模板圖像的旋轉角度。如果可以被當作一對對應點，即它們分別對應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點。如果是不同類型的細節(jié)點，也就是說它們一個是端點，一個是分叉點，則它們不是對應點對，取值為400。即表示對應的脊線相似性到了一定程度。第4章 系統(tǒng)整體方案設計 嵌入式系統(tǒng)及單片機技術 嵌入式系統(tǒng)簡介嵌入式系統(tǒng)的出現(xiàn)最初是基于單片機的。70年代單片機的出現(xiàn)，使得汽車、家電、工業(yè)機器、通信裝置以及成千上萬種產(chǎn)品可以通過內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用特點，但是這時的應用只是使用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。適合嵌入式應用。這些嵌入式實時多任務操作系統(tǒng)的出現(xiàn)，使得應用開發(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用空間。 90年代以后，隨著對實時性要求的提高，軟件規(guī)模不斷上升，實時核逐漸發(fā)展為實時多任務操作系統(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，以及國內的Hopen，Delta Os等嵌入式操作系統(tǒng)。隨著嵌入式技術的發(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)。 單片機技術單片機的全名叫做微型單片處理機,簡稱單片機，主要用于自動化控制。最早的單片機是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又進一步完善了8048，在它的基礎上研制成功了8051，這在單片機的歷史上是值得紀念的一頁，迄今為止，51系列的單片機仍然是最為成功的單片機芯片，在各種產(chǎn)品中有著非常廣泛的應用。 1．89C51的基本特性和引腳介紹1) 基本特性89C51帶閃存單片機在一小塊芯片上，集成了一個微型計算機的各個組成部分，即89C51單片機芯片內包括：l 一個8位的89C51微處理器（CPU）。l 片內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)，如運勢的結果、最終的結果，以及欲顯示的數(shù)據(jù)等。l 片內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/計數(shù)器，每個定時器/計數(shù)器都可以設置成計數(shù)方式，用以對外部事件進行計數(shù)，也可以設置成定時方式，并可以根據(jù)計數(shù)或定時的結果實現(xiàn)計算機控制。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，用于實現(xiàn)單片機之間或單片機和PC機之間的串行通信。l 片內振蕩器和時鐘產(chǎn)生電路，但石英晶體和微調電容需要外接，最高允許振蕩頻率為24MHZ。l 89C51單片機與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，這是由于內部上拉的緣故。P2口：P2口為一個內部上拉電阻的8位向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“1”時，其管腳被內部上拉 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個帶內部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“1”后，它們被內部上拉為高電平，并用作輸入。RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內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