【文章內(nèi)容簡介】 玻璃、磁磚等非吸水性物品的表面，檢驗方法就比較容易。通?？梢杂梅勰┓?，選擇顏色對比大的粉末，撒在物品表面提取出完整的指紋；另一方法是磁粉法，以微細的鐵粉顆粒，用磁鐵作為刷子，來回刷掃，顯現(xiàn)指紋。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)過化學處理才能在化驗室顯形。 指紋的相關(guān)概念（1）指紋： 指頭表面凹凸紋線。（2）指?。? 指頭凹凸紋線與承受客體接觸時留下的痕跡。（3）脊線： 是手指上的特殊的皮膚花紋的隆線。（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(zhuǎn)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25（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(gòu)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(jié)。(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 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(yīng)起來，通過比對指紋特征和預(yù)先保存的指紋特征，就可以驗證他的身份。6自動指紋識別是通過取像設(shè)備采集指紋圖像，然后利用計算機技術(shù)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(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、指紋特征值的比對等過程。首先通過指紋采集設(shè)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(zhuǎn)換，可以從指紋圖像轉(zhuǎn)換到特征數(shù)據(jù)，但不可以從特征數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(guān)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(jié)果。 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(yù)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(shè)備轉(zhuǎn)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(shè)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(shè)備、電容式取像設(shè)備和超聲掃描。7光學式取像設(shè)備是根據(jù)指紋紋理和全反射原理（FTIR）設(shè)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(shè)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(shè)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(gòu)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(zhuǎn)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(shè)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，應(yīng)用起來方面，不受指紋上的油脂和贓物的影響，但是設(shè)備價格非常昂貴。下表是各種取像設(shè)備的性能比較：取像設(shè)備比較表比較項目 光學取像設(shè)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(shè)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(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。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8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(zhuǎn)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(guān)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(yīng)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(shè)定匹配規(guī)則，統(tǒng)計二者對應(yīng)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(zhuǎn)，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(zhuǎn)，需要尋找參考依據(jù)以便特征對齊。9③指紋采集過程中由于壓力不均，造成圖像的扭轉(zhuǎn)，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(yīng)關(guān)系難以確定。第 3 章 指紋識別系統(tǒng)硬件設(shè)計 相關(guān)器件介紹 STC12C5A60S2 的結(jié)構(gòu)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(fù)位電路，2 路 PWM，8 路高速 10 位 A/D 轉(zhuǎn)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)； 1280 字節(jié) RAM； I/O 口（36/40/44 個） ，復(fù)位后為：準雙向口/弱上拉（普通 8051 傳統(tǒng) I/O 口） ，可設(shè)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(qū)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(yīng)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(fù)位電路（外部晶體 12M 以下時，復(fù)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10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(shè)置到 ), CCP1/ (也可通過寄存器設(shè)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(zhuǎn)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(shè)置到 )，TxD2/(可通過寄存器設(shè)置到 )；：40 +85℃(工業(yè)級) /