【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 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(lèi)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(lèi)型。 （ iii）核心點(diǎn)： 核心點(diǎn)位于指紋紋路的漸近中心，它常用作讀取指紋和比對(duì)指紋時(shí)的參考點(diǎn)。 （ iv）三角點(diǎn)： 三角點(diǎn)是指紋圖像中三角形紋路區(qū)域的中心點(diǎn)，離該點(diǎn)最近的三條指紋紋線(xiàn)構(gòu)成一個(gè)近似等邊三角形，三角點(diǎn)提供了指紋紋路計(jì)數(shù)和跟蹤的起始位置 。 核心點(diǎn)和三角 點(diǎn)統(tǒng)稱(chēng)為奇異點(diǎn)。 （ 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(gè)點(diǎn)之間的紋路數(shù)作為指紋特征，比如兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的紋路數(shù) 。 局部特征包括： (i)端點(diǎn)：一條紋路在此終結(jié)。 (ii)分叉點(diǎn)：一條紋路在此分成兩條或多條紋路。 (iii)分歧點(diǎn)：兩條平行的紋路在此分開(kāi)。 (iv)孤立點(diǎn)：一條特別短的紋路，以至于成為一點(diǎn)。 (v)短紋：一條較短但不至于成為一點(diǎn)的紋路。 (vi)環(huán)點(diǎn)：一條紋路分成兩條后又立即合成一條，這樣形成的一個(gè)小環(huán)稱(chēng)為環(huán)點(diǎn)。 (vii)橋：兩條并行的紋路在此被 搭接起來(lái)。 (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(dòng)指紋識(shí)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(yùn)含大量信息。指紋在圖案、端點(diǎn)和交叉點(diǎn)上各不相同的，也就是“特征”，這些特征每個(gè)人每個(gè)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(gè)人和他的指紋一一對(duì)應(yīng)起來(lái)，通過(guò)比對(duì)指紋特征和預(yù)先保存的指紋特征，就可以驗(yàn)證他的身份。 自動(dòng)指紋識(shí)別是通過(guò)取 像 設(shè)備采集指紋圖像，然后利用 計(jì)算機(jī)技術(shù)提取指紋的特征數(shù)據(jù)，最后通過(guò)匹配算法進(jìn)行比對(duì)識(shí)別。 自動(dòng)識(shí)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(duì)等過(guò)程。首先通過(guò)指紋采集設(shè)備采集到人的指紋圖像，并對(duì)原始的圖像進(jìn)行簡(jiǎn)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(chǔ)從指紋上找到“細(xì)節(jié)點(diǎn)”，也就是指紋脊線(xiàn)的分叉點(diǎn)或末梢點(diǎn)。有的算法把 特征 點(diǎn) 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(diǎn)之間的關(guān)系，也有的算法處理整個(gè)指紋圖像。這些數(shù)據(jù)通常稱(chēng)為模板。不管他們是怎么組成的，至今仍然沒(méi)有一種模板的標(biāo)準(zhǔn)，也沒(méi)有公布一種抽象的算法。最后通過(guò)計(jì)算機(jī)模糊比較的方法，把兩個(gè)指紋模板進(jìn)行比較，計(jì)算他們的相似度，最終得到這兩個(gè)指紋的匹配結(jié)果。 8 指紋識(shí)別系統(tǒng) 一個(gè)完整的指紋識(shí)別過(guò)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(shí)別過(guò)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(jī)器內(nèi)部 的過(guò)程。 圖像輸入設(shè)備是指紋識(shí)別系統(tǒng)的先導(dǎo)硬件，它具有圖像輸入和數(shù)字化雙重功能 。目前市場(chǎng)常見(jiàn)的指紋采集可以分為光學(xué)式取 像設(shè)備、電容式取像 設(shè)備和超聲掃描。 光學(xué)式取 像 設(shè)備是根據(jù)指紋紋理和全反射原理（ FTIR）設(shè)計(jì)的。指紋紋路有凹凸部分即谷、脊。當(dāng)光線(xiàn)照在玻璃表面時(shí)，由于玻璃表面壓有指紋，射到紋路 凹 的 部分 光線(xiàn)發(fā)生全反射，反射光線(xiàn)由 CCD獲得；而射到紋路凸的光線(xiàn)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(xué)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(dāng)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(guò)棱鏡反射出來(lái)。 電容式取 像 設(shè)備則是由在半導(dǎo)體金屬上集合了上萬(wàn)甚至十萬(wàn)個(gè)電容傳感器。當(dāng)手指放在它上面時(shí)構(gòu)成了電容傳感器的另一面，由于指紋凹凸距離半導(dǎo)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(lái)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(xué)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(lái)的信號(hào)，由于指紋的谷脊的阻抗不同造成接收回來(lái)的能量不同，測(cè)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(shí)圖像， 9 應(yīng)用起來(lái) 方面，不受指紋上的油脂和贓物的影響，但是設(shè)備價(jià)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(xiàng)目 光學(xué)取像設(shè)備 電容時(shí)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(guò)程中，不可能避免噪聲的影響，圖像中的斷點(diǎn)， 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(hào)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(guò)程是：增強(qiáng)濾波、二值化和細(xì)化 [10]。 增強(qiáng)濾波：通過(guò)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(qiáng)等對(duì)噪聲的濾除效果不是很好。因?yàn)橹讣y紋線(xiàn)具有一定的方向和頻率，在頻域看來(lái)就是紋線(xiàn)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(qiáng)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(mén)限和動(dòng)態(tài)門(mén)限。前者整個(gè)圖像采用一個(gè)門(mén)限，對(duì)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(mén)限，對(duì)輸入圖像要求不高。 細(xì)化 [10]：就是把經(jīng)過(guò)前面處理的指紋圖像的脊的寬度降到最小，去除紋線(xiàn)上的毛刺，從而減少因?yàn)槊躺傻膫谓徊纥c(diǎn)和斷點(diǎn)。 特征提取 指紋的特征包括了全局特征和局部細(xì)節(jié)特征 [9]。全局特征表述了指 紋紋線(xiàn)的走向，主要表現(xiàn)在奇異點(diǎn)，就是紋線(xiàn)方向變化較大的點(diǎn)，就是三角點(diǎn)和核心點(diǎn)，他們比起細(xì)節(jié)特征更加穩(wěn)定可靠，是指紋特征匹配和指紋分類(lèi)的重要依據(jù)。局部細(xì)節(jié)特征主要包括了端點(diǎn)和分叉點(diǎn)，目前主要的提取方法分三類(lèi)： 從細(xì)化圖像上提?。喊阎讣y圖像二值化、細(xì)化后，分析指紋紋線(xiàn)‘骨架’上 8個(gè)相鄰的像素點(diǎn)取值來(lái)判斷細(xì)節(jié) 點(diǎn) 的類(lèi)型和位置，再通過(guò)該點(diǎn)和紋線(xiàn)的連線(xiàn) 10 來(lái)計(jì)算其方向。 從灰度圖像上提取 [13]：在經(jīng)過(guò)增強(qiáng)濾波的灰度圖像上，選取起始點(diǎn)，根據(jù)指紋方向卻定追蹤步長(zhǎng)。每前進(jìn)一段距離，在追蹤發(fā)向的垂直線(xiàn)段上的灰度投影確定紋線(xiàn)位置， 當(dāng)遇到端點(diǎn)和分叉點(diǎn)時(shí)停止并記錄。 從二值圖像上提取：在二值圖像上從上到下，從左到右逆時(shí)針檢測(cè)像素變化以追蹤脊線(xiàn)位置，當(dāng)像素之間的角度變化大于閥值時(shí)則認(rèn)為遇到了端點(diǎn)或者分叉點(diǎn)。 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(xiàn)匹配和細(xì)節(jié)點(diǎn)匹配 [12]。前二者匹配速度快，對(duì)圖像要求不高，但是忽略了細(xì)節(jié)點(diǎn)特征，因此正確性不高。紋線(xiàn)匹配需要大量的特征信息，因此匹配速度慢，模板容量大。細(xì)節(jié)特征匹配充分利用了指紋在細(xì)節(jié)點(diǎn)上的差異，因此簡(jiǎn)單準(zhǔn)確得到了廣泛的應(yīng)用。 細(xì)節(jié)點(diǎn)匹配通常把匹配模板和待匹配的細(xì) 節(jié)點(diǎn)集對(duì)齊，設(shè)定匹配規(guī)則，統(tǒng)計(jì)二者對(duì)應(yīng)的細(xì)節(jié)點(diǎn)相同的個(gè)數(shù)來(lái)衡量他們的相似度。但是這種方法對(duì)細(xì)節(jié)的位移，旋轉(zhuǎn)，形變較為敏感。細(xì)節(jié)點(diǎn)匹配的難點(diǎn)有： ①細(xì)節(jié)點(diǎn)提取過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生虛假細(xì)節(jié)點(diǎn)、丟失真細(xì)節(jié)點(diǎn)，并且細(xì)節(jié)點(diǎn)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(duì)齊。 ③指紋采集過(guò)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(xì)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)關(guān)系難以確定。 第 3 章 指紋識(shí)別系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 相關(guān)器件介紹 STC12C5A60S2 的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn) STC12C5A60S2 單片機(jī)是 STC 生產(chǎn)的單時(shí)鐘 /機(jī)器周期的單片機(jī)，是高速 /低功耗 /超強(qiáng)抗干擾的新一代 8051 單片機(jī)，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(zhuān)用復(fù)位電路， 2 路 PWM， 8路高速 10位 A/D 轉(zhuǎn)換，針對(duì)電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場(chǎng)合。 8051 CPU， 1T，單時(shí)鐘 /機(jī)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(jī)） ： 0 35MHz，相當(dāng)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(gè)），復(fù)位后為：準(zhǔn)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(zhǔn)雙向口 /弱上拉，推挽 /強(qiáng)上拉，僅為輸入/高阻，開(kāi)漏，每個(gè) I/O 口驅(qū)動(dòng)能力均可達(dá)到 20mA，但整個(gè)芯片最大不要超過(guò)55 mA； 7. ISP（在系統(tǒng)可編程） /IAP（在應(yīng)用可編程），無(wú)需專(zhuān)用編程器，無(wú)需專(zhuān)用仿真器 可通過(guò)串口（ ）直接下載用戶(hù)程序，數(shù)秒即可完成一片； EEPROM 功能 (STC12C5A62S2/AD/PWM 無(wú)內(nèi)部 EEPROM)； 9. 看門(mén)狗； MAX810 專(zhuān)用復(fù)位電路（外部晶體 12M 以下時(shí)，復(fù)位腳可直接 1K電阻到地）； :在 口有一個(gè)低壓門(mén)檻比較器， 5V 單片機(jī)為，誤差為 +/5%, 單片機(jī)為 ，誤差為 +/3%； 源：外部高精度晶體 /時(shí)鐘，內(nèi)部 R/C 振蕩器 (溫漂為 +/5%到 +/10%以?xún)?nèi) ) 1 用戶(hù)在下載用戶(hù)程序時(shí)，可選擇是使用內(nèi)部 R/C 振蕩器還是外部晶體 /時(shí)鐘，常溫下 內(nèi)部 R/C 振蕩器頻率為： 單片機(jī)為： 11MHz～ ， 單片機(jī)為： 8MHz～ 12MHz，精度要求不高時(shí)，可選擇使用內(nèi)部時(shí)鐘，但因?yàn)橛兄圃煺`差和溫漂，以實(shí)際測(cè)試為準(zhǔn)； 4個(gè) 16 位定時(shí)器 兩個(gè)與傳統(tǒng) 8051 兼容的定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 ,16 位定時(shí)器 T0 和 T1，沒(méi)有定時(shí)器 2，但有獨(dú)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(shí)現(xiàn) 2個(gè) 16位定時(shí)器； 14. 2 個(gè)時(shí)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(guò)寄存器設(shè)置到 ), CCP1/ (也可通過(guò)寄存器設(shè)置到 )； 16. PWM(2 路） /PCA（可編程計(jì)數(shù)器陣列 ,2 路）： —— 也可用來(lái)當(dāng) 2 路 D/A 使用 —— 也可用來(lái)再實(shí)現(xiàn) 2 個(gè)定時(shí)器 —— 也可用來(lái)再實(shí)現(xiàn) 2 個(gè)外部中斷 (上升沿中斷 /下降沿中斷均可分別或同時(shí)支持 )； , 10 位精度 ADC，共 8路，轉(zhuǎn)換速度可達(dá) 250K/S(每秒鐘 25 萬(wàn)次 ) (UART)，由于 STC12 系列是高速的 8051，可再用 12 定時(shí)器或 PCA 軟件實(shí)現(xiàn)多串口； 19. STC12C5A60S2 系列有雙串口，后綴有 S2 標(biāo)志的才有雙串口，RxD2/(可通過(guò)寄存器設(shè)置到 )， TxD2/(可通過(guò)寄存器設(shè)置到)； ： 40 +85℃ (工業(yè)級(jí) ) / 0 75℃ (商業(yè)級(jí) )：PDIP40,LQFP44,LQFP48 I/O 口不夠時(shí)，可用 2 到 3 根普通 I/O 口線(xiàn)外接 74HC164/165/595（均可級(jí)聯(lián)）來(lái)擴(kuò)展 I/O 口 , 還可用 A/D 做按鍵掃描來(lái)節(jié)省I/O 口，或用雙 CPU,三線(xiàn)通信，還多了串口。 圖 5 STC12C5A60S2管腳圖 STC12C5A60S2 單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖 6 所示。 STC12C5A60S2 單片機(jī)中 包含中央處理器（ CPU）、程序存儲(chǔ)器（ Flash）、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ SRAM）、定時(shí) /計(jì)數(shù)器、 UART 串口、串口 I/O 接口、高速 A/D 轉(zhuǎn)換、 SPI 接口、 PCA、看門(mén)狗 電路 及片內(nèi) RC 振蕩器和晶體振蕩電路等模塊。 STC12C5A60S2 單片機(jī)包含了數(shù)據(jù)采集和控制中所需要的所有單元模塊，可稱(chēng)得上一個(gè)片上系統(tǒng)。 13 圖 6 STC12C5A60S2內(nèi)部結(jié)構(gòu)