【文章內(nèi)容簡介】 終識別建立一個良好的基礎(chǔ)，以保證整個系統(tǒng)識別率比較高。對于自動指紋識別技術(shù)而言，選擇一種合適的、能表達指紋唯一性的特征量是非常關(guān)鍵的。一般說來，這種特征應(yīng)有以下性質(zhì)： 10 (1) 單一性：要求這種特征能夠充分體現(xiàn)指紋的唯一性。 (2) 可測試性：適用于指紋匹配算法，便于在匹配算法中應(yīng)用。 (3) 緊湊性：要求提取的特征不應(yīng)包含指紋唯一性以外的冗余信息，并且信息量要盡量小，便于存儲、管理和計算。 (4) 魯棒性：要求這種特征對噪聲的存在與指紋形變不敏感。 對于特征點提取的常用算法很多，如： (1) 基于二值化的特征提取方法：這種算法對于預(yù)處理和增強后得指紋圖像進行二值化，然后再提取特征點。 (2) 基于直接灰度的特征提取方法：這種方法直接從灰度圖像出發(fā)，通過分析圖像的紋理屬性和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提取特征點。 (3) 基于細(xì)化圖像的特征提取方法：這種 方法是將指紋圖像處理后得到細(xì)化圖像，通過細(xì)化圖像提取特征點。 為了比較兩個指紋是否相同，需要從指紋圖像中提取出能表示指紋唯一性的特征。 Galton 提出的指紋細(xì)節(jié)點是人工指紋匹配中最常用的特征。指紋由脊線和谷線交替構(gòu)成，在大多數(shù)地方紋線連續(xù)且相互平行，而某些局部不連續(xù)的地方構(gòu)成了細(xì)節(jié)點。 Galton 定義了 4 種細(xì)節(jié)點類型：分叉點，端點，環(huán)、島，并指出細(xì)節(jié)點具有唯一性，可以用于指紋匹配。 目前已定義的特征類型己達 150 多種，但是這些擴展的特征往往不易提取相互區(qū)分，并且它們都可以由端點和分叉點的組合進行描述，這使得 端點和分叉點成為最常用的結(jié)構(gòu)特征，也稱為細(xì)節(jié)特征，它被認(rèn)為是最穩(wěn)定、最容易檢查的，而且占全部特征點的 80％以上。提取出的特征點還必須經(jīng)過偽特征點的去除，盡可能地去除掉由于二值化、細(xì)化處理等過程引入的偽特征點。最后確定出特征點的類型、位置、方向。 . 指紋特征提取和去偽特征 目前在細(xì)化二值圖像中提取細(xì)節(jié)特征多是用 8 鄰域法，該方法比較簡單，在得到可靠的細(xì)化二值圖像后，只需要一個 3 3 的模板便可將端點和分叉點提取出來。對于細(xì)化二值圖像，像素點的灰度值只有兩種情況。 在提取指紋圖像的細(xì)節(jié)特征中，由于圖像質(zhì) 量和噪聲的干擾，存在大量的偽特征點，實驗表明一幅質(zhì)量較差的圖像在經(jīng)過預(yù)處理，細(xì)節(jié)特征提取后可能產(chǎn)生 11 多達一兩萬個細(xì)節(jié)特征點，其中包含了大量的偽特征點，這些偽特征點的存在，不但使匹配的速度大大降低，還使指紋識別性能急劇下降，造成識別系統(tǒng)的拒真率和誤識率的上升，因此在進行指紋匹配之前，應(yīng)對細(xì)節(jié)特征進行驗證，盡可能將偽特征點去除，同時保留真特征點。 圖 4 通過判斷后得到的特征點分布圖 這個特征點分布結(jié)果圖包含了特征點和偽特征點。在匹配前還需對毛刺、小橋等偽特征點加以識別和處理，這樣有助于后面匹配的進行，使匹配 更加精確無誤和快速。 . 指紋圖像的匹配 指紋匹配要解決的是對兩幅給定指紋圖像的特征模式進行比對，判斷這兩幅圖像是否來自同一個人的同一手指。指紋匹配是自動指紋識別的最后一步，也是非常關(guān)鍵的一步。 指紋圖像匹配方面，主要有基于圖像，脊線結(jié)構(gòu)和特征點的方法?；谔卣鼽c的匹配算法具有簡單、快速、魯棒性等優(yōu)點。目前最為常用的方法是 FBI 提出的細(xì)節(jié)點坐標(biāo)模型來做細(xì)節(jié)匹配。它利用脊線上的端點和分叉點這兩種關(guān)鍵點來鑒定指紋。通過將細(xì)節(jié)點表示為點模式，一個指紋識別問題可以轉(zhuǎn)化為一個點模式匹配問題。點匹配算法是通過某些 變換，如平移變換、旋轉(zhuǎn)變化、伸縮變換，可以把兩個點集中的對應(yīng)點匹配起來。 3. 12 硬件系統(tǒng)設(shè)計 . 系統(tǒng)總體設(shè)計 . 系統(tǒng)功能簡述 本系統(tǒng)是針對指紋采集、識別模塊開發(fā)出的指紋識別系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用指紋模塊搜索手指，一旦搜索到手指，立即采集指紋圖像，并將采集到的圖像轉(zhuǎn)化成數(shù)據(jù)的形式發(fā)送出去。它利用人體指紋各異性和不變性，為用戶提供加密手段，使用時只需將手指平放在指紋采集儀的采集窗口上，即可完成采集任務(wù)，并將顯示出指紋模塊采集指紋圖像各個流程及比對的結(jié)果。簡單的描述本次設(shè)計的功能即使用指紋模塊 檢測、錄入指紋，將比對結(jié)果顯示。 該系統(tǒng)的主要功能有以下幾個方面： (1) 指紋錄入。能進行指紋的錄入，二次錄入無誤后，記錄該指紋數(shù)據(jù)。 指紋圖像通過專門的指紋采集儀采集 。 (2) 指紋識別。能進行指紋的識別，指紋識別出錯時，報警提示。圖像采集完成后，與庫中已存在指紋進行對比，與所有有權(quán)限用戶信息對比后，若無相符信息即提示報警。 (3) 指紋管理。能進行指紋數(shù)據(jù)的管理，添加和刪除指紋數(shù)據(jù)。對添加到庫中的用戶指紋進行權(quán)限管理，設(shè)置最高權(quán)限用戶，并能夠?qū)ζ溥M行添加和刪除管理。 (4) 操作顯示。通過按鍵進行指紋系 統(tǒng)的功能選擇，采用數(shù)碼管與 LED（ Light Emitting Diode，發(fā)光二極管 ）指示燈綜合提示操作內(nèi)容。若信息經(jīng)核對相符，即提示該用戶擁有權(quán)限，若不相符，即提示非法操作。 . 系統(tǒng)電路設(shè)計 系統(tǒng)電路框架是根據(jù)設(shè)計任務(wù)要求，對系統(tǒng)所需元件、設(shè)備參數(shù)進行必要的計算，通過認(rèn)真研究、分析、比較選定設(shè)備型號，再將設(shè)備、元件通過可靠的接口電路聯(lián)系起來構(gòu)成的一個完整的系統(tǒng)。綜合考慮系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性要求，以保證所設(shè)計的系統(tǒng)達到預(yù)期的要求。主控芯片選用 AT89S52 單片機。系統(tǒng)總 體 13 框圖如圖 5 所示： 圖 5 系統(tǒng)總體框圖 系統(tǒng)主要由 MCU（ Microcontroller Unit，微程序控制器）、 LED 屏（ Large Electronic Display，大型電子展示 ）、指紋模塊組成。系統(tǒng)的工作過程主要是當(dāng)檢測到有按鍵按下時先由 MCU 通過串口通信控制指紋模塊對指紋進行采集、錄入、存儲、比對。然后，根據(jù)所得的數(shù)據(jù)對其它接口器件，如顯示屏、蜂鳴器、指示燈進行響應(yīng)操作。 . 系統(tǒng)核心部件單片機 AT89S52 是一種低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 系統(tǒng)可編程Flash 存儲器。使用 Atmel 公司高 密度非 易失性存儲器 技術(shù)制造，與工業(yè) 80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上 Flash 允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng)可編程 Flash，使得AT89S52 為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 AT89S52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8K 字節(jié) Flash， 256 字節(jié) RAM， 32 位 IO 口線，看門狗定時器， 2 個數(shù)據(jù)指針，三個 16 位定時器計數(shù)器，一個 6 向量 2 級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及 時鐘電路 。 另外， AT89S52 可降至 0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持 2 種 軟件 可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下， CPU 停止工作，允許 RAM、定時器計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。 AT89S52 單片機 數(shù)碼 顯示管 指紋模塊 獨立按鍵 指示燈 蜂鳴器 電源、時鐘電路 14 掉電保護方式下， RAM 內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。 AT89S52 引腳圖如圖 6，其主要引腳功能介紹如下： 圖 6 AT89S52引腳圖 P0 口： P0 口是一個 8 位漏極開路的雙向 IO 口。作為輸出口，每位能驅(qū)動 8個 TTL 邏輯電平。對 P0 端口寫 “ 1” 時，引腳用作高阻抗輸入。當(dāng)訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器時， P0 口也被作為低 8 位地址數(shù)據(jù)復(fù)用。在這種模式下， P0 不具有內(nèi)部上拉電 阻。在 FLASH 編程時， P0 口也用來接收指令字節(jié)；在程序校驗時，輸出指令字節(jié)。程序校驗時，需要外部上拉電阻。 P1 口： P1 口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 IO 口， p1 輸出緩沖器能驅(qū)動 4 個 TTL 邏輯電平。對 P1 端口寫 “ 1” 時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（ IIL）。 此外， 和 分別作定時器計數(shù)器 2 的外部計數(shù)輸入（ ）和定時器計數(shù)器 2 的觸發(fā)輸入（ ） 在 FLASH 編程和校驗時， P1 口接收低8 位地址字節(jié)。 端口引腳第二功能： 15 T2（定時器計數(shù)器 T2 的外部計數(shù)輸入），時鐘輸出 T2EX（定時器計數(shù)器 T2 的捕捉重載觸發(fā)信號和方向控制） MOSI（在 系統(tǒng)編程 用） MISO（在系統(tǒng)編程用） SCK（在系統(tǒng)編程用） P2 口： P2 口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 IO 口， P2 輸出緩沖器能驅(qū)動 4 個 TTL 邏輯電平。對 P2 端口寫 “1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（ IIL）。在訪 問外部程序存儲器或用 16 位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行 MOVX DPTR）時， P2 口送出高八位地址。在這種應(yīng)用中， P2 口使用很強的內(nèi)部上拉發(fā)送 1。在使用 8 位地址（如 MOVX RI）訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時， P2 口輸出 P2 鎖存器的內(nèi)容。在 flash 編程和校驗時， P2 口也接收高 8位地址字節(jié)和一些控制信號。 P3 口： P3 口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 IO 口， P3 輸出緩沖器能驅(qū)動 4 個 TTL 邏輯電平。對 P3 端口寫 “1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部 電阻的原因，將輸出電流（ IIL）。 P3 口亦作為 AT89S52 特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。在 FLASH 編程和校驗時， P3 口也接收一些控制信號。 端口引腳第二功能： RXD(串行輸入口 ) TXD(串行輸出口 ) INTO(外中斷 0) INT1(外中斷 1) TO(定時計數(shù)器 0) T1(定時計數(shù)器 1) WR(外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通 ) RD(外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通 ) 此外， P3 口還接收一些用于 FLASH 閃存 編程和程序校驗的控制信號。 16 RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時， RST 引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平將是單片機復(fù)位。 ALEPROG：當(dāng)訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時， ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低 8 位字節(jié)。一般情況下， ALE 仍以時鐘振蕩頻率的16 輸出固定的脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是：每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時將跳過一個 ALE 脈沖。對 FLASH 存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（ PROG）。如有必要，可通過對特殊功能寄存器（ SFR）區(qū)中的 8EH 單元的 D0 位置位，可禁止 ALE 操作。該位置 位后，只有一條 MOVX和 MOVC 指令才能將 ALE 激活。此外，該引腳會被微弱拉高，單片機執(zhí)行外部程序時，應(yīng)設(shè)置 ALE 禁止位無效。 PSEN：程序儲存允許（ PSEN）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當(dāng)AT89S52 由外部程序存儲器取指令（或數(shù)據(jù)）時，每個機器周期兩次 PSEN 有效，即輸出兩個脈沖，在此期間，當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，將跳過兩次 PSEN 信號。 EAVPP：外部訪問允許，欲使 CPU 僅訪問外部程序存儲器（地址為0000HFFFFH）， EA 端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位 LB1被編程，復(fù)位 時內(nèi)部會鎖存 EA 端狀態(tài)。如 EA 端為高電平（接 Vcc 端）， CPU則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器的指令。 FLASH 存儲器編程時，該引腳加上 +12V 的編程允許電源 Vpp，當(dāng)然這必須是該器件是使用 12V 編程電壓 Vpp。 XTAL1：振蕩器反相放大器和內(nèi)部時鐘發(fā)生電路的輸入端。 XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。 此外，片上資源包括看門狗定時器、 UART、定時器 0 和定時器 1，以及定時器 2。 . 其他模塊電路 . 電源模塊 整個模塊采用 USB 供電，以按鍵式開關(guān)啟動或關(guān)閉電源。當(dāng)按下電源鍵時，電源開啟，電源指示 燈點亮。 17 圖 7 電源模塊電路 . 時鐘模塊 時鐘電路用來產(chǎn)生單片機工作所需要的時鐘信號，單片機本身就是一個復(fù)雜的同步時序電路，為了保證同步工作方式的實現(xiàn)，電路應(yīng)在唯一的時鐘信號控制下嚴(yán)格地按時序進行工作。通過在芯片的外部 XTAL1 和 XTAL2 兩個引腳跨接晶體振蕩器和微調(diào)電容，形成反饋電路，就構(gòu)成了一個穩(wěn)定的自激振蕩電路。時鐘電路為單片機產(chǎn)生時鐘脈沖序列，本設(shè)計中采用的晶振頻率為 ，電容為 33pF。 圖 8 時鐘模塊電路 . 按鍵模塊 鍵盤是最常用的輸入 設(shè)備，是實現(xiàn)人機對話的紐帶。按其結(jié)構(gòu)形式可分為非編碼鍵盤和編碼鍵盤。 編碼鍵盤采用硬件方法產(chǎn)生鍵碼。每按下一個鍵，鍵盤能自動生成鍵盤代碼，鍵數(shù)較多，且具有去抖動功能。這種鍵盤使用方便，但硬件較復(fù)雜。非編碼鍵盤僅提供按鍵開關(guān)工作狀態(tài)，其鍵碼由軟件確定，這種鍵盤鍵數(shù)較少，硬件簡單，廣泛應(yīng)用于各種單片機應(yīng)用系統(tǒng)， 在單片機控制電路中，可把單片機使用的鍵盤分為獨立式和矩陣式兩種。獨立式實際上就是一組獨立的按鍵，這些按鍵可直接 18 與單片機的 IO