【文章內(nèi)容簡介】 紋采集儀體積龐大，價格也極其昂貴．只能在特殊的行業(yè)部門應用。到了 20 世紀 90 年代中期，隨著半導體技術(shù)的進步，陸續(xù)出現(xiàn)了 CMOS指紋傳感器、熱敏傳感器、超聲波傳感器等新型傳感器。和光學傳感器相比，它們具有體積小巧、價格低的優(yōu)點。由于半導體傳感器具有明顯的綜合優(yōu)勢，所以迅速成為指紋識別市場的主流產(chǎn)品，市場占有率也越來越高。傳統(tǒng)的光學傳感器也在向小型化發(fā)展，價格也在不斷降低，采集性能不斷提高。 （ 1） 光學指紋圖像傳感器 ： 光學取像設備是最早出現(xiàn)的指紋傳感器，它的歷史可以追溯到 20 世紀 70 年代。依據(jù)的是光的全反射原理 (Fruslrated Total Internal Reflection． FTIR)。 近幾年又出現(xiàn)了很多新的光學傳感器技術(shù)，例如使用纖維光來捕捉指紋圖像。當纖 維光束垂直射到指紋的表面時，它照亮指紋并探測反射光。 其他的新型光學指紋傳感器是基于全內(nèi)反射，類似于傳統(tǒng) CCD 光學技術(shù)，但在結(jié)構(gòu)上采用了波導板、彈性膜等器件裝置，克服了傳統(tǒng) CCD 成像技術(shù) 的不足，并具備了一些新的特點。 （ 2） CMOS 壓感傳感器 ： 半導體傳感器是 20 世紀 90 年代發(fā)展起來的新型指紋圖像采集設備。 半導體傳感器的最大優(yōu)勢就是成本低、體積小。所以在各種手持設備、便攜設備中相對于 其他傳感器有很大的優(yōu)勢。 它的缺點是采集的區(qū)域小，對濕和臟的指紋采集效果不理想。但是這些都隨著技術(shù)進步正在逐步克服。市場上已經(jīng)開始出現(xiàn)了真皮指紋傳感器，它采集的不是表面的指紋信息，而是指紋表皮下的真中北大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 12 頁 共 52 頁 皮信息，可以有效地 克服指紋圖像采集較差的問題。 （ 3） 熱敏傳感器 ： 熱敏感應傳感器的原理是根據(jù)皮膚 紋理與傳感器接觸部分的溫度差異來檢測指紋。 由于這種感應系統(tǒng)檢測的是采 集儀晶片上溫度的變化，所以傳感器要與手指存在溫差才能發(fā)揮作用。在實際應用中，為了避免出現(xiàn)這種情況，在陣列里包含有發(fā)熱元件，在炎熱的地區(qū)，當手指在傳感器上直掃時，手指表面使傳感器降溫，不是受熱，所以影像是反向的，這可以由檢驗軟件作自動修正。但在寒冷的地區(qū)，則不需用 (除非太冷或出現(xiàn)有結(jié)冰 )。這種概念對信噪比是有幫助的。 （ 4） 超聲波傳感器 ： 超聲掃描技術(shù)的原理是基于皮膚、指紋面和空氣對超聲波產(chǎn)生的不同聲反射阻抗來檢 測指紋的。 這種傳感器有其獨特的優(yōu)點：由于超聲波能穿透許多物質(zhì)，因此超聲指紋傳感器幾乎不受手指和取像 平臺表面狀況及周圍環(huán)境的影響，即使手指再臟、再干也能讀取，能工作在強烈的光照環(huán)境下。此外，它還能處理不規(guī)則的紋路結(jié)構(gòu)，也不存在老化的問題。另外，它能實現(xiàn)指紋的非接觸采集，在一些特殊的場合，如衛(wèi)生行業(yè)中許多人必須在穿戴橡膠手套的情況下，實現(xiàn)對指紋的提取。但是，超聲系統(tǒng)并非完美無缺。由于成像的極限受到波長的制約，所以超聲波的最大分辨率不如光學系統(tǒng)的最大分辨率高。另外，其造價較高，大約是光學系統(tǒng)的 2～ 3 倍。 （ 5） 紅外傳感器 ： 紅外傳感器的工作原理是利用手指輻射紅外線的物理性質(zhì)來進行測量并獲取指紋圖像。紅外線又稱 紅外光，它具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性質(zhì)。任何物質(zhì)，只要它本身具有一定的溫度 (高于絕對零度 )，都能輻射紅外線。紅外線傳感器測量有靈敏度高、響應快等優(yōu)點。 （ 6） 其他傳感器 ： 除了上述種類的傳感器外，還有電感式傳感器和壓感式傳感器等。電感式傳感器的原理是在傳感器內(nèi)形成電磁場，在接觸過程中感應電磁場的變化從而形成指紋圖像，利用了手指皮膚表皮和真皮特性來得到更加穩(wěn)定的圖像；壓感式傳感器的原理是通過測量手指每個像素的壓力值計算得到指紋圖像。 指紋采集模式主要分為“離線式”和“在線式”兩種。所謂“離線式”就是指在指紋采集時，利用某些中間介質(zhì)（如油墨和紙張）來獲取指紋圖像，在通過一定的技術(shù)手段將圖像數(shù)字化輸入計算機，它屬于非實時采集。目前“離線式”采集方式在大多數(shù)場合已經(jīng)消失。所謂“在線式”是通過與計算機聯(lián)機的先進指紋傳感器的專用指紋采集設備，將真實的人體指紋直接變成數(shù)字圖像數(shù)據(jù)，實時傳輸給計算中北大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 13 頁 共 52 頁 機。 對 指紋圖像采集質(zhì)量 進行 分析 ， 指紋圖像質(zhì)量問題主要包括以下幾個方面。 （ 1）指紋圖像采集面積?。?指紋圖像采集過程中，手指按得輕或者太偏會造成采集的指紋面積太小，從指紋上提取 的指紋信息就少，指紋信息較少很容易造成拒真的情況。 （ 2）指紋圖像采集太偏：采集指紋時手指放太偏會造成指紋采集面積小，特征點沒有采集到，計算的誤差較大，拒真率較高的情況。 （ 3）指紋破損：有些指紋因紋線磨損或者傷疤，造成采集指紋圖像上顯示空洞或者斷層。如果空洞或斷層太大，圖像處理的時候很難把它填補起來，造成特征點的丟失或者產(chǎn)生偽特征點。 （ 4）指紋龜裂：由于季節(jié)的原因有時候指紋出現(xiàn)一些龜裂，在指紋采集的圖像上會顯示出縱橫交錯的裂痕，有時這些裂痕又會消失。這樣的龜裂如果太寬太多也會造成特征點的丟失或者產(chǎn)生偽特征點。 （ 5）指紋太干燥：采集指紋時，手指干燥的指 紋特點是圖像整體太淡，紋路大多以獨立的小黑點組成。所以手指干燥的指紋圖像區(qū)域白點數(shù)較多，平均灰度值偏高。該指紋在計算紋線方向的時候誤差較大。 （ 6）指紋太濕：采集指紋時，手指太濕的指紋圖像整體偏黑，并且有較大的模糊黑塊，造成相鄰的紋線連在一起，黑點較多，所以圖像區(qū)域平均灰度值較低。該指紋圖像常常造成偽叉點。 （ 7）指紋紋路不清晰：采集指紋時，指紋不干凈、潮濕或干燥都有可能造成部分區(qū)域紋線模糊不清，計算方向不準確，圖像增強效果較差。 指紋的總體特征 總體特征是指那些用人眼直接就可以觀察到的特征， 包括基本紋路圖案：環(huán)型（ loop），弓型（ arch），螺旋型（ whorl）。其他的指紋圖案都基于這三種基本圖案。指紋的脊紋形式是適應之間的球狀表面和半圓形頂端以及橫行的指間屈基線生長的，除少數(shù)弓形紋之外，絕大多數(shù) 是 箕、斗型紋（約占 95%） ，（三種紋形的大致分布概率如表 ） 表 紋形的大致分布概率 基本紋型 弓型 箕型 斗型 分布概率 5% 60% 35% 中北大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 14 頁 共 52 頁 紋型是指紋的基本分類，是按中心花紋和三角的基本形態(tài)劃分的。紋形從屬于型，以中心線的形狀定名。按我國是指紋分析法，指紋分三大類型 如圖 ， 五 大種形態(tài)。可見，型與形是類與種的關系。 箕型 斗型 弓型 圖 指紋的紋形 （ 1） 箕形紋 （ Loop）： 有一條以上完整的基 性 線組成中心花紋。箕形線的對側(cè)有一個三角的上下之線包圍著中心花紋。按箕技的流向分 為 橈側(cè)箕形紋（反箕）和尺側(cè)箕形紋（正箕）兩種。按中心花紋的結(jié)構(gòu)形態(tài)又可分為普通箕、閉口箕、葉形箕、橫箕和類似斗的箕?；渭y中心和三角之間的距離和紋線數(shù)量多少不一，有的只有 1－ 2 條線，多數(shù)為十條線左右，個別的可達 30 余 條。 （ 2） 斗型紋 (Whorl):中心花紋呈環(huán)、螺、曲狀，由內(nèi)向外擴展與上下包圍線匯合形成兩個以上的三角 的紋線 ， 稱 為斗型紋。分為環(huán)形、螺形、囊形、雙箕形、雜形五種。斗型紋的中心花紋，在 由 一條環(huán)、螺、曲等紋線構(gòu)成時，與兩側(cè)三角相對的弧形線凸面，必須是不折、不斷的，并且不與來自從三角中的其它紋線相接。 （ 3） 弓型紋 (Arch): 由 弓形線和橫直線層疊而成 ，中心花紋與上下包圍線無明顯界限，因此也沒有真正的三角區(qū)。分弧形和帳形紋兩種。 （ 4） 弧形紋：是 由 平緩 或略微突起的弧形線組成的一種結(jié)構(gòu)簡單的花紋形式。 （ 5） 帳 形紋： 由 平行的和突起的弧形線組成?；y中部有直立的或傾斜的紋線，將弧形線撐起 呈 帳蓬狀。 中北大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 15 頁 共 52 頁 指紋的局部特征 局部特征是指指紋上的節(jié)點的特征，這些具有某種特征的節(jié)點稱為特征點。兩枚指紋經(jīng)常會具有相同的總體特征，但它們的局部特征 — 特征點，卻不可能完全相同。 指紋紋路并不是連續(xù)的、平滑筆直的，而是經(jīng)常出現(xiàn)中斷、分叉或打折。這些斷點、分叉點和轉(zhuǎn)折點就稱為 “ 特征點 ” 。就是這些特征點提供了指紋唯一性的確認信息。特征點的分類有以下幾種 如圖 ,最典型的是 端 點和分叉點。 圖 指紋特征示意圖 很多研究者試圖解決指紋分類問題，但至今分類算法的誤識率仍較高。如何提高指紋分類的準確率在自動指紋識別研究中是一個較關鍵的問題。 指紋算法的具體性能評價指標 就一個自動指紋識別系統(tǒng)來說，其指紋識別算法的精確度是整個系統(tǒng)性能指標中最為關鍵的指標。所謂指紋識別算法的精確度是指其識別與提取的特征數(shù)量與準確率及進行特征匹配時的準確率。下面線介紹一下有關指紋識別的基本概念。 （ 1）拒識率和誤識率 ： 拒識率 (False Rejection Rate， FRR)又稱拒真率，指將相同 的指紋誤認為是不同的指紋，而加以拒絕的出錯概率。其定義為： FRR=拒識的指紋數(shù)目 /考察的指紋總數(shù)目 100%； 誤識率 (False Accept Rate,FAR)又稱認假率，指將不同的指紋誤認為相同的指紋，而加以接收的出錯概率。其定義為： FRR=錯判的指紋數(shù)目 /考察的指紋總數(shù)目 100%。 （ 2）拒登率 ： 拒登率 (Error Registration Rate， ERR)是用來描述指紋設備的適應性。其定義為： ERR=出現(xiàn)不能登錄及處理的指紋數(shù)目 /考察的指紋總數(shù)目 100%。中北大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 16 頁 共 52 頁 ERR 指的是指紋設備出現(xiàn)不能登錄及處 理的指紋的概率，拒登率 ERR 過高將會嚴重影響設備的使用范圍。 （ 3）速度 ： 指紋識別系統(tǒng)的工作速度主要由采集時間、圖像處理時間、比對時間和平均識別速度幾項指標構(gòu)成。采集時間通常包含了采集的操作時間和圖像的傳輸時間；圖像處理時間，指的是從計算機處理指紋圖像到提取出所有特征、輸出特征模板所耗費的時間；比對時間，指計算機對兩組指紋特征模板進行比對并給出結(jié)果所耗費的時間；平均識別速度，指計算機從指紋特征模板庫中搜索出特定指紋特征模板的速度，通常是一個統(tǒng)計平均值，其速度的快慢與指紋特征模板庫的分類方法有很大關系。 （ 4）平衡點 :即調(diào)整指紋識別 門限 ,使拒真率和認假率相同，平衡點越低越好。 （ 5）建檔時間 :即平均每一枚指紋進行指紋圖像采集、圖像處理、特征提取和特征建庫的時間，建檔時間越短越好。 （ 6）比對效率 :即在建檔后 ,直接比對一對指紋特征 (不進行圖像處理和特征提取 )所用的時間 ,一般用每秒鐘比對的次數(shù)來表示 ,當然越多越好。 （ 7）特征文件字節(jié)數(shù) :即平均每一枚建檔指紋所用的特征文件長短 ,用字節(jié)表示 ,越短越好。 （ 8）算法通用性 :即指紋識別算法對指紋傳感 器的敏感性。需要考慮當傳感器圖像尺寸、噪聲水平、失真程度、手指按 印角度等因 素改變時 ,識別算法的適應性或程序修改的工作量，這一條暫時沒有具體衡量指標。 DSP 芯片的選擇 DSP 芯片 [9]發(fā)展簡況 。 自 1982 年美國 TI公司推出第一個 DSP 芯片 TMS32020以來， DSP 芯片有了很大的發(fā)展。 DSP 芯片不僅在運算速度上有了很大的提高 ,而且在通用性和靈活性方面了極大地改進。此外 ,DSP 芯片的成本、體積、重量和功耗也都有了很大程度的下降。 隨著 DSP 芯片應用領域的不斷擴大 ,DSP 芯片已形成低、中、高三種檔次 :低端產(chǎn)品執(zhí)行速度一般為 20～ 50MIPS,能維持適量存儲和功耗 ,提供了較好 的性能價格比 ,適用于儀器儀表和精密控制等，中端產(chǎn)品執(zhí)行速度一般為 100～ 150MIPS,結(jié)構(gòu)較為復雜，具有較高的處理速度和低的功耗，適用于無線電信設備和高速解調(diào)器等。高端產(chǎn)品執(zhí)行速度一般為 1000 MIPS 以上，處理速度很高 ,產(chǎn)品結(jié)構(gòu)多樣化，中北大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 17 頁 共 52 頁 適用于圖像技術(shù)和智能通信基站等。對于種類繁多的 DSP 芯片，一般可按其工作的數(shù)據(jù)格式將其分為兩大類定點 DSP 芯片和浮點 DSP 芯片。定點 DSP 品種最多，處理速度為 20～ 2400 MIPS；浮點