【文章內(nèi)容簡介】 紋采集儀體積龐大，價(jià)格也極其昂貴．只能在特殊的行業(yè)部門應(yīng)用。到了 20 世紀(jì) 90 年代中期，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)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(xué)傳感器相比，它們具有體積小巧、價(jià)格低的優(yōu)點(diǎn)。由于半導(dǎo)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(xué)傳感器也在向小型化發(fā)展，價(jià)格也在不斷降低，采集性能不斷提高。 （ 1） 光學(xué)指紋圖像傳感器 ： 光學(xué)取像設(shè)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(jì) 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(xué)傳感器技術(shù)，例如使用纖維光來捕捉指紋圖像。當(dāng)纖 維光束垂直射到指紋的表面時(shí)，它照亮指紋并探測反射光。 其他的新型光學(xué)指紋傳感器是基于全內(nèi)反射，類似于傳統(tǒng) CCD 光學(xué)技術(shù)，但在結(jié)構(gòu)上采用了波導(dǎo)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(diǎn)。 （ 2） CMOS 壓感傳感器 ： 半導(dǎo)體傳感器是 20 世紀(jì) 90 年代發(fā)展起來的新型指紋圖像采集設(shè)備。 半導(dǎo)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(shè)備、便攜設(shè)備中相對于 其他傳感器有很大的優(yōu)勢。 它的缺點(diǎn)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(jìn)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(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)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(yīng)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(yīng)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(shí)際應(yīng)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(dāng)手指在傳感器上直掃時(shí)，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(yàn)軟件作自動(dòng)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(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：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(qiáng)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(shí)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(shí)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(xué)系統(tǒng)的最大分辨率高。另外，其造價(jià)較高，大約是光學(xué)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(jìn)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(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。 （ 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(yīng)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(gè)像素的壓力值計(jì)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(shí)，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(jì)算機(jī)，它屬于非實(shí)時(shí)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(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)的先進(jìn)指紋傳感器的專用指紋采集設(shè)備，將真實(shí)的人體指紋直接變成數(shù)字圖像數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)傳輸給計(jì)算中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 13 頁 共 52 頁 機(jī)。 對 指紋圖像采集質(zhì)量 進(jìn)行 分析 ， 指紋圖像質(zhì)量問題主要包括以下幾個(gè)方面。 （ 1）指紋圖像采集面積小： 指紋圖像采集過程中，手指按得輕或者太偏會(huì)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(shí)手指放太偏會(huì)造成指紋采集面積小，特征點(diǎn)沒有采集到，計(jì)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(shí)候很難把它填補(bǔ)起來，造成特征點(diǎn)的丟失或者產(chǎn)生偽特征點(diǎn)。 （ 4）指紋龜裂：由于季節(jié)的原因有時(shí)候指紋出現(xiàn)一些龜裂，在指紋采集的圖像上會(huì)顯示出縱橫交錯(cuò)的裂痕，有時(shí)這些裂痕又會(huì)消失。這樣的龜裂如果太寬太多也會(huì)造成特征點(diǎn)的丟失或者產(chǎn)生偽特征點(diǎn)。 （ 5）指紋太干燥：采集指紋時(shí)，手指干燥的指 紋特點(diǎn)是圖像整體太淡，紋路大多以獨(dú)立的小黑點(diǎn)組成。所以手指干燥的指紋圖像區(qū)域白點(diǎn)數(shù)較多，平均灰度值偏高。該指紋在計(jì)算紋線方向的時(shí)候誤差較大。 （ 6）指紋太濕：采集指紋時(shí)，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(diǎn)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(diǎn)。 （ 7）指紋紋路不清晰：采集指紋時(shí)，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(jì)算方向不準(zhǔn)確，圖像增強(qiáng)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(yīng)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(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)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(guān)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?；尉€的對側(cè)有一個(gè)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(gè)別的可達(dá) 30 余 條。 （ 2） 斗型紋 (Whorl):中心花紋呈環(huán)、螺、曲狀，由內(nèi)向外擴(kuò)展與上下包圍線匯合形成兩個(gè)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(shí)，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(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)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(diǎn)的特征，這些具有某種特征的節(jié)點(diǎn)稱為特征點(diǎn)。兩枚指紋經(jīng)常會(huì)具有相同的總體特征，但它們的局部特征 — 特征點(diǎn)，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(diǎn)、分叉點(diǎn)和轉(zhuǎn)折點(diǎn)就稱為 “ 特征點(diǎn) ” 。就是這些特征點(diǎn)提供了指紋唯一性的確認(rèn)信息。特征點(diǎn)的分類有以下幾種 如圖 ,最典型的是 端 點(diǎn)和分叉點(diǎn)。 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(zhǔn)確率在自動(dòng)指紋識別研究中是一個(gè)較關(guān)鍵的問題。 指紋算法的具體性能評價(jià)指標(biāo) 就一個(gè)自動(dòng)指紋識別系統(tǒng)來說，其指紋識別算法的精確度是整個(gè)系統(tǒng)性能指標(biāo)中最為關(guān)鍵的指標(biāo)。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(zhǔn)確率及進(jìn)行特征匹配時(shí)的準(zhǔn)確率。下面線介紹一下有關(guān)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(rèn)為是不同的指紋，而加以拒絕的出錯(cuò)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(rèn)假率，指將不同的指紋誤認(rèn)為相同的指紋，而加以接收的出錯(cuò)概率。其定義為： FRR=錯(cuò)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(shè)備的適應(yīng)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(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 16 頁 共 52 頁 ERR 指的是指紋設(shè)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(huì)嚴(yán)重影響設(shè)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(shí)間、圖像處理時(shí)間、比對時(shí)間和平均識別速度幾項(xiàng)指標(biāo)構(gòu)成。采集時(shí)間通常包含了采集的操作時(shí)間和圖像的傳輸時(shí)間；圖像處理時(shí)間，指的是從計(jì)算機(jī)處理指紋圖像到提取出所有特征、輸出特征模板所耗費(fèi)的時(shí)間；比對時(shí)間，指計(jì)算機(jī)對兩組指紋特征模板進(jìn)行比對并給出結(jié)果所耗費(fèi)的時(shí)間；平均識別速度，指計(jì)算機(jī)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(gè)統(tǒng)計(jì)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(guān)系。 （ 4）平衡點(diǎn) :即調(diào)整指紋識別 門限 ,使拒真率和認(rèn)假率相同，平衡點(diǎn)越低越好。 （ 5）建檔時(shí)間 :即平均每一枚指紋進(jìn)行指紋圖像采集、圖像處理、特征提取和特征建庫的時(shí)間，建檔時(shí)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(jìn)行圖像處理和特征提取 )所用的時(shí)間 ,一般用每秒鐘比對的次數(shù)來表示 ,當(dāng)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(dāng)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(shí) ,識別算法的適應(yīng)性或程序修改的工作量，這一條暫時(shí)沒有具體衡量指標(biāo)。 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(gè) DSP 芯片 TMS32020以來， DSP 芯片有了很大的發(fā)展。 DSP 芯片不僅在運(yùn)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(jìn)。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(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)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(jià)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(fù)雜，具有較高的處理速度和低的功耗，適用于無線電信設(shè)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(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)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(diǎn) DSP 芯片和浮點(diǎn) DSP 芯片。定點(diǎn) DSP 品種最多，處理速度為 20～ 2400 MIPS；浮點(diǎn)