【文章內(nèi)容簡介】 要用來保存考勤記錄，由于考勤記錄必須在一段時間內(nèi)有效保存， 第 14 頁 共 34 頁 并且不能因斷電而丟失數(shù)據(jù)，因此選用 E2PROM芯片作為存儲器。 實時時鐘 指紋考勤機中的實時時鐘是所有考勤記錄的時間基準(zhǔn)，實時時鐘不僅要滿足時間的準(zhǔn)確性，同時還要求在停電時仍能正常計時。作者選用 DALLAS 公司的 DS1302 芯片作為實時時鐘。 聯(lián)網(wǎng)通訊接口 指紋考勤機的聯(lián)網(wǎng)通訊接口采用 RS232接口和 RS485接口共用的方式。如果采用 RS232接口連接，則按 RS232協(xié)議通訊 ，如果采用 RS485接口連接，則按 485多機聯(lián)網(wǎng)協(xié)議通訊。RS232通訊口和 RS485通訊口連接方式不同，所以不能同時使用。 指紋考勤機的特性 (1) 指紋識別，考勤時只需輕壓手指，杜絕作弊可能 ； (2) 無需考勤卡，不存在制卡和磨損問題 ； (3) 單機獨立運行，考勤時不需要電腦支持，盡可能降低整體系統(tǒng)故障點 ； (4) 系統(tǒng)整體成本低廉，無需制卡，考勤軟件對計算機無特別要求 ； (5) 適應(yīng)不同企業(yè)規(guī)模，可單機運行，也可以多臺機器聯(lián)網(wǎng)運行 ； (6) 大屏幕液晶顯示，淡黃色背光，清晰直觀 ； (7) 具有 掉電數(shù)據(jù)保護功能，斷電后數(shù)據(jù)可以保存 10年 ； (8) 蜂鳴器及時反映不同操作狀態(tài) ； (9) 提供門禁輸出接口 。 第 15 頁 共 34 頁 3 指紋識別模塊 指紋識別模塊是考勤系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，其工作過程中的預(yù)處理部分是作者重點研究的部分。本章將對指紋識別模塊的結(jié)構(gòu)進行闡述，并對預(yù)處理過程提出了自己的算法。 FDA01 指紋識別模塊結(jié)構(gòu)組成 FDA01 指紋識別模塊由指紋處理模塊和光學(xué)指紋采集頭組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖 31 所示。 圖 31 FDA01 指紋識別模塊 結(jié)構(gòu)框圖 指紋處理模塊帶有高性能的 32位 RISC CPU(Intel 的 StrongARM 1110)，工作在約 150— 170MHz主頻上，模塊板上還帶有 1MB的 DRAM和 8MB的 FlashROM閃存，以及與光學(xué)采集頭及接口的 PLD解碼單元和外圍 I/O接口單元。 指紋處理模塊通過 PLD 解碼單元控制光學(xué)指紋采集頭采集指紋圖像，然后經(jīng)過性能優(yōu)異的指紋算法提取出無畸變的指紋圖像特征值用于完成指紋比對功能，指紋特征值經(jīng)數(shù)據(jù)加密后，保存在 FlashROM閃存中。 FlashROM 閃存由于不受掉電影響，可以保存指紋采集 識別算法和指紋數(shù)據(jù)管理軟件，同時還可以保存 640枚指紋數(shù)據(jù)。但是 FlashROM閃存的存取速度比較慢，因此實際上，指紋采集識別算法、管理軟件以及指紋數(shù)據(jù)都是先傳送到 DRAM 中，然后在速度較快的 DRAM中運行。 指紋處理模塊通過 RS232 串行通訊接口與外圍控制器通訊，外部控制器根據(jù)規(guī)定的通訊協(xié)議和指令模式，通過串行接口，向指紋處理模塊發(fā)送控制指令，并接受返回的狀態(tài)或光學(xué)指紋采集頭 PLD 解碼 32 位高性能RISC CPU 外圍 I/O接口 RS232 接口 1M DRAM 存儲器 8M Flash 存儲器 電源 供電 指紋識別模塊 第 16 頁 共 34 頁 數(shù)據(jù)，從而完成所有指紋識別處理功能。 外圍控制器是通過一個 15 腳的連接器與 FDA01指紋識別模塊實現(xiàn)兩者之間的命令和數(shù)據(jù)的串行傳輸。 像輸入 指紋取像為數(shù)字圖像后才能被計算機識別，指紋圖像的質(zhì)量直接影響到識別的精度以及指紋識別系統(tǒng)的處理速度，因此指紋取像技術(shù)是指紋識別系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。指紋取像技術(shù)有多種 ， 目前按原理可分成兩大類 ： 光學(xué)取像技術(shù)和非光學(xué)取像技術(shù)。 光學(xué)取像技術(shù) 光學(xué)取像技術(shù)是目前常用的可靠性好的指紋取像技術(shù)。 (1) 掃描儀和數(shù)碼相機使卡片或照片上的捺印指紋或現(xiàn)場實物上的指紋印跡直接被取像設(shè)備中的光電耦合器件 (CCD)獲取 ， 并經(jīng)數(shù)字化器件轉(zhuǎn)換得到數(shù)字化圖像。 (2) 光學(xué)活體指紋攝入儀利用了光的全反射原理。即當(dāng)光 源照到按有手指的玻璃棱鏡表面時 ， 入射光經(jīng)玻璃射到指紋紋谷后 ， 在玻璃與空氣的界面發(fā)生全反射 ， 反射回 CCD的光強損失很少 。 而射向指紋紋脊的光線不發(fā)生全反射 ， 被紋脊與玻璃的接觸面吸收或者發(fā)生漫反射 ， 這樣反射回 CCD的光強就大大減弱 ， 因此紋谷和紋脊的不同反射光強由 CCD獲得并被數(shù)字化器件轉(zhuǎn)換為灰度圖像 。 反射光強的損失受壓在玻璃棱鏡表面指紋的紋脊和紋谷的深度 ， 以及皮膚與玻璃之間的油脂和水分的影響。 關(guān)于光學(xué)取像技術(shù)的新技術(shù) (CCD原理不變 )有： (1) 利用小纖維光束來獲取指紋圖像。小纖維光束垂直射到指紋的表面 ， 它照亮指紋 ，并通過探測指紋反射光來獲取圖像 。 (2) 把含有微型三棱鏡矩陣的表面安裝在指紋采集儀的彈性表面上 。 當(dāng)手指壓在此表面上時 ， 由于指紋紋脊和紋谷的壓力不同而改變了微型三棱鏡的表面 ， 通過三棱鏡的反射光強發(fā)生變化 ， 從而產(chǎn)生指紋灰度圖像。這些技術(shù)的采用可以減小光學(xué)活體指紋攝入儀的體積 。 光學(xué)活體指紋攝入儀可對較大面 (大于或等于 1平方英寸 )的指紋區(qū)域取像 ， 但只能通過人工方式來調(diào)整指紋圖像的質(zhì)量。 非光學(xué)取像技術(shù) 非光學(xué)取像技術(shù)目前主要有兩類：半導(dǎo)體傳感器取像和超聲波掃描取 像 。 技術(shù) 第 17 頁 共 34 頁 半導(dǎo)體取像傳感器是最近幾年才出現(xiàn)的，主要有： (1) 硅電容傳感器 。 它是最常見的半導(dǎo)體取像傳感器 。 在半導(dǎo)體硅片表面約有 100 000個電容傳感器 ， 其外面是絕緣表面，當(dāng)用戶將手指按壓在該半導(dǎo)體表面上時 ， 皮膚組成了電容陣列的另一面。由于指紋紋脊和紋谷相對于另一極之間的距離不同 (紋路深淺的存在 )，導(dǎo)致硅表面電容陣列的各個電容電壓不同 ， 通過測量并記錄各點的電壓值就可以獲得具有灰度級的指紋圖像。 (2) 半導(dǎo)體壓感式傳感器 。 它的表面的頂層是具有彈性的壓感介質(zhì)材料 。 當(dāng)用戶將手指按壓在該半導(dǎo)體表面上時 ， 這些壓感介 質(zhì)將指紋紋脊和紋谷的不同壓力轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的不同電信號 ， 并進一步產(chǎn)生具有灰度級的指紋圖像 。 (3) 半導(dǎo)體溫度感應(yīng)傳感器 。 它通過感應(yīng)壓在半導(dǎo)體表面上的指紋紋脊和遠離半導(dǎo)體表面的紋谷的溫度不同來獲得指紋圖像 。 半導(dǎo)體指紋傳感器使用了可以局部調(diào)整的自動控制技術(shù) ， 可以自動調(diào)節(jié)指紋圖像像素行 ， 以及指紋局部范圍的靈敏度 ， 產(chǎn)生高質(zhì)量的指紋圖像 。 例如 ： 通過增強半導(dǎo)體傳感器的靈敏度可以感知一個對比度差的指紋圖像 (如干燥的指紋 )， 從而產(chǎn)生清晰的指紋圖像 ； 通過局部調(diào)整可以檢測指紋圖像不清晰的區(qū)域 (如手指壓得較輕的地方 )。 由于制造較 大尺寸的半導(dǎo)體傳感器非常昂貴 ， 所以通常半導(dǎo)體傳感器的指紋取像區(qū)域小于 1 平方英寸。半導(dǎo)體傳感器取像技術(shù)主要缺點是：易受靜電 (電纜線、用戶接觸以及取像器內(nèi)部的靜電 )的影響 ， 有時會獲取不到圖像 ， 甚至?xí)粨p壞 ； 不像玻璃一樣耐磨損 ， 從而影響了使用壽命；手指的汗液中的鹽分或者其他的污物 ， 以及手指磨損都會使半導(dǎo)體傳感器的取像很困難 。 同光學(xué)全反射取像相比 ， 半導(dǎo)體傳感器取像的優(yōu)點是：分辨率可高達600dpi， 體積小 ， 功耗小 。 超聲波掃描技術(shù)被認為是指紋取像技術(shù)中最好的一種 ， 但在指紋識別系統(tǒng)中還不 多見 ，還處于實驗階段。超聲波指紋取像的原理是 ： 當(dāng)超聲波掃描指紋的表面 ， 緊接著接收設(shè)備獲取的其反射信號 ， 由于指紋紋脊和紋谷的聲阻抗的不同 ， 導(dǎo)致反射回接受器的超聲波的能量不同 ， 測量它的大小，從而產(chǎn)生指紋灰度圖像 。 積累在皮膚上的臟物和油脂對超聲波取像影響不大 ， 所以這樣獲取的圖像是實際指紋紋路凹凸的真實反映。 第 18 頁 共 34 頁 指紋識別模塊算法 預(yù)處理 指紋的特征是指指紋脊線的某種構(gòu)型 ， 如端點、分叉等。為了提取這些特征 ， 必須先把灰度的指紋圖處理為二值線型圖 ， 此過程即指紋圖像預(yù)處理。圖像預(yù)處理是指紋自動識別過程的 第一步 ， 它的好壞直接影響著指紋識別的效果。圖像預(yù)處理通常包括增強、分割、細化等幾個步驟。增強是通過平滑、銳化、灰度修正等手段 ， 改善圖像的視覺效果 ； 分割則是把圖像劃分為若干個區(qū)域 ， 分別對應(yīng)不同的物理實體 ； 細化則是把分割后的圖像轉(zhuǎn)為只有一個像素點寬度的線型圖，以便特征提取。 在預(yù)處理過程中 ， 必須保證盡可能不出現(xiàn)偽特征 ， 并盡量保持其真實特征不受損失。這里所謂的真實特征是指實際存在的指紋脊線構(gòu)型 ， 而不是指紋圖上表現(xiàn)出的構(gòu)型。由于在指紋攝取時手指用力不均勻 ， 在用力的區(qū)域紋線可能會出現(xiàn)誤連 ， 而在用力小的區(qū)域可能會出現(xiàn)紋 線誤斷。在這種情 況下 ， 用通常的基于灰度的預(yù)處理方法就會產(chǎn)生誤特征。為了避免這種情況 ， 可以利用指紋圖的局部方向特性 ， 即在紋線的切線方向上進行平滑 ， 在其法線方向上進行邊緣銳化，以求得最接近指紋實際構(gòu)型的處理結(jié)果。 作者提出的算法得出指紋圖上各像素點的局部方向性 ， 并據(jù)此對指紋圖做相應(yīng)方向的切向平滑及法向銳化濾波 ， 然后做二值化、細化處理 ， 得到較為滿意的線型圖。 指紋圖像獲取時 ， 由于噪音及壓力不同等的影響 ， 將會導(dǎo)致兩種破壞紋線的情況 ： 斷裂及叉連。這兩種噪音必須清除 ， 否則會造成假的特征點 ， 影響指紋的識 別。如斷裂可能被認為是兩個端點 ， 而叉連可能被當(dāng)作兩個分叉點。為了消除干擾及增強紋線 ， 針對指紋紋線具有較強方向性的特點 ， 我們采用方向濾波算法對其進行增強 ， 為此必須利用指紋圖上各個像素點上的局部方向性。 (1) 方向圖的獲取 方向圖是用每一個像素點的方向來表示指紋圖像。像素點的方向是指其灰度值保持連續(xù)性的方向 ， 可以根據(jù)像素點鄰域中的灰度分布來判斷 ， 反映了指紋圖上紋線的方向。我們設(shè)定 8個方向 ， 如圖 32所示 ， 各方向之間夾角為π / 8 ， 以 1～ 8 表示。每個像素點上方向值的判定是在其 N N鄰域窗口中得到的。鄰域窗口 的尺寸并無嚴格限定 ， 但其取值與圖像的分辨率直接有關(guān)。如果鄰域取得過小 ， 則難以從其中的灰度分布得出正確的方向性 ； 第 19 頁 共 34 頁 若取值過大 ， 則在紋線曲率較大的區(qū)域窗口內(nèi)紋線方向不一致 ， 會對以后的濾波操作造成不良影響。一般可取 N為 1～ 2個紋線周期。實驗中取 N = 9 ， 該 9 9鄰域窗口如圖 33所示。 圖 32 8 個方向 圖 33 9 9 鄰域窗口 分別求出沿各個方向的灰度變化 ： ? ? ? ?41,d d k k kkS f i j f i j???? 1,2,3 ,8d? (31) ? ? ? ?39。39。41, kkd d kkS f i j f i j???? (32) p71 p61 p51 p41 p31 p81 p72 p62 p52 p42 p32 p21 p82 p11 p14 p13 p12 p22 p23 p83 p24 p33 p43 p53 p63 p73 p84 p34 p44 p54 p64 p74 1 2 3 4 6 8 7