【導(dǎo)讀】指紋識別技術(shù)是生物特征識別領(lǐng)域中最為成熟的一門應(yīng)用技術(shù)，具有悠久的歷史。長期以來，指紋識別技術(shù)主要應(yīng)用于刑事偵查與司法鑒定領(lǐng)域，不被大多數(shù)人所了解。場，指紋識別技術(shù)與相關(guān)產(chǎn)品越來越多地應(yīng)用于民用市場。和驗證的生理特性或行為方式，分為生理特征和行為特征。行取樣，提取其唯一特征并進行身份認證。方法來進行用戶的身份認證和訪問控制的。密碼容易被忘記，也容易被別人竊取。記了自己的密碼，整個系統(tǒng)也許只有重新安裝后才能工作。有關(guān)機構(gòu)的調(diào)查表明，因為。類似的安全性問題。例如證件的偽造和盜用、不正當?shù)霓D(zhuǎn)借等。統(tǒng)的證件使用了易于偽造、未經(jīng)加密的紙制證件。精確性和可靠性。點并發(fā)展為“生物檢測學(xué)”的專門學(xué)科，其相關(guān)技術(shù)也被稱為“生物特征識別技術(shù)”。虹膜識別技術(shù)是利用虹膜的終身不變性和差異性來識別身份的。范圍的認證試驗。提供30到40個特征點用來錄入，創(chuàng)建模板和完成確認。會損傷使用者的眼球，還有待進一步研究。

　　

【正文】 節(jié)特征點，他們的集合構(gòu)成特征集， 用來唯一標識指紋。 指紋 特征 提取的方法可以簡單的分為直接從灰度指紋圖像提取特征和從細化二值指紋圖像提取特征。典型的直接從灰度圖像提取特征的算法是對灰度指紋紋線進行跟蹤，根據(jù)跟蹤結(jié)果尋找特征的位置和判斷特征的類型。該類算法雖然省去了復(fù)雜的預(yù)處理過程，但是特征提取算法卻十分復(fù)雜，而且由于噪聲等因素的影響，特征定位也不夠準確。 目前大多數(shù)系統(tǒng)采用了從細化二值圖像 提取特征的方法，該方法比較簡單，在得到可靠的細化二值圖像后， 根據(jù)細化后的二值圖上每一點的交叉數(shù)，確定出端點和分叉點兩種特征點，提取出特征點相應(yīng)的坐標位置、種類、方向等有用信息。 32 典型的方法是鄰域判定法，該方法用一個 3 3 的模板便可將端點和分叉點提取出來。對于細化后的二值圖像，對每個點值計算其交叉數(shù) (Cn)。一點 R 的交叉數(shù) Cn 定義在一個 3 3 的模板上，模板如圖 所示 圖 特征提取模板 R 是待檢驗的點，如果 R 是端點，則它的 8 鄰域點滿足： 81 | ( 1 ) ( ) | 1 , ( 9 ) (1 )N kC R k R k R R?? ? ? ? ?? 如果 M 是分叉點，則它的 8 鄰域點滿足： 81 | ( 1 ) ( ) | 3 , ( 9 ) (1 )N kC R k R k R R?? ? ? ? ?? 這樣就可以找到特征點 ,并記錄它們的類型和位置。 求出特征點后，再根據(jù)平均紋線距離等信息對所得特征點進行有效性檢驗，去除偽特征點，保留真特征點。然后以特征點的坐標 (x,y)，及特征點的方向 d，結(jié)合其鄰域情況 (鄰域內(nèi)的特征點數(shù)、相對位置、脊線上特征點所處位置的紋曲率、特征點鄰域內(nèi)的脊線紋密度等等 )，可以構(gòu)成該指紋細節(jié)特征點的特征向量。將所有的特征向量進行篩選后留下 50到 80個特征向量 ，構(gòu)成指紋特征模板。 特征點匹配 指紋匹配主要是細節(jié)特征的匹配。依靠指紋本身決定的可靠參考坐標系 ,可以提高指紋匹配的效率。指紋中心處具有很高的不可定向性程度 ,其附近的紋線方向多變。據(jù)此 ,我們利用方向圖和不可定向性圖設(shè)計和實現(xiàn)了指紋自動定位的快速算法。該算法能夠確定指紋中心點的位置和方向 ,自動定位率在 98%以上。對于用活體指紋采集儀輸入的指紋 ,自動定位率更高。用同樣的方法 ,我們還可以準確提取指紋的下中心及左、右三角 33 點等形態(tài)特征與輔助定位信息。 點模式匹配是模式識別中的一個有名的難題。它是對于兩個含 有不同數(shù)量的點集 P：{p1, p2, … pm } 和 Q： {q1, q2, … qn} ,如何找出它們之間的匹配關(guān)系。因此，一個好的點模式匹配算法應(yīng)該能夠有效地解決兩個點集間的幾何不變量問題。人們對一般的點模式匹配提出很多算法，比如松弛算法，其中有的文獻只處理了點模式間因平移帶來的偏差，其中計算復(fù)雜度為 O(n4)；也有文獻處理了因平移和旋轉(zhuǎn)帶來的誤差，其計算復(fù)雜度為O(n6)；另外有文獻不僅考慮到位移和旋轉(zhuǎn)誤差，還處理了因伸縮尺度不同而帶來的誤差，但其計算復(fù)雜度達到了 O(n8)。對于 5050 的點匹配，很多 算法要花去幾分鐘的時間。 點模式匹配中的兩個點集 P 和 Q，其中 P 從第一幅圖像抽取，有 m個特征點構(gòu)成，Q 從第二幅圖像抽取，有 n 個特征點構(gòu)成，即 P={p1, p2, … pm } 和 Q={q1, q2, … qn}。它們之間的匹配就是找到一個校準函數(shù) G(tx, ty, s, θ)，使兩個點集有最大數(shù)量點對之間存在穩(wěn)定的一一對應(yīng)關(guān)系，即 G(pi)=qb。而在實際應(yīng)用中，點的相對位置存在誤差， G(pi)不可能完全等于 qb，所以一般用 bi qPG ?)( d(d 為允許的變形范圍 )為表示 Q 與 P 中點對點的對應(yīng)關(guān)系。 校準函數(shù) G(tx, ty, s, θ)是一個含有 4 個參數(shù)的仿射變換，其中 s 是兩幅圖像間的伸縮系數(shù)， θ 是偏轉(zhuǎn)角度， tx和 ty 分別是沿 x 方向和 y 方向的位移。下面介紹如何對兩個從指紋圖像中抽取的細節(jié)特征點集，找出它們間的校準函數(shù) G(tx, ty, s, θ)。 對于點集中的特征點，這里用 x 方向和 y 方 向 的 坐 標 來 描 述 ， 即P={( 1,1 pp yx )T|i=1,…, m}， Q={( 1,1 qq yx )T|a=1,…, n}。顯然，若 P 和 Q 中只有一個點存在對應(yīng)關(guān)系，即 ???????????? ?????????????????ppyxqqyxssssttyxpGq????c o ss i ns i nc o s)( 如果存在兩個點， (pi， qa)， (pj， qb )，則存在唯一的校驗函數(shù) G(tx, ty, s, θ)。并且向量 jipp 和 baqq 間的校準函數(shù)為 G(0, 0, s, θ)。 由于指紋圖像一般都是由同一個采集器采集，所以基本無收縮，即 s=1。 指紋圖像每一特征點是一個五維向量 (x, y,β , t, c), 其中 x, y 分別是該點的坐標位置， β 是細節(jié)點的方向， t 為細節(jié)點的類型 (即是分 叉 點還是端點 )， c 為細節(jié)特征的置 34 信度。 可以通過一些合適的算法，通過在一定范圍搜索參數(shù)空間，計算其匹配支持數(shù)，也就是在該參數(shù)空間里，有多少指紋對匹配。當匹配支持數(shù)最大時，也就得到了所需要的結(jié)果。 算法步驟： (1)分別讀取兩個細節(jié)點集合； (2)分別計 算他們的 r,e,ithetaangle 22 yxr ?? xye? ?180eithe ta a ng l angl e? x,y 為細節(jié)點的 x， y軸坐標， angle 為細節(jié)點的角度 (3)依據(jù) ithetaangle 的大小按升序排列兩個細節(jié)點集合； (4)根據(jù) r,e,ithetaangle 的值計算兩細節(jié)點集合的匹配支持參數(shù)值editdistance[m][n]； (5)循環(huán)比較 editdistance[m][n]與閾值 T 的大?。ū境绦?T＝ 10），大于 T則匹配度參數(shù)加 1。 (6)匹配度＝匹配度參數(shù)乘 100 再除以細節(jié)點數(shù)，如果大于 70，則超過 70％的細節(jié)點匹 配，認為兩細節(jié)點匹配。 特征匹配的流程如圖 所示 35 圖 細節(jié)點匹配算法程序框圖 本章小結(jié) 本章主要討論了一種具體的指紋識別算法的實現(xiàn)，并對其實現(xiàn)效果進行了仿真。 分別升序排列兩個細節(jié)點集合 開始 讀取細節(jié)點集合1 分別計算每個細節(jié)點的 r， e， ithetaangle 計算兩個細節(jié)點集合相關(guān)系數(shù) editdistance[m][n] 讀取細節(jié)點集合2 結(jié)束 循環(huán)比較 editdistance[m][n]與閾值 T 的大小，大于 T 則匹配度參數(shù)加 1 求匹配度 兩細節(jié)點集合匹配 匹配度 閾值 兩細節(jié)點集合不匹配 36 第四章 基于 TMS320C5402 的指紋識別硬件電路 數(shù)字信號處理（ DSP）芯片組成的系統(tǒng)可以很好地滿足指紋識別對 系統(tǒng)的特殊要求。對于指紋識別應(yīng)用系統(tǒng)來說 ,要求系統(tǒng)滿足： 速度快：要求在 1秒內(nèi)完成從采樣到對比。 體積小：能夠安裝在安全門或保險箱內(nèi)。 價格低：應(yīng)用于消費領(lǐng)域，需要適應(yīng)市場競爭的需要。 在指紋識別算法程序中指紋圖像的濾波增強和細化分別占用 大約 76%和 10%的處理時間 [41]。濾波增強和細化過程中存在大量的加乘運算，用普通的微處理器芯片在短時間內(nèi)完成算法運行存在一定困難，而 DSP 芯片所特有的硬件乘法器及其很高的數(shù)學(xué)計算能力，使得處理指紋圖像可以很好地滿足系統(tǒng)實時性需求。另外， DSP 芯片有靈活的外部接口，由它組 成的指紋自動識別系統(tǒng)可以集圖像采集，端口驅(qū)動等電路模塊于一體，因而體積小價格也相對便宜。因此本文選用 TI 公司的 TMS320C5402 DSP 為硬件系統(tǒng)的內(nèi)核 [42]。 硬件 系統(tǒng) 劃分為存儲器擴展電路、指紋采集電路和外圍、接口電路三部分。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖 ： 指紋采集傳感器 TMS320C5402 數(shù)字信號處理器 其它外圍 電路 數(shù)據(jù)存儲器 程序存儲器 FLASH 邏輯控制電路 接口電路 37 圖 指紋識別系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu) 數(shù)字信號處理器 (DSP)簡介 [43][44][45] DSP 芯片發(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(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴大 ,DSP芯片已形成低、中、高三個檔次 :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(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 ,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 DSP 基本由 TI 公司和 AD 公司壟斷 ,處理速度為 40M～ 1GFLOPS。 TMS320C5402 DSP 的體系結(jié)構(gòu)及其主要特點 當前業(yè)界中應(yīng)用得最廣泛的是 TI 的 TMS320 系列 DSPs， TMS320C5402 是 TI 于 1999年 10 月推出的性價比極高的定點數(shù)字信號處理器。其主要特點如下： (1)144 PIN BGA，操作速率達 100MIPS； (2)哈佛結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)的馮諾伊曼 (Von Neumann)結(jié)構(gòu) 由于具有單一公用的數(shù)據(jù)和指令總線 ,因此在高速運算時 ,往往在傳輸通道上會出現(xiàn)瓶頸效應(yīng)。 DSP 芯片內(nèi)部一般采用哈佛 (Harvard)結(jié)構(gòu) ，三條 16 位數(shù)據(jù)存儲器總線和一條程序存儲器總線 。這種分離的程序總線和數(shù)據(jù)總線 ,可允許在一個機器周期內(nèi)同時獲取指令字 (來自程序存儲器 )和操作數(shù) (來自數(shù)據(jù)存儲器 ),從而提高了執(zhí)行速度。 (3)流水線技術(shù) DSP 芯片的哈佛結(jié)構(gòu)為流水線技術(shù)提供了方便。由于采用流水 線技術(shù) ,DSP 芯片可以 38 單周期完成乘法累加運算 ,大大提高了運算速度。而 DSP 芯片的指令基本上都是單周期指令 ,因此單周期指令執(zhí)行時間可以作為衡量 DSP 芯片性能的一個主要指標。 (3)硬件乘法器 數(shù)字信號處理中最重要的一個基本運算是乘法累加運算 ,也是最主要和最耗時的運算 ,因此單周期的硬件乘法器是 DSP 芯片實現(xiàn)快速運算的保證。 TMS320C5402 具有一個17*17 乘法器，允許 16 位帶／不帶符號的乘法 ，提高運算速度。 (4)多種外設(shè)和接口 為了加強 DSP芯片的通用性 ,DSP 芯片上增加了許多外設(shè)?？赡馨ǖ耐庠O(shè)有 :多路DMA通道、外部主機接口、外部存儲器接口、芯片間高速鏈接口、外部中斷、通信串口、定時器、可編程鎖相環(huán)、 A/D 轉(zhuǎn)換器、 JTAG 接口等。 (5)JTAG 接口 由于 DSP芯片結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化、工作速度的提高、外部引腳的增多、封裝面積減小而導(dǎo)致的引腳排列密集等原因 ,傳統(tǒng)的并行仿真方式已不適合于 DSP 芯片的發(fā)展和應(yīng)用開發(fā)。 1991 年公布的 JTAG 接口標準滿足了 IC 制造商和用戶的要求 ,1993 年 JTAG 接口標準修訂為 5線接口。在片 JTAG 接口為 DSP 芯片的測試和仿真提供了很大的便利。 (6)程序的加載引導(dǎo) 加載引導(dǎo)是指 器件在上電復(fù)位后執(zhí)行一段引導(dǎo)程序 ,用于從端口 (異步串口、 I/O 口、主機接口 )或外部 EPROM/FLASH 存儲器中加載程序至高速 RAM 中運行。一般用EPROM/FLASH 存儲器存儲程序 ,但是其訪問速度較慢 ,而一些已有的高速 EPROM/FLASH 存儲器價格昂貴且容量有限 。同時高速大容量靜態(tài) RAM價格又在不斷下降 ,因此這種加載方式是一個有效的性價比解決方法。 存儲器擴展 C5402 系列 DSP 存儲器分為三個獨立選擇的空間 — 程序、數(shù)據(jù)和 I/O，其中程序存儲器存放待執(zhí)行的指令和執(zhí)行中所用的系數(shù) (常數(shù) )，可使用片 內(nèi)或片外的 RAM、 ROM 或FLASH 等來構(gòu)成；數(shù)據(jù)存儲器存放指令執(zhí)行中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，可使用片內(nèi)或片外的 RAM 和ROM 來構(gòu)成。 I/O 存儲器存放與映象外圍接口相關(guān)的數(shù)據(jù)，也可以作為附加的數(shù)據(jù)存