【正文】 int identification system, the algorithm flow of the fingerprint identification system are introduced, and on the basis of the fingerprint image segmentation algorithm, and fingerprint image thinning algorithm. And finish the fingerprint identification system based on single chip microputer hardware circuit design. ZMF206 fingerprint identification module is applied in this article, the design for fingerprint recognition based on single chip microputer hardware circuit system, fingerprint identification control system to form an independent. The system can realize serial munication between SCM and fingerprint module, by manipulating the independent type keyboard key, to the fingerprint module of DSP chip to send corresponding instructions, to perform input user, add users, authenticate the user, delete to specify user, delete all user, user matching, and other functions, applicable to the need for identification of areas. Key words: control system。 Serial Communications。在網(wǎng)絡(luò)化時代的今天，我們每個人都擁有大量的認證密碼，比如開機密碼、郵箱密碼、銀行密碼、論壇登陸密碼等等；并配備了各種鑰匙 ，如門鎖鑰匙，汽車鑰匙，保險柜鑰匙等。而我們的生活隨時都需要進行個人身份的確認和權(quán)限的認定。人體指紋含有天然的密碼信息，其具有作為密碼信息必須具備的三個重要性質(zhì) [1]： ①廣泛性，指每一個正常人都有指紋。 ③終生不變性， 指非意外事故指紋終身不變。盡管 人們已經(jīng)對自動指紋識別技術(shù)作了深入廣泛的研究，指紋識別技術(shù)也獲得了不少應用，但是指紋識別的應用在目前并沒有獲得普及，這主要是因為指紋識別在識別準確性和識別速度方面還遠遠不能滿足很多實際應用的要求。 指紋識別技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 指紋識別算法的研究方向主要分為：基于圖像的識別算法和基于特征的識別算法 [2]。它是一種使用全局信息進行 識別的方法，例如使用指紋圖像的 Fourier 頻譜來表示和識別指紋。 基于特征的指紋識別算法是找到并比對指紋的特征 [2]。目前大多數(shù)的自動指紋識別系統(tǒng)使用的都是這類算四川文理學院學位論文 2 法。對應的匹配方法可以分為：基于點模式的匹配，基于脊線的匹配，基于紋理的匹配以及多種細節(jié)特征混合的匹配方法。提取該細節(jié)特征有多種方法：基于灰度指紋圖像直接提取，基于二值圖像的特征提取，基于細化圖像的特征提取。中科院自動化所智能生物信怠系統(tǒng)研究組和北京數(shù)字指通軟件技術(shù)有限公司對自動指紋識別技術(shù)進行了長期的理論研究和應用系統(tǒng)開發(fā)，指紋圖像的識 別準確率和識別速度已達到國際先進水平。指紋識別技術(shù)多用于對安全性要求比較高的領(lǐng)域，麗在商務移動辦公領(lǐng)域頗其建樹的富圭通、三星及等國際知名品牌都擁有技術(shù)與應用較為成熟的指紋識別系統(tǒng) [4]。主要表現(xiàn)在： (1)指紋錄入設(shè)備的質(zhì)量還不太過關(guān)： (2)自動指紋識別算法研究水平還有待提高，在應用上的表現(xiàn)為產(chǎn)品適應性和易用性較差 ，對干、濕一些的指紋往往不能正確區(qū)別，對指紋錄入時的旋轉(zhuǎn)、平移比較敏感。人體指紋含有天然的密碼信息，其具有作為密碼信息必須具備的四個重要性質(zhì)： ①廣泛性，指每一個正常的人都有指紋。指紋的細節(jié)由細微紋點和紋線的起點、終點、分叉等組成。 ③終生不變性，指紋終身不變即指紋的圖案永遠不會改變，從人的出現(xiàn)到死后的分解為止 (除非指紋受到傷害 )。 指紋的使用比起其它證卡來說更快捷、安全、準確、無干擾，可實現(xiàn)快速登 3 錄注冊，系統(tǒng)兼容性好，也就是說可以獨立或者通過聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成系統(tǒng)并且很容易并入各類證卡和定義識別系統(tǒng)中。 指紋識別系統(tǒng)主要包括四部分：指紋圖像采集，指紋圖像預處理，指紋特征提取和指紋特征匹配。就 現(xiàn)有文獻和產(chǎn)品來看，對低質(zhì)量的指紋圖像的處理效果還遠不能令人滿意。 指紋匹配算法的性能主要決定于所提取到的特征點的數(shù)目、位置和相互關(guān)系的可靠性。 計算復雜性是自動指紋識別技術(shù)中一個重要的研究課題。 以 MCS51 系列單片機作為控制核心，設(shè)計并制作指紋識別控制系統(tǒng)。同時使得系統(tǒng)程序可讀性加強，方便程序的完善和修改。控制器設(shè)計首先要了解指紋識別系統(tǒng)的理論要求，再通過軟硬件實現(xiàn)整個指紋識別的模擬過程。 第二章 指紋識別系統(tǒng)實現(xiàn)原理 我們定義了指紋的兩類特征來進行指紋的驗證：總體特征和局部特征。其他的指紋圖案都基于這三種基本圖案。中心線的按我國是指紋分析法，指紋分三大類型（如圖 ），三大種形態(tài)?；尉€的對側(cè)有一個三角的上下之線包圍著中心花紋。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。 (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。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。分弧形和帳形紋兩種。 (5)帳形紋： 由 平行的和突起的弧形線組成。 指紋類型的三類九種，是按我國現(xiàn)行的十指指紋分析法劃分的。實際上指紋種類遠不只這些。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。這些斷點、分叉點和轉(zhuǎn)折點就稱為 特征點 。特征點的分類有以下幾種 (如圖 ),最典型的是 端 點和分叉點。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(guān)鍵的問題。指紋分割的最基本的依據(jù)是圖像某些特征和特征集合。特征集合則是幾種的結(jié)合。因此根據(jù)以上的的灰度值 [6]領(lǐng)域關(guān)系，紋線的扭曲程度，指紋圖像分割 [6]大致分為三四川文理學院學位論文 6 類：基于像素的圖像分割，基于塊特征的圖像分割以及基于全局的圖像分割。小波變換和傅里葉變換的出發(fā)點 都是將信號表示成基函數(shù)的線性組合。對于任意函數(shù) ?? ? ?RL2?tf 的連續(xù)小波變換 [6]：公式（ ）為變換公式，公式（ ）為重構(gòu)公式。 小波變換的特點是 壓縮比高，壓縮速度快，壓縮后能保持信號與圖象的特征不變，且在傳遞中可以抗干擾。但是小波變換的明顯缺點是它計算復雜，計算效果也取決于函數(shù)的選擇。它是圖像分割中最基本的方法。此原理在匹配中也可以運用。 代表塊特征的指紋圖像分割目前研究趨勢為多種塊基本特征如灰度均值、塊灰度方差 [8]、塊方向圖等綜合運用和重新定義塊特征。圖像均值就是對每一個單位塊的灰度值取均值，方差則反 7 映 該塊中各點與均值的偏差性，方向這可以很好的反映紋理的變化趨勢。 LinHong 等人開發(fā)的基于最小均方估計算法，即公式法。這種方法最大的優(yōu)點是易實現(xiàn)，很好體現(xiàn)出紋理，但缺點是對于變化太快的部分出錯。 基于全局的圖像分割則是根據(jù)情況特別是某些特殊場合的利用，如殘缺指紋。基于全局的指紋識別仍處于實驗室探索階段 ,應用領(lǐng)域中尚不廣泛。在這部分將重點介紹均值法差法的計算方法和在仿真中的運用。具體步驟分以下三步 [10]： (1)將低頻圖分成 M M 大小的無重疊方塊，方塊的大小以一谷一脊為宜。 設(shè)指紋圖像 I 的大小為 H L， I(i,j)為像素點 (i,j)的灰度， AVE 和 VAR 分別為原指紋圖像的均值和方差， AVE 和 VAR 可以通過公式 ()和 ()計算得到。 在使用方差均值法之前還要使用歸一法將圖變?yōu)榈皖l圖。指紋圖像的歸一化公式如式 ()所示，當大于平均值時為加。 指紋圖像細化的預處理 這部分預處理主要為二值化?；叶葓D像二值化是將灰度圖變換為只有黑和白兩種灰度的圖像?；叶葓D二值化的基本思想是選取適當?shù)幕叶乳u值，將灰度圖像轉(zhuǎn)化為二值圖像，閾值的選擇是關(guān)鍵，對于閾值的選擇，有多種方法，如熵法， Ostu 法等。 灰度圖二值化的基本思路是選取適當?shù)幕叶乳撝?，將灰度圖像轉(zhuǎn)化為二 值圖像。我們通過研究發(fā)現(xiàn)，這種方法雖然簡單，但是對噪聲較大，圖像質(zhì)量不好的指紋會產(chǎn)生較大的二值化噪聲。 論文中采用了一種動態(tài)局部閾值，滿足這種條件下的灰度值為 128，不滿足則灰度值為 255。背景和灰度值為 255 的紋線像素置為 1，這做法的目的是去除不確切的點。 9 二值化后的圖像中的點還要進行修改，修改條件為：當像素為 1 時，它周圍點不大于 3 個為像素 1 點則修改為 0；當像素為 0 時，它周圍不小于 7 個點為像素 1 的點，則修改為 1。 指紋圖像細化方法計算 由于灰度過渡區(qū) [12]的存在，指紋細化是指紋圖像預處理中的一個重要環(huán)節(jié)，因為一般的特征提取都是在細化的基礎(chǔ)上進行的，如果細化不好，將無法使用常規(guī)的特征提取算法提取細節(jié)特征信息 [13]。所謂“骨架 ”，是指圖像中央的骨骼部分，是描述圖像幾何及拓撲性質(zhì)的重要方法之一。在文字識別、地質(zhì)構(gòu)造識別、工業(yè)零件形狀識別或圖像理解中，先對被處理圖像進行細化有助于突出形狀特點和減少冗余信息。理想細化后的紋線骨架應該是原始紋線的中間位置，并保持紋線的連通性、拓撲結(jié)構(gòu)和細節(jié)特征。 (2)連 通性；不破壞紋線的連接性。 (4)保持性：保護指紋的細節(jié)特征。 (6)中軸性：骨架盡可能接近條紋中心線。 已有的算法迭代按迭代方式的不同分為串行算法和并行算法。并行細化算法對圖像進行細化時利用相同的條件同時檢測所有像素點，其結(jié)果具有各向同性，因此從算法原理上并行算法優(yōu)于串行算法。 Suen 細化算以及 ZR細化算法等等。 不同的文獻上有不同的關(guān)于細化方法，如王家隆 [16]等以及王業(yè)琳 [17]等的細化模板。因而細化中選擇一個好四川文理學院學位論文 10 的模板很關(guān)鍵。這樣就可以將較粗的圖像曲線細化成很細的以像素為單位的線，大大減少了圖像的信息量，有利于匹配的高效進行。 （ 2）對于滿足 6種情況的模板，賦值為 2 ，其實為像素 1情況。 （ 3） 16 種消去模板是在不滿足上述情況下衍生的模板，對于滿足這些模板的點像素全為 0，以上都未涉及的點不做改變。 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。目前最為常用的方法是 FBI 提出的 細節(jié)點坐標模型來做細節(jié)匹配。通過將細節(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。對于基于細節(jié)點的匹配思路大體分兩種：基于直角坐標系的特征識別和基于極坐標系的特征識別。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。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。能進行指紋的錄入，二次錄入無誤后，記錄該指紋數(shù)據(jù)。 (2) 指紋識別。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。能進行指紋數(shù)據(jù)的管理，添加和刪除指紋數(shù)據(jù)。 (4) 操作顯示。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。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。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用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 四川文理學院學位論文 12 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。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位為止。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)達到預期的要求。系統(tǒng)總體框圖如圖 所示： 圖 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。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、指示燈進行響應操作。本次設(shè)計采用 9 芯針接口，其主要包括 DCD(Data Carrier Detect)載波檢測引腳， RXD(Received Data)接收數(shù)據(jù)引腳， TXD(Transmit Data)發(fā)送數(shù)據(jù)引腳，DTR(Data Terminal Ready)數(shù)據(jù)終端準備就緒引腳