【正文】 形（一個(gè)核點(diǎn)、一個(gè)三角點(diǎn)，三角點(diǎn)在核點(diǎn)右邊），右環(huán)形（一個(gè)核點(diǎn)，一個(gè)三角點(diǎn)，三角點(diǎn)在核點(diǎn)左邊），渦形（一個(gè)核點(diǎn)，兩個(gè)三角點(diǎn)）。所以提取指紋奇異點(diǎn)首先要計(jì)算指紋的方向圖。我們這里作一簡(jiǎn)單介紹。點(diǎn)方向圖有多種方法可以提取指紋的點(diǎn)方向，進(jìn)而統(tǒng)計(jì)出聲方向的方法；Rao ，利用脊線(xiàn)方向弧度變化最緩的原理，來(lái)求取指紋方向。容易觀察到，指紋中的紋線(xiàn)方向是灰度值變化最慢的方向，而梯度方向則正好相反，它是灰度值變化最快的方向。塊方向圖對(duì)于某一個(gè)點(diǎn)來(lái)講，由于受到各種噪聲的景響，可能會(huì)產(chǎn)生較大的隨機(jī)誤差，然而，對(duì)于某一個(gè)具體的指紋圖像來(lái)講，某一個(gè)小區(qū)域的方向總是近似一致的，因此，用塊方向代替某一點(diǎn)的方向是一個(gè)可行的辦法，并且可以有效地消除點(diǎn)方向圖中出現(xiàn)的隨機(jī)誤差。中值法就是將點(diǎn)方向圖分塊以后，將其中的所有方向用排序算法排序后，選出其中位于中間位置的方向，以此作為塊方向圖的方向。加權(quán)平均法就是把點(diǎn)方向圖分塊以后，統(tǒng)計(jì)子塊中每一方向的頻率，再除以子塊的總的像素?cái)?shù)目，可以得到相應(yīng)方向的權(quán)系數(shù)。直方圖法就是把點(diǎn)方向圖分成ww大小的塊，然后對(duì)每一子塊計(jì)算其方向直方圖，將方向直方圖中的峰值方向作為該子塊的方向，由此可以得到塊方向圖。指紋方向圖計(jì)算指紋方向圖的具體算法描述如下；（1）把指紋圖象分成大小為ww的方塊，對(duì)于本文中的指紋圖象，w選為5；（2）計(jì)算每一點(diǎn)(i,j)的梯度，在這里，梯度算子選為Sobel算子。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，使用Sobel算子已經(jīng)可以滿(mǎn)足實(shí)際要求；（3）計(jì)算以(i,j)為中心的每一塊的方向，如下： （213） （214） （215）這里θ(i,j)是局部脊線(xiàn)方向的最小平方估計(jì)。式中是點(diǎn)的x,y向一階偏導(dǎo)；θ(i,j)的范圍在π/4～π/4之間，為滿(mǎn)足后繼算法的需要，將所求角度調(diào)整至0～π之間，作如下處理：如果，表明該塊的紋線(xiàn)方向?yàn)?～π/4之間或3π/4～π，則θ(i,j)=θ(i,j)+π/2；如果，且，表明該塊的紋線(xiàn)方向?yàn)棣?4～π/2之間，則θ(i,j)=θ(i,j)+π；如果，且，表明該塊的紋線(xiàn)方向?yàn)棣?～3π/4之間，則θ(i,j)無(wú)需調(diào)整。（4）由于噪聲、斷裂的脊線(xiàn)和谷線(xiàn)的存在，估計(jì)的脊線(xiàn)方向θ(i,j)可能不是總正確。為了做這件事情，方向場(chǎng)子需要轉(zhuǎn)化到一個(gè)連續(xù)的向量場(chǎng)中： (216) (217)，是向量場(chǎng)的x,y分量，低通濾波可以如下表示： (218) (219)其中，h是一個(gè)二維低通濾波器其積分為1，是濾波器的大小。本文中該濾波器大小為55。（5）計(jì)算在(i,j)局部方向場(chǎng)： （220）這樣我們就得到了指紋圖像的方向場(chǎng)。這里作一簡(jiǎn)單敘述，設(shè)O是方向場(chǎng)子，在給定點(diǎn)(i,j)索引如下計(jì)算： (221) (222)其中 (223)由Poincare值判斷，為0176。時(shí)，該點(diǎn)是三角點(diǎn)；為180176。如圖212：D12D11D10D1D9D2(i,j)D8D3D7D4D5D6圖212 方向場(chǎng)計(jì)算的閉曲線(xiàn)則在曲線(xiàn)D1D2...D12D1上其Poincare的值如下： (224)其中Di(i=1,2...12)表示圖212中曲線(xiàn)D1D2...D12D1經(jīng)過(guò)的每一塊的方向。時(shí)，該(i,j)是一般點(diǎn)；等于180176。時(shí)，(i,j)是核點(diǎn)；這樣得到相鄰的幾個(gè)候選奇異點(diǎn)。為了消除偽奇異點(diǎn)，我們利用方向會(huì)聚性測(cè)度和灰度方差的乘積函數(shù)[31]，對(duì)候選奇異點(diǎn)進(jìn)行篩選。相反，噪聲點(diǎn)只是在較小的領(lǐng)域內(nèi)方向變化比較劇烈，從整個(gè)方向場(chǎng)來(lái)看噪聲點(diǎn)所在的局部，其方向還是基本一致的，也即不同的徑向上的平均方向相差不大。則定義區(qū)域方向會(huì)聚性測(cè)度為： (226)其中，,為領(lǐng)域內(nèi)沿βi方向的方向場(chǎng)平均值。90176。90176。45176。135176。（2）指紋灰度方差在指紋的前、背景的交界處以及前景模糊區(qū)，方向不規(guī)則，易產(chǎn)生偽奇異點(diǎn)。灰度方差可以很好的反映指紋的前、背景特征。（3）總置信度綜合（1）和（2），候選奇異點(diǎn)的置信度為P=C(i,j)V(i,j)。第三章 指紋識(shí)別系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)本章首先介紹了半導(dǎo)體指紋傳感器MRB200的基本特點(diǎn)、基本功能，接下來(lái)介紹了AVR單片機(jī)的一些特點(diǎn)以及與指紋傳感器的連接電路，利用mega16的實(shí)驗(yàn)板與MRB200實(shí)現(xiàn)了指紋采集。DSP模塊主要由指紋采集單元和指紋處理單元兩部分組成。指紋處理單元根據(jù)用戶(hù)的命令來(lái)完成一系列的操作，如指紋比對(duì)、指紋登記、指紋刪除等，能方便自如地集成于各類(lèi)指紋識(shí)別鎖具、門(mén)禁、保險(xiǎn)箱等產(chǎn)品中。90度旋轉(zhuǎn)；l 采用美國(guó)德州儀器具有強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力和高運(yùn)行速度的DSP處理器；l 超大采集面積和超薄感應(yīng)體；l 自動(dòng)適應(yīng)潮濕、沾水、干燥的手指；l 不殘留指紋；l 獨(dú)立完成圖象處理、比對(duì)、儲(chǔ)存功能；l 支持大容量指紋存儲(chǔ)；l 支持多種通訊接口；l 強(qiáng)抗靜電能力；l 低功耗； 接口定義PIN 6 5 4 3 2 1CA50mmB60mm指紋處理單元接口接口A采集單元接口, 為與BMF采集芯片的扁平接口。 安裝連接MRB200指紋模塊主要由指紋采集單元和指紋處理單元兩部分組成，指紋處理單元通過(guò)24芯排線(xiàn)（接口A）與指紋采集單元相連接；指紋模塊通過(guò)異步串行接口（接口B）與用戶(hù)目標(biāo)板相連進(jìn)行供電和數(shù)據(jù)傳輸。DSP Module A C Pin1傳感器背面 Pin1 B Pin24 Pin24 指紋處理單元排線(xiàn)固定座 采集單元24芯排線(xiàn)圖31 采集單元傳感器與指紋處理單元的安裝連接示意圖C ADSP Module上位機(jī)/單片機(jī)B圖32 MRB200模塊與上位機(jī)、單片機(jī)的連接示意圖 命令格式l MRB200指紋模塊采用異步串行接口進(jìn)行通訊，模塊根據(jù)各種命令（CMD）來(lái)執(zhí)行相應(yīng)的操作， l 并按照協(xié)議返回應(yīng)答（ACK）信息。命令（CMD）由8個(gè)或以上字節(jié)組成（CMD為0x3格式的命令由8個(gè)基本命令字節(jié)加若干數(shù)據(jù)字節(jié)組成，非0x3格式的命令僅含8個(gè)基本命令字節(jié)）。第2字節(jié)為設(shè)備號(hào)(CH)，一般為0x00。第5字節(jié)為參數(shù)代碼P1，P2。第7字節(jié)為效驗(yàn)和(CHK)，用于存放第2字節(jié)至第6字節(jié)之異或值。應(yīng)答(ACK)一般為8個(gè)或以上字節(jié)組成，基本格式：第1字節(jié)為頭標(biāo)識(shí)(Head) ，固定為0xFE。第3字節(jié)為應(yīng)答代碼(CODE)，用來(lái)放應(yīng)答代碼。第6字節(jié)為應(yīng)答參數(shù)代碼AP。第8字節(jié)為尾標(biāo)識(shí)(END) ，固定為0xFD。由于其先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，ATmega16的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1MIPS/MHz，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。由于ATmega16具有上述比其它8位單片機(jī)優(yōu)異的性能，因此本指紋系統(tǒng)使用此款單片機(jī)做為上位機(jī)。指紋識(shí)別系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖如圖33所示：MRB200指紋模塊ATmega16液晶顯示鍵盤(pán)指紋處理單元傳感器采集單元圖33 指紋識(shí)別系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖通訊接口電路MRB200指紋模塊采用UART通訊方式，接口PIN1為地，PIN2為異步串口入，PIN3為異步串口出，PIN4為手指采集狀態(tài)指示(輸出)， PIN5為睡眠狀態(tài)控制(輸入)，PIN6為電源輸入(4～)，因此PINPIN3分別要接mega16的PIN15(TXD)、PIN14(RXD)，PINPIN5可以任接2個(gè)閑置的引腳。為了可靠，、雜波。當(dāng)AVR在工作時(shí)，按下S0開(kāi)關(guān)時(shí)，復(fù)位腳變成低電平，觸發(fā)AVR芯片復(fù)位。中文液晶顯示模塊LCMxxZK的字型ROM 內(nèi)含8192個(gè)16*16 點(diǎn)中文字型和128個(gè)16*8 半寬的字母符號(hào)字型。電源操作范圍寬( to )；低功耗設(shè)計(jì)可滿(mǎn)足產(chǎn)品的省電要求。中文液晶顯示模塊可實(shí)現(xiàn)漢字、ASCII、 碼點(diǎn)陣圖形的同屏顯示，廣泛用于各種儀器儀表家用電器和信息產(chǎn)品上作為顯示器件。預(yù)留多種控制線(xiàn)(復(fù)位/串并選擇/亮度調(diào)整)供用戶(hù)靈活使用。在片選CS 設(shè)為高電位時(shí)，同步時(shí)鐘線(xiàn)(SCLK)輸入的訊號(hào)才會(huì)被接收，另一方面，當(dāng)片選(CS)設(shè)為低電位時(shí)，模塊的內(nèi)部串行傳輸計(jì)數(shù)與串行資料將會(huì)被重置，也就是說(shuō)在此狀態(tài)下，傳輸中的資料將被終止清除，并且將待傳輸?shù)拇匈Y料計(jì)數(shù)重設(shè)回第一位；模塊選擇腳(CS)可被固定接到高電位。從一個(gè)完整的串行傳輸流程來(lái)看，一開(kāi)始先傳輸起始位，它需先接收到五個(gè)連續(xù)的“1”(同步位串)在起始位元組，此時(shí)傳輸計(jì)數(shù)將被重置并且串行傳輸將被同步，再跟隨的二個(gè)BIT 分別指定傳輸方向位(RW)及暫存器選擇位(RS)， 最后第八位則為0。圖37 LCD寫(xiě)一個(gè)字節(jié)的時(shí)序圖/*****************************************液晶發(fā)送子程序(串行)輸入數(shù)據(jù)：要發(fā)送的8位數(shù)據(jù)輸出：無(wú)*****************************************/void lcm_out(char a){ char i,d。i8。 d=aamp。 if(d) sbi(PORTD,3)。 a=1。 }}/*****************************************液晶寫(xiě)控制字程序輸入數(shù)據(jù)：要寫(xiě)入的8位數(shù)據(jù)輸出：無(wú)*****************************************/void wr_(uchar a){ uchar s。0xf0。 lcm_out(s)。0x0f。 lcm_out(s)。 s=aamp。 lcm_out(0xfa)。 s=aamp。 s=4。}液晶屏初始化的時(shí)序圖延時(shí)1ms延時(shí)1ms延時(shí)1ms延時(shí)1ms上電延時(shí)40ms設(shè)定功能，寫(xiě)控制字30H再次寫(xiě)控制字30H設(shè)定顯示狀態(tài)0CH清除屏幕01H設(shè)定光標(biāo)方向06H圖38 LCD初始化的流程圖/*****************************************液晶初始化程序輸入數(shù)據(jù)：無(wú)輸出：無(wú)*****************************************/void lcm_init(void){ sbi(PORTD,2)。 wr_(0x30)。 wr_(0x30)。 wr_(0x0c)。 wr_(0x01)。 wr_(0x60)。}鍵盤(pán)電路本系統(tǒng)使用4個(gè)按鍵進(jìn)行人機(jī)交互，4個(gè)按鍵的功能分別為添加用戶(hù)、識(shí)別用戶(hù)、選擇用戶(hù)、刪除用戶(hù)。圖39 鍵盤(pán)電路的設(shè)計(jì) 指紋識(shí)別系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)MRB200指紋模塊內(nèi)含智能化指紋識(shí)別技術(shù)，軟件系統(tǒng)主要是設(shè)計(jì)上位機(jī)向指紋處理單元發(fā)送控制命令，完成所需要的操作，如指紋登記、掃描并識(shí)別指紋、刪除用戶(hù)等，另外上位機(jī)還需要負(fù)責(zé)液晶顯示、鍵盤(pán)掃描等工作。本論文是研究與開(kāi)發(fā)指紋識(shí)別系統(tǒng)的第一步，目的在于探索系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性。而本文介紹的算法就解決了存儲(chǔ)量和速度的問(wèn)題，存儲(chǔ)量大大降低，識(shí)別速度也有所提高。由于本文的指紋識(shí)別算法是一種比較新的算法，因此還需要對(duì)算法不斷地進(jìn)行改進(jìn)。（2）由于不同時(shí)刻采集的指紋圖像，會(huì)存在旋轉(zhuǎn)和平移等問(wèn)題而產(chǎn)生差異，從而影響指紋識(shí)別算法的識(shí)別率。 展望現(xiàn)今，指紋識(shí)別技術(shù)發(fā)展越來(lái)越快，指紋識(shí)別類(lèi)產(chǎn)品也越來(lái)越多的出現(xiàn)在我們常生活中。據(jù)專(zhuān)家保守估計(jì)，未來(lái)5年，我國(guó)將有近百億兒的市場(chǎng)等待著企業(yè)去開(kāi)拓。但是，指紋識(shí)別的核心技術(shù)仍然存在許多尚未解決的難題，尤其是對(duì)殘缺、污損指紋圖象進(jìn)行識(shí)別的魯棒性和適應(yīng)性方面不能令人滿(mǎn)意。其中，能適應(yīng)在線(xiàn)應(yīng)用的自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)的算法有待進(jìn)一步改進(jìn)，多種指紋識(shí)別方法的集成應(yīng)用以及包括指紋識(shí)別在內(nèi)的多種生物特征鑒定技術(shù)的集成應(yīng)用也將是今后研究的發(fā)展方向。本文中采用的算法雖然還有許多地方有待改進(jìn)，目前還不能用于實(shí)際應(yīng)用。參考文獻(xiàn)[1] 蘇彥華等編著：《Visual C++數(shù)字圖像識(shí)別技術(shù)典型案例》，人民郵電出版社，2004.[2] 徐飛，施曉紅等編著：《MATLAB 應(yīng)用圖像處理》，西安電子科技大學(xué)出版社，2002.[3] 邊肇祺，張學(xué)工等編著：《模式識(shí)別》，清華大學(xué)出版社，2000.[4] 柴曉光編：《民用指紋識(shí)別技術(shù)》，人民郵電出版社，2004.[5] 祝恩編著：《自動(dòng)指紋識(shí)別技術(shù)》，國(guó)防科技大學(xué)出版社，2006.[6] 唐遠(yuǎn)炎，王玲著：《小波分析與文本文字識(shí)別》，科學(xué)出版社，2004.[7] 楊紅，張樂(lè)，從闖. 基于小波的指紋圖像增強(qiáng)算法. 沈陽(yáng)大學(xué)學(xué)報(bào). , [8] 朱家德，陳慶瀚. 一維小波變換在生物辨識(shí)中的應(yīng)用. ~chen/[9] Milan Sonka, Vaclav Hlavac, Roger Boyle. 圖像處理、分析與機(jī)器視覺(jué). 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