基于生物特征的汽車防盜系統(tǒng)設(shè)計(jì)報告

1、嵌入式系統(tǒng)綜合訓(xùn)練課程設(shè)計(jì)系別： 計(jì)算機(jī)系 專業(yè)： 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù) 年級： 07級 姓名： 林嵩泳 學(xué)號： 0702012120 班級： 科學(xué)與技術(shù)3班 組員： 秦能 2010 年 6 月 29 日目錄1. 整體介紹11.1 發(fā)展前景11.1 總體設(shè)計(jì)12. 硬件部分12.1 硬件元器件12.2 分工過程23. 軟件部分23.1 指紋管理模塊23.2 語音管理模塊23.3 GPRS管理模塊34. 指紋管理模塊的具體工作34.1 發(fā)展前景34.2 技術(shù)困難34.3 總體設(shè)計(jì)方案45. 基于方向圖的動態(tài)閥值指紋圖像二值化方法46. 指紋識別系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)56.1 硬件結(jié)構(gòu)56.2 電路設(shè)計(jì)57.

2、 項(xiàng)目心得67.1 系統(tǒng)的不足或可改進(jìn)部分67.2 感受及收獲68. 參考文獻(xiàn)61. 整體介紹1.1 發(fā)展前景汽車防盜器就是一種安裝在車上，使汽車不會丟失的裝置，目前防盜器按其結(jié)構(gòu)與功能可分四大類：機(jī)械式、電子式、芯片式和網(wǎng)絡(luò)式，四者各有優(yōu)劣，但汽車防盜的發(fā)展方向是向智能程度更高的芯片式和網(wǎng)絡(luò)式發(fā)展。目前已經(jīng)出現(xiàn)了許多生物識別技術(shù)，如指紋識別、聲音識別、虹膜識別、視網(wǎng)膜識別、面部識別等，但其中一部分技術(shù)含量高的生物識別手段還處于實(shí)驗(yàn)階段。使用有生物特征的汽車防盜器在國內(nèi)市場正處于起步階段。汽車的大量普及數(shù)字化的不斷提高，使用生物特征的防盜方式將取代傳統(tǒng)的防盜方式。中國的國民經(jīng)濟(jì)正飛速向上增長，

3、這意味著巨大的市場空間，使用具有生物特征的汽車防盜系統(tǒng)將擁有十分良好的市場前景。1.1 總體設(shè)計(jì)我們的基于生物特征識別的汽車防盜報警系統(tǒng)，主要以凌陽SPCE061A單片機(jī)作為主芯片，采納凌陽SPCE061A單片機(jī)具有的連接喇叭而發(fā)聲的揚(yáng)聲模塊，連接能夠錄制聲音的麥克風(fēng)，連接FPS200的指紋模塊，連接發(fā)送無線網(wǎng)絡(luò)的MC35I芯片的GPRS報警模塊。我們現(xiàn)在模擬一下這個系統(tǒng)的運(yùn)作：車主來到汽車面前，首先對車主的指紋進(jìn)行識別和驗(yàn)證，然后車主用語音開啟車門，系統(tǒng)錄制后，與數(shù)據(jù)庫中的備份語音進(jìn)行核對，語音正確，則系統(tǒng)打開車門，然后系統(tǒng)自動掛變，關(guān)閉控制車門的模塊，車主進(jìn)入汽車后由手動鎖車門，以及用車主

4、鑰匙啟動發(fā)動機(jī)。如果在驗(yàn)證車主時，驗(yàn)證失敗3次后，就馬上啟動系統(tǒng)中的GPRS報警系統(tǒng)，通知車主和警察。2. 硬件部分2.1 硬件元器件支持功能所需硬件模塊1. 語音識別2. 指紋識別3. GPRS4. 凌陽SPCE061A5. 指紋模塊FPS2006. GPRS模塊MC35I7. 喇叭，麥克風(fēng)凌陽單片機(jī)SPCE061AMC35ISPEAKERMIC按鍵FPS200存儲擴(kuò)展LCD點(diǎn)火開關(guān)門控開關(guān)2.2 分工過程 我負(fù)責(zé)凌陽61A單片機(jī)的指紋識別模塊和GPRS模塊，我的組員秦能負(fù)責(zé)凌陽61A單片機(jī)的鏈路連接模塊和語音識別模塊。3. 軟件部分總體軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想，我們是采用模塊化設(shè)計(jì)思想，系統(tǒng)可以劃

5、分為指紋管理模塊、語音管理模塊和GPRS管理模塊。3.1指紋管理模塊指紋管理模塊具體的是將車主的指紋備份，在發(fā)動機(jī)驗(yàn)證啟動模塊驗(yàn)證車主指紋，驗(yàn)證成功后，啟動發(fā)動機(jī)；驗(yàn)證不成功，要求重新輸入指紋。3.2語音管理模塊語音管理模塊也就是車門開啟模塊。車門開啟流程是：輸入開門語音，若語音正確則開車門鎖，否則無反應(yīng)。車主進(jìn)入汽車后，系統(tǒng)掛變，并且關(guān)閉系統(tǒng)。3.3 GPRS管理模塊報警流程是報警裝置初始化后，若汽車發(fā)動機(jī)非法啟動而又沒有通過指紋識別時，則點(diǎn)火裝置分離、GPRS短信通知車主等相應(yīng)的警報狀況。4. 指紋管理模塊的具體工作4.1發(fā)展前景20世紀(jì)80年代，個人電腦、光學(xué)掃描這兩項(xiàng)技術(shù)的革新，使得它

6、們作為指紋取像的工具成為現(xiàn)實(shí)，從而使指紋識別可以在其他領(lǐng)域中得以應(yīng)用，比如代替IC卡?，F(xiàn)在(90年代后期)，低價位取像設(shè)備的引入及其飛速發(fā)展，可靠的比對算法的發(fā)現(xiàn)為個人身份識別應(yīng)用的增長提供了舞臺。相對于其他身份鑒定技術(shù)，指紋識別技術(shù)之所以優(yōu)于其他身份鑒定技術(shù)而被廣泛采用的原因：指紋是獨(dú)一無二的，兩人之間不存在著相同的指紋；指紋是相當(dāng)固定的，不會隨年齡、健康狀況的變化而改變；指紋樣本易于采集，難以偽造，便于開發(fā)，實(shí)用性強(qiáng)；每人十指的指紋皆不相同，可利用多個指紋構(gòu)成多重口令，提高系統(tǒng)的安全性；指紋識別中使用的模板并非最初的指紋圖像，而是由圖像提取的關(guān)鍵特征，減小所需存儲的信息量，且在實(shí)現(xiàn)異地確認(rèn)

7、時，可大大減少網(wǎng)絡(luò)傳輸負(fù)擔(dān)，支持網(wǎng)絡(luò)功能?？梢钥闯觯讣y識別技術(shù)相對于其他識別方法有許多獨(dú)到之處，具有很高的實(shí)用性和可行性。4.2技術(shù)困難指紋圖像其實(shí)是比較復(fù)雜的，它有著許多不同于其他圖像的特征。與人工處理不同，現(xiàn)代的生物識別技術(shù)并不直接存儲指紋的圖像，而是記錄從指紋源圖像中提取到的特征，指紋識別算法最終都?xì)w結(jié)為在指紋圖像上找到并比對指紋的特征。我們定義了指紋的兩類特征來進(jìn)行指紋的驗(yàn)證：總體特征和局部特征?？傮w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，拱型，漩渦型。其他的指紋圖案都基于這三種基本圖案。僅僅依靠圖案類型來分辨指紋是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，這只是一個粗略的分類，但通過

8、分類使得在大數(shù)據(jù)庫中搜尋指紋更為方便的。4.3總體設(shè)計(jì)方案硬件平臺大致可以分為5個部分：成像系統(tǒng)（傳感器FPS200）、核心部分（AT89S51單片機(jī)）、RAM、EEPROM等器件。工作原理：指紋經(jīng)傳感器采集后，由傳感器直接轉(zhuǎn)成RGB格式，并且數(shù)據(jù)傳輸?shù)組CU。MCU需要執(zhí)行大量的模式識別和圖像處理相關(guān)計(jì)算。固化的程序存儲在EEPROM中，這些指令控制了整個指紋識別系統(tǒng)的工作流程。RAM為內(nèi)存存儲臨時數(shù)據(jù)。這就構(gòu)成數(shù)據(jù)通道。在指紋算法方面，研究了基于細(xì)節(jié)點(diǎn)特征指紋自動識別系統(tǒng)的各部分構(gòu)成以及指紋圖像的預(yù)處理和細(xì)節(jié)特征提取。5. 基于方向圖的動態(tài)閥值指紋圖像二值化方法二值化是指紋圖像預(yù)處理中必不

9、可少的一步。常用的二值化方法僅僅利用了圖像的灰度信息，對指紋圖像的二值化效果很不理想；現(xiàn)有的大部分指紋圖像預(yù)處理方法都是經(jīng)過濾波處理后再進(jìn)行二值化，這樣就需要對圖像進(jìn)行兩次掃描，不利于處理速度的提高。將指紋圖像自身的方向結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與源圖像灰度值變化特點(diǎn)結(jié)合起來，確定對圖像中每一像素點(diǎn)二值化的動態(tài)閥值。這種方法取代了一般指紋圖像預(yù)處理中無效區(qū)域分割、濾波、增強(qiáng)、二值化等步驟，一次完成圖像的二值化功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明，該方法得到的二值化圖像能夠基本保持源圖像上的特征點(diǎn)不丟失，確保了以后的特征提取和比對的正確性和可靠性。 特征點(diǎn)的八鄰域圖方框Y方向是該塊的指紋方向，x方向是其法線方向。以法線方向上各像

10、素點(diǎn)的灰度值做一曲線，可得到近似于正弦的波形圖。顯然，該波形圖的波谷對應(yīng)指紋圖像的脊線(指紋圖像中暗的紋線)，而波峰則對應(yīng)指紋圖像的谷(指紋圖像中亮的紋線)。若所考察的當(dāng)前像素點(diǎn)恰好落在波谷上，則該點(diǎn)就是指紋脊線點(diǎn)，若所考察的當(dāng)前像素點(diǎn)恰好落在波峰上，則該點(diǎn)就是指紋谷點(diǎn)，而谷點(diǎn)到脊點(diǎn)間像素灰度的變化幾乎呈線性，正是基于指紋圖像在結(jié)構(gòu)上和像素灰度變化上的這些特點(diǎn)，本文提出了下述指紋圖像二值化方法：1將圖像分成大小為N×N的小塊，用上述方向圖改進(jìn)方法計(jì)算各小塊的方向；2對圖像中的每一點(diǎn)，以其所在塊的方向作為該像素點(diǎn)的方向，并以該點(diǎn)為中心在其法方向上取(一般為奇數(shù))的矩形窗，計(jì)算矩形窗內(nèi)指

11、紋方向每一列中像素點(diǎn)在法方向上的加權(quán)平均，具體公式為：3對中極大點(diǎn)或極小點(diǎn)附近的波動做平滑處理；4找出極大點(diǎn)和極小點(diǎn)位置及對應(yīng)的值，對極大值極小值求平均，將此平均值作為該點(diǎn)二值化門限，稱其為動態(tài)閥值。5將當(dāng)前像素點(diǎn)的加權(quán)平均灰度值與動態(tài)閥值進(jìn)行比較，若小于動態(tài)閥值，同時，當(dāng)前像素點(diǎn)在波形圖極小點(diǎn)一個有限的鄰域內(nèi)，則當(dāng)前像素點(diǎn)為脊線點(diǎn)，否則為谷點(diǎn)。本算法在具體實(shí)現(xiàn)中可利用同一塊中所有像素有同樣方向的條件，推導(dǎo)出快速算法，防止一些點(diǎn)的重復(fù)掃描，大大縮短處理時間。6. 指紋識別系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)6.1硬件結(jié)構(gòu)指紋識別系統(tǒng)主要包括：單片機(jī)最小系統(tǒng)、指紋采集部分、串口通信電路、外部存儲部分、開關(guān)按鈕，供電系

12、統(tǒng)組成。指紋識別系統(tǒng)中，單片機(jī)采用AT89S51單片機(jī)，它是整個控制器的核心部件。MAX232作為接口芯片用于實(shí)現(xiàn)指紋傳感器串口的RS-232信號與89S51串行口的TTL信號的相互轉(zhuǎn)換。6.2電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用AT89S51作為指紋識別系統(tǒng)的核心處理器，使用單片機(jī)內(nèi)部的4K程序存儲器，接+5V電源。復(fù)位電路則采用簡單RC復(fù)位電路，同時又可與一些需要復(fù)位的外圍電路相連，達(dá)到復(fù)位與單片機(jī)同步。串口通信接口設(shè)計(jì)采用MAX232實(shí)現(xiàn)TTL與RS-232的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)通信。7. 項(xiàng)目心得7.1 系統(tǒng)的不足或可改進(jìn)部分目前指紋識別技術(shù)還有很多困難。例如：當(dāng)三維的指紋被指紋錄入設(shè)備掃描成二維的數(shù)字圖

13、像時，會丟失一部分信息，手指劃破、割傷、弄臟、不同干濕程度以及不同的按壓方式，還會導(dǎo)致指紋圖像的變化，這給可靠的特征提取帶來了相當(dāng)?shù)乩щy。傳統(tǒng)的基于細(xì)節(jié)點(diǎn)的識別方法，是依靠提取指紋脊線上的細(xì)節(jié)點(diǎn)，然后對其位置和類型進(jìn)行匹配，來識別指紋的，而噪聲會影響特征提取準(zhǔn)確度，增加錯誤的特征點(diǎn)或丟失真正的特征點(diǎn)。傳統(tǒng)的基于細(xì)節(jié)點(diǎn)識別算法的不足之處，因?yàn)樗焕昧酥讣y圖像中的一小部分信息細(xì)節(jié)點(diǎn)位置和方向，作為特征進(jìn)行匹配，丟失的蘊(yùn)涵在圖像中的其他豐富的結(jié)構(gòu)信息。不難想象，基于這種方法的識別算法，很難全面適應(yīng)指紋的變化。對于指紋管理模塊中的指紋套取與驗(yàn)證，我組成員暫時不能將這個模塊靈活運(yùn)用，指紋管理模塊中，最

14、大的困難就是不能將指紋很明確的套取出來，然后在啟動發(fā)動機(jī)時驗(yàn)證車主指紋。7.2 感受及收獲這個基于生物特征識別的汽車防盜報警系統(tǒng)的課題，在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下，和組員對這課題做了不少調(diào)研后，學(xué)了很多東西，了解了凌陽61A單片機(jī)的運(yùn)作過程，了解怎樣通過并行口和USB口下載需要的程序代碼，然后在對其代碼進(jìn)行修改，直至機(jī)器運(yùn)行起來。在做這個課題時，我還比較深入地去了解了指紋的套取，儲存以及驗(yàn)證，將身邊的信息轉(zhuǎn)變成計(jì)算機(jī)二進(jìn)制代碼存到自己的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之中，這對學(xué)計(jì)算機(jī)專業(yè)的我來說，是很重要的一種學(xué)習(xí)方式。8 參考文獻(xiàn)1、阮秋琦， 數(shù)字圖像處理學(xué)， 電子工業(yè)出版社， 2001 2、TMS320VC5409 Data Sheet 3、FPS200 Solid-State Fingerprint Sensor Data Sheet4、陳躍峰， 指紋圖像特征提取的新方法， 計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用， 20015、李建華， 基于方向圖的動態(tài)閩值指紋圖像二值化方法， 大連理工大學(xué)學(xué)報， 20026、馮星奎， 一種新的指紋圖像細(xì)化算法， 中國圖像圖形學(xué)報， 19997、劉文星