單片機指紋識別系統(tǒng)的實現(xiàn)(共23頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上1緒論1.1指紋識別的歷史與發(fā)展前景19世紀(jì)初，科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)了至今仍然承認的指紋的兩個重要特征，一是兩個不同手指的指紋紋脊的式樣(radge pattern)不同，另外一個是指紋紋脊的式樣終生不改變。這個研究成果使得指紋在犯罪鑒別中得以正式應(yīng)用。主要代表性的事件有：1896年阿根廷首次應(yīng)用，然后是1901年的蘇格蘭，20世紀(jì)初其他國家也相繼應(yīng)用到犯罪鑒別中。20世紀(jì)60年代，由于計算機可以有效的處理圖形，人們開始著手研究利用計算機來處理指紋。從那時起，自動指紋識別系統(tǒng)AFIS (Automated Fingerprint Identification System)在

2、法律實施方面的研究和應(yīng)用在世界許多國家展開。20世紀(jì)80年代，個人電腦、光學(xué)掃描這兩項技術(shù)的革新，使得它們作為指紋取像的工具成為現(xiàn)實，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：1指紋是獨一無二的，兩人之間不存在著相同的指紋：2指紋是相當(dāng)固定的，不會隨年齡、健康狀況的變化而改變；3指紋樣本易于采集，難以偽造，便于開發(fā)，實用性強；4每個人十指的指紋皆不相同，可以利用多個指紋構(gòu)成多重口令，提高系

3、統(tǒng)的安全性；5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，使所需存儲的信息量減小，而且在實現(xiàn)異地確認時，可以大大減少網(wǎng)絡(luò)傳輸負擔(dān)，支持網(wǎng)絡(luò)功能。可以看出，指紋識別技術(shù)相對于其他識別方法有許多獨到之處，具有很高的實用性和可行性。因此，指紋識別成為最流行、最方便、最可靠的身份認證方式，己經(jīng)在社會生活的諸多方面得到廣泛應(yīng)用。1.2指紋識別中的基本概念與技術(shù)困難指紋圖像其實是比較復(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(一是考慮到隱私權(quán)，二是由于儲存空間)，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歸結(jié)為在指紋圖

4、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行指紋的驗證：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(loop)，拱型(arch)，漩渦型(whorl)。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遠不夠的，這只是一個粗略的分類，但通過分類使得在大數(shù)據(jù)庫中搜尋指紋更為方的，這只是一個粗略的分類，但通過分類使得在大數(shù)據(jù)庫中搜尋指紋更為方便。指紋圖像類別比例是這樣的：漩渦型(包括whorldouble whorl)占27. 9%，環(huán)型(包括right loop，left loop)占65. 5%，拱型(包括arch，t

5、ented arch)占6. 60I0。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。例如傳統(tǒng)的基于細節(jié)點的識別方法，是依靠提取指紋脊線上的細節(jié)點，然后對其位置和類型進行匹配，來識別指紋的(詳細描述在第三章中)，而噪聲會影響特征提取準(zhǔn)確度，增加錯誤的特征點或丟失真正的特征點。當(dāng)噪聲很大時，就要增加圖像增強算法來改善圖像的質(zhì)量，但很難找到一種增強算法能夠適應(yīng)所用的噪聲，多種增強算法又會大幅增加算法運行時間，不好的增強算法又會

6、增加人為特征。當(dāng)噪聲增大時，提取了許多虛假細節(jié)點，還有可能丟失細節(jié)點。這就是傳統(tǒng)的基于細節(jié)點識別算法的不足之處之一，因為它只利用了指紋圖像中的一小部分信息細節(jié)點位置和方向，作為特征進行匹配，丟失的蘊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。1.3系統(tǒng)總體設(shè)計方案和論文結(jié)構(gòu)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）、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)計算。固化的程序存儲在EEPROM

7、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，研究了基于細節(jié)點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)處理和細節(jié)特征提取。文章第一部分首先介紹了基于細節(jié)點特征的指紋識別系統(tǒng)的構(gòu)成及原理。重點研究了其預(yù)處理過程，其中包括指紋圖像預(yù)濾波、方向圖計算、基于方向圖的指紋圖像濾波和指紋圖像二值化。最后介紹了對二值化后的指紋圖像細化的方法。第二部分介紹了硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，如：單片機的連接方法，外設(shè)寄存器選取，串口通信的實現(xiàn)等等。第三部分介紹了指紋識別系統(tǒng)的軟件流程及與PC機接口通信的實現(xiàn)。2紋圖像處理及特征提取與實現(xiàn)2.1方法概述特征提取基

8、于細節(jié)點特征的指紋自動識別技術(shù)是目前這方面研究中的主流，這種系統(tǒng)的實現(xiàn)有以下一些步驟如圖2.1：預(yù)處理是將輸入的（直接采集進來的）低質(zhì)量、有噪音的指紋源圖象處理成已細化了的清晰的二值圖像1。它的目的是減少低質(zhì)量的圖像對分類識別結(jié)果的影響，預(yù)處理中一般包括圖像增強、濾波、二值化、細化等步驟。預(yù)處理的方法通常有兩種：方法一：先求方向圖，后求頻率圖，最后由此得到的Gabor濾波器對圖像進行濾波。這種方法計算量比較大，在求頻率圖容易產(chǎn)生偏差，不利于單片機的實現(xiàn)。方法二：結(jié)合指紋圖像自身的特點以及其源圖像像素來確定該點是否為脊，直接準(zhǔn)確地得到黑白二值的指紋脊圖像。這種方法對于從不同渠道獲得的圖像均有不錯

9、的效果。在以上兩種方法都要用到方向圖，方向圖是一種可直接從原灰度圖像中得到的有用信息，在預(yù)處理、特征提取、指紋分類中有著重要意義。我們總是在準(zhǔn)確求得方向圖的基礎(chǔ)上運用各種濾波方法或直接找脊的方法來進行預(yù)處理。方向圖描述了指紋圖像中每一像素點所在脊線或谷線在該點的切線方向，也可看作是指紋源圖像的一種變化表示方法，既用紋線的方向來表示該紋線。方向圖分為兩種：一種是點方向圖，表示源指紋圖像中每一點脊線的方向：另一種是塊方向圖，表示源指紋圖像中每一塊脊線的大致方向。計算方向圖的基本思想是：在原灰度圖像中每一點（或每一塊在各個方向上的某個統(tǒng)計量（如灰度差、梯度等），根據(jù)這些統(tǒng)計量在各個方向上的差異，確定

10、該點（塊）的方向。2.2方向圖的計算2.2.1求點方向圖設(shè)是指紋圖像中點的灰度值，要計算該點的方向，需要先求出（該點臨域沿d方向的灰度變化）。圖2.2點方向示意圖=，d=1，2，N（2.1）其中：是方向d上的第k個點；是該點的灰度值，N是所取的方向數(shù)，n為每個方向上所取的鄰點數(shù)。這兩個數(shù)的具體取值與圖像的分辨率有關(guān)，一般取N=16，即取16個方向，n=8，即一個方向上取8個鄰點。點的方向為取值最小的方向。對圖像中的每一點求取點方向，這樣便形成了指紋點方向圖。此方向求得的方向特點：1方向取值不是02中的任意值，而是有限的幾個數(shù)。2這種方向計算出的方向范圍是02，有利于求取指紋的走勢。（與認為是不

11、同方向）2.2.2由點方向圖求塊方向圖的算法把點方向圖分成大小的塊，對每一塊計算方向直方圖（橫坐標(biāo)的方向取到的N個值，縱坐標(biāo)為取這些方向的象素個數(shù)），方向直方圖中的峰值所對應(yīng)的方向，即該塊的方向。2.2.3最小均方估計塊方向算法代表指紋圖像在處的灰度值步驟：1將圖像分成大小為的塊。這里M的大小以包含一脊一谷（即一周期）為宜；2計算塊中每個像素在x軸和y軸上的梯度和。這里用簡單的梯度算子：=（2.2）（2.3）3用下面公式計算塊的方向，且（2.4）當(dāng)?shù)膲K中或為零的比率很大時，塊方向應(yīng)直接設(shè)為0或，這樣塊中的每一個像素的方向都等于。（A）原始圖像（B）改進前的結(jié)果（C）改進后的結(jié)果圖2.3指紋圖像

12、的方向圖4在計算指紋圖像方向圖多采用塊與塊直接不重疊的方式，但這樣求出的塊方向僅由該塊所包含的像素點所決定，沒有考慮其周圍像素點的影響，很容易造成方向的不連續(xù)性。于是我們采用在計算方向圖時，采用塊重疊的方式。這樣可以使方向圖精度可以大大提高。5方向圖平滑這里我們采用將方向圖正交分解后分別進行濾波的方法對它進行平滑，實驗證明這種方法比一般用的中值濾波和加權(quán)平滑的方法的效果好。計算步驟：1）將方向圖轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)的向量場：（2.5）（2.6）這里，分別是向量場x，y方向上的分量。2）實現(xiàn)低通濾波：（2.7）（2.8）這里W是一個大小為的二維低通濾波器，一般使用的均值濾波。3）平滑后的方向場為：（2.9

13、）2.3指紋圖像的濾波在指紋處理中用到濾波器，主要在于去除圖像噪聲，增強圖像質(zhì)量，即增強指紋脊與谷的對比度，修補圖像連接脊中出現(xiàn)的斷點、去除圖像中的叉連現(xiàn)象。指紋圖像濾波有兩種方法：方法一：利用Gabor濾波器的參數(shù)可利用指紋的方向性和紋理性，用Gabor濾波器來作為帶通濾波器，去除噪音，增強脊谷結(jié)構(gòu)。這種算法難點在于需要計算圖像的頻率圖將指紋圖像看成由脊和谷組成的周期圖像，在每一個局部領(lǐng)域內(nèi)都會有一個相對固定準(zhǔn)確的頻率。這種算法的缺點在于：求頻率圖導(dǎo)致計算量比較大，而且頻率容易產(chǎn)生偏差；方法二：這種方法也是我們采用的濾波方法。這是一種簡單但效果良好的上下文濾波器，上下文濾波法也是基于方向圖的

14、，這是一系列上下文相關(guān)的濾波器，使用時根據(jù)某一快的方向從一系列濾波器中選擇一個相應(yīng)的濾波器來對這一塊進行濾波。其他方向的濾波器可以通過旋轉(zhuǎn)得到。一個基本的濾波器由兩部分組成：平均濾波器和分離濾波器。平均濾波器的作用主要是連接邊中出現(xiàn)的斷點，而分離濾波器可以去除圖像中的叉連現(xiàn)象。(斷裂和叉連的情況；如I右圖2. 4所示)。濾波器的大小由指紋圖像中脊線的周期決定，在我們的試驗中，周期取為5，因而這里以Sx5大小的濾波器為例。水平方向的平均濾波器的權(quán)值如右圖2.5所示，其中系數(shù)滿足：。經(jīng)過平均濾波器過濾的圖像，其中每一點的灰度由其臨近的24個像素的灰度值共同決定。即對于第i行j列的點的灰度值的處理如

15、下：圖2.4斷裂與叉連圖2.5平均濾波器的權(quán)值（2.10）若圖像中出現(xiàn)斷點，即這一點的灰度值比周圍點都小得多，則經(jīng)過平均濾波器的處理，它的灰度值就接近鄰近點的灰度值了，所以平均濾波器有連接斷點的作用。分離濾波器的權(quán)值如圖2. 6所示，其中參數(shù)：P+2Q+2R=0。分離濾波器處理圖像過程與平均濾波器相同，圖像中的叉連點是把相鄰的兩條脊線連接起來的點，所以叉連點的上下點灰度值較大，而其同一行上的鄰點的灰度值較小，通過分離濾波器的處理，叉連點的灰度值會明顯降低，所以分離濾波器有去除叉連點的作用。一個基本濾波器要求具備上述兩種功能，它的作用相當(dāng)于平均濾波器加分離濾波器，所以它的權(quán)值如右圖2. 7，其中

16、參數(shù)：K=X十P，L=Y+Q，M=Z+R。為歸一化權(quán)值，基本濾波器的每個權(quán)值都需要除以該濾波器所有權(quán)值的總和。圖2.6分離濾波器的權(quán)值圖2.7基本濾波器的權(quán)值用方向濾波器進行濾波去噪時，根據(jù)塊方向圖中的該塊的方向，選用相應(yīng)的濾波器(將水平方向的濾波器旋轉(zhuǎn)塊方向的角度后得到)，進行濾波。2.4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)處理中必不可少的一步。常用的二值化方法有固定閥值法、自適應(yīng)閥值法、局部自適應(yīng)閥值法等，這些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)過濾波處理后再進行二值化，這樣就需要對圖像進行兩次掃描，不利于處

17、理速度的提高。將指紋圖像自身的方向結(jié)構(gòu)特點與源圖像灰度值變化特點結(jié)合起來，確定對圖像中每一像素點二值化的動態(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、二值化等步驟，一次完成圖像的二值化功能。實驗結(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不丟失，確保了以后的特征提取和比對的正確性和可靠性。指紋局部圖如：（A）原始圖像（B）谷脊變化波形圖圖2.8指紋谷脊變化波形圖方框Y方向是該塊的指紋方向，x方向是其法線方向。以法線方向上各像素點的灰度值做一曲線，可得到近似于正弦的波形圖，如圖2.8(B)所示。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)

18、，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)前像素點恰好落在波谷上，則該點就是指紋脊線點，若所考察的當(dāng)前像素點恰好落在波峰上，則該點就是指紋谷點，而谷點到脊點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，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NN的小塊，用上述方向圖改進方法計算各小塊的方向；2對圖像中的每一點，以其所在塊的方向作為該像素點的方向，并以該點為中心在其法方向上取(一般為奇數(shù))的矩形窗，計算矩形窗內(nèi)指紋方向每一列中像素點在法方向上的加權(quán)平均，具體公式為：（2.11）其中coefficent為加權(quán)平均系數(shù)，滿足，是k列上

19、的第d個像素的位置。3對中極大點或極小點附近的波動做平滑處理；4找出極大點和極小點位置及對應(yīng)的值，對極大值極小值求平均，將此平均值作為該點二值化門限，稱其為動態(tài)閥值。5將當(dāng)前像素點的加權(quán)平均灰度值（即）與動態(tài)閥值進行比較，若小于動態(tài)閥值，同時，當(dāng)前像素點在波形圖極小點一個有限的鄰域內(nèi)，則當(dāng)前像素點為脊線點，否則即為谷點，即：（2.12）其中的取值與指紋讀入器的分辨率有關(guān)，通常取為指紋周期的四分之一，本文取。若的起伏很不明顯，說明該區(qū)域?qū)儆跓o效區(qū)域或背景區(qū)域，整個區(qū)域的像素值置為255。本算法在具體實現(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，防止一些點的重復(fù)掃描，大大縮短處理時

20、間。2.5指紋圖像的細化算法指紋圖像二值化后，紋線仍具有一定的寬度，而指紋識別只對紋線的走向感興趣，不關(guān)心它的粗細。為了進一步壓縮數(shù)據(jù)，得到更精確的細節(jié)特征，提高識別的準(zhǔn)確性，對指紋圖像進行細化處理是不可忽略的。所謂細化，就是從原來的圖中去掉一些點，但仍要保持原有的形狀。實際上，是保持原圖的骨架。指紋圖像的細化是指刪除指紋紋線的邊緣像素，使之只有一個像素寬度，細化時應(yīng)保證紋線的連接性、方向性和特征點不變，還應(yīng)保持紋線的中心基本不變。一種好的細化方法應(yīng)滿足下列條件：1迭代必須收斂的。(收斂性)2不破壞紋線的連接性。(連接性)3不引起紋線的逐步吞食。(拓撲性)4保護指紋的細節(jié)特征。(保持性)5骨架

21、紋線的寬度為1個像素。(細化性)6骨架盡可能接近條紋中心線。(中軸性)7算法簡單、速度快。(快速性)圖2.9統(tǒng)一模塊下面介紹一種適合于指紋圖像細化的算法，這種方法滿足上面的細化條件，而且可以提出快速算法。這種算法采用模板，如圖2. 9所示，左上角的方窗(即)為消除模板。即，一黑色象素八臨域與消除模板中的一個相匹配的話，該點被認為是可消除的點。消除模板具體如下：（A）（D）4個模板能有效去除邊緣上的突出物，保證了細化后的指紋骨架處于指紋脊線中心，避免了細化后的指紋骨架出現(xiàn)毛刺。除消除模板外，還需構(gòu)造保留模板，保持紋線的連通性。保持模板內(nèi)容如下圖2. 11所示：具體算法如下：從圖像的左上角元素開始

22、進行，每個像素(圖中為)均抽取出如圖2. 9所示的15個相鄰像素，并且把其中8個鄰域像素()與圖2. 10中的8個模板比較，如果和8個消除模板中的任意一個都不匹配時，保留；如果與8個中的任一個匹配，則抽取的元素再和圖2. 11中的6個保留模板進行比較，如果與其中任一個匹配的話，則保留，否則刪去。重復(fù)這個過程，直到?jīng)]有一個像素的值被改變。這種算法的具體實現(xiàn)可引入查表法，即對所要處理的像素周圍模板內(nèi)前15個點預(yù)先進行編碼(用雙字節(jié)15個位來表示，雙字節(jié)的最低位存放的值，依此類推，次最高位存放的值)，把編碼值作為存儲地址，按上述細化法則，預(yù)先在存儲地址上存入相應(yīng)的細化值(可用0，1表示，0表示保留，

23、1表示刪去)。細化時，移動4x4的方窗內(nèi)象素的編碼地址去查找相應(yīng)的細化值，用細化值替換當(dāng)前像素值。2.6特征提取及其后處理2.6.1特征點的提取特征提取一般是指提取指紋圖像的局部特征，也就是細節(jié)點特征。在基于細節(jié)點的指紋自動識別系統(tǒng)中，特征提取是在細化后的指紋圖像上進行的。特征提取的首要問題是確定細節(jié)點和它的位置，細節(jié)點的位置和細節(jié)點間的相對位置很重要，盡管每個指紋中包括將近80個細節(jié)，只要確定十幾個細節(jié)點就己經(jīng)足夠用來識別了。探測細節(jié)點的算法很簡單，如圖2. 12所示的3x3模板就可以用來確定特征的位置。M是待檢測的點，是它的八鄰域，沿順時針方向排列。是細化后圖像在處的灰度。如果M是端點，則

24、它的八鄰域滿足：，（2.13）如果M是分叉點，則它的八鄰域滿足：，（2.14）這樣我們就可以在細化后的圖像中找到細節(jié)點(端點和分叉點)，并記錄它們在圖中的相對位置。2.6.2假特征點的去除這樣得到的特征中存在由指紋質(zhì)量、攝入噪聲等原因造成的很多假特征，如下圖2. 12所示(a)和(b)中產(chǎn)生了假的端點；(c)和(d)中形成了錯誤的斷開和連接；(e)中顯示的是一個由不平滑的脊引起的毛刺，出現(xiàn)了假端點和假分叉兩種特征：(f)(g)是幾種錯誤連接的例子，分別稱為橋形、三角形、梯形結(jié)構(gòu)。圖2.12假特征針對上面這些假特征，我們采用了非常簡單的方法：計算特征點間的距離，如果距離值小于所給的閥值，則認為特

25、征點為假特征點。這種算法實現(xiàn)起來也很簡單：掃描特征點的某一鄰域，如果該鄰域中出現(xiàn)其他特征點的話，將該特征點與出現(xiàn)的特征點同時去除，如此循環(huán)幾次，當(dāng)沒有特征點被刪去時，處理完成。這種方法中鄰域的選取很重要，如果取得比較小，則可能起不到去除假特征點的作用；如果取得比較大的話，則可能將真正的特征點也一并刪去。在具體實現(xiàn)中，我們?nèi)∑浒霃綖榧箤挼囊话搿?.6.3.細節(jié)點信息的提取及記錄對每一個細節(jié)點，我們記錄如下信息：1細節(jié)點的x,y坐標(biāo)。2細節(jié)點的方向，這個方向就是該細節(jié)點所在的塊的塊方向。3細節(jié)點的類型，即脊線端點或脊線分叉點。4細節(jié)點對應(yīng)的脊線。細節(jié)點對應(yīng)的脊線用該脊線上的采樣點來表示，采樣的距離

26、約為脊線間的平均距離。分叉點對應(yīng)的脊線是與該細節(jié)點的方向最近的那條，端點對應(yīng)的脊線就是該細節(jié)點所在的脊線。采樣點用該點與對應(yīng)細節(jié)點的距離，和連接該點與對應(yīng)細節(jié)點的直線與對應(yīng)細節(jié)點方向的夾角來表示，的取值范圍在-180到180度之間。下圖給出了細節(jié)點對應(yīng)的脊線與脊線上的采樣點的例子。在細節(jié)匹配中，對應(yīng)脊線將被用來對兩個平面點集進行校準(zhǔn)，而且，校準(zhǔn)的參數(shù)，也就是兩個點集中任意一對脊線間的旋轉(zhuǎn)角度，將被用來作為判斷它們所對應(yīng)的細節(jié)點能否看作匹配的細節(jié)點的條件。圖2.13細節(jié)點的對應(yīng)脊線2.6.4指紋識別中細節(jié)點的匹配細節(jié)匹配一般在極坐標(biāo)系中進行，因為指紋圖像的非線性形變往往呈放射狀，在某個區(qū)域內(nèi)的形

27、變比較大，然后非線性地向外擴張，因而，在極坐標(biāo)中能更好地描述非線性形變；另外，在極坐標(biāo)中不需要考慮輸入圖像與模板圖像的參照點之間的平移，將一對對應(yīng)點的坐標(biāo)相對于參照點轉(zhuǎn)換為極坐標(biāo)時，平移就被抵消了；還有，在極坐標(biāo)系中顯然比在直角坐標(biāo)系中更便于處理兩幅圖像間的旋轉(zhuǎn)6。細節(jié)點集的校準(zhǔn)：令（2.14）表示模板圖像中的M個細節(jié)點，（2.15）表示輸入圖像中的N個細節(jié)點。為了把細節(jié)點轉(zhuǎn)移到極坐標(biāo)系中去，需要在模板細節(jié)點集和輸入細節(jié)點集中各選一個參照點作為相應(yīng)的極坐標(biāo)系中的原點，并算出其它細節(jié)點相對于參照點的極坐標(biāo)。由于事先不知道模板點集與輸入點集的對應(yīng)關(guān)系，需要考慮所有可能的參照點對。對模板點集中的每一

28、點和輸入點集中的每一點，定義為將和當(dāng)作參照點對時，從輸入圖像到模板圖像的旋轉(zhuǎn)角度。如果，和可以被當(dāng)作一對對應(yīng)點，即它們分別對應(yīng)的脊線相似性到了一定程度，則將取0度到360度間的一個值，否則，我們定義取值為400，以表示和不能是一對對應(yīng)點。如果和是不同類型的細節(jié)點，也就是說它們一個是端點，一個是分叉點，則它們不是對應(yīng)點對，取值為400。即，表示和對應(yīng)的脊線相似性到了一定程度。3指紋識別系統(tǒng)的硬件設(shè)計3.1功能描述基于單片機的指紋識別系統(tǒng)是由AT89S51MCU處理器、68128RAM和EEPROM芯片等構(gòu)成，在無需上位機參與管理的情況下，具有指紋錄入、圖像處理、指紋對比、搜索和模版儲存等功能的智

29、能型模塊。它通過與之相配套的指紋傳感器，可構(gòu)成一個獨立的指紋識別系統(tǒng)，或作為一個完整的外部設(shè)備。該系統(tǒng)控制的核心是單片機AT89S51，因為通過比較DSP芯片，處理速度較快和存儲量較大，但性價比較低。而選取單片機AT89S51主要原因是功耗低、可通過軟件設(shè)置省電模式?？臻e模式下，CPU暫停工作，而RAM定時計數(shù)器，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，128x8bit內(nèi)部RAM，能滿足設(shè)計要求。工作原理：當(dāng)指紋傳感器收到指紋信息，將通過串口給單片機發(fā)送命令，單片機同意并接收相應(yīng)的信息，指紋傳感器采集的指紋轉(zhuǎn)換成RGB格式，并且數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C，單片機通過存儲在EEPROM中的固化程序執(zhí)行大量的模式識別

30、和圖像處理相關(guān)計算，當(dāng)用戶的指紋被確認，單片機將命令執(zhí)行機構(gòu)動作，開關(guān)開。指紋識別模塊以MCU處理器為處理中心，基本集成了指紋處理方面的所有過程，具有以下優(yōu)點：1在無上位機（PC或DSP）的情況下，獨立完成指紋的錄入、圖像處理、特征提取、模塊生成、模塊存儲、指紋對比（1：1）或指紋搜索（1：N）等功能。2適用面廣：提供命令/獨立兩種工作模式。（上電時，4種組合狀態(tài)：命令、對比、錄入、刪除）；獨立模式適用范圍：簡單保險柜、房門鎖具：命令模式適用范圍：較復(fù)雜的門禁系統(tǒng)。指紋IC卡的終端機與PC聯(lián)機的指紋識別及認證系統(tǒng)。3.2系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)概述指紋識別系統(tǒng)主要包括：單片機最小系統(tǒng)、指紋采集部分、串口通

31、信電路、外部存儲部分、開關(guān)按鈕，供電系統(tǒng)組成。其結(jié)構(gòu)框圖如圖3. 1所示。指紋識別系統(tǒng)中，單片機采用AT89S51單片機，它是整個控制器的核心部件。MAX232作為接口芯片用于實現(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7。電源部分包括DC+5V及保護電路。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖：3.3AT89S51單片機的結(jié)構(gòu)與特點AT89S51是一個低功耗，高性能CMOS 8位單片機，片內(nèi)含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51

32、指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲單元，功能強大的微型計算機的AT89S51可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價比的解決方案。 AT89S51具有如下特點：40個引腳，4k Bytes Flash片內(nèi)程序存儲器，128 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），32個外部雙向輸入/輸出（I/O）口，5個中斷優(yōu)先級2層中斷嵌套中斷，2個16位可編程定時計數(shù)器，2個全雙工串行通信口，看門狗（WDT）電路，片內(nèi)時鐘振蕩器。圖3.2 AT89S51單片機的引腳圖此外，AT89S51設(shè)計和配置了振蕩頻率可為0Hz并可通過軟件設(shè)置省電模式?？臻e模式下，CP

33、U暫停工作，而RAM定時計數(shù)器，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存RAM的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復(fù)位。同時該芯片還具有PDIP、TQFP和PLCC等三種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。主要功能特性：表3.1AT89S51性能特性兼容MCS-51指令系統(tǒng)4k可反復(fù)擦寫(1000次)ISP Flash ROM32個雙向I/O口4.5-5.5V工作電壓2個16位可編程定時/計數(shù)器時鐘頻率0-33MHz全雙工UART串行中斷口線128x8bit內(nèi)部RAM2個外部中斷源低功耗空閑和省電模式中斷喚醒省電模式3級加密位看門狗（WDT）電路軟件設(shè)置空閑和省電功能靈活的I

34、SP字節(jié)和分頁編程雙數(shù)據(jù)寄存器指針3.4指紋識別系統(tǒng)硬件電路設(shè)計圖3.3指紋識別系統(tǒng)主電路本系統(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，達到復(fù)位與單片機同步。/EA/Vpp為訪問內(nèi)部或外部程序存儲器的選擇信號.由于AT89S51單片機有4K的內(nèi)部程序存儲器，又外接了128Kx8的EEPROM存儲器，故該引腳必須接+5V高電平./PSEN為外部程序存儲器讀選通控制信號.此電路中無擴展程序存儲器.故該腳懸空.串口通信接口設(shè)計采用MAX232實現(xiàn)TTL與RS-232的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)

35、與計算機通信。指紋識別系統(tǒng)主電路如圖3.33.5電源電路的設(shè)計當(dāng)指紋識別系統(tǒng)工作時，需要+5V電源，為了使整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，在本設(shè)計中，將220v交流電源到+5V直流電的轉(zhuǎn)換電路和識別控制器集成在一塊電路板上，其中的電路原理圖如圖3.4所示。圖3.4+5V電源電路圖220V市電通過變壓器后，得到10伏電源，在電路的輸入端與公共地之間，加上經(jīng)整流后的不穩(wěn)定直流電壓，在輸出端便能得到固定的輸出電壓。為了改善紋波特性，在輸入端外接電容，一般取值為0. 33uF，并緊接在穩(wěn)壓塊的輸入端；在輸出端連接電容，這樣可以改善輸出電壓的紋波特性，一般選為0. 1 uF。輸入電壓的選擇依據(jù)是：式中：穩(wěn)壓塊允許的最

36、大輸入電壓；穩(wěn)壓塊的輸出電壓；2V穩(wěn)壓塊輸入與輸出之間的最小壓差。在輸入、輸出之間外接二極管D1，可以起到輸出端路保護作用，防止輸出短路時負載電容向7805放電。3.6指紋采集器介紹及工作方式現(xiàn)有技術(shù)光學(xué)傳感器的體積都比較大，而且成像結(jié)果也要經(jīng)過變換才可以使用。本設(shè)計采用的是Veridicom公司的FPS200固體指紋識別傳感器。圖3.5 FPS200與AT89S51連接圖FPS200傳感器支持三種接口方式：8位的系統(tǒng)總線接口、集成的全速的USB接口和集成的串行外設(shè)接口( SPI)其豐富的接口方式方便了指紋傳感器的調(diào)試和使用其自帶的USB接口可以將其數(shù)據(jù)自接傳送到PC機上，這樣就可以利用PC平

37、臺上的編譯和調(diào)試下具來調(diào)試各種指紋識別的算法，方便了用戶的初期測試，提高了效率和準(zhǔn)確性。FPS200與AT89S51的接口簡略如連接圖3.5。如圖3.5所示，利用傳感器體統(tǒng)的MCU系統(tǒng)總線接口可以很方便地實現(xiàn)與MCU的連接?？刂菩盘柡投际瞧x信號，低有效，高有效，本系統(tǒng)選用的是；/RD和/WR分別為讀寫控制信號。MODE0和MODE1兩根信號線決定了FPS200工作在何種模式下：MODE1：0=00b系統(tǒng)總線接口工作模式，用于與MCU相連，正常工作時使用；MODE1：0=01bSPI接口工作模式；MODE1：0=10bUSB接口工作模式，用于與PC相連調(diào)試時使用；圖3.6讀FPS200寄存器時

38、序圖地址線，F(xiàn)PS200共有兩個接口寄存器，索引寄存器和數(shù)據(jù)寄存器數(shù)，決定了是寫索引寄存器還是讀寫數(shù)據(jù)寄存器。拉低時為寫索引寄存器，數(shù)據(jù)總線的內(nèi)容寫到索引寄存器；拉高時可讀寫數(shù)據(jù)寄存器，數(shù)據(jù)總線上的內(nèi)容讀寫到數(shù)據(jù)寄存器。本系統(tǒng)對FPS200的控制：傳感器是由內(nèi)部寄存器控制的，而對傳感器的內(nèi)部控制器的讀寫是通過寫索引寄存器以選擇合適的內(nèi)部寄存器后才可以讀寫具體的寄存器值。先將管腳的電平拉低，發(fā)出寫信號，將要讀寫的內(nèi)部寄存器地址送到數(shù)據(jù)總線上，寫入控制寄存器并由FPS200送到它的索引寄存器再將管腳拉高，發(fā)出讀信號，將數(shù)據(jù)寄存器上的值讀入MCU。寫操作的過程類似，只是在寫入索引寄存器后，發(fā)出寫信號

39、即可。FPS200的數(shù)據(jù)讀?。杭粗讣y圖像的讀取需要注意的是控制寄存器A寫這一寄存器就初始化了一幅指紋圖像的采集然后循環(huán)讀這一寄存器則可以讀出指紋圖像的結(jié)果。3.7單片機和PC機的通訊功能在指紋識別系統(tǒng)的設(shè)計中，初期利用PC平臺上的編譯和調(diào)試工具來調(diào)試各種指紋的算法，故需要設(shè)計單片機和PC機以及傳感器之間的通信硬件電路。大多數(shù)的計算機設(shè)備都具有RS-232C串行通訊接口，盡管它的性能指標(biāo)并非很好，但是，RS-232C借助與并行通訊口相比更多的寄存器，使用這些寄存器實現(xiàn)串行數(shù)據(jù)的傳送及RS-232C設(shè)備之間的握手與流量控制。從而使RS-232C串行通訊協(xié)議僅需3根線便可在兩個數(shù)字設(shè)備之間全雙工的傳

40、送數(shù)據(jù)。1RS-232C通訊協(xié)議RS-232C的每個腳線的信號和電乎規(guī)定采用負邏輯電平，DC (-15V-5V )規(guī)定為邏輯“1”，DC(+5V+15V)規(guī)定為邏輯“0”，DC(-5V+5Y)規(guī)定為過渡區(qū)。單片機的TTL/CMOS電平與計算機接口或終端的RS-232C通訊接口的邏輯電平不兼容，需要外加電路實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。通常采用的元器件為MC1489，MC1488實現(xiàn)TTL/CMOS電平與RS-232C電平的轉(zhuǎn)換。也可采用MAX232芯片實現(xiàn)兩對TTL/CMOS電平與RS-232C電平的轉(zhuǎn)換。RS-232C規(guī)定使用25針標(biāo)準(zhǔn)連接口，采用DB-25型連接器。RS-232C標(biāo)準(zhǔn)定義了25根信號線，但

41、在實際使用時，只需2個數(shù)據(jù)線、6個控制線、1個地線共九個信號。因此一些生產(chǎn)廠家對RS-232C標(biāo)準(zhǔn)的機械特性進行了簡化，使用9針標(biāo)準(zhǔn)連接口，即使用DB-9型連接器。由于RS-232C發(fā)送端與接收端之間的信號傳遞采用多芯信號線，而多芯信號線的總負載電容不能超過2500PF，所以RS5-232C的信號傳輸距離為十幾米。2RS-232C接口功能特性及連接使用9針或2針的連接器將RS-232C串行口的信號傳送到其他通訊設(shè)備，連接器各信號線定義及功能如表3.2。在此處采用的是9針的連接。表3.2串行口引腳定義表DB-25DB-9信號名稱方向含義23TXD輸出數(shù)據(jù)發(fā)送端32RXD輸入數(shù)據(jù)接收端47RTS輸

42、出請求發(fā)送（計算機要求數(shù)據(jù)）58CTS輸入清除發(fā)送（MODEM準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)）66DSR輸入數(shù)據(jù)設(shè)備準(zhǔn)備就緒75SG信號地81DCD輸入數(shù)據(jù)載波檢測204DTR輸出數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備就緒（計算機）229RI輸入響鈴指示單片機與傳感器或單片機與計算機之間直接使用RS-232C通訊標(biāo)準(zhǔn)進行串行通訊時，信號在通訊過程之中可能會被全部或部分使用。最簡單的通訊僅需TXD及RXD及SG最基本的信號線完成，其他的握手信號可以做適當(dāng)處理或直接懸空。在設(shè)計單片機和PC機的硬件電路時，使用MAX232芯片實現(xiàn)TTL電平和PC機RS-232電平的轉(zhuǎn)換，使用該芯片使電路外圍電路簡單，工作可靠9。MAX232是一種雙組驅(qū)動器/

43、接收器，片內(nèi)含有一個電容性電壓發(fā)生器以便在單5V電源供電時提供EIA/T工A-232-E電平。每個接收器將EIA/TIA-232-E電平輸入轉(zhuǎn)換為5V TTL/CMOS電平。這些接收器具有1. 3V的典型門限值及0. 5V的典型遲滯，而且可以接收士30V的輸入。每個驅(qū)動器將TTL/CMOS輸入電平轉(zhuǎn)換為EIA/TIA-232-E電平。工作溫度范圍為0至70。MAX232芯片的性能特點如下：1單5V電源工作；2兩個驅(qū)動器及兩個接收器；3士30v輸入電平；4低電源電流：典型值是8mA；5符合甚至優(yōu)于ANSI標(biāo)準(zhǔn)EIA/TIA-232-E及工TU推薦標(biāo)準(zhǔn)V. 28。MAX232引腳如圖3.7所示，1

44、6腳為電容端，714腳包含4路RS232/TTL電平轉(zhuǎn)換器，其中兩路為，另兩路為。圖3.7MAX232引腳圖論文中所設(shè)計的指紋識別系統(tǒng)串口通訊的硬件電路圖如圖3.8所示。圖中RXD與TXD可接入PC機的串行通信口。圖3.8MAX232通信硬件連接圖4.指紋識別系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1算法的軟件實現(xiàn)指紋識別的核心算法開始時一般都是在PC機上運行的C程序，需要移植到單片機系統(tǒng)中。由于用高級語言編程效率高，可讀性好，修改方便，而匯編語言的特點則是編程困難，但是運行速度快，可以直接和硬件通訊；而且，大多數(shù)公司均為單片機芯片提供了集成開發(fā)環(huán)境，該集成環(huán)境同時提供了c編譯環(huán)境和匯編語言編譯環(huán)境。所以在移植的過程

45、中，一般采用混合編程思想。即某些復(fù)雜的模塊可用基于單片機的匯編編程，例如：方向圖計算和細化處理，而一些比較簡單且不影響運行時間的模塊可以用c語言編程然后轉(zhuǎn)換成匯編代碼，例如計算特征值。要在PC機上運行程序并移植到單片機上，并調(diào)試指紋算法程序，監(jiān)控單片機工作狀態(tài)。我們就要建立調(diào)試通道，將傳感器和單片機通過串口與PC機相連，傳感器可經(jīng)機調(diào)試，RGB格式的圖像也可以先經(jīng)過調(diào)試通道由PC機取得并分析傳感器狀態(tài)；單片機通過串口與PC機連接，并可通過調(diào)試軟件調(diào)試指紋算法程序和監(jiān)控單片機工作狀態(tài)。在此可以看出，數(shù)據(jù)通道在硬件上證明系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)指紋識別的功能要求，而調(diào)試通道的設(shè)計著眼于程序和系統(tǒng)的調(diào)試工作，為

46、進一步的軟件設(shè)計與優(yōu)化提供了方便的接口。4.2指紋識別系統(tǒng)軟件的編制指紋識別系統(tǒng)核心技術(shù)流程如圖4.1所示。指紋識別系統(tǒng)主要集中在對指紋儀的操作以及使用人員信息登記、數(shù)據(jù)庫管理、記錄查詢等功能的編程。開發(fā)工具采用Visual C+6.0。在利用VC開發(fā)程序之前應(yīng)先安裝FDU2000指紋儀的SDK。對SDK的有效應(yīng)用分為兩種：隱式鏈接和顯示鏈接兩種方式。在本系統(tǒng)中采用的是隱式鏈接，將SDK安裝目錄下的相應(yīng)的動態(tài)庫文件(P1mDll. dll文件)拷入系統(tǒng)目錄或其它系統(tǒng)可以找到的目錄中，同時將Lib目錄下的導(dǎo)入庫文件(P1mD11. lib文件)加入工程設(shè)置的“Link一General一Objec

47、t/library module”欄中以及將Inc目錄下的頭文件P1mD11. h加入工程的頭文件中，并在*. cpp文件中包含相應(yīng)頭文件即可。接下來就可以開始編寫應(yīng)用程序的代碼了。4.3指紋傳感器初始化設(shè)置指紋傳感器在調(diào)用之前必須對指紋傳感器進行初始化并使其處于接受指紋圖像輸入的狀態(tài)它的初始化是通過在指紋識別系統(tǒng)主程序的主對話框的初始化函數(shù)中調(diào)用指紋傳感器的初始化函數(shù)FingerInit()來初始化COM接口的，這是開始使用動態(tài)連接庫的第一個函數(shù)，未初始化之前，其它函數(shù)的調(diào)用都無效。若初始化成功該函數(shù)返回0，失敗則返回1。如果之前調(diào)用FingerInit()并成功，第二次調(diào)用將不做任何動作，

48、直接返回0。P1mD11. dll只允許被系統(tǒng)中的一個進程調(diào)用。當(dāng)?shù)诙€進程調(diào)用初始化函數(shù)時，函數(shù)返回FALSE。同樣，在框架類的析構(gòu)函數(shù)中調(diào)用反初始化函數(shù)FingerDestory()來釋放所有資源，它與FingerInit()成對使用。這是使用動態(tài)連接庫的最后一個函數(shù)，這個函數(shù)應(yīng)該在程序退出時調(diào)用。采集卡的初始化的代碼如下：BOOL CTestSecuGenDLLDLg：OnInitDialog()CDialog：OnInitDialog()；/Add”About”menu item to system menu.FingerInit(0，5000，5)；/指紋硬件初始化，參數(shù)1選擇硬件類

49、型/IDM_ABOUTBOX must be in the system command range.ASSERT(IDM_ABOUTBOX & OxFFFO) = IDM_ABOUTBOX)；ASSERT(IDM_ABOUTBOX OxFFFO)；Fingerinit()函數(shù)的第一個參數(shù)是指紋儀類型，0為串口指紋儀；1為并口連接的指紋儀。參數(shù)2位指紋采集最長等待時間：一秒二1000，一般設(shè)置為5000。參數(shù)3為安全等級：1-9級，一般設(shè)置為5。1為最低安全等級，9為最高安全等級，5為正常級別。4.4指紋識別系統(tǒng)串口通信本系統(tǒng)的串口通信是指：當(dāng)單片機與PC機調(diào)試成功之后，將所編程序和指紋用戶登

50、記數(shù)據(jù)庫傳送到指紋識別系統(tǒng)中的外部寄存器中。本系統(tǒng)是利用Visual C+6. 0中的一個串行通訊標(biāo)準(zhǔn)控件Microsoft Communications Control(簡稱MSComm)來實現(xiàn)PC機與單片機的串口通訊的。MSComm控件屬于ActiveX控件，使用時只需按照系統(tǒng)的實際環(huán)境設(shè)置控件參數(shù)就可以。實現(xiàn)指紋識別系統(tǒng)中串口通訊的主要步驟如下：1首先在工程中插入MSComm控件，利用ClassWizard在主對話框類中定義CMSComm類控制對象工DC_MSCOMMI，并為它添加控制變量m_ctrlComm。2串口的初始化。由于在識別系統(tǒng)中串口只用來發(fā)送與PC機通信信號，所以無需設(shè)置與接收數(shù)據(jù)有關(guān)的參數(shù)，只需對以下參數(shù)進行設(shè)置。這是通過控制變量m_ctrlComm來完成的。m_ctrlComm. SetCommPort (1)；/選擇串口COM1m_ctrlComm.SetPortOpen(TRUE)；/打開串口m_ctrlComm.SetInputMode(1)；/設(shè)置輸入方式為二進制方式m_ctrlComm.SetSetting (“9600，n，8，1”)；/設(shè)置波特率參數(shù)，波特率9600，無校驗，8個數(shù)據(jù)位，1個停止位3串口數(shù)據(jù)的發(fā)送。當(dāng)調(diào)試，編程完成時，調(diào)用串口發(fā)送