指紋識(shí)別儀的設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文_圖文

1、指紋識(shí)別儀的設(shè)計(jì)摘 要許多系統(tǒng)首先考慮的要素,基于密碼和令牌等傳統(tǒng)的身份識(shí)別技術(shù)存在 著容易遺失和盜用等隱患,而通過人的生物特征進(jìn)行的身份認(rèn)證則提供了一 個(gè)更加可靠的解決方案。生物識(shí)別技術(shù)是以生物特征為基礎(chǔ),以信息處理技 術(shù)為手段。 隨著信息科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展, 擁有更高安全性的身份識(shí)別技術(shù) 已成為手段,將生物技術(shù)和信息技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來。在眾多的生物識(shí)別技術(shù) 中,指紋識(shí)別技術(shù)是應(yīng)用最廣泛的一種,它具有普遍性、永久性、可采集性、 易實(shí)現(xiàn)性等優(yōu)點(diǎn),已成為最有效的生物識(shí)別技術(shù)之一,并且由于其實(shí)現(xiàn)成本 相對(duì)于其他生物識(shí)別技術(shù)較低,目前在考勤終端、犯罪鑒別、信息安全等領(lǐng) 域己得到廣泛的應(yīng)用。指紋識(shí)別技術(shù)

2、是一種生物識(shí)別技術(shù)。指紋識(shí)別系統(tǒng)是一套包括指紋圖像 獲取、處理、特征提取和比對(duì)等模塊的模式識(shí)別系統(tǒng)。指紋識(shí)別常用于需要 人員身份確認(rèn)的場所如門禁系統(tǒng)、考勤系統(tǒng)、筆記本電腦、銀行內(nèi)部處理、 銀行支付等。本文從原理到硬件探討了指紋識(shí)別系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和整體流程,硬件部 分主要組成如下,三星公司生產(chǎn)的基于 ARM920T 核心的 S3C2440處理芯片作 為主控芯片, 指紋圖像采集芯片 FPS200作為指紋傳感器。 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主 要是指紋識(shí)別系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)流程,包括各個(gè)模塊的流程設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)可用 于實(shí)驗(yàn)研究,學(xué)習(xí)指紋識(shí)別的知識(shí),也可用于工業(yè)生產(chǎn)作參考。關(guān)鍵詞:指紋識(shí)別, FPS200,指紋匹配,圖

3、像處理,圖像識(shí)別DESIGN OF FINGERPRINT IDENTIFICATION SYSTEMABSTRACTAs the rapid development of information science and technology,with a higher security identification technology has become the first consideration for many systems.The traditional password and token-based identification techniques exists pot

4、ential safety hazard such as easily loss and theft, whereas the biological characteristics of authentication provides a more reliable solution.Biometric is biological-based technology using information processing technology which combines biological features organically.Among the many biometric tech

5、nologies , fingerprint recognition technology is the most widely used , which have many advantages such as universal permanen, collectable , easily realization.So it has become one of the most effective biometric technologies , and widely used in attendance terminals, criminal identification, inform

6、ation security and other fields because of the lower implementation cost compare to the other biometrics.Fingerprint recognition technology is a biometric identification technology. Fingerprint identification system is a set including fingerprint image acquisition, processing, feature extraction and

7、 pattern recognition system equivalent module than. Fingerprint identification is commonly recognized to be the identity of the place such as entrance guard system, attendance system, laptop, internal bank, bank payment processing.This paper discusses the basic structure and the whole process of fin

8、gerprint identification system from the principle to the hardware, the hardware part is mainly to Samsung Corp production based on S3C2440 chip ARM920T as themain control chip, the fingerprint image acquisition chip FPS200 as a fingerprint sensor. The software system design is the main program desig

9、n process of fingerprint identification system, including the processes of each module design. The design can be used for experimental study of fingerprint recognition, learning the knowledge, can also be used for industrial production for reference.KEY WORDS: fingerprint identification, FPS200, fin

10、gerprint matching, image processing, image recognition目 錄前 言 .1 第一章 指紋識(shí)別的概述 . .2 §1.1 生物特征識(shí)別技術(shù) .2 §1.1.1 生物特征識(shí)別技術(shù)簡介 . .2 §1.1.2 幾種主要的生物識(shí)別技術(shù)分類 .3 §1.2 指紋識(shí)別研究的意義 .6 §1.3 指紋識(shí)別的發(fā)展現(xiàn)狀 .8 第二章 指紋識(shí)別原理及方法 . 10 §2.1 簡介 . 10 §2.2 指紋識(shí)別的原理 . 11 §2.3 指紋識(shí)別的方法 . 12 §2.4 指

11、紋圖像的采集 . 13 §2.5 指紋圖像的預(yù)處理 . 14 §2.5.1 歸一化 . . 15 §2.5.2 圖像濾波 . . 16 §2.5.3 指紋圖像銳化 . 17 §2.5.4 方向圖計(jì)算 . . 19 §2.5.5 指紋圖像二值化 . 21 §2.5.6 指紋圖像細(xì)化 . 24 §2.6 提取特征點(diǎn) . . 25 §2.7 去除偽特征點(diǎn) . . 27 §2.8 指紋匹配 . 28 §2.8.1 指紋匹配簡述 . 28 §2.8.2 中心點(diǎn)定位 . . 28

12、67;2.8.3 建立特征模板 . 28 §2.8.4 特征點(diǎn)匹配 . . 29 第三章 指紋識(shí)別硬件設(shè)計(jì) . . 31§3.1 簡述 . 31 §3.2 指紋采集模塊 . . 31 §3.3 核心主控模塊 . . 35 §3.4 電路設(shè)計(jì) . 37 §3.4.1 電路電源 . . 37 §3.4.2 FPS200電路 . 38 §3.4.3 LCD顯示電路 . 39 §3.4.4 存儲(chǔ)模塊電路 . 40 §3.4.5 主控模塊外圍電路 . 41 第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) . . 44 §

13、4.1 軟件主要流程圖 . 44 §4.2 采集模塊軟件設(shè)計(jì) . 44 §4.3 LCD顯示模塊軟件設(shè)計(jì) . 45 §4.4 存儲(chǔ)模塊軟件設(shè)計(jì) . 46 結(jié) 論 . 48 參考文獻(xiàn) . . 50 致謝 . 53前 言人們的日常生活離不開身份鑒別,對(duì)身份鑒別的需求也推動(dòng)了鑒別手段 的發(fā)展。早在科技落后的古代,傳令兵把軍隊(duì)統(tǒng)帥的命令傳達(dá)下去時(shí),為證 明自己的身份,需要攜帶令箭等信物。鎖和鑰匙這種機(jī)械式的系統(tǒng),就是比 較原始、簡單而又實(shí)用的識(shí)別系統(tǒng)。隨著科技的發(fā)展,人們的生活也越來越 方便,持卡消費(fèi),網(wǎng)上交易已成為時(shí)尚,然而,在我們享受著信息化所帶來 的好處的同時(shí),鑰匙

14、、密碼等傳統(tǒng)身份鑒別方法所存在的先天性的安全缺陷 已使越來越多的人付出了沉重的代價(jià)。因?yàn)橹饕柚隗w外物,一旦證明身 份的標(biāo)識(shí)物品和標(biāo)識(shí)知識(shí)被盜或遺忘,其身份就容易被他人冒充或取代。要 想提高其安全性,這就需要更長的密碼或者更復(fù)雜的加密系統(tǒng),這就增加了 使用者的負(fù)擔(dān)和使用成本。以上這些身份鑒別手段最大的問題在于:它們都 是以物識(shí)人,而不是驗(yàn)證其本人。從本質(zhì)上來說,這些物或知識(shí)與人本身沒 有本質(zhì)的固有的聯(lián)系,其漏洞是顯而易見的,在一定條件下,易被他人獲取, 而一旦發(fā)生了這種情況,以上的這些識(shí)別方法即使技術(shù)再先進(jìn)也都將變得毫 無意義。受啟發(fā)于人的身體特征不可復(fù)制、具有其唯一性并“攜帶方便”等 特點(diǎn)

15、,人們開始把目光轉(zhuǎn)向生物識(shí)別技術(shù)。指紋識(shí)別技術(shù)作為其中的一種,有著很大的發(fā)展空間。首先,它具有可 靠性,不同的人的指紋都不相同,其次,采集起來比較方便,成本小。所以, 指紋識(shí)別系統(tǒng)現(xiàn)在已經(jīng)成了很多安全部門的主要的身份識(shí)別的手段。近年來,很多機(jī)構(gòu)研制出一些高科技的設(shè)備,來體現(xiàn)指紋給生活帶來的 方便和安全,比如:指紋鎖,指紋門禁,指紋考勤機(jī),指紋采集儀,指紋保 險(xiǎn)柜以及網(wǎng)絡(luò)指紋登陸技術(shù)等等,據(jù)調(diào)查國內(nèi)很多高檔智能小區(qū)都裝有指紋 鎖,指紋門禁,指紋被用到設(shè)備最早的是指紋考勤機(jī),公司人事管理者為了 杜絕代打卡,紛紛采用指紋考勤機(jī)。由此可見指紋識(shí)別的重要性。本文從原理上說明指紋采集以及處理的流程和相關(guān)的

16、功能作用。本設(shè)計(jì) 用指紋傳感器 FPS200進(jìn)行指紋數(shù)據(jù)采集,用 ARM 芯片 S3C2440進(jìn)行控制 和處理,包括指紋圖像增強(qiáng),指紋圖像平滑,指紋圖像的二值化等等一系列 的處理,然后進(jìn)行特征點(diǎn)提取和基于特征點(diǎn)的指紋匹配等。第一章 指紋識(shí)別的概述指紋識(shí)別時(shí)眾多身份識(shí)別中一項(xiàng)重要的方法,由于其可靠性好,識(shí)別率 高,成本低等優(yōu)點(diǎn),受到大家的很高的關(guān)注。人們指紋識(shí)別方面的研究比較 深入,識(shí)別技術(shù)比較成熟,隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,指紋識(shí)別產(chǎn)品越來越多地 應(yīng)用到人民日常的生活和工作中。§1.1 生物特征識(shí)別技術(shù)§1.1.1 生物特征識(shí)別技術(shù)簡介傳統(tǒng)的身份認(rèn)證由于極易偽造和丟失, 越來越難

17、以滿足社會(huì)的需求, 目前 最為便捷與安全的解決方案無疑就是生物識(shí)別技術(shù)。它不但簡潔快速,而且 利用它進(jìn)行身份的認(rèn)定,安全、可靠、準(zhǔn)確。同時(shí)更易于配合電腦和安全、 監(jiān)控、管理系統(tǒng)整合,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化管理。由于其廣闊的應(yīng)用前景、巨大的社 會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益,已引起各國的廣泛關(guān)注和高度重視。生物識(shí)別技術(shù)(Biometric Identification Technology 是指利用人體生物 特征進(jìn)行身份認(rèn)證的一種技術(shù)。生物特征識(shí)別技術(shù)就是通過計(jì)算機(jī)與光學(xué)、 聲學(xué)、生物傳感器和生物統(tǒng)計(jì)學(xué)原理等高科技手段密切結(jié)合,利用人體固有 的生理特性和行為特征來進(jìn)行個(gè)人身份的鑒定。生物識(shí)別系統(tǒng)是對(duì)生物特征進(jìn)行取樣,提取

18、其唯一的特征并且轉(zhuǎn)化成數(shù) 字代碼,并進(jìn)一步將這些代碼組合而成的特征模板。人們同識(shí)別系統(tǒng)交互進(jìn) 行身份認(rèn)證時(shí),識(shí)別系統(tǒng)獲取其特征并與數(shù)據(jù)可中的特征模板進(jìn)行比對(duì),以 確定是否匹配,從而決定接受或拒絕該人。在目前的研究與應(yīng)用領(lǐng)域中,生物特征識(shí)別主要關(guān)系到計(jì)算機(jī)視覺、圖 象處理與模式識(shí)別、計(jì)算機(jī)聽覺、語音處理、多傳感器技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)、計(jì) 算機(jī)圖形學(xué)、可視化技術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、智能機(jī)器人感知系統(tǒng)等其他相 關(guān)的研究。已被用于生物識(shí)別的生物特征有手形、指紋、臉形、虹膜、視網(wǎng) 膜、脈搏、耳廓等,行為特征有簽字、聲音、按鍵力度等。基于這些特征,生物特征識(shí)別技術(shù)已經(jīng)在過去的幾年中已取得了長足的進(jìn)展。§

19、1.1.2 幾種主要的生物識(shí)別技術(shù)分類每個(gè)人都具有許多生物特征, 這些生物特征是生來具有的, 不會(huì)被遺忘 或丟失,對(duì)于每個(gè)生物特征都有以下特點(diǎn):(1普遍性,是否每個(gè)人都具有這種特征。(2唯一性,每個(gè)人的特征都不同。(3長久性,一生這種特征不改變。(4可采集性,能夠進(jìn)行采集。(5可靠性,識(shí)別性能要高,要可靠。a. 面部識(shí)別人臉識(shí)別的實(shí)現(xiàn)包括面部識(shí)別(多采用 " 多重對(duì)照人臉識(shí)別法 " ,即先從 拍攝到的人像中找到人臉,從人臉中找出對(duì)比最明顯的眼睛,最終判斷包括 兩眼在內(nèi)的領(lǐng)域是不是想要識(shí)別的面孔和面部認(rèn)證(為提高認(rèn)證性能已開 發(fā)了 “攝動(dòng)空間法” , 即利用三維技術(shù)對(duì)人臉側(cè)面

20、及燈光發(fā)生變化時(shí)的人臉進(jìn) 行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。以及“適應(yīng)領(lǐng)域混合對(duì)照法” ,使得對(duì)部分偽裝的人臉也能進(jìn)行 識(shí)別兩方面,基本實(shí)現(xiàn)了快速而高精度的身份認(rèn)證。由于其屬于是非接觸 型認(rèn)證,僅僅要看到臉部就可以實(shí)現(xiàn)很多應(yīng)用,因而可被應(yīng)用在:證件中的 身份認(rèn)證;重要場所中的安全檢測(cè)和監(jiān)控;智能卡中的身份認(rèn)證;計(jì)算機(jī)登 錄等網(wǎng)絡(luò)安全控制等多種不同的安全領(lǐng)域。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和桌上視頻的廣泛 采用、電子商務(wù)等網(wǎng)絡(luò)資源的利用對(duì)身份驗(yàn)證提出的新的要求,依托于圖像 理解、模式識(shí)別、計(jì)算機(jī)視覺和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的臉像識(shí)別技術(shù)在一定應(yīng)用 范圍內(nèi)已獲得了成功。優(yōu)點(diǎn):面部識(shí)別是非接觸的,用戶不需要和設(shè)備直接接觸。缺點(diǎn):使用者面部位置與周

21、圍環(huán)境都可能影響系統(tǒng)的準(zhǔn)確性;面部識(shí)別 技術(shù)特征提取過分依賴采集質(zhì)量,采集圖像設(shè)備昂貴;隨著認(rèn)得衰老、飾物 的改變,機(jī)器可能不會(huì)正確識(shí)別。b. 步態(tài)識(shí)別步態(tài)識(shí)別技術(shù)現(xiàn)還處在初期階段,其發(fā)展還面臨許多艱難的挑戰(zhàn)。這項(xiàng) 技術(shù)的最新進(jìn)展在由美國國防先進(jìn)研究項(xiàng)目代表設(shè)立基金研究通過人體語言 確認(rèn)人的身份的美國科研機(jī)構(gòu)中。其理論是每個(gè)人以相同的方式生活,都有自己專一的信號(hào)或指紋,每個(gè)人也有自己專一的走路步伐。其技巧是收集人 體語言并把它轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)能識(shí)別的數(shù)字。一種方法每個(gè)人建立“運(yùn)動(dòng)信號(hào)”來識(shí)別。他們從拍攝人走路或跑步的 方法開始研究每個(gè)人的運(yùn)動(dòng)信號(hào),再利用計(jì)算機(jī)上的模擬照相機(jī)捕捉和儲(chǔ)存 這一運(yùn)動(dòng)行為

22、(用軟件工具除去冗余最終只以數(shù)字形象儲(chǔ)存物體的一系列輪 廓 。 之后只要一個(gè)人把他的整個(gè)走路過程拍攝下來, 指令計(jì)算機(jī)就能根據(jù)儲(chǔ) 存的形象確定這個(gè)人的身份。通過系統(tǒng)很好地歸納所有不同的步伐后,據(jù)稱 現(xiàn)已經(jīng)獲得 90%95%的正確匹配。優(yōu)點(diǎn):用戶不需要和設(shè)備直接接觸。缺點(diǎn):存儲(chǔ)成本比較高,技術(shù)發(fā)展不夠成熟。c. 虹膜識(shí)別個(gè)體的虹膜結(jié)構(gòu)獨(dú)一無二、不具遺傳性(使即使是同卵雙胞胎虹膜也各 不相同 ,并且自童年以后,便基本不再變化,使得其非常適合應(yīng)用于生物識(shí) 別。有統(tǒng)計(jì)表明,到目前為止,虹膜識(shí)別的錯(cuò)誤率是各種生物特征識(shí)別中最 低的。目前,國際上掌握虹膜識(shí)別核心技術(shù)的僅有我國中科模識(shí)科技有限公 司和另一家

23、美國公司。并且我國已經(jīng)獲得了“虹膜圖像采集裝置”和“基于 虹膜識(shí)別的身份鑒定方法與裝置”等多項(xiàng)專利。優(yōu)點(diǎn):不與設(shè)備直接接觸。缺點(diǎn):沒有進(jìn)行任何測(cè)試,沒有進(jìn)行過現(xiàn)實(shí)世界唯一性認(rèn)證試驗(yàn);聚焦 性好的攝像頭成本貴,成像設(shè)備很難小型化。d. 靜脈識(shí)別靜脈識(shí)別系統(tǒng)就是首先通過靜脈識(shí)別儀取得個(gè)人靜脈分布圖,從靜脈分 布圖依據(jù)專用比對(duì)算法提取特征值,通過紅外線 CMOS 攝像頭獲取手指靜 脈、手掌靜脈、手背靜脈的圖像,將靜脈的數(shù)字圖像存貯在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中, 將特征值存儲(chǔ)。靜脈比對(duì)時(shí),實(shí)時(shí)采取靜脈圖,提取特征值,運(yùn)用先進(jìn)的濾 波、圖像二值化、細(xì)化手段對(duì)數(shù)字圖像提取特征,同存儲(chǔ)在主機(jī)中靜脈特征 值比對(duì),采用復(fù)雜的

24、匹配算法對(duì)靜脈特征進(jìn)行匹配,從而對(duì)個(gè)人進(jìn)行身份鑒 定,確認(rèn)身份。優(yōu)點(diǎn):全過程采用非接觸式。缺點(diǎn):信息采集成本較高;e. 視網(wǎng)膜識(shí)別視網(wǎng)膜是眼睛底部的血液細(xì)胞層。視網(wǎng)膜掃描是采用低密度的紅外線去 捕捉視網(wǎng)膜的獨(dú)特特征,血液細(xì)胞的唯一模式就因此被捕捉下來。視網(wǎng)膜識(shí) 別的優(yōu)點(diǎn)就在于它是一種極其固定的生物特征,因?yàn)樗恰半[藏”的,故而 不可能受到磨損,老化等影響;使用者也無需和設(shè)備進(jìn)行直接的接觸;同時(shí) 它是一個(gè)最難欺騙的系統(tǒng),因?yàn)橐暰W(wǎng)膜是不可見的,故而不會(huì)被偽造。 優(yōu)點(diǎn):全過程采用非接觸式,不易被欺騙。缺點(diǎn):可能會(huì)對(duì)人視網(wǎng)膜造成傷害,成本比較高。f. 手掌幾何學(xué)識(shí)別手掌幾何學(xué)識(shí)別就是通過測(cè)量使用者的手

25、掌和手指的物理特征來進(jìn)行識(shí) 別,高級(jí)的產(chǎn)品還可以識(shí)別三維圖像。作為一種已經(jīng)確立的方法,手掌幾何 學(xué)識(shí)別不僅性能好,而且使用比較方便。它適用的場合是用戶人數(shù)比較多, 或者用戶雖然不經(jīng)常使用,但使用時(shí)很容易接受。如果需要,這種技術(shù)的準(zhǔn) 確性可以非常高,同時(shí)可以靈活地調(diào)整性能以適應(yīng)相當(dāng)廣泛的使用要求。手 形讀取器使用的范圍很廣,且很容易集成到其他系統(tǒng)中,因此成為許多生物 特征識(shí)別項(xiàng)目中的首選技術(shù)。優(yōu)點(diǎn):需要的數(shù)據(jù)量小,人們比較容易接受的方式。缺點(diǎn):匹配的準(zhǔn)確性有待提高。g. DNA 識(shí)別人體內(nèi)的 DNA 在整個(gè)人類范圍內(nèi)具有唯一性(除了同卵雙胞胎可能具 有同樣結(jié)構(gòu)的 DNA 外和永久性。因此,除了對(duì)

26、同卵雙胞胎個(gè)體的鑒別可 能失去它應(yīng)有的功能外, 這種方法具有絕對(duì)的權(quán)威性和準(zhǔn)確性。 DNA 鑒別方 法主要根據(jù)人體細(xì)胞中 DNA 分子的結(jié)構(gòu)因人而異的特點(diǎn)進(jìn)行身份鑒別。這 種方法的準(zhǔn)確性優(yōu)于其它任何身份鑒別方法,同時(shí)有較好的防偽性。然而, DNA 的獲取和鑒別方法(DNA 鑒別必須在一定的化學(xué)環(huán)境下進(jìn)行限制了 DNA 鑒別技術(shù)的實(shí)時(shí)性;另外,某些特殊疾病可能改變?nèi)梭w DNA 的結(jié)構(gòu)組 成,系統(tǒng)無法正確的對(duì)這類人群進(jìn)行鑒別。優(yōu)點(diǎn):具有獨(dú)一無二性。缺點(diǎn):檢測(cè)的事實(shí)性不強(qiáng),技術(shù)檢測(cè)需要特定的環(huán)境。h. 聲音和簽字識(shí)別聲音和簽字識(shí)別屬于行為識(shí)別的范疇。聲音識(shí)別主要是利用人的聲音特 點(diǎn)進(jìn)行身份識(shí)別。聲音

27、識(shí)別的優(yōu)點(diǎn)在于它是一種非接觸識(shí)別技術(shù),容易為公 眾所接受。但聲音會(huì)隨音量、音速和音質(zhì)的變化而影響。比如,一個(gè)人感冒 時(shí)說話和平時(shí)說話就會(huì)有明顯差異。再者,一個(gè)人也可有意識(shí)地對(duì)自己的聲 音進(jìn)行偽裝和控制,從而給鑒別帶來一定困難。簽字是一種傳統(tǒng)身份認(rèn)證手 段。 現(xiàn)代簽字識(shí)別技術(shù), 主要是透過測(cè)量簽字者的字形及不同筆劃間的速度、 順序和壓力特征,對(duì)簽字者的身份進(jìn)行鑒別。簽字與聲音識(shí)別一樣,也是一 種行為測(cè)定,因此,同樣會(huì)受人為因素的影響。優(yōu)點(diǎn):方式容易接受,比較直觀。缺點(diǎn):聲音和簽名受外界影響干擾比較大。i. 指紋識(shí)別指紋識(shí)別是目前應(yīng)用最廣泛的一種,已被全球大部分國家政府接受與認(rèn) 可,已廣泛地應(yīng)用到

28、政府、軍隊(duì)、銀行、社會(huì)福利保障、電子商務(wù)和安全防 衛(wèi)等領(lǐng)域。指紋識(shí)別設(shè)備成本低,指紋圖像采集簡單。兩個(gè)主要的采集圖像 的技術(shù)為光學(xué)技術(shù)和電容技術(shù),電容技術(shù)采集技術(shù)芯片昂貴,可靠性不好, 使得光采集技術(shù)更加可靠地解決方案,通過不斷的改進(jìn),光學(xué)技術(shù)采集已經(jīng) 成為無可挑剔的解決防范。在我國,北大高科等對(duì)指紋識(shí)別技術(shù)的研究開發(fā) 已達(dá)到可與國際先進(jìn)技術(shù)抗衡,中科院的漢王科技公司在一對(duì)多指紋識(shí)別算 法 上 取 得 重 大 進(jìn) 展 , 達(dá) 到 的 性 能 指 標(biāo) 中 拒 識(shí) 率 小 于 0.1%, 誤 識(shí) 率 小 于 0.0001%,居國際先進(jìn)水平;指紋識(shí)別技術(shù)在我國已經(jīng)得到較廣泛的應(yīng)用, 隨著網(wǎng)絡(luò)化的更加

29、普及,指紋識(shí)別的應(yīng)用將更加廣泛。優(yōu)點(diǎn):指紋是人體獨(dú)一無二的特征;每人都有十個(gè)獨(dú)一無二的指紋,增 加識(shí)別可靠性;讀取方便,采集設(shè)備可以小型化。§1.2指紋識(shí)別研究的意義指紋識(shí)別的社會(huì)意義應(yīng)該是非常廣泛的。指紋識(shí)別作為一種生物鑒定技 術(shù),為人類的個(gè)體的定義提供了一個(gè)到目前為止最為快捷和可信的方法。 隨著指紋識(shí)別的普及,人們之間的信任成本將大大降低,提高人類社會(huì) 活動(dòng)的效率。在信息時(shí)代,一種安全便捷的身份認(rèn)證方式顯得越發(fā)重要。 “在網(wǎng)絡(luò)上,沒有人知道你是一只狗, ”在這種情況下,任何基于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的交 往活動(dòng)都被蒙上了一層技術(shù)意義的灰色。不可避免,所有基于這種網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 基礎(chǔ)之上的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)也

30、因此被深深打上了不真實(shí)和不被信任的烙印。從生物測(cè)量角度而言,指紋識(shí)別將是一種非常理想的工具,用來定位一 個(gè)人的基本社會(huì)坐標(biāo)原點(diǎn)。作為一個(gè)人,具有非常復(fù)雜的社會(huì)角色。在公司 的時(shí)候,你可能是產(chǎn)品總監(jiān)、員工等工作性角色,所有這些角色都是基于你 的生物測(cè)量基礎(chǔ)上的。社會(huì)公共管理中,必須有一個(gè)基礎(chǔ)變量來確認(rèn)一個(gè)人 的基本身份。在過去的很長一段時(shí)間里,我們是通過戶籍制度來進(jìn)行管理和 定義一個(gè)人的,一個(gè)從出生到死亡都是根據(jù)其出生地來定義和追溯其身份。 這種方式的隨意性很大,防偽性比較差,容易引起管理上的漏洞。在現(xiàn)實(shí)生 活中, 有些內(nèi)地考生為了取得成績優(yōu)勢(shì), 到偏遠(yuǎn)省份重新辦理一套身份系統(tǒng), 包括戶口、身份

31、證、檔案等。在很多情況下,一個(gè)人的真實(shí)身份是很難被分 辨的。指紋識(shí)別作為一個(gè)人基本社會(huì)角色定位點(diǎn),其方便性和準(zhǔn)確性已經(jīng)得 到了全世界范圍內(nèi)的認(rèn)可。通過各種各樣的指紋識(shí)別系統(tǒng),社會(huì)公共管理的 職能得到了強(qiáng)化,效率得到了提高。原來的養(yǎng)老保險(xiǎn)系統(tǒng),冒領(lǐng)保險(xiǎn)金現(xiàn)象 比較嚴(yán)重。隨著越來越多的地方實(shí)施了指紋養(yǎng)老金發(fā)放系統(tǒng),這一現(xiàn)象得到 了徹底改善,沒有當(dāng)事人的指紋,對(duì)應(yīng)的養(yǎng)老金是不可能被領(lǐng)取的。深圳羅 湖口岸,指紋出入境系統(tǒng)的實(shí)施大大提高了通關(guān)效率,過關(guān)旅客再也不需要 拿著身份證排長隊(duì)等待檢查。指紋識(shí)別作為一種生物鑒定技術(shù),為人類的個(gè)體的定義提供了一個(gè)到目 前為止最為快捷和指紋識(shí)別的社會(huì)意義可信的方法。指

32、紋識(shí)別和指紋識(shí)別承載了很多的社會(huì)意義,從最根本上來講,是可以 良好的判斷和定義一個(gè)人的真實(shí)生物身份。 從而降低社會(huì)活動(dòng)中的信任成本, 從根本上改變經(jīng)濟(jì)和社會(huì)交往模式改變,提高效率。了解指紋識(shí)別技術(shù)的概念有助于準(zhǔn)確的理解指紋識(shí)別技術(shù)。這可以更好 的驗(yàn)證指紋匹配方法的可行性和安全性。對(duì)比來找到更好的匹配方法和更好 的指紋系統(tǒng)的設(shè)計(jì)?，F(xiàn)實(shí)上,更能進(jìn)一步提高我們對(duì)科研的積極性,對(duì)安全 的重視,也增加了我們動(dòng)手能力,和對(duì)事物研究的認(rèn)知能力。可以說,這次 指紋識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的意義非凡。§1.3 指紋識(shí)別的發(fā)展現(xiàn)狀指紋識(shí)別可謂歷史悠久,本是一種古老的身份識(shí)別技術(shù)。幾千年以前, 中國人、 盎格魯一撒

33、克遜人和古敘利亞人就曾經(jīng)采用其作為身份鑒別的方法。 而隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息處理與識(shí)別技術(shù)的不斷進(jìn)步,現(xiàn)代指紋識(shí)別技 術(shù)已發(fā)展成為一種成熟、應(yīng)用廣泛的生物特征識(shí)別技術(shù),而且指紋具有唯一 性、穩(wěn)定性、隨身性、便于采集等優(yōu)點(diǎn),這使得指紋識(shí)別技術(shù)優(yōu)于其他人體 生物特征識(shí)別技術(shù)。 現(xiàn)代指紋識(shí)別技術(shù)的研究是從十六世紀(jì)開始的。 1684年, 英國植物學(xué)家 Grew 發(fā)表了人類對(duì)指紋識(shí)別技術(shù)進(jìn)行科學(xué)研究的第一篇論文,研究了指紋紋線脊, 谷和孔狀結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性。從此以后,很多人開始了致力于指紋識(shí)別技術(shù)的研 究。 20世紀(jì) 60年代末,以電子計(jì)算機(jī)技術(shù)為代表的信息技術(shù)逐步興起,計(jì) 算機(jī)技術(shù)開始進(jìn)入指紋識(shí)別領(lǐng)域,

34、 為指紋鑒定的自動(dòng)化帶來了新的解決思路、 新的實(shí)現(xiàn)方法和新的處理途徑。此時(shí)美國有人開始提出用計(jì)算機(jī)圖像處理和 模式識(shí)別方法進(jìn)行指紋分析以代替人工比對(duì),就是“自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng) " 。到 70年代,由于計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用及模式識(shí)別理論的發(fā)展,世界各國都爭相開 發(fā)和使用自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng), 到 20世紀(jì) 70年代末, 些實(shí)用系統(tǒng)已經(jīng)出現(xiàn), 如加拿大警方首次應(yīng)用激光進(jìn)行指紋檢驗(yàn); 日本立石電機(jī)公司 80年研制出了 指紋核對(duì)機(jī); 美國人福勒 80年代設(shè)計(jì)了指紋電子檢驗(yàn)系統(tǒng); 1 982年日本 NEC 首次向警方提供了 AFISf81。有關(guān)指紋識(shí)別的研究與應(yīng)用,西方國家起步比 我國早。 國外很多國家

35、都有公司或?qū)ｉT機(jī)構(gòu)在從事自動(dòng)指紋識(shí)別技術(shù)的研究, 美國在這一領(lǐng)域的研究水平居于世界最前沿。我國的生物識(shí)別行業(yè)的起步晚 了 10年左右,起步于九十年代初期。在初期時(shí)與世界發(fā)展水平有一定差距, 但是起步后的發(fā)展速度很快,并部分通過直接引進(jìn),跨越了一些技術(shù)積累階 段,所以在技術(shù)層面逐漸趕上了世界發(fā)展水平。當(dāng)前,國內(nèi)從事自動(dòng)指紋識(shí) 別技術(shù)研究和產(chǎn)品銷售的公司也有很多?；旧峡梢苑殖蓛深?一類是主要 從事國外產(chǎn)品代理業(yè)務(wù)的公司。這類公司的數(shù)目較多,如:湖南金信、濟(jì)南 同飛、哈爾濱賽恩斯等公司。另一類是主要從事自主研究開發(fā)的公司和研究 單位,數(shù)目相對(duì)較少,以中科院自動(dòng)化研究所、西安交大、北大高科、北京四方

36、遠(yuǎn)大公司和長春鴻達(dá)集團(tuán)等為代表。國內(nèi)部分研究成果在國際上具有比 較先進(jìn)甚至領(lǐng)先的研究水平。其中中科院自動(dòng)化所對(duì)指紋識(shí)別技術(shù)的研究處 于國內(nèi)的領(lǐng)先水平,他們提出的混合匹配的自動(dòng)指紋識(shí)別算法,解決了指紋 識(shí)別中的高匹配率、特征信息量小、識(shí)別速度快的問題。在 2004年,這種算 法在國際 FVC2004競賽中取得了優(yōu)異成績, 在國際同行中很有影響。 與此同 時(shí), 浙江中正于 2000年開發(fā)出的超小指紋識(shí)別系統(tǒng), 標(biāo)志著我國在這一領(lǐng)域 已經(jīng)達(dá)到了世界領(lǐng)先水平。 在 2009年中國科學(xué)家自主研發(fā)出了全球第一款 指紋識(shí)別電子簽名芯片, 一舉填補(bǔ)國內(nèi)指紋識(shí)別芯片研發(fā)和生產(chǎn)空白。 現(xiàn)在, 世界己進(jìn)入了信息網(wǎng)絡(luò)

37、時(shí)代, 現(xiàn)行的系統(tǒng)安全性技術(shù)已經(jīng)面臨著嚴(yán)重的挑戰(zhàn), 隨著現(xiàn)代電子技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展,自動(dòng)指紋識(shí)別技術(shù)有了很快的發(fā)展, 正在逐漸成為一種成熟的身份認(rèn)證技術(shù)。指紋識(shí)別技術(shù)的發(fā)展主要表現(xiàn)在以 下幾個(gè)方面:(1現(xiàn)有傳感器技術(shù)的改進(jìn)及其新型指紋傳感器的出現(xiàn)。 目前傳統(tǒng)的光電 式指紋傳感器占據(jù)比較大的市場,通過改善光學(xué)部件的加工工藝,可以極大 降低光電式傳感器的體積;半導(dǎo)體指紋傳感器的改進(jìn)主要體現(xiàn)在如何增大采 集面積、改善其抗磨損能力和提高圖像分辨率等方面;隨著自然科學(xué)的不斷 發(fā)展和各個(gè)學(xué)科間的相互滲透交融,新的傳感理論和新的材料也不斷出現(xiàn), 新型的傳感器開始不斷進(jìn)入市場, 如薄膜型指紋傳感器、 光纖型

38、指紋傳感器、 電致發(fā)光型指紋傳感器,新型傳感器的出現(xiàn)使采集的指紋圖像效果更好,指 紋便于識(shí)別。(2指紋識(shí)別算法的改進(jìn)。 指紋識(shí)別算法的研究主要集中在各種嵌入式系 統(tǒng)和互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用中,算法性能不斷提高,同時(shí)為了提高防偽辨?zhèn)蔚哪芰? 在一些指紋識(shí)別設(shè)備的算法中,還加入了對(duì)真皮層特性、脈搏、血流分布、 微循環(huán)等活體生命特征的識(shí)別功能,為有效杜絕用假手指作弊做出了有益嘗 試。(3指紋識(shí)別產(chǎn)品的發(fā)展。 目前民用指紋識(shí)別技術(shù)與設(shè)備的發(fā)展已從第一 代的“主機(jī)一處理終端聯(lián)機(jī)一圖像輸入設(shè)備”模式迅速過渡到第二代的“ PC 一傳感器聯(lián)機(jī)式” 和第三代的 “獨(dú)立式” 。 隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展, 又使嵌入式

39、核心模塊向?qū)Ｓ弥讣y識(shí)別 IC 發(fā)展,使其體積減小至指甲蓋般大 小,這就是第四代“晶片式”指紋識(shí)別設(shè)備。第二章 指紋識(shí)別原理及方法§2.1 簡介指紋是靈長類手指末端指腹上由凹凸的皮膚所形成的紋路,也可指這些 紋路在物體上印下的印痕。紋路的細(xì)節(jié)特征點(diǎn)有起點(diǎn)、終點(diǎn)、結(jié)合點(diǎn)和分叉 點(diǎn)。由于每個(gè)人的指紋并不相同,同一人的不同手指的指紋也不一樣,指紋 識(shí)別就是通過比較這些細(xì)節(jié)特征的區(qū)別來進(jìn)行鑒別。指紋紋線的 3種基本模式是環(huán)型、 弓形和螺旋形。 同一家庭的成員一般有 相同的指紋模式,因此一般認(rèn)為這些模型是有遺傳性的。如圖 2-1所示: 圖 2-1 指紋紋線的 3種基本模式 圖 2-2 一個(gè)典型的

40、指紋識(shí)別系統(tǒng)框§2.2 指紋識(shí)別的原理指紋圖像比較復(fù)雜,對(duì)指紋圖像的處理也與人工處理不同,我們一般并 不直接存儲(chǔ)指紋的圖像,各個(gè)公司及其研究機(jī)構(gòu)研究了許多指紋圖像數(shù)字化 的算法 (在美國,指紋圖像屬于個(gè)人隱私,不能直接存儲(chǔ)指紋圖像 。但指紋 識(shí)別算法最終都要?dú)w結(jié)為在指紋圖像上找到并比對(duì)指紋的特征。指紋有兩類特征來進(jìn)行指紋的驗(yàn)證:總體特征和局部特征。(1總體特征是指那些用人眼直接就可以觀察到的特征, 包括一些基本紋 路圖案:環(huán)型 (100p 、螺旋型 (whorl 、弓型 (arch 。其他的指紋圖案都基于 這三案。但僅僅依靠這些圖案類型來分辨指紋是肯定是不夠的,不過這只是 一個(gè)粗略的

41、分類,這會(huì)使得我們?cè)跀?shù)據(jù)庫中搜尋指紋時(shí)更加方便。模式區(qū) (Pattern Area :是指指紋上包括了總體特征的區(qū)域, 即我們從模 式區(qū)就能夠分辨出指紋屬于那一種類型。有些指紋識(shí)別算法只使用模式區(qū)的 數(shù)據(jù)就夠了。核心點(diǎn) (Core Point :核心點(diǎn)位于指紋紋路的漸進(jìn)中心,它通常作為讀取 指紋和比對(duì)指紋時(shí)的參考點(diǎn)。三角點(diǎn) (Delta :三角點(diǎn)位是從核心點(diǎn)開始的第一個(gè)分叉點(diǎn)或者斷點(diǎn)、或 者兩條紋路會(huì)聚處、折轉(zhuǎn)處,或者指向這些奇異點(diǎn)。三角點(diǎn)為我們提供了指 紋紋路的計(jì)數(shù)和跟蹤的開始之處。紋數(shù) (Ridge Count :是指模式區(qū)內(nèi)指紋紋路的數(shù)量。在計(jì)算指紋的紋數(shù) 時(shí),一般先連接核心點(diǎn)和三角點(diǎn),

42、這條連線與指紋紋路相交的數(shù)量我們就把它認(rèn)為是指紋的紋數(shù)。(2局部特征是指指紋上的節(jié)點(diǎn)。兩枚指紋經(jīng)常會(huì)具有一樣的總體特征, 但它們的局部特征卻是不可能完全相同的。節(jié)點(diǎn) (Minutia Points 指紋紋路并不是連續(xù)的,平滑筆直的,而是會(huì)經(jīng)常 出現(xiàn)一些中斷、分叉或打折。這些斷點(diǎn)、分叉點(diǎn)和轉(zhuǎn)折點(diǎn)我們把它稱為“節(jié) 點(diǎn)” 。指紋圖像上的節(jié)點(diǎn)有四種不同特性:a .分類:節(jié)點(diǎn)有以下幾種類型,最典型的是終結(jié)點(diǎn)和分叉點(diǎn)。終結(jié)點(diǎn) (Ending :一條紋路在此終結(jié)。分叉點(diǎn) (Bifurcation :一條紋路在此分開成為兩條或更多的紋路。孤立點(diǎn) (Dot or Island:一條特別短的紋路,以至于成為一點(diǎn)。

43、分歧點(diǎn) (Ridge Divergence :兩條平行的紋路在此分開。環(huán)點(diǎn) (Enciosure :一條紋路分開成為兩條之后,立即有合并成為一條, 這樣形成的一個(gè)小環(huán)稱為環(huán)點(diǎn)。短紋 (Short Ridge:一端較短但不至于成為一點(diǎn)的紋路。b .方向 (Orientation :節(jié)點(diǎn)可以朝著一定的方向。C .曲率 (Curvature :描述紋路方向改變的速度。d .位置 (Position :節(jié)點(diǎn)的位置通過 (x , Y 坐標(biāo)來描述,可以是絕對(duì)的 , 也可以是相對(duì)于三角點(diǎn)或特征點(diǎn)的。§2.3 指紋識(shí)別的方法指紋識(shí)別技術(shù)主要涉及到幾個(gè)過程:首先采集指紋圖像,然后把指紋圖 像進(jìn)行處理,

44、提取指紋特征后保存數(shù)據(jù),最好對(duì)指紋進(jìn)行比對(duì)。采集的指紋圖像有很多噪音。這主要由于傳感器所處的環(huán)境以及指紋的 狀態(tài)并不會(huì)十分的理想。圖像增強(qiáng)是減弱噪音,增強(qiáng)脊和谷之間的對(duì)比度。 想得到比較干凈清晰的圖像并不是容易的事情,處理指紋圖像所涉及的操作 是非常多的。大多數(shù)圖像增強(qiáng)的方法是通過過濾圖像與脊局部方向相匹配。圖像首先 分成幾個(gè)小區(qū)域 (窗口 , 并在每個(gè)區(qū)域上計(jì)算出脊的局部方向來生成方向圖。設(shè)計(jì)合適的,相匹配的濾鏡,使之實(shí)用于圖像上所有的像素。根據(jù)每個(gè)象素 處脊的局部走向, 選用濾鏡增強(qiáng)在同一方向脊的走向, 并且在同一個(gè)位置上, 減弱任何不同于脊的方向。后者是含有橫跨脊的噪音,這樣其垂直于脊的

45、局 部方向上的那些不正確的“橋”就會(huì)被濾鏡過濾掉。圖像增強(qiáng),噪音減弱后,我們把指紋圖像二值化,圖像就從灰度圖變成 二值圖像,圖像在強(qiáng)度層次上從原始的 256色 (8-bits 降為 2色 (1. bits 。圖 像二值化后,處理就會(huì)比較容易。二值化的困難在于,并不是所有的指紋圖 像有相同的閥值,所以一般不采取單一的閥值入手,而且單一的圖像的對(duì)照 物也是變化的?？梢圆捎镁植孔赃m應(yīng)的閥值 (10cally adaptive thresholding 的 方法來決定局部圖像強(qiáng)度的閥值。二值化以后圖像要經(jīng)過細(xì)化,這是將脊的 寬度降為單個(gè)像素的寬度。一個(gè)好的細(xì)化方法是保持原有脊的連續(xù)性,降低 由于人為因

46、素所造成的影響。細(xì)化以后的提取特征點(diǎn)后就可以進(jìn)行指紋比對(duì) 了。§2.4 指紋圖像的采集指紋采集的過程本質(zhì)上是指紋成像的過程。 其原理是根據(jù)嵴與峪的幾何 特性、物理特征和生物特性的不同,得到不同的反饋信號(hào),根據(jù)反饋信號(hào)的 量值來繪成指紋圖像。指紋的幾何特性是指在空間上嵴是突起的,峪是凹下的。嵴與嵴相交、 相連、分開會(huì)表現(xiàn)為一些幾何圖案。指紋采集的方法有兩種,一種是由指紋采集器件主動(dòng)向手指發(fā)出探測(cè)信號(hào), 然后分析反饋信號(hào),以形成指紋嵴與峪的圖案。如光學(xué)采集和射頻(RF 采 集屬于主動(dòng)式采集。另一種是指紋采集器件被動(dòng)感應(yīng)的方式。當(dāng)手指放置到 指紋采集設(shè)備上時(shí),因?yàn)橹讣y嵴和峪的物理特性或生物

47、特性的不同,會(huì)形成 不同的感應(yīng)信號(hào),然后分析感應(yīng)信號(hào)的量值來形成指紋圖案。如熱敏采集、 半導(dǎo)體電容采集和半導(dǎo)體壓感采集屬于第二種。 圖 2-3 指紋圖像采集質(zhì)量理想情況下,如果在采集過程中外界噪聲足夠小,得到的指紋圖像是干 凈的、真實(shí)的。現(xiàn)實(shí)情況是,由于手指表面脫皮的影響、污漬的影響、設(shè)備 采集面的不干凈等多種因素影響,所以一般還需對(duì)采集到的指紋圖像進(jìn)行處 理。§2.5 指紋圖像的預(yù)處理指紋特征提取和匹配算法的性能和輸入指紋圖形質(zhì)量密切相關(guān)而指紋圖 像的質(zhì)量很難用非?？捎^的方法去度量。 只能根據(jù)脊線的清晰程度粗略表述, 造成指紋圖像質(zhì)量低的原因主要有:存在折痕、擦傷引起的脊線中斷;指

48、紋 過于干燥引起圖像成片狀,脊線谷線對(duì)比度差;汗孔水漬導(dǎo)致脊線粘連和污 跡。另外,不同的采集設(shè)備所得到的的指紋圖像也會(huì)有不小的差別。指紋圖像預(yù)處理的目的就是從這些不同的指紋中盡可能多的獲得清晰地 文獻(xiàn)結(jié)構(gòu),這對(duì)于質(zhì)量好的指紋圖像是比較容易的,對(duì)于低質(zhì)量的指紋圖像 就比較難了,在采集的原始的指紋圖像中有 10%的指紋質(zhì)量指紋圖像預(yù)處理的目的主要是為特征值提取的有效性、 準(zhǔn)確性作好準(zhǔn)備。 一般包括如下幾個(gè)過程。如圖 2-4所示 圖 2-4 預(yù)處理流程§2.5.1 歸一化指紋采集設(shè)備在采集指紋圖像時(shí),由于手指接觸的壓力不同、指紋傳感 器表面的殘留噪音和光線強(qiáng)度等因素,使得采集的指紋圖像在灰

49、度圖分布上 有很大的差異,如果差異過大,會(huì)影響圖像處理的難度。因此我們需要把采 集的不同指紋圖像進(jìn)行歸一化處理, 即將指紋圖像都轉(zhuǎn)換成同一均值和方差, 把它的灰度值和對(duì)比度調(diào)整到固定的級(jí)別上,這樣就為后續(xù)的處理提供了一 個(gè)統(tǒng)一的圖像規(guī)格。歸一化并不會(huì)改變指紋圖像中的紋理信息,也不會(huì)改變指紋的脊線和谷 線的清晰程度,它有效地降低了沿脊線和谷線方向的灰度變化程度,為后續(xù) 處理做好準(zhǔn)備。規(guī)格化的步驟是:先計(jì)算整幅指紋圖像的灰度均值和方差:-=-=110 , (n m 1M n j m i j i I (2.1 -=-=-=10210 , (n m 1VAR n j m i M j i I (2.2 按如下公式對(duì)指紋圖像進(jìn)行歸一化:<-+=M j i I VAR M j i I VA