指紋識別系統(tǒng)算法的設(shè)計與實現(xiàn)

1、題目 單片機指紋識別系統(tǒng)、算法的設(shè)計與實現(xiàn)摘 要本文介紹了指紋識別系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和整體流過程，并且從硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩個主要方面探討了設(shè)計指紋識別系統(tǒng)的基本方法。硬件系統(tǒng)的設(shè)計主要是基于MCS-51系列單片機、FPS200指紋傳感器、RS232串口芯片的電路連接以及相關(guān)的程序設(shè)計；軟件系統(tǒng)的設(shè)計主要是指紋識別系統(tǒng)算法的設(shè)計，其中包括圖像處理和圖像識別兩個方面，并且在MATLAB編寫平臺上實現(xiàn)了圖像處理的算法。通過實驗顯示，該系統(tǒng)采集的指紋圖像較清晰、失真較小，處理后的圖像輪廓分明、特征突出，利于指紋分類與識別。通過對指紋識別系統(tǒng)的研究、設(shè)計與開發(fā),綜合運用了信號采集及接收技術(shù)，圖像處理及識別

2、技術(shù), 基本實現(xiàn)了利用單片機進行指紋識別系統(tǒng)開發(fā)的目的。全文內(nèi)容分為五章：第一章為緒論；第二章包括系統(tǒng)設(shè)計的電路硬件部分的組成和數(shù)據(jù)采集算法；第三章是指紋圖像處理與識別算法的設(shè)計；第四章是主要算法的實現(xiàn)以及指紋識別系統(tǒng)實驗與結(jié)果分析；第五章為總結(jié)。關(guān)鍵詞：指紋識別；FPS200指紋傳感器；MCS-51系列單片機；圖像處理； 圖像識別 AbstractIn this paper, we introduce the basic structure of fingerprint identification system and its main program. We also discuss o

3、n how to design a fingerprint identification system in two aspects including hardware system and software system. Hardware system is based on the circuit connection with the series of MCS-51 chip, FPS200 fingerprint sensor and RS232 interface chip, and also including the program design of the chip;

4、software system is included two main aspects, image processing and image identification, and we give the program of the image processing in computer language(MATLAB). The results show that the images acquired from the system proposed in this paper are more clear and less distorted, and the processin

5、g images are more distinguish , the images after transform are wonderful prepare for classification and identification of fingerprints.The full text contents include five chapters: 1. The first Chapter is introduction; 2. The second Chapter is the design of the hardware and the receive program of da

6、ta. 3. The third Chapter is the Implement Algorithm of image processing and the image identification ; 4. The fourth Chapter is the implement of main Algorithm and analysis of experiment; 5. The fifth Chapter is summary.Key words: fingerprint identification; FPS200 fingerprint sensor; the series of

7、MCS-51 chip; image processing; image identification目錄第一章 緒 論11.1 綜述11.2 指紋識別技術(shù)的發(fā)展歷史2第二章 指紋識別系統(tǒng)的硬件設(shè)計32.1 概述32.2 主要芯片的功能介紹32.2.1 FPS200半導(dǎo)體指紋傳感器32.3 硬件平臺的設(shè)計方案4第三章 指紋圖像處理與識別的算法63.1 指紋識別的基本概念6第四章 指紋圖像處理的算法實現(xiàn)74.1 引言74.2 MATLAB簡介74.3 基于MATLAB編程平臺的算法實現(xiàn)84.4 程序調(diào)試與結(jié)果分析8第五章 總 結(jié)10致 謝11參考文獻12英文原文13譯文14第1章 緒 論1.1

8、綜述我們手掌及其手指、腳、腳趾內(nèi)側(cè)表面的皮膚凸凹不平產(chǎn)生的紋路會形成各種各樣的圖案。這些紋路的存在增加了皮膚表面的摩擦力，使得我們能夠用手來抓起重物。人們也注意到，包括指紋在內(nèi)的這些皮膚的紋路在圖案、斷點和交叉點上各不相同，也就是說，是唯一的。依靠這種唯一性，我們就可以把一個人同他的指紋對應(yīng)起來，通過比較他的指紋和預(yù)先保存的指紋進行比較，就可以驗證他的真實身份。這種依靠人體的身體特征來進行身份驗證的技術(shù)稱為生物識別技術(shù)，指紋識別是生物識別技術(shù)的一種。相對于其它身份認(rèn)證技術(shù)，自動指紋識別是一種更為理想的身份確認(rèn)技術(shù)，用自動指紋識別不僅具有許多獨到的信息安全優(yōu)點，更重要的是還具有很高的實用性、可行

9、性，具體體現(xiàn)在以下幾個方面： 1) 個人的指紋是獨一無二的，兩人之間不存在著相同的手指指紋。2) 每個人的指紋是相當(dāng)固定的，不會隨著人的年齡的增長或身體健康程度的變化而變化，但是人的聲音等卻存在較大變化的可能。 3)指紋樣本便于獲取，易于開發(fā)識別系統(tǒng)，實用性強。目前已有標(biāo)準(zhǔn)的指紋樣本庫，方便了識別系統(tǒng)的軟件開發(fā)；另外，識別系統(tǒng)中完成指紋采樣功能的硬件部分也較易實現(xiàn)。而對視網(wǎng)膜則難于采樣，也無標(biāo)準(zhǔn)的視網(wǎng)膜樣本庫供系統(tǒng)軟件開發(fā)使用，這就導(dǎo)致視網(wǎng)膜識別系統(tǒng)難以開發(fā)，可行性較低。4) 一個人的十指指紋皆不相同，這樣可以方便地利用多個指紋構(gòu)成多重口令，提高系統(tǒng)的安全性。5) 指紋識別中使用的模板并非最初

10、的指紋圖，而是由指紋圖中提取的關(guān)鍵特征，這樣使系統(tǒng)對模板庫的存儲量較小。另外，對輸入的指紋圖提取關(guān)鍵特征后，可以大大減少網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)呢?fù)擔(dān)，便于實現(xiàn)異地確認(rèn)，支持計算機的網(wǎng)絡(luò)功能。近些年來，電子信息技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是傳感技術(shù)、電子信號處理技術(shù)、計算機數(shù)據(jù)管理技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，為指紋識別技術(shù)的成型提供了強大的硬件支持。與此同時，圖形圖像處理學(xué)、人工智能學(xué)、軟件工程學(xué)等新興學(xué)科的蓬勃發(fā)展也為指紋識別技術(shù)的進步提供了強有力的軟件支持。指紋識別的發(fā)展中，也存在自身的不足，如指紋識別系統(tǒng)性能的測試和評估標(biāo)準(zhǔn)的確立、相關(guān)軟件的標(biāo)準(zhǔn)化問題都是有待進一步解決的。指紋識別技術(shù)作為一項迅猛發(fā)展的新技

11、術(shù)，有了軟硬件等方面的強大保障，同時又有指紋識別自身的諸多優(yōu)點，相信指紋識別技術(shù)一定會有更加美好的發(fā)展前景。1.2 指紋識別技術(shù)的發(fā)展歷史人們使用指紋進行個人身份鑒定已經(jīng)有很長的歷史考古證實，公元前7000年到6000年以前，古敘利亞和中國，指紋作為身份鑒別己經(jīng)開始應(yīng)用?？脊虐l(fā)現(xiàn)，在這個時代，一些粘土陶器上留有陶藝匠人的指紋，中國的一些文件上印有起草者的大拇指指紋，在Jercho的古城市的房屋留有磚匠一對大拇指指紋的印記等。在我國，早在公元650年,唐代作家賈公秀在其作品中就著重提到了指紋是確認(rèn)個人身份的方法。我國將指紋應(yīng)用于民間契約及斷案有悠久的歷史，但是由于缺乏專門性研究,未能將指紋識別技

12、術(shù)上升為一門科學(xué)。雖然指紋的一些特征己經(jīng)被人們認(rèn)識和接受但不能證明，但指紋己經(jīng)廣泛應(yīng)用社會的各個方面。 離線部分用指紋采集儀采集指紋，提取出細(xì)節(jié)點，然后將細(xì)節(jié)點保存到數(shù)據(jù)庫中，形成指紋模板庫。在線部分用指紋采集儀采集指紋，提取出細(xì)節(jié)點，然后將這些細(xì)節(jié)點與保存在數(shù)據(jù)庫中模板細(xì)節(jié)點進行匹配，判斷輸入細(xì)節(jié)點與模板細(xì)節(jié)點是否來自同一個手指的指紋。 一般來說，離線處理允許人工因素介入，可根據(jù)需要手動調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)，而在線處理應(yīng)完全由系統(tǒng)自動完成所有操作。自動指紋識別系統(tǒng)框圖如圖1.1所示：圖1.1 自動指紋識別系統(tǒng)框圖本系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上分為三層，最低層為物理層，是模塊的通信介質(zhì)，提供可靠的機械、電氣功能以及無

13、誤碼的比特流。中間層包括系統(tǒng)通信協(xié)議、任務(wù)調(diào)度以及接口驅(qū)動。在本系統(tǒng)中，除了進行指紋的識別之外，還要實現(xiàn)指紋采集的控制，以及外設(shè)的控制如串行口的通信等。為了能夠使系統(tǒng)實時響應(yīng)外面的通信請求，我們通過硬件中斷來實現(xiàn)。這種實現(xiàn)方案可以極大提高系統(tǒng)運行的效率，上位機可以實時控制改系統(tǒng)。最上層是核心算法。該算法高效地對采集到的指紋進行處理和匹配。在此只是對該指紋識別系統(tǒng)做一個整體的介紹，具體的硬件和軟件系統(tǒng)設(shè)計步驟將在后面詳細(xì)給出。第2章 指紋識別系統(tǒng)的硬件設(shè)計2.1 概述硬件系統(tǒng)是實現(xiàn)一切系統(tǒng)功能的物質(zhì)基礎(chǔ)，它是系統(tǒng)不可缺少的一個整體，一個工程系統(tǒng)的建立都是在硬件基礎(chǔ)上展開的。本次設(shè)計任務(wù)的硬件設(shè)施

14、已經(jīng)配備，其核心是FPS200固態(tài)指紋傳感器與80C51MCU，我們的任務(wù)是完成兩者的主電路連接，實現(xiàn)指紋圖像采集的功能。本章將著重介紹基于單片機和指紋傳感器的硬件電路的實施方法。2.2 主要芯片的功能介紹硬件電路的主要應(yīng)用到的芯片是，80C51MCU，F(xiàn)PS200指紋傳感器和RS232串口芯片。這里就FPS的主要功能，80C51與RS232的串口連接，以及80C51與上位機的連接方式進行重點介紹。 FPS200半導(dǎo)體指紋傳感器veridicom公司的FPS200固態(tài)指紋傳感器是一個接觸式指紋認(rèn)證設(shè)備。FPS200系列是一款高性能、低功耗、低價格的傳感器，它由兩個采樣保持電路構(gòu)成用于指紋圖像的

15、采集。每個金屬電極作為電容的一極，而觸摸傳感器的手指就作為另外一極。裝置表面有一層絕緣材料使得兩電極之間絕緣。當(dāng)手指接觸到傳感器時，手指紋路的凹凸不平會產(chǎn)生一系列不同的電容值，通過讀取這些電容值而獲得指紋圖像。圖2.1 FPS200指紋采集芯片在第二個階段，每列的電極與一個直流電源之間進行放電。沒個單元的放電率正比于直流源的電量。經(jīng)過一個很短的時間（這個時間與放電時間有關(guān)），一個內(nèi)部信號就觸發(fā)另外一組采樣保持電路來儲存最后的電極電壓。每個傳感單元的電容值是通過測量充電后的電壓值和放電后的電壓值的差而獲得的。在得到了電容值之后，電容值就將要被數(shù)字化了。2.3 硬件平臺的設(shè)計方案硬件平臺大致可以分

16、為5個部分：電源部分、核心部件（CPU）、JTAG調(diào)式接口以及外部串行接口單元（SPI）。如圖2.3所示： POWERJTAG調(diào)試接口SPI核心部件 圖 2.2 系統(tǒng)硬件接口框圖其中Power電源部分負(fù)責(zé)給系統(tǒng)供電。該系統(tǒng)是一個多電平系統(tǒng)，包括5V電源，3.3V電源以及1.8V電源。電源部分采用常見的LDO電壓轉(zhuǎn)換芯片實現(xiàn)5V輸入電壓到3.3V, 1.8V的轉(zhuǎn)換。表2.1給出RTL8019AS兼容芯片中公有的寄存器列表：表2.1 RTL8019AS寄存器列表NO(HEX)PAGE0PAGE1PAGE2RWR/WR00CRCRCRCR01CLDA0PSTARTPAR0PSTART02CLDA1P

17、STOPPAR1PSTOP03BNRYBNRYPAR2-04TSRTPSRPAR3TPSR05NCRTBCR0PAR4-0CRSRRCRMAR4RCR0DCNTR0TCRMAR5TCR以下是我們根據(jù)數(shù)據(jù)采集流程圖寫出的匯編程序： LGMP START ORG 0000H LJMP START ORG 0050HSTART: MOV TMOD,#20H MOV TL1,#0FFH MOV TH1,#0FFH MOV PCON,#80H SETB TR1 MOV SCON,#050H MOV R0,#09H MOV A,R0 MOV DPTR,#8000H MOVX DPTR,A MOV R0,#

18、07H第3章 指紋圖像處理與識別的算法3.1 指紋識別的基本概念指紋圖像是比較復(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，許多生物識別技術(shù)并不直接存儲指紋的圖像（一是考慮到隱私權(quán)，二是由于存儲空間）而是記錄從指紋圖像提取的特征，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行指紋的驗證：總體特征和局部特征。總體特征是指那些用肉眼直接就可以觀察到的特征，包括：模式區(qū)（Pattern Area）：模式區(qū)是指指紋上包括了總體特征的區(qū)域，即從模式區(qū)就能夠分辨出指紋是屬于那一種類型的。許多算法是基于核心點的，既只能處理和識別具有核心點的指紋。核心點對于

19、指紋識別算法很重要，但沒有核心點的指紋它仍然能夠處理。三角點（Delta）三角點位于從核心點開始的第一個分叉點或者斷點、或者兩條紋路會聚處、孤立點、折轉(zhuǎn)處，或者指向這些奇異點。三角點提供了指紋紋路的計數(shù)跟蹤的開始之處。紋數(shù)（Ridge Count）指模式區(qū)內(nèi)指紋紋路的數(shù)量。在計算指紋的紋數(shù)時，一般先在連接核心點和三角點，這條連線與指紋紋路相交的數(shù)量即可認(rèn)為是指紋的紋數(shù)。局部特征:局部特征是指指紋上的節(jié)點的特征，這些具有某種特征的 節(jié)點稱為細(xì)節(jié)點。兩枚指紋經(jīng)常會具有相同的總體特征，但它們的局部特征細(xì)節(jié)點，卻不可能完全相同。指紋紋路并不是連續(xù)的、平滑筆直的，而是經(jīng)常出現(xiàn)中斷、分叉或打折。這些斷點、

20、分叉點和轉(zhuǎn)折點就稱為“細(xì)節(jié)點”。就是這些細(xì)節(jié)點提供了指紋唯一性的確認(rèn)信息。指紋上的細(xì)節(jié)點有四種不同特性： 細(xì)節(jié)點的分類,有以下幾種類型，最典型的是終結(jié)點和分叉點。終結(jié)點（Ending） 一條紋路在此終結(jié)。分叉點（Bifurcation）一條紋路在此分開成為兩條或更多的紋路。分歧點（Ridge Divergence） 兩條平行的紋路在此分開。孤立點（Dot or Island）一條特別短的紋路，以至于成為一點。環(huán)點（Enclosure）一條紋路分開成為兩條之后，立即有合并成為一條，這樣形成的一個小環(huán)稱為環(huán)點。 第4章 指紋圖像處理的算法實現(xiàn)4.1 引言在上一章節(jié)里，我們介紹了一種行之有效的指紋圖

21、像處理的算法，該算法是實現(xiàn)指紋識別功能的理論基礎(chǔ)。算法只有通過具體的計算機語言才能實現(xiàn)其要實現(xiàn)的功能。在這一章里，我們將提供一種實現(xiàn)該算法的方法，MATLAB的編程是我們實現(xiàn)該算法的工具。下面我們將就基于MATLAB的編程環(huán)境，MATLAB的一些基本功能以及部分源代碼進行解說。4.2 MATLAB簡介MATLAB是MATrix LABoratory的縮寫，早期主要用于現(xiàn)代控制中復(fù)雜的矩陣、向量的各種運算。目前，MATLAB 已經(jīng)成為國際上最流行的科學(xué)與工程計算的軟件工具，現(xiàn)在的 MATLAB 已經(jīng)不僅僅是一個“矩陣實驗室”了，它已經(jīng)成為了一種具有廣泛應(yīng)用前景的全新的計算機高級編程語言了,有人稱

22、它為“第四代”計算機語言，它在國內(nèi)外高校和研究部門正扮演著重要的角色。MATLAB 語言的功能也越來越強大，不斷適應(yīng)新的要求提出新的解決方法。MATLAB 程序，大致分為兩類：M 腳本文件 (M-Script) 和 M 函數(shù) (M-function), M 函數(shù)格式是 MATLAB 程序設(shè)計的主流MATLAB 的 M 函數(shù)是由 function 語句引導(dǎo)的，其基本格式如下： function 返回變量列表 = 函數(shù)名 (輸入變量列表) 圖4.1 M文件編譯調(diào)試窗口函數(shù)是在M文件編譯調(diào)試窗口（如圖4.1）內(nèi)進行的注釋說明語句段,由 % 引導(dǎo)輸入、返回變量格式的檢測函數(shù)體語句。這里輸入和

23、返回變量的實際個數(shù)分別由 nargin 和 nargout 兩個 MATLAB 保留變量來給出，只要進入該函數(shù)，MATLAB 就將自動生成這兩個變量，不論您是否直接使用這兩個變量。返回變量如果多于 1，則應(yīng)該用方括號將它們括起來，否則可以省去方括號。輸入變量和返回變量之間用逗號來分割。注釋語句段的每行語句都應(yīng)該由百分號 % 引導(dǎo)，百分號后面的內(nèi)容不執(zhí)行，只起注釋作用。用戶采用 help 命令則可以顯示出來注釋語句段的內(nèi)容。此外，正規(guī)的變量個數(shù)檢測也是必要的。如果輸入或返回變量格式不正確，則應(yīng)該給出相應(yīng)的提示。程序編寫完后將以M文件保存起來，調(diào)用時只需要在command窗口（如圖4.2）里鍵入相

24、應(yīng)的函數(shù)名稱和變量，就可以實現(xiàn)相應(yīng)的函數(shù)功能。help 等命令也是在該窗口內(nèi)實現(xiàn)的，同時也會顯示相應(yīng)的提示信息，command窗口是MATLAB的主控窗口。圖4.2 command窗口4.3 基于MATLAB編程平臺的算法實現(xiàn)在這里我們著重對圖像的預(yù)處理算法實現(xiàn)進行了研究，通過這個函數(shù)的編寫，基本上了解了MATLAB函數(shù)編寫的特點，也我們后面的工作打下了良好的基礎(chǔ)。4.4 程序調(diào)試與結(jié)果分析指紋圖像的基本采集步驟是，首先通過單片機的仿真器（WAVE6000）將匯編程序?qū)懭?，再打開VB的接收程序，準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)。程序?qū)懭胫缶涂梢赃M行采集工作了，只需將手指按在FPS200采集器上，然后點擊VB控件

25、上的接收按鈕，就可以接收數(shù)據(jù)了，接收數(shù)據(jù)大概需要2秒鐘，在這期間手指不能離開采集器。數(shù)據(jù)將以文本文件的形式保存在PC機上，最后通過MATLAB將圖像顯示出來。圖4.3是試驗階段，數(shù)據(jù)采集界面：圖4.3 數(shù)據(jù)采集界面本實驗小組的成員共6人，數(shù)據(jù)采集都成功完成，并且得到采集上來的原始圖像,以下是本人的指紋圖像如圖4.4所示：圖4.4 原始的指紋圖像第5章 總 結(jié)指紋識別系統(tǒng)的設(shè)計研究綜合應(yīng)用了硬件電路設(shè)計，軟件編程，圖像處理等方面的知識技能，畢業(yè)設(shè)計階段的主要的設(shè)計工作具體包括：(1) 了解國內(nèi)外指紋識別研究的發(fā)展?fàn)顩r，比較各種指紋識別技術(shù)的優(yōu)缺點，判斷并選擇出適合畢業(yè)設(shè)計要求的指紋識別技術(shù)，為后

26、期工作選定發(fā)展方向。 (2) 掌握51系列單片機和FPS200芯片的性能指標(biāo)及其功能特點，在這個基礎(chǔ)之上，完成接口電路的連接以及相應(yīng)的單片機匯編指令。(3) 學(xué)習(xí)并掌握圖像處理和圖像識別的基本方法，選擇一種適合指紋圖像處理和識別的算法，并且最終能夠?qū)崿F(xiàn)圖像預(yù)處理的算法。(4) 通過計算機調(diào)試得到實驗結(jié)果，并且分析實驗結(jié)果，總結(jié)設(shè)計結(jié)論。通過本組成員的齊心協(xié)力的共同工作，基本完成了以上設(shè)計工作。對整個指紋系統(tǒng)有了一個全面的了解，特別是運用計算機編程來實現(xiàn)圖像處理功能有了一定的認(rèn)識，同時也熟悉了MATLAB這個在工程設(shè)計上廣泛應(yīng)用的設(shè)計軟件。不僅完成了畢業(yè)設(shè)計任務(wù)，而且在設(shè)計期間提高了自身各方面的

27、能力，尤其是綜合運用知識的能力，檢驗了大學(xué)四年學(xué)到的知識技能，增強了實際操作能力，為以后走向工作崗位打下了良好的基礎(chǔ)。致 謝本課題的研究和本文的寫作是在 老師和 老師的悉心指導(dǎo)和幫助下完成的，他們傾入了大量的心血和精力。在論文的研究寫作中，老師們無論在學(xué)習(xí)還是在生活上都給予了我莫大的幫助和熱情關(guān)懷，老師學(xué)時淵博，治學(xué)態(tài)度嚴(yán)謹(jǐn)，學(xué)術(shù)思想活躍，勤懇敬業(yè)，也深深的感染了我。在此，我特向他們表示深切的謝意和崇高的敬意， 他們永遠是我學(xué)習(xí)和工作中的榜樣！同時要感謝 實驗及 學(xué)長在畢業(yè)設(shè)計階段，給與我的引導(dǎo)和幫助，使得試驗階段能夠順利進行。感謝 這些與我一起進行設(shè)計工作的同學(xué)們，任務(wù)的最終完成是與他們的相互幫助，相互合作，相互配合分不開的。我要特別感謝。參考文獻1 劉少聰. 新指紋學(xué)M. 合肥: 安徽人民出版社,1984.2 胡漢才. 單片機原理及其接口技術(shù)M. 北京: 清華大學(xué)出版社, 1996.3 張賢達. 現(xiàn)代信號處