便携式指纹识别系统设计及实现工程硕士论文(编辑修改稿)

便携式指纹识别系统设计及实现工程硕士论文(编辑修改稿)内容摘要：

而基于知识的方法使用 “所知 ”鉴别个人身份，待鉴别者通过私有的知识和信息来证明自己的身份，如密码和口令等。 基于标识和基于知识的鉴别技术已经被人们使用了千百年，其主要优点是简单而且成本较低。 但最大的问题在于它们是以物识人或以某种知识来识别人，而非以人识人。 这些物或知识与人本身 没有本质的联系，一定条件下，有可能被别人获取，因此实际使用时存在很大的安全漏洞，身份证等可能会被盗取、替换、丢失，密码则易遗忘或被熟悉的人猜中，而且这些传统的身份鉴别方法是无法区分授权人和冒名顶替者的。 正是由于传统身份识别方法精确性较低，安全漏洞较大，使用越来越受到限制，人们都期待有一种新的身份识别方式来满足自身的需求，利用人体本身的特征来识别个人身份，确保身份鉴别的精确性、可靠性和安全性。 于是，生物特征识别技术应运而生。 电子科技大学硕士学位论文 2 生物特征识别技术 生物特征识别技术的特点 所谓生物特征识别技术 就是利用人体生理特征、行为特征进行身份认证的一种技术。 生物特征分为两类 :生理特征和行为特征。 其中生理特征有指纹、掌纹、手型、脸型、体型、虹膜、瞳孔、声音等；行为特征则有笔迹、步态等。 生物特征识别具有以下几个特点： (1) 广泛性：即每个人都应该具有这种特征； (2) 唯一性：每个人拥有的该项特征各不相同，独一无二； (3) 稳定性：其特征基本不随时间、外界条件变化； (4) 可采集性：所选择的特征应便于测量。 各种生物识别技术的比较 不同的生物特征有他们自己的特点，如表 11 所示。 如果考虑到永久 性问题的话，那么脸型、体型、笔迹、声音等识别方式不是很理想的，因为这些生物特征都会随着时间慢慢变化；如果考虑到硬件成本因素的话，虹膜和瞳孔识别也不是理想的选择，因为辨识计算量太大，耗费较多硬件资源，如果用在政府机构还可以考虑，但是如果应用在一般门禁上的话则成本偏高。 表 11 常用生物特征比较 生物特征 独特性 永久性 精确度 防伪性 采集性 指纹 高 高 高 高 中 人脸 低 低 低 低 高 虹膜 高 高 高 高 中 瞳孔 高 中 高 高 低 笔迹 低 低 低 低 高 声音 低 低 低 低 中 指纹识别技术相对于其他识别技术有许多独到之处，具有很高的实用性和可行性。 同时，它具有独一无二的个体特征和良好的稳定性，并且特征的精确度和复杂度足以满足高准确的鉴别需求。 近年来，由于数字图像处理学的迅速发展 [1,2]使得指纹识别作为最流行、最方 便、最可靠的身份认证方式，己经在社会生活的诸多方面得到广泛应用。 第一章 绪 论 3 自动指纹识别技术 指纹是手指皮肤表面隆起的脊和凹下的谷构成的特定纹路，其纹理在婴儿胚胎时期就已经确定。 科学研究发现，两枚指纹完全相同的概率非常小，可以认为世界上没有两 个人的指纹完全相同，而且每个人的指纹是保持终生不变，即使磨损，只要不伤及真皮，也能重新长出。 依靠这种唯一性和稳定性，可以把一个人同他的指纹对应起来，通过对他的指纹和预先保存的指纹进行比较，就能验证他的真实身份，这就是指纹识别技术。 近年来，国内外学者对自动指纹识别技术进行了深入和广泛的研究，取得了明显的进展，研究的重点主要集中在如何提高识别的准确率和速度上。 指纹用于身份鉴定的历史悠久。 早在古叙利亚和古代中国指纹鉴别就己经开始应用。 19 世纪初，科学研究发现了指纹的两个重要特征： (1) 不同手指的指纹纹脊的式样不同 (2) 指纹纹脊的式样终生不变 这个研究成果至今仍然是被承认的，并使得指纹在犯罪鉴别中得以正式应用。 早期的指纹识别由人工来完成，由有经验的指纹专家对指纹逐个进行比对、辨别。 这种方法耗时长、效率低、准确率也低。 随着人口数量的急剧增长和应用范围的扩大，这种方法越来越不能满足实际应用的要求。 20 世纪 60 年代，随着计算机技术的诞生、发展与不断进步，图像处理与模式识别方法的日益完善，人们开始着手研究利用计算机来处理指纹。 之后，自动指纹识别系统 (Automatic Fingerprint Identification System， AFIS)在法律实施方面的研究和应用在世界许多国家展开。 20世纪 80 年代，光学扫描和个人电脑这两项技术的革新，使得它们作为指纹取像的工具成为现实，从而使指纹识别可以在其他领域中得以应用，比如代替 IC 卡。 20 世纪 90 年代，随着低价位取像设备的引入及其飞速发展、可靠的比对算法的研究发现，指纹识别在个人身份识别应用得到了进一步的增长。 据统计，到 20 世纪末，全世界的生物识别产品市场约为 亿美元，其中指纹识别约为 亿美元，这标志着指纹识别是当前最成熟、稳定、并且应用最广泛的生物识别技术 [2]。 与人 工处理不同，现代指纹识别技术并不直接存储指纹的图像，而是记录从图像中提取到的指纹特征，这样做主要是考虑到存储空间限制和隐私问题。 指纹识别算法最终都归结为在图像上找到指纹的特征并进行比对。 因此，自动指纹识别系统主要涉及五个功能：图像读取、图像处理、特征提取、保存数据和特征匹配。 首先，通过指纹读取设备取得图像，并对原始图像进行初步处理，使之更清晰。 然后，利用指纹识别软件建立指纹的数字表示 ——特征数据。 这是一种根据指纹类型、纹线电子科技大学硕士学位论文 4 断点、交叉点等结构特征得到数据的单方向转换（可以从指纹转换成特征数据但不能从特征数据转 换成指纹），而两枚不同的指纹不会产生相同的特征数据，这些数据通常称为模板，保存为数据库中的一条记录。 最后，对两个指纹的模板进行比较，计算出它们的相似程度，最终得到匹配结果。 指纹识别技术的发展现状 几十年来，指纹技术的研究一直为各国的科学家和政府所关注。 美国、日本以及欧洲诸国相继投入大量的资金和科研人员加快此项技术的研究与应用。 欧美国家凭借其强大的科技力量和经济实力，在该领域的研究和开发中处于领先位置。 在亚洲，日本和韩国在指纹技术领域处于领先地位。 1998 年年底，时任国家主席的江泽民同志对日本国进行 国事访问期间，专程参观了日本国研制的指纹识别以及其他生物识别技术成果 [3]。 在国外，指纹采集芯片领域的龙头老大地位首推由美国贝尔实验室成立的美国Verdi 公司。 贝尔实验室历经数十年的研究，投资几十亿美金，终于在生物识别技术方面获得了突破性的进展，研制成功了半导体指纹传感芯片，并联合 Intel等大机构，共同注资成立 Veridi 公司，专业开发及生产半导体指纹采集系列产品。 目前全球从事指纹采集芯片研发的著名公司还有：美国 DigitalPerson公司， Authentec公司，美国 BII 公司，美国 IBM 公司， RitronicsBAC 公司，美国 Gateway 公司，法国 ST 公司，日本富通公司，日本电气株式会社 (NEC Corporation)，日本电气公司，韩国 Pantech 公司，韩国 HP 公司等 [4]。 较早涉足该领域的 Identicator 公司的 IDSafe生物识别产品已经得到了较为广泛的应用，已有 5000 多万人登记使用 IDSafe 系统。 目前，我们国家从事指纹技术的开发、应用的科研企事业单位情况如下：部分国内各大高校的相关专业的研究生在做学术研究开发，走向产品化的较少；从事指纹技术的公司中，比较 有名气的、有自主开发实力的公司也有一些：杭州中正生物认证技术有限公司 (Miaxis Biometrics Co., Ltd.)，北京北大高科指纹技术有限公司，北京中控科技股份有限公司，北京海鑫科金信息技术有限公司，北京艾迪沃德科技发展有限公司，深圳市泰迪科技发展有限公司，深圳市深安科技发展有限公司，深圳市派思数码科技有限公司，上海安威士生物科技有限公司，上海安安指纹识别系统有限公司，上海众义电子科技有限公司，南昌安必信信息工程有限公司，中科院长春光机所，长春鸿达光电子与生物识别统计技术有限公司，南京凹凸软件 ，西安青松科技有限公司。 目前我国在民用指纹领域的公司大多还是依赖进口，国内主要是做代理、二次开发和系统集成等 [4,5]。 但是我国台湾有些公司的指纹识别技术产品的性能达到国际领先水平，如台湾祥群科技有限公司，本文使用的就是该公司生产的 滑动 式指纹传感器，详细内容会在第四章介绍。 第一章 绪 论 5 课题的目的和意义 目前，指纹识别技术系统常见有两种应用方式：连接 PC 的桌面应用系统和嵌入式系统。 连接 PC 的桌面应用系统具有灵活的系统结构，并且可以多个系统共享指纹识别设备，可以建立大型的数据库应用，但它造价高、系统复杂、 体积庞大，只能用于固定场所，适用范围小；嵌入式系统是一个相对独立的完整系统，它不需要连接其他设备或计算机就可以独立完成其设计的功能，像指纹门锁、指纹考勤终端就是嵌入式系统，其功能专一，应用于完成特定的功能。 上述内容是当前自动指纹识别技术研究实现的重点和难点，同时也是民用指纹识别系统发展的必然趋势。 CMOS 传感器的出现，活体扫描 (Live Scan)设备的体积越来越小巧，用指纹开启门锁，登陆网络，通过安检己不再仅仅是科幻电影中的场景。 从指纹识别系统的发展趋势来看，当今蓬勃发展的民用指纹识别市场以普通公司 和大众为目标，着眼于实现方便快捷高效安全的个人身份认证功能。 为了满足人们对易用性、方便性和舒适性等多方面的追求，指纹识别设备正朝着小型化、嵌入式和全自动方向发展，特别是基于 DSP 和嵌入式的便携式指纹产品是指纹识别设备发展的主流方向。 对于便携式产品的开发，在实现上要考虑到两个方面的因素，也是本文研究的主要目的： (1)软件方面是否具有较小的运算量，是否占有非常少的内存； (2)硬件方面，在设计上需要满足低功耗、安全稳定、轻巧易用的要求。 便携式指纹识别系统的开发不仅具有迫切的市场需求和良好的市场前景，而且可以提 高我们的安全防范水平，也可以产生很大的经济效益、社会效益。 同时可以带动计算机、电子、光学、图像处理、模式识别等相关学科的发展，具有很大的理论与现实意义。 本文研究的主要内容和结构安排 本文依据指纹识别技术的发展趋势，采用 滑动 式指纹传感器 LTTSS500 和 DSP技术，设计并实现一个体积小、成本低、功耗低的独立指纹识别系统。 主要研究内容如下： 1．阅读大量的文献资料，并对指纹图像预处理、指纹特征提取、指纹特征匹配各环节关键算法进行深入的研究，通过仿真实验，对各种算法的实际效果进行比较，完成本文的算法设 计。 2．采用了小体积、低功耗的 滑动 式指纹传感器 LTTSS500 完成指纹采集模块的设计，并针对 LTTSS500 采集到的条状指纹图像，本文专门提出了一种非常实用电子科技大学硕士学位论文 6 的基于距离判别法的图像拼接算法，该方法运算简单、便于实现，在运算速度和精度上都达到了非常理想的效果。 3．根据系统的实际需求，构建了一个包含主控电路 (DSP 芯片和存储器 )、输入通路 (指纹图像采集部分 )、输出通路 (RS23 USB 接口 )、人机交互设备 (LED显示 )、调试端口 (JTAG )和电源管理及监控电路等六大部分综合而成的既可单机运行又 可嵌入到其它产品中去的指纹识别原型系统。 本文结构安排如下： 第一章 概述了生物识别以及指纹识别技术的发展现状，并对各种生物特征识别技术进行了比较。 根据国内外指纹识别技术的发展趋势，提出本课题的研究目的和意义。 第二章 系统地阐述了指纹识别的基本原理，并对指纹识别算法进行了总结和分析，并分别将图像预处理、特征的提取与对比三部分的算法设计做了详细说明。 第三章 根据系统需求，提出本文总体设计思想和设计方案，并对核心器件 DSP的各项特性进行深入研究，为后文的详细设计奠定基础。 第四章 仔细研究了 滑动 式指纹传感 器 LTTSS500 结构性能，并针对该传感器提出了一种高效、快速的条状指纹图像拼接算法，对基于距离判别法的图像重组算法进行详细的论述。 第五章 完成了系统关键模块的硬件和软件设计，进行系统测试，最后对实验结果进行了总结和分析。 第六章 总结了本文研究所取得的成果及不足之处，提出课题进一步研究的方向。 第二章 自动指纹识别原理与算法设计 7 第二章 自动指纹识别原理与算法设计 指纹识别系统的算法结构 指纹识别技术是指使用取像设备读取指纹图像，通过识别软件提取出指纹图像中的特征数据，然后根据匹配算法得到的结果鉴别指纹所 有人身份的生物特征识别技术。 一个完整的自动指纹识别系统主要工作流程如图 21 所示： 图 21 指纹识别系统图 其工作原理可以简要描述为： (1) 指纹采集：通过指纹取像设备读取指纹的数字图像。 常用的指纹采集设备有光学采集器，半导体采集器，超声波采集器。 (2) 指纹图像预处理：在实际采集过程中，受各种因素的影响，采集到的指纹图像不能保证都很清晰，图像中可能出现纹线粘连、纹线断裂或对比度不均匀等情形，需要对原始的指纹图像进行预处理。 指纹图像的预处理包括增强、二值化、细化等处理步骤。 预处理 算法是指纹识别系统中的重要内容之一。 因为预处理部分位于指纹识别系统的前端，其处理质量将对系统的整体性能产。