基于dsp数字信号处理器的指纹识别系统研究

基于dsp数字信号处理器的指纹识别系统研究内容摘要：

纹采集仪体积庞大，价格也极其昂贵．只能在特殊的行业部门应用。 到了 20 世纪 90 年代中期，随着半导体技术的进步，陆续出现了 CMOS指纹传感器、热敏传感器、超声波传感器等新型传感器。 和光学传感器相比，它们具有体积小巧、价格低的优点。 由于半导体传感器具有明显的综合优势，所以迅速成为指纹识别市场的主流产品，市场占有率也越来越高。 传统的光学传感器也在向小型化发展，价格也在不断降低，采集性能不断提高。 （ 1） 光学指纹图像传感器 ： 光学取像设备是最早出现的指纹传感器，它的历史可以追溯到 20 世纪 70 年代。 依据的是光的全反射原理 (Fruslrated Total Internal Reflection． FTIR)。 近几年又出现了很多新的光学传感器技术，例如使用纤维光来捕捉指纹图像。 当纤 维光束垂直射到指纹的表面时，它照亮指纹并探测反射光。 其他的新型光学指纹传感器是基于全内反射，类似于传统 CCD 光学技术，但在结构上采用了波导板、弹性膜等器件装置，克服了传统 CCD 成像技术 的不足，并具备了一些新的特点。 （ 2） CMOS 压感传感器 ： 半导体传感器是 20 世纪 90 年代发展起来的新型指纹图像采集设备。 半导体传感器的最大优势就是成本低、体积小。 所以在各种手持设备、便携设备中相对于 其他传感器有很大的优势。 它的缺点是采集的区域小，对湿和脏的指纹采集效果不理想。 但是这些都随着技术进步正在逐步克服。 市场上已经开始出现了真皮指纹传感器，它采集的不是表面的指纹信息，而是指纹表皮下的真中北大学 2020 届毕业设计说明书 第 12 页 共 52 页 皮信息，可以有效地 克服指纹图像采集较差的问题。 （ 3） 热敏传感器 ： 热敏感应传感器的原理是根据皮肤 纹理与传感器接触部分的温度差异来检测指纹。 由于这种感应系统检测的是采 集仪晶片上温度的变化，所以传感器要与手指存在温差才能发挥作用。 在实际应用中，为了避免出现这种情况，在阵列里包含有发热元件，在炎热的地区，当手指在传感器上直扫时，手指表面使传感器降温，不是受热，所以影像是反向的，这可以由检验软件作自动修正。 但在寒冷的地区，则不需用 (除非太冷或出现有结冰 )。 这种概念对信噪比是有帮助的。 （ 4） 超声波传感器 ： 超声扫描技术的原理是基于皮肤、指纹面和空气对超声波产生的不同声反射阻抗来检 测指纹的。 这种传感器有其独特的优点：由于超声波能穿透许多物质，因此超声指纹传感器几乎不受手指和取像 平台表面状况及周围环境的影响，即使手指再脏、再干也能读取，能工作在强烈的光照环境下。 此外，它还能处理不规则的纹路结构，也不存在老化的问题。 另外，它能实现指纹的非接触采集，在一些特殊的场合，如卫生行业中许多人必须在穿戴橡胶手套的情况下，实现对指纹的提取。 但是，超声系统并非完美无缺。 由于成像的极限受到波长的制约，所以超声波的最大分辨率不如光学系统的最大分辨率高。 另外，其造价较高，大约是光学系统的 2～ 3 倍。 （ 5） 红外传感器 ： 红外传感器的工作原理是利用手指辐射红外线的物理性质来进行测量并获取指纹图像。 红外线又称 红外光，它具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性质。 任何物质，只要它本身具有一定的温度 (高于绝对零度 )，都能辐射红外线。 红外线传感器测量有灵敏度高、响应快等优点。 （ 6） 其他传感器 ： 除了上述种类的传感器外，还有电感式传感器和压感式传感器等。 电感式传感器的原理是在传感器内形成电磁场，在接触过程中感应电磁场的变化从而形成指纹图像，利用了手指皮肤表皮和真皮特性来得到更加稳定的图像；压感式传感器的原理是通过测量手指每个像素的压力值计算得到指纹图像。 指纹采集模式主要分为“离线式”和“在线式”两种。 所谓“离线式”就是指在指纹采集时，利用某些中间介质（如油墨和纸张）来获取指纹图像，在通过一定的技术手段将图像数字化输入计算机，它属于非实时采集。 目前“离线式”采集方式在大多数场合已经消失。 所谓“在线式”是通过与计算机联机的先进指纹传感器的专用指纹采集设备，将真实的人体指纹直接变成数字图像数据，实时传输给计算中北大学 2020 届毕业设计说明书 第 13 页 共 52 页 机。 对 指纹图像采集质量 进行 分析 ， 指纹图像质量问题主要包括以下几个方面。 （ 1）指纹图像采集面积小： 指纹图像采集过程中，手指按得轻或者太偏会造成采集的指纹面积太小，从指纹上提取 的指纹信息就少，指纹信息较少很容易造成拒真的情况。 （ 2）指纹图像采集太偏：采集指纹时手指放太偏会造成指纹采集面积小，特征点没有采集到，计算的误差较大，拒真率较高的情况。 （ 3）指纹破损：有些指纹因纹线磨损或者伤疤，造成采集指纹图像上显示空洞或者断层。 如果空洞或断层太大，图像处理的时候很难把它填补起来，造成特征点的丢失或者产生伪特征点。 （ 4）指纹龟裂：由于季节的原因有时候指纹出现一些龟裂，在指纹采集的图像上会显示出纵横交错的裂痕，有时这些裂痕又会消失。 这样的龟裂如果太宽太多也会造成特征点的丢失或者产生伪特征点。 （ 5）指纹太干燥：采集指纹时，手指干燥的指 纹特点是图像整体太淡，纹路大多以独立的小黑点组成。 所以手指干燥的指纹图像区域白点数较多，平均灰度值偏高。 该指纹在计算纹线方向的时候误差较大。 （ 6）指纹太湿：采集指纹时，手指太湿的指纹图像整体偏黑，并且有较大的模糊黑块，造成相邻的纹线连在一起，黑点较多，所以图像区域平均灰度值较低。 该指纹图像常常造成伪叉点。 （ 7）指纹纹路不清晰：采集指纹时，指纹不干净、潮湿或干燥都有可能造成部分区域纹线模糊不清，计算方向不准确，图像增强效果较差。 指纹的总体特征 总体特征是指那些用人眼直接就可以观察到的特征， 包括基本纹路图案：环型（ loop），弓型（ arch），螺旋型（ whorl）。 其他的指纹图案都基于这三种基本图案。 指纹的脊纹形式是适应之间的球状表面和半圆形顶端以及横行的指间屈基线生长的，除少数弓形纹之外，绝大多数 是 箕、斗型纹（约占 95%） ，（三种纹形的大致分布概率如表 ） 表 纹形的大致分布概率 基本纹型 弓型 箕型 斗型 分布概率 5% 60% 35% 中北大学 2020 届毕业设计说明书 第 14 页 共 52 页 纹型是指纹的基本分类，是按中心花纹和三角的基本形态划分的。 纹形从属于型，以中心线的形状定名。 按我国是指纹分析法，指纹分三大类型 如图 ， 五 大种形态。 可见，型与形是类与种的关系。 箕型 斗型 弓型 图 指纹的纹形 （ 1） 箕形纹 （ Loop）： 有一条以上完整的基 性 线组成中心花纹。 箕形线的对侧有一个三角的上下之线包围着中心花纹。 按箕技的流向分 为 桡侧箕形纹（反箕）和尺侧箕形纹（正箕）两种。 按中心花纹的结构形态又可分为普通箕、闭口箕、叶形箕、横箕和类似斗的箕。 箕形纹中心和三角之间的距离和纹线数量多少不一，有的只有 1－ 2 条线，多数为十条线左右，个别的可达 30 余 条。 （ 2） 斗型纹 (Whorl):中心花纹呈环、螺、曲状，由内向外扩展与上下包围线汇合形成两个以上的三角 的纹线 ， 称 为斗型纹。 分为环形、螺形、囊形、双箕形、杂形五种。 斗型纹的中心花纹，在 由 一条环、螺、曲等纹线构成时，与两侧三角相对的弧形线凸面，必须是不折、不断的，并且不与来自从三角中的其它纹线相接。 （ 3） 弓型纹 (Arch): 由 弓形线和横直线层叠而成 ，中心花纹与上下包围线无明显界限，因此也没有真正的三角区。 分弧形和帐形纹两种。 （ 4） 弧形纹：是 由 平缓 或略微突起的弧形线组成的一种结构简单的花纹形式。 （ 5） 帐 形纹： 由 平行的和突起的弧形线组成。 花纹中部有直立的或倾斜的纹线，将弧形线撑起 呈 帐蓬状。 中北大学 2020 届毕业设计说明书 第 15 页 共 52 页 指纹的局部特征 局部特征是指指纹上的节点的特征，这些具有某种特征的节点称为特征点。 两枚指纹经常会具有相同的总体特征，但它们的局部特征 — 特征点，却不可能完全相同。 指纹纹路并不是连续的、平滑笔直的，而是经常出现中断、分叉或打折。 这些断点、分叉点和转折点就称为 “ 特征点 ”。 就是这些特征点提供了指纹唯一性的确认信息。 特征点的分类有以下几种 如图 ,最典型的是 端 点和分叉点。 图 指纹特征示意图 很多研究者试图解决指纹分类问题，但至今分类算法的误识率仍较高。 如何提高指纹分类的准确率在自动指纹识别研究中是一个较关键的问题。 指纹算法的具体性能评价指标 就一个自动指纹识别系统来说，其指纹识别算法的精确度是整个系统性能指标中最为关键的指标。 所谓指纹识别算法的精确度是指其识别与提取的特征数量与准确率及进行特征匹配时的准确率。 下面线介绍一下有关指纹识别的基本概念。 （ 1）拒识率和误识率 ： 拒识率 (False Rejection Rate， FRR)又称拒真率，指将相同 的指纹误认为是不同的指纹，而加以拒绝的出错概率。 其定义为： FRR=拒识的指纹数目 /考察的指纹总数目 100%； 误识率 (False Accept Rate,FAR)又称认假率，指将不同的指纹误认为相同的指纹，而加以接收的出错概率。 其定义为： FRR=错判的指纹数目 /考察的指纹总数目 100%。 （ 2）拒登率 ： 拒登率 (Error Registration Rate， ERR)是用来描述指纹设备的适应性。 其定义为： ERR=出现不能登录及处理的指纹数目 /考察的指纹总数目 100%。 中北大学 2020 届毕业设计说明书 第 16 页 共 52 页 ERR 指的是指纹设备出现不能登录及处 理的指纹的概率，拒登率 ERR 过高将会严重影响设备的使用范围。 （ 3）速度 ： 指纹识别系统的工作速度主要由采集时间、图像处理时间、比对时间和平均识别速度几项指标构成。 采集时间通常包含了采集的操作时间和图像的传输时间；图像处理时间，指的是从计算机处理指纹图像到提取出所有特征、输出特征模板所耗费的时间；比对时间，指计算机对两组指纹特征模板进行比对并给出结果所耗费的时间；平均识别速度，指计算机从指纹特征模板库中搜索出特定指纹特征模板的速度，通常是一个统计平均值，其速度的快慢与指纹特征模板库的分类方法有很大关系。 （ 4）平衡点 :即调整指纹识别 门限 ,使拒真率和认假率相同，平衡点越低越好。 （ 5）建档时间 :即平均每一枚指纹进行指纹图像采集、图像处理、特征提取和特征建库的时间，建档时间越短越好。 （ 6）比对效率 :即在建档后 ,直接比对一对指纹特征 (不进行图像处理和特征提取 )所用的时间 ,一般用每秒钟比对的次数来表示 ,当然越多越好。 （ 7）特征文件字节数 :即平均每一枚建档指纹所用的特征文件长短 ,用字节表示 ,越短越好。 （ 8）算法通用性 :即指纹识别算法对指纹传感 器的敏感性。 需要考虑当传感器图像尺寸、噪声水平、失真程度、手指按 印角度等因 素改变时 ,识别算法的适应性或程序修改的工作量，这一条暂时没有具体衡量指标。 DSP 芯片的选择 DSP 芯片 [9]发展简况。 自 1982 年美国 TI公司推出第一个 DSP 芯片 TMS32020以来， DSP 芯片有了很大的发展。 DSP 芯片不仅在运算速度上有了很大的提高 ,而且在通用性和灵活性方面了极大地改进。 此外 ,DSP 芯片的成本、体积、重量和功耗也都有了很大程度的下降。 随着 DSP 芯片应用领域的不断扩大 ,DSP 芯片已形成低、中、高三种档次 :低端产品执行速度一般为 20～ 50MIPS,能维持适量存储和功耗 ,提供了较好 的性能价格比 ,适用于仪器仪表和精密控制等，中端产品执行速度一般为 100～ 150MIPS,结构较为复杂，具有较高的处理速度和低的功耗，适用于无线电信设备和高速解调器等。 高端产品执行速度一般为 1000 MIPS 以上，处理速度很高 ,产品结构多样化，中北大学 2020 届毕业设计说明书 第 17 页 共 52 页 适用于图像技术和智能通信基站等。 对于种类繁多的 DSP 芯片，一般可按其工作的数据格式将其分为两大类定点 DSP 芯片和浮点 DSP 芯片。 定点 DSP 品种最多，处理速度为 20～ 2400 MIPS；浮点。