便攜式指紋識別系統(tǒng)設計及實現(xiàn)工程碩士論文(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 而基于知識的方法使用 “所知 ”鑒別個人身份，待鑒別者通過私有的知識和信息來證明自己的身份，如密碼和口令等。基于標識和基于知識的鑒別技術(shù)已經(jīng)被人們使用了千百年，其主要優(yōu)點是簡單而且成本較低。但最大的問題在于它們是以物識人或以某種知識來識別人，而非以人識人。這些物或知識與人本身 沒有本質(zhì)的聯(lián)系，一定條件下，有可能被別人獲取，因此實際使用時存在很大的安全漏洞，身份證等可能會被盜取、替換、丟失，密碼則易遺忘或被熟悉的人猜中，而且這些傳統(tǒng)的身份鑒別方法是無法區(qū)分授權(quán)人和冒名頂替者的。 正是由于傳統(tǒng)身份識別方法精確性較低，安全漏洞較大，使用越來越受到限制，人們都期待有一種新的身份識別方式來滿足自身的需求，利用人體本身的特征來識別個人身份，確保身份鑒別的精確性、可靠性和安全性。于是，生物特征識別技術(shù)應運而生。 電子科技大學碩士學位論文 2 生物特征識別技術(shù) 生物特征識別技術(shù)的特點 所謂生物特征識別技術(shù) 就是利用人體生理特征、行為特征進行身份認證的一種技術(shù)。 生物特征分為兩類 :生理特征和行為特征。其中生理特征有指紋、掌紋、手型、臉型、體型、虹膜、瞳孔、聲音等；行為特征則有筆跡、步態(tài)等。生物特征識別具有以下幾個特點： (1) 廣泛性：即每個人都應該具有這種特征； (2) 唯一性：每個人擁有的該項特征各不相同，獨一無二； (3) 穩(wěn)定性：其特征基本不隨時間、外界條件變化； (4) 可采集性：所選擇的特征應便于測量。 各種生物識別技術(shù)的比較 不同的生物特征有他們自己的特點，如表 11 所示。如果考慮到永久 性問題的話，那么臉型、體型、筆跡、聲音等識別方式不是很理想的，因為這些生物特征都會隨著時間慢慢變化；如果考慮到硬件成本因素的話，虹膜和瞳孔識別也不是理想的選擇，因為辨識計算量太大，耗費較多硬件資源，如果用在政府機構(gòu)還可以考慮，但是如果應用在一般門禁上的話則成本偏高。 表 11 常用生物特征比較 生物特征 獨特性 永久性 精確度 防偽性 采集性 指紋 高 高 高 高 中 人臉 低 低 低 低 高 虹膜 高 高 高 高 中 瞳孔 高 中 高 高 低 筆跡 低 低 低 低 高 聲音 低 低 低 低 中 指紋識別技術(shù)相對于其他識別技術(shù)有許多獨到之處，具有很高的實用性和可行性。同時，它具有獨一無二的個體特征和良好的穩(wěn)定性，并且特征的精確度和復雜度足以滿足高準確的鑒別需求。近年來，由于數(shù)字圖像處理學的迅速發(fā)展 [1,2]使得指紋識別作為最流行、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用 。第一章 緒 論 3 自動指紋識別技術(shù) 指紋是手指皮膚表面隆起的脊和凹下的谷構(gòu)成的特定紋路，其紋理在嬰兒胚胎時期就已經(jīng)確定。科學研究發(fā)現(xiàn)，兩枚指紋完全相同的概率非常小，可以認為世界上沒有兩 個人的指紋完全相同，而且每個人的指紋是保持終生不變，即使磨損，只要不傷及真皮，也能重新長出。依靠這種唯一性和穩(wěn)定性，可以把一個人同他的指紋對應起來，通過對他的指紋和預先保存的指紋進行比較，就能驗證他的真實身份，這就是指紋識別技術(shù)。近年來，國內(nèi)外學者對自動指紋識別技術(shù)進行了深入和廣泛的研究，取得了明顯的進展，研究的重點主要集中在如何提高識別的準確率和速度上。 指紋用于身份鑒定的歷史悠久。早在古敘利亞和古代中國指紋鑒別就己經(jīng)開始應用。 19 世紀初，科學研究發(fā)現(xiàn)了指紋的兩個重要特征： (1) 不同手指的指紋紋脊的式樣不同 (2) 指紋紋脊的式樣終生不變 這個研究成果至今仍然是被承認的，并使得指紋在犯罪鑒別中得以正式應用。早期的指紋識別由人工來完成，由有經(jīng)驗的指紋專家對指紋逐個進行比對、辨別。這種方法耗時長、效率低、準確率也低。隨著人口數(shù)量的急劇增長和應用范圍的擴大，這種方法越來越不能滿足實際應用的要求。 20 世紀 60 年代，隨著計算機技術(shù)的誕生、發(fā)展與不斷進步，圖像處理與模式識別方法的日益完善，人們開始著手研究利用計算機來處理指紋。之后，自動指紋識別系統(tǒng) (Automatic Fingerprint Identification System， AFIS)在法律實施方面的研究和應用在世界許多國家展開。 20世紀 80 年代，光學掃描和個人電腦這兩項技術(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域中得以應用，比如代替 IC 卡。 20 世紀 90 年代，隨著低價位取像設備的引入及其飛速發(fā)展、可靠的比對算法的研究發(fā)現(xiàn)，指紋識別在個人身份識別應用得到了進一步的增長。據(jù)統(tǒng)計，到 20 世紀末，全世界的生物識別產(chǎn)品市場約為 億美元，其中指紋識別約為 億美元，這標志著指紋識別是當前最成熟、穩(wěn)定、并且應用最廣泛的生物識別技術(shù) [2]。 與人 工處理不同，現(xiàn)代指紋識別技術(shù)并不直接存儲指紋的圖像，而是記錄從圖像中提取到的指紋特征，這樣做主要是考慮到存儲空間限制和隱私問題。指紋識別算法最終都歸結(jié)為在圖像上找到指紋的特征并進行比對。因此，自動指紋識別系統(tǒng)主要涉及五個功能：圖像讀取、圖像處理、特征提取、保存數(shù)據(jù)和特征匹配。首先，通過指紋讀取設備取得圖像，并對原始圖像進行初步處理，使之更清晰。然后，利用指紋識別軟件建立指紋的數(shù)字表示 ——特征數(shù)據(jù)。這是一種根據(jù)指紋類型、紋線電子科技大學碩士學位論文 4 斷點、交叉點等結(jié)構(gòu)特征得到數(shù)據(jù)的單方向轉(zhuǎn)換（可以從指紋轉(zhuǎn)換成特征數(shù)據(jù)但不能從特征數(shù)據(jù)轉(zhuǎn) 換成指紋），而兩枚不同的指紋不會產(chǎn)生相同的特征數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)通常稱為模板，保存為數(shù)據(jù)庫中的一條記錄。最后，對兩個指紋的模板進行比較，計算出它們的相似程度，最終得到匹配結(jié)果。 指紋識別技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 幾十年來，指紋技術(shù)的研究一直為各國的科學家和政府所關注。美國、日本以及歐洲諸國相繼投入大量的資金和科研人員加快此項技術(shù)的研究與應用。歐美國家憑借其強大的科技力量和經(jīng)濟實力，在該領域的研究和開發(fā)中處于領先位置。在亞洲，日本和韓國在指紋技術(shù)領域處于領先地位。 1998 年年底，時任國家主席的江澤民同志對日本國進行 國事訪問期間，專程參觀了日本國研制的指紋識別以及其他生物識別技術(shù)成果 [3]。 在國外，指紋采集芯片領域的龍頭老大地位首推由美國貝爾實驗室成立的美國Verdi 公司。貝爾實驗室歷經(jīng)數(shù)十年的研究，投資幾十億美金，終于在生物識別技術(shù)方面獲得了突破性的進展，研制成功了半導體指紋傳感芯片，并聯(lián)合 Intel等大機構(gòu)，共同注資成立 Veridi 公司，專業(yè)開發(fā)及生產(chǎn)半導體指紋采集系列產(chǎn)品。目前全球從事指紋采集芯片研發(fā)的著名公司還有：美國 DigitalPerson公司， Authentec公司，美國 BII 公司，美國 IBM 公司， RitronicsBAC 公司，美國 Gateway 公司，法國 ST 公司，日本富通公司，日本電氣株式會社 (NEC Corporation)，日本電氣公司，韓國 Pantech 公司，韓國 HP 公司等 [4]。較早涉足該領域的 Identicator 公司的 IDSafe生物識別產(chǎn)品已經(jīng)得到了較為廣泛的應用，已有 5000 多萬人登記使用 IDSafe 系統(tǒng)。 目前，我們國家從事指紋技術(shù)的開發(fā)、應用的科研企事業(yè)單位情況如下：部分國內(nèi)各大高校的相關專業(yè)的研究生在做學術(shù)研究開發(fā)，走向產(chǎn)品化的較少；從事指紋技術(shù)的公司中，比較 有名氣的、有自主開發(fā)實力的公司也有一些：杭州中正生物認證技術(shù)有限公司 (Miaxis Biometrics Co., Ltd.)，北京北大高科指紋技術(shù)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術(shù)有限公司，北京艾迪沃德科技發(fā)展有限公司，深圳市泰迪科技發(fā)展有限公司，深圳市深安科技發(fā)展有限公司，深圳市派思數(shù)碼科技有限公司，上海安威士生物科技有限公司，上海安安指紋識別系統(tǒng)有限公司，上海眾義電子科技有限公司，南昌安必信信息工程有限公司，中科院長春光機所，長春鴻達光電子與生物識別統(tǒng)計技術(shù)有限公司，南京凹凸軟件 ，西安青松科技有限公司。目前我國在民用指紋領域的公司大多還是依賴進口，國內(nèi)主要是做代理、二次開發(fā)和系統(tǒng)集成等 [4,5]。但是我國臺灣有些公司的指紋識別技術(shù)產(chǎn)品的性能達到國際領先水平，如臺灣祥群科技有限公司，本文使用的就是該公司生產(chǎn)的 滑動 式指紋傳感器，詳細內(nèi)容會在第四章介紹。 第一章 緒 論 5 課題的目的和意義 目前，指紋識別技術(shù)系統(tǒng)常見有兩種應用方式：連接 PC 的桌面應用系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)。連接 PC 的桌面應用系統(tǒng)具有靈活的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并且可以多個系統(tǒng)共享指紋識別設備，可以建立大型的數(shù)據(jù)庫應用，但它造價高、系統(tǒng)復雜、 體積龐大，只能用于固定場所，適用范圍小；嵌入式系統(tǒng)是一個相對獨立的完整系統(tǒng)，它不需要連接其他設備或計算機就可以獨立完成其設計的功能，像指紋門鎖、指紋考勤終端就是嵌入式系統(tǒng)，其功能專一，應用于完成特定的功能。 上述內(nèi)容是當前自動指紋識別技術(shù)研究實現(xiàn)的重點和難點，同時也是民用指紋識別系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。 CMOS 傳感器的出現(xiàn)，活體掃描 (Live Scan)設備的體積越來越小巧，用指紋開啟門鎖，登陸網(wǎng)絡，通過安檢己不再僅僅是科幻電影中的場景。 從指紋識別系統(tǒng)的發(fā)展趨勢來看，當今蓬勃發(fā)展的民用指紋識別市場以普通公司 和大眾為目標，著眼于實現(xiàn)方便快捷高效安全的個人身份認證功能。為了滿足人們對易用性、方便性和舒適性等多方面的追求，指紋識別設備正朝著小型化、嵌入式和全自動方向發(fā)展，特別是基于 DSP 和嵌入式的便攜式指紋產(chǎn)品是指紋識別設備發(fā)展的主流方向。 對于便攜式產(chǎn)品的開發(fā)，在實現(xiàn)上要考慮到兩個方面的因素，也是本文研究的主要目的： (1)軟件方面是否具有較小的運算量，是否占有非常少的內(nèi)存； (2)硬件方面，在設計上需要滿足低功耗、安全穩(wěn)定、輕巧易用的要求。 便攜式指紋識別系統(tǒng)的開發(fā)不僅具有迫切的市場需求和良好的市場前景，而且可以提 高我們的安全防范水平，也可以產(chǎn)生很大的經(jīng)濟效益、社會效益。同時可以帶動計算機、電子、光學、圖像處理、模式識別等相關學科的發(fā)展，具有很大的理論與現(xiàn)實意義。 本文研究的主要內(nèi)容和結(jié)構(gòu)安排 本文依據(jù)指紋識別技術(shù)的發(fā)展趨勢，采用 滑動 式指紋傳感器 LTTSS500 和 DSP技術(shù)，設計并實現(xiàn)一個體積小、成本低、功耗低的獨立指紋識別系統(tǒng)。主要研究內(nèi)容如下： 1．閱讀大量的文獻資料，并對指紋圖像預處理、指紋特征提取、指紋特征匹配各環(huán)節(jié)關鍵算法進行深入的研究，通過仿真實驗，對各種算法的實際效果進行比較，完成本文的算法設 計。 2．采用了小體積、低功耗的 滑動 式指紋傳感器 LTTSS500 完成指紋采集模塊的設計，并針對 LTTSS500 采集到的條狀指紋圖像，本文專門提出了一種非常實用電子科技大學碩士學位論文 6 的基于距離判別法的圖像拼接算法，該方法運算簡單、便于實現(xiàn)，在運算速度和精度上都達到了非常理想的效果。 3．根據(jù)系統(tǒng)的實際需求，構(gòu)建了一個包含主控電路 (DSP 芯片和存儲器 )、輸入通路 (指紋圖像采集部分 )、輸出通路 (RS23 USB 接口 )、人機交互設備 (LED顯示 )、調(diào)試端口 (JTAG )和電源管理及監(jiān)控電路等六大部分綜合而成的既可單機運行又 可嵌入到其它產(chǎn)品中去的指紋識別原型系統(tǒng)。 本文結(jié)構(gòu)安排如下： 第一章 概述了生物識別以及指紋識別技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，并對各種生物特征識別技術(shù)進行了比較。根據(jù)國內(nèi)外指紋識別技術(shù)的發(fā)展趨勢，提出本課題的研究目的和意義。 第二章 系統(tǒng)地闡述了指紋識別的基本原理，并對指紋識別算法進行了總結(jié)和分析，并分別將圖像預處理、特征的提取與對比三部分的算法設計做了詳細說明。 第三章 根據(jù)系統(tǒng)需求，提出本文總體設計思想和設計方案，并對核心器件 DSP的各項特性進行深入研究，為后文的詳細設計奠定基礎。 第四章 仔細研究了 滑動 式指紋傳感 器 LTTSS500 結(jié)構(gòu)性能，并針對該傳感器提出了一種高效、快速的條狀指紋圖像拼接算法，對基于距離判別法的圖像重組算法進行詳細的論述。 第五章 完成了系統(tǒng)關鍵模塊的硬件和軟件設計，進行系統(tǒng)測試，最后對實驗結(jié)果進行了總結(jié)和分析。 第六章 總結(jié)了本文研究所取得的成果及不足之處，提出課題進一步研究的方向。 第二章 自動指紋識別原理與算法設計 7 第二章 自動指紋識別原理與算法設計 指紋識別系統(tǒng)的算法結(jié)構(gòu) 指紋識別技術(shù)是指使用取像設備讀取指紋圖像，通過識別軟件提取出指紋圖像中的特征數(shù)據(jù)，然后根據(jù)匹配算法得到的結(jié)果鑒別指紋所 有人身份的生物特征識別技術(shù)。一個完整的自動指紋識別系統(tǒng)主要工作流程如圖 21 所示： 圖 21 指紋識別系統(tǒng)圖 其工作原理可以簡要描述為： (1) 指紋采集：通過指紋取像設備讀取指紋的數(shù)字圖像。常用的指紋采集設備有光學采集器，半導體采集器，超聲波采集器。 (2) 指紋圖像預處理：在實際采集過程中，受各種因素的影響，采集到的指紋圖像不能保證都很清晰，圖像中可能出現(xiàn)紋線粘連、紋線斷裂或?qū)Ρ榷炔痪鶆虻惹樾危枰獙υ嫉闹讣y圖像進行預處理。指紋圖像的預處理包括增強、二值化、細化等處理步驟。預處理 算法是指紋識別系統(tǒng)中的重要內(nèi)容之一。因為預處理部分位于指紋識別系統(tǒng)的前端，其處理質(zhì)量將對系統(tǒng)的整體性能產(chǎn)