基于DSP的指紋采集系統(tǒng)畢業(yè)論文

1、摘要本論文設(shè)計的是基于DSP的指紋采集系統(tǒng)設(shè)計與指紋圖像預(yù)處理算法的研究與實(shí)現(xiàn)。基于數(shù)字信號處理器TMS320VC5502的指紋采集系統(tǒng)是以電容式固態(tài)指紋傳感器FPS200來采集指紋，以數(shù)字信號處理器DSP為控制和計算核心，其中DSP模塊由電源電路，復(fù)位電路，時鐘電路，JTAG電路，外部存儲器電路組成，然后通過CPLD器件為其外圍邏輯電路，最終以USB的接口方式傳給上位機(jī)。而所采集的指紋圖像要通過圖像的分割、指紋圖像的二值化、指紋圖像的細(xì)化等指紋圖像預(yù)處理算法對原始圖像進(jìn)行預(yù)處理使之更清晰。先在指紋圖像預(yù)處理過程中，提出了結(jié)合方差法和方向圖法的分割方法。在指紋分割的基礎(chǔ)上，選用了應(yīng)用方向重心改

2、進(jìn)的二值化算法對分割后的指紋圖像進(jìn)行二值化操作。最后，本論文選擇了OPTA細(xì)化算法對二值化后的指紋圖像進(jìn)行了細(xì)化。關(guān)鍵詞：指紋采集系統(tǒng),DSP,指紋圖像預(yù)處理 AbstractThis thesis is the design of fingerprint acquisition system design based on DSP and the research and implementation of fingerprint image preprocessing algorithm.TMS320VC5502 fingerprint acquisition system based o

3、n digital signal processing is based on capacitance sensor for solid-state fingerprint of FPS200 to collect fingerprints,the digital signal processing for DSP is the core of control and calculation,and DSP modules by the power supply circuit, reset circuit, clock, JTAG circuit,external memory circui

4、t, then through CPLD devices regard as its external logical circuit, ultimately to USB interface to PC.Through the fingerprint image segmentation, fingerprint image binarization, thinning algorithm for fingerprint image preprocessing preprocess the original image of fingerprint image to make it clea

5、rer.Firstly,In the process of fingerprint image preprocessing,it offered a method of combining variance method and pattern of segmentation.Based on fingerprint segmentation, it chooses in the focus of the direction of the improved binarization algorithm after the fingerprint image segmentation to ma

6、ke binarization.Finally, in this thesis I have selected the OPTA thinning algorithm after fingerprint images binarization to go on thinning.Key Words：Fingerprint Acquisition System, DSP, Fingerprint Image Preprocessing目錄摘要1Abstract2引言11緒 論21.1課題的背景及意義2課題的背景2課題的意義31.2發(fā)展歷史及國內(nèi)外現(xiàn)狀41.3生物識別技術(shù)簡介51.4指紋識別技術(shù)簡

7、介61.5指紋識別技術(shù)相對于生物識別技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)72硬件電路設(shè)計102.1系統(tǒng)總體方案設(shè)計102.2指紋采集模塊設(shè)計11指紋傳感器介紹11指紋傳感器簡介12指紋傳感器的硬件電路設(shè)計132.3 CPLD模塊設(shè)計15簡介15硬件電路設(shè)計152.4 DSP硬件電路設(shè)計16系統(tǒng)TMS320VC5502 DSP芯片功能16電源模塊設(shè)計17復(fù)位電路設(shè)計18時鐘電路設(shè)計18TAG接口電路設(shè)計19接口電路設(shè)計20Flash接口電路設(shè)計202.5 USB模塊設(shè)計213指紋圖像預(yù)處理算法分析233.1預(yù)處理分析233.2指紋圖像的分割233.3指紋圖像的二值化313.4指紋圖像的細(xì)化334軟件設(shè)計384.1 CCS

8、集成開發(fā)環(huán)境概述384.2程序設(shè)計概述38程序設(shè)計40程序設(shè)計40結(jié) 論42參 考 文 獻(xiàn)43附錄A系統(tǒng)硬件原理圖44致謝45引言生物識別技術(shù)是根據(jù)人體自身的生理特征來識別個人身份的，這種技術(shù)是目前最為方便與安全的識別系統(tǒng)。使用生物識別技術(shù)的話，我們無須攜帶身份證或智能卡，也不需要記住煩瑣的密碼，就可以進(jìn)行個人身份的識別。生物識別技術(shù)已成為一種公認(rèn)的最為方便和安全的身份認(rèn)證技術(shù)。而指紋的采集作為指紋識別系統(tǒng)中的一個重要環(huán)節(jié)也越來越受到人們的重視, 高質(zhì)量的指紋采集技術(shù)已成為一個重要的研究課題1。90年代中期開始出現(xiàn)半導(dǎo)體的指紋傳感器。最初的這類傳感器采集的圖像質(zhì)量和光學(xué)傳感器有較大差距，但是隨

9、著半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步，它采集的圖像質(zhì)量也越來越高，現(xiàn)在這兩種傳感器采集的圖像質(zhì)量差距已經(jīng)很小。半導(dǎo)體傳感器具有價格低、體積小優(yōu)點(diǎn)，特別適合集成在普通的消費(fèi)電子產(chǎn)品中，大有取代光學(xué)傳感器的趨勢。半導(dǎo)體型采集器是指紋產(chǎn)品進(jìn)入民用市場的趨勢，基于這種趨勢，本文展開了基于半導(dǎo)體指紋芯片的指紋采集研究，通過指紋技術(shù)的最前端環(huán)節(jié)指紋傳感器來開發(fā)出自己特有的圖像采集系統(tǒng)是本課題研究的目標(biāo)。高質(zhì)量指紋采集不僅是降低指紋識別算法難度的關(guān)鍵，也是提高指紋識別準(zhǔn)確率的關(guān)鍵，更是保證指紋技術(shù)得以大力推廣應(yīng)用的基石。國內(nèi)嵌入式指紋識別技術(shù)之所以得不到快速發(fā)展，原因就在于指紋采集技術(shù)的落后。獲取高質(zhì)量的指紋數(shù)據(jù)是降低指紋識

10、別算法復(fù)雜性的一個最主要途徑。因此，在我國研究和開發(fā)擁有自主產(chǎn)權(quán)的指紋采集終端是緊迫的。本文研究從指紋圖像的可采集性和指紋數(shù)據(jù)傳輸方式出發(fā)研究指紋采集系統(tǒng)的軟硬件實(shí)現(xiàn)?；跀?shù)字信號處理器TMS320VC5502的指紋采集系統(tǒng)是以指紋傳感器FPS200為采集頭，以數(shù)字信號處理器DSP為控制和計算核心的，通過CPLD器件為其外圍邏輯設(shè)計，最終以USB的接口方式傳給計算機(jī)。1緒 論1.1課題的背景及意義課題的背景隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，特別是模式識別技術(shù)和圖象處理技術(shù)的飛速發(fā)展以及大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)及其性能的提高，使得用高速高效的自動指紋識別系統(tǒng)來替代人工識別成為了可能。自從二十世紀(jì)六十年代開始，為

11、了解決人工鑒別指紋工作量很大而且效率低的難題，美國FBI、英國家庭辦公室以及法國巴黎警察局開始研發(fā)了自動指紋識別系統(tǒng)(AFIS)，并取得了非常好的效果。目前，指紋識別已被全球大部分國家接受與認(rèn)可，并廣泛地應(yīng)用到政府、軍隊(duì)、銀行、社會福利保障、電子商務(wù)和安全防衛(wèi)等領(lǐng)域。由于在國外其開發(fā)指紋識別系統(tǒng)比較早，而且主要是利用計算機(jī)進(jìn)行指紋識別，所以有比較成熟技術(shù)。許多大的公司如Intel、Microsoft、數(shù)碼人等均成立了專門的機(jī)構(gòu)從事該項(xiàng)技術(shù)的研究、開發(fā)及應(yīng)用。其中最具有代表性的是AFIS(Automatic Fingerprint Identification system)自動指紋系統(tǒng)，該系統(tǒng)

12、是利用計算機(jī)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，其具有靈活系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可以構(gòu)建大型數(shù)據(jù)庫，但是該系統(tǒng)價格昂貴，而且由于需要連接到計算機(jī)，限制了系統(tǒng)在很多其他方面的應(yīng)用。當(dāng)然，目前國外也有一些相對較小的指紋識別系統(tǒng)，比如數(shù)碼人公司的系統(tǒng)。但他們的產(chǎn)品都存在價格很昂貴、應(yīng)用的靈活性差、多使用較大體積光學(xué)傳感器等問題 2。自1998年以來，國內(nèi)指紋識別技術(shù)也得到了長久發(fā)展。目前，國內(nèi)的生物識別技術(shù)市場正處于諸侯割據(jù)的萌芽的階段。國內(nèi)上百家從事指紋識別技術(shù)應(yīng)用企業(yè)除北大高科、中科院自動化所和西安青松等幾家科研機(jī)構(gòu)擁有自主產(chǎn)權(quán)外，其他的多以代理國外產(chǎn)品為主，擁有自主知識產(chǎn)權(quán)核心技術(shù)并不多。在性能上無論從精度還是從效率上來看，都

13、均不如國際領(lǐng)先水平的同類產(chǎn)品。其所使用方法復(fù)雜，使用環(huán)境要求很高，而且硬件平臺實(shí)時性差，接口能力也比較弱?，F(xiàn)在，隨著高集成的指紋傳感器的引入及其飛速發(fā)展，指紋數(shù)據(jù)的優(yōu)質(zhì)采集將達(dá)到一個更高的水平，研究指紋采集的通用方法及相應(yīng)軟件是一件十分有意義的工作。利用新型傳感器采集高質(zhì)量的指紋圖像，指紋識別技術(shù)的逐漸成熟，可靠的比對算法的發(fā)現(xiàn)都將為指紋識別技術(shù)提供更廣闊的舞臺。課題的意義當(dāng)今社會科技水平發(fā)展迅速，人類已進(jìn)入了新的網(wǎng)絡(luò)信息時代，在商務(wù)、數(shù)據(jù)、賬務(wù)等方面的交流也日趨密切，而另一方面，隨著社會活動中諸如密碼遺忘，丟失，被盜取等令人頭疼問題的不斷出現(xiàn)，表明了傳統(tǒng)的基于標(biāo)志和數(shù)字的認(rèn)證已逐步不再滿足要

14、求，因此在日常生活中人們不得不借助一些其它方法進(jìn)行合法身份的識別和認(rèn)證，如何及時、準(zhǔn)確和有效地驗(yàn)證每個社會成員的身份，以保障人們的合法權(quán)益和有效性是當(dāng)今社會面臨的一個新的難題。在此背景下，結(jié)合人體的身體特征具有不可復(fù)制的特點(diǎn)，人們把目光轉(zhuǎn)向了生物識別技術(shù)(Biometric Identification Technology)，希望可以以此技術(shù)來面對現(xiàn)行系統(tǒng)安全所面臨的挑戰(zhàn)。生物識別技術(shù)是利用人體生物特征進(jìn)行身份認(rèn)證的一種技術(shù)，研究表明，人的指紋、掌紋、面孔、發(fā)音、虹膜、視網(wǎng)膜、骨架等都是具有可量化性的生物特征，生物識別系統(tǒng)對這些生物特征進(jìn)行取樣，提取其唯一特征并且轉(zhuǎn)化成數(shù)字代碼，再進(jìn)一步將這

15、些代碼組成特征模板，人們同識別系統(tǒng)交互進(jìn)行身份認(rèn)證時，識別系統(tǒng)獲取其特征并與數(shù)據(jù)庫中的特征模板進(jìn)行比對，以確定是否匹配，從而決定接受或者拒絕該人。其中指紋識別技術(shù)是迄今為止出現(xiàn)的一種最方便、準(zhǔn)確與安全的生物識別技術(shù)，相對于其它的生物識別技術(shù)，指紋具有普遍性、唯一性、永久性三個方面的特性使其成為生物識別技術(shù)的首要選擇。作為身份識別的新方式，指紋識別技術(shù)顯示出廣闊的應(yīng)用前景，目前在網(wǎng)絡(luò)、銀行、證券、醫(yī)療和保險等行業(yè)己得到了廣泛應(yīng)用。它充分利用了指紋的普遍性、唯一性和永久性的生物特征取代了傳統(tǒng)的基于標(biāo)志和數(shù)字的識別方式，不僅在一定程度上保證國家經(jīng)濟(jì)信息的安全，還將真正給消費(fèi)者的網(wǎng)上購物，商家和企業(yè)的

16、網(wǎng)上銷售等活動營造一個安全、便捷的有利環(huán)境，同時帶來不可估量的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。因此，大力推進(jìn)生物特征識別技術(shù)、尤其是指紋識別技術(shù)研究水平并促其產(chǎn)業(yè)化，不僅可以提高我們安全防范水平，同時可以帶動計算機(jī)、電子、光學(xué)、圖像處理、模式識別等相關(guān)學(xué)科的發(fā)展。指紋圖像采集是自動指紋識別系統(tǒng)的重要組成部分。采集到的指紋圖像的質(zhì)量好壞，直接影響到后續(xù)的指紋圖像處理過程。高質(zhì)量的指紋圖像可以大大簡化指紋處理的算法，提高識別率，減小拒識率。由于指紋采集的應(yīng)用場合不同，所需要的指紋識別系統(tǒng)的性能也不盡針對不同的應(yīng)用環(huán)境，應(yīng)該選擇合適的指紋傳感器，以達(dá)到好的識別效果。前市場上指紋傳感器根據(jù)不同的成像原理，大致有光

17、學(xué)式、壓感式、熱感超聲式幾種類型，而其中已經(jīng)被廣泛應(yīng)用的是光學(xué)式和壓感式指紋傳感器。專家們保守估計，未來5年，我國將有近百億元的市場等待著企業(yè)去開拓。因此，對指紋識別系統(tǒng)的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義及市場前景5。1.2發(fā)展歷史及國內(nèi)外現(xiàn)狀公元前7000年到公元前6000年，指紋作為身份鑒別已在古代中國和古敘利亞使用。從那時出土的粘土陶器上留有的陶藝匠人的指紋，紙稿上印有的起草者的大拇指指紋，古城市的房屋留下的磚匠一對大拇指指紋的印記中可以看出，指紋認(rèn)證己被應(yīng)用于當(dāng)時社會的許多領(lǐng)域里?，F(xiàn)代指紋識別起源于16世紀(jì)后期。英格蘭醫(yī)生Henry Fauld于1880年10月28日首次在英國Nature上發(fā)表

18、論文,指出不同人得指紋各不同，恒久不變，并利用現(xiàn)場指紋來鑒定罪犯。接著,William Herschel也在Nature上發(fā)表了他本人關(guān)于指紋研究20多年來的成果，從此揭開了現(xiàn)代指紋識別的序幕。1892年,英國Sir Francis Galeton對指紋進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，并提出了指紋細(xì)節(jié)特征分類，將指紋分為斗(whorl)、箕(loop)、弧(arch)三大類,使指紋識別應(yīng)用進(jìn)入了一個嶄新的時期。1899年，英國Edward Henry建立了著名的Henry指紋分類系統(tǒng)并于1901年被英國政府正式采用，隨后西方各國亦相繼采用，指紋識別應(yīng)用正式走上了科學(xué)化道路。隨著電子計算機(jī)的出現(xiàn)，采集技術(shù)的發(fā)

19、展以及對指紋識別的研究,人們逐漸將人工的指紋識別向自動指紋識別(Automated Fingerprint Identification System)AFIS轉(zhuǎn)變。美國最早于1963年首先開展有關(guān)軟件的研制，于1975年成功推出第一個商業(yè)化系統(tǒng)。我國在80年代初對指紋識別展開研究。隨著越來越多的電子設(shè)備進(jìn)入人們?nèi)粘Ｉ睿ㄈ缢銠C(jī)、ATM、門禁控制、各種智能卡等)，人們對身份識別技術(shù)要求越來越高,迫切需要有準(zhǔn)確、安全、方便的識別技術(shù)。而指紋識別由于具有唯一性、穩(wěn)定性使得其在安全領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。指紋識別是模式識別領(lǐng)域中使用最早的也是最為成熟的生物鑒定技術(shù),它是集傳感器技術(shù)、生物技術(shù)、電子技術(shù)

20、、數(shù)字圖像處理、模式識別于一體的技術(shù)。自動指紋識別系統(tǒng)通過特殊的光電轉(zhuǎn)換設(shè)備和計算機(jī)圖像處理技術(shù)，對活體指紋進(jìn)行采集、分析和比對，可以自動、迅速、準(zhǔn)確地鑒別出個人身份。1.3生物識別技術(shù)簡介長期以來，在人類社會活動中需要驗(yàn)證個人身份時，傳統(tǒng)的方法是驗(yàn)證該人是否持有有效的證明文件或信物，如照片、密碼、磁卡等。從本質(zhì)上來說，這種方法驗(yàn)證的是該人所持有的某種“物”，而不是驗(yàn)證其本人。只要“物”的有效性得到確認(rèn)，則持有該“物”的人的身份也就隨之得到確認(rèn)。這種以“物”認(rèn)人辦法的漏洞是顯而易見的，首先，合法的人如果遺失驗(yàn)證其身份的“物”，則合法的人本身得不到合法的驗(yàn)證；其次，各種偽造證件、信物以及密碼被破

21、譯或盜用又使非法的人得到合法的驗(yàn)證。受啟發(fā)于人的身體特征具有不可復(fù)制的特點(diǎn)，人們開始把目光轉(zhuǎn)到生物識別技術(shù)上7。生物識別技術(shù)是利用人體生物特征進(jìn)行身份認(rèn)證的一種技術(shù)，生物特征是唯一的、可以測量或可自動識別和驗(yàn)證的生理特性或行為方式。生物識別系統(tǒng)對生物特征進(jìn)行取樣，提取其唯一的特征并且轉(zhuǎn)化成數(shù)字代碼，并將這些代碼組成特征模板。人們用識別系統(tǒng)進(jìn)行身份認(rèn)證時，識別系統(tǒng)獲取其特征并與數(shù)據(jù)庫中的特征模板進(jìn)行比對，以確定是否匹配，從而決定接受或拒絕該人。用于生物識別的生理特征有虹膜、面容、指紋等，行為特征有簽字、聲音等。基于這些特征，人們開發(fā)了虹膜識別、面部識別、指紋識別、簽名識別、發(fā)音識別等多種生物識別技術(shù)。虹膜識別技術(shù)：虹膜是一種在瞳孔內(nèi)的織物狀環(huán)狀物，每一個虹膜都包含水晶體、細(xì)絲、斑點(diǎn)、凹點(diǎn)、皺紋等特征。由于虹膜的采集多是通過全自動照相機(jī)來完成的，所以其優(yōu)點(diǎn)是用戶無需與設(shè)備進(jìn)行物理上的接觸，方便了用戶的使用。其缺點(diǎn)是很難將圖像獲