指紋識(shí)別技術(shù)優(yōu)秀論文

PAGEPAGE38第一章緒論指紋識(shí)別技術(shù)是生物特征識(shí)別領(lǐng)域中最為成熟的一門(mén)應(yīng)用技術(shù)，具有悠久的歷史。長(zhǎng)期以來(lái)，指紋識(shí)別技術(shù)主要應(yīng)用于刑事偵查與司法鑒定領(lǐng)域，不被大多數(shù)人所了解。計(jì)算機(jī)與信息處理技術(shù)的飛速發(fā)展，為這門(mén)歷史悠久的應(yīng)用技術(shù)開(kāi)拓了更為廣闊的市場(chǎng)，指紋識(shí)別技術(shù)與相關(guān)產(chǎn)品越來(lái)越多地應(yīng)用于民用市場(chǎng)。1.1生物特征識(shí)別技術(shù)簡(jiǎn)介 1.1.1生物特征識(shí)別的意義生物識(shí)別技術(shù)（BiometricIdentificationTechnology）是利用人體生物特征進(jìn)行身份認(rèn)證的一種技術(shù)[1]。生物特征是唯一的（與他人不同）、可以測(cè)量或可以自動(dòng)識(shí)別和驗(yàn)證的生理特性或行為方式，分為生理特征和行為特征。生物識(shí)別系統(tǒng)對(duì)生物特性進(jìn)行取樣，提取其唯一特征并進(jìn)行身份認(rèn)證。典型的生物識(shí)別系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1.1：圖1.1生物識(shí)別系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖現(xiàn)行的許多計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，包括許多非常機(jī)密的系統(tǒng)，都是使用"用戶ID+密碼"的方法來(lái)進(jìn)行用戶的身份認(rèn)證和訪問(wèn)控制的。實(shí)際上，這種方案隱含著一些問(wèn)題。例如，密碼容易被忘記，也容易被別人竊取。而且，如果用戶忘記了他的密碼，他就不能進(jìn)入系統(tǒng)，當(dāng)然可以通過(guò)系統(tǒng)管理員重新設(shè)定密碼來(lái)重新開(kāi)始工作，但是一旦系統(tǒng)管理員忘記了自己的密碼，整個(gè)系統(tǒng)也許只有重新安裝后才能工作。有關(guān)機(jī)構(gòu)的調(diào)查表明，因?yàn)橥浢艽a而產(chǎn)生的問(wèn)題已經(jīng)成為IT廠商售后服務(wù)的最常見(jiàn)問(wèn)題之一[2]。除了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及其應(yīng)用系統(tǒng)外，一些傳統(tǒng)的需要進(jìn)行身份驗(yàn)證的場(chǎng)合，也存在著類(lèi)似的安全性問(wèn)題。例如證件的偽造和盜用、不正當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)借等。一些犯罪通過(guò)偽造證件進(jìn)入機(jī)密場(chǎng)所以竊取機(jī)密信息，有的犯罪偽造簽證和護(hù)照非法入境或移民，這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)的證件使用了易于偽造、未經(jīng)加密的紙制證件。為了防范這類(lèi)事件的發(fā)生，人們需要一種直接的身份認(rèn)證手段，這就是“人體生物特征識(shí)別技術(shù)”。他根據(jù)每個(gè)人自身所具有的生物特征來(lái)對(duì)每個(gè)人的真實(shí)身份進(jìn)行鑒別。這些生物特征大都具有“人格有異”、“終身不變”和“隨身攜帶”的特點(diǎn)，確保認(rèn)證的精確性和可靠性。1.1.2生物特征識(shí)別分類(lèi)[3][4][5][6]迄今為止，通過(guò)現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)手段，被人們所發(fā)現(xiàn)的同時(shí)兼具“人各有異”、“終身不變”和“隨身攜帶”這三個(gè)特點(diǎn)的人體生物特征主要有指紋、虹膜、人體細(xì)胞的遺傳基因等。此外還有一些雖然不能完全具備上述三個(gè)特點(diǎn)但尚在一段時(shí)間內(nèi)具有“人各有異”特點(diǎn)的生物特征，如面容、掌紋、語(yǔ)音、行為等進(jìn)行身份識(shí)別已成為目前的研究熱點(diǎn)并發(fā)展為“生物檢測(cè)學(xué)”的專門(mén)學(xué)科，其相關(guān)技術(shù)也被稱為“生物特征識(shí)別技術(shù)”。(1)虹膜識(shí)別虹膜識(shí)別技術(shù)是利用虹膜的終身不變性和差異性來(lái)識(shí)別身份的。虹膜識(shí)別技術(shù)與相應(yīng)的算法結(jié)合后，可達(dá)到很高的精度。虹模是眼球內(nèi)部含有色素的環(huán)形薄膜，它由結(jié)締組織細(xì)胞和肌纖維等組成，中間部位是眼球。因眼球的顏色是由虹膜所含色素的多少而決定的，故稱之為虹膜，舊稱虹彩。虹膜的結(jié)構(gòu)在人出生前就確定下來(lái)了。虹膜識(shí)別技術(shù)是將虹膜的可視特征轉(zhuǎn)換成一個(gè)512字節(jié)的虹膜代碼，這個(gè)代碼模板被存儲(chǔ)下來(lái)以供后期識(shí)別使用。由于虹膜代碼是通過(guò)復(fù)雜的運(yùn)算獲得的，并能提供較多數(shù)量的特征點(diǎn)，因此虹膜識(shí)別的精度最高。整個(gè)識(shí)別的過(guò)程非常簡(jiǎn)單，虹膜的定位可以在一秒內(nèi)完成。虹膜識(shí)別的技術(shù)缺點(diǎn)是，目前虹膜識(shí)別系統(tǒng)只是用統(tǒng)計(jì)學(xué)原理進(jìn)行小規(guī)模的試驗(yàn)，尚未進(jìn)行過(guò)世界范圍的認(rèn)證試驗(yàn)。此外，圖像獲取設(shè)備的價(jià)格昂貴，難以實(shí)現(xiàn)小型化。(2)視網(wǎng)膜識(shí)別視網(wǎng)膜識(shí)別技術(shù)使用激光來(lái)照射眼球的背面，以獲得具有唯一性的視網(wǎng)膜特征。

視網(wǎng)膜是一些位于眼球后部十分細(xì)小的神經(jīng)（一英寸的1/50），它是人眼感受光線并將信息通過(guò)視神經(jīng)傳給大腦的重要器官，它同膠片的功能有些類(lèi)似，用于生物識(shí)別的血管分布在神經(jīng)視網(wǎng)膜周?chē)?，即視網(wǎng)膜四層細(xì)胞的最遠(yuǎn)處。

視網(wǎng)膜掃描設(shè)備要獲得視網(wǎng)膜圖像，使用者的眼睛與錄入設(shè)備的距離應(yīng)在半英寸之內(nèi)，并且在錄入設(shè)備讀取圖象時(shí)，眼睛必須處于靜止?fàn)顟B(tài)，使用者的眼睛在注視一個(gè)旋轉(zhuǎn)的綠燈時(shí)，錄入設(shè)備從視網(wǎng)膜上可以獲得400個(gè)特征點(diǎn)，同指紋錄入比較，指紋只能提供30到40個(gè)特征點(diǎn)用來(lái)錄入，創(chuàng)建模板和完成確認(rèn)。同虹膜識(shí)別技術(shù)一樣，視網(wǎng)膜掃描可能是最可靠、最值得信賴的生物識(shí)別技術(shù)，但該技術(shù)未經(jīng)過(guò)任何測(cè)試，而且是否會(huì)損傷使用者的眼球，還有待進(jìn)一步研究。(3)面部識(shí)別面部識(shí)別技術(shù)通過(guò)對(duì)面部特征和它們之間的關(guān)系來(lái)進(jìn)行識(shí)別，識(shí)別技術(shù)基于這些唯一的特征時(shí)是非常復(fù)雜的，這需要人工智能和機(jī)器知識(shí)學(xué)習(xí)系統(tǒng)，用于捕捉面部圖像的兩項(xiàng)技術(shù)為標(biāo)準(zhǔn)視頻和熱成像技術(shù)。標(biāo)準(zhǔn)視頻技術(shù)通過(guò)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的攝像頭攝取面部的圖像或者一系列圖像，在面部被捕捉之后，一些核心點(diǎn)被記錄，面部識(shí)別技術(shù)通常基于以下方法實(shí)現(xiàn)：a.對(duì)面部外觀特征進(jìn)行分析。b.對(duì)面部圖像進(jìn)行全局分析。c.對(duì)面部熱譜圖像及面部的紅外光譜圖像中的特征進(jìn)行分析。盡管已有一些有關(guān)面部識(shí)別技術(shù)的實(shí)用產(chǎn)品，但目前面部識(shí)別系統(tǒng)對(duì)采集到的面部圖像仍有一定的限制，如背景、光線、表情等，其大范圍的識(shí)別正確率最高只在99%左右。因此面部識(shí)別技術(shù)主要適合應(yīng)用于一些使用者為配合型的應(yīng)用場(chǎng)合，在抗拒型人群以及完全無(wú)人工干預(yù)的場(chǎng)合，其使用效果仍不盡人意。(4)簽名識(shí)別簽名作為身份認(rèn)證的手段已有上千年的歷史了，而且我們都很熟悉在銀行的格式表單中簽名作為我們身份的標(biāo)志。將簽名數(shù)字化是這樣一個(gè)過(guò)程，測(cè)量圖像本身以及整個(gè)簽名的動(dòng)作在每個(gè)字母以及字母之間的不同的速度、順序和壓力，簽名識(shí)別和語(yǔ)音識(shí)別一樣，是一種行為測(cè)定學(xué)。使用簽名識(shí)別更容易被大眾接受而且是一種公認(rèn)的身份識(shí)別的技術(shù)。但隨著經(jīng)驗(yàn)的增長(zhǎng)，性情的變化與生活方式的改變，簽名也會(huì)隨之而改變；為了處理簽名的不可避免的自然改變，我們必須在安全方面加以妥協(xié)；用于簽名的手寫(xiě)板結(jié)構(gòu)復(fù)雜而且價(jià)格昂貴，因?yàn)楹凸P記本電腦的觸摸板的分辨率有著很大的差異，我們?cè)诩夹g(shù)上很難將兩者結(jié)合起來(lái)，很難將它的尺寸小型化。(5)語(yǔ)音識(shí)別語(yǔ)音識(shí)別也是一種行為識(shí)別技術(shù)，語(yǔ)音識(shí)別設(shè)備不斷地測(cè)量、記錄語(yǔ)音的波形和變化特征，再將現(xiàn)場(chǎng)采集到的語(yǔ)音與登記過(guò)的語(yǔ)音模板進(jìn)行對(duì)比，最后做出判斷。語(yǔ)音識(shí)別是基于生理學(xué)的聲音特征，它與語(yǔ)言識(shí)別的區(qū)別是不對(duì)已說(shuō)出的詞語(yǔ)本身進(jìn)行辨識(shí)，而是通過(guò)分析語(yǔ)音的惟一特點(diǎn)（例如發(fā)音的頻率）來(lái)識(shí)別講話者。它屬于非接觸的識(shí)別技術(shù)，用戶可以很自然地接受。和其他的行為識(shí)別技術(shù)一樣，語(yǔ)音因?yàn)樽兓姆秶?，故而很難進(jìn)行一些精確的匹配；語(yǔ)音會(huì)隨著音量、速度和音質(zhì)的變化(例如當(dāng)你感冒時(shí))而影響到采集與比對(duì)的結(jié)果。(6)基因識(shí)別DNA基因識(shí)別是迄今為止已知的最準(zhǔn)確的生物識(shí)別方法之一。但實(shí)現(xiàn)該技術(shù)所需的設(shè)備非常復(fù)雜和昂貴，還需要有經(jīng)過(guò)專門(mén)培訓(xùn)的專業(yè)技術(shù)人員來(lái)使用和操作這些設(shè)備，完成鑒定所花費(fèi)的時(shí)間也較長(zhǎng)，因此DNA基因識(shí)別還不能廣泛地應(yīng)用到日常生活的各個(gè)領(lǐng)域。(7)指紋識(shí)別指紋識(shí)別是目前生物檢測(cè)學(xué)中研究最深入，應(yīng)用最廣泛，發(fā)展最成熟的技術(shù)。指紋識(shí)別作為識(shí)別技術(shù)已經(jīng)有幾個(gè)世紀(jì)的歷史了。指紋識(shí)別技術(shù)通過(guò)分析指紋的全局特征和指紋的局部特征，特征點(diǎn)如嵴、谷和終點(diǎn)、分叉點(diǎn)或分歧點(diǎn)，從指紋中抽取的特征值可以非常的詳盡，以便可靠地通過(guò)指紋來(lái)確認(rèn)一個(gè)人的身份。平均每個(gè)指紋都有幾個(gè)獨(dú)一無(wú)二可測(cè)量的特征點(diǎn)，每個(gè)特征點(diǎn)都有大約七個(gè)特征，我們的十個(gè)手指產(chǎn)生最少4900個(gè)獨(dú)立可測(cè)量的特征。這足夠來(lái)確認(rèn)指紋識(shí)別是否是一個(gè)更加可靠的鑒別方式。長(zhǎng)期以來(lái)，指紋識(shí)別技術(shù)大量被應(yīng)用到司法和刑事偵查領(lǐng)域，使得人們往往把指紋識(shí)別技術(shù)與刑事偵查和犯罪聯(lián)系在一起，帶有一些抗拒心理，影響了指紋識(shí)別系統(tǒng)的可接受性。另外某些人或某些群體的指紋因?yàn)橹讣y特征很少，故而很難成像，也影響了指紋識(shí)別的準(zhǔn)確性。指紋識(shí)別技術(shù)具有諸多優(yōu)點(diǎn)：指紋是人體獨(dú)一無(wú)二的特征，并且它們的精確度和復(fù)雜度足以提供用于鑒別的足夠特征；如果想要增加可靠性，只需登記更多的指紋，鑒別更多的手指，最多可以多達(dá)十個(gè)，而每一個(gè)指紋都是獨(dú)一無(wú)二的；掃描指紋的速度很快，使用非常方便；讀取指紋時(shí)，用戶必需將手指與指紋采集頭相互接觸，與指紋采集頭直接接觸是讀取人體生物特征最可靠的方法。指紋采集頭可以更加小型化，并且價(jià)格會(huì)更加的低廉?？梢砸?jiàn)到，指紋識(shí)別技術(shù)是目前最方便、可靠、非侵害和價(jià)格便宜的生物識(shí)別技術(shù)解決方案，對(duì)于廣大市場(chǎng)的應(yīng)用有著很大的潛力。每種生物識(shí)別技術(shù)均有各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，其實(shí)用性也與應(yīng)用的領(lǐng)域密切相關(guān)。沒(méi)有一種技術(shù)在任何工作環(huán)境下都優(yōu)于其他技術(shù)。常用的各種生物特征識(shí)別技術(shù)的技術(shù)性能比較如表1.1所示：表1.1常用生物識(shí)別技術(shù)比較類(lèi)型鑒別可靠度可否運(yùn)用1對(duì)1比照可否運(yùn)用1對(duì)多比照傳感器價(jià)格尺寸虹膜很好是是高較大視網(wǎng)膜很好是是高較大面部一般是否低中等簽名一般是否低較小語(yǔ)音一般是否極低非常小基因最好是否極高很大指紋很好是是較低非常小由上面分析可知，指紋識(shí)別在各種生物特征識(shí)別領(lǐng)域中綜合性能較好，因此指紋識(shí)別技術(shù)在認(rèn)證系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用。1.2嵌入式系統(tǒng)簡(jiǎn)介[7][8]目前嵌入式系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)成為了最熱門(mén)的技術(shù)之一。但是對(duì)于何為嵌入式系統(tǒng)，什么樣的技術(shù)又可以稱之為嵌入式技術(shù)，仍在討論之中。

從廣義上講，可以認(rèn)為凡是帶有微處理器的專用軟硬件系統(tǒng)都可以稱為嵌入式系統(tǒng)。作為系統(tǒng)核心的微處理器又包括三類(lèi)：微控制器(MCU)、嵌入式微處理器(MPU)、數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)。

從狹義上講，嵌入式系統(tǒng)是指使用嵌入式微處理器構(gòu)成獨(dú)立系統(tǒng)，具有自己的操作系統(tǒng)并且具有某些特定功能的系統(tǒng)，這里的微處理器專指32位以上的微處理器。

1.2.1嵌入式微處理器(EmbeddedMicroprocessorUnit,EMPU)嵌入式微處理器的基礎(chǔ)是通用計(jì)算機(jī)中的CPU。在應(yīng)用中，將微處理器裝配在專門(mén)設(shè)計(jì)的電路板上，只保留和嵌入式應(yīng)用有關(guān)的母板功能，這樣可以大幅度減小系統(tǒng)體積和功耗。為了滿足嵌入式應(yīng)用的特殊要求，嵌入式微處理器雖然在功能上和標(biāo)準(zhǔn)微處理器基本是一樣的，但適應(yīng)惡劣工作溫度和抗電磁能力較差。1.2.2嵌入式微控制器(MicrocontrollerUnit,MCU)嵌入式微控制器又稱單片機(jī)，顧名思義，就是將整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一塊芯片中。嵌入式微控制器一般以某一種微處理器內(nèi)核為核心，芯片內(nèi)部集成ROM/EPROM、RAM、總線、總線邏輯、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、Watc我ings215 hDog、I/O、串行口、脈寬調(diào)制輸出、A/D、D/A、FlashRAM、EEPROM等各種必要功能和外設(shè)。1.2.3數(shù)字信號(hào)處理器(DigitalSignalProcessor,DSP)[9]數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，使其適合于執(zhí)行DSP算法，編譯效率較高，指令執(zhí)行速度也較高。在數(shù)字濾波、FFT、譜分析等方面DSP算法正在大量進(jìn)入嵌入式領(lǐng)域，DSP應(yīng)用正從在通用單片機(jī)中以普通指令實(shí)現(xiàn)DSP功能，過(guò)渡到采用嵌入式DSP處理器。嵌入式DSP處理器有兩個(gè)發(fā)展來(lái)源，一是DSP處理器經(jīng)過(guò)單片化、EMC改造、增加片上外設(shè)成為嵌入式DSP處理器，TI的TMS320C2000/C5000等屬于此范疇；二是在通用單片機(jī)或SOC中增加DSP協(xié)處理器，例如Intel的MCS-296和Infineon(Siemens)的TriCore。嵌入式DSP處理器比較有代表性的產(chǎn)品是TexasInstruments的TMS320系列和Motorola的DSP56000系列。TMS320系列處理器包括用于控制的C2000系列，移動(dòng)通信的C5000系列，以及性能更高的C6000和C8000系列。其特點(diǎn)是具備雙Harvard結(jié)構(gòu)和雙乘/累加單元。1.3本文的主要工作和結(jié)構(gòu)安排第一章介紹生物識(shí)別系統(tǒng)和自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)的發(fā)展和現(xiàn)狀第二章介紹指紋識(shí)別的基本原理和研究采用的方法第三章詳細(xì)討論一種成熟的指紋識(shí)別算發(fā)的實(shí)現(xiàn)第四章研究設(shè)計(jì)基于TMS320C5402的指紋識(shí)別硬件電路第五章設(shè)計(jì)硬件系統(tǒng)相應(yīng)軟件設(shè)計(jì)和調(diào)試第六章總結(jié)本文工作第二章指紋識(shí)別的原理和方法2．1指紋識(shí)別技術(shù)簡(jiǎn)介2.1.1指紋識(shí)別技術(shù)的歷史相關(guān)資料顯示，中國(guó)是世界上最早應(yīng)用指紋識(shí)別技術(shù)的國(guó)家。在西安半坡出土的距今六千多年的陶器上已發(fā)現(xiàn)了指紋的痕跡。從有據(jù)可查的資料中顯示，我國(guó)對(duì)指紋的應(yīng)用最早出現(xiàn)在中國(guó)古代秦朝以前，諸如南鄭春秋商城遺址出土的春秋戰(zhàn)國(guó)時(shí)代陶豆柄上的指印等。唐代時(shí)，以“按指為書(shū)”為代表的“指紋捺印”已經(jīng)在文書(shū)、契約等民用場(chǎng)合被廣泛采用。著名學(xué)者海因德?tīng)枺℉einai）在其權(quán)威的《指紋鑒定》著作中斷定：“根據(jù)我國(guó)《周禮義疏》及《儀禮義疏》記載，中國(guó)第一個(gè)提到指紋鑒別個(gè)人的是唐代的作家賈公彥[10]。他的作品大約寫(xiě)于公元650年，他是著重提到指紋是確定個(gè)人身份方法的世界上最早的作家?！弊运纬?，指紋則開(kāi)始被用作刑事訴訟的物證。指紋在中國(guó)古代的借貸契約、買(mǎi)賣(mài)文憑、婚約休書(shū)、獄辭供狀等方面得到廣泛應(yīng)用。我國(guó)在廣泛應(yīng)用指、掌紋的漫長(zhǎng)歷史中，隨著對(duì)外文化的交流，應(yīng)用指紋的傳統(tǒng)習(xí)慣傳播到了世界上許多國(guó)家。中國(guó)也是世界公認(rèn)的指紋發(fā)源地。公元1788年，梅耶(J.Mayer)首次著文指出了至今仍然被承認(rèn)的指紋的兩個(gè)重要特性，一是沒(méi)有人的指紋是完全相同的(唯一性)，另外一個(gè)是指紋的式樣終身不會(huì)改變(穩(wěn)定性)[11]。公元1823年，珀金杰（J.Purkinie）首次把指紋紋形分成了9類(lèi)。

公元1858年，赫謝爾（W.Herschel）規(guī)定與官方定契約必需捺指紋。

公元1880年，福爾茨（HenryFauld）發(fā)表了指紋認(rèn)證的論文，第一次科學(xué)地提出了指紋的個(gè)體性和唯一性。指紋唯一性的發(fā)現(xiàn)，使得指紋作為一種更為有效的鑒別方法而得到采用。

公元1889年，亨利[12]（E.R.Henry）在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，提出基于指紋細(xì)節(jié)特征識(shí)別（Minutia-Based）的理論，并提出了用指紋識(shí)別來(lái)進(jìn)行確定罪犯身份的設(shè)想，從而奠定了現(xiàn)代指紋學(xué)的基礎(chǔ)。直到一個(gè)世紀(jì)后的今天，采用基于Minutia-Based的指紋識(shí)別算法[13]仍是主流。公元1892年，英國(guó)的弗朗西斯·蓋爾頓（FrancisGalton）爵士對(duì)指紋進(jìn)行了廣泛的研究，寫(xiě)了《FingerPrint》一書(shū)，向世人介紹了用于單個(gè)指紋分類(lèi)的細(xì)節(jié)特征，首次系統(tǒng)地闡述了指紋學(xué)。完善地確立了一整套指紋識(shí)別的方法，并且用于刑事偵察中對(duì)犯罪嫌疑人的甄別和鑒定。2.1.2國(guó)內(nèi)外自動(dòng)指紋識(shí)別研究現(xiàn)狀指紋識(shí)別技術(shù)從被發(fā)現(xiàn)起，就被廣泛應(yīng)用到契約等民用領(lǐng)域。由于人體指紋具有終身穩(wěn)定性和唯一性，很快就被用于刑事偵查，并被尊為“物證之首”。但早期的指紋識(shí)別采用的方法是人工識(shí)別法。這項(xiàng)工作需要有一些經(jīng)過(guò)專門(mén)訓(xùn)練的專業(yè)技術(shù)人員和有經(jīng)驗(yàn)的指紋專家憑經(jīng)驗(yàn)對(duì)指紋逐個(gè)對(duì)比，從而得出鑒定的結(jié)果。用這種方法進(jìn)行指紋鑒定，不但效率低、速度慢，查找范圍也很有限，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代社會(huì)的需要。20世紀(jì)60年代末，以電子計(jì)算機(jī)技術(shù)為代表的信息技術(shù)逐步興起，計(jì)算機(jī)技術(shù)開(kāi)始進(jìn)入指紋識(shí)別領(lǐng)域，為指紋鑒定的自動(dòng)化帶來(lái)了新的解決思路、新的實(shí)現(xiàn)方法和新的處理途徑。美國(guó)開(kāi)始有人提出用計(jì)算機(jī)圖像處理和模式識(shí)別方法進(jìn)行指紋分析以代替人工比對(duì)，這就是“自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)”（AutomatedFingerprintIdentificationSystem，簡(jiǎn)稱AFIS）。到70年代，由于計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用及模式識(shí)別理論的發(fā)展，世界各國(guó)都爭(zhēng)相開(kāi)發(fā)使用自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)。20世紀(jì)70年代末一些實(shí)用系統(tǒng)已經(jīng)出現(xiàn)，如加拿大警方首次應(yīng)用激光進(jìn)行指紋檢驗(yàn)。日本立石電機(jī)公司80年代研制出了指紋核對(duì)機(jī)。美國(guó)人福勒80年代設(shè)計(jì)了指紋電子檢驗(yàn)系統(tǒng)。1982年日本NEC首次向警方提供了AFIS。目前世界上有30多家著名大學(xué)、科研機(jī)構(gòu)、公司一直從事自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)方面研究[14]。我國(guó)的指紋自動(dòng)識(shí)別技術(shù)研究，已經(jīng)經(jīng)歷了較長(zhǎng)的發(fā)展歷程。時(shí)至近日，自動(dòng)指紋識(shí)別技術(shù)已經(jīng)從單一系統(tǒng)的應(yīng)用，發(fā)展到網(wǎng)絡(luò)化的全面應(yīng)用。20世紀(jì)90年代末期，價(jià)格較低的指紋采集器、快速、匹配的算法發(fā)展為指紋技術(shù)用于個(gè)人身份識(shí)別提供了廣闊的市場(chǎng)空間。指紋識(shí)別技術(shù)被廣泛應(yīng)用意味著它能在影響億萬(wàn)人的日常生活的各個(gè)地方使用。通過(guò)取代個(gè)人識(shí)別碼和口令，指紋識(shí)別技術(shù)可以阻止非授權(quán)；可以防止盜用ATM、蜂窩電話、智能卡、桌面PC、工作站及其計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)；在通過(guò)電話、網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行的金融交易時(shí)可以進(jìn)行身份認(rèn)證；在建筑物或工作場(chǎng)所可以取代鑰匙、證件、圖章等。指紋識(shí)別技術(shù)的飛速發(fā)展及其廣泛應(yīng)用開(kāi)創(chuàng)了個(gè)人身份鑒別的新時(shí)代。2.1.3自動(dòng)指紋識(shí)別技術(shù)的優(yōu)勢(shì)與前景生物特征識(shí)別可以采用很多方法，如人像，指紋，虹膜和聲紋等，而其中指紋識(shí)別在廣泛性，持久性，獨(dú)特性，防偽性和采集性等多方面都具有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，因此也成為了目前應(yīng)用最為廣泛的生物特征識(shí)別技術(shù)。在惟一性方面，相對(duì)于面部、聲音等識(shí)別技術(shù)，指紋因其特征數(shù)量較多，且特征定位精確度可以做得更高，故惟一性好；在穩(wěn)定性方面，由于一個(gè)人在出生時(shí)指紋就已經(jīng)被定型了，隨著年齡的增長(zhǎng)指紋永久不變，因此不變性較面部、聲音等優(yōu)越；在方便性方面，與虹膜、視網(wǎng)膜等采樣難度較高的情況相比，指紋樣本便于獲取，采樣成本較低，識(shí)別系統(tǒng)中硬件部分較容易實(shí)現(xiàn)，因此方便性相對(duì)較好。商用指紋識(shí)別技術(shù)在中國(guó)的應(yīng)用雖然還只有10年左右的時(shí)間，但已得到了很大的發(fā)展和進(jìn)步。國(guó)內(nèi)從業(yè)公司不斷增加，理論研究不斷得以增強(qiáng)，國(guó)產(chǎn)商品質(zhì)量和檔次不斷提高，產(chǎn)品價(jià)格逐漸降低到合理水平，指紋識(shí)別應(yīng)用領(lǐng)域已從簡(jiǎn)單的門(mén)禁擴(kuò)展到門(mén)禁/考勤、金融、社會(huì)福利、計(jì)算機(jī)信息安全及ID證卡等多個(gè)領(lǐng)域，中國(guó)龐大的潛在市場(chǎng)吸引著越來(lái)越多的國(guó)內(nèi)外投資者涉及這一領(lǐng)域。這一切都顯示了中國(guó)指紋市場(chǎng)極其廣闊的前景。2.2指紋識(shí)別的采集及其參數(shù)[15]指紋具有惟一性（隨身攜帶、難以復(fù)制、人人不同、指指相異）。根據(jù)指紋學(xué)理論，將兩人指紋分別匹配上12個(gè)特征時(shí)的相同幾率僅為1/1050。指紋還具有終身基本不變的相對(duì)穩(wěn)定性。指紋在胎兒六個(gè)月時(shí)已完全形成，隨著年齡的增長(zhǎng)，盡管人的指紋在外形大小、紋線粗細(xì)上會(huì)有變化，局部紋線之間也可能出現(xiàn)新細(xì)線特征，但從總體上看，同一手指的指紋紋線類(lèi)型、細(xì)節(jié)特征的總體布局等無(wú)明顯變化。指紋的這些特點(diǎn)為身份鑒定提供了客觀依據(jù)。指紋識(shí)別過(guò)程可以分為4個(gè)步驟：采集指紋圖像、提取特征、保存數(shù)據(jù)和比對(duì)。通過(guò)指紋讀取設(shè)備讀取到人體指紋的圖像,取到指紋圖像之后，要對(duì)原始圖像進(jìn)行初步的處理，使之更清晰。指紋辨識(shí)軟件建立指紋的數(shù)字表示特征數(shù)據(jù)，軟件從指紋上找到被稱為“節(jié)點(diǎn)”（minutiae）的特征點(diǎn)，這些數(shù)據(jù)(通常稱為模板)，保存為1K大小的記錄。最后，通過(guò)計(jì)算機(jī)模糊比較的方法，把兩個(gè)指紋的模板進(jìn)行比較，計(jì)算出它們的相似程度，最終得到兩個(gè)指紋的匹配結(jié)果。2.2.1指紋圖像的采集[16][17][18]指紋采集模式主要分為“離線式”和“在線式”兩種。所謂“離線式”就是指在指紋采集時(shí)，利用某些中間介質(zhì)（如油墨和紙張）來(lái)獲取指紋圖像，在通過(guò)一定的技術(shù)手段將圖像數(shù)字化輸入計(jì)算機(jī)，它屬于非實(shí)時(shí)采集。目前“離線式”采集方式在大多數(shù)場(chǎng)合已經(jīng)消失。所謂“在線式”是通過(guò)與計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)的先進(jìn)指紋傳感器的專用指紋采集設(shè)備，將真實(shí)的人體指紋直接變成數(shù)字圖像數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)傳輸給計(jì)算機(jī)?；谥讣y傳感器的“在線式”實(shí)時(shí)采集設(shè)備以其操作簡(jiǎn)單、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、采集效率高、圖像質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于自動(dòng)指紋識(shí)別領(lǐng)域。指紋傳感器是采集指紋的裝置,是一切自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)的必備設(shè)備,從原理上,目前見(jiàn)到的指紋傳感器分下面3類(lèi)：(1)光學(xué)錄入它是最早開(kāi)發(fā)的指紋輸入裝置,多采用紅外主動(dòng)光斜向照射指尖,利用全反射的原理,在反射方向接收指紋影像。指紋影像由CCD攝像頭接收,輸出的視頻信號(hào)由圖像采集卡數(shù)字化后輸入計(jì)算機(jī).近年來(lái),也有用CMOS攝像頭直接獲取指紋圖像的數(shù)字信號(hào),通過(guò)計(jì)算機(jī)并口或USB口輸入計(jì)算機(jī)。由于不需要附加卡,這種帶USB口的CMOS指紋傳感器有成本低且安裝方便的特點(diǎn),很受市場(chǎng)歡迎。(2)硅晶體電容式傳感器錄入硅晶體電容式傳感器是最近在市場(chǎng)上才出現(xiàn)的。這些含有微型晶體的平面通過(guò)多種技術(shù)來(lái)繪制指紋圖像。電容傳感器通過(guò)電子度量設(shè)計(jì)來(lái)捕捉指紋。電容設(shè)備能結(jié)合大約100,000導(dǎo)體金屬陣列的傳感器，其外面是絕緣的表面，當(dāng)用戶的手指放在上面時(shí)，皮膚組成了電容陣列的另一面。電容器的電容值因兩極間的距離而變化，這里指的是脊（近的）和谷（遠(yuǎn)的）之間的距離。壓感式表面的頂層是具有彈性的壓感介質(zhì)材料，他們依照指紋的外表地形（凹凸）轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電子信號(hào)。硅晶體電容式不需要光線參與,小型化有優(yōu)勢(shì),并且不需要指尖移動(dòng),而是一次成像如果能夠克服目前一些產(chǎn)品容易受靜電影響擊穿(尤其在我國(guó)北方干燥季節(jié))的缺陷,它將是未來(lái)最受歡迎的指紋傳感器。(3)超聲波錄入超聲波錄入是目前采樣效果最好的指紋采樣設(shè)備，當(dāng)超聲波源發(fā)出超聲波通過(guò)傳感器表面達(dá)到手指表面時(shí)，會(huì)被反射回去。皮膚凹陷的部分與傳感器表面間有較多的空氣及雜質(zhì)，會(huì)吸收一部分超聲波。這樣皮膚突起部分反射回的超聲波比凹陷部分的更強(qiáng)，從而依據(jù)超聲波的強(qiáng)弱形成指紋紋理圖像。最近幾年，指紋傳感器的價(jià)格已經(jīng)劇烈的下降。至于體積，光學(xué)傳感器的體積從6×3×3英寸降到3×1×1英寸。硅晶體電容式傳感器的體積差不多是這樣或者更小。在晶片上，集成電路的技術(shù)越來(lái)越高（如：數(shù)字化電路把指紋信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)強(qiáng)度），系統(tǒng)體積將越來(lái)越小，硅晶體電容式傳感器的體積接近與手指大小所需要的體積，其長(zhǎng)寬大約是1×1英寸高不到1英寸。在硅晶體電容式傳感器之前，一些沒(méi)有用到的機(jī)能是局部調(diào)整、軟件控制、自動(dòng)獲取控制(AGC)技術(shù)。對(duì)于大多數(shù)光學(xué)設(shè)備，只能通過(guò)人工調(diào)整來(lái)改變圖像的質(zhì)量。然而，硅晶體電容式傳感器提供自動(dòng)調(diào)節(jié)象素，行以及局部范圍的敏感程度，從而提高圖像的質(zhì)量。AGC在不同的環(huán)境下結(jié)合反饋的信息產(chǎn)生高質(zhì)量的圖像。例如，一個(gè)不清晰（對(duì)比度差）的圖像，如干燥的指紋，能夠被感覺(jué)并增強(qiáng)靈敏度，在捕捉的瞬間產(chǎn)生清晰的圖像（對(duì)比度好）；由于提供了局部調(diào)整的能力，圖像不清晰（對(duì)比度差）的區(qū)域也能夠被檢測(cè)到（如：手指壓得較輕的地方）并在捕捉的瞬間為這些像素提高靈敏度。表2.1幾種取像設(shè)備的性能比較比較項(xiàng)目光學(xué)全反射技術(shù)電容傳感技術(shù)超聲波掃描體積大小中耐用性非常耐用容易損壞一般成像能力干手指差，但汗多的和稍臟的手指成像模糊干手指好，但汗多的和稍臟的手指不能成像非常好耗電較多較少較多成本低低很高2.2.2指紋圖像的參數(shù)衡量一個(gè)指紋傳感器的質(zhì)量，可以通過(guò)考察其輸出數(shù)字化后的指紋圖像的質(zhì)量來(lái)確定。指紋圖像的主要參數(shù)有圖像尺寸、圖像分辨率和圖像的灰度。(1)圖像的尺寸圖像的尺寸通常用長(zhǎng)度(mm)×寬度(mm)來(lái)表示，如18mm×12.7mm,或者用垂直方向上的像素點(diǎn)數(shù)×水平方向上的像素點(diǎn)數(shù)來(lái)表示，如360×256點(diǎn)陣。圖像尺寸和點(diǎn)陣數(shù)越大，則表示指紋傳感器的采集區(qū)域越寬。用于民用領(lǐng)域的指紋傳感器，大多采用平面采集方式，因而不要求較大的采集區(qū)域，一般不小于12.7mm×12.7mm或256*156點(diǎn)陣。(2)圖像分辨率圖像分辨率體現(xiàn)了對(duì)圖像細(xì)紋之處的描述精度，通常用每英寸多少點(diǎn)像素(dpi)來(lái)表示。為了保障提取指紋特征的精確度，指紋圖像應(yīng)有較高的圖像分辨率。一般不低于256dpi，要求較高的場(chǎng)合通常不低于500dpi。(3)圖像的灰度采集設(shè)備與方法不同，所采集到的指紋圖像也不同。絕大多數(shù)指紋圖像是單色圖像，我們把沒(méi)有色調(diào)變化的單色圖像稱為二值圖或黑白圖，具有色調(diào)變化的單色圖像稱灰度圖?；叶葓D含有更加豐富的圖像信息，有利于指紋識(shí)別與對(duì)比。依照對(duì)色調(diào)變化的表現(xiàn)力，灰度圖分為2bit、4bit、6bit、8bit幾個(gè)不同等級(jí)，一般較多采用的是8bit(256級(jí))灰度。2.3指紋的特征指紋分類(lèi)是基于指紋脊或谷的整體流向以及指紋的核心點(diǎn)。指紋分類(lèi)的主要目的是方便大容量指紋庫(kù)的管理，并減小搜索空間，加速指紋匹配過(guò)程。我們定義了指紋的兩類(lèi)特征來(lái)進(jìn)行指紋的驗(yàn)證：總體特征和局部特征。2.3.1指紋的總體特征[19][20][21]總體特征是指那些用人眼直接就可以觀察到的特征，包括基本紋路圖案：環(huán)型（loop），弓型（arch），螺旋型（whorl）。其他的指紋圖案都基于這三種基本圖案。指紋的脊紋形式是適應(yīng)之間的球狀表面和半圓形頂端以及橫行的指間屈基線生長(zhǎng)的，除少數(shù)弓形紋之外，絕大多數(shù)是箕、斗型紋（約占95%），（三種紋形的大致分布概率如表2.2）表2.2紋形的大致分布概率基本紋型弓型箕型斗型分布概率5%60%35%紋型是指紋的基本分類(lèi)，是按中心花紋和三角的基本形態(tài)劃分的。紋形從屬于型，以中心線的形狀定名。按我國(guó)是指紋分析法，指紋分三大類(lèi)型（如圖2.1），五大種形態(tài)?？梢?jiàn)，型與形是類(lèi)與種的關(guān)系?；投沸凸蛨D2.1指紋的紋形(1)箕形紋（Loop）：有一條以上完整的基性線組成中心花紋?；尉€的對(duì)側(cè)有一個(gè)三角的上下之線包圍著中心花紋。按箕技的流向分為橈側(cè)箕形紋（反箕）和尺側(cè)箕形紋（正箕）兩種。按中心花紋的結(jié)構(gòu)形態(tài)又可分為普通箕、閉口箕、葉形箕、橫箕和類(lèi)似斗的箕?；渭y中心和三角之間的距離和紋線數(shù)量多少不一，有的只有1－2條線，多數(shù)為十條線左右，個(gè)別的可達(dá)30余條。(2)斗型紋(Whorl):中心花紋呈環(huán)、螺、曲狀，由內(nèi)向外擴(kuò)展與上下包圍線匯合形成兩個(gè)以上的三角的紋線，稱為斗型紋。分為環(huán)形、螺形、囊形、雙箕形、雜形五種。斗型紋的中心花紋，在由一條環(huán)、螺、曲等紋線構(gòu)成時(shí)，與兩側(cè)三角相對(duì)的弧形線凸面，必須是不折、不斷的，并且不與來(lái)自從三角中的其它紋線相接。(3)弓型紋(Arch):由弓形線和橫直線層疊而成，中心花紋與上下包圍線無(wú)明顯界限，因此也沒(méi)有真正的三角區(qū)。分弧形和帳形紋兩種。(4)弧形紋：是由平緩的或略微突起的弧形線組成的一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的花紋形式。(5)帳形紋：由平行的和突起的弧形線組成。花紋中部有直立的或傾斜的紋線，將弧形線撐起呈帳蓬狀。指紋類(lèi)型的三類(lèi)九種，是按我國(guó)現(xiàn)行的十指指紋分析法劃分的。這是一種基本分類(lèi)，也叫兩極分類(lèi)法。實(shí)際上指紋種類(lèi)遠(yuǎn)不只這些。2.3.2指紋的局部特征

局部特征是指指紋上的節(jié)點(diǎn)的特征，這些具有某種特征的節(jié)點(diǎn)稱為特征點(diǎn)。兩枚指紋經(jīng)常會(huì)具有相同的總體特征，但它們的局部特征—特征點(diǎn)，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(diǎn)、分叉點(diǎn)和轉(zhuǎn)折點(diǎn)就稱為"特征點(diǎn)"。就是這些特征點(diǎn)提供了指紋唯一性的確認(rèn)信息。特征點(diǎn)的分類(lèi)有以下幾種(如圖2.2),最典型的是端點(diǎn)和分叉點(diǎn)[22]。圖2.2指紋特征示意圖很多研究者試圖解決指紋分類(lèi)問(wèn)題，但至今分類(lèi)算法的誤識(shí)率仍較高。如何提高指紋分類(lèi)的準(zhǔn)確率在自動(dòng)指紋識(shí)別研究中是一個(gè)較關(guān)鍵的問(wèn)題。2.3.3應(yīng)用于指紋匹配的指紋特征在指紋特征中由于中心點(diǎn)、三角點(diǎn)、端點(diǎn)、叉點(diǎn)、紋型、相對(duì)紋密度、紋曲率等元素的分布對(duì)于某一個(gè)特定人的指紋來(lái)說(shuō)，在他的一生中永遠(yuǎn)不會(huì)改變，具有終生不變性和惟一性，因而被稱為永久性特征。永久性特征在手指前端的典型區(qū)域(也被稱為中心花紋區(qū))中最為清晰和明顯，其分布也最均勻，是指紋匹配的主要參數(shù)[23]。2.4指紋圖像處理與識(shí)別指紋圖像處理與識(shí)別是自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)的核心技術(shù),其研究已有很長(zhǎng)的歷史了,但是總體的思路變化不大?？梢园炎R(shí)別算法大致分為下述3個(gè)步驟:(1)圖像預(yù)處理原始指紋圖像需要進(jìn)行濾波除噪、脊線增強(qiáng)、動(dòng)態(tài)二值化、方向信息計(jì)算、初分類(lèi)、背景分割、紋線間隔估計(jì)等處理。圖像預(yù)處理的效果好壞直接影響系統(tǒng)性能。個(gè)別應(yīng)用還需要指紋圖像的壓縮編碼。預(yù)處理的目的是改善輸入指紋圖像的質(zhì)量，以提高特征提取的準(zhǔn)確性。預(yù)處理?；诜较驁D，方向圖是指紋圖像的近似描述，方向圖的每一元素代表指紋圖像中某個(gè)給定區(qū)域的紋理方向。原始指紋圖像一般有很多噪聲、斷紋或紋線模糊等，需要進(jìn)行圖像增強(qiáng)（使用濾波技術(shù)）以改善質(zhì)量。由于指紋的特征僅包含在紋線的形狀結(jié)構(gòu)中，所以，通過(guò)二值化和細(xì)化把深淺不一、寬度不同的紋線變成灰度相同的單像素寬的細(xì)紋線，以便于特征提取。(2)指紋特征提取包括紋線細(xì)化、特征點(diǎn)(交叉點(diǎn)、斷點(diǎn)、中心點(diǎn)、三角點(diǎn)等)檢測(cè)與分類(lèi)、偽特征點(diǎn)消除、特征點(diǎn)特性參數(shù)計(jì)算、特征參數(shù)壓縮編碼、全局特征(“斗”、“箕”、“旋向”等)檢測(cè)等步驟。特征提取算法應(yīng)能適應(yīng)噪聲、畸變、位移、旋轉(zhuǎn)、缺損、變形等常見(jiàn)的實(shí)際情況。經(jīng)預(yù)處理后的指紋圖像通過(guò)相應(yīng)的處理算法自動(dòng)提取指紋的全局特征和細(xì)節(jié)特征。自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)中一般把指紋的類(lèi)型分為弓、左箕、右箕、斗、雜和不可分六類(lèi)。細(xì)節(jié)特征主要由其位置和方向確定，因此細(xì)節(jié)特征一般只考慮紋線的端點(diǎn)和分叉點(diǎn)（包括匯合點(diǎn)），眼和橋等也用相應(yīng)的分叉點(diǎn)表示，不再特殊區(qū)分，在有的系統(tǒng)中，還將細(xì)節(jié)特征與中心之間、或細(xì)節(jié)特征之間的紋線數(shù)提取并記錄下來(lái)。提取后的特征還需要進(jìn)行后處理以去掉假特征。(3)指紋特征比對(duì)即比較現(xiàn)場(chǎng)提取的某一個(gè)指紋特征點(diǎn)集合和原先建立的數(shù)據(jù)庫(kù)中的某一個(gè)指紋特征點(diǎn)集合的相似程度。通常用代價(jià)函數(shù)(或匹配能量)來(lái)表示相似程度,取合適的門(mén)限將給出該兩組指紋特征是否來(lái)自同一枚指頭的判斷。特征比對(duì)的方法有點(diǎn)圖松弛匹配方法、最小距離圖法和Delaunay三角形化變換等。2.5指紋算法的具體性能評(píng)價(jià)指標(biāo)[24]就一個(gè)自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其指紋識(shí)別算法的精確度是整個(gè)系統(tǒng)性能指標(biāo)中最為關(guān)鍵的指標(biāo)。所謂指紋識(shí)別算法的精確度是指其識(shí)別與提取的特征數(shù)量與準(zhǔn)確率及進(jìn)行特征匹配時(shí)的準(zhǔn)確率。下面線介紹一下有關(guān)指紋識(shí)別的基本概念。匹配(Matching):匹配也稱對(duì)比過(guò)程，是指將兩個(gè)指紋特征模板通過(guò)相應(yīng)的算法求出它們之間的相似程度的處理過(guò)程。若相似程度大于一個(gè)事先給定的門(mén)限閾值，則該筆對(duì)結(jié)果被認(rèn)為接受或者稱匹配。反之，則被視為拒絕或不匹配。認(rèn)證(Verification)：認(rèn)證是指將現(xiàn)場(chǎng)采集的待測(cè)指紋樣本與標(biāo)本指紋特征模板進(jìn)行“一對(duì)一”比對(duì)(OnetoOneMatching,簡(jiǎn)記為1：1)，得出“是否是同一人”的結(jié)論。識(shí)別(Identification):識(shí)別是指將現(xiàn)場(chǎng)采集到的待測(cè)指紋樣本與指紋特征數(shù)據(jù)庫(kù)中的標(biāo)本指紋進(jìn)行“一對(duì)多”的搜索比對(duì)(OnetoManyMatching,簡(jiǎn)記為1：N)，得出“有無(wú)此人”以及“此人是誰(shuí)”的結(jié)論。門(mén)限閾值(Threshold):門(mén)限閾值是用于判別兩個(gè)指紋特征模板相似程度的分界值，門(mén)限閾值定的越高，表示對(duì)相似度的要求越嚴(yán)。(1)拒識(shí)率和誤識(shí)率a.拒識(shí)率(FalseRejectionRate，F(xiàn)RR)：拒識(shí)率又稱拒真率，指將相同的指紋誤認(rèn)為是不同的指紋，而加以拒絕的出錯(cuò)概率。

其定義為：FRR=拒識(shí)的指紋數(shù)目/考察的指紋總數(shù)目×100%。b.誤識(shí)率(FalseAcceptRate,FAR)：誤識(shí)率又稱認(rèn)假率，指將不同的指紋誤認(rèn)為是相同的指紋，而加以接收的出錯(cuò)概率。其定義為：FRR=錯(cuò)判的指紋數(shù)目/考察的指紋總數(shù)目×100%。(2)拒登率

拒登率(ErrorRegistrationRate，ERR)是用來(lái)描述指紋設(shè)備的適應(yīng)性。其定義為：ERR=出現(xiàn)不能登錄及處理的指紋數(shù)目/考察的指紋總數(shù)目×100%。ERR指的是指紋設(shè)備出現(xiàn)不能登錄及處理的指紋的概率，拒登率ERR過(guò)高將會(huì)嚴(yán)重影響設(shè)備的使用范圍。

(3)速度

指紋識(shí)別系統(tǒng)的工作速度主要由采集時(shí)間、圖像處理時(shí)間、比對(duì)時(shí)間和平均識(shí)別速度幾項(xiàng)指標(biāo)構(gòu)成。采集時(shí)間通常包含了采集的操作時(shí)間和圖像的傳輸時(shí)間；圖像處理時(shí)間，指的是從計(jì)算機(jī)處理指紋圖像到提取出所有特征、輸出特征模板所耗費(fèi)的時(shí)間；比對(duì)時(shí)間，指計(jì)算機(jī)對(duì)兩組指紋特征模板進(jìn)行比對(duì)并給出結(jié)果所耗費(fèi)的時(shí)間；平均識(shí)別速度，指計(jì)算機(jī)從指紋特征模板庫(kù)中搜索出特定指紋特征模板的速度，通常是一個(gè)統(tǒng)計(jì)平均值，其速度的快慢與指紋特征模板庫(kù)的分類(lèi)方法有很大關(guān)系。(4)平衡點(diǎn):即調(diào)整指紋識(shí)別的門(mén)限,使拒真率和認(rèn)假率相同，平衡點(diǎn)越低越好。(5)建檔時(shí)間:即平均每一枚指紋進(jìn)行指紋圖像采集、圖像處理、特征提取和特征建庫(kù)的時(shí)間，建檔時(shí)間越短越好。(6)比對(duì)效率:即在建檔后,直接比對(duì)一對(duì)指紋特征(不進(jìn)行圖像處理和特征提取)所用的時(shí)間,一般用每秒鐘比對(duì)的次數(shù)來(lái)表示,當(dāng)然越多越好。(7)特征文件字節(jié)數(shù):即平均每一枚建檔指紋所用的特征文件長(zhǎng)短,用字節(jié)表示,越短越好。(8)算法通用性:即指紋識(shí)別算法對(duì)指紋傳感器的敏感性。需要考慮當(dāng)傳感器圖像尺寸、噪聲水平、失真程度、手指摁印角度等因素改變時(shí),識(shí)別算法的適應(yīng)性或程序修改的工作量，這一條暫時(shí)沒(méi)有具體衡量指標(biāo)。(9)其他軟件工程指標(biāo):包括程序可靠性、易用性、界面友好、統(tǒng)計(jì)資料齊全、數(shù)據(jù)庫(kù)管理方便等。容易看出,上述指標(biāo)互相是有矛盾和抵觸的,單一指標(biāo)衡量算法性能很可能是片面的、不科學(xué)的。所以,從全面的角度衡量性能指標(biāo)是有必要的其中，F(xiàn)AR和FRR是一對(duì)相互矛盾的技術(shù)指標(biāo)，在大多數(shù)“一對(duì)一”比對(duì)中，如普通的指紋門(mén)禁、指紋證件、權(quán)限管理與文件保護(hù)等指紋應(yīng)用場(chǎng)合，考慮到指紋的多樣性和不易仿冒性，對(duì)FAR指標(biāo)的要求可適當(dāng)放寬，而把設(shè)備的易用性和方便性放在第一位，要求FRR值盡可能地低。但是在“一對(duì)多”以及高安全度的應(yīng)用場(chǎng)合，則要求FAR盡可能低，以避免誤認(rèn)他人。事實(shí)上在多數(shù)指紋設(shè)備中，可以通過(guò)改變系統(tǒng)識(shí)別的閾值設(shè)定來(lái)選擇FAR和FRR的數(shù)值。高安全性的指紋設(shè)備通常具有對(duì)活體指紋生命特征的識(shí)別能力，能夠在很大程度上防止假手指作弊，但也正因?yàn)槿绱?，常常容易受各種因素變化（干燥、脫皮、污染、干擾和使用時(shí)壓力或擺放不當(dāng)）的影響而把真手指當(dāng)做假手指拒認(rèn)，從而使其易用性指標(biāo)下降。如何處理安全性與易用性這一對(duì)矛盾，是指紋設(shè)備選購(gòu)時(shí)另一個(gè)值得注意的問(wèn)題。一般除非是用于無(wú)人值守的高安全性場(chǎng)合，指紋設(shè)備的易用性指標(biāo)應(yīng)擺在首位，盡量做到方便、好用，使絕大多數(shù)人在各種環(huán)境下均能使用。2.6本章小結(jié)本章重點(diǎn)介紹了指紋識(shí)別的歷史和發(fā)展過(guò)程，及其原理方法等。并列出了指紋算法的相關(guān)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

第三章指紋識(shí)別算法的實(shí)現(xiàn)3．1指紋圖像的預(yù)處理[25]精確的指紋識(shí)別高度依賴于對(duì)脊線紋理結(jié)構(gòu)、細(xì)節(jié)特點(diǎn)信息的辨識(shí)。然而，在指紋自動(dòng)識(shí)別過(guò)程中,由于手指本身的因素和采集條件等各種原因的影響，從指紋傳感器上采集到的原始指紋會(huì)不同程度地受到各種因素干擾，圖像中往往包含很多的噪聲，造成指紋圖像質(zhì)量嚴(yán)重下降。在實(shí)際應(yīng)用中，指紋圖像質(zhì)量不佳，尤其是噪聲高、壞區(qū)多和對(duì)比度差的劣質(zhì)指紋圖像對(duì)指紋細(xì)節(jié)特征點(diǎn)提取過(guò)程的精確度影響很大。具體表現(xiàn)有：指紋模糊不清造成指紋紋線間的粘連、模糊或斷裂,會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生虛假的指紋細(xì)節(jié)特征點(diǎn)；遺漏或忽略了正確的細(xì)節(jié)特征點(diǎn)；在有關(guān)描述細(xì)節(jié)特征點(diǎn)的位置和方向等屬性時(shí)產(chǎn)生嚴(yán)重失真。因此指紋圖像質(zhì)量的高低直接關(guān)系到細(xì)節(jié)特征點(diǎn)提取的有效性和可信性，影響系統(tǒng)在匹配時(shí)的拒認(rèn)率和誤識(shí)率，從而最終影響整個(gè)系統(tǒng)識(shí)別的結(jié)果。由此可知，在進(jìn)行指紋分類(lèi)和細(xì)節(jié)特征匹配之前一定要先對(duì)采集到的指紋圖像進(jìn)行針對(duì)性的預(yù)處理。預(yù)處理是指紋自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)中的最重要的一步,它的好壞直接影響著指紋識(shí)別的效果。預(yù)處理的目的就是去除圖像中的噪聲,把它變成一幅清晰的點(diǎn)線圖,增強(qiáng)圖像的可識(shí)別性,便于提取正確的指紋特征。圖像的預(yù)處理大致可以劃分為以下幾步：平滑濾波，歸一化，二值化。主要流程如下圖灰度圖平滑濾波歸一化灰度圖平滑濾波歸一化二值化細(xì)化處理圖3.1預(yù)處理主要流程3.1.1圖像的平滑指紋圖像預(yù)處理的過(guò)程是從對(duì)原始指紋圖像的灰度圖進(jìn)行平滑處理開(kāi)始的。平滑處理就是通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)臑V波程序?qū)υ贾讣y圖像進(jìn)行濾波處理，濾掉圖像中不必要的高頻成分。其主要作用是盡量保持圖像中紋路邊緣完好的前提下，去除原始指紋圖像中一些離散、孤立的高對(duì)比度像素點(diǎn)在后續(xù)的指紋圖像處理過(guò)程中可能造成的計(jì)算與分析誤差，同時(shí)也可以盡量消除指紋圖像中由于圖像噪聲存在而導(dǎo)致的紋路中脊線上呈現(xiàn)的許多的微小疵點(diǎn)[26]。G.T.Candela使用二維FFT變換濾波法。這些方法主要是針對(duì)離線采集的指紋圖像比較合適，對(duì)計(jì)算機(jī)的性能要求比較高。而對(duì)于指紋圖像質(zhì)量比較差，對(duì)比度小，指紋重疊區(qū)域小，而且處理的是活體實(shí)時(shí)采集的指紋圖像，這就需要一些更有效，速度更快的指紋圖像增強(qiáng)算法。本文采取的直方圖均衡化[27]來(lái)實(shí)現(xiàn)圖象的增強(qiáng)。直方圖均衡化處理的中心思想是把原始圖像的灰度直方圖從比較集中的某個(gè)灰度區(qū)間變成在全部灰度范圍內(nèi)的均勻分布。對(duì)圖像空間域點(diǎn)的增強(qiáng)過(guò)程是通過(guò)增強(qiáng)函數(shù)t=EH(s)來(lái)完成的，t、s分別為目標(biāo)圖像和原始圖像上的像素點(diǎn)(x，y)，在進(jìn)行均衡化處理時(shí)，增強(qiáng)函數(shù)EH需要滿足兩個(gè)條件：[28][29](1)增強(qiáng)函數(shù)EH(s)在0≤s≤L-1的范圍內(nèi)是一個(gè)單調(diào)遞增函數(shù)，這個(gè)條件保證了在增強(qiáng)處理時(shí)沒(méi)有打亂原始圖像的灰度排列次序；(2)對(duì)于0≤s≤L-1應(yīng)當(dāng)有0≤EH(s)≤L-1，它保證了變換過(guò)程中灰度值的動(dòng)態(tài)范圍的一致性。同樣的，對(duì)于反變換過(guò)程s=EH-1(t),在0≤t≤1時(shí)也必須滿足上述兩個(gè)條件。通過(guò)該函數(shù)可以完成s到t的均勻分布轉(zhuǎn)換。在實(shí)際處理變換時(shí)，一般先對(duì)原始圖像的灰度情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并計(jì)算出原始直方圖分布，然后根據(jù)計(jì)算出的累計(jì)直方圖分布tk，按式tk=[(N-1)*tk+0.5]對(duì)其取整并得出源灰度Sk到tk的灰度映射關(guān)系，其中N為灰度的級(jí)數(shù)。重復(fù)上述步驟，得到所有的源圖像各灰度級(jí)到目標(biāo)圖像各灰度級(jí)的映射關(guān)系，再按照新的映射關(guān)系對(duì)源圖像各點(diǎn)像素進(jìn)行灰度轉(zhuǎn)換，即可完成對(duì)源圖的直方圖均衡化。具體方法是：給出原始圖像所有灰度級(jí)Sk,k=0,1…，L-1。統(tǒng)計(jì)原始圖像各灰度級(jí)的像素?cái)?shù)nk。用式P(Sk)=nk/n,k=0,1…，L-1計(jì)算原始圖像的直方圖。計(jì)算原始圖像的累計(jì)直方圖：

tk=EH(Sk)=∑(ni/n)=∑Ps(si)，（k=0，1，2……L-1）取整計(jì)算：tk=int[(N-1)tk+k/N]確定映射關(guān)系Sk-tk。統(tǒng)計(jì)新直方圖各灰度級(jí)的像素?cái)?shù)nk。計(jì)算新的直方圖：Pl(tk)=nk/n

上述求和區(qū)間為0到k，根據(jù)該方程可以由原圖像的各像素灰度值直接得到直方圖均衡化后各像素的灰度值。圖3.2給出了用Matlab處理的一幅指紋圖像直方圖均衡化前后的指紋圖像和直方圖。圖3.2直方圖均衡化圖像和直方圖從處理前后的圖像可以看出，許多在原始圖像中看不清的細(xì)節(jié)在直方圖均衡化處理后所得的圖像中都變得十分清晰。3.1.2圖像的歸一化[30]對(duì)平滑后的指紋圖像，要對(duì)其進(jìn)行更高強(qiáng)度的平滑處理，求出其平均灰度的分布規(guī)律。從頻域分析的角度上描述，則是求出該圖像的低頻分量的分布規(guī)律。首先，以待處理指紋圖像的分辨率和指紋的平均紋密度參數(shù)，確定考察中的一個(gè)局部像素的鄰近區(qū)域窗口值的有效范圍大小。然后逐個(gè)對(duì)原始灰度圖中的所有像素及其鄰近區(qū)域進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)給定的平滑強(qiáng)度系數(shù)得出平滑后的指紋灰度圖。該部分具體處理仍可采用平均濾波器來(lái)完成。所不同的是，在該平均域?yàn)V波中，當(dāng)前處理像素點(diǎn)的模板即參考鄰域窗口，其域值取值范圍較圖像平滑時(shí)所選擇的窗口值(window為一)的模板大。其相應(yīng)處理程序的數(shù)學(xué)模型可以有下列公式來(lái)描述：Gij=其中，I為平滑處理后的指紋圖像，G為平滑處理后的灰度分布圖。Window的取值范圍與指紋圖像的紋密度有關(guān)，不同年齡、性別、人種的指紋密度不同。當(dāng)指紋圖像為亞裔人的指紋圖像，若指紋圖像的分辨率為500像素/英寸時(shí)，window值取16，平滑效果較為理想。利用高強(qiáng)度處理后的指紋平均灰度分布圖，可以進(jìn)一步求出像素的灰度平均值與像素周?chē)叶茸兓钠骄?，從而得到歸一化圖像。該過(guò)程可由下列公式來(lái)描述：這里I為平滑后的指紋圖像，G為高強(qiáng)度后的灰度分布圖，V為指紋灰度變化的梯度分布圖，R為歸一化后的指紋圖像。Window的取值范圍可與前述的平滑處理公式取相同的值或相近值。圖3.3所示為用Matlab處理的高強(qiáng)度濾波后指紋圖像的灰度分布，圖3.4所示為歸一化處理后的指紋圖像。圖3.3高強(qiáng)度濾波后灰度分布圖圖3.4歸一化后指紋圖歸一化處理使圖像有一致方差，具有統(tǒng)一的背景與前景色調(diào)，它不會(huì)改變指紋圖像中的脊線紋理信息。3.1.3圖像的紋理方向[31]指紋圖像是一種帶有紋理特性的圖像，圖像中每一個(gè)局部圖形以至于每一個(gè)像素都帶有一定程度的方向性，方向矢量分布圖是指指紋圖像的一種變換表示形式。方向矢量的分布圖對(duì)于指紋圖像的處理十分重要，其主要原因是他完整地描述了指紋圖像的一個(gè)重要特性，即紋理的方向性。為了便于分析和處理，在沿指定區(qū)域或指定像素為中心，以window直為半徑的參考鄰域中，3600方向上灰度變化梯度最小的方向定義為該指定區(qū)域或指定像素的方向。關(guān)于計(jì)算指紋方向圖像的點(diǎn)方向圖的方法，B.M.Mthre在1987年提出了方向圖分解方法。采用下列公式來(lái)表示：另一種方法是通過(guò)峰值點(diǎn)來(lái)識(shí)別紋線的存在性。這一方法對(duì)清晰的紋線十分理想，但對(duì)于三角點(diǎn)及灰度均勻區(qū)域，峰值不明顯。本文采用計(jì)算較為簡(jiǎn)單的八方向場(chǎng)法，參見(jiàn)圖3.5圖3.5像素八個(gè)方向示意圖具體步驟為：先用下列公式來(lái)分別求出指紋圖像中各個(gè)像素的灰度變化的梯度值在D[0]00(1800)、D[1]450(2250)、D[2]900(2700)、D[3]1350(3150)八個(gè)方向上的分量：式中，I為指紋圖像，window為參考鄰與的窗口值?；叶茸兓奶荻戎翟?0(1800)方向上的分量：dh[0]=d[0]灰度變化的梯度值在450(2250)方向上的分量：dh[1]=d[1]/灰度變化的梯度值在900(2700)方向上的分量：dh[2]=d[2]灰度變化的梯度值在1350(3150)方向上的分量：dh[3]=d[3]/然后通過(guò)矢量合成來(lái)求出各個(gè)方向灰度變化的梯度值，取值最小的方向，即灰度變化梯度最小的方向就是像素點(diǎn)的方向。圖3.6是通過(guò)快速二維傅利葉變換后的頻域處理來(lái)得到的方向圖。圖3.6指紋圖形塊方向分布圖3.1.4圖像的二值化[32][33]指紋圖像的二值化就是從一個(gè)具有紋理灰度變化的指紋圖像生成另一個(gè)只有兩種色調(diào)的黑白分明的指紋圖像。二值化操作使得指紋灰度中，相對(duì)色調(diào)較淺的谷紋線部分被轉(zhuǎn)成了白色，而相對(duì)較深的脊紋線部分被轉(zhuǎn)成了黑色。使具有灰度的圖像變成只有黑白兩種色調(diào)的二值化圖像，圖像的灰度層次從原來(lái)的256級(jí)減少到2級(jí)，相應(yīng)地圖像也從8bit格式轉(zhuǎn)成1bit的格式。圖像的預(yù)處理中，二值化是最為重要的一部分，一般二值化處理會(huì)在指紋圖像的紋理增強(qiáng)(定向?yàn)V波)過(guò)程中多次反復(fù)調(diào)用。通常二值化和定向?yàn)V波是交叉進(jìn)行的，二值化結(jié)果的質(zhì)量直接影響到后續(xù)工作的質(zhì)量。良好的二值化圖像應(yīng)是使原圖像紋路突出，去噪聲，最主要的是保留指紋原圖像的細(xì)節(jié)特征。但是二值化的過(guò)程中，若相關(guān)的參數(shù)和閾選取不當(dāng)，也會(huì)造成指紋信息的損失或產(chǎn)生錯(cuò)誤特征。因此二值化過(guò)程中的相關(guān)參數(shù)和閾值，必須通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行分析，謹(jǐn)慎選用。長(zhǎng)期以來(lái)，有許多的人對(duì)指紋圖像二值化方法和效果進(jìn)行過(guò)研究，提出了不同的方案。其中A.Rosenfield和A.B.Kak提出采用適當(dāng)?shù)拈撝祵?duì)指紋圖像進(jìn)行分析，在指紋灰度直方圖中效果較好。Boukarouba提出了直方圖和分布曲線曲率相結(jié)合的方法，處理了具有多峰直方圖的指紋圖像。D.Marr等利用邊沿窗口提取紋線輪廓，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)圖像分解，對(duì)連續(xù)變化的灰度圖效果較好。在原始指紋灰度圖中，指紋脊紋路的灰度值并不是一直不變的，在圖像的不同區(qū)域有著不同的分布規(guī)律。不能簡(jiǎn)單的采用一個(gè)固定的閾值來(lái)進(jìn)行二值化。采用“局部自適應(yīng)的閾值(LocallyAdaptiveThresholding)”的方法，對(duì)原始灰度圖中的所有像素逐個(gè)進(jìn)行考察，并根據(jù)每個(gè)待判定像素鄰近區(qū)域的其他像素的灰度分布情況來(lái)調(diào)整其二值化的閾值，最終得出二值化指紋圖像。本文采取迭代閾值的方法對(duì)指紋圖像進(jìn)行閾值分割,這種方法是以自適應(yīng)的閾值對(duì)指紋圖像進(jìn)行二值化處理。在圖像處理中,反復(fù)地用一種運(yùn)算直至條件滿足而得到輸出圖像的方法稱為迭代。迭代閾值方法如下:

(1)設(shè)定初始灰度閾值T(如令T＝127),把指紋圖像的灰度值分為兩組R1和R2。

(2)計(jì)算兩組的平均灰度值u1和u2。

(3)重新設(shè)定新的灰度閾值T。新的T定義為:T＝(u1+u2)/2。

(4)依據(jù)新的T對(duì)指紋圖像進(jìn)行閾值分割。

二值化處理后的指紋圖像如圖3.7所示。圖3.7二值化后指紋圖像3.1.5紋線細(xì)化[34][35][36]指紋圖像處理中物體的形狀信息是十分重要的，為了提取指紋圖像特定區(qū)域的特征，對(duì)指紋圖像通常需要采用細(xì)化算法處理，得到與原來(lái)指紋圖像形狀近似的由簡(jiǎn)單的弧或曲線組成的圖形，這些細(xì)線處于物體的中軸附近，這就是所謂的指紋圖像的細(xì)化。細(xì)化方法不同,細(xì)化結(jié)果就有差異。在指紋識(shí)別中要求在不改變?cè)瓉?lái)指紋圖像的拓樸連通性的同時(shí),細(xì)化的結(jié)果應(yīng)為嚴(yán)格的八鄰域圖像骨架;紋線中除去特征點(diǎn)以外,每個(gè)像素均只與相鄰兩個(gè)像素為八鄰域,抹去任意一像素都將破壞紋線的連接性。概括起來(lái)說(shuō)就是紋線細(xì)化處理要滿足收斂性、連接性、拓樸性、保持性、細(xì)化性、中軸性、快速性的要求。目前為止,關(guān)于細(xì)化方法的研究工作已有很多成果,所采用的方法從使用的觀點(diǎn)來(lái)看,比較多的是采用模板匹配的方法(如迭代法、OPTA單連通法等)。這種方法是根據(jù)某個(gè)像素的局部鄰域(如3×3,5×5等)的圖像特征對(duì)其進(jìn)行處理,此外也有采用邊緣搜索編碼[37]、外輪廓計(jì)算[38]以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等細(xì)化方法。從處理的過(guò)程來(lái)看,主要可以分為串行和并行兩類(lèi),前者對(duì)圖像中當(dāng)前像素處理依據(jù)其鄰域內(nèi)像素的即時(shí)化結(jié)果,且不同的細(xì)化階段采用不同的處理方法;后者對(duì)當(dāng)前的像素處理該像素及其鄰域內(nèi)各像素的前一輪迭代處理的結(jié)果,自始至終采用相同的細(xì)化準(zhǔn)則。對(duì)于任意形狀的區(qū)域，細(xì)化實(shí)質(zhì)上是腐蝕操作的變體，細(xì)化過(guò)程中要根據(jù)每個(gè)像素點(diǎn)的八個(gè)相鄰點(diǎn)的情況來(lái)判斷該點(diǎn)是否可以剔除或保留。

圖3.8根據(jù)某點(diǎn)的八個(gè)相鄰點(diǎn)的情況來(lái)判斷該點(diǎn)是否能刪除圖3.8給出了當(dāng)前需要處理的像素點(diǎn)在不同的八鄰域條件下的情況，可以看出：(1)不能刪，因?yàn)樗莻€(gè)內(nèi)部點(diǎn)，我們要求的是骨架，如果連內(nèi)部點(diǎn)也刪了，骨架也會(huì)被掏空的；(2)不能刪，和(1)是同樣的道理；(3)可以刪，這樣的點(diǎn)不是骨架；(4)不能刪，因?yàn)閯h掉后，原來(lái)相連的部分?jǐn)嚅_(kāi)了；(5)可以刪，這樣的點(diǎn)不是骨架；(6)不能刪，因?yàn)樗侵本€的端點(diǎn)，如果這樣的點(diǎn)刪了，那么最后整個(gè)直線也被刪了，剩不下什么；(7)不能刪，因?yàn)楣铝Ⅻc(diǎn)的骨架就是它自身?？偨Y(jié)上圖，有如下的判據(jù)：(1)內(nèi)部點(diǎn)不能刪除；(2)孤立點(diǎn)不能刪除；(3)直線端點(diǎn)不能刪除；(4)如果P是邊界點(diǎn)，去掉P后，如果連通分量不增加，則P可以刪除。我們可以根據(jù)上述的判據(jù)，事先做出一張表，從0到255共有256個(gè)元素，每個(gè)元素要么是0，要么是1。我們根據(jù)某點(diǎn)的八個(gè)相鄰點(diǎn)的情況查表，若表中的元素是1，則表示該點(diǎn)可刪，否則保留。查表的方法是，設(shè)白點(diǎn)為1，黑點(diǎn)為0；左上方點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)8位數(shù)的第一位（最低位），正上方點(diǎn)對(duì)應(yīng)第二位，右上方點(diǎn)對(duì)應(yīng)的第三位，左鄰點(diǎn)對(duì)應(yīng)第四位，右鄰點(diǎn)對(duì)應(yīng)第五位，左下方點(diǎn)對(duì)應(yīng)第六位，正下方點(diǎn)對(duì)應(yīng)第七位，右下方點(diǎn)對(duì)應(yīng)的第八位，按這樣組成的8位數(shù)去查表即可?？紤]當(dāng)前像素點(diǎn)的各種八鄰域的情況，我們可以得到一個(gè)細(xì)化操作查找表，該表在下面的細(xì)化算法中詳細(xì)介紹。

為了避免分裂指紋圖像，細(xì)化的過(guò)程分為兩個(gè)步驟，第一步是正常的腐蝕操作，但是它是有條件的，也就是說(shuō)那些被標(biāo)記的可除去的像素點(diǎn)并不立即消去；在第二步中，只將那些消除后并不破壞連通性的點(diǎn)消除，否則的話保留這些邊界點(diǎn)。以上的步驟是在一個(gè)3×3鄰域內(nèi)運(yùn)算，可以通過(guò)查表實(shí)現(xiàn)細(xì)化的操作。算法的實(shí)現(xiàn)步驟如下：

(1)定義一個(gè)3×3模板和一個(gè)查找表，模板和查找表分別如表3.1和圖3.9所示：表3.1:細(xì)化模板1241282568643216圖3.9細(xì)化查找表(2)對(duì)二值圖像從上到下、從左到右進(jìn)行掃描；該過(guò)程結(jié)束后再對(duì)圖像進(jìn)行從左到右，從上到下的掃描；如果圖像中當(dāng)前像素點(diǎn)的灰度值為"0"，且其左右（第一次掃描過(guò)程考慮左右像素點(diǎn)）或上下（第二次掃描過(guò)程考慮上下兩個(gè)像素點(diǎn)）兩個(gè)像素點(diǎn)中有任意一個(gè)為"255"則轉(zhuǎn)至步驟(3)，否則回轉(zhuǎn)到步驟(2)；

(3)該像素點(diǎn)為中心的3×3區(qū)域內(nèi)的各個(gè)像素值和定義的模板中的權(quán)值進(jìn)行卷積求和，得到查找索引值k；

(4)根據(jù)這個(gè)索引值k得到表里相應(yīng)的數(shù)據(jù)，如果為"1"，那么該像素點(diǎn)的灰度值設(shè)為"255"，如果為"0"，則該像素點(diǎn)的灰度值為"0"。

(5)圖像從頭至尾掃描二遍后，如果該次掃描修改了圖像中的點(diǎn)，則跳轉(zhuǎn)至步驟二，開(kāi)始新的一輪掃描。否則圖像細(xì)化結(jié)束。圖3.10細(xì)化處理后的指紋圖像圖3.10是一幅經(jīng)過(guò)細(xì)化處理后的指紋圖像，和原圖像比較可知，細(xì)化后的指紋圖像脊線的寬度由5到8個(gè)像素被壓縮到一個(gè)像素，以便于后續(xù)特征提取的處理過(guò)程能夠?qū)咕€的斷點(diǎn)和分叉點(diǎn)進(jìn)行精確定位。3.2指紋圖像的特征提取和特征匹配[39][40]3.2.1特征提取指紋識(shí)別系統(tǒng)的自動(dòng)化水平,在很大程度上依賴于系統(tǒng)提取細(xì)節(jié)特征的準(zhǔn)確性。指紋細(xì)節(jié)特征有多種類(lèi)型，從其概率分布圖來(lái)看，以二分叉點(diǎn)和端點(diǎn)最為常見(jiàn)。端點(diǎn)和分叉點(diǎn)是指紋的基本細(xì)節(jié)特征點(diǎn)，他們的集合構(gòu)成特征集，用來(lái)唯一標(biāo)識(shí)指紋。指紋特征提取的方法可以簡(jiǎn)單的分為直接從灰度指紋圖像提取特征和從細(xì)化二值指紋圖像提取特征。典型的直接從灰度圖像提取特征的算法是對(duì)灰度指紋紋線進(jìn)行跟蹤，根據(jù)跟蹤結(jié)果尋找特征的位置和判斷特征的類(lèi)型。該類(lèi)算法雖然省去了復(fù)雜的預(yù)處理過(guò)程，但是特征提取算法卻十分復(fù)雜，而且由于噪聲等因素的影響，特征定位也不夠準(zhǔn)確。目前大多數(shù)系統(tǒng)采用了從細(xì)化二值圖像提取特征的方法，該方法比較簡(jiǎn)單，在得到可靠的細(xì)化二值圖像后，根據(jù)細(xì)化后的二值圖上每一點(diǎn)的交叉數(shù)，確定出端點(diǎn)和分叉點(diǎn)兩種特征點(diǎn)，提取出特征點(diǎn)相應(yīng)的坐標(biāo)位置、種類(lèi)、方向等有用信息。典型的方法是鄰域判定法，該方法用一個(gè)3×3的模板便可將端點(diǎn)和分叉點(diǎn)提取出來(lái)。對(duì)于細(xì)化后的二值圖像，對(duì)每個(gè)點(diǎn)值計(jì)算其交叉數(shù)(Cn)。一點(diǎn)R的交叉數(shù)Cn定義在一個(gè)3×3的模板上，模板如圖3.11所示圖3.11特征提取模板R是待檢驗(yàn)的點(diǎn)，如果R是端點(diǎn)，則它的8鄰域點(diǎn)滿足：如果M是分叉點(diǎn)，則它的8鄰域點(diǎn)滿足：這樣就可以找到特征點(diǎn),并記錄它們的類(lèi)型和位置。求出特征點(diǎn)后，再根據(jù)平均紋線距離等信息對(duì)所得特征點(diǎn)進(jìn)行有效性檢驗(yàn)，去除偽特征點(diǎn)，保留真特征點(diǎn)。然后以特征點(diǎn)的坐標(biāo)(x,y)，及特征點(diǎn)的方向d，結(jié)合其鄰域情況(鄰域內(nèi)的特征點(diǎn)數(shù)、相對(duì)位置、脊線上特征點(diǎn)所處位置的紋曲率、特征點(diǎn)鄰域內(nèi)的脊線紋密度等等)，可以構(gòu)成該指紋細(xì)節(jié)特征點(diǎn)的特征向量。將所有的特征向量進(jìn)行篩選后留下50到80個(gè)特征向量，構(gòu)成指紋特征模板。3.2.2特征點(diǎn)匹配指紋匹配主要是細(xì)節(jié)特征的匹配。依靠指紋本身決定的可靠參考坐標(biāo)系,可以提高指紋匹配的效率。指紋中心處具有很高的不可定向性程度,其附近的紋線方向多變。據(jù)此,我們利用方向圖和不可定向性圖設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了指紋自動(dòng)定位的快速算法。該算法能夠確定指紋中心點(diǎn)的位置和方向,自動(dòng)定位率在98%以上。對(duì)于用活體指紋采集儀輸入的指紋,自動(dòng)定位率更高。用同樣的方法,我們還可以準(zhǔn)確提取指紋的下中心及左、右三角點(diǎn)等形態(tài)特征與輔助定位信息。點(diǎn)模式匹配是模式識(shí)別中的一個(gè)有名的難題。它是對(duì)于兩個(gè)含有不同數(shù)量的點(diǎn)集P：{p1,p2,…pm}和Q：{q1,q2,…qn},如何找出它們之間的匹配關(guān)系。因此，一個(gè)好的點(diǎn)模式匹配算法應(yīng)該能夠有效地解決兩個(gè)點(diǎn)集間的幾何不變量問(wèn)題。人們對(duì)一般的點(diǎn)模式匹配提出很多算法，比如松弛算法，其中有的文獻(xiàn)只處理了點(diǎn)模式間因平移帶來(lái)的偏差，其中計(jì)算復(fù)雜度為O(n4)；也有文獻(xiàn)處理了因平移和旋轉(zhuǎn)帶來(lái)的誤差，其計(jì)算復(fù)雜度為O(n6)；另外有文獻(xiàn)不僅考慮到位移和旋轉(zhuǎn)誤差，還處理了因伸縮尺度不同而帶來(lái)的誤差，但其計(jì)算復(fù)雜度達(dá)到了O(n8)。對(duì)于50-50的點(diǎn)匹配，很多算法要花去幾分鐘的時(shí)間。點(diǎn)模式匹配中的兩個(gè)點(diǎn)集P和Q，其中P從第一幅圖像抽取，有m個(gè)特征點(diǎn)構(gòu)成，Q從第二幅圖像抽取，有n個(gè)特征點(diǎn)構(gòu)成，即P={p1,p2,…pm}和Q={q1,q2,…qn}。它們之間的匹配就是找到一個(gè)校準(zhǔn)函數(shù)G(tx,ty,s,θ)，使兩個(gè)點(diǎn)集有最大數(shù)量點(diǎn)對(duì)之間存在穩(wěn)定的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，即G(pi)=qb。而在實(shí)際應(yīng)用中，點(diǎn)的相對(duì)位置存在誤差，G(pi)不可能完全等于qb，所以一般用<d(d為允許的變形范圍)為表示Q與P中點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。校準(zhǔn)函數(shù)G(tx,ty,s,θ)是一個(gè)含有4個(gè)參數(shù)的仿射變換，其中s是兩幅圖像間的伸縮系數(shù)，θ是偏轉(zhuǎn)角度，tx和ty分別是沿x方向和y方向的位移。下面介紹如何對(duì)兩個(gè)從指紋圖像中抽取的細(xì)節(jié)特征點(diǎn)集，找出它們間的校準(zhǔn)函數(shù)G(tx,ty,s,θ)。對(duì)于點(diǎn)集中的特征點(diǎn)，這里用x方向和y方向的坐標(biāo)來(lái)描述，即P={()T|i=1,…,m}，Q={()T|a=1,…,n}。顯然，若P和Q中只有一個(gè)點(diǎn)存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，即如果存在兩個(gè)點(diǎn)，(pi，qa)，(pj，qb)，則存在唯一的校驗(yàn)函數(shù)G(tx,ty,s,θ)。并且向量和間的校準(zhǔn)函數(shù)為G(0,0,s,θ)。由于指紋圖像一般都是由同一個(gè)采集器采集，所以基本無(wú)收縮，即s=1。指紋圖像每一特征點(diǎn)是一個(gè)五維向量(x,y,β,t,c),其中x,y分別是該點(diǎn)的坐標(biāo)位置，β是細(xì)節(jié)點(diǎn)的方向，t為細(xì)節(jié)點(diǎn)的類(lèi)型(即是分叉點(diǎn)還是端點(diǎn))，c為細(xì)節(jié)特征的置信度?？梢酝ㄟ^(guò)一些合適的算法，通過(guò)在一定范圍搜索參數(shù)空間，計(jì)算其匹配支持?jǐn)?shù)，也就是在該參數(shù)空間里，有多少指紋對(duì)匹配。當(dāng)匹配支持?jǐn)?shù)最大時(shí)，也就得到了所需要的結(jié)果。算法步驟：(1)分別讀取兩個(gè)細(xì)節(jié)點(diǎn)集合；(2)分別計(jì)算他們的r,e,ithetaanglex,y為細(xì)節(jié)點(diǎn)的x，y軸坐標(biāo)，angle為細(xì)節(jié)點(diǎn)的角度(3)依據(jù)ithetaangle的大小按升序排列兩個(gè)細(xì)節(jié)點(diǎn)集合；(4)根據(jù)r,e,ithetaangle的值計(jì)算兩細(xì)節(jié)點(diǎn)集合的匹配支持參數(shù)值editdistance[m][n]；(5)循環(huán)比較editdistance[m][n]與閾值T的大小（本程序T＝10），大于T則匹配度參數(shù)加1。(6)匹配度＝匹配度參數(shù)乘100再除以細(xì)節(jié)點(diǎn)數(shù)，如果大于70，則超過(guò)70％的細(xì)節(jié)點(diǎn)匹配，認(rèn)為兩細(xì)節(jié)點(diǎn)匹配。特征匹配的流程如圖3.12所示開(kāi)始開(kāi)始讀取細(xì)節(jié)點(diǎn)集合1讀取細(xì)節(jié)點(diǎn)集合1

讀取細(xì)節(jié)點(diǎn)集合2讀取細(xì)節(jié)點(diǎn)集合2

分別計(jì)算每個(gè)細(xì)節(jié)點(diǎn)的r分別計(jì)算每個(gè)細(xì)節(jié)點(diǎn)的r，e，ithetaangle

分別升序排列兩個(gè)細(xì)節(jié)點(diǎn)集合

分別升序排列兩個(gè)細(xì)節(jié)點(diǎn)集合

計(jì)算兩個(gè)細(xì)節(jié)點(diǎn)集合相關(guān)系數(shù)editdistance[m][n]計(jì)算兩個(gè)細(xì)節(jié)點(diǎn)集合相關(guān)系數(shù)editdistance[m][n]

循環(huán)比較editdistance[m][n]循環(huán)比較editdistance[m][n]與閾值T的大小，大于T則匹配度參數(shù)加1

兩細(xì)節(jié)點(diǎn)集合不匹配

兩細(xì)節(jié)點(diǎn)集合不匹配匹配度>閾值求匹配度

匹配度>閾值求匹配度

結(jié)束

結(jié)束

兩細(xì)節(jié)點(diǎn)集合匹配

兩細(xì)節(jié)點(diǎn)集合匹配圖3.12細(xì)節(jié)點(diǎn)匹配算法程序框圖3.3本章小結(jié)本章主要討論了一種具體的指紋識(shí)別算法的實(shí)現(xiàn)，并對(duì)其實(shí)現(xiàn)效果進(jìn)行了仿真。第四章基于TMS320C5402的指紋識(shí)別硬件電路數(shù)字信號(hào)處理（DSP）芯片組成的系統(tǒng)可以很好地滿足指紋識(shí)別對(duì)系統(tǒng)的特殊要求。對(duì)于指紋識(shí)別應(yīng)用系統(tǒng)來(lái)說(shuō),要求系統(tǒng)滿足：速度快：要求在1秒內(nèi)完成從采樣到對(duì)比。體積?。耗軌虬惭b在安全門(mén)或保險(xiǎn)箱內(nèi)。價(jià)格低：應(yīng)用于消費(fèi)領(lǐng)域，需要適應(yīng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的需要。在指紋識(shí)別算法程序中指紋圖像的濾波增強(qiáng)和細(xì)化分別占用大約76%和10%的處理時(shí)間[41]。濾波增強(qiáng)和細(xì)化過(guò)程中存在大量的加乘運(yùn)算，用普通的微處理器芯片在短時(shí)間內(nèi)完成算法運(yùn)行存在一定困難，而DSP芯片所特有的硬件乘法器及其很高的數(shù)學(xué)計(jì)算能力，使得處理指紋圖像可以很好地滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性需求。另外，DSP芯片有靈活的外部接口，由它組成的指紋自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)可以集圖像采集，端口驅(qū)動(dòng)等電路模塊于一體，因而體積小價(jià)格也相對(duì)便宜。因此本文選用TI公司的TMS320C5402DSP為硬件系統(tǒng)的內(nèi)核[42]。硬件系統(tǒng)劃分為存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路、指紋采集電路和外圍、接口電路三部分。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖4.1：其它外圍電路TMS320C5402其它外圍電路TMS320C5402數(shù)字信號(hào)處理器指紋采集傳感器接口電路數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器程序存儲(chǔ)器接口電路數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器程序存儲(chǔ)器FLASH邏輯控制電路圖4.1指紋識(shí)別系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)4.1數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)簡(jiǎn)介[43][44][45]4.1.1DSP芯片發(fā)展簡(jiǎn)況自1982年美國(guó)TI公司推出第一個(gè)DSP芯片TMS32010以來(lái),DSP芯片有了很大的發(fā)展。DSP芯片不僅在運(yùn)算速度上有了很大的提高,而且在通用性和靈活性方面了極大地改進(jìn)。此外,DSP芯片的成本、體積、重量和功耗也都有了很大程度的下降。隨著DSP芯片應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大,DSP芯片已形成低、中、高三個(gè)檔次:低端產(chǎn)品執(zhí)行速度一般為20～50MIPS,能維持適量存儲(chǔ)和功耗,提供了較好的性能價(jià)格比,適用于儀器儀表和精密控制等;中端產(chǎn)品執(zhí)行速度一般為100～150MIPS,結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,具有較高的處理速度和低的功耗,適用于無(wú)線電信設(shè)備和高速解調(diào)器等;高端產(chǎn)品執(zhí)行速度一般為1000MIPS以上,處理速度很高,產(chǎn)品結(jié)構(gòu)多樣化,適用于圖像技術(shù)和智能通信基站等。對(duì)于種類(lèi)繁多的DSP芯片,一般可按其工作的數(shù)據(jù)格式將其分為兩大類(lèi)定點(diǎn)DSP芯片和浮點(diǎn)DSP芯片。定點(diǎn)DSP品種最多,處理速度為20～2400MIPS;浮點(diǎn)DSP基本由TI公司和AD公司壟斷,處理速度為40M～1GFLOPS。4.1.2TMS320C5402DSP的體系結(jié)構(gòu)及其主要特點(diǎn)當(dāng)前業(yè)界中應(yīng)用得最廣泛的是TI的TMS320系列DSPs，TMS320C5402是TI于1999年10月推出的性價(jià)比極高的定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器。其主要特點(diǎn)如下：(1)144PINBGA，操作速率達(dá)100MIPS；(2)哈佛結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)的馮諾伊曼(VonNeumann)結(jié)構(gòu)由于具有單一公用的數(shù)據(jù)和指令總線,因此在高速運(yùn)算時(shí),往往在傳輸通道上會(huì)出現(xiàn)瓶頸效應(yīng)。DSP芯片內(nèi)部一般采用哈佛(Harvard)結(jié)構(gòu)，三條16位數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器總線和一條程序存儲(chǔ)器總線。這種分離的程序總線和數(shù)據(jù)總線,可允許在一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)同時(shí)獲取指令字(來(lái)自程序存儲(chǔ)器)和操作數(shù)(來(lái)自數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器),從而提高了執(zhí)行速度。(3)流水線技術(shù)DSP芯片的哈佛結(jié)構(gòu)為流水線技術(shù)提供了方便。由于采用流水線技術(shù),DSP芯片可以單周期完成乘法累加運(yùn)算,大大提高了運(yùn)算速度。而DSP芯片的指令基本上都是單周期指令,因此單周期指令執(zhí)行時(shí)間可以作為衡量DSP芯片性能的一個(gè)主要指標(biāo)。(3)硬件乘法器數(shù)字信號(hào)處理中最重要的一個(gè)基本運(yùn)算是乘法累加運(yùn)算,也是最主要和最耗時(shí)的運(yùn)算,因此單周期的硬件乘法器是DSP芯片實(shí)現(xiàn)快速運(yùn)算的保證。TMS320C5402具有一個(gè)17*17乘法器，允許16位帶／不帶符號(hào)的乘法，提高運(yùn)算速度。(4)多種外設(shè)和接口為了加強(qiáng)DSP芯片的通用性,DSP芯片上增加了許多外設(shè)?？赡馨ǖ耐庠O(shè)有:多路DMA通道、外部主機(jī)接口、外部存儲(chǔ)器接口、芯片間高速鏈接口、外部中斷、通信串口、定時(shí)器、可編程鎖相環(huán)、A/D轉(zhuǎn)換器、JTAG接口等。(5)JTAG接口由于DSP芯片結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化、工作速度的提高、外部引腳的增多、封裝面積減小而導(dǎo)致的引腳排列密集等原因,傳統(tǒng)的并行仿真方式已不適合于DSP芯片的發(fā)展和應(yīng)用開(kāi)發(fā)。1991年公布的JTAG接口標(biāo)準(zhǔn)滿足了IC制造商和用戶的要求,1993年JTAG接口標(biāo)準(zhǔn)修訂為5線接口。在片JTAG接口為DSP芯片的測(cè)試和仿真提供了很大的便利。(6)程序的加載引導(dǎo)加載引導(dǎo)是指器件在上電復(fù)位后執(zhí)行一段引導(dǎo)程序,用于從端口(異步串口、I/O口、主機(jī)接口)或外部EPROM/FLASH存儲(chǔ)器中加載程序至高速RAM中運(yùn)行。一般用EPROM/FLASH存儲(chǔ)器存儲(chǔ)程序,但是其訪問(wèn)速度較慢,而一些已有的高速EPROM/FLASH存儲(chǔ)器價(jià)格昂貴且容量有限;同時(shí)高速大容量靜態(tài)RAM價(jià)格又在不斷下降,因此這種加載方式是一個(gè)有效的性價(jià)比解決方法。4.2存儲(chǔ)器擴(kuò)展C5402系列DSP存儲(chǔ)器分為三個(gè)獨(dú)立選擇的空間—程序、數(shù)據(jù)和I/O，其中程序存儲(chǔ)器存放待執(zhí)行的指令和執(zhí)行中所用的系數(shù)(常數(shù))，可使用片內(nèi)或片外的RAM、ROM或FLASH等來(lái)構(gòu)成；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器存放指令執(zhí)行中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，可使用片內(nèi)或片外的RAM和ROM來(lái)構(gòu)成。I/O存儲(chǔ)器存放與映象外圍接口相關(guān)的數(shù)據(jù)，也可以作為附加的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間使用。C5402通過(guò)包含在處理器工作方式的狀態(tài)寄存器(PMST)中的3個(gè)狀態(tài)位，選擇片內(nèi)存儲(chǔ)器作為程序空間或數(shù)據(jù)空間。這3個(gè)狀態(tài)位是：(1)MP/MC位。MP/MC=0，則片內(nèi)ROM安排到程序空間；MP/MC=1，則片內(nèi)ROM不安排到程序空間。(2)OVLY位。OVLY=1，則片內(nèi)RAM安排到程序和數(shù)據(jù)空間；OVLY=0，則片內(nèi)RAM只安排到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。(3)DROM位。當(dāng)DROM=1，則部分片內(nèi)ROM安排到數(shù)據(jù)空間；DROM=0，則片內(nèi)ROM不安排到數(shù)據(jù)空間。程序設(shè)計(jì)者可根據(jù)不同的需求，相應(yīng)的配置這3個(gè)位，使系統(tǒng)的存儲(chǔ)空間滿足應(yīng)用要求。C5402總共提供了192Kword的地址范圍，并可通過(guò)增強(qiáng)外設(shè)接口擴(kuò)充。芯片上有16K的DARAM和4K的P/DROM。所有的存儲(chǔ)空間又分為多個(gè)8K大小的塊，支持分頁(yè)尋址處理，這使得在對(duì)其中一個(gè)塊操作時(shí)，可同時(shí)對(duì)另一個(gè)塊進(jìn)行操作，增加了處理速度。而對(duì)本系統(tǒng)而言，圖像本身數(shù)據(jù)量大，包含信息多，僅僅依靠片上的資源是不夠的，因此需要外擴(kuò)存儲(chǔ)器。4.2.1擴(kuò)程序存儲(chǔ)器C5402片內(nèi)4K字ROM通過(guò)設(shè)置MP/MC引腳可以設(shè)定是否將片內(nèi)ROM映射到程序空間。程序存儲(chǔ)器空間主要用于存放要執(zhí)行的指紋算法和執(zhí)行中所用的系數(shù)表，其主要內(nèi)容如表4.1。表4.1片內(nèi)ROM程序存儲(chǔ)器映射地址范圍內(nèi)容F800H-FFEFH(1)自舉加載程序(2)256字u律擴(kuò)展表(3)256字a律擴(kuò)展表(4)256字正弦函數(shù)指查找表FF00H-FF7FH測(cè)試保留FF80H-FFFFH中斷向量表當(dāng)自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，即使優(yōu)化后的算法程序和系數(shù)表至少需要16K字，4K字的程序空間是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，因此本系統(tǒng)外擴(kuò)64K字外部程序存儲(chǔ)器。通過(guò)一片IS61LV6416進(jìn)行外部程序空間擴(kuò)展，將外部擴(kuò)展程序存儲(chǔ)空間分為2頁(yè)，每頁(yè)為32K字，共64K字，映射到內(nèi)存空間的0X8000H-0XFFFFH。DSP的程序空間選通信號(hào)(DSP_PS/)作為外擴(kuò)程序存儲(chǔ)器的片選信號(hào)，對(duì)存儲(chǔ)器的讀寫(xiě)由74LVC139D(2)產(chǎn)生的讀寫(xiě)信號(hào)控制。將存儲(chǔ)器的的A15端和DSP的A19端相連，用以實(shí)現(xiàn)程序空間的分頁(yè)擴(kuò)展。電路如圖4.2:圖4.2外擴(kuò)程序存儲(chǔ)器4.2.2外擴(kuò)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器存放執(zhí)行指令所用的數(shù)據(jù)。通過(guò)一片IS61LV12816進(jìn)行外部數(shù)據(jù)空間擴(kuò)展，將擴(kuò)展空間分為8頁(yè)，每頁(yè)16K字，共128K字，映射到內(nèi)存空間0X4000H-0X7FFFH,因?yàn)镃5402片上有16K字的雙訪問(wèn)RAM，這樣擴(kuò)展不會(huì)因?yàn)閮?nèi)部RAM和外部RAM的地址重疊而造成外部RAM的浪費(fèi)。74LVC139D(2)產(chǎn)生的控制信號(hào)作為外擴(kuò)程序存儲(chǔ)器的片選信號(hào)和對(duì)存儲(chǔ)器的讀寫(xiě)控制信號(hào)。將存儲(chǔ)器的的A14、A15、A16端分別和DSP的A16、A17、A18端相連，用以實(shí)現(xiàn)程序空間的分頁(yè)擴(kuò)展。其電路如圖4.3:圖4.3外擴(kuò)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器4.2.3外擴(kuò)FLASH在TMS320C5402DSP系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)中，由于DSP片內(nèi)只有ROM和RAM存儲(chǔ)器，如要將用戶代碼寫(xiě)入ROM中，必須要由DSP芯片廠家來(lái)完成；但這樣做用戶就不能再更改代碼，很不實(shí)用。由于RAM在DSP掉電后不能再保存數(shù)據(jù)，因此，常常利用EPROM、Flash等一些外部存儲(chǔ)器來(lái)存放用戶代碼。在DSP上電工作后，利用DSP提供的boot機(jī)制，再將程序下載到DSPRAM中運(yùn)行。如果使用EPROM外部存儲(chǔ)器存放用戶代碼，需要用代碼轉(zhuǎn)換工具將用戶代碼轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制目標(biāo)文件，然后用編程器將其燒寫(xiě)進(jìn)EPROM；而如果使用Flash存儲(chǔ)器存放用戶代碼，則可直接使用DSP仿真器和CCS（CodeComposerStudio）仿真環(huán)境進(jìn)行在線編程，使用靈活方便，不再需要其它編程設(shè)備。我們就采用Flash存儲(chǔ)器來(lái)實(shí)現(xiàn)多份用戶代碼的有選擇加載。在本系統(tǒng)中，通過(guò)一片SST39VF400AFlash進(jìn)行FLASH擴(kuò)展，SST39VF400AFlash存儲(chǔ)器，其容量為256K×16位,分為8頁(yè)，每頁(yè)32K。映射到內(nèi)存空間的0X8000H-0XFFFFH。FLASH的片選信號(hào)和對(duì)存儲(chǔ)器的讀寫(xiě)由74LVC139D(2)產(chǎn)生的讀寫(xiě)信號(hào)控制。用跳線端子EX選擇存儲(chǔ)器的的A15、A16、A17的電平，以實(shí)現(xiàn)程序空間的分頁(yè)擴(kuò)展。其電路如圖4.4:圖4.4外擴(kuò)FLASHROM系統(tǒng)上電后程序自舉引導(dǎo)執(zhí)行，進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試