指纹识别仪设计毕业论文.doc

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1、指纹识别仪的设计摘 要许多系统首先考虑的要素，基于密码和令牌等传统的身份识别技术存在着容易遗失和盗用等隐患，而通过人的生物特征进行的身份认证则提供了一个更加可靠的解决方案。生物识别技术是以生物特征为基础，以信息处理技术为手段。 随着信息科学技术的飞速发展，拥有更高安全性的身份识别技术已成为手段，将生物技术和信息技术有机结合起来。在众多的生物识别技术中，指纹识别技术是应用最广泛的一种，它具有普遍性、永久性、可采集性、易实现性等优点，已成为最有效的生物识别技术之一，并且由于其实现成本相对于其他生物识别技术较低，目前在考勤终端、犯罪鉴别、信息安全等领域己得到广泛的应用。指纹识别技术是一种生物识别技术

2、。指纹识别系统是一套包括指纹图像获取、处理、特征提取和比对等模块的模式识别系统。指纹识别常用于需要人员身份确认的场所如门禁系统、考勤系统、笔记本电脑、银行内部处理、银行支付等。本文从原理到硬件探讨了指纹识别系统的基本结构和整体流程，硬件部分主要组成如下，三星公司生产的基于ARM920T核心的S3C2440处理芯片作为主控芯片，指纹图像采集芯片FPS200作为指纹传感器。软件系统的设计主要是指纹识别系统的程序设计流程，包括各个模块的流程设计。本设计可用于实验研究，学习指纹识别的知识，也可用于工业生产作参考。关键词：指纹识别，FPS200，指纹匹配，图像处理，图像识别DESIGN OF FINGE

3、RPRINT IDENTIFICATION SYSTEMABSTRACTAs the rapid development of information science and technology,with a higher security identification technology has become the first consideration for many systems.The traditional password and token-based identification techniques exists potential safety hazard su

4、ch as easily loss and theft，whereas the biological characteristics of authentication provides a more reliable solution.Biometric is biological-based technology using information processing technology which combines biological features organically.Among the many biometric technologies，fingerprint rec

5、ognition technology is the most widely used，which have many advantages such as universal permanen,，collectable，easily realization.So it has become one of the most effective biometric technologies，and widely used in attendance terminals，criminal identification，information security and other fields be

6、cause of the lower implementation cost compare to the other biometrics.Fingerprint recognition technology is a biometric identification technology. Fingerprint identification system is a set including fingerprint image acquisition, processing, feature extraction and pattern recognition system equiva

7、lent module than. Fingerprint identification is commonly recognized to be the identity of the place such as entrance guard system, attendance system, laptop, internal bank, bank payment processing.This paper discusses the basic structure and the whole process of fingerprint identification system fro

8、m the principle to the hardware, the hardware part is mainly to Samsung Corp production based on S3C2440 chip ARM920T as the main control chip, the fingerprint image acquisition chip FPS200 as a fingerprint sensor. The software system design is the main program design process of fingerprint identifi

9、cation system, including the processes of each module design. The design can be used for experimental study of fingerprint recognition, learning the knowledge, can also be used for industrial production for reference.KEY WORDS: fingerprint identification, FPS200, fingerprint matching, image processi

10、ng, image recognition目 录前 言1第一章 指纹识别的概述2 1.1 生物特征识别技术2 1.1.1 生物特征识别技术简介2 1.1.2 几种主要的生物识别技术分类3 1.2 指纹识别研究的意义6 1.3 指纹识别的发展现状8第二章 指纹识别原理及方法10 2.1 简介10 2.2 指纹识别的原理11 2.3 指纹识别的方法12 2.4 指纹图像的采集13 2.5 指纹图像的预处理14 2.5.1 归一化15 2.5.2 图像滤波16 2.5.3 指纹图像锐化17 2.5.4 方向图计算19 2.5.5 指纹图像二值化21 2.5.6 指纹图像细化24 2.6 提取特征点2

11、5 2.7 去除伪特征点27 2.8 指纹匹配28 2.8.1 指纹匹配简述28 2.8.2 中心点定位28 2.8.3 建立特征模板28 2.8.4 特征点匹配29第三章 指纹识别硬件设计31 3.1 简述31 3.2 指纹采集模块31 3.3 核心主控模块35 3.4 电路设计37 3.4.1 电路电源37 3.4.2 FPS200电路38 3.4.3 LCD显示电路39 3.4.4 存储模块电路40 3.4.5 主控模块外围电路41第四章 系统软件设计44 4.1 软件主要流程图44 4.2 采集模块软件设计44 4.3 LCD显示模块软件设计45 4.4 存储模块软件设计46结 论48

12、参考文献50致谢53前 言人们的日常生活离不开身份鉴别，对身份鉴别的需求也推动了鉴别手段的发展。早在科技落后的古代，传令兵把军队统帅的命令传达下去时，为证明自己的身份，需要携带令箭等信物。锁和钥匙这种机械式的系统，就是比较原始、简单而又实用的识别系统。随着科技的发展，人们的生活也越来越方便，持卡消费，网上交易已成为时尚，然而，在我们享受着信息化所带来的好处的同时，钥匙、密码等传统身份鉴别方法所存在的先天性的安全缺陷已使越来越多的人付出了沉重的代价。因为主要借助于体外物，一旦证明身份的标识物品和标识知识被盗或遗忘，其身份就容易被他人冒充或取代。要想提高其安全性，这就需要更长的密码或者更复杂的加密

13、系统，这就增加了使用者的负担和使用成本。以上这些身份鉴别手段最大的问题在于：它们都是以物识人，而不是验证其本人。从本质上来说，这些物或知识与人本身没有本质的固有的联系，其漏洞是显而易见的，在一定条件下，易被他人获取，而一旦发生了这种情况，以上的这些识别方法即使技术再先进也都将变得毫无意义。受启发于人的身体特征不可复制、具有其唯一性并“携带方便”等特点，人们开始把目光转向生物识别技术。 指纹识别技术作为其中的一种，有着很大的发展空间。首先，它具有可靠性，不同的人的指纹都不相同，其次，采集起来比较方便，成本小。所以，指纹识别系统现在已经成了很多安全部门的主要的身份识别的手段。近年来，很多机构研制出

14、一些高科技的设备，来体现指纹给生活带来的方便和安全，比如：指纹锁，指纹门禁，指纹考勤机，指纹采集仪，指纹保险柜以及网络指纹登陆技术等等，据调查国内很多高档智能小区都装有指纹锁，指纹门禁，指纹被用到设备最早的是指纹考勤机，公司人事管理者为了杜绝代打卡，纷纷采用指纹考勤机。由此可见指纹识别的重要性。本文从原理上说明指纹采集以及处理的流程和相关的功能作用。本设计用指纹传感器FPS200进行指纹数据采集，用ARM芯片S3C2440进行控制和处理，包括指纹图像增强，指纹图像平滑，指纹图像的二值化等等一系列的处理，然后进行特征点提取和基于特征点的指纹匹配等。 第一章 指纹识别的概述 指纹识别时众多身份识别

15、中一项重要的方法，由于其可靠性好，识别率高，成本低等优点，受到大家的很高的关注。人们指纹识别方面的研究比较深入，识别技术比较成熟，随着科学技术的发展，指纹识别产品越来越多地应用到人民日常的生活和工作中。1.1 生物特征识别技术1.1.1 生物特征识别技术简介 传统的身份认证由于极易伪造和丢失，越来越难以满足社会的需求，目前最为便捷与安全的解决方案无疑就是生物识别技术。它不但简洁快速，而且利用它进行身份的认定，安全、可靠、准确。同时更易于配合电脑和安全、监控、管理系统整合，实现自动化管理。由于其广阔的应用前景、巨大的社会效益和经济效益，已引起各国的广泛关注和高度重视。生物识别技术（Biometr

16、ic Identification Technology）是指利用人体生物特征进行身份认证的一种技术。生物特征识别技术就是通过计算机与光学、声学、生物传感器和生物统计学原理等高科技手段密切结合，利用人体固有的生理特性和行为特征来进行个人身份的鉴定。生物识别系统是对生物特征进行取样，提取其唯一的特征并且转化成数字代码，并进一步将这些代码组合而成的特征模板。人们同识别系统交互进行身份认证时，识别系统获取其特征并与数据可中的特征模板进行比对，以确定是否匹配，从而决定接受或拒绝该人。 在目前的研究与应用领域中，生物特征识别主要关系到计算机视觉、图象处理与模式识别、计算机听觉、语音处理、多传感器技术、虚

17、拟现实、计算机图形学、可视化技术、计算机辅助设计、智能机器人感知系统等其他相关的研究。已被用于生物识别的生物特征有手形、指纹、脸形、虹膜、视网膜、脉搏、耳廓等，行为特征有签字、声音、按键力度等。基于这些特征，生物特征识别技术已经在过去的几年中已取得了长足的进展。1.1.2 几种主要的生物识别技术分类 每个人都具有许多生物特征，这些生物特征是生来具有的，不会被遗忘或丢失，对于每个生物特征都有以下特点：(1) 普遍性，是否每个人都具有这种特征。(2) 唯一性，每个人的特征都不同。(3) 长久性，一生这种特征不改变。(4) 可采集性，能够进行采集。(5) 可靠性，识别性能要高，要可靠。a. 面部识别

18、 人脸识别的实现包括面部识别（多采用多重对照人脸识别法，即先从拍摄到的人像中找到人脸，从人脸中找出对比最明显的眼睛，最终判断包括两眼在内的领域是不是想要识别的面孔）和面部认证（为提高认证性能已开发了“摄动空间法”，即利用三维技术对人脸侧面及灯光发生变化时的人脸进行准确预测。以及“适应领域混合对照法”，使得对部分伪装的人脸也能进行识别）两方面，基本实现了快速而高精度的身份认证。由于其属于是非接触型认证，仅仅要看到脸部就可以实现很多应用，因而可被应用在：证件中的身份认证；重要场所中的安全检测和监控；智能卡中的身份认证；计算机登录等网络安全控制等多种不同的安全领域。随着网络技术和桌上视频的广泛采用、

19、电子商务等网络资源的利用对身份验证提出的新的要求，依托于图像理解、模式识别、计算机视觉和神经网络等技术的脸像识别技术在一定应用范围内已获得了成功。优点：面部识别是非接触的，用户不需要和设备直接接触。 缺点：使用者面部位置与周围环境都可能影响系统的准确性；面部识别技术特征提取过分依赖采集质量，采集图像设备昂贵；随着认得衰老、饰物的改变，机器可能不会正确识别。b. 步态识别步态识别技术现还处在初期阶段，其发展还面临许多艰难的挑战。这项技术的最新进展在由美国国防先进研究项目代表设立基金研究通过人体语言确认人的身份的美国科研机构中。其理论是每个人以相同的方式生活，都有自己专一的信号或指纹，每个人也有自

20、己专一的走路步伐。其技巧是收集人体语言并把它转化为计算机能识别的数字。一种方法每个人建立“运动信号”来识别。他们从拍摄人走路或跑步的方法开始研究每个人的运动信号，再利用计算机上的模拟照相机捕捉和储存这一运动行为（用软件工具除去冗余最终只以数字形象储存物体的一系列轮廓）。之后只要一个人把他的整个走路过程拍摄下来，指令计算机就能根据储存的形象确定这个人的身份。通过系统很好地归纳所有不同的步伐后，据称现已经获得90%95%的正确匹配。优点：用户不需要和设备直接接触。缺点：存储成本比较高，技术发展不够成熟。c. 虹膜识别 个体的虹膜结构独一无二、不具遗传性（使即使是同卵双胞胎虹膜也各不相同），并且自童

21、年以后，便基本不再变化，使得其非常适合应用于生物识别。有统计表明，到目前为止，虹膜识别的错误率是各种生物特征识别中最低的。目前，国际上掌握虹膜识别核心技术的仅有我国中科模识科技有限公司和另一家美国公司。并且我国已经获得了“虹膜图像采集装置”和“基于虹膜识别的身份鉴定方法与装置”等多项专利。优点：不与设备直接接触。缺点：没有进行任何测试，没有进行过现实世界唯一性认证试验；聚焦性好的摄像头成本贵，成像设备很难小型化。d. 静脉识别 静脉识别系统就是首先通过静脉识别仪取得个人静脉分布图，从静脉分布图依据专用比对算法提取特征值，通过红外线CMOS摄像头获取手指静脉、手掌静脉、手背静脉的图像，将静脉的数

22、字图像存贮在计算机系统中，将特征值存储。静脉比对时，实时采取静脉图，提取特征值，运用先进的滤波、图像二值化、细化手段对数字图像提取特征，同存储在主机中静脉特征值比对，采用复杂的匹配算法对静脉特征进行匹配，从而对个人进行身份鉴定，确认身份。 优点：全过程采用非接触式。 缺点：信息采集成本较高；e. 视网膜识别视网膜是眼睛底部的血液细胞层。视网膜扫描是采用低密度的红外线去捕捉视网膜的独特特征，血液细胞的唯一模式就因此被捕捉下来。视网膜识别的优点就在于它是一种极其固定的生物特征，因为它是“隐藏”的，故而不可能受到磨损，老化等影响；使用者也无需和设备进行直接的接触；同时它是一个最难欺骗的系统，因为视网

23、膜是不可见的，故而不会被伪造。优点：全过程采用非接触式，不易被欺骗。缺点：可能会对人视网膜造成伤害，成本比较高。f. 手掌几何学识别 手掌几何学识别就是通过测量使用者的手掌和手指的物理特征来进行识别，高级的产品还可以识别三维图像。作为一种已经确立的方法，手掌几何学识别不仅性能好，而且使用比较方便。它适用的场合是用户人数比较多，或者用户虽然不经常使用，但使用时很容易接受。如果需要，这种技术的准确性可以非常高，同时可以灵活地调整性能以适应相当广泛的使用要求。手形读取器使用的范围很广，且很容易集成到其他系统中，因此成为许多生物特征识别项目中的首选技术。优点：需要的数据量小，人们比较容易接受的方式。缺

24、点：匹配的准确性有待提高。g. DNA识别 人体内的DNA在整个人类范围内具有唯一性（除了同卵双胞胎可能具有同样结构的DNA外）和永久性。因此，除了对同卵双胞胎个体的鉴别可能失去它应有的功能外，这种方法具有绝对的权威性和准确性。DNA鉴别方法主要根据人体细胞中DNA分子的结构因人而异的特点进行身份鉴别。这种方法的准确性优于其它任何身份鉴别方法，同时有较好的防伪性。然而，DNA的获取和鉴别方法（DNA鉴别必须在一定的化学环境下进行）限制了DNA鉴别技术的实时性；另外，某些特殊疾病可能改变人体DNA的结构组成，系统无法正确的对这类人群进行鉴别。优点：具有独一无二性。缺点：检测的事实性不强，技术检测

25、需要特定的环境。h. 声音和签字识别声音和签字识别属于行为识别的范畴。声音识别主要是利用人的声音特点进行身份识别。声音识别的优点在于它是一种非接触识别技术，容易为公众所接受。但声音会随音量、音速和音质的变化而影响。比如，一个人感冒时说话和平时说话就会有明显差异。再者，一个人也可有意识地对自己的声音进行伪装和控制，从而给鉴别带来一定困难。签字是一种传统身份认证手段。现代签字识别技术，主要是透过测量签字者的字形及不同笔划间的速度、顺序和压力特征，对签字者的身份进行鉴别。签字与声音识别一样，也是一种行为测定，因此，同样会受人为因素的影响。优点：方式容易接受，比较直观。缺点：声音和签名受外界影响干扰比

26、较大。i. 指纹识别 指纹识别是目前应用最广泛的一种，已被全球大部分国家政府接受与认可，已广泛地应用到政府、军队、银行、社会福利保障、电子商务和安全防卫等领域。指纹识别设备成本低，指纹图像采集简单。两个主要的采集图像的技术为光学技术和电容技术，电容技术采集技术芯片昂贵，可靠性不好，使得光采集技术更加可靠地解决方案，通过不断的改进，光学技术采集已经成为无可挑剔的解决防范。在我国，北大高科等对指纹识别技术的研究开发已达到可与国际先进技术抗衡，中科院的汉王科技公司在一对多指纹识别算法上取得重大进展，达到的性能指标中拒识率小于0.1%，误识率小于0.0001%，居国际先进水平；指纹识别技术在我国已经得

27、到较广泛的应用，随着网络化的更加普及，指纹识别的应用将更加广泛。优点：指纹是人体独一无二的特征；每人都有十个独一无二的指纹，增加识别可靠性；读取方便，采集设备可以小型化。1.2 指纹识别研究的意义 指纹识别的社会意义应该是非常广泛的。指纹识别作为一种生物鉴定技术，为人类的个体的定义提供了一个到目前为止最为快捷和可信的方法。 随着指纹识别的普及，人们之间的信任成本将大大降低，提高人类社会活动的效率。在信息时代，一种安全便捷的身份认证方式显得越发重要。“在网络上，没有人知道你是一只狗，”在这种情况下，任何基于网络环境下的交往活动都被蒙上了一层技术意义的灰色。不可避免，所有基于这种网络技术基础之上的

28、经济活动也因此被深深打上了不真实和不被信任的烙印。 从生物测量角度而言，指纹识别将是一种非常理想的工具，用来定位一个人的基本社会坐标原点。作为一个人，具有非常复杂的社会角色。在公司的时候，你可能是产品总监、员工等工作性角色，所有这些角色都是基于你的生物测量基础上的。社会公共管理中，必须有一个基础变量来确认一个人的基本身份。在过去的很长一段时间里，我们是通过户籍制度来进行管理和定义一个人的，一个从出生到死亡都是根据其出生地来定义和追溯其身份。这种方式的随意性很大，防伪性比较差，容易引起管理上的漏洞。在现实生活中，有些内地考生为了取得成绩优势，到偏远省份重新办理一套身份系统，包括户口、身份证、档案

29、等。在很多情况下，一个人的真实身份是很难被分辨的。指纹识别作为一个人基本社会角色定位点，其方便性和准确性已经得到了全世界范围内的认可。通过各种各样的指纹识别系统，社会公共管理的职能得到了强化，效率得到了提高。原来的养老保险系统，冒领保险金现象比较严重。随着越来越多的地方实施了指纹养老金发放系统，这一现象得到了彻底改善，没有当事人的指纹，对应的养老金是不可能被领取的。深圳罗湖口岸，指纹出入境系统的实施大大提高了通关效率，过关旅客再也不需要拿着身份证排长队等待检查。 指纹识别作为一种生物鉴定技术，为人类的个体的定义提供了一个到目前为止最为快捷和指纹识别的社会意义可信的方法。指纹识别和指纹识别承载了

30、很多的社会意义，从最根本上来讲，是可以良好的判断和定义一个人的真实生物身份。从而降低社会活动中的信任成本，从根本上改变经济和社会交往模式改变，提高效率。 了解指纹识别技术的概念有助于准确的理解指纹识别技术。这可以更好的验证指纹匹配方法的可行性和安全性。对比来找到更好的匹配方法和更好的指纹系统的设计。现实上，更能进一步提高我们对科研的积极性，对安全的重视，也增加了我们动手能力，和对事物研究的认知能力。可以说，这次指纹识别系统的设计的意义非凡。1.3 指纹识别的发展现状指纹识别可谓历史悠久，本是一种古老的身份识别技术。几千年以前，中国人、盎格鲁一撒克逊人和古叙利亚人就曾经采用其作为身份鉴别的方法。

31、而随着现代计算机技术和信息处理与识别技术的不断进步，现代指纹识别技术已发展成为一种成熟、应用广泛的生物特征识别技术，而且指纹具有唯一性、稳定性、随身性、便于采集等优点，这使得指纹识别技术优于其他人体生物特征识别技术。现代指纹识别技术的研究是从十六世纪开始的。1684年，英国植物学家Grew发表了人类对指纹识别技术进行科学研究的第一篇论文，研究了指纹纹线脊，谷和孔状结构的对称性。从此以后，很多人开始了致力于指纹识别技术的研究。20世纪60年代末，以电子计算机技术为代表的信息技术逐步兴起，计算机技术开始进入指纹识别领域，为指纹鉴定的自动化带来了新的解决思路、新的实现方法和新的处理途径。此时美国有人

32、开始提出用计算机图像处理和模式识别方法进行指纹分析以代替人工比对，就是“自动指纹识别系统。到70年代，由于计算机的广泛应用及模式识别理论的发展，世界各国都争相开发和使用自动指纹识别系统，到20世纪70年代末，些实用系统已经出现，如加拿大警方首次应用激光进行指纹检验；日本立石电机公司80年研制出了指纹核对机；美国人福勒80年代设计了指纹电子检验系统；1 982年日本NEC首次向警方提供了AFISf81。有关指纹识别的研究与应用，西方国家起步比我国早。国外很多国家都有公司或专门机构在从事自动指纹识别技术的研究，美国在这一领域的研究水平居于世界最前沿。我国的生物识别行业的起步晚了10年左右，起步于九

33、十年代初期。在初期时与世界发展水平有一定差距，但是起步后的发展速度很快，并部分通过直接引进，跨越了一些技术积累阶段，所以在技术层面逐渐赶上了世界发展水平。当前，国内从事自动指纹识别技术研究和产品销售的公司也有很多。基本上可以分成两类：一类是主要从事国外产品代理业务的公司。这类公司的数目较多，如：湖南金信、济南同飞、哈尔滨赛恩斯等公司。另一类是主要从事自主研究开发的公司和研究单位，数目相对较少，以中科院自动化研究所、西安交大、北大高科、北京四方远大公司和长春鸿达集团等为代表。国内部分研究成果在国际上具有比较先进甚至领先的研究水平。其中中科院自动化所对指纹识别技术的研究处于国内的领先水平，他们提出

34、的混合匹配的自动指纹识别算法，解决了指纹识别中的高匹配率、特征信息量小、识别速度快的问题。在2004年，这种算法在国际FVC2004竞赛中取得了优异成绩，在国际同行中很有影响。与此同时，浙江中正于2000年开发出的超小指纹识别系统，标志着我国在这一领域已经达到了世界领先水平。 在2009年中国科学家自主研发出了全球第一款指纹识别电子签名芯片，一举填补国内指纹识别芯片研发和生产空白。现在，世界己进入了信息网络时代，现行的系统安全性技术已经面临着严重的挑战，随着现代电子技术和通信技术的发展，自动指纹识别技术有了很快的发展，正在逐渐成为一种成熟的身份认证技术。指纹识别技术的发展主要表现在以下几个方面

35、：(1)现有传感器技术的改进及其新型指纹传感器的出现。目前传统的光电式指纹传感器占据比较大的市场，通过改善光学部件的加工工艺，可以极大降低光电式传感器的体积；半导体指纹传感器的改进主要体现在如何增大采集面积、改善其抗磨损能力和提高图像分辨率等方面；随着自然科学的不断发展和各个学科间的相互渗透交融，新的传感理论和新的材料也不断出现，新型的传感器开始不断进入市场，如薄膜型指纹传感器、光纤型指纹传感器、电致发光型指纹传感器，新型传感器的出现使采集的指纹图像效果更好，指纹便于识别。(2)指纹识别算法的改进。指纹识别算法的研究主要集中在各种嵌入式系统和互联网的应用中，算法性能不断提高，同时为了提高防伪辨

36、伪的能力，在一些指纹识别设备的算法中，还加入了对真皮层特性、脉搏、血流分布、微循环等活体生命特征的识别功能，为有效杜绝用假手指作弊做出了有益尝试。(3)指纹识别产品的发展。目前民用指纹识别技术与设备的发展已从第一代的“主机一处理终端联机一图像输入设备”模式迅速过渡到第二代的“PC一传感器联机式”和第三代的“独立式”。随着超大规模集成电路技术的发展，又使嵌入式核心模块向专用指纹识别IC发展，使其体积减小至指甲盖般大小，这就是第四代“晶片式”指纹识别设备。第二章 指纹识别原理及方法2.1 简介 指纹是灵长类手指末端指腹上由凹凸的皮肤所形成的纹路，也可指这些纹路在物体上印下的印痕。纹路的细节特征点有

37、起点、终点、结合点和分叉点。由于每个人的指纹并不相同，同一人的不同手指的指纹也不一样，指纹识别就是通过比较这些细节特征的区别来进行鉴别。指纹纹线的3种基本模式是环型、弓形和螺旋形。同一家庭的成员一般有相同的指纹模式，因此一般认为这些模型是有遗传性的。如图2-1所示：图2-1 指纹纹线的3种基本模式 图2-2 一个典型的指纹识别系统框 2.2 指纹识别的原理指纹图像比较复杂，对指纹图像的处理也与人工处理不同，我们一般并不直接存储指纹的图像，各个公司及其研究机构研究了许多指纹图像数字化的算法(在美国，指纹图像属于个人隐私，不能直接存储指纹图像)。但指纹识别算法最终都要归结为在指纹图像上找到并比对指

38、纹的特征。指纹有两类特征来进行指纹的验证：总体特征和局部特征。(1) 总体特征是指那些用人眼直接就可以观察到的特征，包括一些基本纹路图案：环型(100p)、螺旋型(whorl)、弓型(arch)。其他的指纹图案都基于这三案。但仅仅依靠这些图案类型来分辨指纹是肯定是不够的，不过这只是一个粗略的分类，这会使得我们在数据库中搜寻指纹时更加方便。 模式区(Pattern Area)：是指指纹上包括了总体特征的区域，即我们从模式区就能够分辨出指纹属于那一种类型。有些指纹识别算法只使用模式区的数据就够了。 核心点(Core Point)：核心点位于指纹纹路的渐进中心，它通常作为读取指纹和比对指纹时的参考点

39、。 三角点(Delta)：三角点位是从核心点开始的第一个分叉点或者断点、或者两条纹路会聚处、折转处，或者指向这些奇异点。三角点为我们提供了指纹纹路的计数和跟踪的开始之处。纹数(Ridge Count)：是指模式区内指纹纹路的数量。在计算指纹的纹数时，一般先连接核心点和三角点，这条连线与指纹纹路相交的数量我们就把它认为是指纹的纹数。(2)局部特征是指指纹上的节点。两枚指纹经常会具有一样的总体特征，但它们的局部特征却是不可能完全相同的。节点(Minutia Points)指纹纹路并不是连续的，平滑笔直的，而是会经常出现一些中断、分叉或打折。这些断点、分叉点和转折点我们把它称为“节点”。指纹图像上的

40、节点有四种不同特性：a分类：节点有以下几种类型，最典型的是终结点和分叉点。终结点(Ending)：一条纹路在此终结。分叉点(Bifurcation)：一条纹路在此分开成为两条或更多的纹路。孤立点(Dot or Island)：一条特别短的纹路，以至于成为一点。分歧点(Ridge Divergence)：两条平行的纹路在此分开。环点(Enciosure)：一条纹路分开成为两条之后，立即有合并成为一条，这样形成的一个小环称为环点。短纹(Short Ridge)：一端较短但不至于成为一点的纹路。b方向(Orientation)： 节点可以朝着一定的方向。C曲率(Curvature)： 描述纹路方向改

41、变的速度。d位置(Position)：节点的位置通过(x，Y)坐标来描述，可以是绝对的,也可以是相对于三角点或特征点的。2.3 指纹识别的方法 指纹识别技术主要涉及到几个过程：首先采集指纹图像，然后把指纹图像进行处理，提取指纹特征后保存数据，最好对指纹进行比对。采集的指纹图像有很多噪音。这主要由于传感器所处的环境以及指纹的状态并不会十分的理想。图像增强是减弱噪音，增强脊和谷之间的对比度。想得到比较干净清晰的图像并不是容易的事情，处理指纹图像所涉及的操作是非常多的。大多数图像增强的方法是通过过滤图像与脊局部方向相匹配。图像首先分成几个小区域(窗口)，并在每个区域上计算出脊的局部方向来生成方向图。

42、设计合适的，相匹配的滤镜，使之实用于图像上所有的像素。根据每个象素处脊的局部走向，选用滤镜增强在同一方向脊的走向，并且在同一个位置上，减弱任何不同于脊的方向。后者是含有横跨脊的噪音，这样其垂直于脊的局部方向上的那些不正确的“桥”就会被滤镜过滤掉。图像增强，噪音减弱后，我们把指纹图像二值化，图像就从灰度图变成二值图像，图像在强度层次上从原始的256色(8-bits)降为2色(1bits)。图像二值化后，处理就会比较容易。二值化的困难在于，并不是所有的指纹图像有相同的阀值，所以一般不采取单一的阀值入手，而且单一的图像的对照物也是变化的。可以采用局部自适应的阀值(10cally adaptive t

43、hresholding)的方法来决定局部图像强度的阀值。二值化以后图像要经过细化，这是将脊的宽度降为单个像素的宽度。一个好的细化方法是保持原有脊的连续性，降低由于人为因素所造成的影响。细化以后的提取特征点后就可以进行指纹比对了。2.4 指纹图像的采集 指纹采集的过程本质上是指纹成像的过程。其原理是根据嵴与峪的几何特性、物理特征和生物特性的不同，得到不同的反馈信号，根据反馈信号的量值来绘成指纹图像。 指纹的几何特性是指在空间上嵴是突起的，峪是凹下的。嵴与嵴相交、相连、分开会表现为一些几何图案。指纹采集的方法有两种，一种是由指纹采集器件主动向手指发出探测信号，然后分析反馈信号，以形成指纹嵴与峪的图

44、案。如光学采集和射频（RF）采集属于主动式采集。另一种是指纹采集器件被动感应的方式。当手指放置到指纹采集设备上时，因为指纹嵴和峪的物理特性或生物特性的不同，会形成不同的感应信号，然后分析感应信号的量值来形成指纹图案。如热敏采集、半导体电容采集和半导体压感采集属于第二种。 图2-3 指纹图像采集质量理想情况下，如果在采集过程中外界噪声足够小，得到的指纹图像是干净的、真实的。现实情况是，由于手指表面脱皮的影响、污渍的影响、设备采集面的不干净等多种因素影响，所以一般还需对采集到的指纹图像进行处理。2.5 指纹图像的预处理指纹特征提取和匹配算法的性能和输入指纹图形质量密切相关而指纹图像的质量很难用非常

45、可观的方法去度量。只能根据脊线的清晰程度粗略表述，造成指纹图像质量低的原因主要有：存在折痕、擦伤引起的脊线中断；指纹过于干燥引起图像成片状，脊线谷线对比度差；汗孔水渍导致脊线粘连和污迹。另外，不同的采集设备所得到的的指纹图像也会有不小的差别。 指纹图像预处理的目的就是从这些不同的指纹中尽可能多的获得清晰地文献结构，这对于质量好的指纹图像是比较容易的，对于低质量的指纹图像就比较难了，在采集的原始的指纹图像中有10%的指纹质量指纹图像预处理的目的主要是为特征值提取的有效性、准确性作好准备。一般包括如下几个过程。如图2-4所示图2-4 预处理流程2.5.1 归一化指纹采集设备在采集指纹图像时，由于手

46、指接触的压力不同、指纹传感器表面的残留噪音和光线强度等因素，使得采集的指纹图像在灰度图分布上有很大的差异，如果差异过大，会影响图像处理的难度。因此我们需要把采集的不同指纹图像进行归一化处理，即将指纹图像都转换成同一均值和方差，把它的灰度值和对比度调整到固定的级别上，这样就为后续的处理提供了一个统一的图像规格。归一化并不会改变指纹图像中的纹理信息，也不会改变指纹的脊线和谷线的清晰程度，它有效地降低了沿脊线和谷线方向的灰度变化程度，为后续处理做好准备。规格化的步骤是：先计算整幅指纹图像的灰度均值和方差： (2.1) (2.2)按如下公式对指纹图像进行归一化： (2.3) 其中，J(i,j)为原指纹图像的在像素点(i,j)处的灰度值，I(i,j)是进行归一化后图像在像素点(i,j)处的灰度值。M和VAR分别为图像的灰度平均值和方差，M0和VAR0分别为期望的图像灰度平均值和方差。按以上步骤对原始指纹图像进行归一化处理后，使得图像的灰度均值和方差与期望值一致，本文选取的期望灰度平均值M0为100，方差VAR0为700。 原始指纹图像 归一化后指纹图像 图2-5 归一化对比图2.5.2 图像滤波为了在尽量保持