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1指纹控制系统第一章绪论指纹识别技术是生物特征识别领域中最为成熟的一门应用技术，具有悠久的历史。长期以来，指纹识别技术主要应用于刑事侦查与司法鉴定领域，不被大多数人所了解。计算机与信息处理技术的飞速发展，为这门历史悠久的应用技术开拓了更为广阔的市场，指纹识别技术与相关产品越来越多地应用于民用市场。1.1生物特征识别技术简介1.1.1生物特征识别的意义生物识别技术（BiometricIdentificationTechnology）是利用人体生物特征进行身份认证的一种技术[1]。生物特征是唯一的（与他人不同）、可以测量或可以自动识别和验证的生理特性或行为方式，分为生理特征和行为特征。生物识别系统对生物特性进行取样，提取其唯一特征并进行身份认证。典型的生物识别系统的系统结构如图1.1：图1.1生物识别系统结构框图现行的许多计算机系统中，包括许多非常机密的系统，都是使用用户ID+密码的方法来进行用户的身份认证和访问控制的。实际上，这种方案隐含着一些问题。例如，密码容易被忘记，也容易被别人窃取。而且，如果用户忘记了他的密码，他就不能进入系统，当然可以通过系统管理员重新设定密码来重新开始工作，但是一旦系统管理员忘2记了自己的密码，整个系统也许只有重新安装后才能工作。有关机构的调查表明，因为忘记密码而产生的问题已经成为IT厂商售后服务的最常见问题之一[2]。除了计算机网络及其应用系统外，一些传统的需要进行身份验证的场合，也存在着类似的安全性问题。例如证件的伪造和盗用、不正当的转借等。一些犯罪通过伪造证件进入机密场所以窃取机密信息，有的犯罪伪造签证和护照非法入境或移民，这是因为传统的证件使用了易于伪造、未经加密的纸制证件。为了防范这类事件的发生，人们需要一种直接的身份认证手段，这就是“人体生物特征识别技术”。他根据每个人自身所具有的生物特征来对每个人的真实身份进行鉴别。这些生物特征大都具有“人格有异”、“终身不变”和“随身携带”的特点，确保认证的精确性和可靠性。1.1.2生物特征识别分类[3][4][5][6]迄今为止，通过现代科学技术手段，被人们所发现的同时兼具“人各有异”、“终身不变”和“随身携带”这三个特点的人体生物特征主要有指纹、虹膜、人体细胞的遗传基因等。此外还有一些虽然不能完全具备上述三个特点但尚在一段时间内具有“人各有异”特点的生物特征，如面容、掌纹、语音、行为等进行身份识别已成为目前的研究热点并发展为“生物检测学”的专门学科，其相关技术也被称为“生物特征识别技术”。(1)虹膜识别虹膜识别技术是利用虹膜的终身不变性和差异性来识别身份的。虹膜识别技术与相应的算法结合后，可达到很高的精度。虹模是眼球内部含有色素的环形薄膜，它由结缔组织细胞和肌纤维等组成，中间部位是眼球。因眼球的颜色是由虹膜所含色素的多少而决定的，故称之为虹膜，旧称虹彩。虹膜的结构在人出生前就确定下来了。虹膜识别技术是将虹膜的可视特征转换成一个512字节的虹膜代码，这个代码模板被存储下来以供后期识别使用。由于虹膜代码是通过复杂的运算获得的，并能提供较多数量的特征点，因此虹膜识别的精度最高。整个识别的过程非常简单，虹膜的定位可以在一秒内完成。虹膜识别的技术缺点是，目前虹膜识别系统只是用统计学原理进行小规模的试验，尚未进行过世界3范围的认证试验。此外，图像获取设备的价格昂贵，难以实现小型化。(2)视网膜识别视网膜识别技术使用激光来照射眼球的背面，以获得具有唯一性的视网膜特征。视网膜是一些位于眼球后部十分细小的神经（一英寸的1/50），它是人眼感受光线并将信息通过视神经传给大脑的重要器官，它同胶片的功能有些类似，用于生物识别的血管分布在神经视网膜周围，即视网膜四层细胞的最远处。视网膜扫描设备要获得视网膜图像，使用者的眼睛与录入设备的距离应在半英寸之内，并且在录入设备读取图象时，眼睛必须处于静止状态，使用者的眼睛在注视一个旋转的绿灯时，录入设备从视网膜上可以获得400个特征点，同指纹录入比较，指纹只能提供30到40个特征点用来录入，创建模板和完成确认。同虹膜识别技术一样，视网膜扫描可能是最可靠、最值得信赖的生物识别技术，但该技术未经过任何测试，而且是否会损伤使用者的眼球，还有待进一步研究。(3)面部识别面部识别技术通过对面部特征和它们之间的关系来进行识别，识别技术基于这些唯一的特征时是非常复杂的，这需要人工智能和机器知识学习系统，用于捕捉面部图像的两项技术为标准视频和热成像技术。标准视频技术通过一个标准的摄像头摄取面部的图像或者一系列图像，在面部被捕捉之后，一些核心点被记录，面部识别技术通常基于以下方法实现：a.对面部外观特征进行分析。b.对面部图像进行全局分析。c.对面部热谱图像及面部的红外光谱图像中的特征进行分析。尽管已有一些有关面部识别技术的实用产品，但目前面部识别系统对采集到的面部图像仍有一定的限制，如背景、光线、表情等，其大范围的识别正确率最高只在99%左右。因此面部识别技术主要适合应用于一些使用者为配合型的应用场合，在抗拒型人群以及完全无人工干预的场合，其使用效果仍不尽人意。(4)签名识别签名作为身份认证的手段已有上千年的历史了，而且我们都很熟悉在银行的格式表单中签名作为我们身份的标志。将签名数字化是这样一个过程，测量图像本身以及整个4签名的动作在每个字母以及字母之间的不同的速度、顺序和压力，签名识别和语音识别一样，是一种行为测定学。使用签名识别更容易被大众接受而且是一种公认的身份识别的技术。但随着经验的增长，性情的变化与生活方式的改变，签名也会随之而改变；为了处理签名的不可避免的自然改变，我们必须在安全方面加以妥协；用于签名的手写板结构复杂而且价格昂贵，因为和笔记本电脑的触摸板的分辨率有着很大的差异，我们在技术上很难将两者结合起来，很难将它的尺寸小型化。(5)语音识别语音识别也是一种行为识别技术，语音识别设备不断地测量、记录语音的波形和变化特征，再将现场采集到的语音与登记过的语音模板进行对比，最后做出判断。语音识别是基于生理学的声音特征，它与语言识别的区别是不对已说出的词语本身进行辨识，而是通过分析语音的惟一特点（例如发音的频率）来识别讲话者。它属于非接触的识别技术，用户可以很自然地接受。和其他的行为识别技术一样，语音因为变化的范围太大，故而很难进行一些精确的匹配；语音会随着音量、速度和音质的变化(例如当你感冒时)而影响到采集与比对的结果。(6)基因识别DNA基因识别是迄今为止已知的最准确的生物识别方法之一。但实现该技术所需的设备非常复杂和昂贵，还需要有经过专门培训的专业技术人员来使用和操作这些设备，完成鉴定所花费的时间也较长，因此DNA基因识别还不能广泛地应用到日常生活的各个领域。(7)指纹识别指纹识别是目前生物检测学中研究最深入，应用最广泛，发展最成熟的技术。指纹识别作为识别技术已经有几个世纪的历史了。指纹识别技术通过分析指纹的全局特征和指纹的局部特征，特征点如嵴、谷和终点、分叉点或分歧点，从指纹中抽取的特征值可以非常的详尽，以便可靠地通过指纹来确认一个人的身份。平均每个指纹都有几个独一无二可测量的特征点，每个特征点都有大约七个特征，我们的十个手指产生最少4900个独立可测量的特征。这足够来确认指纹识5别是否是一个更加可靠的鉴别方式。长期以来，指纹识别技术大量被应用到司法和刑事侦查领域，使得人们往往把指纹识别技术与刑事侦查和犯罪联系在一起，带有一些抗拒心理，影响了指纹识别系统的可接受性。另外某些人或某些群体的指纹因为指纹特征很少，故而很难成像，也影响了指纹识别的准确性。指纹识别技术具有诸多优点：指纹是人体独一无二的特征，并且它们的精确度和复杂度足以提供用于鉴别的足够特征；如果想要增加可靠性，只需登记更多的指纹，鉴别更多的手指，最多可以多达十个，而每一个指纹都是独一无二的；扫描指纹的速度很快，使用非常方便；读取指纹时，用户必需将手指与指纹采集头相互接触，与指纹采集头直接接触是读取人体生物特征最可靠的方法。指纹采集头可以更加小型化，并且价格会更加的低廉。可以见到，指纹识别技术是目前最方便、可靠、非侵害和价格便宜的生物识别技术解决方案，对于广大市场的应用有着很大的潜力。每种生物识别技术均有各自的优点和缺点，其实用性也与应用的领域密切相关。没有一种技术在任何工作环境下都优于其他技术。常用的各种生物特征识别技术的技术性能比较如表1.1所示：表1.1常用生物识别技术比较类型鉴别可靠度可否运用1对1比照可否运用1对多比照传感器价格尺寸虹膜很好是是高较大视网膜很好是是高较大面部一般是否低中等签名一般是否低较小语音一般是否极低非常小基因最好是否极高很大指纹很好是是较低非常小由上面分析可知，指纹识别在各种生物特征识别领域中综合性能较好，因此指纹识6别技术在认证系统中被广泛应用。1.2嵌入式系统简介[7][8]目前嵌入式系统技术已经成为了最热门的技术之一。但是对于何为嵌入式系统，什么样的技术又可以称之为嵌入式技术，仍在讨论之中。从广义上讲，可以认为凡是带有微处理器的专用软硬件系统都可以称为嵌入式系统。作为系统核心的微处理器又包括三类：微控制器(MCU)、嵌入式微处理器(MPU)、数字信号处理器(DSP)。从狭义上讲，嵌入式系统是指使用嵌入式微处理器构成独立系统，具有自己的操作系统并且具有某些特定功能的系统，这里的微处理器专指32位以上的微处理器。1.2.1嵌入式微处理器(EmbeddedMicroprocessorUnit,EMPU)嵌入式微处理器的基础是通用计算机中的CPU。在应用中，将微处理器装配在专门设计的电路板上，只保留和嵌入式应用有关的母板功能，这样可以大幅度减小系统体积和功耗。为了满足嵌入式应用的特殊要求，嵌入式微处理器虽然在功能上和标准微处理器基本是一样的，但适应恶劣工作温度和抗电磁能力较差。1.2.2嵌入式微控制器(MicrocontrollerUnit,MCU)嵌入式微控制器又称单片机，顾名思义，就是将整个计算机系统集成到一块芯片中。嵌入式微控制器一般以某一种微处理器内核为核心，芯片内部集成ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、Watc我ings215hDog、I/O、串行口、脉宽调制输出、A/D、D/A、FlashRAM、EEPROM等各种必要功能和外设。1.2.3数字信号处理器(DigitalSignalProcessor,DSP)[9]数字信号处理器(DSP)对系统结构和指令进行了特殊设计，使其适合于执行DSP算法，编译效率较高，指令执行速度也较高。在数字滤波、FFT、谱分析等方面DSP算法正在大量进入嵌入式领域，DSP应用正从在通用单片机中以普通指令实现DSP功能，过渡到采用嵌入式DSP处理器。嵌入式DSP处理器有两个发展来源，一是DSP处理器经过7单片化、EMC改造、增加片上外设成为嵌入式DSP处理器，TI的TMS320C2000/C5000等属于此范畴；二是在通用单片机或SOC中增加DSP协处理器，例如Intel的MCS-296和Infineon(Siemens)的TriCore。嵌入式DSP处理器比较有代表性的产品是TexasInstruments的TMS320系列和Motorola的DSP56000系列。TMS320系列处理器包括用于控制的C2000系列，移动通信的C5000系列，以及性能更高的C6000和C8000系列。其特点是具备双Harvard结构和双乘/累加单元。1.3本文的主要工作和结构安排第一章介绍生物识别系统和自动指纹识别系统的发展和现状第二章介绍指纹识别的基本原理和研究采用的方法第三章详细讨论一种成熟的指纹识别算发的实现第四章研究设计基于TMS320C5402的指纹识别硬件电路第五章设计硬件系统相应软件设计和调试第六章总结本文工作8第二章指纹识别的原理和方法2．1指纹识别技术简介2.1.1指纹识别技术的历史相关资料显示，中国是世界上最早应用指纹识别技术的国家。在西安半坡出土的距今六千多年的陶器上已发现了指纹的痕迹。从有据可查的资料中显示，我国对指纹的应用最早出现在中国古代秦朝以前，诸如南郑春