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大学生创新实验项目结题报告书项目名称：指纹防盗锁的创新研究承接单位：负责人：小组成员：指导教师：完成时间：一、课题名称：指纹防盗锁的创新研究二、课题提出的背景：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，随着科学技术和电子信息业的迅猛发展，世界各国争先在指纹自动识别技术这一领域进行研究，由于它具有唯一性、稳定性和不可复制性等特点，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。三、课题研究的目的和意义：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。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。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。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。指纹识别在各种生物特征识别领域中综合性能较好，因此指纹识别技术在认证系统中被广泛应用。四、课题的研究方法：通过指纹读取设备读取到人体指纹的图像,取到指纹图像之后，要对原始图像进行初步的处理，使之更清晰。原始指纹图像需要进行滤波除噪、脊线增强、动态二值化、方向信息计算、初分类、背景分割、纹线间隔估计等处理。然后进行相应的结构设计。1、进行指纹行防盗门锁的方案设计包括：系统总体结构设计、系统硬件设计、系统软件设计、系统调试；2、编写指纹控制编码程序；3、对各项设计进行相关的实验。五、课题研究的步骤六、总体结构及原理㈠指纹识别的采集及其参数指纹具有惟一性（随身携带、难以复制、人人不同、指指相异）。根据指纹学理论，将两人指纹分别匹配上12个特征时的相同几率仅为1/1050。指纹还具有终身基本不变的相对稳定性。指纹在胎儿六个月时已完全形成，随着年龄的增长，尽管人的指纹在外形大小、纹线粗细上会有变化，局部纹线之间也可能出前期工作准备、查阅文献、建立工作目标资料整理系统整体结构分析和设计系统硬件设计系统软件设计组装和调试修改和完善程序项目报告写作现新细线特征，但从总体上看，同一手指的指纹纹线类型、细节特征的总体布局等无明显变化。指纹的这些特点为身份鉴定提供了客观依据。指纹识别过程可以分为4个步骤：采集指纹图像、提取特征、保存数据和比对。通过指纹读取设备读取到人体指纹的图像,取到指纹图像之后，要对原始图像进行初步的处理，使之更清晰。指纹辨识软件建立指纹的数字表示特征数据，软件从指纹上找到被称为“节点”（minutiae）的特征点，这些数据(通常称为模板)，保存为1K大小的记录。最后，通过计算机模糊比较的方法，把两个指纹的模板进行比较，计算出它们的相似程度，最终得到两个指纹的匹配结果。1、指纹图像的采集指纹采集模式主要分为“离线式”和“在线式”两种。所谓“离线式”就是指在指纹采集时，利用某些中间介质（如油墨和纸张）来获取指纹图像，在通过一定的技术手段将图像数字化输入计算机，它属于非实时采集。目前“离线式”采集方式在大多数场合已经消失。所谓“在线式”是通过与计算机联机的先进指纹传感器的专用指纹采集设备，将真实的人体指纹直接变成数字图像数据，实时传输给计算机。基于指纹传感器的“在线式”实时采集设备以其操作简单、实时性强、采集效率高、图像质量好等优点，广泛应用于自动指纹识别领域。指纹传感器是采集指纹的装置,是一切自动指纹识别系统的必备设备,从原理上,目前见到的指纹传感器分下面3类：(1)光学录入它是最早开发的指纹输入装置,多采用红外主动光斜向照射指尖,利用全反射的原理,在反射方向接收指纹影像。指纹影像由CCD摄像头接收,输出的视频信号由图像采集卡数字化后输入计算机.近年来,也有用CMOS摄像头直接获取指纹图像的数字信号,通过计算机并口或USB口输入计算机。由于不需要附加卡,这种带USB口的CMOS指纹传感器有成本低且安装方便的特点,很受市场欢迎。(2)硅晶体电容式传感器录入硅晶体电容式传感器是最近在市场上才出现的。这些含有微型晶体的平面通过多种技术来绘制指纹图像。电容传感器通过电子度量设计来捕捉指纹。电容设备能结合大约100,000导体金属阵列的传感器，其外面是绝缘的表面，当用户的手指放在上面时，皮肤组成了电容阵列的另一面。电容器的电容值因两极间的距离而变化，这里指的是脊（近的）和谷（远的）之间的距离。压感式表面的顶层是具有弹性的压感介质材料，他们依照指纹的外表地形（凹凸）转化为相应的电子信号。硅晶体电容式不需要光线参与,小型化有优势,并且不需要指尖移动,而是一次成像如果能够克服目前一些产品容易受静电影响击穿(尤其在我国北方干燥季节)的缺陷,它将是未来最受欢迎的指纹传感器。(3)超声波录入超声波录入是目前采样效果最好的指纹采样设备，当超声波源发出超声波通过传感器表面达到手指表面时，会被反射回去。皮肤凹陷的部分与传感器表面间有较多的空气及杂质，会吸收一部分超声波。这样皮肤突起部分反射回的超声波比凹陷部分的更强，从而依据超声波的强弱形成指纹纹理图像。最近几年，指纹传感器的价格已经剧烈的下降。至于体积，光学传感器的体积从6×3×3英寸降到3×1×1英寸。硅晶体电容式传感器的体积差不多是这样或者更小。在晶片上，集成电路的技术越来越高（如：数字化电路把指纹信号转化为数字信号强度），系统体积将越来越小，硅晶体电容式传感器的体积接近与手指大小所需要的体积，其长宽大约是1×1英寸高不到1英寸。在硅晶体电容式传感器之前，一些没有用到的机能是局部调整、软件控制、自动获取控制(AGC)技术。对于大多数光学设备，只能通过人工调整来改变图像的质量。然而，硅晶体电容式传感器提供自动调节象素，行以及局部范围的敏感程度，从而提高图像的质量。AGC在不同的环境下结合反馈的信息产生高质量的图像。例如，一个不清晰（对比度差）的图像，如干燥的指纹，能够被感觉并增强灵敏度，在捕捉的瞬间产生清晰的图像（对比度好）；由于提供了局部调整的能力，图像不清晰（对比度差）的区域也能够被检测到（如：手指压得较轻的地方）并在捕捉的瞬间为这些像素提高灵敏度。硅晶体电容式传感器技术最重要的弱点在于，它们容易受到静电的影响，这使得晶体传感器有时会取不到图像，甚至会被损坏，另外，它们并不象玻璃一样耐磨损，从而影响了使用寿命。总之，各种技术都具有它们各自的优势，也有各自的缺点。我们在下面给出三种主要技术的比较。几种取像设备的性能比较比较项目光学全反射技术电容传感技术超声波扫描体积大小中耐用性非常耐用容易损坏一般成像能力干手指差，但汗多的和稍脏的手指成像模糊干手指好，但汗多的和稍脏的手指不能成像非常好耗电较多较少较多成本低低很高2、指纹图像的参数衡量一个指纹传感器的质量，可以通过考察其输出数字化后的指纹图像的质量来确定。指纹图像的主要参数有图像尺寸、图像分辨率和图像的灰度。(1)图像的尺寸图像的尺寸通常用长度(mm)×宽度(mm)来表示，如18mm×12.7mm,或者用垂直方向上的像素点数×水平方向上的像素点数来表示，如360×256点阵。图像尺寸和点阵数越大，则表示指纹传感器的采集区域越宽。用于民用领域的指纹传感器，大多采用平面采集方式，因而不要求较大的采集区域，一般不小于12.7mm×12.7mm或256*156点阵。(2)图像分辨率图像分辨率体现了对图像细纹之处的描述精度，通常用每英寸多少点像素(dpi)来表示。为了保障提取指纹特征的精确度，指纹图像应有较高的图像分辨率。一般不低于256dpi，要求较高的场合通常不低于500dpi。(3)图像的灰度采集设备与方法不同，所采集到的指纹图像也不同。绝大多数指纹图像是单色图像，我们把没有色调变化的单色图像称为二值图或黑白图，具有色调变化的单色图像称灰度图。灰度图含有更加丰富的图像信息，有利于指纹识别与对比。依照对色调变化的表现力，灰度图分为2bit、4bit、6bit、8bit几个不同等级，一般较多采用的是8bit(256级)灰度。3、指纹的特征指纹分类是基于指纹脊或谷的整体流向以及指纹的核心点。指纹分类的主要目的是方便大容量指纹库的管理，并减小搜索空间，加速指纹匹配过程。我们定义了指纹的两类特征来进行指纹的验证：总体特征和局部特征。指纹的总体特征总体特征是指那些用人眼直接就可以观察到的特征，包括基本纹路图案：环型（loop），弓型（arch），螺旋型（whorl）。其他的指纹图案都基于这三种基本图案。指纹的脊纹形式是适应之间的球状表面和半圆形顶端以及横行的指间屈基线生长的，除少数弓形纹之外，绝大多数是箕、斗型纹（约占95%），（三种纹形的大致分布概率如表）纹形的大致分布概率基本纹型弓型箕型斗型分布概率5%60%35%纹型是指纹的基本分类，是按中心花纹和三角的基本形态划分的。纹形从属于型，以中心线的形状定名。按我国是指纹分析法，指纹分三大类型（如图2.1），五大种形态。可见，型与形是类与种的关系。箕型斗型弓型指纹的纹形(1)箕形纹（Loop）：有一条以上完整的基性线组成中心花纹。箕形线的对侧有一个三角的上下之线包围着中心花纹。按箕技的流向分为桡侧箕形纹（反箕）和尺侧箕形纹（正箕）两种。按中心花纹的结构形态又可分为普通箕、闭口箕、叶形箕、横箕和类似斗的箕。箕形纹中心和三角之间的距离和纹线数量多少不一，有的只有1－2条线，多数