指紋圖像自動識別系統預處理算法
2007-04-29 00:00:00樸光宇
華章 2007年8期
［摘 要］指紋具有唯一性和穩定性，因此廣泛的被人們用來當作鑒別個人身份的主要依據。自動指紋識別系統(AFIS)是基于計算機或高性能MCU來進行指紋識別的技術，具有方便、高效、安全、可靠等優點。在金融安全、數據加密、電子商務等各個領域都得到了廣泛的應用，并將在我們的生產和生活中發揮越來越重要的作用。
本文的內容正是關于自動指紋識別系統的研究與設計。本文首先描述了系統設計的整體思路，然后重點研究了指紋圖像識別的預處理部分。并列舉了一些在系統調試過程中遇到的問題和相應的解決方法，并為系統進一步優化提出了建議。
［關鍵詞］指紋識別系統 圖像處理 預處理
［中圖分類號］TP ［文獻標識碼］A ［文章編號］1009－5489(2007)08－141－04
一、指紋識別技術的優點和發展狀況
相對于其他身份認證技術，指紋識別是一種更為理想的身份確認技術。指紋識別不僅具有許多獨到的信息安全優點，更重要的是還具有很高的實用性、可行性，具體體現在以下幾個方面：
第一，每個人的指紋都是獨一無二的，任何人之間不存在具有相同指紋的情況。
第二，每個人的指紋是相當固定的，不會隨著年齡的增長或身體健康程度的變化而發生變化。
第三，指紋樣本便于獲取，易于開發識別系統，實用性強。目前己有標準的指紋樣本庫，方便了識別系統的軟件開發。另外，識別系統中完成指紋采樣功能的硬件電路也相對容易實現。
第四，每個人的十指指紋皆不相同，這樣可以方便的利用多個指紋構成多重口令，從而可以大幅度的提高指紋識別技術的安全性。
第五，指紋識別中使用的模板并非是最初的指紋圖，而是由指紋圖中所提取的關鍵特征，這就使系統對模板庫的存儲容量要求較小。另外，對輸入的指紋圖提取關鍵特征后，可以大大減少網絡傳輸的負擔，適應計算機的網絡功能，便于實現異地確認。
鑒于指紋識別技術的上述優點，目前世界各國都在爭先研究和開發實用指紋識別系統。據報到：20世紀70年代末加拿大警方首次應用激光進行指紋檢驗；日本NEC在1982年首次向警方提供自動指紋識別系統；比利時刑事鑒定局在1990年開始使用AFIS；在英國政府的重要部門中，指紋識別儀作為重要的身份認證設備已被廣泛的采用：在美國，除軍事設施外五角大樓、政府實驗室、銀行、監獄和商業部門也廣泛使用了自動指紋識別系統。目前世界上約有30家公司專門從事指紋識別系統的研發工作。進入20世紀90年代中期，我國指紋識別系統的應用發展迅速。北京大學與上海、珠海公安局合作建立的大容量指紋自動識別系統，在1995年破案超過120起，該系統己被國內近10個城市的公安部門選用。深圳深安計算機集成制造技術有限公司推出的指紋密碼識別系統可對指紋、手指三維、手指血管造影同時控制。清華大學自動化系在19%年也推出了指紋身份驗證系統。到2003年初，國內指紋行業生產商、經銷商及集成商合計超過80家。如中國科學院自動化研究所、北大高科、深安，杭州中正等。
但是必須指出的是，指紋識別目前在國內乃至世界上仍未普及的主要原因是：
1、系統運行速度比較慢：目前一般系統從指紋輸入到辨別結果產生的時間需要2秒甚至更長，這己經成為指紋識別系統推廣的瓶頸。因此如何簡化系統設計，并且在不影響系統識別效果的基礎上簡化指紋識別的軟件程序，便成為指紋識別系統設計的難點。
2、價格偏高：目前廣泛應用在公安、銀行和機場的大型指紋識別系統價格很高，多輒幾十萬元，少輒十幾萬元，這是阻礙指紋識別系統向民用化推廣的重要因素之一。
3、性能較差：目前指紋識別系統所能達到的拒識率(FRR)和誤識率(FAR)的指標過高。一般市場上指紋系統的FRR＞3%，FAR＞1‰。
二、系統總體設計方案
從工作方式角度而言，自動指紋識別系統可以分成兩類：一類是用專門的硬件設備來采集指紋圖像，然后將采集到的圖像傳送給上位機，通過上位機強大的運算能力和海量的指紋特征庫，來實現指紋的識別。典型的應用是在銀行儲蓄系統和公安機關案例分析中。另一類是將指紋的采集與識別在一個脫機系統中完成，通常這類系統是用DSP這類具有高速運算能力的器件來構建的。這類系統大多應用在民用系統中如：考勤系統，指紋門禁等。本系統使用DSP作為核心器件，一方面是因為DSP的工作頻率、穩定性和功耗性能等方面要比單片機好的多，由它所搭建的硬件系統更能滿足應用的要求：另一方面當將指紋識別算法嵌入到DSP中后，就可以實現脫機系統從而應用在更為廣闊的民用系統中。
1、系統硬件原理框圖
為了降低系統的成本與設計的復雜度，在設計上并沒有使用控制密集型的單片機實現對系統工作流程的控制，而是采用運算密集型的DSP來完成相關的控制功能。一方面，這是由于系統中用于進行流程控制的開關量較少；另一方面，是因為現今的DSP芯片大多都整合了通用I/O口，大幅度的提升了系統的接口性能。從而，使得只使用一個處理器完成系統所有的功能成為可能。系統的硬件原理框圖如圖2.1所示。
本系統主要由以下部分構成：指紋圖像采集部分、指紋圖像識別部分、程序與數據
存儲部分、全局邏輯控制部分以及數據通訊部分。
(1)指紋圖像采集部分：系統利用軟件查詢方式來判斷是否進行指紋的采集，當進行指紋采集時，指紋傳感芯片按照設定的參數采集指紋并將模擬圖像轉換成數字圖像，然后在DSP的控制下將數據存儲在外部數據空間中，等待進行下一步的處理。
(2)指紋圖像識別部分：該部分以DSP和數據存儲器為核心，對采集到的指紋圖像進行相應的處理，并控制發光二極管來顯示指紋識別的結果。
(3)程序與數據存儲部分：此部分由Flash.Sram和DSP片內Daram構成。Flash中存放的是系統的應用程序和指紋模板，系統上電后通過并行“Boot Loader”功能將程序加載到DSP片內的Daram中以加快程序運行的速度，Sram用于存放指紋圖像并提供程序運行時所需要的臨時數據空間。
(4)全局邏輯控制部分：此部分由CPLD來完成，實現以下3方面的功能：
a、對DSP的數據空間進行分時尋址：
b、產生系統中各個芯片的片選信號：
c、產生系統中各個芯片的讀寫信號。
(5)數據通訊部分：該部分采用通用異步串行收發器完成同步數據傳輸格式到異步數據傳輸格式的轉換、TTL電平到RS-232電平的轉換，實現系統與PC之間的數據通訊功能。
2、系統的工作流程
系統上電之后，DSP根據硬件連接方案選擇程序加載的方式。在本系統中使用的是并行方式，即應用程序通過Flash的16根數據線加載到DSP片內的Daram中。當程序加載成功后，DSP執行初始化程序，為系統正常工作設置相應的參數。身份鑒定按鍵用于監控系統的流程，一旦按鍵被按下則表明要進行指紋識別，DSP啟動指紋芯片進行采集，并將指紋數據存放到數據Sram中。然后使用鑒別程序對指紋圖像進行預處理、特征提取與特征匹配。當判斷出所采集的指紋是合法的身份時，系統會顯示通過：如果是非法的身份，則系統會顯示報警。
最后，可以通過本課題所設計的圖像顯示程序來檢查圖像的采集和處理的結果是否正確或是構成聯機系統。
系統的工作流程圖如圖2.2所示。
三、系統應用程序的設計
對于以DSP為核心的嵌入式指紋識別系統而言，軟件程序可分為兩部分：系統初始化程序和指紋識別程序。系統的初始化程序包括：“Boot Loader”程序、VC5402內部寄存器的初始化程序、指紋芯片與通信芯片的初始化程序、判斷是否進行指紋采集的程序。由于上述內容已經在前面相應的章節中進行了介紹，所以本章將不再進行初始化程序的贅述，而主要介紹系統中所使用的指紋識別程序的算法以及在以DSP為平臺的基礎上編寫應用程序所需的存儲器配置文件的注意事項。
1、指紋識別程序的流程
VC5402的應用程序即可以用C語言來編寫也可以用匯編語言來編寫，考慮到指紋識別程序的復雜性，系統中采用C語言來設計系統的軟件程序。這樣不僅使系統開發的速度大大加快，而且開發出來的DSP程序的可讀性和可移植性都大大增加。指紋識別程序流程如圖3.1所示。
2、指紋識別算法簡介
指紋是比較復雜的，指紋鑒定算法最終都歸結為在指紋圖像上找到并比對指紋的特征點。指紋學指出，出現頻率較高的指紋特征有八種，其中端點和分叉點占指紋特征的80%以上。本系統選用了這兩種特征作為算法提取和比對的對象。對獲得的指紋圖像我們先進行預處理再進行二值化和細化，然后提取特征點數據，并去除偽特征點，將處理結果與數據庫中己有的模板數據進行匹配判斷。當然，模板是系統在指紋登陸階段將用戶的指紋數據經過上述相同的處理后保存下來的。
預處理的目的是使指紋圖像清晰，邊緣明顯，以便于提取特征進行識別，它包括塊方向圖計算、平滑和銳化等。塊方向圖計算的任務是準確的提取指紋方向信息，根據它構建合適的模板，以便對指紋圖像進行卷積運算。沿指紋紋線的切線方向對圖像進行平滑處理的任務就是去除噪聲，以起到連接不應有的間斷的作用；沿指紋紋線的法線方向對圖像進行銳化處理是為了加強紋線的邊界效果，突出紋線的邊緣信息，以利于其后的二值化。二值化過程則需要采用一個“局部自適應的閥值”。提取特征值之前的最后一道工序是細化，是將指紋脊線的寬度降為單個像素的寬度，并保持原有的連續性。
指紋特征點的提取方法是算法中的核心。我們采用8鄰域法對二值化后的指紋圖像抽取特征點，這種方法將脊線上的點用“。”表示，背景用“255”表示，將待測點(i，j)的八鄰域點(如圖3.2所示)進行循環比較，若“0”，“255”變化有六次，則此待測點為分叉點，若變化兩次，則為端點。實際上，因為指紋圖像質量的影響和預處理產生的噪聲使得上述提取的特征點中包含大量的偽特征點，這將使鑒定誤識率上升，所以在匹配前要去除這些偽特征點。指紋圖像邊緣的偽特征點較多，這部分特征點去除不要；若相同方向的兩個特征點距離小于一定的閥值，就去除該兩點；若一個端點與一個分叉點相連且間距小于一定的閥值，也去除這兩點。然后對初步確定的端點和分叉點進行紋線跟蹤以進一步驗證特征點的可信度，對達不到可信度要求的特征點也予以去除。
指紋圖像中心點的提取也是算法中的重要內容，我們以指紋最內層弧的頂點作為中心點，就是紋線上曲率最大處，若最內層弧頂點處有分叉線存在，且此分叉線走向與兩旁紋線走向一致，則定義分叉點為中心點。指紋中心點確認后，也就可以容易的確定各特征點相對于中心點的方向，若為分叉點則取分叉點的三條紋線與中心點夾角的平均值作為此特征點方向；若為端點，則用端點兩側的兩根紋線與中心點夾角的均值作為此特征點的方向。這樣系統中我們就用特征點的類型，特征點與中心點的方向，特征點與中心點的紋線數這三個參量來表征一個特征點的特征信息。
兩個指紋圖像的匹配實際就是兩幅圖像特征點信息(三個參量)的比對，獲取的指紋圖像靠近中心點的是圖像質量較好的，離中心點越遠，特征信息準確度越差，所以比對時盡可能取中心點附近的特征點，若兩幅指紋有13個以上的特征點匹配即可基本判定兩幅指紋屬同一個指紋。
在進行程序設計時應盡可能地使用DSPLIB庫中的函數，因為這些函數均用匯編語言編寫，優化程度很高。另外，在C程序中盡可能地采用內聯(inline)函數，以便提高代碼的集成度，加快系統開發的速度。
3、系統存儲器配置文件的設計
TMS320C54x的C語言編譯器的責任是將用C語言編寫的程序代碼編譯成匯編程序，并按照不同的作用形式將它們重新定位到相應的代碼段中，而鏈接器則按照存儲器配置文件的內容將代碼和數據定位進合適的存儲器空間中，以達到合理的利用DSP內部資源的目的。DSP的應用程序只有在編譯鏈接無誤后才能形成可執行文件，因此進行合理的段分配與存儲器配置文件的設置是保證應用程序可以正常使用的前提。
(1)段的分配
C編譯器會產生2類性質與作用截然不同的段：初始化段、未初始化段，對它們進行正確的定位是決定程序能否正常加載的前提。
a、初始化段包括數據和可執行代碼。
.cinit section包括初始化變量和常數表：
.pinit section包括在運行時間調用全局目標結構的表，該段在C++環境下出現；
.const section包括串常數和用C/C++限定詞const定義的數據；
.switch section包括開關語句表；
.text section包括所有可執行代碼以及串文字和編譯器產生的常數。
b、未初始化段在存儲器中保留空間，程序可在運行時間使用這些空間來產生和存儲變量。編譯器產生以下的未初始化段。
.bss section為全局和靜態變量保留空間。在引導或裝入時間，C引導程序或裝入器從.cinit段復制出數據，并用它來初始化.bss中的變量。
.stack section為系統堆棧分配存儲器。該存儲器傳遞變量并作為局部存儲之用。
.sysmem section為動態存儲器分配保留空間。
.text，.cinit，.pinit和.switch段通常鏈接進ROM或RAM，但必須是在程序存儲器(page0)中。.const段也可以鏈接進ROM或RAM，但必須是在數據存儲器(page1)中。.bss，.stack和.sysmem段必須被鏈接進RAM，且必須是在數據存儲器(page1)中。
(2)堆棧的使用
TMS320C54x利用內置的堆棧機制來實現如下的功能：a、保護函數的返回地址；b、分配局部變量和數組；c、傳遞函數變量；d、保存臨時結果。
運行時間堆棧定位在單個連續的存儲塊中，并從高地址向低地址增長。在TMS320C54x中，使用硬件堆棧寄存器(SP)管理堆棧。輔助寄存器ARO}-AR7可直接用做指針或用于表達式中，需要時，AR7可用做幀指針。C環境能夠自動管理這些寄存器，如果需要編寫用到運行堆棧的匯編程序，則必須正確使用這些寄存器。
激活每個函數時，都在堆棧中建立一個新的局部幀，以用于分配局部變量和臨時變量。堆棧的長度由鏈接器確定，全局符號-TACK SIZE的值等于堆棧的長度，默認值為1K字。需要改變堆棧長度時，在鏈接時用-stack選項，并在其后指定一個數值，通過這個數值來指定堆棧的長度。
需要特別注意的是，C編譯器不提供檢查堆棧溢出的任何手段，當堆棧的增長超出了它所定位的存儲器空間的限制時，將出現堆棧溢出。因此應保證堆棧所定位的存儲器區域有足夠大的容量。否則一旦發生溢出情況，將破壞程序的運行環境，導致程序癱瘓。
(3)存儲器配置文件的設置
結合VC5402的存儲器空間配置特點和上述關于段的分配與設置的方法，系統中使用了如下的存儲器配置文件。
-mfinger.map
-stackOx4C00
/*由于局部變量和數組都要占據堆棧空間經過計算堆棧空間至少要0x4B53個字，堆棧空間占據了從Ox14AC-Ox5FFF的范圍*/
MEMORY
{
PAGE0：VECS：origin=0x0080，length=0x0080
PROG：origin=0x0100，length=0x1300
PAGE1：DATA：origin=0x1400，length=0xEC00
}
SECTIONS
{
.vectors{}>VECS PAGE0
.text{}>PROG PAGE0
.cinit{}>PROG PAGE0
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.switch{}>PROG PAGED
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.image：0x6000PAGE1
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.coast{}>DATA PAGE1
.sysmem{}>DATA PAGE1
}
4、小結
本章首先說明了指紋識別程序的流程，然后簡要的介紹了系統中預處理、特征提取、特征比對的基本思路。基于DSP的軟件程序設計必須考慮段如何進行分配，段的大小等問題。只有合理的編寫存儲器配置文件后，才能保證應用程序在DSP中正確的運行。
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