基于指紋識別的校園一指通管理系統的設計

摘要：校園一指通管理系統是一種基于指紋識別的校園管理系統。該設計利用指紋識別這一生物識別技術并借助于局域網通信保證學生在校期間即使無卡也可方便地學習與生活。通過對系統整體架構和終端硬件的分析與設計，闡述整個系統進行信息處理的工作原理。同時從軟件上設計計算機對由指紋采集儀獲取的指紋數據進行處理、提取特征數據、封裝成數據包、通過局域網發送至服務器的過程，對服務器端的指紋比對、處理請求、返回結果這一過程也進行軟件設計。由于該系統具有人性化和可實現性，所以其應用前景會越來越好。

關鍵詞：指紋采集；指紋比對；局城網；特征數據

中圖分類號：TP393

文獻標識碼：B

文章編號：1004—373X(2008)04—032—03

1 背 景

隨著科技的發展，人們手中所持卡數越來越多，這在方便人們的同時也引入新的問題如無處可放、易丟失、易損壞等，特別是在小學生身上此問題更是值得關注。所以本文設計了校園一指通管理系統，就是用學生的指紋替代現有的諸多卡，如餐卡、學生證、圖書證、考勤卡、商店購物卡等，這樣可以使得小學生們一身輕松的上學，不必因手中卡多怕丟失而擔憂。

2 校園一指通管理系統的設計

校園一指通管理系統整體架構如圖1所示。

下面對各部分分別介紹：

2.1指紋采集器

在設計中，考慮到該系統是應用到小學生中，所以采用深圳市中控偉業有限公司供應的BK4000指紋采集器。BK4000指紋儀采用先進的光學系統，特別是對小孩的指紋能較好的識別。BK4000光學指紋儀能夠自動地讀取指紋圖像，并通過USB接口把數字化的指紋圖像(VGA)傳送到計算機。

2.2終端計算機建議配置

操作系統：WindOWS 98，2000，XP；

內存：256 M或更多內存(RAM)；

通用串行總線接口(USB Port)：USB 1.0，1.1，2.0；

Pentium 266 MHz或更好的CPU。

2.3局域網

在該部分中主要是做局域網的整體設計、硬件的配置及IP地址的分配。

2.3.1 網絡連接

該局域網采用星形結構。中心為16口交換機，校園服務器通過5類線接至該中心交換機上，而餐廳、圖書館、商店終端分別通過26口交換機與其相接。考慮到考勤終端數較多，就將所有的考勤終端分成5個組(每個組的終端數小于25個)，每一組接1個26口交換機后再與16口交換機相接。在終端與26口交換機間的連線為5類線，26口交換機與16口中心交換機間采用光纖，便于實現遠距離傳輸。在該設計中還將16口中心交換機通過路由器接至終端PC機要訪問的外部網絡。同時為了保證安全，在路由器與16口交換機間加一防火墻。

2.3.2 網絡設備配置

26口交換機 采用磊科7226NS。該交換機提供26個10／100，1 000 Mb／s自適應端口，每10 M／100 M，1 000 M端口支持全雙工工作模式，支持IEEE802.3x全雙工流量控制，為以太網、快速以太網和千兆以太網的連接提供完美的解決方案。

16口交換機 采用磊科6016NSM。該交換機提供16個10／100 Mb／s接口，為網絡用戶提供非阻塞、線速的10／100 M網絡連接，并提供多種到骨干網絡的連接方式。

路由器采用友訊網絡DI－604LB+寬帶路由器，其參數如下：固定廣域網接口1×10／100 Mb／s，固定局域網接口10／100Base—TX×4，支持網絡標準及協議TCP／IP，UDP，ARP，BOOTP，ICMP，DHCP，FTP，TFTP，Telnet．PPPoE，內置防火墻。

防火墻路由器本身也帶有防火墻功能，但這種防火墻能力有限，不能很好地保護網絡安全。為此，在網絡環境中增添一款防火墻設備。在該系統中采用ZyXEL Zy—WALL P1，其參數如下：并發連接數2 048，安全過濾帶寬30 Mb／s，用戶數限制為無用戶數限制，支持VPN。

2.3.3 IP地址分配

對該系統的局域網中的IP地址分配如下：

IP地址范圍：192.168.1.0～192.168.1.255

子網掩碼：255.255.255.0

網絡地址：192.168.1.0

廣播地址：192.168.1.255

路由器網關地址：192.168.1.1

校園服務器分配一固定地址：192.168.1.2

終端PC機IP地址：由DHCP服務器進行IP地址動態分配，分配范圍為192.168.1.3～192.168.1.254

2.4校園服務器

在校園服務器端建立一個指紋模塊數據庫，其中存儲著所采集到的學生的指紋特征數據、所存的款數、所剩的余額、班級、姓名、所借書的情況、到校的次數及時間等信息。他還可以與短信息發送器相接，在學生到校考勤的同時，將學生已到校這一事實以短信息的形式發送給學生的家長，讓學生家長及時掌握學生的到校情況，讓其放心。

2.5 系統的基本工作過程

在終端，通過指紋采集儀BK4000將小學生的指紋采集并把其圖像數字化后，通過USB口傳給終端PC機，PC機將指紋數據進行處理、提取特征數據、并將其與請求功能和終端IP地址一起封裝成數據包、通過局域網發送至服務器。服務器在接收到信息后將指紋信息與其指紋模塊庫中的信息相比對，根據請求功能做出相應的處理，當處理完畢，則將該終端的IP地址及處理結果也封裝成數據包重新發送回該終端，此時整個系統的工作過程結束。

3 終端與服務器端數據處理流程

該部分主要是對終端及服務器端的處理過程做一個比較詳細的設計。

3.1終端數據處理流程

終端數據處理流程圖如圖2所示。

為了得到比較準確的指紋特征點，系統對指紋圖像進行圖像增強(濾波去掉噪聲)、計算方向圖、二值化和細化等處理過程。

3.1.1 圖像增強

通過圖像增強可以過濾由于手指被弄臟，手指有疤痕、太干、太濕或撕破等而產生的噪聲，增強脊和谷的對比度。在本系統中是采用通過過濾圖像與脊局部方向相匹配的方法來實現圖像增強的。

3.1.2 計算方向圖

方向圖描述了指紋圖像中每一象素點所在脊線或谷線在該點的切線方向，作為一種可直接從源灰度圖像中得到的有用信息。

計算方向圖的基本思想是：在原始灰度指紋圖像中計算每一點在各個方向上的某個統計量(如灰度差、梯度等)，根據這些統計量在各個方向上的差異，確定該點的方向。

3.1.3 二值化

首先，根據指紋的脊線和谷線等寬的假設，再結合局部灰度分布的考察，得到具有自適應性的自動門限；其次，根據“灰度變化平穩”這一假設鄰元灰度的變化來進一步確認像元素隸屬前景和背景的程度，從而排除不清晰指紋在自動門限附近的分割不一致性；最后，采用廣義的拉普拉斯算子對圖像進行濾波。

3.1.4 細化

細化是在不影響原圖的拓撲連接關系下，將脊的寬度降為單個象素的寬度的處理過程。細化的關鍵是如何找到原圖像的骨架，通常采用模板匹配方法，這種方法是根據某個象素的局部鄰域的圖像特征對其進行處理。

3.1.5提取指紋特征點

特征提取階段，選擇脊線端點和分叉點作為特征點，記錄每一個特征點的類型、位置和方向信息，從而得到指紋的特征點集。

3.1.6 數據包結構

終端在獲得特征值后需要將數據封裝成數據包才能發送給服務器，其數據包結構如下：

說明：請求類別是指分出是購物還是借還書還是考勤等哪一個項目。

3.2服務器端數據處理流程

服務器端數據處理流圖如圖3所示。

3.2.1 比對特征點

采用基于特征點的匹配算法，通過平移和旋轉變換實現特征點的大致對齊重合，計算坐標變換后2個模板中的特征點的距離和角度。如果小于某一閾值，則認為是一對匹配的特征點。計算得出所有匹配的特征點對后，計算匹配的特征點占模板中所有特征點的百分比S。根據系統的拒識率(FRR)和誤識率(FAR)要求設置閾值Ts。如果S大于或等于閾值Ts，則認為是同一指紋；否則，匹配失敗。

另外由于非線性變形的存在，很難找到與指紋模板中特征點位置完全一致的特征點，因此匹配的算法應該是彈性的，即允許在某個范圍內由于非線性變形引起的誤差。

3.2.2 返回數據的內容

終端地址+處理后的結果(扣款，考勤情況等)。

4 結 語

隨著指紋識別技術的不斷發展、指紋采集器價格的降低和網絡的普及應用，該系統會在各個領域特別是人數不算多的小學校園得到越來越廣泛的應用，使小學生及家長因此而受益匪淺。