專利名稱：一種身份認(rèn)證裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于圖像識(shí)別技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種身份認(rèn)證裝置。
背景技術(shù)：
生物特征識(shí)別技術(shù)，是隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是計(jì) 算機(jī)圖像處理和模式識(shí)別等學(xué)科的發(fā)展而逐步形成的新興技術(shù)。近年 來，生物特征識(shí)別技術(shù)，尤其是指紋識(shí)別技術(shù)越來越成熟，核心技術(shù)己 經(jīng)完全達(dá)到實(shí)用化的水平。指紋識(shí)別相對于其他的生物特征識(shí)別，例如 掌紋識(shí)別，虹膜特征識(shí)別等生物特征識(shí)別手段而言，在特征的獨(dú)特性、 特征的持久性、特征識(shí)別的可靠性、用戶的可接受性等方面具有相當(dāng)大 的優(yōu)勢。隨著世界各國對各種安全問題的關(guān)注程度加大，目前已經(jīng)有越 來越多的指紋識(shí)別產(chǎn)品投放市場。
目前已有的指紋識(shí)別產(chǎn)品從指紋識(shí)別處理平臺(tái)上分，基本上分為兩 大類 一類是以計(jì)算機(jī)為運(yùn)算處理平臺(tái)；另一類是以嵌入式系統(tǒng)為處理 平臺(tái)。這兩種產(chǎn)品各有優(yōu)、缺點(diǎn)。第一類產(chǎn)品由于使用了計(jì)算機(jī)作為處 理平臺(tái)，因此在數(shù)據(jù)的處理速度、指紋識(shí)別的性能上比第二類產(chǎn)品要強(qiáng)。 而第二類產(chǎn)品由于以嵌入式系統(tǒng)作為處理平臺(tái)，因此在產(chǎn)品的性價(jià)比和 產(chǎn)品的適用性等方面要優(yōu)于第一類產(chǎn)品。而且第二類產(chǎn)品的數(shù)量要遠(yuǎn)遠(yuǎn) 多于第一類產(chǎn)品。
由于不論高性能的計(jì)算機(jī)處理器還是低性能的嵌入式處理器，都屬 于通用處理器。因此上述兩類產(chǎn)品在指紋識(shí)別的實(shí)現(xiàn)上都有一個(gè)共同的 特點(diǎn)，即所有的產(chǎn)品都使用了通用處理器作為指紋識(shí)別的運(yùn)算平臺(tái)。其 特點(diǎn)是都必須依賴事先編譯好的程序完成預(yù)定的操作。在不同的指紋識(shí) 別產(chǎn)品中，指紋識(shí)別使用各種編程語言實(shí)現(xiàn)，例如c語言和各種匯編語 言。通過專用的程序編譯環(huán)境編譯成不同的機(jī)器代碼存儲(chǔ)在產(chǎn)品的程序
存儲(chǔ)芯片中。通過通用處理器的控制從程序存儲(chǔ)芯片中讀取相應(yīng)處理程 序，完成指紋識(shí)別的操作。這種依賴于軟件編程的指紋識(shí)別方法的實(shí)現(xiàn) 方式完全依賴通用處理器的性能高低，較低性能的通用處理器會(huì)影響指 紋識(shí)別產(chǎn)品的性能。這種指紋識(shí)別方法的實(shí)現(xiàn)方式極大的限制了使用低 成本嵌入式處理器的指紋識(shí)別產(chǎn)品的性能，進(jìn)而影響了指紋識(shí)別產(chǎn)品的 應(yīng)用范圍。

實(shí)用新型內(nèi)容
現(xiàn)有指紋識(shí)別的實(shí)現(xiàn)方式完全依賴通用處理器的性能高低，限制了 指紋識(shí)別產(chǎn)品的性能，使指紋識(shí)別產(chǎn)品的應(yīng)用受到限制，本實(shí)用新型的 目的是采用不依賴編程語言和通用處理器的技術(shù)方案，提供一種身份認(rèn) 證裝置。
為了實(shí)現(xiàn)所述的目的，本實(shí)用新型的提供一種身份認(rèn)證裝置，包括 指紋傳感器與現(xiàn)場可編程門陣列芯片連接，用于將指紋信息轉(zhuǎn)換成
圖像數(shù)據(jù)流傳輸至現(xiàn)場可編程門陣列芯片；
電源管理電路與現(xiàn)場可編程門陣列芯片連接，用于提供指紋識(shí)別裝
置所需的電源；
指紋模板存儲(chǔ)電路與現(xiàn)場可編程門陣列芯片連接，用于存儲(chǔ)由現(xiàn)場 可編程門陣列芯片產(chǎn)生的指紋模板數(shù)據(jù)；
現(xiàn)場可編程門陣列芯片，分別與指紋傳感器、電源管理電路、指紋 模板存儲(chǔ)電路、串行通訊電路連接，用于接收上述這些部件的信息完成 指紋識(shí)別操作；
串行通訊電路與現(xiàn)場可編程門陣列芯片連接.用于與計(jì)算機(jī)通訊， 接收外計(jì)算機(jī)的控制命令以及向計(jì)算機(jī)發(fā)送指紋識(shí)別結(jié)果。 優(yōu)選地，在所述現(xiàn)場可編程門陣列芯片中包括-指紋傳感器接口功能單元，用于讀入指紋圖像數(shù)據(jù)； 圖像分配功能單元分別與指紋傳感器接口功能單元和臨時(shí)數(shù)據(jù)緩 沖區(qū)功能單元連接，將讀入指紋圖像數(shù)據(jù)生成指紋圖像塊；
指紋圖像增強(qiáng)功能單元與臨時(shí)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)功能單元連接，將臨時(shí)數(shù) 據(jù)緩沖區(qū)中的指紋圖像塊數(shù)據(jù)進(jìn)行指紋細(xì)化操作，生成指紋細(xì)化信息；
外部存儲(chǔ)器接口功能單元與臨時(shí)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)功能單元連接，用于將 已存儲(chǔ)的細(xì)節(jié)點(diǎn)模板讀入臨時(shí)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，或者將指紋注冊生成的用戶
指紋模板寫入外部指紋存儲(chǔ)芯片中；
臨時(shí)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)功能單元，用于存儲(chǔ)圖像分配功能單元、指紋圖像 增強(qiáng)功能單元、細(xì)節(jié)點(diǎn)提取功能單元、細(xì)節(jié)點(diǎn)匹配功能單元各功能單元 產(chǎn)生的臨時(shí)數(shù)據(jù)；
細(xì)節(jié)點(diǎn)提取功能單元與臨時(shí)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)功能單元連接，將臨時(shí)數(shù)據(jù) 緩沖區(qū)輸入的指紋細(xì)化信息進(jìn)行處理，獲取指紋細(xì)節(jié)點(diǎn)信息；
細(xì)節(jié)點(diǎn)匹配功能單元與臨時(shí)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)功能單元連接，用于對由圖 像分配功能單元讀入的指紋圖像生成的細(xì)節(jié)點(diǎn)模板和通過外部存儲(chǔ)器 接口功能單元讀入的已存儲(chǔ)的細(xì)節(jié)點(diǎn)模板進(jìn)行細(xì)節(jié)點(diǎn)匹配。
優(yōu)選地，指紋圖像增強(qiáng)功能單元包括
指紋圖像方向場模塊與臨時(shí)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)連接，用于提取指紋圖像塊 中指定象素點(diǎn)的方向；
指紋圖像濾波模塊與指紋圖像方向場模塊連接，利用濾波模板對指 紋圖像塊進(jìn)行濾波操作；
指紋圖像細(xì)化模塊與指紋圖像濾波模塊連接，對指紋圖像塊進(jìn)行細(xì) 化操作，獲取指紋細(xì)化圖像并輸入給臨時(shí)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)。
本實(shí)用新型的有益效果本實(shí)用新型所述的身份認(rèn)證是基于現(xiàn)場可 編程門陣列芯片(FPGA)運(yùn)算平臺(tái)的特點(diǎn)，使用基于硬件描述語言在 FPGA芯片中劃分了指紋傳感器接口、圖像分配、圖像增強(qiáng)、細(xì)節(jié)點(diǎn)提 取、臨時(shí)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)、細(xì)節(jié)點(diǎn)匹配、外部存儲(chǔ)器接口等功能單元，實(shí)現(xiàn) 了指紋注冊和指紋匹配功能，同時(shí)在指紋識(shí)別運(yùn)算過程中，采用流水線 運(yùn)算模式，對同一指紋圖像塊依次進(jìn)行指紋增強(qiáng)和細(xì)節(jié)點(diǎn)提取等操作， 并逐步完成指紋細(xì)節(jié)點(diǎn)的重構(gòu)操作，極大降低了處理完整指紋圖像所需 的臨時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。
采用本實(shí)用新型的技術(shù)方案解決了現(xiàn)有指紋識(shí)別的實(shí)現(xiàn)方式完全 依賴通用處理器的性能高低，限制指紋識(shí)別產(chǎn)品的性能，使指紋識(shí)別產(chǎn) 品的應(yīng)用受到限制的問題。本實(shí)用新型所述的身份認(rèn)證提高了嵌入式系 統(tǒng)環(huán)境下的指紋識(shí)別性能、降低了指紋識(shí)別處理過程中所需的臨時(shí)數(shù)據(jù)
存儲(chǔ)空間，降低了指紋識(shí)別系統(tǒng)的硬件成本。
采用本實(shí)用新型的濾波模板對輸入圖像塊進(jìn)行濾波的技術(shù)方案，減 少濾波處理所用時(shí)間，提高了指紋識(shí)別速度。


圖1是使用本實(shí)用新型身份認(rèn)證裝置框圖2是本實(shí)用新型所述的身份認(rèn)證功能框圖3是圖像交疊分塊技術(shù)示意圖4是指紋圖像分配功能單元輸出的圖像塊；
圖5是指紋圖像增強(qiáng)功能單元的處理過程；
圖6是指紋圖像增強(qiáng)處理結(jié)果；
圖7是指紋細(xì)節(jié)點(diǎn)信息結(jié)構(gòu)；
圖8是指紋細(xì)節(jié)點(diǎn)重構(gòu)示意圖9是本實(shí)用新型所述身份認(rèn)證的測試性能曲線圖;
具體實(shí)施方式
下面將結(jié)合附圖對本實(shí)用新型加以詳細(xì)說明，應(yīng)指出的是，所描述 的實(shí)施例僅旨在便于對本實(shí)用新型的理解，而對其不起任何限定作用。 本實(shí)用新型裝置如圖l所示，包括指紋傳感器l、電源管理電路
2、指紋模板存儲(chǔ)電路3、 FPGA芯片4、串行通訊電路5。該裝置通過 串口通訊電路5接收PC機(jī)的命令，執(zhí)行指紋注冊和指紋匹配操作。
本裝置所述的指紋傳感器1是基于CMOS技術(shù)的指紋采集芯片， 芯片的類型可以是平面型的，也可以條狀掃描型的。這些傳感器的特點(diǎn) 是體積小巧，適合使用在各種嵌入式系統(tǒng)中。指紋傳感器1將采集到的 圖像數(shù)據(jù)通過8位的并行數(shù)據(jù)線進(jìn)入FPGA芯片4的指紋傳感器接口功 能單元51。
本裝置所述的電源管理電路2由一片直流電壓變換芯片組成。該電 路將外部提供的直流電源轉(zhuǎn)換為裝置中其他部分電路所需的直流電壓， 為整個(gè)裝置供電。
本裝置中指紋模板存儲(chǔ)電路3使用電可擦寫的閃存(FLASH)來
存放已注冊的用戶指紋模板。
FPGA芯片4通過外部存儲(chǔ)區(qū)接口功能單元54讀、寫FLASH芯片。 在FLASH芯片中，指紋模板是以一種數(shù)據(jù)表的結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)的。表中每--個(gè)記錄單元包含了用戶身份號碼信息和用戶的指紋模板信息。數(shù)據(jù)表中 每--個(gè)記錄單元按照存儲(chǔ)寫入的順序存儲(chǔ)。表中每一個(gè)記錄單元的大小 是固定的。在指紋注冊操作過程中，外部存儲(chǔ)區(qū)接口功能單元54將生 成的指紋模板和相應(yīng)的用戶身份號碼一起寫入FLASH芯片中。在指紋 匹配操作過程中，根據(jù)FPGA芯片4的命令，外部存儲(chǔ)區(qū)接口功能單元 54根據(jù)記錄的存儲(chǔ)順序依次讀入每一個(gè)記錄單元，進(jìn)行模板匹配操作。
本裝置所述的串行通訊電路5由串行通訊接口芯片組成。該電路能 夠使計(jì)算機(jī)和FPGA芯片4之間傳輸數(shù)據(jù)。由計(jì)算機(jī)發(fā)出的命令通過串 行通訊電路5傳輸?shù)紽PGA芯片4，使指紋識(shí)別裝置執(zhí)行相應(yīng)的指紋注 冊或者指紋匹配操作。FPGA芯片4通過該電路將指紋注冊是否成功的 結(jié)果或者指紋匹配是否成功結(jié)果發(fā)送到計(jì)算機(jī)。
本裝置使用基于硬件描述語言在FPGA芯片中劃分了指紋傳感器 接口功能單元51、圖像分配功能單元52、指紋圖像增強(qiáng)功能單元53、 外部存儲(chǔ)器接口功能單元54、臨時(shí)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)55、細(xì)節(jié)點(diǎn)提取功能單 元56、細(xì)節(jié)點(diǎn)匹配功能單元57等，實(shí)現(xiàn)了指紋注冊和指紋匹配功能。 各功能單元的連接方式如圖2所示
指紋傳感器接口功能單元51，用于讀入指紋圖像數(shù)據(jù)；
圖像分配功能單元52分別與指紋傳感器接口功能單元51和臨時(shí)數(shù) 據(jù)緩沖區(qū)功能單元55連接，將讀入指紋圖像數(shù)據(jù)生成指紋圖像塊；
指紋圖像增強(qiáng)功能單元53與臨時(shí)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)功能單元55連接，將 臨時(shí)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中的指紋圖像塊數(shù)據(jù)進(jìn)行指紋細(xì)化操作，生成指紋細(xì)化 信息；
外部存儲(chǔ)器接口功能單元54與臨時(shí)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)功能單元55連接， 用于將已存儲(chǔ)的細(xì)節(jié)點(diǎn)模板讀入臨時(shí)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，或者將指紋注冊生成 的用戶指紋模板寫入外部指紋存儲(chǔ)芯片中；
臨時(shí)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)功能單元55，用于存儲(chǔ)圖像分配功能單元52、指
紋圖像增強(qiáng)功能單元53、細(xì)節(jié)點(diǎn)提取功能單元56、細(xì)節(jié)點(diǎn)匹配功能單
元57各功能單元產(chǎn)生的臨時(shí)數(shù)據(jù)；
細(xì)節(jié)點(diǎn)提取功能單元56與臨時(shí)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)功能單元55連接，將臨 時(shí)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)輸入的指紋細(xì)化信息進(jìn)行處理，獲取指紋細(xì)節(jié)點(diǎn)信息；
細(xì)節(jié)點(diǎn)匹配功能單元57與臨時(shí)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)功能單元55連接，用于 對由圖像分配功能單元讀入的指紋圖像生成的細(xì)節(jié)點(diǎn)模板和通過外部 存儲(chǔ)器接口功能單元讀入的已存儲(chǔ)的細(xì)節(jié)點(diǎn)模板進(jìn)行細(xì)節(jié)點(diǎn)匹配。
在指紋圖像增強(qiáng)功能單元53中又劃分了如圖5所示的結(jié)構(gòu)
指紋圖像方向場模塊531與臨時(shí)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)55連接，用于提取指 紋圖像塊中指定象素點(diǎn)的方向；
指紋圖像濾波模塊532與指紋圖像方向場模塊531連接，利用濾波 模板對指紋圖像塊進(jìn)行濾波操作；
指紋圖像細(xì)化模塊533與指紋圖像濾波模塊532連接，對指紋圖像 塊進(jìn)行細(xì)化操作，獲取指紋細(xì)化圖像并輸入給臨時(shí)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)55。
本裝置的操作模式分為指紋注冊和指紋匹配。外部計(jì)算機(jī)將操作命 令通過串行通訊電路5發(fā)送至FPGA芯片4， FPGA芯片4控制本裝置 執(zhí)行相應(yīng)操作。
在指紋注冊操作過程中，用戶的指紋信息通過指紋傳感器1采集， 將指紋圖像數(shù)據(jù)發(fā)送至FPGA芯片4。在FPGA芯片4內(nèi)部，指紋傳感 器接口功能單元51將完整的指紋圖像輸入至圖像分配功能單元52，由 圖像分配功能單元52采用圖像交疊分塊技術(shù)將完整指紋圖像分割成固 定大小的圖像塊，作為圖像增強(qiáng)、細(xì)節(jié)點(diǎn)提取等后續(xù)處理過程的操作對 象。在后續(xù)處理過程中，采用流水線運(yùn)算模式，指紋圖像增強(qiáng)功能單元 53、細(xì)節(jié)點(diǎn)提取功能單元56依次處理同一個(gè)指紋圖像塊，完成--次細(xì) 節(jié)點(diǎn)提取操作。
在指紋圖像增強(qiáng)過程中，指紋圖像塊依次通過方向場提取、圖像濾 波、圖像細(xì)化操作，生成臨時(shí)指紋細(xì)化圖像，然后在細(xì)節(jié)點(diǎn)提取功能單 元56中生成局部指紋細(xì)節(jié)點(diǎn)信息，并保存在臨時(shí)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中。細(xì)節(jié) 點(diǎn)提取功能單元56在完成一幅指紋圖像所有圖像塊的處理之后.，根據(jù) 圖像分配功能單元52分割圖像的順序，對局部指紋細(xì)節(jié)點(diǎn)信息進(jìn)行重
構(gòu)操作，得到指紋細(xì)節(jié)點(diǎn)模板。由外部存儲(chǔ)器接口功能單元54保存至
外部指紋存儲(chǔ)芯片中。至此，完成一次指紋注冊操作，同時(shí)FPGA芯片 4將注冊成功信息通過串行通訊電路5發(fā)送到計(jì)算機(jī)。
在指紋匹配操作過程中，本裝置首先從用戶輸入的指紋圖像提取出 指紋模板。然后通過控制外部存儲(chǔ)器接口功能單元54從外部指紋存儲(chǔ) 芯片中依照保存的順序讀取一枚指紋模板數(shù)據(jù)。在細(xì)節(jié)點(diǎn)匹配功能單元 57中完成指紋匹配，求出兩枚指紋模板相似度數(shù)值，并且與預(yù)先設(shè)置 的閾值比較。如果匹配數(shù)值大于閾值，則表明輸入用戶是已注冊用戶， FPGA芯片4將匹配成功信息通過串行通訊電路5發(fā)送到計(jì)算機(jī)。如果 匹配數(shù)值小于閾值，則表明輸入用戶指紋模板與本次讀取的指紋模板不 匹配。此時(shí)，外部存儲(chǔ)器接口功能單元54將按順序從外部指紋存儲(chǔ)芯 片中讀取下一枚指紋模板數(shù)據(jù)，傳送到細(xì)節(jié)點(diǎn)匹配功能單元57中，進(jìn) 行再一次指紋匹配。如果外部存儲(chǔ)芯片中所有的指紋模板與輸入用戶的 指紋模板都不匹配，則表明當(dāng)前用戶不是已注冊用戶，F(xiàn)PGA芯片4將 匹配失敗信息通過串行通訊電路5發(fā)送到計(jì)算機(jī).
該裝置使用Verilog硬件描述語言在Xilinx公司的xc2v8000芯片上 測試，測試時(shí)FPGA外部時(shí)鐘為70MHz，使用的FPGA芯片4的資源 大約為34%。經(jīng)過測試注冊一枚指紋所需的平均時(shí)間為1秒，兩枚指 紋模板匹配所需的平均時(shí)間為1毫秒。
本實(shí)用新型所述的身份認(rèn)證工作分為以下兩個(gè)階段 一、指紋注冊階段
由硬件描述語言實(shí)現(xiàn)的指紋識(shí)別在指紋注冊階段對由指紋傳感器 接口功能單元51輸入的指紋圖像依次進(jìn)行圖像分配、圖像增強(qiáng)、細(xì)節(jié) 點(diǎn)提取等操作，最終通過外部存儲(chǔ)器接口功能單元54將包含指紋細(xì)節(jié) 點(diǎn)信息的指紋模板存儲(chǔ)在外部存儲(chǔ)器芯片中。
在指紋注冊階段采用交疊圖像分塊技術(shù)和流水線運(yùn)算模式，在圖像 分配功能單元52中對輸入的指紋圖像以窗口為單位進(jìn)行分塊提取，在 指紋增強(qiáng)和細(xì)節(jié)點(diǎn)提取功能單元56中以圖像塊為單位進(jìn)行操作，依次 處理同一個(gè)圖像塊數(shù)據(jù)，完成一次細(xì)節(jié)點(diǎn)提取操作。在細(xì)節(jié)點(diǎn)提取功能
單元56中將由各圖像塊提取的局部細(xì)節(jié)點(diǎn)信息進(jìn)行重構(gòu)，完成輸入指 紋細(xì)節(jié)點(diǎn)模板提取操作。這種處理方式極大降低了處理完整指紋圖像所
需的臨時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。
它依次含有以下步驟
(1)對指紋圖像進(jìn)行分塊處理
本實(shí)用新型所述的身份認(rèn)證針對FPGA運(yùn)算平臺(tái)的特點(diǎn)以及考慮
到成本方面的因素，不使用附加的系統(tǒng)存儲(chǔ)器存放臨時(shí)數(shù)據(jù)。在FPGA 芯片4內(nèi)部由邏輯單元搭建了一個(gè)20K字節(jié)的內(nèi)部臨時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)。 在指紋識(shí)別運(yùn)算過程中，存放待處理的圖像塊、局部細(xì)節(jié)點(diǎn)信息、待匹 配指紋模板臨時(shí)數(shù)據(jù)；作為處理芯片的FPGA不與外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器交換 數(shù)據(jù)。對于由指紋傳感器接口功能單元51輸入的指紋圖像數(shù)據(jù)，在圖 像分配功能單元52中完成指紋圖像的分塊操作，圖像分配功能單元52 將指紋圖像分割成大小為wXw的圖像數(shù)據(jù)塊，其中w二64象素。如 圖3所示，指紋圖像在處理過程中圖像塊數(shù)據(jù)獲取的順序是依照從左 向右，從上向下的順序。
為了避免在后續(xù)計(jì)算過程中產(chǎn)生塊效應(yīng)，圖像分配功能單元52采 用交疊窗口的方式劃分指紋圖像塊區(qū)域。圖像分塊窗口每次移動(dòng)w/2象 素距離，保證相鄰兩個(gè)指紋圖像塊數(shù)據(jù)有w/2象素寬度的數(shù)據(jù)交疊。圖 4顯示了使用交疊窗口按順序獲得的指紋圖像塊。 (2)對指紋圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理
受FPGA芯片4成本的限制，在芯片內(nèi)部組合生成的臨時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 區(qū)不可能將所有指紋圖像塊的處理結(jié)果保存下來。利用本實(shí)用新型所述 的身份認(rèn)證，指紋圖像增強(qiáng)功能單元53的處理對象為指紋圖像塊，在 完成指紋細(xì)化操作之后，將指紋圖像塊細(xì)化的結(jié)果輸出給細(xì)節(jié)點(diǎn)提取功 能單元56，同時(shí)刪除所有臨時(shí)數(shù)據(jù)，為處理下一個(gè)指紋圖像塊做準(zhǔn)備。 指紋圖像增強(qiáng)功能單元53的處理過程如圖5所示，包括下述步驟 (2. 1)求指紋圖像方向場
采用多方向梯度估計(jì)的方法求圖像塊中象素點(diǎn)的方向。通過計(jì)算象 素點(diǎn)8鄰域內(nèi)的4個(gè)基本方向
'ol=|/l —/ | + |/8—/| =|/3-/| + |/6-/| < o3 =|/4-/| + 1/5-/| o4 —/| + |/7-/|
得到象素點(diǎn)的基本方向因子，ol、 o2、 o3、 04分別對應(yīng)(T 、 45 ° 、 90° 、 135°四個(gè)基本方向的方向因子。通過下式求出該象素點(diǎn)的 主方向
o(x， _y) = _y) x ol + o:2(x, >>) x o2 + a3(x, .y) x o3 + 4(x，少;)x c4
0(x，W表示該象素點(diǎn)的主方向，而[cxl,a2，a3，a4]是基本方向因子 !ol，o2,o3,o4]的權(quán)重參數(shù)，分別等于[l， 32， 96， 64]。 (2. 2)方向?yàn)V波
采用基于幾何特性的方向?yàn)V波方法，使用如下形式的濾波器方程
,. r , 、 / 、 ， i r(xcos P)2 ■,、 f , r (v sin ip)2 " A(x,)',^/) = cos( 2;r^:cos p).exp{ -+[-^----'exp《—+[~^-^——]}
— 《 么— 其中x、 y表示象素位置；,^分別表示局部指紋脊線頻率和方向，
;=—6;《、^分別表示高斯包標(biāo)準(zhǔn)偏差，都等于4。根據(jù)圖像塊的范圍， 求出針對不同方向的濾波模板，選擇濾波模板的大小為kXk，其中k
=16。濾波巻積方程如下
其中D表示圖像塊區(qū)域。利用模板進(jìn)行指紋圖像塊的濾波操作，
可以加快指紋濾波過程的執(zhí)行速度。 (2， 3)指紋圖像細(xì)化 采用形態(tài)學(xué)方法對增強(qiáng)后的指紋圖像塊進(jìn)行細(xì)化操作，使用4個(gè)形 態(tài)學(xué)的模板對指紋圖像塊進(jìn)行腐蝕處理。4個(gè)模板分別表示4個(gè)不同的 處理方向，分別是0。 、 90° 、 180° 、 270° 。其中0°方向的處理模
板Tl如下，其它方向的處理模板T2、 T3、 T4可以對Tl模板進(jìn)行旋轉(zhuǎn) 獲得
11==012=0I3==0
14==0NAI5==0
16>k17>kIS>k
其中NA表示待處理的中心象素，k表示操作閾值。當(dāng)中心象素的 8鄰域象素滿足模板條件時(shí)，將其設(shè)為O，表示不是有效脊線。使用該
模板在圖像塊區(qū)域內(nèi)進(jìn)行逐點(diǎn)反復(fù)操作，直至完成圖像塊的細(xì)化操作。
指紋圖像增強(qiáng)處理的最終結(jié)果見圖6。 (3)提取細(xì)節(jié)點(diǎn)
指紋細(xì)節(jié)點(diǎn)信息包括細(xì)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)信息、局部脊線方向、細(xì)節(jié)點(diǎn)類型。 由于使用交疊窗口技術(shù)處理指紋圖像，因而細(xì)節(jié)點(diǎn)信息只能限定在圖像 塊內(nèi)才能被準(zhǔn)確提取，同時(shí)受到臨時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)的限制，因此在本實(shí)用 新型中不使用全局細(xì)節(jié)點(diǎn)特征，如跨越脊線數(shù)等信息。完整的細(xì)節(jié)點(diǎn)特 征向量為"7^，0，如圖7所示，其中x、 y表示細(xì)節(jié)點(diǎn)位置，9表示細(xì) 節(jié)點(diǎn)方向，t表示細(xì)節(jié)點(diǎn)類型。
在完成對圖像塊內(nèi)的局部指紋細(xì)節(jié)點(diǎn)提取操作之后，由于完成了本 次指紋圖像塊的處理，本次操作所占用的臨時(shí)存儲(chǔ)區(qū)需要為下一個(gè)圖像 塊的處理做準(zhǔn)備。因此，每個(gè)圖像塊提取的局部指紋細(xì)節(jié)點(diǎn)被保存并被 重構(gòu)以保證細(xì)節(jié)點(diǎn)集的完整。
細(xì)節(jié)點(diǎn)重構(gòu)過程的示意圖見圖8。增加提取的細(xì)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量可以提 高本實(shí)用新型所述身份認(rèn)證的指紋識(shí)別性能，但是在細(xì)節(jié)點(diǎn)重構(gòu)過程中 處理過多的細(xì)節(jié)點(diǎn)會(huì)占用過多的臨時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)。因此在保證指紋識(shí)別 性能的前提下，完整的細(xì)節(jié)點(diǎn)集所包含的細(xì)節(jié)點(diǎn)數(shù)量被限制在100個(gè)以 內(nèi)。
二、指紋匹配階段
在指紋匹配階段，由硬件描述語言實(shí)現(xiàn)的指紋識(shí)別方法先通過上述
(l) (3)步驟由指紋傳感器接口功能單元5:1讀入的指紋圖像獲得 細(xì)節(jié)點(diǎn)模板。在細(xì)節(jié)點(diǎn)匹配功能單元57中對輸入指紋生成的細(xì)節(jié)點(diǎn)模 板和通過外部存儲(chǔ)器接口功能單元54讀入的已存儲(chǔ)的細(xì)節(jié)點(diǎn)模板進(jìn)行 細(xì)節(jié)點(diǎn)匹配，確認(rèn)是否屬于同一個(gè)手指。
指紋細(xì)節(jié)點(diǎn)集的匹配主要利用的是細(xì)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)的特性，是點(diǎn)匹配。 這個(gè)結(jié)構(gòu)是基于細(xì)節(jié)點(diǎn)的局部結(jié)構(gòu)，它是由上述步驟(3)獲得的細(xì)節(jié) 點(diǎn)特征向量構(gòu)成。輸入指紋生成的細(xì)節(jié)點(diǎn)模板和已存儲(chǔ)的細(xì)節(jié)點(diǎn)模板之 間的匹配相似度由下式計(jì)算得出
単)=
尸,
LP —尸,'<
,其他
其中''。是輸入細(xì)節(jié)點(diǎn)模板中第i個(gè)點(diǎn)以及存儲(chǔ)細(xì)節(jié)點(diǎn)模板中第 j個(gè)點(diǎn)；PWR是歸一化權(quán)值的系數(shù)，取值為100; THR是經(jīng)驗(yàn)閾值，取
值為50; k表示兩個(gè)指紋模板間細(xì)節(jié)點(diǎn)對匹配的次數(shù)。
對上述的細(xì)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)在輸入細(xì)節(jié)點(diǎn)模板和存儲(chǔ)細(xì)節(jié)點(diǎn)模板上進(jìn)行
逐個(gè)匹配，這時(shí)就獲得一個(gè)記錄累計(jì)匹配的點(diǎn)數(shù)N和匹配相似度總和
PS。最終的匹配分?jǐn)?shù)由下式?jīng)Q定
通過將Score與預(yù)先設(shè)置的指紋匹配閾值進(jìn)行比較，最終決定輸入 指紋是否與存儲(chǔ)的指紋模板一致。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)指紋匹配閾值設(shè)為0.4，當(dāng) Score大于該閾值時(shí)認(rèn)為是同一個(gè)手指的指紋，否則認(rèn)為不是同一個(gè)手 指的指紋。通過調(diào)節(jié)指紋匹配閾值，可以調(diào)節(jié)使用上述指紋識(shí)別方法的 系統(tǒng)識(shí)別性能，如拒識(shí)率和誤識(shí)率，使得指紋識(shí)別系統(tǒng)適應(yīng)不同的應(yīng)用 領(lǐng)域。
將本實(shí)用新型的裝置使用c語言在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行指紋識(shí)別性能測
試，使用電容式指紋傳感器采集的指紋圖像，圖像大小為256X256象 素，指紋數(shù)據(jù)庫大小為100人X8枚手指。經(jīng)測試，指紋識(shí)別性能EER 二2.55%，測試性能曲線見圖9。
以上所述，僅為本實(shí)用新型中的具體實(shí)施方式
，但本實(shí)用新型的保 護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉該技術(shù)的人在本實(shí)用新型所揭露的技術(shù) 范圍內(nèi)，可理解想到的變換或替換，都應(yīng)涵蓋在本實(shí)用新型的包含范圍 之內(nèi)，因此，本實(shí)用新型的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求1、一種身份認(rèn)證裝置，其特征在于，包括指紋傳感器(1)與現(xiàn)場可編程門陣列芯片(4)連接，用于將指紋信息轉(zhuǎn)換成圖像數(shù)據(jù)流傳輸至現(xiàn)場可編程門陣列芯片(4)；電源管理電路(2)與現(xiàn)場可編程門陣列芯片(4)連接，用于提供指紋識(shí)別裝置所需的電源；指紋模板存儲(chǔ)電路(3)與現(xiàn)場可編程門陣列芯片(4)連接，用于存儲(chǔ)由現(xiàn)場可編程門陣列芯片(4)產(chǎn)生的指紋模板數(shù)據(jù)；現(xiàn)場可編程門陣列芯片(4)，分別與指紋傳感器(1)、電源管理電路(2)、指紋模板存儲(chǔ)電路(3)、串行通訊電路(5)連接，用于接收上述這些部件的信息完成指紋識(shí)別操作；串行通訊電路(5)與現(xiàn)場可編程門陣列芯片(4)連接，用于與計(jì)算機(jī)通訊，接收外計(jì)算機(jī)的控制命令以及向計(jì)算機(jī)發(fā)送指紋識(shí)別結(jié)果。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的身份認(rèn)證裝置，其特征在于，在所述現(xiàn) 場可編程門陣列芯片(4)中包括指紋傳感器接口功能單元(51)，用于讀入指紋圖像數(shù)據(jù)； 圖像分配功能單元(52)分別與指紋傳感器接口功能單元(:51)和臨時(shí)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)功能單元(55)連接，將讀入指紋圖像數(shù)據(jù)生成指紋圖像塊；指紋圖像增強(qiáng)功能單元(53)與臨時(shí)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)功能單元(55)連 接，將臨時(shí)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中的指紋圖像塊數(shù)據(jù)進(jìn)行指紋細(xì)化操作，生成指 紋細(xì)化信息；外部存儲(chǔ)器接口功能單元(54)與臨時(shí)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)功能單元(55) 連接，用于將已存儲(chǔ)的細(xì)節(jié)點(diǎn)模板讀入臨時(shí)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，或者將指紋注 冊生成的用戶指紋模板寫入外部指紋存儲(chǔ)芯片中；臨時(shí)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)功能單元(55:)，用于存儲(chǔ)圖像分配功能單元(52)、 指紋圖像增強(qiáng)功能單元(53)、細(xì)節(jié)點(diǎn)提取功能單元(56)、細(xì)節(jié)點(diǎn)匹配 功能單元(57)各功能單元產(chǎn)生的臨時(shí)數(shù)據(jù)；細(xì)節(jié)點(diǎn)提取功能單元(56)與臨時(shí)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)功能單元(55)連接， 將臨時(shí)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)輸入的指紋細(xì)化信息進(jìn)行處理，獲取指紋細(xì)節(jié)點(diǎn)信 自.細(xì)節(jié)點(diǎn)匹配功能單元(57)與臨時(shí)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)功能單元(55)連接， 用于對由圖像分配功能單元(52)讀入的指紋圖像生成的細(xì)節(jié)點(diǎn)模板和 通過外部存儲(chǔ)器接口功能單元(54)讀入的己存儲(chǔ)的細(xì)節(jié)點(diǎn)模板進(jìn)行細(xì) 節(jié)點(diǎn)匹配。3、根據(jù)權(quán)利要求2所述身份認(rèn)證裝置，其特征在于，指紋圖像增 強(qiáng)功能單元(53)包括指紋圖像方向場模塊(531)與臨時(shí)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)(55)連接，用于 提取指紋圖像塊中指定象素點(diǎn)的方向；指紋圖像濾波模塊(532)與指紋圖像方向場模塊(531)連接，利 用濾波模板對指紋圖像塊進(jìn)行濾波操作；指紋圖像細(xì)化模塊(533)與指紋圖像濾波模塊(532)連接，對指 紋圖像塊進(jìn)行細(xì)化操作，獲取指紋細(xì)化圖像并輸入給臨時(shí)數(shù)據(jù)緩沖區(qū) (55)。
專利摘要本實(shí)用新型公開一種身份認(rèn)證裝置，包括現(xiàn)場可編程門陣列芯片，分別與指紋傳感器、指紋模板存儲(chǔ)電路、串行通訊電路、電源管理電路連接，用于接收上述部件的信息完成指紋識(shí)別操作，用于將指紋信息轉(zhuǎn)換成圖像數(shù)據(jù)流傳輸至現(xiàn)場可編程門陣列芯片；用于存儲(chǔ)由現(xiàn)場可編程門陣列芯片產(chǎn)生的指紋模板數(shù)據(jù)；用于與計(jì)算機(jī)通訊，接收計(jì)算機(jī)的控制命令以及向計(jì)算機(jī)發(fā)送指紋識(shí)別結(jié)果；用于提供指紋識(shí)別裝置所需的電源；本實(shí)用新型所述的裝置提高了嵌入式系統(tǒng)環(huán)境下的指紋識(shí)別速度、降低了指紋識(shí)別處理過程中所需的臨時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，降低了指紋識(shí)別系統(tǒng)的硬件成本，可以在較低成本的嵌入式系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)較高的指紋識(shí)別性能。
文檔編號G06K9/00GK201000630SQ20072010326
公開日2008年1月2日 申請日期2007年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月18日
發(fā)明者鑫 楊, 捷 田, 琪 蘇, 謝衛(wèi)華 申請人:中國科學(xué)院自動(dòng)化研究所