專利名稱：用于指紋鎖的圖象處理系統(tǒng)和指紋圖象攝取儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及用于指紋鎖的圖象處理系統(tǒng)和指紋圖象攝取儀，屬固定建筑物技術(shù)領(lǐng)域。
在銀行的金庫、武器庫、檔案館、保存珍貴藝術(shù)品、文獻(xiàn)的處所以及高級(jí)轎車、高級(jí)賓館等需要嚴(yán)格保險(xiǎn)或保密的地方，要求的安全級(jí)別很高，為了保安的需要，一般都有精心設(shè)置的機(jī)械鎖、密碼鎖等門禁裝置。但大多數(shù)失竊事件都與鑰匙有關(guān)機(jī)械鎖可以用萬能鑰匙或仿制的鑰匙打開，密碼鎖也可被有經(jīng)驗(yàn)的竊賊破譯，而監(jiān)守自盜則更難預(yù)防。我們利用指紋的唯一性和終生不變的特點(diǎn)，研制了指紋鎖，該鎖唯一的鑰匙就是人的手指，因而有效地防止了上述事件的發(fā)生。
理論上已經(jīng)證明，人的指紋具有唯一性和穩(wěn)定性。因而從古代起就把指紋用于身份鑒定。計(jì)算機(jī)發(fā)展以后，國內(nèi)外公安部門都有用指紋鑒別身份的裝置問世，但都以工作站或微機(jī)作為主機(jī)。這在很多場合無法用于保安的目的。
本實(shí)用新型的目的是設(shè)計(jì)一種專用的指紋鎖，對(duì)其中的指紋圖象攝取部分和圖象處理部分進(jìn)行全新的設(shè)計(jì)。利用光學(xué)全反射原理獲取指紋信息，用高速數(shù)字信號(hào)處理芯片作為CPU，制成專用機(jī)式的指紋鎖，使其具有體積小、重量輕、功能全、用途廣等特點(diǎn)。
本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的指紋鎖的指紋圖象攝取儀由三棱鏡、光源和攝象機(jī)組成。三棱鏡的棱面(a)與手指接觸，棱面(b)與平面光源相對(duì)，棱面(c)與攝象機(jī)相對(duì)。光源發(fā)出的平面光透過棱鏡后投射到棱面a上，棱面a吸收射來的部分光線并把其余部分光射全反射至棱面c，于是清晰的指紋圖象隨光線進(jìn)入攝象機(jī)。
本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的指紋鎖的圖象處理系統(tǒng)，由CPU單元、接口驅(qū)動(dòng)單元和鍵盤板單元組成；
其中的CPU單元包括(1)用以指紋圖象處理程序運(yùn)行的中央處理器(U100)；(2)用以存放來自接口驅(qū)動(dòng)器單元的數(shù)字圖象的數(shù)據(jù)圖象存儲(chǔ)器(U101—U104}；(3)用以存放、運(yùn)行各種處理程序和存放圖象處理結(jié)果的程序存儲(chǔ)器(U108，U109，U129，U131，U106，U107)；(4)用以分頻后產(chǎn)生A/D變換所需時(shí)鐘的晶振(U16)；(5)用以控制I/O口輸入輸出的I/O端口譯碼器(U121)；(6)用以控制存儲(chǔ)器讀寫的存儲(chǔ)器片選譯碼器(U123)；(7)將接口驅(qū)動(dòng)器單元送來的水平同步信號(hào)和垂直同步信號(hào)在本單形成圖象采集地址的圖象采集地址發(fā)生器(U1，U2)；其中的接口驅(qū)動(dòng)單元包括(1)將來自指紋圖象攝取儀的圖象視頻信號(hào)進(jìn)行同步分離的同步分離器(U38)；(2)將同步分離后的水平同步信號(hào)和垂直同步信號(hào)進(jìn)行單穩(wěn)延遲處理的定時(shí)器(U31)，經(jīng)延遲處理的水平同步信號(hào)和垂直同步信號(hào)送到CPU單元的圖象采集地址發(fā)生器(U1和U2)；(3)將來自指紋圖象攝取儀的圖象視頻信號(hào)進(jìn)行隔離緩沖的隔離放大器(U63)和進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換的A/D變換器(U0)；(4)將上述數(shù)字信號(hào)進(jìn)行鎖存緩沖后送入CPU單元的鎖存器(U24)和數(shù)據(jù)總線(D0—D15)；(5)用以數(shù)據(jù)掉電保護(hù)的EEPROM(U14)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(U22)；(6)用以復(fù)位、保持控制、串口通訊的組合邏輯發(fā)生器(U21)；(7)用以防止程序走飛造成系統(tǒng)死機(jī)的看門狗電路(U13)；(8)上電和自動(dòng)掉電單元電路，由單穩(wěn)態(tài)定時(shí)器U4、繼電器U3、U33和T62組成；
(9)用以將圖象處理系統(tǒng)與指紋鎖中的電磁鎖驅(qū)動(dòng)部分相隔離的光耦隔離器(U15)；(10)為電磁鎖開閉提供驅(qū)動(dòng)電流的輸出電路T1和T4；其中的鍵盤板單元包括(1)用以管理程序運(yùn)行的管理控制芯片U1；(2)用以存儲(chǔ)程序的程序存儲(chǔ)器U7；(a)使管理控制芯片與程序存儲(chǔ)器進(jìn)行地址鎖存的鎖存器(U3)；(4)用以串行通訊的去耦隔離器U15，波形整形U11和通訊驅(qū)動(dòng)T3；(5)用于電源穩(wěn)壓的穩(wěn)壓U10；(6)用以鍵入控制信號(hào)的鍵盤板。


圖1是本實(shí)用新型中指紋圖象攝取儀的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是指紋鎖圖象處理系統(tǒng)組成框圖。
圖3和圖4是圖象處理系統(tǒng)中CPU單元的電路原理圖。
圖5、圖6和圖7是圖象處理系統(tǒng)中接口驅(qū)動(dòng)單元的電路原理圖。
圖8和圖9是圖象處理系統(tǒng)中鍵盤板單元的電路原理圖。
圖10是指紋鎖工作流程圖。
圖11是指紋圖象處理流程圖。
以下結(jié)合附圖，詳細(xì)介紹本實(shí)用新型的內(nèi)容。圖1是本實(shí)用新型的指紋鎖中用以獲取指紋圖象的指紋圖象攝取儀。圖中，1是光學(xué)三棱鏡，2是攝像機(jī)，3是平面光源，4是指紋隆線。指紋圖象攝取儀的功能是將指紋隆起的高度信息轉(zhuǎn)化為圖象的灰度變化，再將其轉(zhuǎn)化為電視信號(hào)送到指紋圖象處理系統(tǒng)。其工作原理如圖1所示。光源3發(fā)出的平面光投射到棱鏡1的上表面a，由于指紋隆線部分緊貼棱鏡面，它吸收了射來的光線，而指紋溝部分全反射了光線，這就形成了黑白相間的指紋圖象，經(jīng)CCD攝象機(jī)2，就使指紋圖象成為了電視信號(hào)并送到圖象處理系統(tǒng)。
本指紋圖象攝取儀簡單易行，結(jié)構(gòu)緊湊，速度很快。無需借助于印泥，紙張等即可形成清晰的指紋。一般可在CCD攝象機(jī)輸出一幀圖象的時(shí)間內(nèi)(約1/25秒)，將信號(hào)全部送到指紋處理器內(nèi)。
本指紋圖象攝取儀還具有如下特點(diǎn)1、利用了光的全反射原理，保證了較高的黑白圖象對(duì)比度，克服了直接攝取指紋圖象時(shí)對(duì)比度不高的缺點(diǎn)。
2、圖象的變形小，比較穩(wěn)定。把手指按在玻璃平面上，就可形成一幅平面圖象，特別是圖象與手指用力的大小沒有什么關(guān)系。
3、結(jié)構(gòu)緊湊，成像質(zhì)量能很好地滿足指紋鎖的要求。
指紋圖象處理系統(tǒng)包括CPU單元、接口驅(qū)動(dòng)單元和鍵盤板單元。
CPU單元提供了一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的硬件環(huán)境以便進(jìn)行高速信號(hào)處理。在電路設(shè)計(jì)上盡可能考慮了通用性和可擴(kuò)展性，并適當(dāng)簡化了內(nèi)部電路。其電路原理圖如圖3和圖4所示。
在圖3中，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器U101、U102、U103、U104(CY7C199-35)，以及程序存儲(chǔ)器U108、U109(CY7C198-35)主要用來存放攝取的指紋圖象和圖象處理的中間結(jié)果，而程序存儲(chǔ)器U129、U131(CY7C198-35)和U106、U107(27256)用來存放和運(yùn)行各種處理程序。此外，板上還有I/O端口譯碼器U121(GAL20V8)，存儲(chǔ)器片選譯碼控制器U123(GAL16V8)等。
圖4含中央處理器U100(TMS320C25)，總線隔離驅(qū)動(dòng)器U117、U119、U111、U112(74F245)，圖象采集地址發(fā)生器U1、U2(GAL16V8)，和40M晶振U126。此外，板上還有一組精心選擇的擴(kuò)展接口信號(hào)(即接線槽U12，U13)，主要含16根地址線，16根數(shù)據(jù)線，以及中斷線、讀寫線、選通線、電源線、地線等。
在這一部分，CPU(U100)控制程序的運(yùn)行，對(duì)圖象采集部分(在接口驅(qū)動(dòng)單元上)送來的指紋圖象信號(hào)進(jìn)行二值化、細(xì)化，提取特征等多種處理，得到了指紋的各種特征，并與存在特征數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(IO板1上的EEROMU14，U25)里的圖象檔案特征進(jìn)行比較，從而對(duì)人的身份進(jìn)行鑒別。接口驅(qū)動(dòng)單元為高速數(shù)字信號(hào)處理CPU單元提供了一個(gè)與外部進(jìn)行通信控制的I/O通道，主要包括數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)輸入、控制輸出、功率驅(qū)動(dòng)等。其電路原理圖見圖5—圖7。
圖5中，圖象采集部分由隔離放大器U63(LF351)、同步分離器U30(LM1881)、延時(shí)器U31(NE556)、模數(shù)變換器(U0(CA3306)、鎖存器U24(74LS374)以及晶振U16等組成。這部分的作用是把指紋圖象攝取儀得到的圖象變成可由CPU單元進(jìn)行操作的數(shù)字圖象信號(hào)。工作過程如下正極性黑白復(fù)合全電視信號(hào)VIN進(jìn)入系統(tǒng)后，分別經(jīng)耦合電容C12和C24送入同步分離器(U38 LM1881)與隔離放大器(U63 LF351)，視頻信號(hào)經(jīng)同步分離器(U38 LM1881)產(chǎn)生水平同步信號(hào)送入定時(shí)器U31A(NE7556)進(jìn)行單穩(wěn)延遲處理，同時(shí)產(chǎn)生的垂直同步信號(hào)也送入定時(shí)器U31B(NE7556)進(jìn)行單穩(wěn)延遲處理。經(jīng)延遲處理的水平同步信號(hào)與垂直同步信號(hào)送到CPU單元上的U1和U2(GAL16V8)，用以形成圖象采集的地址。
與此同時(shí)，輸入的圖象視頻信號(hào)經(jīng)隔離放大器(U63 LF351)緩沖之后，送入視頻A/D變換器(U0 CA3306)，A/D變換產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)經(jīng)鎖存器(U24 74LS374)鎖存緩沖，再經(jīng)數(shù)據(jù)總線(D0—D15)CPU板1(圖3)，并在數(shù)字圖象存儲(chǔ)器U101 U102 U103 U104(CT7C99-25)及程序存儲(chǔ)器U108U109中進(jìn)行圖象保存及處理。晶振(U16 CRAY20)輸出信號(hào)經(jīng)U22(GAL16V8)分頻后，產(chǎn)生A/D變換所需的時(shí)鐘。
圖5還包括系統(tǒng)的一些輔助功能電路，如EEPROM U14和U25是起數(shù)據(jù)掉電保護(hù)作用的特征數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(即檔案數(shù)據(jù))，U22是圖象采集的時(shí)序發(fā)生器，U21起圖象采集幀控制、復(fù)位控制等作用。U17(74F245)是狀態(tài)輸入口，U23(74F273)是輸出控制口。
圖6中的U13(NE556)是看門狗電路，可有效地防止由于程序走飛造成的系統(tǒng)死機(jī)，以保證系統(tǒng)的正常工作。U4(74HC221)是可重復(fù)觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)定時(shí)器，U3(DS2Y)是繼電器，二者與D62、T62一起組成上電和自動(dòng)掉電單元電路，使指紋鎖結(jié)束工作后及時(shí)關(guān)閉，以保護(hù)整個(gè)指紋鎖器件。另外，U11(TIL117)是光耦輸入，U1(74HC14)是驅(qū)動(dòng)輸出。
圖7中，U15是光耦隔離，它使系統(tǒng)的信號(hào)處理部分與電磁鎖驅(qū)動(dòng)部分從電氣上隔開以防止損壞。而T2和T4構(gòu)成兩路輸出電路，為電磁鎖的開閉提供驅(qū)動(dòng)電流。
鍵盤板單元位于指紋圖象攝取儀上，電路圖如圖8、圖9所示。
在圖8中，U1(8751)是鍵盤板部分的CPU，用以控制管理程序的運(yùn)行。U7(27128)是16K的程序存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)管理程序。鎖存器U3(74HC273)主要趣起U1(8751)與U7(27128)之間時(shí)序配合的作用。U13(NE555)和U11B組成看門狗上電復(fù)位電路。12伏電壓經(jīng)三端穩(wěn)壓器U10(7805)降壓后可得到5伏電壓，供相應(yīng)電路使用。
圖9中，U15(TL117)及T3是串行通信接口電路。與非門U11(4093)和三極管T1，T4分別驅(qū)動(dòng)發(fā)光管及蜂鳴器以進(jìn)行狀態(tài)指示。
這部分的主要作用是為用戶提供了交互設(shè)備，可完成狀態(tài)設(shè)置、狀態(tài)查詢等功能。
在本實(shí)用新型指紋鎖中的圖象處理系統(tǒng)部分，主要的硬件電路都使用了快速器件，它是實(shí)現(xiàn)指紋鎖裝置的基礎(chǔ)。本系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜的圖象處理算法、模式識(shí)別算法以及全機(jī)的通信、管理和系統(tǒng)調(diào)試程序等，因而整個(gè)系統(tǒng)的功能很強(qiáng)。其綜合功能有1、記錄開鎖檔案本鎖可保留最后幾十個(gè)開鎖人的指紋檔案，一旦發(fā)生失竊事件，提取這些信息即可協(xié)助破案。
2、具有聯(lián)合開鎖功能本機(jī)最多可存儲(chǔ)十個(gè)人的指紋。所謂聯(lián)合開鎖功能是指必須先后輸入幾個(gè)人的指紋后，才能打開鎖。顯然，這對(duì)幾個(gè)人同時(shí)拿鑰匙才能開啟的金庫是非常有用的。
3、分級(jí)管理功能本鎖共分兩級(jí)主管，最高主管根據(jù)掌握的口令可以確定使用者，并輸入使用者的指紋和密碼，而二級(jí)主管只能操作指紋鎖。
4、維修方便本機(jī)有配套的專用調(diào)試平臺(tái)，生產(chǎn)和維修非常方便。
本實(shí)用新型指紋鎖的主要技術(shù)指標(biāo)是誤識(shí)率 ＜0.000001拒識(shí)率 ＜0.02處理時(shí)間＜3秒(對(duì)一般指紋)可保留開鎖人的指紋檔案具有聯(lián)合開鎖的功能可根據(jù)需要進(jìn)行分級(jí)管理，每級(jí)又可分別加設(shè)密碼有配套的專用調(diào)試平臺(tái)，便于進(jìn)行生產(chǎn)和維修。
指紋圖象攝取儀的體積是88×99×80立方毫米指紋圖象處理器的體積是190×150×85立方毫米
權(quán)利要求1.一種用于指紋鎖的指紋圖象攝取儀，其特征在于指紋圖象攝取儀由三棱器、光源和攝象機(jī)組成；所述的三棱鏡的棱面(a)與手指接觸；棱面(b)與平面光源相對(duì)，棱面(c)與攝象機(jī)相對(duì)；光源發(fā)出的平面光透過棱鏡后投射到棱面a上；棱面a吸收射來的光線并全反射至棱面c，指紋圖象隨光線進(jìn)入攝象機(jī)。
2.一種用于指紋鎖的圖象處理系統(tǒng)，其特征在于該圖象處理系統(tǒng)由CPU單元、接口驅(qū)動(dòng)單元和鍵盤板單元組成；其中的CPU單元包括(1)用以指紋圖象處理程序運(yùn)行的中央處理器(U100)；(2)用以存放來自接口驅(qū)動(dòng)器單元的數(shù)字圖象的數(shù)據(jù)圖象存儲(chǔ)器(U101—U104)；(3)用以存放、運(yùn)行各種處理程序和存放圖象處理結(jié)果的程序存儲(chǔ)器(U108，U109，U129，U131，U106，U107)；(4)用以分頻后產(chǎn)生A/D變換所需時(shí)鐘的晶振(U16)；(5)用以控制I/O口輸入輸出的I/O端口譯碼器(U121)；(6)用以控制存儲(chǔ)器讀寫的存儲(chǔ)器片選譯碼器(U123)；(7)將接口驅(qū)動(dòng)器單元送來的水平同步信號(hào)和垂直同步信號(hào)在本單形成圖象采集地址的圖象采集地址發(fā)生器(U1，U2)；其中的接口驅(qū)動(dòng)單元包括(1)將來自指紋圖象攝取儀的圖象視頻信號(hào)進(jìn)行同步分離的同步分離器(U38)；(2)將同步分離后的水平同步信號(hào)和垂直同步信號(hào)進(jìn)行單穩(wěn)延遲處理的定時(shí)器(U31)，經(jīng)延遲處理的水平同步信號(hào)和垂直同步信號(hào)送到CPU單元的圖象采集地址發(fā)生器(U1和U2)；(3)將來自指紋圖象攝取儀的圖象視頻信號(hào)進(jìn)行隔離緩沖的隔離放大器(U6 3)和進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換的A/D變換器(U0)；(4)將上述數(shù)字信號(hào)進(jìn)行鎖存緩沖后送入CPU單元的鎖存器(U24)和數(shù)據(jù)總線(D0—D15)；(5)用以數(shù)據(jù)掉電保護(hù)的EEPROM(U14)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(U22)；(6)用以復(fù)位、保持控制、串口通訊的組合邏輯發(fā)生器(U21)；(7)用以防止程序走飛造成系統(tǒng)死機(jī)的看門狗電路(U13)；(8)上電和自動(dòng)掉電單元電路，由單穩(wěn)態(tài)定時(shí)器U4、繼電器U3、U33和T62組成；(9)用以將圖象處理系統(tǒng)與指紋鎖中的電磁鎖驅(qū)動(dòng)部分相隔離的光耦隔離器(U15)；(10)為電磁鎖開閉提供驅(qū)動(dòng)電流的輸出電路T1和T4；其中的鍵盤板單元包括(1)用以管理程序運(yùn)行的管理控制芯片U1；(2)用以存儲(chǔ)程序的程序存儲(chǔ)器U7；(3)使管理控制芯片與程序存儲(chǔ)器進(jìn)行地址鎖存的鎖存器(U3)；(4)用以串行通訊的去耦隔離器U15，波形整形U11和通訊驅(qū)動(dòng)T3；(5)用于電源穩(wěn)壓的穩(wěn)壓器U10；(6)用以鍵入控制信號(hào)的鍵盤板。
專利摘要本實(shí)用新型涉及用于指紋鎖的指紋圖象攝取儀和指級(jí)圖象處理系統(tǒng)。指紋圖象攝取儀利用三棱鏡對(duì)光線的全反射原理，將指紋圖象傳送到圖象處理系統(tǒng)。圖象處理系統(tǒng)用高速數(shù)字信號(hào)處理芯片作為CPU，用特制的軟件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的圖象處理算法、模式識(shí)別算法以及全機(jī)的通信、管理和系統(tǒng)調(diào)試程序等。本指紋鎖體積小、功能全，只需將操作者的手指按在指紋圖象攝取儀上，指紋即被自動(dòng)攝入，經(jīng)處理、識(shí)別后驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，開啟被控制的執(zhí)行部件。
文檔編號(hào)G06K9/20GK2232602SQ95213428
公開日1996年8月7日 申請(qǐng)日期1995年6月16日 優(yōu)先權(quán)日1995年6月16日
發(fā)明者王文淵, 閻平凡, 卓晴, 盧春宇, 李兆玉, 董登武 申請(qǐng)人:清華大學(xué), 北京華康自動(dòng)化技術(shù)工程有限公司