论文总字数：23661字

目 录

1绪论 1

1.1研究背景及其意义 1

1.2国内外发展状况 1

2指纹识别技术的原理分析 2

2.1指纹识别技术介绍 2

2.2指纹图像的采集 2

2.3指纹图像预处理 3

2.3.1图像分割 4

2.3.2图像增强 7

2.3.3二值化处理 9

2.3.4细化处理 10

2.4指纹的基本特征及特征提取 10

2.4.1全局特征 11

2.4.2局部特征 12

2.4.3指纹特征提取 12

2.5指纹特征匹配 13

3基于FPC1020AM的指纹电子门锁的设计 13

3.1指纹识别系统的构建 13

3.2指纹电子门锁的系统硬件设计 14

3.2.1系统总体结构 14

3.2.2指纹图像采集系统设计 15

3.2.3指纹图像处理系统设计 16

3.2.4外部存储器设计 19

3.2.5门锁控制及报警系统设计 20

3.3指纹电子门锁的系统软件设计 21

3.3.1系统总体结构流程图 21

3.3.2指纹图像处理模块 22

3.3.3单片机控制模块 23

4系统设计调试及运行 23

4.1系统硬件调试 23

4.2指纹算法评价指标 23

4.3指纹模块软件测试 24

4.4运行结果及分析 25

5总结与展望 25

参考文献 27

致 谢 28

指纹识别算法的仿真及实现

杨翔

，China

Abstract：With the increasingly concerned about the security of the security zone in today's society, this paper designs a fingerprint electronic door lock based on FPC1020AM fingerprint sensor, which is based on the two characteristics of fingerprint uniqueness and lifetime invariance. After obtaining the effective verification result of the fingerprint recognition algorithm, the hardware circuit is designed: the FPC1020AM fingerprint sensor is used to acquire the fingerprint image, preprocess the fingerprint and compare the processing via the STM32F103RB, and feedback the result to determine whether to perform the door opening task or alarm. This paper introduces the circuit design and principle of peripheral control in detail. It includes a fingerprint image acquisition module and an image processing module. This paper elaborates the image processing and matching algorithm. The test results show that the system has high fingerprint recognition rate and has certain application value.

Key words：FPC1020AM；Image Acquisition；Fingerprint recognition；Fingerprint electronic door locks

1绪论

1.1研究背景及其意义

如今人们愈发关注安全领域问题，其中，区域的安全保密问题更是重中之重，如机密办公室、个人保险箱等区域。但常规的门锁器具并不能很好地做到安全防范，因为其常使用磨制钥匙、IC卡等需特意携带的开锁器件，而此类器件易丢失、损坏，也易被偷窃、复制，不利于安全保障。针对这种情况以及安全保障的需求，将当今较为成熟的人体生物特征识别技术应用于安全防范系统是最为可观的方法之一。

人体生物特征如掌纹、指纹等具有天生的随身携带的特点，因此有着很高的便捷性，丢失忘却的概率也较为低下；每个人自身的生物特征都是不可复制的，即独一无二，因此具有良好的防伪性，不易被窃取和伪造，所以，可以使用人体生物特征作为鉴别个人信息的直接验证办法，这也是社会发展的需求。

如今人体生物特征科技已得到飞速的发展，其中指纹识别技术有着极为广泛的应用前景，而且技术较为成熟。本文依据指纹的独一无二性以及终身不变性来设计一种基于指纹识别的电子门锁，可用于私人隐秘的门禁系统。以指纹识别技术为原理基础的门锁是一种趋势，以指纹传感器和单片机为内核，应用便捷，易于操作，具有极好的市场前景，也有着一定的设计意义。

1.2国内外发展状况

指纹作为人类自身固有特征，在过去的历史中就已经用作身份认证了。我国唐朝便是通过指纹捺印来签订文书契约，宋朝后，指纹开始被用作刑事诉讼的物证，但是我国古代至近代因没有对此进行专门的研究而导致指纹技术并没有发展成一门科学^[1]。

指纹技术从16世纪后期开始并于19世纪末至20世纪初发展成为一门科学化的技术。英国医生亨利教授提出了通过科学化的指纹识别系统来进行违法行为人群的鉴别的概念，但是一开始的工作却是建立在手工方面上，由于其工作效率低下，因此并不能适用于实际工作。在指纹分类编码技术中提出三大结论：指纹是终身不变的；指纹是可以识别的；指纹是可以分类的^[2]。在1982年，日本NEC公司首次向警方推出了指纹自动识别系统。在1990年，比利时刑事鉴定局也开始使用自动指纹识别系统^[3]。国外很多国家在自动指纹识别系统方面都有着一定的研究水平，而其中美国更是指纹自动识别系统处于世界最前沿水平的国家。

如今在指纹识别算法的研究水平上，无论是国内还是国外，都是处于一个齐头并进的状态，基本都是以基于细节特征点的方法为主流。当前许多国家的识别算法还是建立在PC机处理的基础上，只有美、日、韩等少数发达国家做到了真正把识别算法应用于数字处理芯片之中^[4]。而我国正处于研究和开发的阶段。

我国将指纹用作身份识别最早可以追溯到秦朝，但是却是在20世纪80年代我国才开始了指纹自动识别系统的研究，也取得了良好的成绩，提出创新的指纹处理理论以及指纹自动匹配的全新算法。我国如今也有许多从事指纹技术自主研发的公司，有着良好的发展态势。此外，很多大学和学术性机构也都在此领域做出了自己的工作，也取得了一定的成绩，如中科院、清华大学、北京大学、北京邮电大学等^[5]。

现在的自动指纹识别系统已经具有了很多特点，如可靠性、快捷性、兼容性、实时性、安全性、方便性、灵活性和可接受性^[6]，但是同时也有着一些严重的问题，如当前的指纹采集技术水平并不高、指纹的分类技术也不够完善以及指纹识别算法也不尽准确等。

技术的革新必将能带给指纹识别技术远大的应用前景，也将会使其发挥愈发重要的作用，更加地趋向于实用化。

2指纹识别技术的原理分析

2.1指纹识别技术介绍

指纹在身份鉴定识别这一领域发挥的作用已经历史悠久了，其作为一种有效的身份鉴定识别手段具有十分良好的稳定性和唯一性。指纹是指手指末端的指兜上的纹路，这些纹路包含了极其巨大数量的信息量，简单的比对方式并不能很好地应用，而是需要使用大量的模糊匹配算法来进行处理。如今日新月异的电子集成技术使得不同指纹的比对运算已经可以成功地在PC机和微机上实现，且具有很高的稳定性和实用性。

指纹识别这一技术是对从原始指纹图像中提取的指纹特征图像来进行匹配识别。从生理方面来看，指纹纹路就是手指皮肤凹陷的部分（谷）和凸起的部分（脊），所以理想的指纹图像应该是黑白相间的二值图像，但是以按压的方式来获取的指纹图像会由于不同压力等情况而变得图像不够理想。而即使是通过扫描仪和摄像机来对指纹进行获取，也会出现各种噪声被引入的情况。因此，无论以何种方式，通过外部设备获取到的原始灰度图像都不能简单直接地用来进行识别比对处理，指纹识别处理必须选择合适的指纹特征来进行^[3]。

2.2指纹图像的采集

当前的指纹图像采集设备分为三类：晶体传感器、光学取像设备和超声波扫描^[7]。

1. 晶体传感器：晶体传感器具有很多的类型，如硅电容式传感器和压感式传感器。其

中硅电容式传感器是通过使用电子度量计来对指纹进行获取，这种传感器也是当前最为常用的一种。该传感器在外表面使用了绝缘材料，当进行指纹采取时，指纹与传感器形成了一组电容阵列，由于手指的脊和谷的深度并不相同，导致电容阵列有着不同的电容值，而依据这不同的电容值产生了一幅指纹图像。另一种指纹图像采集设备是压感式传感器。这种传感器的外表面是压感介质材料，具有一定的弹性，当手指按压时，手指的脊和谷会有不同的按压程度，从而可以转化为相应的电子信号。当然如今也有着其它的晶体传感器。但是晶体传感器容易受到静电干扰的影响，同时也不具有很强的耐磨性，对使用寿命有很大影响。

1. 光学取像设备：以光学来采集图像的设备的基础原理是建立在光全反射上的。光学

取像设备的玻璃表面当有手指按压时会由于光线的照射而产生反射光线，而这反射的光线会被取像设备中的CCD图像传感器获取，由于指纹的脊和谷的深度不同，因此反射的光线也会有着数量的不同。光线在玻璃界面上会因为谷而发生全反射，而射向脊的光线不会发生全反射， CCD图像传感器会因为反射光线而形成指纹图像。如今光学取像设备体积在不断缩小，具有一定的实用性。

1. 超声波扫描：在当前的指纹图像采集设备中，超声波扫描居前列，有着良好的性能。

超声波不会因为手指表面的脏污而影响到对指纹扫描和采取，超声波会被指纹表面反射回接收设备，从而对反射的信号进行测量，对指纹有着极其真实的反映。

三种方式各有优缺，由于本设计为电子门锁，对指纹传感器的体积、耗电以及成本有着要求，因此不选用第一种体积大且耗电多的光学取像设备，也不选用价格较高的超声波扫描设备，而是选用性能较好、技术较为成熟的晶体传感器作为电子门锁的指纹图像采集设备。

2.3指纹图像预处理

很多噪声存在于指纹采集设备采集的原始图像中，同时手指的脏污、疤痕、干湿等也会对图像的质量造成影响。为了消除既已存在的不可避免的噪声，指纹采集设备获取到的图像需要进行一系列的预处理。一幅理想的指纹图像应该是二值黑白图像，为此，原始指纹图像应该进行以下处理：图像分割、图像增强、二值化和细化处理^[8][9]。

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