摘 要： 介紹了基于USB接口的指紋傳感器MBF200的工作原理、硬件電路、基于指紋傳感器的指紋識別系統(tǒng)的選擇和定制以及采用極坐標(biāo)的指紋識別算法。
關(guān)鍵詞： 指紋識別 MBF200 識別算法
指紋識別技術(shù)是近年來發(fā)展迅速的一種高新技術(shù)。該技術(shù)利用人類指紋的惟一性和不變性這一生理特征進行身份鑒定。由于自動指紋識別系統(tǒng)(Automated Fingerprint Identification System，AFIS)具有難以偽造等優(yōu)點，因而在金融、電子商務(wù)、以及安全性要求較高的行業(yè)如公安案例分析、戶籍管理、考勤、門禁等系統(tǒng)都有相當(dāng)廣泛的應(yīng)用前景。
在指紋身份識別應(yīng)用領(lǐng)域中，指紋采集是十分關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。目前，常用于指紋采集的光學(xué)傳感器、半導(dǎo)體傳感器和超聲波傳感器中，技術(shù)成熟、性價比高、誤識率（FAR）和拒識率（FRR）低的當(dāng)屬半導(dǎo)體型的硅芯片錄入技術(shù)。本設(shè)計中采用的是電容式半導(dǎo)體指紋傳感器。
1 基于USB的指紋采集系統(tǒng)
1.1 指紋傳感器
Fujitsu公司的電容式半導(dǎo)體指紋傳感器MBF200是一款高性能、低功耗、低成本的接觸式指紋獲取器件。MBF200采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS技術(shù)，80引腳VSPA封裝(其中40個腳為NC)；片內(nèi)集成有8位A/D轉(zhuǎn)換器，提供了8位?滋P、USB1.1和SPI三種總線接口（它們所允許的最高采樣率分別為30fps、13fps、10fps）；工作電壓3.3～5V，功耗低于70mW，待機電流僅20?滋A；片內(nèi)有手指自動檢測電路（AFD），在手指接觸傳感面時，AFD電路將自動喚醒主機進行處理，從而大大降低了系統(tǒng)功耗；芯片集成了一個面積為1.50cm×1.28cm的300×256傳感陣列(每個傳感單元間距50?滋m)，具有500dpi的分辨率，傳感面具有超硬、耐磨和抗腐蝕的保護外殼，并能承受高達8kV的靜電放電。MBF200傳感器的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
MBF200的工作原理：芯片背部的傳感部件由按行列排布的金屬電極陣列組成，工作時，每個金屬電極充當(dāng)電容的一個極，而觸到傳感器的手指作為電容的另一個電極，器件表面的一層鈍化物質(zhì)充當(dāng)電容的電介質(zhì)。手指皮膚紋路（溝/脊）對整個傳感陣列呈現(xiàn)出不同的電容值，讀出每個傳感單元（電容）充放電值的變化就形成了指紋的圖像。傳感陣列由排成300行×256列的電極組成，片內(nèi)2組采樣-保持電路連到每1行傳感電極上。指紋圖像按行采集，1次1行。每1行采集分2相完成，第1相期間所選行的電極被預(yù)充電至Vdd電平，此時，內(nèi)部控制電路使能第1組采樣-保持電路保存該行電極預(yù)充電的電壓值；第2相期間1個片內(nèi)電流源對該行電極進行放電（反向充電），每1個傳感單元的放電速率正比于其放電電流，經(jīng)歷一小段固定時長的放電后，內(nèi)部控制電路又使能第2組采樣-保持電路并存儲下電極電壓的終值。各個傳感單元充/放電前后的電壓差值反映了相應(yīng)位置的指紋信息，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后即得指紋的8位數(shù)字值。
1.2 USB接口設(shè)計
本設(shè)計方案中采用芯片自帶的USB1.1接口與PC機通信，并從外部E2PROM器件對MBF200進行配置。MBF200與外圍電路的連接如圖2所示。圖中，AT25640是具有SPI接口的8KB串行Flash存儲器。
MBF200的USB接口有3個端點：端點0為控制傳輸端點，用于系統(tǒng)枚舉和設(shè)置；端點1用于批量傳輸讀入指紋數(shù)據(jù)；端點2用于中斷傳輸。當(dāng)產(chǎn)生中斷事件時，中斷狀態(tài)寄存器的內(nèi)容就會傳到端點0。
系統(tǒng)軟件由設(shè)備驅(qū)動程序、固件程序和應(yīng)用程序組成。設(shè)備驅(qū)動程序采用WDM模式；固件程序主要完成對指紋采集的控制，其流程圖如圖3所示；應(yīng)用程序通過設(shè)備驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)對指紋采集器的控制、數(shù)據(jù)的傳輸以及指紋識別的實現(xiàn)(用VC++編寫)。
2 指紋識別處理系統(tǒng)
指紋識別的基本原理是：采用細節(jié)點坐標(biāo)模型來做細節(jié)匹配。它利用指紋脊末梢與脊線分支點這2種關(guān)鍵點來鑒定指紋，最終決定二幅指紋圖像是否來自同一個手指。
本識別系統(tǒng)主要由指紋采集、圖像增強、特征值提取、匹配識別四部分組成。指紋識別系統(tǒng)框圖如圖4所示。由于采用1:N的模式，所以加入了指紋細節(jié)點數(shù)據(jù)庫，由離線和在線二部分構(gòu)成。離線部分將采集指紋進行圖像增強，特征值提取后將細節(jié)點保存到數(shù)據(jù)庫中。在線部分將最后得到的細節(jié)點與數(shù)據(jù)庫中的細節(jié)點進行匹配，判斷采集到的指紋是否與數(shù)據(jù)庫中的某一指紋相同，最后輸出結(jié)果。
2.1 圖像增強
輸入指紋圖像的質(zhì)量將影響到下一步指紋細節(jié)特征提取算法的性能。然而通過指紋傳感器直接得到的指紋圖像往往質(zhì)量不高，主要是由于采集過程中一些人為的不一致接觸和不均勻接觸以及設(shè)備本身的噪聲干擾等因素造成。這就需要在細節(jié)特征提取之前對采集到的指紋圖像進行處理。其目的是使指紋圖像清晰，輪廓更加明顯。指紋圖像處理分為3步：平滑、二值化和細化。平滑處理主要是去除干擾噪聲，而又不使圖像失真。二值化處理是使圖像畫面為黑白二值的圖像，不呈現(xiàn)灰度的變化。二值化處理前后的圖像如圖5所示。細化是把紋線粗細不均勻的指紋圖像轉(zhuǎn)化成線寬僅為1個象素的條紋中心線圖像。圖像通過以上3步處理就可以得到清晰的指紋點線圖，便于下一步的指紋細節(jié)匹配。
2.2 特征值提取及細節(jié)匹配
其中L是記錄的脊線中的點個數(shù)，R(di)和r(di)分別表示從脊線R與r上的點i到對應(yīng)的細節(jié)點的距離，R(αi)和r(αi)分別表示連接脊線R與r上的點i與對應(yīng)的細節(jié)點的直線同對應(yīng)細節(jié)點方向的夾角。輸入脊線與模板脊線的校準(zhǔn)如圖6所示。如果2條脊線的差異distance和angle小于預(yù)先設(shè)定的某個閾值，則認為是2個指紋設(shè)定的某個閾值，且認為2個指紋的這條脊線相似。當(dāng)所采集的脊線都相似時就認為是同一個指紋。
2.3 指紋數(shù)據(jù)庫的建立、查詢、讀寫
本系統(tǒng)應(yīng)用Access數(shù)據(jù)庫來建立指紋特征值庫。特征值庫中除了指紋特征值以外還包括與之相關(guān)的信息：num、姓名、性別、登錄時間等，如圖7所示。
(1)數(shù)據(jù)庫的建立。數(shù)據(jù)庫建立并打開：
hr=m_pConnection.CreateInstance(″ADODB.Connection″)；
//創(chuàng)建conenction連接
hr=m_pConnection->Open(″Provider=Microsoft.Jet.OLEDB.4.0；\
Data Source=TestDB.mdb″，″″，″″，adModeUnknown)；
//創(chuàng)建打開數(shù)據(jù)庫
(2)數(shù)據(jù)庫查詢。向數(shù)據(jù)庫中插入新信息：當(dāng)系統(tǒng)工作在離線狀態(tài)時，需要向數(shù)據(jù)庫中添加新的指紋信息及相關(guān)信息。
void CDBDlgDlg∷Insert( )；//插入函數(shù)
m_pRecordset->AddNew( )；m_pRecordset->GetFields( )->
GetItem(″Data″)->AppendChunk(varBLOB)；//添加記錄
(3)數(shù)據(jù)庫讀寫。從指紋數(shù)據(jù)庫中讀取特征值：
void CDBDlgDlg∷GetData( )；//從數(shù)據(jù)庫中讀取數(shù)據(jù)
登錄時間顯示：
m_sTine.Format(″%d：%d：%d″，curTime.GetHour( )，curTime.GetMinute( )，curTime.GetSecond( ))；
3 結(jié) 論
本系統(tǒng)采用基于USB接口的指紋傳感器實現(xiàn)了整個指紋識別系統(tǒng)，在實驗中取得了滿意的結(jié)果。該系統(tǒng)的優(yōu)點是比對速度快，識別率高。系統(tǒng)可應(yīng)用于考勤管理等諸多領(lǐng)域。
參考文獻
1 Fujitsu Microelectronics America Inc.MBF200 Solid State Fingerprint Sensor DataSheet.2003
2 Jain A，Hong L，Bolle R.On—Line Fingerprint Verification. IEEE Trans on patten Analysis and Machine Intelligence，1997；19（4）
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4 王侃偉，方宗德.嵌入式指紋識別系統(tǒng)開發(fā).電子技術(shù)應(yīng)用，2003；29(4)