户籍管理个人指纹图像优化识别仿真研究

张弘晔

(1.黑龙江省科学院技术物理研究所，哈尔滨 150040；2.黑龙江省科学院高技术研究院，哈尔滨 150020)

0 引言

目前，指纹识别技术被广泛应用于个人信息采集、无线设备支付及司法机构等领域。但现有户籍管理中的指纹身份识别系统大多没有让用户在家中就能使用采集系统传输指纹的功能，用户只能从家中走到户籍管理中心才能完成指纹的采集，这种方式对于用户来说很不方便，而且在指纹图像处理过程中，现有的Canny算子在提取边界过程中容易提取出含有噪声的边界，提取出的边界往往宽于指纹图像实际边界，不利于边界特征点提取及后续特征点入特征库和特征匹配等处理[1]。所以，设计一套能够应用于社区工作站的有无线传输功能的体积小、性能强大、采集效果好的指纹采集系统并优化指纹边界提取中的Canny算子是很有必要的。本研究在户籍管理系统中设计了无线采集指纹模式[2-6]，并通过设计验证方案对系统进行验证，优化Canny算子，使优化后的算子有较好的边界提取效果。

1 硬件设计

1.1 系统设计原理及方案

指纹识别系统的性能一般通过以下几方面的参数来衡量：(1)错误匹配率FAR(False Accept Rate)。将不属于同一个人的指纹识别为同一个人的指纹。(2)不匹配率FRR(False Reject Rate)。将某人本人的指纹识别为其他人的指纹。(3)完全匹配率(True Accept Rate)。正确识别出一个人的指纹，识别出的指纹与使用识别系统的指纹为同一个指纹。(4)识别时间(Identification Time)。在本系统中具体为指纹识别的时间。此外，还要求采集芯片具有较大的采样窗口和较快的速度，所以选用了FPS 200指纹采集芯片。同时，为了解决传统户籍管理中无法进行无线传输数据的问题，选用了YJ-43M型号的无线数字传输电台作为无线数据传输模块。针对以上各方面的要求，给出了系统整体的结构原理模型框图，如图1所示[6]。

图1 系统结构原理模型

本系统设计原理为：用DSP的DP和DN与FPS 200的DP和DM相连接，进而使用FPS 200的USB模式对FPS 200进行数据读取和USB命令编程。用DSP的DX0、DR0、GPIO6三个引脚控制MAX3160多协议收发模块，用于与无线数据传输电台YJ43M和显示器或主机的通讯。MAX3160的T1OUT和T2OUT引脚用于与电台或DB9接口中的收发信号TXD和RXD进行通讯，从而实现无线数据的收发或与显示器、主机的通讯。DSP的A1-A4、A10-A13、C0-C6、D0-D7、FA13-FA18、FCE、FOE、FEW、X2、ULED0-ULED7、电源、时钟、复位等引脚都接到CPLD上，在CPLD内部使用VHDL语言对其进行编程，其软件环境为Quartus II 9.0。同时，为了解决错误匹配和不匹配率较高的缺点，在CCS3.3中软件编程时采用C语言对外部指纹库进行调用，采用多级判断保证指纹的正确匹配。在程序设计过程中要按照以下逻辑顺序进行，即：系统采集指纹是否完整；进行指纹的特征值提取，与数据库进行匹配；对采集到的指纹错误匹配率和不匹配率进行计算；对系统的识别时间进行计算。

1.2 硬件电路设计

本系统采用FPS 200芯片进行指纹采集。为了连接方便以及保证传输效率，采用USB将数据与DSP进行连接，以主从方式实现DSP对FPS 200的控制。当FPS 200采集到指纹信息时和通过端点信号时，DSP产生中断并执行指纹采集程序，读取采集内容。为了实现无线数据传输，采用了YJ-43M-10无线传输模块。该模块可实现10 Km范围内的无线传输，多协议收发器选用MAX3160。电台和天线如图2所示。

图2 电台与天线

1.3 Canny边界算子的优化

边缘检测算法对于指纹识别尤其重要。为了获取指纹的每一条纹理，需要对纹理轮廓进行识别，并按照以下步骤对采集的指纹图像进行边缘处理：(1)采集图像噪声的抑制。由于采集过程不可避免地会产生噪声，需先利用中值滤波进行去噪。(2)对图像的边缘类型进行检测。(3)进行指纹识别边缘检测和算子优化，获得参数范围。

2 系统功能及算法效果测试

运用Quartus II 9.0对CPLD进行VHDL语言设计。部分CPLD程序编译测试如图3所示。显示编译成功，证明这部分CPLD程序软件调试成功，只需要向CPLD内部进行烧写即可完成预期功能。

图3 部分CPLD程序编译测试效果

为了验证边缘检测算法，在白纸上进行了多枚指纹采集，效果如图4所示。

图4 使用者的指纹

图5 不同算法提取特征值

将采集到的两个不同指纹的原图经过Canny边界算子和基于Canny算子的优化算子这两种算子提取出的边界进行比较，并给出基于优化算子边界提取的特征点以及边界特征点去除后的指纹原图的显示。利用MATLAB软件进行图像处理，图5中的图像除指纹原图来自于硬件系统，其余的图像均从MATLAB中获取。

其中，a、f为采集到的指纹原图；b、g为经Canny算子提取出的边界；c、h为经优化算法提取出的边界；d、i为在优化算子边界基础上提取出的特征点；e、j为去除边界特征点后基于原图的特征点提取；从b、g与c、h四个图像和原图a、f的对比能看出，c、h提取出的边界更接近指纹原图，而且经过去除边界特征点后提取的特征点数量更少，更能代表指纹图像的特征，减少了特征点存储入特征库和特征匹配显示指纹原图处理时因特征点数量过大而带来的不便。

3 结论

在户籍管理系统中提出了无线传输的概念，设计了DSP控制指纹采集芯片的电路和DSP控制无线电台的电路，让用户在家中就可以采集指纹并传输到户籍管理中心，省去了用户走到户籍中心进行采集的过程。

采用无线传输实现了远距离的指纹采集，随后利用本系统对10个不同的使用者进行指纹采集，通过系统的错误匹配率和不匹配率以及系统识别指纹所花费的时间来验证系统的性能。

对原有指纹图像处理中的Canny边界算子进行了优化，优化之后的算法提取出的边界更接近指纹真实的边界。同时，给出了基于优化算法的边界中全部特征点提取以及提取后边界特征点的去除，大大减少了非必要特征点的数量，便于后续特征点的存储及匹配处理。