四手指指纹采集仪设计与实现

摘要

随着互联网络和高新技术的广泛应用，身份认证和信息安全越来越受到人们的重视，特别是美国“9.11”事件后，各国反恐形势逐步严峻，声音、掌纹、虹膜、视网膜、面部、指纹等人体生理特征识别系统相继应用于政府、司法、商业、民用系统中。指纹识别技术因指纹提取方便、算法成熟、识别率高等优点，成为当前大家最为认可和广泛应用的生物识别技术。指纹采集有三种方式：传统油墨捺印、刑侦现场指纹采集、活体指纹采集。
　　本文主要研究四手指活体指纹采集仪。论文详细分析了四手指指纹采集仪的工作原理、技术指标、系统组成，给出了四手指指纹采集仪的原理框图、硬件设计方案；重点论述了对四手指指纹采集仪关键部件的控制方法，包括CCD寄存器控制、CCD控制时序、CCD噪声种类和抑制、CCD预处理分析等。
　　本文论述了FBI关于四手指指纹图像质量的评价标准，根据此标准讨论了图像旋转、图像镜像、经验阈值探测指纹、CCD指纹图像奇偶帧合并、RGB通道白平衡、设备校准、自适应固定步长/可变步长探测手指等算法。本文有两方面的创新：设备初始校准算法能够减少设备硬件差异，降低背景图像影响；自适应探测手指算法降低各种手指差异，根据图像分析结果，反馈调节光源、增益、曝光参数，确保CCD输出亮度合适、灰度均匀、动态范围广、图像一致性优良指纹图像。
　　对四手指指纹采集仪的测试结果表明：四手指指纹采集仪相比单手指指纹仪可以减少误操作、提高指纹识别准确率、支持和兼容各个国家标准多种指纹采集模式，能够完成10个单手指平面采集、10个单手指滚动采集、双食指平面采集、双拇指平面采集、双拇指滚动采集、2-2采集模式(左手食指和中指+右手食指和中指)、4-4-2采集模式(左手四手指+右手四手指+双拇指)等。
　　本设备通过了FCC/CE认证，通过了FBI图像质量认证，设备通过了IP54防水、防尘和防震测试，测试结果表明本采集仪可靠性高，达到了预期设计要求。下一代半掌或全掌图像产品，将会考虑大容量数据缓存、高速传输、活体指纹检测等方面做进一步的研究。

目录

文摘

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第一章 绪论

1.1 四手指指纹采集仪的技术特点

1.1.1 高分辨率数码相机与四手指指纹采集仪的比较

1.1.2 半导体指纹采集仪与四手指指纹采集仪的比较

1.1.3 单手指指纹采集仪与四手指指纹采集仪的比较

1.1.4 四手指指纹采集仪的缺点

1.2 指纹设备的发展和应用现状

1.3 论文选题背景

1.4 本文主要工作

第二章 四手指指纹采集仪系统组成和硬件设计

2.1 四手指指纹采集仪工作原理

2.2 四手指指纹采集仪系统组成

2.2.1 四手指指纹采集仪技术指标

2.2.2 四手指指纹采集仪系统组成

2.3 四手指指纹采集仪硬件设计

2.3.1 ICX406AQ感光传感器设计

2.3.2 CCD控制器和信号处理器的设计

2.3.3 LED光源设计

2.3.4 可编程逻辑器件

2.3.5 USB2.0控制器

2.3.6 电源设计

2.4 四手指指纹采集仪硬件系统框图

2.5 图像噪声种类及抑制处理

2.5.1 开关电源噪声

2.5.2 系统共地噪声

2.5.3 暗电流噪声

2.5.4 散粒随机噪声

2.5.5 工频噪声

2.6 CCD图像处理器控制时序和控制命令

2.6.1 CXD3408GA控制SPI 1接口

2.6.2 CXD3408GA信号处理SPI 2接口

2.7 CXD3408GA SPI控制方式

2.7.1 CXD3408GA控制接口硬件部分

2.7.2 CXD3408GA控制接口软件部分

2.7.3 CY7C68013A SPI接口硬件初始化流程

2.7.4 CCD寄存器初始化关键函数

2.8 硬件测试步骤

第三章 CCD原始图像预分析

3.1 CCD原始数据预分析

3.210位数据移位解码成8位数据

3.3 CCD原始图像分析

3.3.1 CCD图像轮廓分析

3.3.2 CCD图像灰度统计直方图分析

第四章 硬件和软件综合提高指纹图像质量

4.1 FBI关于四手指指纹图像质量标准

4.2 CCD奇偶帧图像合并

4.3 彩色CCD传感器输出灰度图像白平衡算法

4.4 CCD原始图像彩色解码

4.4.1 CCD原始图像阵列

4.4.2 CCD原始图像阵列与人眼视觉比较

4.4.3 CCD解码算法剖析

4.5 设备校准算法

4.6 图像旋转或镜像处理算法

4.7 自动探测手指算法

4.7.1 检测手指影响因素

4.7.2 经验阈值判断法

4.7.3 动态调节指纹图像

4.8 设备可靠性设计

4.8.1 指纹图像轮廓水雾消除

4.8.2 光源衰减补偿控制

4.8.3 设备耐磨性设计

4.8.4 设备减震设计

结束语

致谢

参考文献