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基于MATLAB的指纹识别技术研究.doc

发布时间：2022-06-06 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：1.64M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    摘 要
    ABSTRACT
    目 录
    第一章 绪 论
    1.1 研究背景
    1.2 国内外研究历史与现状
    1.3 研究目的及意义
    1.4 研究内容
    1.5 章节介绍
    第二章 指纹图像预处理
    2.1 基本概念
    2.1.1 系统流程
    2.1.2 指纹介绍
    2.2 预处理流程与目的
    2.3 图像预处理具体步骤
    2.3.1 图像归一化
    2.3.2 图像分割
    2.3.3 图像二值化
    2.3.4 图像增强
    2.3.5 图像细化
    2.4 本章小结
    第三章 特征点提取
    3.1 模板检测法
    3.2 去除伪特点
    3.3 找出特征点
    3.4 本章小结
    第四章 特征点匹配
    4.1 点类型匹配
    4.2 指纹纹线匹配
    4.3 三角边长匹配
    4.4 识别系统中匹配情况
    第五章 总结与展望
    参考文献
    摘 要 面对经济发展以及入室盗窃的频繁发生，人们对居住环境的安防性、便捷性等方面的 要求越来越高。在这样的需求下，智能家居概念出现并被不断赋予新的内涵。伴随着智能 家居安防技术的发展，身份证、密码锁、物理键等传统身份验证机制的安全隐患逐渐凸显。 在这样的背景下，基于生物特征的识别机制逐渐发展起来。同时，由于指纹的独一性、普 遍性和不变性等优势，指纹识别技术已被普遍应用于智能家居安防系统之中。目前指纹识 别技术主要基于单片机、DSP、FPGA、ARM 技术，当然这些技术各有优势的同时也存在各自 的问题。 指纹识别技术中核心在于图像处理、匹配算法的实现，图像处理过程包括：图像预处 理、特征点提取、特征点匹配。其中图像预处理过程包括采集、归一化、分割、滤波、二 值化、图像增强；特征点提取主要是利用模板检测法的基于细化指纹图像的细节特征提取 算法,并对伪特征点进行删除；图像匹配主要利用点模式识别匹配算法，本次设置了三层 匹配算法：指纹纹线匹配、点类型匹配、三角边长匹配。 本论文探讨了智能家居安防系统及指纹识别技术的发展情况及前景，并对图像预处 理、匹配算法进行了大量的研究与学习，着重对图像预处理算法进行比较与创新，利用 MATLAB 仿真平台实现图像预处理、特征点提取、特征点匹配算法，在 MATLAB 仿真平台实 现指纹识别系统功能。 关键词：智能家居安防，指纹识别技术，图像处理算法，MATLAB 仿真实现 I
    ABSTRACT With the rapid economic development and frequent burglary theft, people are demanding higher and higher levels of security and convenience in living environment.In this demand, the concept of intelligent household appears and is given new meaning continuously.Accompanied by the development of intelligent home security technology, identity cards, password locks, physical keys and other traditional authentication mechanism of security risks gradually highlighted.In this context, the identification mechanism based on biometrics gradually developed.At the same time, fingerprint recognition technology has been widely used in intelligent home security system because of fingerprint uniqueness, universality and invariance.At present,fingerprint recognition technology is mainly based on single-chip, DSP, FPGA, ARM technology.Of course, these technologies have their own advantages,but also have their own problems. the advantages of The core of fingerprint recognition technology lies in the realization of image processing and matching algorithm.Image processing includes image preprocessing, feature point extraction, and feature point matching.The image preprocessing process includes acquisition, normalization, segmentation, filtering, binarization, image enhancement.Feature point extraction is mainly based on the use of template detection method based on detailed fingerprint image detail feature extraction algorithm and delete the pseudo-feature points.Image matching mainly uses the point pattern recognition matching algorithm, this paper sets up three layers matching algorithm: fingerprint line matching, point type matching, triangular edge matching. This paper discussed the developmentt of intelligent home security system and fingerprint recognition technology,makes a lot of research on image preprocessing and matching algorithm. It focuses on the comparison and innovation of image preprocessing algorithm, and uses MATLAB simulation platform to realize image preprocessing, feature point extraction and feature point matching algorithm, and realization of fingerprint recognition system function in MATLAB simulation platform. Keywords: Smart Home Security, Fingerprint Recognition Technology, Image Processing Algorithm, MATLAB Simulation Implementation II
    目 录 摘要 ......................................................... I ABSTRACT ................................................. II 第一章 绪 论 ............................................... 1 1.1 研究背景 ..............................................1 1.2 国内外研究历史与现状 ..................................1 1.3 研究目的及意义 ........................................3 1.4 研究内容 ..............................................4 1.5 章节介绍 ..............................................4 第二章 指纹图像预处理 ........................................6 2.1 基本概念 ..............................................6 2.1.1 系统流程 .........................................6 2.1.2 指纹介绍 .........................................6 2.2 预处理流程与目的 ......................................8 2.3 图像预处理具体步骤 ....................................9 2.3.1 图像归一化 .......................................9 2.3.2 图像分割 ........................................10 2.3.3 图像二值化 ......................................13 2.3.4 图像增强 ........................................15 2.3.5 图像细化 ........................................16 2.4 本章小结 .............................................18 第三章 特征点提取 ...........................................19 IV
    3.1 模板检测法 ...........................................20 3.2 去除伪特点 ...........................................21 3.3 找出特征点 ...........................................22 3.4 本章小结 .............................................23 第四章 特征点匹配 ...........................................24 4.1 点类型匹配 ...........................................25 4.2 指纹纹线匹配 .........................................25 4.3 三角边长匹配 .........................................25 4.4 识别系统中匹配情况 ...................................25 第五章 总结与展望 ...........................................29 参考文献 ................................................... 30 致 谢 .................................... 错误！未定义书签。 V
    第一章 绪 论 1.1 研究背景 随着社会的发展和时代的进步，人们有能力去追求更高品质的生活，并且越来越重视 居住环境的安防性、舒适度、便利性、环保性等方面。在这样的需求下，智能家居概念出 现并被不断赋予新的内涵。智能家居是指结合一个高度复杂的自动系统的家庭，这个自动 系统能够完成检测温度、具备多媒体、门窗报警和由计算机系统监视各种附加任务[1]。智 能家居技术利用物联网技术与家居自动化系统相连接，通过网络以及智能电话实现对家居 环境的监视[2]。 随着技术的快速发展，智能家居技术已被广泛应用。其中，传统身份验证机制很长一 段时间在智能家居技术中扮演重要角色。应用在家庭环境中的传统身份验证机制包括：身 份证（ID）、物理键、密码锁、磁条卡、签名等，传统身份验证机制以其价格低廉、原理 简单、易于设计等优势曾被广泛应用于智能家居系统之中。但是，这些身份验证机制在应 用过程中出现的弊端也在逐渐显现。例如，ID 卡容易遗失，被伪造冒用；密码容易遗忘； 物理键容易损坏等问题。正是由于传统验证机制安全隐患越来越凸显，生物特征验证机制 随之发展起来[3]。 生物验证机制主要是利用人体器官特征进行身份识别，比如利用指纹进行身份识别， 众所周知，人的指纹正常情况下不会发生改变，这体现了生物特征的稳定性，而生物识别 技术正是利用了此特点。如今，基于虹膜、指纹、人脸、语音等生物识别技术被广泛应用， 其中虹膜识别和指纹识别技术应用最广、发展最好[4]。虹膜识别技术利用虹膜图案进行身 份匹配，指纹识别技术利用指纹图案进行身份验证，当然，相对虹膜识别技术，指纹识别 技术凭借应用范围更大、图像便于采集与识别、设计成本更低等优势发展更为迅猛。具体 表现在：1.指纹与生俱来，具有普遍性；2.指纹不易改变，区域稳定性；3.每个人的指纹具 有独特性；4.随着压容式、扫描式指纹采集仪器的更新换代，指纹图像采集方便，图像清 晰度、易获取度提高，同时指纹采集仪器的成本也在逐渐下降；5.指纹分割算法改进、优 化，指纹图像特征信息存储量减小，指纹识别速度更快；6.建立指纹信息数据库，存储采 集到的指纹信息，网络传输共享信息，方便数据比对及结果匹配，有效的提供了指纹信息 的利用率。 1.2 国内外研究历史与现状 早在中国古代的秦朝，人们便意识到指纹的唯一性，并应用于信用凭证、刑事案件， ` 1
    但由于指纹采集条件有限、指纹图像比较仅通过肉眼的简单辨别，所以在身份识别准确度 上存在很大的问题[5]。直到 1684 年，英国的学者 Nehemiah Grew 首次对指纹的纹线和毛孔 结构进行了全面的阐述，这标志指纹研究进程迈入了科学化、理论化的轨道[6]。进入 20 世 纪以后，指纹识别技术发展越来越迅猛，尤其是计算机的不断发展给指纹识别发展注入了 新的生命力，从 1970 年开始，西方国家加快发展电子科技，并利用该技术大力推进指纹 识别技术的发展，逐步进行了自动指纹识别系统（Automated Fingerprint Identification System,AFIS)的研究。这项技术最先应用于司法部门，但随着技术的成熟、成本的降低， 该技术逐渐面向民用领域。 目前，由于指纹识别技术发展潜力巨大，吸引了更多的企业、科研机构的目光。这当 中，科研机构对这项技术的研究最为成熟，例如模式识别与图像处理实验室（Michigan State University）、生物识别系统实验室（University of Bologna）等机构。除此之外，国际上也 设立了有关指纹识别技术的多项竞赛，其中 FVC（International Compitetion Fingerprint Verification Algorithm）是全球生物特征识别技术行业里最高级别的竞技大赛，这项竞赛旨 在鼓励更多的科技人才及团队加入这项技术的研究，同时评测当前技术的发展水平和应用 程度，帮助行业内开展指纹图像算法的水平评估。 上世纪 80 年代我国开始进行了指纹识别技术的研究，清华大学、中科院自动化所一 直从事这项技术的研究工作并且处于国内研究领域的尖端。同时，国家也越来越重视生物 识别技术，特别是指纹识别技术的发展。国务院在 2006 年出台的《国家中长期科学和技 术发展规划纲要》 (2006-2020）中指出要重点研究生物识别技术[7]。除此之外，民用领域 也取得了骄人的成果。例如进行指纹识别技术研究 20 年的贝尔赛克公司董事长刘君先生 于 2006 年创办了亚洲首家指纹运营公司—支付通，目前该公司正将指纹识别技术设计应 用于汽车行业。 指纹识别技术中控制硬件的逐渐成熟推动了该技术的发展。目前，指纹识别技术主要 基于单片机、DSP、FPGA、ARM 技术，当然这些技术各有优势的同时也存在各自的问题。 基于 DSP 的指纹识别系统数字图像处理能力强、准确率高，但随着对系统性能的要求越来 越高，电路设计难度大、实现成本高、不利于二次设计等缺点逐渐暴露，更糟糕的是无法 满足复杂环境下的识别要求[8]。基于 FPGA 的指纹识别系统具有很高的识别速度，但与基 于 DSP 的指纹系统相比存在设计成本高的问题，所以发展也受到了限制[9]。基于 ARM 的 指纹识别系统弥补了基于 DSP 和 FPRA 的指纹系统存在的成本、设计、实时等方面的缺陷， 如今被广泛研究[10]。基于单片机的指纹识别系统，系统简单、成本较基于 ARM 的指纹识 ` 2
    别系统更为低廉，但实现性能方面不如基于 ARM 指纹识别系统，目前在一些性能要求不 是很高的场合还在应用[11]。 硅、光学、超声波等技术的迅速发展，极大的推动了指纹识别技术的发展。光学技术 最为常见，采用扫描的方式，能够如实反映指纹图像情况；硅技术根据压容效应发展起来， 手指与采集面直接接触，手指按压、采集面上容易出现噪声，可靠性较差；以超声波为载 体的指纹识别技术最为先进，具有较高的准确度，能够运用于不同指纹情况，但采集时间 较以上两种长[12]。 目前，指纹识别技术的研究方向已由司法领域过渡到民用领域。由于最初指纹识别技 术尚未成熟且成本较高，这项技术主要以运用于司法领域为目的展开研究，来帮助公安机 关进行嫌疑犯身份排查。随着技术成熟且成本降低，指纹识别技术已逐渐走进寻常人家。 目前应用于企业、学校考勤场合中的研究最为常见。同时，随着智能小区的概念越来越普 及，朝着智能小区运用方向的研究也逐渐发展起来。尤其是门锁方面，由于传统门锁存在 钥匙容易遗失、智能化程度低等问题，而指纹锁凭借便携、安全、智能化程度高、低成本 等方面的优势，逐渐取代传统的钥匙锁。此外，科研人员也展开了在金融领域运用的研究， 该技术对于保管箱管理业务、指纹密码、支付领域等都表现出了显著的优势[13]。 1.3 研究目的及意义 技术研究最终的目的在于应用，因此指纹识别技术研究的根本目的在于为我们的社会 提高技术保障。如今社会信用“危机”，入室盗窃、冒用身份等犯罪事件时有发生，指纹 识别技术为解决这些社会问题提供了可行的方案。此外，在生活活动、经济活动、司法活 动、科技活动等各方面，指纹识别技术都有不同程度的应用与影响。 生活方面，该技术（FRT）有利于增强家居安全。对于家庭来说，将指纹识别技术运 用于家居生活，有利于避免因传统钥匙遗失而引发的入室盗窃，同是也方便了家居生活。 此外，将指纹识别技术运用于财务密码箱，可以保证家庭财务的安全。试想日后财务以指 纹作为账户进行管理，人们进行消费可以方便的按下手指完成，这极大的方便了人们的生 活。 经济方面，该技术（FRT）能够有助于解决信任“危机”问题。举例来说，淘宝作为目 前最大的网络交易平台，既带给消费者便捷，又带给消费者隐私、财务安全等方面的挑战。 目前淘宝账号是利用联系方式或者邮箱进行注册，别有用心的人会利用这方面的技术缺陷 损害消费者的利益。如果将指纹识别技术运用于淘宝支付端，则可以有效的防止身份的冒 用，同是由于卖方也需要指纹从支付宝收钱，对于卖方身份也能够确认，对假冒伪劣情况 ` 3
    可以方便地找到责任人。 司法方面，该技术（FRT）能够确认个人的身份。如今，指纹识别技术应经被用于户 籍采集、嫌疑人侦查等工作，其优势较传统的证件户籍显而易见，一方面减小了个人信息 数据内存、数据库不需要经常更新，另一方面更有效的确认个人身份、减少了户籍造假的 机会。当然，在刑事案件侦破方面也展现出了巨大的优势，公安机关可将犯罪现场提取到 的指纹与指纹数据库里的指纹进行比对，根据比对结果以此确认犯罪嫌疑人或者缩小犯罪 嫌疑人的排查范围。 科技方面，该技术（FRT）应经完美运用与电子产品触屏时代。如今，手机、平板电 脑、智能手表等电子产品已进入触屏时代，指纹识别技术运用于电子产品加密、支付手势 密保等方面，极大的增强了电子产品的安全性、可靠性，同时也有助于提升消费者的使用 体验。 1.4 研究内容 本文简要介绍了指纹识别技术（FRT）的产生背景与国内外发展情况，并结合现实社 会背景，探讨了该技术的研究目的与意义。 本文对指纹识别技术中所涉及的相关算法进行了详细的研究，分析比较了不同算法的 优缺点，根据实际情况，选择合适的算法完成识别系统的设计。 本文借助 Matlab 软件进行编写指纹图像处理、识别、匹配相关算法，并在 Matlab 软 件上进行系统仿真，多次试验验证家居安防中的指纹识别系统的稳定性与精准度。 1.5 章节介绍 指纹采集、图像预处理、特征点提取、特征点匹配组成了指纹识别系统，本次设计借 助 Matlab 软件，着重对图像预处理、特征点提取、特征点匹配进行研究，对于指纹采集部 分不加以叙述，用收集得到的指纹图像作为采集到的指纹图像进行研究依据。 第一章绪论主要探讨了指纹识别技术的研究背景、国内外研究历史与现状、研究目的 及意义、研究内容等方面，对指纹识别技术进行了总体的论述。 第二章主要介绍指纹图像预处理部分，对该部分中的各个步骤进行研究，比较每个部 分可采用的算法，并选择本次设计适合的算法，通过 Matlab 仿真平台展示处理效果。 第三章主要介绍特征点提取部分，并对涉及的模板检测法进行详细探讨，同时对去除 伪特征点、找出特征点所用到的算法进行比较与选择，并在 Matlab 仿真平台上验证算法功 能。 ` 4
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