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北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 作者签名： 查：! 叠宝 日期： 翌! ! ：墨：! ! 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的规 定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京化工大 学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可 以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在一年解密后适用本授权 书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 作者签名： 垂! i 兰童宴 导师虢罄让 日期：儿5 1 日期：p i f 5 1 6 学位论文数据集 中图分类号 t p 3 9 1 学科分类号 5 2 0 6 0 4 0 论文编号 1 0 0 10 2 0 1 l 0 7 3 9 密级公开 学位授予单位代码 10 0 1 0 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名刘培卓学号 2 0 0 8 0 0 0 7 3 9 获学位专业名称计算机应用技术获学位专业代码 0 8 1 2 0 3 课题来源其他项目 研究方向 指纹识别 论文题目嵌入式指纹识别系统的设计与研究 关键词指纹识别，嵌入式系统，指纹传感器，分形维数 论文答辩日期 2 0 1 1 5 2 6论文类型 应用研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名职称工作单位学科专长 指导教师李辉副教授北京化工大学管理信息系统 评阅人1易军凯教授北京化工大学信息安全技术 评阅人2高敬阳副教授北京化工大学人工神经网络 评阅人3 评阅人4 评阅入5 答辩委员会主席 何苏勤教授北京化工大学 嵌入式系统、d s p 技术 答辩委员1 易军凯教授北京化工大学 信息安全技术 答辩委员2 高敬阳副教授北京化工大学人工神经网络 答辩委员3 李学斌副教授北京化工大学图像处理、数字水印 答辩委员4 谢晓明副教授北京化工大学现代通信技术 答辩委员5 注：一论文类型：1 基础研究2 应用研究3 开发研究4 其它 二中图分类号在中国图书资料分类法查询。 三学科分类号在中华人民共和国国家标准( g b t13 7 4 5 9 ) 学科分类与代码中查询。 四论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成。 嵌入式指纹识别系统的设计与研究 摘要 指纹识别是目前应用最广泛的一种身份识别方式。传统的指纹识别系 统大多是基于p c 平台的，但如今快速发展的民用市场对指纹识别系统的 便携性和易用性提出了更高的要求，简单易用的小型化嵌入式指纹识别系 统是指纹识别技术发展的趋势。 本课题研究的主要内容是指纹识别技术在嵌入式平台下的应用，具体 研究了嵌入式软硬件开发平台的特点及指纹识别算法在嵌入式平台的具 体实现；研究并实现了指纹图像预处理和指纹特征提取及匹配的算法；研 究了指纹图像分割算法，设计了一种基于分形维数的指纹图像分割的有效 算法。该算法首先利用灰度梯度对指纹图像进行初步分割，然后引入分形 维数的概念，通过差分盒维方法计算指纹图像的分形维数，最终实现对指 纹图像的分割，实验结果表明该算法能明显提高指纹图像分割的质量。本 课题选择了广州友善之臂公司的m i n l 2 4 4 0 开发板，通过富士通公司的 m b f 2 0 0 指纹传感器采集指纹图像，并最终完整实现了嵌入式指纹识别系 统。 关键词：指纹识别，嵌入式系统，指纹传感器，分形维数 北京化t 大学硕l j 学位论文 a b s t r a c t d e s i g na n dr e s e a r c ho fe m b e d d e df i n g e r p r i n t i d e n t i f i c a t i o ns y s t e m a b s t r a c t c u r r e n t l y ，f i n g e 印r i n ti d e n t m c a t i o ni st h em o s tw i d e l yu s e di d e n t i f i c a t i o n t h et r a d i t i o n a lf i n g e 巾r i n ti d e n t 讯c a t i o ns y s t e ma r em o s t l yb a s e do np e r s o n a l c o m p u t e rp l a t f o m ，b u tn o w ，t h e r ei sah i g h e rr e q u e s tf o rt h ep o r t a b i l i t ya n d t h ee a s eo fu s eo ff i n g e 印r i n ti d e n t i f i c a t i o ns y s t e mi nf a s t d e v e l o p i n gc i v i l m a r k e t f i n g e 印r i n ti d e n t i f i c a t i o nt e c h n 0 1 0 9 yt r e n d st o t h ee a s y - t o - u s ea n d m i n i a t u i l i z a t i o no fe m b e d d e df i n g e 叩r i n ti d e n t i f i c a t i o ns y s t e m t h em a i nc o n t e n to ft h i s p a p e r i st h e a p p l i c a t i o n o ff i n g e 印r i n t i d e n t i f i c a t i o n t e c h n o l o g yi n e m b e d d e dp l a t f o r m s p e c i f i c a l l y ， i tc a nb e c o n c l u d e da sf o l l o w s ： 1 )t h ec h a r a c t e r i s t i c so fe m b e d d e ds o r w a r ea n d h a r d w a r e d e v e l o p m e n tp l a t f o m l a n dt h e i m p l e m e n t a t i o no ff i n g e 印r i n t i d e n t i f i c a t i o na l g o r i t h mi ne m b e d d e dp l a t f o m ，2 ) r e s e a r c ha n dr e a l i z a t i o no f t h e f i n g e 印r i n ti m a g ep r 印r o c e s s i n g ， f i n g e 印r i n t s f e a t l l r e e x t r a c t i o n ， a n d m i n u t i a e m a t c h i n ga l g o r i t h m s ， a n d 3 ) s t u d i e dt h e f i n g e 叩r i n ti m a g e s e g m e n t a t i o na l g o r i t h m ， a n dd e s c b e da ne f f e c t i v e a p p r o a c h t ot h e s e g m e n t a t i o n o ff i n g e 叩n n t i m a g e sb a s e d o nn a c t a ld i m e n s i o n f i r s t ， c a l c u l a t e dt h eg r a d i e n to ff i n g e 印r i n ti m a g - e ，a n dt h e ne m p l o y e dt h ec o n c e p to f 矗a c t a ld i m e n s i o n ，u s i n gt h ed i f i f e r e n t i a lb o xc o u n t i n gm e t h o dt of h r t h e r 北京化t 人学硕【：学位论文 a n a l y z et h ei m a g ep r o d u c e db yt h ef i r s ts t e p ，f i n a u ya c c o m p l i s h e dt h e s e g m e n t a t i o no ff i n g e 印r i n t s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a tt h e p r o p o s e dm e t h o dp e 墒m sw e l li nf i n g e 叩r i n ts e g m e n t a t i o n i nt h i ss m d y ，b y u s i n gt h em b f 2 0 0f i n g e 印r i n ts e n s o rt oc a p t u r ef i n g e 巾n n t so nm i n l 2 4 4 0 b o a r d ，f i n a l l yi m p l e m e n t e dac o m p l e t ee m b e d d e df i n g e 印d n ti d e n t i f i c a t i o n s y s t e m k e yw o r d s ： f i n g e 印r i n ti d e n t i f i c a t i o n ， e m b e d d e d s y s t e m ，f i n g e 印r i n t s e n s o r ，f a c t a ld i m e n s i o n i v 目录 目录 第一章绪论1 1 1 课题的研究背景及意义1 1 2 指纹识别技术的历史、现状及发展1 1 3 指纹识别系统的市场应用前景3 1 4 指纹识别技术的特点及其与其他生物识别技术的比较3 1 5 本文的主要研究内容及成果4 第二章嵌入式硬件平台与软件环境7 2 1 嵌入式系统概述7 2 2 硬件开发平台及处理器介绍7 2 2 1a r l 处理器简介7 2 2 2a r m 9 体系结构8 2 2 3s 3 c 2 4 4 0 处理器介绍9 2 3 嵌入式开发环境搭建1 3 2 3 1 嵌入式软件开发概述1 3 2 3 2 交叉编译环境的搭建1 4 2 3 3m a k e 工程管理器i 1 6 2 4 小结1 8 第三章指纹采集模块的设计与实现1 9 3 1 指纹传感器简介1 9 3 2m b f 2 0 0 指纹传感器2 0 3 2 1m b f 2 0 0 简介2 0 3 2 2m b f 2 0 0 的内部寄存器2 1 3 2 3m b f 2 0 0 的工作过程2 2 3 3 采集模块的设计2 3 3 4 小结2 3 v 北京化t 大学硕j ：学位论文 第四章指纹图像预处理的算法研究与实现2 5 4 1 指纹图像场及其计算2 5 4 2 指纹图像的分割2 6 4 2 1 指纹图像的梯度计算2 7 4 2 2 图像分形维数及分割2 7 4 2 3 实验结果分析2 8 4 3 指纹图像的均衡3 1 4 4 指纹图像的收敛3 3 4 5 指纹图像的平滑3 3 4 6 指纹图像的增强、3 4 4 7 二值化3 6 4 7 1 二值化方法3 6 4 7 2 去噪处理3 7 4 8 细化3 7 4 8 1 细化方法3 8 4 8 2 细化后处理3 8 4 9 小结3 9 第五章指纹特征提取与匹配算法研究与实现4 1 5 1 指纹特征的拓扑结构理论4 l 5 1 1 拓扑学的基本概念4 l 5 1 2 指纹图像的拓扑性质4 2 5 2 指纹特征的分类4 2 5 3 指纹特征的提取4 4 5 3 1 指纹特征端点的提取4 4 5 3 2 指纹特征分叉点的提取4 4 5 3 3 指纹特征奇异点的提取4 5 5 4 去除伪指纹特征点4 7 5 5 指纹图像的匹配4 8 5 5 1 指纹图像配准4 8 5 5 2 基于点模式的指纹匹配n 5 t 删4 9 5 6 小结5 2 v i 日录 第六章指纹识别系统的应用5 3 6 1 门禁系统5 3 6 1 1 系统总体设计5 3 6 1 2 指纹库管理5 4 6 1 3 门禁识别5 6 6 2 小结5 7 第七章总结5 9 参考文献6 1 致谢6 3 研究成果及发表的学术论文6 5 作者与导师简介6 7 v l l 北京化t 大学硕 ：学位论文 v i i l o c o n t e n t s co n t e n t s c h a p t e r 1i n t r o d u c t i o n 1 1 1b a c k g r o u n da n ds i 盟i f i c a n c e 1 1 2h i s t o s t a t u sa j l dd e v e l o p m e n to ff i n g e 印r i mi d e n t i f i c a t i o nt e c l l l l 0 1 0 9 y 1 1 3m a r 】( e ta p p l i c a l i o np r o s p e c to ff i n g e 印r i mi d e i l t i f i c a t i o ns y s t 锄3 1 4c o m p a r i s o no f b i o m e t r i ct e c h n 0 1 0 舀e s 3 1 5m a i nc o n t e n t s 4 c h a p t e r 2e m b e d d e dh a r d w a r ep l a t f o r ma n ds o f t w a r ee n v i r o n m e n t 7 2 1o v e i e wo f e m b e d d e ds v s t e m 7 2 2d e s 甜p t i o no f a r mm i c r o p r o c e s s o r 7 2 2 1i n 们d u c t i o no f a r mm i c r o p r o c e s s o r 7 2 2 2a r c h i t e c t u r eo f a r m 9 8 2 2 3s 3 c 2 4 4 0p r o c e s s o r 9 2 3e m b e d d e d s o r w a r ed e v e l o p m e n te n v i r o m e n t 1 3 2 3 1i n t r o d u c t i o no f e m b e d d e ds o r w a f ed e v e l o p m e n t 1 3 2 3 2c r o s s c o m p i l i n ge n v i r o m e n t 1 4 2 3 3pr i o l j e c tm a n a g e ro f m a i ( 匝1 6 2 4s u m m a r v 1 8 c h a p t e r3d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no f6 n g e r p r i n ta c q u i s i t i o nm o d u l e 1 9 3 11 1 1 t r o d u c t i o no f f i n g e 印r i n ts e n s o r “1 9 3 2t h em b f 2 0 0f i n g e 印r i n ts e n s o r 2 0 3 2 1i n t r o d u c t i o no f m b f 2 0 0 2 0 3 2 2i n t 锄a l 如n c t i o nr e 百s t e r so f m b f 2 0 0 2 1 3 2 3w b r k i n gp r o c e s so f m b f 2 0 0 2 2 3 3d e s i g no f f i n g e 叩r i n ta c q u i s i t i o nm o d u l e 2 3 3 4s u m m a 巧2 3 一 ! ! 塞垡王盔兰堡! 兰垡笙兰一一一 _ _ 一一 c h a p t e r 4r e s e a r c ha n di m p l e m e n t a t i o no nf i n g e r p r i n ti m a g e p r e p r o c e s s i n g 2 5 4 1f i n g e 巾r i n ti m a g ef i e l da i l di t sc a l c u l a t i o n 2 5 4 2f i n g e 印r i n ti m a g es e 舯e i l t a t i o n 2 6 4 2 1g r a 小e n tc a l c u l a t i o n 2 7 4 2 2s e 鲫e n t a t i o nu s i n g 仔a c t a ld i m e n s i o n 2 7 4 2 3e x p e i i i m e n t a lr e s u l t s 2 8 4 3e q u a l i z a t i o no f 6 n g e q ) 1 i n ti m a g e j l 4 4c o n v e 喀e n c eo f f i n g e r l p r i n ti m a g e j j 4 5s m o o t h i n go f f i n g e r p r i n ti m a g e j j 4 6f i n g e 印r i n te i 】1 1 a 1 1 c e m e n t 3 4 4 7b i n a 打z a t i o n 3 6 4 7 1t h em e t h o do f b i n a r i z a t i o n 3 6 4 7 2d e n o i s i n g 6 i 4 8t h i 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f i c a t i o ns y s t e m 5 3 6 1a c c e s sc o n t m ls y s t e r i l 5 3 6 1 1s y e t e md e s i 印5 3 6 1 2m a n a g e m e n to f f i n g e 叩r i n td a t a b a s e 5 4 6 1 3a c c e s sc o n t r o li d e n t i f i c a t i o n 5 6 6 2s l l i i 】m 叫5 7 c h a p t e r 7c o n c l u s i o n 5 9 r e f e r e n c e s 6 l a c l 【i l o w l e g m e n t s 6 3 r e s e a r c ha c c o m p l i s h m e n ta n dp u b l i s h e dp a p e r s 6 5 i n t r o d u c t i o no fa u t h o ra n da d v i s o r 6 7 x i 北京化- t 人学硕l ：学位论文 x l i 第一章绪论 1 1 课题的研究背景及意义 第一章绪论 身份识别与人们的生活密切相关，如平时参加的各种考试、办理银行业务、坐飞 机等。通常情况下，人们使用的身份识别方式是出示身份证或其他有效证件、输入密 码或签字。但是这些方式也不能保证安全性，证件容易丢失，密码容易被忘记或破译， 签字也可以造假。指纹识别技术能够有效解决身份识别的安全性问题，满足人们对安 全和效率越来越高的要求。 指纹是指手指末端正面皮肤上凸凹不平产生的纹路，这些皮肤的纹路在图 案、断点和交叉点上是各不相同的。在图像信息处理中将它们称作“特征”， 每个手指的指纹特征都是不同的，指纹特征和手指严格一一对应，依靠这种指 纹特征的惟一性，我们就可以通过指纹把一个人联系起来，通过比对他的指纹 特征和预先保存在指纹库中的指纹特征，就可以验证他的真实身份【2 1 。 每个人的指纹所具有的全球唯一性和终身不变性是指纹识别技术发展和应 用的科学理论基础，这种唯一性和不变性已经被现代科学研究所证实。随着国 内外指纹识别技术的研究工作广泛而深入的开展，指纹识别算法不断优化，逐 渐变得稳定而可靠。目前成熟的指纹识别算法已经可以用于实现各种指纹识别 系统了，以指纹识别技术为核心的各种应用系统在社会上得到了推广和发展， 并取得了不错的效果。例如将指纹识别技术应用在身份认证领域，能够有效提 高系统的安全性和可靠性，并且使用起来简便有效，能够有效解决传统身份验 证方式存在的问题。在社会效益层面，指纹识别技术可以应用在公共安全、金 融保险等具备重大战略意义的领域，能够有效推动社会公共事业的发展；在经 济效益层面，指纹识别技术可以广泛的应用在各种与安全认证相关的产品中， 如考勤系统、门禁系统等，大量优秀的应用产品可以创造巨大的经济效益；在 学术研究层面，由于指纹识别技术结合了图像处理技术、模式识别技术、光电 子技术、计算机软件技术和计算机网络技术等，因而指纹识别技术的研究发展 也将带动这些相关学科的不断进步，与指纹识别技术相关的研究课题也因此具 备很高的学术研究价值。 1 2 指纹识别技术的历史、现状及发展 指纹识别是一种应用最普遍的生物识别技术，其历史可以追溯到公元前六千多 北京化t 大学硕十学位论文 年。那时，一些陶艺匠人将自己的指纹印在了制成的陶器上，考古学家根据出土的文 物证实，在原始社会晚期就已经有使用指纹来进行身份鉴别的证据了。但是直到19 世纪初，指纹识别才有了真正的科学意义。当时，科学研究发现了指纹的两个重要特 征：( 1 ) 不变性：一个人的指纹是终身不变的；( 2 ) 唯一性：两个指纹完全相同的概率 极小，可以认为世界上没有两个人会有相同的指纹，同一人的任两指纹也如此【3 1 。每 个人的指纹形态的全球唯一性和指纹特征的永久不变性是指纹识别技术的重要理论 基础，也是基于指纹识别技术的各种应用产品有效工作的f j 提。 不过，最初的指纹识别只是采用手工的方法，即将指纹卡片存放在指纹库中，需 要鉴定时在指纹库中人工查找、由专业技术人员对比指纹卡，进行肉眼辨识【5 1 。显然， 这种方法不仅效率低下，还需要投入大量的人力资源，无法满足社会的需要，人们开 始寻找新的技术来解决这个问题。随着社会的发展进步和计算机的普遍应用，利用计 算机来处理指纹的想法已付诸实践，尤其是到了2 0 世纪8 0 年代，个人电脑已经开始 普及，光学扫描技术也发生了重大革新，使得指纹取像非常容易和现实，从而更加推 动了指纹识别技术的发展及在其他领域的应用。 在2 0 世纪6 0 年代，美国、日本和英国等发达国家已经开始研究指纹识别技术， 并发表了相关的学术论文，这一阶段的学术研究成果孕育了许多全球著名的以自动指 纹识别系统( a f l s ，a u t o m a t i cf i n g e r p r i n ti d e n t i f i c a t i o ns y s t e m ) 为核心技术的公司。a f i s 的主要研究内容包括扫描和采集指纹图像、指纹图像处理技术和指纹匹配技术，具体 的实现过程需要与模式识别技术、计算机技术、数学建模技术结合起来，通过计算机 系统代替人工识别，实现指纹数字化自动识别i4 1 。a f i s 具备很多优秀的特点，比如 执行速度快、结果准确可靠、信息存储方便等，这些特性使得a f i s 一经推出，即广 受关注，获得了广泛的应用。 以指纹识别技术为代表的生物识别技术的研究工作已经在国内外广泛开展，国际 社会这一领域有代表性的科研机构包括美国的麻省理工学院、密歇根州立大学、卡内 基梅隆大学，英国的剑桥大学，日本的日立公司和三菱公司，荷兰的飞利浦公司等【5 1 。 在国内，掌握指纹识别核心技术、拥有专利的公司以汉王科技、北大高科和粤安集团 等为代表，而学术研究方面具备领先地位的有中国科学院、北京大学和清华大学等科 研院所【6 】。 随着现代科学技术的发展，国内外对指纹采集设备和指纹识别算法的研究工作已 经取得了丰硕的成果，指纹识别算法逐渐趋于稳定而且高效，完整实现一套指纹识别 系统的成本在逐渐降低。当今，指纹识别技术的科研成果正在被越来越多的向实际应 用转化，使用场所也不仅仅局限于军事、国防、刑侦等重大领域，而是越来越多的以 各种指纹识别产品的形式用于民用领域，改变着人们的生活。 2 第一章绪论 1 3 指纹识别系统的市场应用前景 基于指纹识别技术的算法和相关应用研究在一百多年前就已经在欧美发达国家 开始了，2 0 世纪7 0 年代出现了面向商业应用的指纹识别系统，随后在全球范围内广 泛展开了指纹识别和指纹采集技术的研究工作，指纹识别相关的技术有了较大的发 展。2 0 世纪8 0 年代以来，指纹识别技术结合了计算机技术和光学扫描技术，进一步 提高了该技术相关产品的技术和应用水平，以美国为代表的发达国家开始在较大范围 内推广指纹识别技术相关的系统应用。2 0 世纪术，指纹采集设备的成本进一步降低， 指纹识别算法的准确率和速度进一步提高，指纹识别相关技术开始广泛应用于个人身 份验证领域，并取得了良好的市场反应。指纹识别技术可以有效的取代传统的个人识 别码或者口令等身份识别技术，在较高安全层面上阻止未经允许的访问，实现更加安 全、简便和有效的安全控制，可以在会融、国防、工作站甚至是民用领域获得广泛的 应用，影响和改变着人们的同常生活。 近十年来，指纹识别技术及其商业应用在国内取得了很大的发展，指纹图像处理 和指纹匹配算法研究工作在国内的高校、科研研究所以及企业里都全面展开，指纹识 别技术得到了很大的提高。在指纹识别技术的商业应用领域，国内从事相关技术的企 业逐渐增加，所研发的指纹识别相关产品的质量不断提高，成本不断降低，较高的性 价比使得产品在不同的应用领域获得了广泛的应用，如门禁考勤领域、金融保险领 域、信息安全和i d 认证领域等。由于中国的指纹技术相关应用市场具备极大的用户 量优势，国内外众多投资者相继涉及这一领域，指纹识别技术及相关应用在国内具有 极其广阔的市场前景。 1 4 指纹识别技术的特点及其与其他生物识别技术的比较 指纹具有以下7 个方面的特性使其成为身份识别技术的首选【7 】：( 1 ) 普遍性：每个 人都有指纹；( 2 ) 唯一性：每个人的指纹都是不相同的，甚至同一个人的十个手指上的 指纹也都不相同；( 3 ) 永久性：从年幼到年老，人的指纹都是终生不变的；( 4 ) 可采集 性：可以通过指纹传感器或指纹采集仪等设备和其他一些手段采集指纹；( 5 ) 可行性： 在准确率和鲁棒性等方面可以达到合理的效果；( 6 ) 可接受性：人们更愿意接受用采集 设备来采集指纹，而不是其他的特征，比如采集虹膜的话，可能大多数人都会比较抗 拒；( 7 ) 防伪性能好。 目前人们研究和使用的生物特征识别技术主要有：人脸识别、虹膜识别、手形识 别、指纹识别、掌纹识别、签名识别、声音识别【8 】。其中，签名识别和声音识别属于 人的行为特征，是后天逐渐形成的一种行为习惯，其他的都属于人的生理特征，是人 北京化t 人学硕上学位论文 与生俱来的特征。表1 1 列出了对这几种生物特征识别技术的比较结果。 表1 1 各种生物特征识别技术的比较 t a b l el l7 i l l ec o m p a r i s o no fd i h b r e n tb i o m e t ci d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g y 1 5 本文的主要研究内容及成果 本文从算法理论和工程应用两个方面完整而详细的讨论了指纹识别技术。理论方 面，本文研究了指纹图像预处理、指纹特征提取和匹配的具体算法，改进了图像分割 算法，并通过实验证明了改进后的图像分割算法具备相对较好的图像处理效果；工程 应用方面，本文详细阐述了嵌入式系统开发的软件和硬件环境，选择m b f 2 0 0 指纹传 感器讨论了指纹采集模块的原理和具体实现，然后将指纹图像处理技术应用到产品 中，以门禁系统和考勤系统为例介绍了嵌入式指纹识别系统的具体功能设计。 第二章首先介绍了嵌入式系统的硬件开发平台的特点，分析比较了嵌入式微处理 器a 1 w 产品系列的特点，然后介绍了嵌入式软件开发平台的特点和交叉编译环境的 具体搭建过程，设计实现了指纹识别算法源程序在嵌入式开发平台的编译和运行过 程。 第三章主要阐述了指纹采集模块的原理和具体实现，首先介绍了指纹传感器的特 点和分类情况，然后重点介绍了m b f 2 0 0 指纹传感器的特点、原理和具体工作过程， 最后描述了本文设计的指纹采集模块的具体实现流程。 第四章完整阐述了指纹图像预处理过程的算法研究和具体实现，分析了预处理的 重要意义，将预处理过程分为图像场计算、图像分割、图像均衡、图像收敛、图像平 滑、图像增强、图像二值化和细化等八个子过程，详细说明了每个过程的算法原理和 具体意义。其中在图像分割算法研究过程中，本文研究了一种基于分形维数的指纹图 像分割算法，改进了图像分割的质量。 第五章主要描述了指纹特征提取算法和指纹图像匹配算法的原理和实现，首先介 绍了指纹特征的拓扑结构理论，然后将指纹图像进行特征分类，接着描述了指纹特征 点的分类提取算法和伪指纹特征点的去除算法，最后介绍了指纹图像的匹配算法的具 体过程。 4 第章绪论 第六章主要讨论指纹识别系统的工程应用，以指纹 系统和考勤系统的功能设计和具体实现。 北京化t 大学硕i j 学位论文 6 第_ 二章嵌入式硬件、f 台j 软件环境 第二章嵌入式硬件平台与软件环境 2 1 嵌入式系统概述 根据i e e e ( i n s t i t u t eo f e l e c t r i c a l 锄de l e c 仃o i l i c se n 西n e e r s ，电气和电子工程师协会) 的定义，嵌入式系统是用来控制、监控或者辅助设备、机器运行的装置，目前国内一 个普遍被认同的定义是：嵌入式系统是指以应用为中心，以计算机技术为基础，软件 硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算 机系统【9 1 。 嵌入系统与通用计算机系统相比有五个明显的特征：专用性、可封装性、外来性、 实时性、可靠性【l o 】。嵌入式系统的专用性是相对于普通计算机的通用性而言的，嵌入 式系统的软硬件和操作系统的设计往往都是通过个性化定制实现的，不同的嵌入式系 统差别比较大，特定的嵌入式系统是为特定的应用场合设计的。嵌入式系统的可封装 性指的是其具体功能的实现相对于其软硬件设计是隐藏的，使用者不需要详细了解底 层的软硬件设计就可以顺利使用特定的嵌入式系统完成所需要的功能。嵌入式系统往 往自成体系，一套系统实现个完整的功能，与其它模块保持比较高的独立性，能独 立完成指定的任务，这是其外来性的体现。嵌入式系统的设计要求其具备高度的实时 性和可靠性，能够根据发生的实际事件快速实时的做出响应，每个功能响应都必须正 确而准时的完成，系统工作过程中不需要使用者去人工于预。 2 2 硬件开发平台及处理器介绍 2 2 1a r m 处理器简介 a r m 是a d v a l l c e dr i s c ( r e d u c e di n s t m c t i o ns e tc o m p u t i n 曲m a c h i n e s 的缩写，它 是一类嵌入式微处理器，由a r m 公司开发设计的。a i 蝴公司于1 9 9 0 年1 1 月成立 于英国剑桥，它是一家专门从事1 6 3 2 位r i s c ( 精简指令集) 微处理器知识产权设计的 供应商，a r m 公司本身不直接从事：占片生产，而只是授权a r m 内核，再给生产和 销售半导体的合作伙伴，同时也提供基于a r m 架构的开发设计技术1 。 a l w 处理器自身具有优良的性能，它有如下特点： ( 1 ) 在功耗和成本较低的前提下具备较高的性能，同时体积较小，便于实现嵌入式 系统。 ( 2 ) 处理器支持双指令集，分别是1 6 位的n u m b 指令集和3 2 位的a r m 指令集， 北京化丁人学硕f ：学位论文 并且能够向下兼容1 6 位甚至是8 位的系统器件。 ( 3 ) 处理器使用了大量3 2 位的寄存器，包括通用寄存器和状态寄存器，这些寄存 器被分为若干小组，完成系统内部的特定功能，使得处理器执行指令的速度显著加快。 ( 4 ) 处理器内部的数据操作大部分通过寄存器完成，并且数据和指令的寻址方式非 常简单灵活，先执行的指令的执行结果可以用来决定后续的指令是否需要执行，提高 了处理器执行指令的效率。 2 2 2a r m 9 体系结构 表2 1 列出了a r m 微处理器的各系列产品的主要特点及其主要应用领域。 表2 1 删微处理器系列 t a b l e2 - la r m m i c r 0 1 ) r o c e s s o rs 甜髓 a r m 9 处理器是a r m 微处理器系统中比较有代表性的一款处理器，应用非常广 泛，相比a r m 7 处理器，9 系列改变了处理器设计，通过时钟频率的增加和指令执行 周期的减少大幅度的提高了处理器的处理能力。具体来说，a r m 9 处理器具有如下特 点： ( 1 ) 5 级流水线设计 相比a r m 7 的3 级流水线设计，a r m 9 系列微处理器采用5 级流水线设计，能 够将每条指令分配到5 个时钟周期内进行处理，即每个时钟周期内最多可以由5 条指 令同时执行，时钟频率的增加显著提高了处理器的并行处理能力。 第二章嵌入式硬件j l 台与软件环境 ( 2 ) 采用哈佛结构 哈佛结构改变了处理器的存储器设计，它是将指令和数据分别存储在不同的存储 器中，两个存储器可以独立的进行存取操作，即在处理器运行