基于指纹识别技术的考勤系统的研究与设计

半导体取像传感器是最近几年才出现的，主要有：

(1) 硅电容传感器。它是最常见的半导体取像传感器。在半导体硅片表面约有100 000个电容传感器，其外面是绝缘表面，当用户将手指按压在该半导体表面上时，皮肤组成了电容阵列的另一面。由于指纹纹脊和纹谷相对于另一极之间的距离不同(纹路深浅的存在)，导致硅表面电容阵列的各个电容电压不同，通过测量并记录各点的电压值就可以获得具有灰度级的指纹图像。

(2) 半导体压感式传感器。它的表面的顶层是具有弹性的压感介质材料。 当用户将手指按压在该半导体表面上时，这些压感介质将指纹纹脊和纹谷的不同压力转化为相应的不同电信号，并进一步产生具有灰度级的指纹图像。

(3) 半导体温度感应传感器。它通过感应压在半导体表面上的指纹纹脊和远离半导体表面的纹谷的温度不同来获得指纹图像。半导体指纹传感器使用了可以局部调整的自动控制技术，可以自动调节指纹图像像素行，以及指纹局部范围的灵敏度，产生高质量的指纹图像。例如：通过增强半导体传感器的灵敏度可以感知一个对比度差的指纹图像(如干燥的指纹)，从而产生清晰的指纹图像；通过局部调整可以检测指纹图像不清晰的区域(如手指压得较轻的地方)。

由于制造较大尺寸的半导体传感器非常昂贵，所以通常半导体传感器的指纹取像区域小于1 平方英寸。半导体传感器取像技术主要缺点是：易受静电(电缆线、用户接触以及取像器内部的静电)的影响，有时会获取不到图像，甚至会被损坏；不像玻璃一样耐磨损，从而影响了使用寿命；手指的汗液中的盐分或者其他的污物，以及手指磨损都会使半导体传感器的取像很困难。同光学全反射取像相比，半导体传感器取像的优点是：分辨率可高达600dpi，体积小， 功耗小。

2.超声波扫描取像技术

超声波扫描技术被认为是指纹取像技术中最好的一种，但在指纹识别系统中还不多见，还处于实验阶段。超声波指纹取像的原理是：当超声波扫描指纹的表面，紧接着接收设备获取的其反射信号，由于指纹纹脊和纹谷的声阻抗的不同，导致反射回接受器的超声波的能量不同，测量它的大小，从而产生指纹灰度图像。积累在皮肤上的脏物和油脂对超声波取像影响不大，所以这样获取的图像是实际指纹纹路凹凸的真实反映。

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3.3 指纹识别模块算法

3.3.1 预处理

指纹的特征是指指纹脊线的某种构型，如端点、分叉等。为了提取这些特征，必须先把灰度的指纹图处理为二值线型图，此过程即指纹图像预处理。图像预处理是指纹自动识别过程的第一步，它的好坏直接影响着指纹识别的效果。图像预处理通常包括增强、分割、细化等几个步骤。增强是通过平滑、锐化、灰度修正等手段，改善图像的视觉效果；分割则是把图像划分为若干个区域，分别对应不同的物理实体；细化则是把分割后的图像转为只有一个像素点宽度的线型图，以便特征提取。

在预处理过程中，必须保证尽可能不出现伪特征，并尽量保持其真实特征不受损失。这里所谓的真实特征是指实际存在的指纹脊线构型，而不是指纹图上表现出的构型。由于在指纹摄取时手指用力不均匀，在用力的区域纹线可能会出现误连，而在用力小的区域可能会出现纹线误断。在这种情况下，用通常的基于灰度的预处理方法就会产生误特征。为了避免这种情况，可以利用指纹图的局部方向特性，即在纹线的切线方向上进行平滑，在其法线方向上进行边缘锐化，以求得最接近指纹实际构型的处理结果。

作者提出的算法得出指纹图上各像素点的局部方向性，并据此对指纹图做相应方向的切向平滑及法向锐化滤波，然后做二值化、细化处理，得到较为满意的线型图。

1.方向滤波算法

指纹图像获取时，由于噪音及压力不同等的影响，将会导致两种破坏纹线的情况：断裂及叉连。这两种噪音必须清除，否则会造成假的特征点，影响指纹的识别。如断裂可能被认为是两个端点，而叉连可能被当作两个分叉点。为了消除干扰及增强纹线，针对指纹纹线具有较强方向性的特点，我们采用方向滤波算法对其进行增强，为此必须利用指纹图上各个像素点上的局部方向性。

(1) 方向图的获取

方向图是用每一个像素点的方向来表示指纹图像。像素点的方向是指其灰度值保持连续性的方向，可以根据像素点邻域中的灰度分布来判断，反映了指纹图上纹线的方向。我们设定8个方向，如图3-2所示，各方向之间夹角为π/ 8 ，以1～8 表示。每个像素点上方向值的判定是在其N×N邻域窗口中得到的。邻域窗口的尺寸并无严格限定，但其取值与图像的分辨率直接有关。如果邻域取得过小，则难以从其中的灰度分布得出正确的方向性；

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若取值过大，则在纹线曲率较大的区域窗口内纹线方向不一致，会对以后的滤波操作造成不良影响。一般可取N为1～2个纹线周期。实验中取N = 9 ，该9×9邻域窗口如图3-3所示。

6 7 8 5 4 3 2 1

图3-2 8个方向

p71 p61 p51 p41 p31 p21 p22 p84 p74 p81 p72 p62 p52 p42 p32 p82 p13 p23 p11 p14 p12 p83 p24 p33 p43 p53 p63 p73 p34 p44 p54 p64 图3-3 9×9邻域窗口

分别求出沿各个方向的灰度变化：

Sd??f?i,j??fdk?ik,jk?k?1443 d?1,2,? , 8 (3-1)

Sd'??f?i,j??fd'k?ik,jk?k?1 (3-2)

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其中d′代表与d 垂直的方向，即d′=(d + 4)mod8；f(i,j)是点p(i,j)的灰度值，ik是d方向上的第k点，fdk(ik,jk)，fd'k(ik,jk)分别是点

pdk与pd'k的灰度值。

点p(i,j)的方向应该是Sd取值最小、Sd'取值最大的方向。这不仅考虑了指纹纹线的切线方向灰度变化最小，同时考虑它的法线方向应是灰度变化最大的方向。当

d?1,2,3?,8时分别求出Sd/Sd'，进一步得到其最小值S=min(Sd/Sd')，p(i,j)的方向取

与S对应的d。

(2)方向图的平滑算法

方向图求出后，由于纹线中的毛刺、背景中的细小污点等影响，会存在一定的噪音，需要对其进行平滑。方向图平滑的基本思想是：指纹纹线的走向是连续变化的，邻近像点上的方向不应该有突然的大角度转折。平滑也是在窗口中进行的，窗口中心像点上的平滑结果由窗口中各像素点方向值及其分布确定。

设N(d) 是某一像素在8 邻域中方向为d 的像素个数，N(d) 的最大值定义为N(D1) ，次大值定义为N(D2)，其对应的方向值分别是D1和D2，C(i,j)是点(i,j)校正后的方向代码。按如下算法平滑：

5??N?D1???8D1??C(i,j)???D1?D2?,3??N?D1???5且N?D2??2且N?D1??N?D2??2

?D?i,j?其它? (3-3)

(3)方向滤波器的设计

在得到指纹的方向图后，可以根据每个像素点的方向值，利用方向滤波器对指纹进行滤波，以消除噪音、增强纹线、提高脊和谷之间的反差。一般情况下处理图像只需一个滤波器，而方向滤波器是一系列与像素点方向有关的滤波器，使用时根据某一块区域的方向特征，从一系列滤波器中选择一个相应的滤波器来对这一块进行滤波。由于其应用的特殊性，决定其特殊的设计方法。 滤波器设计原则如下：

1) 滤波器模板的尺寸要合适。模板过小难以达到良好的去除噪音、清晰化效果；模板

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