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系統識別號 U0002-2006200501250000
中文論文名稱 快速特徵搜尋之指紋辨識晶片設計
英文論文名稱 Design of Fingerprint Identification Chip via Fast Minutiae Extraction
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 電機工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Electrical Engineering
學年度 93
學期 2
出版年 94
研究生中文姓名 李建潁
研究生英文姓名 Chien-Ying Li
電子信箱 692380057@s92.tku.edu.tw
學號 692380057
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2005-06-14
論文頁數 112頁
口試委員 指導教授-黃聰亮
委員-蕭瑛東
委員-黃聰耀
委員-江昭皚
委員-黃聰亮
中文關鍵字 生物  指紋  辨識  特徵抽取  粒子群最佳化演算法  可程式化系統晶片 
英文關鍵字 Biometrics  Fingerprint  Identification  Minutiae Extraction  PSO  SOPC 
學科別分類 學科別應用科學電機及電子
中文摘要 目前用來做為個人身份辨識的生物特徵,已有瞳孔、容貌、指紋等,其中利用指紋來辨識是最常為人所使用的方法之一。它除了擁有辨識所需的唯一性以及不變性之特質外,在價格與效果的整體考量上,比採用其他的生物特徵划算許多,而且在法律的認證上,指紋辨識也佔有重要的地位。所以如何正確地分辨一枚指紋與其他指紋是否相同,在個人身份辨識上是一個很重要的課題。
從指紋擷取器所獲得的指紋影像,因按捺壓力大小不同以及機器所產生的雜訊,使得指紋影像的品質不如我們所預期地好,造成辨識錯誤的情況發生。本文先將指紋影像做前處理,試圖去增強及還原原始的指紋影像,並提出一個快速的指紋特徵搜尋法,去找出指紋特徵位置座標,再以粒子群最佳化演算法(PSO),去與資料庫中的指紋做比對,從模擬結果來看,本文之演算法能更正確及快速地辨識個人身份。最後,將所提出之方法,在可程式化之系統晶片(SOPC)上,以嵌入式軟核心處理器來實現,能做到更快速且即時(On-Line)的指紋辨識系統。
英文摘要 Biometric features, such as pupils, faces and fingerprints, have been used to develop the personal identification system at present. Among all of them, the fingerprint identification is one of the most commonly used methods. It has not only the characters of the uniqueness and the time-invariance when recognizing but also lower costs and higher performance while comparing with other biological features. And the fingerprint identification also plays an important role in the legal authentication. Therefore, it is quite an important issue to distinguish accurately fingerprints from the others on the personal identification.
The quality of the fingerprint image obtained from a sensor is not good as we expect because of the different pressure and the noise caused by the sensor. And it leads to the wrong identification result. In this paper, we first make a series of image pre-processes in order to enhance and restore the original fingerprint image. And then we propose a fast minutiae extraction method to find the coordinates of minutiae. After the minutiae extraction, we use a particle swarm optimization method (PSO) to match the fingerprints in a database. The experimental result shows that the personal identification is more accurate and faster via our algorithm. Finally, we apply our proposal to a system on a programmable chip (SOPC) by using the soft core embedded processor. And we can get a faster and on-line fingerprint identification system.
論文目次 <<目錄>>
中文摘要.......................................................................................................Ⅰ
英文摘要.......................................................................................................Ⅱ
目錄.............................................................................................................Ⅲ
圖目錄..........................................................................................................Ⅵ
表目錄.......................................................................................................ⅩⅡ

第一章、序論.................................................................................................1
1.1 前言.........................................................................................................1
1.2 指紋辨識之發展歷史..................................................................................2
1.3 指紋辨識之優點 ........................................................................................3
1.4 指紋辨識之應用方向..................................................................................4
1.5 研究方向..................................................................................................5
1.6 內容大綱...................................................................................................6
第二章、相關背景...........................................................................................8
2.1 指紋影像擷取裝置......................................................................................8
2.2 指紋影像之特徵 .......................................................................................10
2.2.1 指紋影像之宏觀辨認...............................................................................11
2.2.2 指紋影像之微觀辨認...............................................................................13
2.3 指紋影像之比對種類..................................................................................15
2.4 SOPC系統...............................................................................................17
2.4.1 SOPC系統之發展流程............................................................................19
2.4.2 硬體設計解決方案..................................................................................20
2.4.3 軟體設計解決方案..................................................................................21
2.4.4 量產轉移程序(Migration Process)............................................................22
第三章、系統架構..........................................................................................23
3.1 演算法設計流程 .......................................................................................23
3.2 晶片設計流程...........................................................................................31
第四章、指紋影像前處理單元..........................................................................43
4.1 裁減影像.................................................................................................44
4.2 正規化處理..............................................................................................47
4.3 中值濾波處理...........................................................................................49
4.4 計算指紋流向場........................................................................................51
4.5 修正指紋流向場........................................................................................57
4.6 Gabor濾波二值化......................................................................................63
第五章、指紋特徵搜尋單元與指紋特徵比對單元................................................74
5.1 指紋特徵搜尋單元.....................................................................................75
5.2 指紋特徵比對單元.....................................................................................83
5.2.1 粒子群最佳化演算法(PSO)......................................................................83
5.2.2 應用PSO於指紋最佳變形量之搜尋...........................................................88
第六章、系統模擬與實作結果..........................................................................97
6.1 系統模擬..................................................................................................97
6.2 實作結果................................................................................................101
第七章、結論與未來研究方向........................................................................106
7.1 結論......................................................................................................106
7.2 未來研究方向.........................................................................................107
參考文獻.....................................................................................................108


<<圖目錄>>
圖2.1 指紋影像中之紋線與谷線........................................................................10
圖2.2 指紋影像中之中心點與三角點..................................................................11
圖2.3 指紋影像與其流向圖...............................................................................14
圖2.4 指紋影像中之細微特徵(端點、叉點).........................................................15
圖2.5 SOPC系統之發展流程圖.........................................................................20
圖3.1 指紋辨識系統之主體架構圖.....................................................................23
圖3.2 指紋辨識系統之建檔流程圖.....................................................................28
圖3.3 指紋辨識系統之比對流程圖.....................................................................30
圖3.4 指紋辨識晶片系統之設計流程圖
(a)硬體模組設計流程 (b)應用程式軟體設計流程..................................................34
圖3.5 指紋辨識晶片系統之架構圖.....................................................................34
圖3.6 SOPC Builder之系統內容.......................................................................35
圖3.7 SOPC系統合成產生之完成圖..................................................................39
圖3.8 完成後之指紋辨識晶片系統硬體模組(bdf檔) .............................................40
圖3.9 下載組成資料(sof檔)至StratixTM晶片中....................................................41
圖3.10 下載可執行檔(srec檔)至發展板中...........................................................42
圖4.1 指紋影像前處理之流程圖........................................................................43
圖4.2 裁減指紋影像之示意圖...........................................................................46
圖4.3 裁減指紋影像
(a)原始指紋影像 (b)裁減後之指紋影像(208×208)................................................46
圖4.4 正規化指紋影像
(a)正規化指紋影像前 (b)正規化指紋影像後........................................................49
圖4.5 中值濾波處理之例子..............................................................................50
圖4.6 中值濾波處理指紋影像
(a)中值濾波處理指紋影像前 (b)中值濾波處理指紋影像後.....................................51
圖4.7 流向計算之細部處理動作........................................................................52
圖4.8 指紋紋線之八個方向..............................................................................53
圖4.9 9×9之空間遮罩......................................................................................53
圖4.10 以8×8遮罩選取指紋影像.......................................................................54
圖4.11 尋找此區塊最黑與最白之像素點位置......................................................54
圖4.12 以9×9遮罩代入最黑與最白之像素點位置
(a)代入最黑之像素點位置 (b)代入最白之像素點位置...........................................54
圖4.13 計算指紋影像流向場
(a)指紋影像及其流向場 (b)指紋流向場..............................................................57
圖4.14 指紋流向場修正演算法.........................................................................58
圖4.15 指紋流向場修正法-Step MO 1例子......................................................59
圖4.16 修正指紋流向場-Step MO 1
(a)指紋流向場修正前 (b)指紋流向場修正後........................................................60
圖4.17 指紋流向場修正法-Step MO 2例子......................................................61
圖4.18 修正指紋流向場-Step MO 2
(a)指紋流向場修正前 (b)指紋流向場修正後........................................................62
圖4.19 修正指紋流向場(含指紋影像)
(a)指紋流向場修正前 (b)指紋流向場修正後........................................................62
圖4.20 修正指紋流向場
(a)指紋流向場修正前 (b)指紋流向場修正後........................................................63
圖4.21 定義Gabor遮罩各方向角度....................................................................64
圖4.22 以22.5度為一區間之各角度Gabor方向空間遮罩圖
(a)0度之Gabor空間遮罩 (b)22.5度之Gabor空間遮罩
(c)45度之Gabor空間遮罩 (d)67.5度之Gabor空間遮
(e)90度之Gabor空間遮罩 (f)112.5度之Gabor空間遮罩.........................................65
圖4.22 以22.5度為一區間之各角度Gabor方向空間遮罩圖(續)
(g)135度之Gabor空間遮罩 (h)157.5度之Gabor空間遮罩......................................66
圖4.23 以22.5度為一區間之各角度Gabor方向遮罩灰階圖
(a)0度之Gabor遮罩灰階圖
(b)22.5度之Gabor遮罩灰階圖
(c)45度之Gabor遮罩灰階圖
(d)67.5度之Gabor遮罩灰階圖..........................................................................66
圖4.23 以22.5度為一區間之各角度Gabor方向遮罩灰階圖(續)
(e)90度之Gabor遮罩灰階圖
(f)112.5度之Gabor遮罩灰階圖
(g)135度之Gabor遮罩灰階圖
(h)157.5度之Gabor遮罩灰階圖........................................................................67
圖4.24 Gabor濾波二值化之例子......................................................................67
圖4.25 改良式Gabor空間遮罩(0度) .................................................................69
圖4.26 Gabor各方向之遮罩灰階圖與改良式遮罩灰階圖
(a)0度 (b)22.5度 (c)45度 (d)67.5度
(e)90度 (f)112.5度 (g)135度 (h)157.5度.............................................................70
圖4.27 改良式Gabor濾波二值化
(a)Gabor濾波二值化指紋影像前
(b)Gabor濾波二值化指紋影像後......................................................................72
圖4.28 二值化效果之比較圖...........................................................................73
圖4.29 二值化效能之比較圖...........................................................................73
圖5.1 指紋特徵搜尋單元及指紋特徵比對單元...................................................74
圖5.2 指紋細線化處理
(a)指紋細線化前 (b)指紋細線化後....................................................................75
圖5.3 區域示意圖..........................................................................................76
圖5.4 搜尋後之端點及叉點位置
(a)二值化影像 (b)二值化影像及指紋特徵位置...................................................78
圖5.5 指紋特徵修正之示意圖.........................................................................79
圖5.6 修正後之端點及叉點位置
(a)修正前 (b)修正後.......................................................................................80
圖5.7 合併端點及叉點
(a)合併前 (b)合併後.......................................................................................81
圖5.8 最後所取出之20個指紋特徵位置
(a)取出前 (b)取出後.......................................................................................82
圖5.9 PSO執行流程圖...................................................................................87
圖5.10 定義粒子群搜尋空間分量.....................................................................89
圖5.11 PSO點比對流程圖..............................................................................90
圖5.12 相同指紋比對
(a)儲存於資料庫中之指紋...............................................................................91
(b)欲比對之輸入指紋.....................................................................................92
圖5.13 相同指紋比對之每回合最佳能量值........................................................93
圖5.14 相異指紋比對
(a)儲存於資料庫中之指紋
(b)欲比對之輸入指紋.....................................................................................94
圖5.15 相異指紋比對之每回合最佳能量值........................................................95
圖6.1 24枚指紋影像圖
(a)A_1、A_2、A_3 (b)B_1、B_2、B_3
(c)C_1、C_2、C_3 (d)D_1、D_2、D_3
(e)E_1、E_2、E_3 (f)F_1、F_2、F_3
(g)G_1、G_2、G_3 (h)H_1、H_2、H_3..........................................................98
圖6.2 指紋辨識系統之整體操作流程圖...........................................................103
圖6.3 指紋辨識系統之實體外觀圖..................................................................104


<<表目錄>>
表3.1 硬體乘法器時脈週期之比較表................................................................36
表5.1 相同指紋比對之座標.............................................................................92
表5.2 相同指紋比對之結果.............................................................................93
表5.3 相異指紋比對之座標.............................................................................95
表5.4 相異指紋比對之結果.............................................................................96
表6.1 比對結果統計表....................................................................................99
表6.2 與其他論文比較表...............................................................................105
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