專利名稱：一種基于掌紋特征的門禁系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種基于掌紋特征的門禁系統，屬于機電技術領域。
背景技術：
社會信息化、數字化、網絡化發展給人們日常生產生活帶來了極大的便利，但是與此同時，信息社會的安全問題面臨越來越嚴峻的挑戰。傳統的基于密碼或者口令的信息安全系統已經遠遠不能滿足人們的需求，生物特征識別技術越來越多的被應用于電訊、金融、交通等領域。發展基于生物特征識別技術的身份認證，與公眾自身利益息息相關，是本世紀社會經濟發展的需求，是牽涉到國家利益的戰略需求。掌紋識別是一種新興生物識別技術，在這個領域我國的研究成果保持世界一流的水平。指紋和虹膜的唯一性好，但是對圖像質量要求很高，況且，指紋圖像約有4～5％是難于識別的劣質圖像，手指皮膚的干燥度，被粘污程度和被損傷程度都會影響圖像的質量，由于虹膜識別需要掃描眼球，因此，由于不易被用戶接受而降低了普適性；人臉、聲音、筆跡等特征由于采集環境復雜且模式變化較大而難于達到高準確性要求。
相比之下，掌紋識別是最可取的，因為它具有以下的特點1.掌紋有較高的穩定性、唯一性。
2.掌紋信息量豐富，從理論上講，掌紋具有比指紋更好的分類性能和更高的識別能力。
3.用戶的接受程度高，對身體的非侵害性，不涉及個人隱私以及與犯罪、污辱無關。
4.采集掌紋簡單、方便，采集設備成本低。
5.掌紋識別對圖像分辨率要求比較低，可在低分辨率圖像條件下實現。
——由于現有的掌紋特征識別系統，全部都是基于桌面計算機的，因此設備成本高，體積大，難于維護和安裝，實用性不高。
發明內容
本發明之目的是提供一種基于掌紋特征的門禁系統，將掌紋識別使用技術與嵌入式系統結構技術相結合，再結合應用基于FPGA(現場可編程門陣列器件)的軟核處理器技術和SOPC(片上可編程系統)技術，設計出完全脫離通用計算機的嵌入式掌紋門禁系統。
本發明的技術方案為一種基于掌紋特征的門禁系統，包括有掌紋采集設備，存儲設備，現場可編程門陣列器件，全球移動通信系統或通用分組無線業務或以太網通信設備，輸出設備，其特征在于存儲設備和現場可編程門陣列器件是由印刷電路板上包括現場可編程門陣列，靜態存儲器，同步動態存儲器等芯片所組成；全球移動通信系統或通用分組無線業務或以太網通信設備以GSM/GPRS模塊或以太網處理芯片所組成；掌紋采集設備由視頻編碼芯片和可編程邏輯器件所組成；輸出設備由液晶顯示屏和電動門鎖控制設備和電動門所組成。
掌紋采集設備有自行設計手掌固定的采集裝置，由曝光調整和調焦功能的攝像頭和輕觸按鍵和模具構成；攝像頭內嵌到采集裝置內部，輕觸按鍵貼附在采集裝置表面；攝像頭的輸出視頻信號通過視頻傳輸線與電路板上的視頻編碼芯片相連接。視頻解碼芯片通過PCB上的布線與FPGA相連接；FPGA將輸入的視頻數據存入SRAM。PCB板上的FPGA同時還與同在一塊板上的SDRAM和FLASH芯片相連接，他們所存入的數據和程序指令將供內嵌于FPGA內部的Nios/NiosII軟核處理器使用。FPGA可與以太網控制芯片通過PCB上的布線連接，以實現互聯網的接入。FPGA也可與GSM/GPRS模塊通過PCB上的布線連接，以實現無線網絡的接入。CPLD與FLASH和FPGA相連接，用以將FLASH保存的數據對FPGA進行上電初始化。最后輸出設備之一的LCD通過排線電纜與與PCB板相連，以顯示識別結果；并根據識別結果由PCB板向電動門鎖控制設備發出開門信號。
嵌入式掌紋門禁系統的特征在于一.由上述部件構成不包括通用計算機在內的利用掌紋特征實現門鎖控制的門禁系統；
二.上述現場可編程門陣列器件是利用來制作成一個外形獨立的嵌入式系統板塊。
——該系統可以控制有關掌紋的采集、預處理、特征提取、存儲、比對特征及控制門等諸過程。其中最后的比對特征過程的結果也可以發送到指定的手機或互聯網上。
本發明與現有技術比較的特點如下1.使用本發明的用戶不必攜帶任何鑰匙、磁卡、智能卡等任何其它物品，也不必記住密碼、口令，只需要用戶手掌掌紋即可實現門的開關操作，更加安全可靠。因此，由于諸如忘帶鑰匙或磁卡而不能開門的問題將徹底解決。
2.本發明采用嵌入式軟核處理器技術，為系統的高度集成化，模塊化和為更換方便創造了條件，同時也為便于系統管理員利用GSM(全球移動通信系統)/GPRS(通用分組無線業務)通信手段，或以太網通信模式對系統進行管理(以達到更好的樓宇門禁管理效果)又創造了條件。
3.本發明采用嵌入式系統實現基于掌紋特征的門禁系統，完全脫離通用計算機的控制，具有體積小，成本低，功耗低，使用靈活和容易安裝的特點。
圖1示意了基于掌紋特征的門禁系統組成框圖；圖2示意了以FPGA板塊為核心的嵌入式處理系統的結構圖；圖3示意了基于掌紋特征的門禁系統軟件處理流程圖；圖4示意了攝像頭所采集的掌紋樣本圖像；圖5示意了采集掌紋區域定位的處理過程；圖6示意了預處理后掌紋有效區域圖像；圖7是為門鎖控制設備示意圖。
1掌紋采集設備，1.1具有手掌固定的采集裝置，1.2有曝光調整和調焦功能的攝像頭，1.3輕觸按鍵；2存儲設備，2.1SRAM(靜態隨機訪問存儲器)，2.2SDRAM(同步動態隨機訪問存儲器)，2.3FLASH(非易失性存儲器)；3FPGA(現場可編程門陣列)，含有3.1掌紋采集設備(1)控制模塊，3.2外設控制模塊和片內總線，3.3軟核處理器；4通信設備可配置GSM(全球移動通信系統)模塊或GPRS(通用分組無線業務)模塊或以太網通信接口模塊；5輸出設備包括5.1液晶屏，5.2門鎖開關控制裝置，5.2.1信號緩沖芯片，5.2.2固態繼電器，5.3電動門。
A食指與中指間最低點；B中指與無名指間最低點；M線段AB中點；a、b、c、d96×96像素大小的感興趣區域W的面積；e線段ab的中點。
S1表示FPGA3輸出的開關門控制信號。
S2表示S1經信號緩沖芯片5.2.1的緩沖，輸出的緩沖信號。
S3表示經過固態繼電器5.2.2轉換，最終輸出給電動門5.3的驅動信號。
具體實施例方式
存儲設備2和現場可編程門陣列器件3是由印刷電路板(PCB)上包括現場可編程門陣列(FPGA)芯片(美國ALTERA公司的Cyclone/CycloneII/Stratix/StratixII系列，具有內部可定制Nios/NiosII系列軟核處理器)，SRAM(IDT公司生產的IDT71V416和IDT71V424靜態存儲器)，SDRAM(Micron Technology公司生產的48LC4M系列同步動態存儲器)，FLASH(AMD公司生產的29LV128M/29LV065D系列)等芯片所組成；全球移動通信系統或通用分組無線業務或以太網通信設備4以GSM/GPRS模塊(西門子公司生產的Sim100系列GSM/GPRS模塊)或以太網處理芯片(SMSC公司的LAN91C111或Crystal公司的CS8900A以太網處理芯片)所組成；掌紋采集設備1由視頻編碼芯片(Philips公司生產的SAA7113視頻編碼芯片)和可編程邏輯器件(ALTERA公司的MAX7128CPLD)所組成；輸出設備5由液晶顯示屏(LCD)(標準顯示器件)和電動門鎖控制設備和電動門(由天津龍甲防盜門廠制造)所組成，其中電動門鎖控制設備又由信號緩沖芯片(標準芯片)連接固態繼電器(標準固態繼電器)組成。
掌紋采集設備1還有自行設計手掌固定的采集裝置，由曝光調整和調焦功能的攝像頭和輕觸按鍵構成；具有手掌固定的采集裝置由專門定制的模具生成，攝像頭內嵌到采集裝置內部，輕觸按鍵貼附在采集裝置表面；攝像頭的輸出視頻信號通過視頻傳輸線與電路板上的視頻編碼芯片相連接。視頻解碼芯片通過PCB上的布線與FPGA相連接；FPGA將輸入的視頻數據存入SRAM。PCB板上的FPGA同時還與同在一塊板上的SDRAM和FLASH芯片相連接，他們所存入的數據和程序指令將供內嵌于FPGA內部的Nios/NiosII軟核處理器使用。FPGA可與以太網控制芯片通過PCB上的布線連接，以實現互聯網的接入。FPGA也可與GSM/GPRS模塊通過PCB上的布線連接，以實現無線網絡的接入。CPLD與FLASH和FPGA相連接，用以將FLASH保存的數據對FPGA進行上電初始化。最后輸出設備之一的LCD通過排線電纜與與PCB板相連，以顯示識別結果；同時，如圖7所示，FPGA經PCB連線輸出電動門控制信號S1至信號緩沖芯片5.2.1，進行一級緩沖后，再經排線電纜將緩沖后的信號S2輸出到固態繼電器5.2.2，固態繼電器將信號S2轉換為電動門5.3的驅動信號S3，完成門控操作。
所述之掌紋識別為經掌紋采集設備1采集掌紋灰度圖像，經過圖像尺寸變化，邊緣檢測，有效區域定位，灰度均衡，得到歸一化的圖像，然后使用圖像變換矩陣得到掌紋特征，并與在FLASH 2.3中的掌紋特征進行比對，由輸出設備5液晶屏5.1顯示判決結果和門鎖開關控制裝置5.2完成門的開關操作；攝像頭1.2像素大約為30萬；可以將處理結果通過，GSM/GPRS 4發送到指定手機，或通過以太網發送到指定的計算機網絡。
下面結合附圖對本發明實施過程作進一步闡述。
身份識別過程實施步驟為步驟一，掌紋圖像的采集(如圖3所示的6、7、8三項處理過程)對攝像頭控制模塊進行初始化和配置工作處理過程6；采集圖像處理過程7；手掌是否到位判斷過程8，決定是否關中斷處理；圖像預處理過程9；特征提取處理過程10；根據提取特征與存儲器存儲特征比對處理11，并得出結果；若識別結果為管理員身份12，隨即則顯示是否應該注冊；13為如果在第12步選擇Y2進行注冊過程；顯示與輸出結果處理過程14控制門的開關狀態和輸出消息到GSM/GPRS或以太網通信接口；15為待注冊的樣本特征存入FLASH2.3。
Y1表示系統檢測手掌已到位，則關中斷；N1表示系統檢測手掌未到位，則返回到“7”；Y2表示系統管理員允許選擇注冊新用戶，則返回到“6”；N2表示系統管理員不允許選擇注冊新用戶，則進入“14”。
由于掌紋采集設備1中含有攝像頭1.2，用戶將手掌放置在掌紋采集設備1的攝像頭1.2上，(五指自然張開，掌心朝向鏡頭)。掌紋采集設備1會通過輕觸按鍵1.3產生一個申請信號，當系統檢測到這個申請信號，開始對攝像頭1.2進行初始化，由攝像頭1.2自動采集灰度圖像，圖像像素約為30萬。掌紋原始圖像如圖4所示并儲存在SRAM2.1所構成的存儲設備2中。系統檢測到申請信號后會自動關閉輕觸按鍵1.3引發的申請處理，直到本次識別過程結束才會啟動輕觸按鍵1.3，以避免在對第一個用戶還未處理結束時，第二個用戶已將手掌放入掌紋采集設備1，而導致處理過程紊亂。
步驟二，預處理過程(如圖3所示的圖像預處理過程9)預處理一共包括四個部分，分別是去光照模塊，有效區域定位模塊，歸一化模塊和掌紋區域提取模塊。這四個部分對最終獲得的掌紋紋理圖像都有至關重要的作用，缺一不可。這四個部分緊密的連貫在一起，才能構成一個完整的預處理過程。整個預處理過程全部由本發明的獨立嵌入式系統板塊(由現場可編程門陣列器件3制作而成)所完成。
第一步，去光照模塊主要是通過白平衡等算法實現對外界光照的過濾理，使掌紋紋理圖像有相同的對比度和亮度，并且盡可能的去除外部光照信息，從而使掌紋紋理圖像有盡可能大的掌紋紋理信息率。去光照模塊使用的算法主要就是對圖像進行白平衡的直方圖均衡算法。
第二步，有效區域定位模塊基于幾何形態學的方法，通過對手掌照片幾個特征位置點的位置確定，而獲得掌紋的大小、位置和角度信息。有效區域定位模塊首先對原始掌紋進行二值化，二值化的圖像中手掌的部位為白色，背景為黑色，保留食指和中指之間，無名指和小指之間的黑色背景區域，如圖5所示。再利用幾何形態學的算法獲得位置特征點A和B，線段AB的長度決定了圖像的大小。
第三步，歸一化模塊利用有效區域定位模塊取得的手掌大小信息對手掌圖片進行歸一化處理。歸一化處理使得掌紋特征提取具有很高的魯棒性，對于不同采集環境下獲得的圖像可能存在大小的差異，歸一化使得這種差異對于特征提取模塊變得透明。
第四步，掌紋區域提取模塊的功能在于利用定位模塊獲得的手掌位置特征點，在歸一化后的掌紋圖像上分割出包含主要掌紋紋理的一個方形區域，并實施旋轉算法，獲得一個標準的包含主要掌紋紋理的正方形圖像。在歸一化的圖像上，利用線段AB的位置確定a，b，c，d四點位置，這四個點形成的正方形區域包含了手掌中主要的掌紋紋理區域部分，其中計算的公式是(D.x表示點D的x坐標，D.y表示點D的y坐標)。
θ＝arctg((B.y-A.y)/(B.x-A.x))e.x＝(A.x+B.x)/2-(sinθ)×30e.y＝(A.y+B.y)/2+(cosθ)×30d.x＝e.x-(cosθ)×48d.y＝e.y-(sinθ)×48c.x＝e.x+(cosθ)×48c.y＝e.y+(sinθ)×48
b.x＝c.x-(sinθ)×96b.y＝c.y+(cosθ)×96a.x＝d.x-(sinθ)×96a.y＝d.y+(cosθ)×96計算后的結果去整，得到的即是a，b，c，d四點在歸一化后圖像上的坐標。
掌紋區域模塊利用有效區域定位模塊獲得的坐標，在歸一化的圖像上獲得包含主要掌紋紋理信息的96×96(單位像素)大小的圖像，并將其旋轉得到正規的掌紋紋理圖像，如圖6所示。
步驟三，對掌紋圖像進行特征提取(如圖3所示的特征提取處理過程10)圖像特征提取使用方法如下設經步驟一采集和步驟二圖像預處理得到的掌紋圖像為I，圖像大小為96×96，變換矩陣分別為Gt1和Gt2，圖像特特征為F＝Ut1T×IT×Ut2(1)式(1)中Gt1=1MΣj=1M(Ij-I‾)T(Ij-I‾)---(2)]]>其中I‾=1MΣi=1MIi]]>為圖像均值。Gt1的前k(k≤96)個最大特征值對應的特征向量組成96×k變換矩陣U2d-pca1；Gt2=1MΣj=1M(Ij-I‾)(Ij-I‾)T---(3)]]>Gt2的前l(l≤96)個最大特征值對應的特征向量ui2(i2＝1，2，L，l)組成96×l變換矩陣U2d-pca2；由式(1)、(2)、(3)可知特征矩陣是k×l維的，k和l一般取值24至48之間在所以每個掌紋特征大小在2.25千比特到9千比特之間。
步驟四，對測試樣本進行判決分類(如圖3所示的特征比對處理過程11)將經過步驟三得到的特征矩陣F與存儲在由FLASH(2.3)所構成的存儲設備2中的樣本特征相比對。
判決分類方法如下本文的掌紋識別中采用歐氏距離分類器，特征空間中樣本的歐氏距離為d(Fi,Fj)=Σx=1pΣy=1q(Fi(x,y)-Fj(x,y))2---(4)]]>作為分類依據，設有W類樣本，每類訓練樣本為X個，選擇變換后的幾何中心點作為類特征Fl。根據d(F,Fl)=minjd(F,Fj)--j=1,2,L,W,]]>得出樣本I∈Wl的分類結果。
步驟五，如圖2和圖3所示，將判決結果在液晶屏5.1上顯示。如果允許用戶合法將門打開，系統會向門鎖開關控制裝置5.2發送一個脈沖信號，門鎖開關控制裝置5.2將門鎖打開；否則使門處于關閉狀態；系統可以通過軟核處理器3.3向通信設備4發送指令(如向GSM/GPRS模塊發送指令，撥打事先存儲在FLASH 2.3的系統管理員的電話或向系統管理員的手機發送短消息以示報警)。系統也可生成一個報警文件，通過以太網接口向事先設定好的計算機發送該報警文件(如圖3所示的顯示與輸出結果處理過程14)。
身份注冊過程實施步驟為(如圖3所示的13注冊過程)注冊步驟一，系統管理員實施上述身份識別過程；如果系統成功識別出系統管理員身份，進入用戶注冊過程；否則顯示在液晶屏5.1顯示無權限注冊新用戶。
注冊步驟二，注冊用戶實施上述身份識別過程的步驟一，步驟二，步驟三。
注冊步驟三，將新注冊用戶的掌紋特征存入FLASH 2.3(如圖3處理過程15)，并更新系統的掌紋特征樣本庫，以使下次身份識別時，新用戶注冊的樣本在對比范圍之內。
注冊步驟四，在液晶屏5.1上顯示身份注冊成功或失敗(如圖3所示的顯示與輸出結果處理過程14)。
權利要求
1.一種基于掌紋特征的門禁系統，包括有掌紋采集設備，存儲設備，現場可編程門陣列器件，全球移動通信系統或通用分組無線業務或以太網通信設備，輸出設備，其特征在于存儲設備和現場可編程門陣列器件是由印刷電路板上包括現場可編程門陣列，靜態存儲器，同步動態存儲器等芯片所組成；全球移動通信系統或通用分組無線業務或以太網通信設備以全球移動通信系統/通用分組無線業務模塊或以太網處理芯片所組成；掌紋采集設備由視頻編碼芯片和可編程邏輯器件所組成；輸出設備由液晶顯示屏和電動門鎖控制設備和電動門所組成。
2.根據權利要求1所述的一種基于掌紋特征的門禁系統，其特征在于掌紋采集設備有手掌固定的采集裝置包括攝像頭、輕觸按鍵和模具構成；攝像頭內嵌到采集裝置內部，輕觸按鍵貼附在采集裝置表面；攝像頭的輸出視頻信號通過視頻傳輸線與電路板上的視頻編碼芯片相連接，視頻解碼芯片通過印刷電路板上的布線與現場可編程門陣列相連接；印刷電路板上的現場可編程門陣列與同在一塊板上的同步動態隨機訪問存儲器和非易失性存儲器芯片相連接，現場可編程門陣列與以太網控制芯片通過印刷電路板上的布線連接或與全球移動通信系統/通用分組無線業務模塊通過印刷電路板上的布線連接，可編程邏輯器件與非易失性存儲器和現場可編程門陣列相連接，輸出設備的液晶顯示屏通過排線電纜與與印刷電路板相連。
3.根據權利要求1或2所述的一種基于掌紋特征的門禁系統，其特征在于電動門鎖控制設備由信號緩沖芯片連接固態繼電器。
全文摘要
一種基于掌紋特征的門禁系統，其特征是將掌紋識別技術和嵌入式系統相結合，應用基于現場可編程門陣列的軟核處理器技術，設計出完全脫離通用計算機的嵌入式掌紋門禁系統。主要由掌紋采集設備，存儲設備，現場可編程門陣列器件，全球移動通信系統和液晶顯示屏及門鎖控制設備所構成。主要特征在于由上述部件構成不包括通用計算機在內的利用掌紋特征實現門鎖控制的門禁系統；上述現場可編程門陣列器件是利用來制作成一個外形獨立的嵌入式系統板塊，使的系統具有高度集成化、模塊化、成本低、功耗小、使用靈活和容易安裝的特點。用戶只需手掌掌紋即可實現門的開關操作，無需任何密碼，磁卡、鑰匙等其他物品。
文檔編號G07C9/00GK1773557SQ200510115190
公開日2006年5月17日 申請日期2005年11月16日 優先權日2005年11月16日
發明者劉陸陸, 丁曉明, 石黎, 李強 申請人:北京交通大學