專利名稱：用于指紋鎖的圖象處理系統(tǒng)和指紋圖象攝取儀的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及用于指紋鎖的圖象處理系統(tǒng)和指紋圖象攝取儀，屬固定建筑物技術領域。
在銀行的金庫、武器庫、檔案館、保存珍貴藝術品、文獻的處所以及高級轎車、高級賓館等需要嚴格保險或保密的地方，要求的安全級別很高，為了保安的需要，一般都有精心設置的機械鎖、密碼鎖等門禁裝置。但大多數(shù)失竊事件都與鑰匙有關機械鎖可以用萬能鑰匙或仿制的鑰匙打開，密碼鎖也可被有經驗的竊賊破譯，而監(jiān)守自盜則更難預防。我們利用指紋的唯一性和終生不變的特點，研制了指紋鎖，該鎖唯一的鑰匙就是人的手指，因而有效地防止了上述事件的發(fā)生。
理論上已經證明，人的指紋具有唯一性和穩(wěn)定性。因而從古代起就把指紋用于身份鑒定。計算機發(fā)展以后，國內外公安部門都有用指紋鑒別身份的裝置問世，但都以工作站或微機作為主機。這在很多場合無法用于保安的目的。
本實用新型的目的是設計一種專用的指紋鎖，對其中的指紋圖象攝取部分和圖象處理部分進行全新的設計。利用光學全反射原理獲取指紋信息，用高速數(shù)字信號處理芯片作為CPU，制成專用機式的指紋鎖，使其具有體積小、重量輕、功能全、用途廣等特點。
本實用新型設計的指紋鎖的指紋圖象攝取儀由三棱鏡、光源和攝象機組成。三棱鏡的棱面(a)與手指接觸，棱面(b)與平面光源相對，棱面(c)與攝象機相對。光源發(fā)出的平面光透過棱鏡后投射到棱面a上，棱面a吸收射來的部分光線并把其余部分光射全反射至棱面c，于是清晰的指紋圖象隨光線進入攝象機。
本實用新型設計的指紋鎖的圖象處理系統(tǒng)，由CPU單元、接口驅動單元和鍵盤板單元組成；
其中的CPU單元包括(1)用以指紋圖象處理程序運行的中央處理器(U100)；(2)用以存放來自接口驅動器單元的數(shù)字圖象的數(shù)據(jù)圖象存儲器(U101—U104}；(3)用以存放、運行各種處理程序和存放圖象處理結果的程序存儲器(U108，U109，U129，U131，U106，U107)；(4)用以分頻后產生A/D變換所需時鐘的晶振(U16)；(5)用以控制I/O口輸入輸出的I/O端口譯碼器(U121)；(6)用以控制存儲器讀寫的存儲器片選譯碼器(U123)；(7)將接口驅動器單元送來的水平同步信號和垂直同步信號在本單形成圖象采集地址的圖象采集地址發(fā)生器(U1，U2)；其中的接口驅動單元包括(1)將來自指紋圖象攝取儀的圖象視頻信號進行同步分離的同步分離器(U38)；(2)將同步分離后的水平同步信號和垂直同步信號進行單穩(wěn)延遲處理的定時器(U31)，經延遲處理的水平同步信號和垂直同步信號送到CPU單元的圖象采集地址發(fā)生器(U1和U2)；(3)將來自指紋圖象攝取儀的圖象視頻信號進行隔離緩沖的隔離放大器(U63)和進行模數(shù)轉換的A/D變換器(U0)；(4)將上述數(shù)字信號進行鎖存緩沖后送入CPU單元的鎖存器(U24)和數(shù)據(jù)總線(D0—D15)；(5)用以數(shù)據(jù)掉電保護的EEPROM(U14)和數(shù)據(jù)存儲器(U22)；(6)用以復位、保持控制、串口通訊的組合邏輯發(fā)生器(U21)；(7)用以防止程序走飛造成系統(tǒng)死機的看門狗電路(U13)；(8)上電和自動掉電單元電路，由單穩(wěn)態(tài)定時器U4、繼電器U3、U33和T62組成；
(9)用以將圖象處理系統(tǒng)與指紋鎖中的電磁鎖驅動部分相隔離的光耦隔離器(U15)；(10)為電磁鎖開閉提供驅動電流的輸出電路T1和T4；其中的鍵盤板單元包括(1)用以管理程序運行的管理控制芯片U1；(2)用以存儲程序的程序存儲器U7；(a)使管理控制芯片與程序存儲器進行地址鎖存的鎖存器(U3)；(4)用以串行通訊的去耦隔離器U15，波形整形U11和通訊驅動T3；(5)用于電源穩(wěn)壓的穩(wěn)壓U10；(6)用以鍵入控制信號的鍵盤板。


圖1是本實用新型中指紋圖象攝取儀的結構示意圖。
圖2是指紋鎖圖象處理系統(tǒng)組成框圖。
圖3和圖4是圖象處理系統(tǒng)中CPU單元的電路原理圖。
圖5、圖6和圖7是圖象處理系統(tǒng)中接口驅動單元的電路原理圖。
圖8和圖9是圖象處理系統(tǒng)中鍵盤板單元的電路原理圖。
圖10是指紋鎖工作流程圖。
圖11是指紋圖象處理流程圖。
以下結合附圖，詳細介紹本實用新型的內容。圖1是本實用新型的指紋鎖中用以獲取指紋圖象的指紋圖象攝取儀。圖中，1是光學三棱鏡，2是攝像機，3是平面光源，4是指紋隆線。指紋圖象攝取儀的功能是將指紋隆起的高度信息轉化為圖象的灰度變化，再將其轉化為電視信號送到指紋圖象處理系統(tǒng)。其工作原理如圖1所示。光源3發(fā)出的平面光投射到棱鏡1的上表面a，由于指紋隆線部分緊貼棱鏡面，它吸收了射來的光線，而指紋溝部分全反射了光線，這就形成了黑白相間的指紋圖象，經CCD攝象機2，就使指紋圖象成為了電視信號并送到圖象處理系統(tǒng)。
本指紋圖象攝取儀簡單易行，結構緊湊，速度很快。無需借助于印泥，紙張等即可形成清晰的指紋。一般可在CCD攝象機輸出一幀圖象的時間內(約1/25秒)，將信號全部送到指紋處理器內。
本指紋圖象攝取儀還具有如下特點1、利用了光的全反射原理，保證了較高的黑白圖象對比度，克服了直接攝取指紋圖象時對比度不高的缺點。
2、圖象的變形小，比較穩(wěn)定。把手指按在玻璃平面上，就可形成一幅平面圖象，特別是圖象與手指用力的大小沒有什么關系。
3、結構緊湊，成像質量能很好地滿足指紋鎖的要求。
指紋圖象處理系統(tǒng)包括CPU單元、接口驅動單元和鍵盤板單元。
CPU單元提供了一個相對獨立的硬件環(huán)境以便進行高速信號處理。在電路設計上盡可能考慮了通用性和可擴展性，并適當簡化了內部電路。其電路原理圖如圖3和圖4所示。
在圖3中，數(shù)據(jù)存儲器U101、U102、U103、U104(CY7C199-35)，以及程序存儲器U108、U109(CY7C198-35)主要用來存放攝取的指紋圖象和圖象處理的中間結果，而程序存儲器U129、U131(CY7C198-35)和U106、U107(27256)用來存放和運行各種處理程序。此外，板上還有I/O端口譯碼器U121(GAL20V8)，存儲器片選譯碼控制器U123(GAL16V8)等。
圖4含中央處理器U100(TMS320C25)，總線隔離驅動器U117、U119、U111、U112(74F245)，圖象采集地址發(fā)生器U1、U2(GAL16V8)，和40M晶振U126。此外，板上還有一組精心選擇的擴展接口信號(即接線槽U12，U13)，主要含16根地址線，16根數(shù)據(jù)線，以及中斷線、讀寫線、選通線、電源線、地線等。
在這一部分，CPU(U100)控制程序的運行，對圖象采集部分(在接口驅動單元上)送來的指紋圖象信號進行二值化、細化，提取特征等多種處理，得到了指紋的各種特征，并與存在特征數(shù)據(jù)存儲器(IO板1上的EEROMU14，U25)里的圖象檔案特征進行比較，從而對人的身份進行鑒別。接口驅動單元為高速數(shù)字信號處理CPU單元提供了一個與外部進行通信控制的I/O通道，主要包括數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)輸入、控制輸出、功率驅動等。其電路原理圖見圖5—圖7。
圖5中，圖象采集部分由隔離放大器U63(LF351)、同步分離器U30(LM1881)、延時器U31(NE556)、模數(shù)變換器(U0(CA3306)、鎖存器U24(74LS374)以及晶振U16等組成。這部分的作用是把指紋圖象攝取儀得到的圖象變成可由CPU單元進行操作的數(shù)字圖象信號。工作過程如下正極性黑白復合全電視信號VIN進入系統(tǒng)后，分別經耦合電容C12和C24送入同步分離器(U38 LM1881)與隔離放大器(U63 LF351)，視頻信號經同步分離器(U38 LM1881)產生水平同步信號送入定時器U31A(NE7556)進行單穩(wěn)延遲處理，同時產生的垂直同步信號也送入定時器U31B(NE7556)進行單穩(wěn)延遲處理。經延遲處理的水平同步信號與垂直同步信號送到CPU單元上的U1和U2(GAL16V8)，用以形成圖象采集的地址。
與此同時，輸入的圖象視頻信號經隔離放大器(U63 LF351)緩沖之后，送入視頻A/D變換器(U0 CA3306)，A/D變換產生的數(shù)字信號經鎖存器(U24 74LS374)鎖存緩沖，再經數(shù)據(jù)總線(D0—D15)CPU板1(圖3)，并在數(shù)字圖象存儲器U101 U102 U103 U104(CT7C99-25)及程序存儲器U108U109中進行圖象保存及處理。晶振(U16 CRAY20)輸出信號經U22(GAL16V8)分頻后，產生A/D變換所需的時鐘。
圖5還包括系統(tǒng)的一些輔助功能電路，如EEPROM U14和U25是起數(shù)據(jù)掉電保護作用的特征數(shù)據(jù)存儲器(即檔案數(shù)據(jù))，U22是圖象采集的時序發(fā)生器，U21起圖象采集幀控制、復位控制等作用。U17(74F245)是狀態(tài)輸入口，U23(74F273)是輸出控制口。
圖6中的U13(NE556)是看門狗電路，可有效地防止由于程序走飛造成的系統(tǒng)死機，以保證系統(tǒng)的正常工作。U4(74HC221)是可重復觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)定時器，U3(DS2Y)是繼電器，二者與D62、T62一起組成上電和自動掉電單元電路，使指紋鎖結束工作后及時關閉，以保護整個指紋鎖器件。另外，U11(TIL117)是光耦輸入，U1(74HC14)是驅動輸出。
圖7中，U15是光耦隔離，它使系統(tǒng)的信號處理部分與電磁鎖驅動部分從電氣上隔開以防止損壞。而T2和T4構成兩路輸出電路，為電磁鎖的開閉提供驅動電流。
鍵盤板單元位于指紋圖象攝取儀上，電路圖如圖8、圖9所示。
在圖8中，U1(8751)是鍵盤板部分的CPU，用以控制管理程序的運行。U7(27128)是16K的程序存儲器，用于存儲管理程序。鎖存器U3(74HC273)主要趣起U1(8751)與U7(27128)之間時序配合的作用。U13(NE555)和U11B組成看門狗上電復位電路。12伏電壓經三端穩(wěn)壓器U10(7805)降壓后可得到5伏電壓，供相應電路使用。
圖9中，U15(TL117)及T3是串行通信接口電路。與非門U11(4093)和三極管T1，T4分別驅動發(fā)光管及蜂鳴器以進行狀態(tài)指示。
這部分的主要作用是為用戶提供了交互設備，可完成狀態(tài)設置、狀態(tài)查詢等功能。
在本實用新型指紋鎖中的圖象處理系統(tǒng)部分，主要的硬件電路都使用了快速器件，它是實現(xiàn)指紋鎖裝置的基礎。本系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)了復雜的圖象處理算法、模式識別算法以及全機的通信、管理和系統(tǒng)調試程序等，因而整個系統(tǒng)的功能很強。其綜合功能有1、記錄開鎖檔案本鎖可保留最后幾十個開鎖人的指紋檔案，一旦發(fā)生失竊事件，提取這些信息即可協(xié)助破案。
2、具有聯(lián)合開鎖功能本機最多可存儲十個人的指紋。所謂聯(lián)合開鎖功能是指必須先后輸入幾個人的指紋后，才能打開鎖。顯然，這對幾個人同時拿鑰匙才能開啟的金庫是非常有用的。
3、分級管理功能本鎖共分兩級主管，最高主管根據(jù)掌握的口令可以確定使用者，并輸入使用者的指紋和密碼，而二級主管只能操作指紋鎖。
4、維修方便本機有配套的專用調試平臺，生產和維修非常方便。
本實用新型指紋鎖的主要技術指標是誤識率 ＜0.000001拒識率 ＜0.02處理時間＜3秒(對一般指紋)可保留開鎖人的指紋檔案具有聯(lián)合開鎖的功能可根據(jù)需要進行分級管理，每級又可分別加設密碼有配套的專用調試平臺，便于進行生產和維修。
指紋圖象攝取儀的體積是88×99×80立方毫米指紋圖象處理器的體積是190×150×85立方毫米
權利要求1.一種用于指紋鎖的指紋圖象攝取儀，其特征在于指紋圖象攝取儀由三棱器、光源和攝象機組成；所述的三棱鏡的棱面(a)與手指接觸；棱面(b)與平面光源相對，棱面(c)與攝象機相對；光源發(fā)出的平面光透過棱鏡后投射到棱面a上；棱面a吸收射來的光線并全反射至棱面c，指紋圖象隨光線進入攝象機。
2.一種用于指紋鎖的圖象處理系統(tǒng)，其特征在于該圖象處理系統(tǒng)由CPU單元、接口驅動單元和鍵盤板單元組成；其中的CPU單元包括(1)用以指紋圖象處理程序運行的中央處理器(U100)；(2)用以存放來自接口驅動器單元的數(shù)字圖象的數(shù)據(jù)圖象存儲器(U101—U104)；(3)用以存放、運行各種處理程序和存放圖象處理結果的程序存儲器(U108，U109，U129，U131，U106，U107)；(4)用以分頻后產生A/D變換所需時鐘的晶振(U16)；(5)用以控制I/O口輸入輸出的I/O端口譯碼器(U121)；(6)用以控制存儲器讀寫的存儲器片選譯碼器(U123)；(7)將接口驅動器單元送來的水平同步信號和垂直同步信號在本單形成圖象采集地址的圖象采集地址發(fā)生器(U1，U2)；其中的接口驅動單元包括(1)將來自指紋圖象攝取儀的圖象視頻信號進行同步分離的同步分離器(U38)；(2)將同步分離后的水平同步信號和垂直同步信號進行單穩(wěn)延遲處理的定時器(U31)，經延遲處理的水平同步信號和垂直同步信號送到CPU單元的圖象采集地址發(fā)生器(U1和U2)；(3)將來自指紋圖象攝取儀的圖象視頻信號進行隔離緩沖的隔離放大器(U6 3)和進行模數(shù)轉換的A/D變換器(U0)；(4)將上述數(shù)字信號進行鎖存緩沖后送入CPU單元的鎖存器(U24)和數(shù)據(jù)總線(D0—D15)；(5)用以數(shù)據(jù)掉電保護的EEPROM(U14)和數(shù)據(jù)存儲器(U22)；(6)用以復位、保持控制、串口通訊的組合邏輯發(fā)生器(U21)；(7)用以防止程序走飛造成系統(tǒng)死機的看門狗電路(U13)；(8)上電和自動掉電單元電路，由單穩(wěn)態(tài)定時器U4、繼電器U3、U33和T62組成；(9)用以將圖象處理系統(tǒng)與指紋鎖中的電磁鎖驅動部分相隔離的光耦隔離器(U15)；(10)為電磁鎖開閉提供驅動電流的輸出電路T1和T4；其中的鍵盤板單元包括(1)用以管理程序運行的管理控制芯片U1；(2)用以存儲程序的程序存儲器U7；(3)使管理控制芯片與程序存儲器進行地址鎖存的鎖存器(U3)；(4)用以串行通訊的去耦隔離器U15，波形整形U11和通訊驅動T3；(5)用于電源穩(wěn)壓的穩(wěn)壓器U10；(6)用以鍵入控制信號的鍵盤板。
專利摘要本實用新型涉及用于指紋鎖的指紋圖象攝取儀和指級圖象處理系統(tǒng)。指紋圖象攝取儀利用三棱鏡對光線的全反射原理，將指紋圖象傳送到圖象處理系統(tǒng)。圖象處理系統(tǒng)用高速數(shù)字信號處理芯片作為CPU，用特制的軟件實現(xiàn)復雜的圖象處理算法、模式識別算法以及全機的通信、管理和系統(tǒng)調試程序等。本指紋鎖體積小、功能全，只需將操作者的手指按在指紋圖象攝取儀上，指紋即被自動攝入，經處理、識別后驅動執(zhí)行機構，開啟被控制的執(zhí)行部件。
文檔編號G06K9/20GK2232602SQ95213428
公開日1996年8月7日 申請日期1995年6月16日 優(yōu)先權日1995年6月16日
發(fā)明者王文淵, 閻平凡, 卓晴, 盧春宇, 李兆玉, 董登武 申請人:清華大學, 北京華康自動化技術工程有限公司