CN101419665B - 一种声光指纹匹配系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种声光指纹匹配系统，包括指纹采集模块、指纹空间图像的时间序列生成器、时间积分声光相关器、分组合成循环单元、判断单元和输出模块。本发明的有益效果：1)时间积分声光相关器的时间带宽积可以达到10⁶-10⁸量级，积分时间可达几至几十毫秒，所以该发明具有带宽大、实时性高的优点；2)在该发明中可以利用声光器件来提高系统的并行处理能力；3)抗电磁干扰能力强；4)与通过软件实现相关运算的指纹匹配系统相比，具有体积规模小、成本低等优势。

Description

一种声光指纹匹配系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及声光信息技术领域，具体涉及一种基于时间积分相关器的指纹匹配系统。 

背景技术

指纹识别技术通过分析指纹的局部特征，从中抽取详尽的特征点，从而可靠地确认个身份。指纹识别的优点是指纹作为人体独一无二的特征，它的复杂度可以提供用于鉴别的足够特征，具有极高的安全性。相对于其他身份认证技术，指纹识别是一种更为理想的身份认证技术，指纹识别不仅具有许多独到的信息安全优点，更重要的是具有很高的实用性、可行性，已经广泛应用于金融、电子商务以及安全性能要求较高的行业中。 

指纹识别技术是指使用取像设备读取指纹图像，通过识别软件提取出指纹图像中的特征数据，然后根据匹配算法得到的结果鉴别指纹所有人身份的生物特征识别技术。指纹识别系统主要包含四个部分，指纹图像输入、预处理、提取特征信息、存入信息或与库中的信息对比(匹配)。 

目前多数指纹识别系统是将指纹图象采集到计算机中，利用计算机进行识别。但是基于PC平台的指纹识别系统的算法，其复杂度是比较大的，计算消耗的时间较长，无法胜任短时间内从大型数据库中搜寻指纹的工作。因此，研究开发快速、识别率高、廉价的独立指纹识别系统具有很大的市场前景和重要的科学研究价值。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是如何提供一种声光指纹匹配系统，该系统能克服现有技术的缺陷，能达到快速、准确的从大型数据库中搜寻指纹的要求。 

本发明所提出的技术问题是这样解决的：提供一种声光指纹匹配系统，其特征在于，包括指纹采集模块、指纹空间图像的时间序列生成器、时间积分声光相关器、分组合成循环单元、指纹库、判断单元和输出模块，所述指纹采集模块输出连接指纹空间图像的时间序列生成器，指纹空间图像的时间序列生成器输出连接时间积分声光相关器、输入连接分组合成循环单元，时间积分相关器输出连接判断单元、输入连接分组合成循环单元，判断单元输出连接指纹库和输出模块，其中： 

指纹采集模块：采集待测指纹并预处理； 

指纹库：存贮将指纹空间图像从空间信息转化为时间信号的参考指纹； 

指纹空间图像的时间序列生成器：将经过预处理的待测指纹图像从空间信息转化为时间信号； 

分组合成循环单元：将指纹库中参考指纹分组，通过信号合成器将每组的信号合成参考指纹时间信号序列； 

时间积分声光相关器：将待测指纹时间信号与参考指纹时间信号作相关运算，相关峰代表了待测指纹和参考指纹的相似度； 

判断单元：判断待测指纹和参考指纹是否匹配； 

输出模块：输出指纹库中与该待测指纹信号匹配的信号。 

按照本发明所提供的声光指纹匹配系统，其特征在于，所述时间积分声光相关器，包括顺序排列的调制光源、第一凸透镜、声光器件、第二凸透镜、空间滤波器、第三凸透镜和探测器阵列，调制光源由相关或者非相关的光源在偏压V₁上加入信号S₁(t)构成，经过第一凸透镜入射到所述声光器件上，信号S₂(t)加在偏压V₂上调制一个高频载波，驱动声光器件，产生超声波信号，光源的调制信号跟声光器件被第二次强度调制，声光器件经过第二凸透镜和第三凸透镜形成的衍射光成像在探测器阵列上，非衍射光被空间滤波器拦住，探测器阵列产生输出电压V正比于光强的时间积分。 

一种声光指纹匹配控制方法，其特征在于，包括以下步骤： 

①指纹采集模块采集待测指纹，并进行预处理； 

②将经过预处理的指纹从空间信息转化为待测指纹时间信号； 

③从指纹库中提取参考指纹时间信号，分组合成循环单元对指纹库中N₀个参考指纹时间信号分为M组，每组n个，利用信号合成器对n个参考指纹时间 信号合成形成参考指纹时间信号序列{S_N ^CK(t)，k≤N≤k+n-1}，第i组参考指纹时间信号与待测指纹时间信号输入时间积分声光相关器，对待测指纹时间信号和参考指纹信号进行时间同步控制，要求同时输入时间积分声光相关器进行相关运算； 

④将相关结果输入判断单元，如果参考指纹时间信号中存在匹配信号，则继续将指纹时间信号序列中的n个参考指纹时间信号与待测指纹时间信号输入时间积分声光相关器中进行相关运算，直至找到匹配的参考指纹时间信号，如果参考指纹时间信号中不存在与待测指纹时间信号匹配的信号，则输入第i+1组参考指纹时间信号与待测指纹时间信号进行相关运算，直至找到匹配参考指纹时间信号，如果不存在这样的参考指纹时间信号，则将该待测指纹时间信号存入指纹库中。 

按照本发明所提供的声光指纹匹配控制方法，其特征在于，步骤①中预处理步骤包括对指纹图像分割与规格化，方向图估算，脊线频率估算，指纹方向滤波，以及图像二值化。 

按照本发明所提供的声光指纹匹配控制方法，其特征在于，步骤②中详细步骤如下： 

①建立一个以中心点为基础的点模式匹配的特征向量； 

②经过特征提取得到指纹图像上的所有端点和分叉点，每一个特征点记录了三方面的信息：点的位置(x，y)；点的类型(端点，分叉点)；该点所在脊线的方向角度θ； 

③对每幅指纹图像，以该指纹中心点为中心建立一个用于匹配的领域特征向量：提取指纹图像的中心点；以该点为中心建立一个邻域特征向量；将邻域特征向量以D(D为特征点到中心点的距离)的大小从小到大排列，取前N个点建立特征向量。 

本发明的有益效果：1)时间积分声光相关器的时间带宽积可以达到10⁶-10⁸量级，积分时间可达几至几十毫秒，所以该发明具有带宽大、实时性高的优点；2)在该发明中可以利用声光器件来提高系统的并行处理能力；3)抗电磁干扰能力强；4)与通过软件实现相关运算的指纹匹配系统相比，具有体积规模小、成本低等优势。 

附图说明

图1是本发明所提供的声光指纹匹配系统原理图； 

图2是本发明所提供的声光指纹匹配系统中的时间积分声光相关器的结构示意图。 

其中，1、调制光源，2、声光器件，3、空间滤波器，4、探测器阵列，5、第一凸透镜，6、第二凸透镜；7、第三凸透镜。 

具体实施方式

下面结合附图以及实施例对本发明作进一步的说明。 

在对指纹信号作相关运算之前，必须对指纹进行预处理以提高指纹匹配的准确率，指纹预处理过程包括对指纹图像分割与规格化，方向图估算，脊线频率估算，指纹方向滤波，以及图像二值化。 

由于本发明中应用到的声光相关器要求输入的信号为时间信号，而指纹的信息是空间信息，所以在对指纹信号进行预处理后，通过建立特征向量将空间信息转化为时间信号。本发明所采用的方法，首先是建立一个以中心点为基础的点模式匹配的特征向量。经过特征提取得到指纹图像上的所有端点和分叉点，每一个特征点记录了三方面的信息：点的位置(x，y)；点的类型(端点，分叉点)；该点所在脊线的方向角度θ。 

对每幅指纹图像，以该指纹中心点为中心建立一个用于匹配的领域特征向量，具体步骤如下：(1)提取指纹图像的中心点；(2)以该点为中心建立一个邻域特征向量；(3)将邻域特征向量以D(D为特征点到中心点的距离)的大小从小到大排列，取前N个点建立特征向量。 

下面结合附图2中时间积分声光相关器的原理图对本发明作进一步的说明。 

声光相关器的基本理论依据是布拉格衍射原理，这种互作用导致了光的衍射，声光相关器的核心器件正是利用声光互作用原理制成的声光器件。在声光器件中，由电信号产生的声波通过声光互作用把随时间变化的电信号转变为衍射光空间分布的模拟信号，通过声波的传输引入信号延迟，并用光学系统完成乘法运算。声光相关器分为空间积分和时间积分两种类型。空间积分相关器中对光学系统孔径积分，受到声光器件长度和光学元件尺寸限制，由于声光器件 的超声波通过声光池的渡越时间和器件带宽的限制，相关增益不能太高，目前它的时间带宽积一般为10⁴量级，并且对于持续时间长或未知持续时间的信号不能完成相关，为了获得更大的增益，可以用时间积分代替空间积分。 

将空间指纹图像转换为时间信号S₁(t)后，通过时间同步控制，让参考信号和待测信号同步输入时间积分声光相关器进行相关运算。 

如说明书附图图2所示给出的是一个时间积分相关器，包括调制光源1，声光器件2，空间滤波器3，探测器阵列4，第一凸透镜5，第二凸透镜6；第三凸透镜7，其光源可以是非相干(或相干)的，在偏压V₁上加入信号S₁(t)，二者之和调制光源，信号S₂(t)加在偏压V₂上调制一个高频载波，驱动声光器件，产生超声波信号，光源的调制信号跟声光器件被第二次强度调制，声光器件的衍射光成像在探测器阵列上(非衍射光被光栏拦住)，光声探测器产生输出电压V正比于光强的时间积分，即V∝V₁V₂T+∫_TS₁(t)S₂(t+Z/V_a)dt，式中Z是沿声光器件的距离，V_a是声速，输出电压是两信号的相关积分，交叉项V₁S₁(t)、V₁S₂(t)、V₂S₁(t)、V₂S₂(t)的积分是零。∫_TS₁(t)S₂(t+Z/V_a)dt即为我们所需要的相关项。在进行相关运算中，选择线性法的算法。结果表明该算法占用空间小，抗干扰能力强，准确性高，完全可以满足使用声光相关器进行指纹识别的要求。在本发明中，传统的指纹识别系统中通过指令完成指纹信号的相关运算的部分被时间积分声光相关器代替了。输入的指纹信号与指纹库中信号做完相关运算，时间积分声光相关器的主要工作完成。 

通过CCD后的输出信号加到示波器或者显示器上，观察输入的指纹是否与指纹库中的指纹相匹配，从而达到指纹匹配的要求。我们也可以对得到的波形图做后处理，使得到的相关信号波形得到较大的改善。 

下面结合说明书附图图1中系统原理图对本发明作进一步的说明。 

从指纹库(N₀个信号)中提取参考指纹时间信号，分组合成循环单元对指纹库中N₀个选择信号分为M组，每组n个，利用信号合成器对n个参考指纹时间信号合成形成参考指纹时间信号序列  $\{S_N^{\mathrm{CK}}\left(t\right),k\≤N\≤k+n-1\}$ ，第i组参考指纹时间信号与待测指纹时间信号相关结果输入判断单元，如果参考指纹时间信号中存在匹配信号，则继续将序列中的n个信号与待测指纹时间信号输入时间积 分声光相关器中进行相关运算，直至找到匹配信号S^PP(t)，如果参考指纹时间信号中不存在与参考指纹时间信号匹配的信号，则输入i+1组参考信号与参考指纹时间信号进行相关，直至找到匹配信号S^PP(t)，如果不存在这样的S^PP(t)信号，则将该参考指纹时间信号存入指纹库中。到此指纹匹配系统的主要工作完成。

Claims (4)

1.一种声光指纹匹配系统，其特征在于，包括指纹采集模块、指纹空间图像的时间序列生成器、时间积分声光相关器、分组合成循环单元、指纹库、判断单元和输出模块，所述指纹采集模块输出连接指纹空间图像的时间序列生成器，指纹空间图像的时间序列生成器输出连接时间积分声光相关器、输入连接分组合成循环单元，时间积分相关器输出连接判断单元、输入连接分组合成循环单元，判断单元输出连接指纹库和输出模块，其中：

指纹采集模块：采集待测指纹并预处理；

指纹库：存贮将指纹空间图像从空间信息转化为时间信号的参考指纹；

指纹空间图像的时间序列生成器：将经过预处理的待测指纹图像从空间信息转化为时间信号；

分组合成循环单元：将指纹库中参考指纹分组，通过信号合成器将每组的信号合成参考指纹时间信号序列；

时间积分声光相关器：将待测指纹时间信号与参考指纹时间信号作相关运算，相关峰代表了待测指纹和参考指纹的相似度；

判断单元：判断待测指纹和参考指纹是否匹配；

输出模块：输出指纹库中与该待测指纹信号匹配的信号。

2.根据权利要求1所述的声光指纹匹配系统，其特征在于，所述时间积分声光相关器，包括顺序排列的调制光源、第一凸透镜、声光器件、第二凸透镜、空间滤波器、第三凸透镜和探测器阵列，调制光源由相关或者非相关的光源在偏压V₁上加入信号S₁(t)构成，经过第一凸透镜入射到所述声光器件上，信号S₂(t)加在偏压V₂上调制一个高频载波，驱动声光器件，产生超声波信号，光源的调制信号跟声光器件被第二次强度调制，声光器件经过第二凸透镜和第三凸透镜形成的衍射光成像在探测器阵列上，非衍射光被空间滤波器拦住，探测器阵列产生输出电压V正比于光强的时间积分。

3.一种声光指纹匹配控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

①指纹采集模块采集待测指纹，并进行预处理；

②将经过预处理的指纹从空间信息转化为待测指纹时间信号；

③从指纹库中提取参考指纹时间信号，分组合成循环单元对指纹库中N₀个参考指纹时间信号分为M组，每组n个，利用信号合成器对n个参考指纹时间信号合成形成参考指纹时间信号序列，第i组参考指纹时间信号与待测指纹时间信号输入时间积分声光相关器，对待测指纹时间信号和参考指纹信号进行时间同步控制，要求同时输入时间积分声光相关器进行相关运算；

④将相关结果输入判断单元，如果参考指纹时间信号中存在匹配信号，则继续将指纹时间信号序列中的n个参考指纹时间信号与待测指纹时间信号输入时间积分声光相关器中进行相关运算，直至找到匹配的参考指纹时间信号，如果参考指纹时间信号中不存在与待测指纹时间信号匹配的信号，则输入第i+1组参考指纹时间信号与待测指纹时间信号进行相关运算，直至找到匹配参考指纹时间信号，如果不存在这样的参考指纹时间信号，则将该待测指纹时间信号存入指纹库中。

4.根据权利要求3所述的声光指纹匹配控制方法，其特征在于，步骤①中预处理步骤包括对指纹图像分割与规格化，方向图估算，脊线频率估算，指纹方向滤波，以及图像二值化。

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