专利名称：用于指纹锁的图象处理系统和指纹图象摄取仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及用于指纹锁的图象处理系统和指纹图象摄取仪，属固定建筑物技术领域。
在银行的金库、武器库、档案馆、保存珍贵艺术品、文献的处所以及高级轿车、高级宾馆等需要严格保险或保密的地方，要求的安全级别很高，为了保安的需要，一般都有精心设置的机械锁、密码锁等门禁装置。但大多数失窃事件都与钥匙有关机械锁可以用万能钥匙或仿制的钥匙打开，密码锁也可被有经验的窃贼破译，而监守自盗则更难预防。我们利用指纹的唯一性和终生不变的特点，研制了指纹锁，该锁唯一的钥匙就是人的手指，因而有效地防止了上述事件的发生。
理论上已经证明，人的指纹具有唯一性和稳定性。因而从古代起就把指纹用于身份鉴定。计算机发展以后，国内外公安部门都有用指纹鉴别身份的装置问世，但都以工作站或微机作为主机。这在很多场合无法用于保安的目的。
本实用新型的目的是设计一种专用的指纹锁，对其中的指纹图象摄取部分和图象处理部分进行全新的设计。利用光学全反射原理获取指纹信息，用高速数字信号处理芯片作为CPU，制成专用机式的指纹锁，使其具有体积小、重量轻、功能全、用途广等特点。
本实用新型设计的指纹锁的指纹图象摄取仪由三棱镜、光源和摄象机组成。三棱镜的棱面(a)与手指接触，棱面(b)与平面光源相对，棱面(c)与摄象机相对。光源发出的平面光透过棱镜后投射到棱面a上，棱面a吸收射来的部分光线并把其余部分光射全反射至棱面c，于是清晰的指纹图象随光线进入摄象机。
本实用新型设计的指纹锁的图象处理系统，由CPU单元、接口驱动单元和键盘板单元组成；
其中的CPU单元包括(1)用以指纹图象处理程序运行的中央处理器(U100)；(2)用以存放来自接口驱动器单元的数字图象的数据图象存储器(U101—U104}；(3)用以存放、运行各种处理程序和存放图象处理结果的程序存储器(U108，U109，U129，U131，U106，U107)；(4)用以分频后产生A/D变换所需时钟的晶振(U16)；(5)用以控制I/O口输入输出的I/O端口译码器(U121)；(6)用以控制存储器读写的存储器片选译码器(U123)；(7)将接口驱动器单元送来的水平同步信号和垂直同步信号在本单形成图象采集地址的图象采集地址发生器(U1，U2)；其中的接口驱动单元包括(1)将来自指纹图象摄取仪的图象视频信号进行同步分离的同步分离器(U38)；(2)将同步分离后的水平同步信号和垂直同步信号进行单稳延迟处理的定时器(U31)，经延迟处理的水平同步信号和垂直同步信号送到CPU单元的图象采集地址发生器(U1和U2)；(3)将来自指纹图象摄取仪的图象视频信号进行隔离缓冲的隔离放大器(U63)和进行模数转换的A/D变换器(U0)；(4)将上述数字信号进行锁存缓冲后送入CPU单元的锁存器(U24)和数据总线(D0—D15)；(5)用以数据掉电保护的EEPROM(U14)和数据存储器(U22)；(6)用以复位、保持控制、串口通讯的组合逻辑发生器(U21)；(7)用以防止程序走飞造成系统死机的看门狗电路(U13)；(8)上电和自动掉电单元电路，由单稳态定时器U4、继电器U3、U33和T62组成；
(9)用以将图象处理系统与指纹锁中的电磁锁驱动部分相隔离的光耦隔离器(U15)；(10)为电磁锁开闭提供驱动电流的输出电路T1和T4；其中的键盘板单元包括(1)用以管理程序运行的管理控制芯片U1；(2)用以存储程序的程序存储器U7；(a)使管理控制芯片与程序存储器进行地址锁存的锁存器(U3)；(4)用以串行通讯的去耦隔离器U15，波形整形U11和通讯驱动T3；(5)用于电源稳压的稳压U10；(6)用以键入控制信号的键盘板。
图1是本实用新型中指纹图象摄取仪的结构示意图。
图2是指纹锁图象处理系统组成框图。
图3和图4是图象处理系统中CPU单元的电路原理图。
图5、图6和图7是图象处理系统中接口驱动单元的电路原理图。
图8和图9是图象处理系统中键盘板单元的电路原理图。
图10是指纹锁工作流程图。
图11是指纹图象处理流程图。
以下结合附图，详细介绍本实用新型的内容。图1是本实用新型的指纹锁中用以获取指纹图象的指纹图象摄取仪。图中，1是光学三棱镜，2是摄像机，3是平面光源，4是指纹隆线。指纹图象摄取仪的功能是将指纹隆起的高度信息转化为图象的灰度变化，再将其转化为电视信号送到指纹图象处理系统。其工作原理如图1所示。光源3发出的平面光投射到棱镜1的上表面a，由于指纹隆线部分紧贴棱镜面，它吸收了射来的光线，而指纹沟部分全反射了光线，这就形成了黑白相间的指纹图象，经CCD摄象机2，就使指纹图象成为了电视信号并送到图象处理系统。
本指纹图象摄取仪简单易行，结构紧凑，速度很快。无需借助于印泥，纸张等即可形成清晰的指纹。一般可在CCD摄象机输出一帧图象的时间内(约1/25秒)，将信号全部送到指纹处理器内。
本指纹图象摄取仪还具有如下特点1、利用了光的全反射原理，保证了较高的黑白图象对比度，克服了直接摄取指纹图象时对比度不高的缺点。
2、图象的变形小，比较稳定。把手指按在玻璃平面上，就可形成一幅平面图象，特别是图象与手指用力的大小没有什么关系。
3、结构紧凑，成像质量能很好地满足指纹锁的要求。
指纹图象处理系统包括CPU单元、接口驱动单元和键盘板单元。
CPU单元提供了一个相对独立的硬件环境以便进行高速信号处理。在电路设计上尽可能考虑了通用性和可扩展性，并适当简化了内部电路。其电路原理图如图3和图4所示。
在图3中，数据存储器U101、U102、U103、U104(CY7C199-35)，以及程序存储器U108、U109(CY7C198-35)主要用来存放摄取的指纹图象和图象处理的中间结果，而程序存储器U129、U131(CY7C198-35)和U106、U107(27256)用来存放和运行各种处理程序。此外，板上还有I/O端口译码器U121(GAL20V8)，存储器片选译码控制器U123(GAL16V8)等。
图4含中央处理器U100(TMS320C25)，总线隔离驱动器U117、U119、U111、U112(74F245)，图象采集地址发生器U1、U2(GAL16V8)，和40M晶振U126。此外，板上还有一组精心选择的扩展接口信号(即接线槽U12，U13)，主要含16根地址线，16根数据线，以及中断线、读写线、选通线、电源线、地线等。
在这一部分，CPU(U100)控制程序的运行，对图象采集部分(在接口驱动单元上)送来的指纹图象信号进行二值化、细化，提取特征等多种处理，得到了指纹的各种特征，并与存在特征数据存储器(IO板1上的EEROMU14，U25)里的图象档案特征进行比较，从而对人的身份进行鉴别。接口驱动单元为高速数字信号处理CPU单元提供了一个与外部进行通信控制的I/O通道，主要包括数据采集、状态输入、控制输出、功率驱动等。其电路原理图见图5—图7。
图5中，图象采集部分由隔离放大器U63(LF351)、同步分离器U30(LM1881)、延时器U31(NE556)、模数变换器(U0(CA3306)、锁存器U24(74LS374)以及晶振U16等组成。这部分的作用是把指纹图象摄取仪得到的图象变成可由CPU单元进行操作的数字图象信号。工作过程如下正极性黑白复合全电视信号VIN进入系统后，分别经耦合电容C12和C24送入同步分离器(U38 LM1881)与隔离放大器(U63 LF351)，视频信号经同步分离器(U38 LM1881)产生水平同步信号送入定时器U31A(NE7556)进行单稳延迟处理，同时产生的垂直同步信号也送入定时器U31B(NE7556)进行单稳延迟处理。经延迟处理的水平同步信号与垂直同步信号送到CPU单元上的U1和U2(GAL16V8)，用以形成图象采集的地址。
与此同时，输入的图象视频信号经隔离放大器(U63 LF351)缓冲之后，送入视频A/D变换器(U0 CA3306)，A/D变换产生的数字信号经锁存器(U24 74LS374)锁存缓冲，再经数据总线(D0—D15)CPU板1(图3)，并在数字图象存储器U101 U102 U103 U104(CT7C99-25)及程序存储器U108U109中进行图象保存及处理。晶振(U16 CRAY20)输出信号经U22(GAL16V8)分频后，产生A/D变换所需的时钟。
图5还包括系统的一些辅助功能电路，如EEPROM U14和U25是起数据掉电保护作用的特征数据存储器(即档案数据)，U22是图象采集的时序发生器，U21起图象采集帧控制、复位控制等作用。U17(74F245)是状态输入口，U23(74F273)是输出控制口。
图6中的U13(NE556)是看门狗电路，可有效地防止由于程序走飞造成的系统死机，以保证系统的正常工作。U4(74HC221)是可重复触发的单稳态定时器，U3(DS2Y)是继电器，二者与D62、T62一起组成上电和自动掉电单元电路，使指纹锁结束工作后及时关闭，以保护整个指纹锁器件。另外，U11(TIL117)是光耦输入，U1(74HC14)是驱动输出。
图7中，U15是光耦隔离，它使系统的信号处理部分与电磁锁驱动部分从电气上隔开以防止损坏。而T2和T4构成两路输出电路，为电磁锁的开闭提供驱动电流。
键盘板单元位于指纹图象摄取仪上，电路图如图8、图9所示。
在图8中，U1(8751)是键盘板部分的CPU，用以控制管理程序的运行。U7(27128)是16K的程序存储器，用于存储管理程序。锁存器U3(74HC273)主要趣起U1(8751)与U7(27128)之间时序配合的作用。U13(NE555)和U11B组成看门狗上电复位电路。12伏电压经三端稳压器U10(7805)降压后可得到5伏电压，供相应电路使用。
图9中，U15(TL117)及T3是串行通信接口电路。与非门U11(4093)和三极管T1，T4分别驱动发光管及蜂鸣器以进行状态指示。
这部分的主要作用是为用户提供了交互设备，可完成状态设置、状态查询等功能。
在本实用新型指纹锁中的图象处理系统部分，主要的硬件电路都使用了快速器件，它是实现指纹锁装置的基础。本系统的软件实现了复杂的图象处理算法、模式识别算法以及全机的通信、管理和系统调试程序等，因而整个系统的功能很强。其综合功能有1、记录开锁档案本锁可保留最后几十个开锁人的指纹档案，一旦发生失窃事件，提取这些信息即可协助破案。
2、具有联合开锁功能本机最多可存储十个人的指纹。所谓联合开锁功能是指必须先后输入几个人的指纹后，才能打开锁。显然，这对几个人同时拿钥匙才能开启的金库是非常有用的。
3、分级管理功能本锁共分两级主管，最高主管根据掌握的口令可以确定使用者，并输入使用者的指纹和密码，而二级主管只能操作指纹锁。
4、维修方便本机有配套的专用调试平台，生产和维修非常方便。
本实用新型指纹锁的主要技术指标是误识率 ＜0.000001拒识率 ＜0.02处理时间＜3秒(对一般指纹)可保留开锁人的指纹档案具有联合开锁的功能可根据需要进行分级管理，每级又可分别加设密码有配套的专用调试平台，便于进行生产和维修。
指纹图象摄取仪的体积是88×99×80立方毫米指纹图象处理器的体积是190×150×85立方毫米
权利要求1.一种用于指纹锁的指纹图象摄取仪，其特征在于指纹图象摄取仪由三棱器、光源和摄象机组成；所述的三棱镜的棱面(a)与手指接触；棱面(b)与平面光源相对，棱面(c)与摄象机相对；光源发出的平面光透过棱镜后投射到棱面a上；棱面a吸收射来的光线并全反射至棱面c，指纹图象随光线进入摄象机。
2.一种用于指纹锁的图象处理系统，其特征在于该图象处理系统由CPU单元、接口驱动单元和键盘板单元组成；其中的CPU单元包括(1)用以指纹图象处理程序运行的中央处理器(U100)；(2)用以存放来自接口驱动器单元的数字图象的数据图象存储器(U101—U104)；(3)用以存放、运行各种处理程序和存放图象处理结果的程序存储器(U108，U109，U129，U131，U106，U107)；(4)用以分频后产生A/D变换所需时钟的晶振(U16)；(5)用以控制I/O口输入输出的I/O端口译码器(U121)；(6)用以控制存储器读写的存储器片选译码器(U123)；(7)将接口驱动器单元送来的水平同步信号和垂直同步信号在本单形成图象采集地址的图象采集地址发生器(U1，U2)；其中的接口驱动单元包括(1)将来自指纹图象摄取仪的图象视频信号进行同步分离的同步分离器(U38)；(2)将同步分离后的水平同步信号和垂直同步信号进行单稳延迟处理的定时器(U31)，经延迟处理的水平同步信号和垂直同步信号送到CPU单元的图象采集地址发生器(U1和U2)；(3)将来自指纹图象摄取仪的图象视频信号进行隔离缓冲的隔离放大器(U6 3)和进行模数转换的A/D变换器(U0)；(4)将上述数字信号进行锁存缓冲后送入CPU单元的锁存器(U24)和数据总线(D0—D15)；(5)用以数据掉电保护的EEPROM(U14)和数据存储器(U22)；(6)用以复位、保持控制、串口通讯的组合逻辑发生器(U21)；(7)用以防止程序走飞造成系统死机的看门狗电路(U13)；(8)上电和自动掉电单元电路，由单稳态定时器U4、继电器U3、U33和T62组成；(9)用以将图象处理系统与指纹锁中的电磁锁驱动部分相隔离的光耦隔离器(U15)；(10)为电磁锁开闭提供驱动电流的输出电路T1和T4；其中的键盘板单元包括(1)用以管理程序运行的管理控制芯片U1；(2)用以存储程序的程序存储器U7；(3)使管理控制芯片与程序存储器进行地址锁存的锁存器(U3)；(4)用以串行通讯的去耦隔离器U15，波形整形U11和通讯驱动T3；(5)用于电源稳压的稳压器U10；(6)用以键入控制信号的键盘板。
专利摘要本实用新型涉及用于指纹锁的指纹图象摄取仪和指级图象处理系统。指纹图象摄取仪利用三棱镜对光线的全反射原理，将指纹图象传送到图象处理系统。图象处理系统用高速数字信号处理芯片作为CPU，用特制的软件实现复杂的图象处理算法、模式识别算法以及全机的通信、管理和系统调试程序等。本指纹锁体积小、功能全，只需将操作者的手指按在指纹图象摄取仪上，指纹即被自动摄入，经处理、识别后驱动执行机构，开启被控制的执行部件。
文档编号G06K9/20GK2232602SQ95213428
公开日1996年8月7日 申请日期1995年6月16日 优先权日1995年6月16日
发明者王文渊, 阎平凡, 卓晴, 卢春宇, 李兆玉, 董登武 申请人:清华大学, 北京华康自动化技术工程有限公司