摘要：校園一指通管理系統(tǒng)是一種基于指紋識別的校園管理系統(tǒng)。該設(shè)計利用指紋識別這一生物識別技術(shù)并借助于局域網(wǎng)通信保證學(xué)生在校期間即使無卡也可方便地學(xué)習(xí)與生活。通過對系統(tǒng)整體架構(gòu)和終端硬件的分析與設(shè)計，闡述整個系統(tǒng)進(jìn)行信息處理的工作原理。同時從軟件上設(shè)計計算機(jī)對由指紋采集儀獲取的指紋數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、提取特征數(shù)據(jù)、封裝成數(shù)據(jù)包、通過局域網(wǎng)發(fā)送至服務(wù)器的過程，對服務(wù)器端的指紋比對、處理請求、返回結(jié)果這一過程也進(jìn)行軟件設(shè)計。由于該系統(tǒng)具有人性化和可實(shí)現(xiàn)性，所以其應(yīng)用前景會越來越好。

關(guān)鍵詞：指紋采集；指紋比對；局城網(wǎng)；特征數(shù)據(jù)

中圖分類號：TP393

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1004—373X(2008)04—032—03

1 背 景

隨著科技的發(fā)展，人們手中所持卡數(shù)越來越多，這在方便人們的同時也引入新的問題如無處可放、易丟失、易損壞等，特別是在小學(xué)生身上此問題更是值得關(guān)注。所以本文設(shè)計了校園一指通管理系統(tǒng)，就是用學(xué)生的指紋替代現(xiàn)有的諸多卡，如餐卡、學(xué)生證、圖書證、考勤卡、商店購物卡等，這樣可以使得小學(xué)生們一身輕松的上學(xué)，不必因手中卡多怕丟失而擔(dān)憂。

2 校園一指通管理系統(tǒng)的設(shè)計

校園一指通管理系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。

下面對各部分分別介紹：

2.1指紋采集器

在設(shè)計中，考慮到該系統(tǒng)是應(yīng)用到小學(xué)生中，所以采用深圳市中控偉業(yè)有限公司供應(yīng)的BK4000指紋采集器。BK4000指紋儀采用先進(jìn)的光學(xué)系統(tǒng)，特別是對小孩的指紋能較好的識別。BK4000光學(xué)指紋儀能夠自動地讀取指紋圖像，并通過USB接口把數(shù)字化的指紋圖像(VGA)傳送到計算機(jī)。

2.2終端計算機(jī)建議配置

操作系統(tǒng)：WindOWS 98，2000，XP；

內(nèi)存：256 M或更多內(nèi)存(RAM)；

通用串行總線接口(USB Port)：USB 1.0，1.1，2.0；

Pentium 266 MHz或更好的CPU。

2.3局域網(wǎng)

在該部分中主要是做局域網(wǎng)的整體設(shè)計、硬件的配置及IP地址的分配。

2.3.1 網(wǎng)絡(luò)連接

該局域網(wǎng)采用星形結(jié)構(gòu)。中心為16口交換機(jī)，校園服務(wù)器通過5類線接至該中心交換機(jī)上，而餐廳、圖書館、商店終端分別通過26口交換機(jī)與其相接?？紤]到考勤終端數(shù)較多，就將所有的考勤終端分成5個組(每個組的終端數(shù)小于25個)，每一組接1個26口交換機(jī)后再與16口交換機(jī)相接。在終端與26口交換機(jī)間的連線為5類線，26口交換機(jī)與16口中心交換機(jī)間采用光纖，便于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。在該設(shè)計中還將16口中心交換機(jī)通過路由器接至終端PC機(jī)要訪問的外部網(wǎng)絡(luò)。同時為了保證安全，在路由器與16口交換機(jī)間加一防火墻。

2.3.2 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備配置

26口交換機(jī) 采用磊科7226NS。該交換機(jī)提供26個10／100，1 000 Mb／s自適應(yīng)端口，每10 M／100 M，1 000 M端口支持全雙工工作模式，支持IEEE802.3x全雙工流量控制，為以太網(wǎng)、快速以太網(wǎng)和千兆以太網(wǎng)的連接提供完美的解決方案。

16口交換機(jī) 采用磊科6016NSM。該交換機(jī)提供16個10／100 Mb／s接口，為網(wǎng)絡(luò)用戶提供非阻塞、線速的10／100 M網(wǎng)絡(luò)連接，并提供多種到骨干網(wǎng)絡(luò)的連接方式。

路由器采用友訊網(wǎng)絡(luò)DI－604LB+寬帶路由器，其參數(shù)如下：固定廣域網(wǎng)接口1×10／100 Mb／s，固定局域網(wǎng)接口10／100Base—TX×4，支持網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)及協(xié)議TCP／IP，UDP，ARP，BOOTP，ICMP，DHCP，F(xiàn)TP，TFTP，Telnet．PPPoE，內(nèi)置防火墻。

防火墻路由器本身也帶有防火墻功能，但這種防火墻能力有限，不能很好地保護(hù)網(wǎng)絡(luò)安全。為此，在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中增添一款防火墻設(shè)備。在該系統(tǒng)中采用ZyXEL Zy—WALL P1，其參數(shù)如下：并發(fā)連接數(shù)2 048，安全過濾帶寬30 Mb／s，用戶數(shù)限制為無用戶數(shù)限制，支持VPN。

2.3.3 IP地址分配

對該系統(tǒng)的局域網(wǎng)中的IP地址分配如下：

IP地址范圍：192.168.1.0～192.168.1.255

子網(wǎng)掩碼：255.255.255.0

網(wǎng)絡(luò)地址：192.168.1.0

廣播地址：192.168.1.255

路由器網(wǎng)關(guān)地址：192.168.1.1

校園服務(wù)器分配一固定地址：192.168.1.2

終端PC機(jī)IP地址：由DHCP服務(wù)器進(jìn)行IP地址動態(tài)分配，分配范圍為192.168.1.3～192.168.1.254

2.4校園服務(wù)器

在校園服務(wù)器端建立一個指紋模塊數(shù)據(jù)庫，其中存儲著所采集到的學(xué)生的指紋特征數(shù)據(jù)、所存的款數(shù)、所剩的余額、班級、姓名、所借書的情況、到校的次數(shù)及時間等信息。他還可以與短信息發(fā)送器相接，在學(xué)生到?？记诘耐瑫r，將學(xué)生已到校這一事實(shí)以短信息的形式發(fā)送給學(xué)生的家長，讓學(xué)生家長及時掌握學(xué)生的到校情況，讓其放心。

2.5 系統(tǒng)的基本工作過程

在終端，通過指紋采集儀BK4000將小學(xué)生的指紋采集并把其圖像數(shù)字化后，通過USB口傳給終端PC機(jī)，PC機(jī)將指紋數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、提取特征數(shù)據(jù)、并將其與請求功能和終端IP地址一起封裝成數(shù)據(jù)包、通過局域網(wǎng)發(fā)送至服務(wù)器。服務(wù)器在接收到信息后將指紋信息與其指紋模塊庫中的信息相比對，根據(jù)請求功能做出相應(yīng)的處理，當(dāng)處理完畢，則將該終端的IP地址及處理結(jié)果也封裝成數(shù)據(jù)包重新發(fā)送回該終端，此時整個系統(tǒng)的工作過程結(jié)束。

3 終端與服務(wù)器端數(shù)據(jù)處理流程

該部分主要是對終端及服務(wù)器端的處理過程做一個比較詳細(xì)的設(shè)計。

3.1終端數(shù)據(jù)處理流程

終端數(shù)據(jù)處理流程圖如圖2所示。

為了得到比較準(zhǔn)確的指紋特征點(diǎn)，系統(tǒng)對指紋圖像進(jìn)行圖像增強(qiáng)(濾波去掉噪聲)、計算方向圖、二值化和細(xì)化等處理過程。

3.1.1 圖像增強(qiáng)

通過圖像增強(qiáng)可以過濾由于手指被弄臟，手指有疤痕、太干、太濕或撕破等而產(chǎn)生的噪聲，增強(qiáng)脊和谷的對比度。在本系統(tǒng)中是采用通過過濾圖像與脊局部方向相匹配的方法來實(shí)現(xiàn)圖像增強(qiáng)的。

3.1.2 計算方向圖

方向圖描述了指紋圖像中每一象素點(diǎn)所在脊線或谷線在該點(diǎn)的切線方向，作為一種可直接從源灰度圖像中得到的有用信息。

計算方向圖的基本思想是：在原始灰度指紋圖像中計算每一點(diǎn)在各個方向上的某個統(tǒng)計量(如灰度差、梯度等)，根據(jù)這些統(tǒng)計量在各個方向上的差異，確定該點(diǎn)的方向。

3.1.3 二值化

首先，根據(jù)指紋的脊線和谷線等寬的假設(shè)，再結(jié)合局部灰度分布的考察，得到具有自適應(yīng)性的自動門限；其次，根據(jù)“灰度變化平穩(wěn)”這一假設(shè)鄰元灰度的變化來進(jìn)一步確認(rèn)像元素隸屬前景和背景的程度，從而排除不清晰指紋在自動門限附近的分割不一致性；最后，采用廣義的拉普拉斯算子對圖像進(jìn)行濾波。

3.1.4 細(xì)化

細(xì)化是在不影響原圖的拓?fù)溥B接關(guān)系下，將脊的寬度降為單個象素的寬度的處理過程。細(xì)化的關(guān)鍵是如何找到原圖像的骨架，通常采用模板匹配方法，這種方法是根據(jù)某個象素的局部鄰域的圖像特征對其進(jìn)行處理。

3.1.5提取指紋特征點(diǎn)

特征提取階段，選擇脊線端點(diǎn)和分叉點(diǎn)作為特征點(diǎn)，記錄每一個特征點(diǎn)的類型、位置和方向信息，從而得到指紋的特征點(diǎn)集。

3.1.6 數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)

終端在獲得特征值后需要將數(shù)據(jù)封裝成數(shù)據(jù)包才能發(fā)送給服務(wù)器，其數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)如下：

說明：請求類別是指分出是購物還是借還書還是考勤等哪一個項目。

3.2服務(wù)器端數(shù)據(jù)處理流程

服務(wù)器端數(shù)據(jù)處理流圖如圖3所示。

3.2.1 比對特征點(diǎn)

采用基于特征點(diǎn)的匹配算法，通過平移和旋轉(zhuǎn)變換實(shí)現(xiàn)特征點(diǎn)的大致對齊重合，計算坐標(biāo)變換后2個模板中的特征點(diǎn)的距離和角度。如果小于某一閾值，則認(rèn)為是一對匹配的特征點(diǎn)。計算得出所有匹配的特征點(diǎn)對后，計算匹配的特征點(diǎn)占模板中所有特征點(diǎn)的百分比S。根據(jù)系統(tǒng)的拒識率(FRR)和誤識率(FAR)要求設(shè)置閾值Ts。如果S大于或等于閾值Ts，則認(rèn)為是同一指紋；否則，匹配失敗。

另外由于非線性變形的存在，很難找到與指紋模板中特征點(diǎn)位置完全一致的特征點(diǎn)，因此匹配的算法應(yīng)該是彈性的，即允許在某個范圍內(nèi)由于非線性變形引起的誤差。

3.2.2 返回數(shù)據(jù)的內(nèi)容

終端地址+處理后的結(jié)果(扣款，考勤情況等)。

4 結(jié) 語

隨著指紋識別技術(shù)的不斷發(fā)展、指紋采集器價格的降低和網(wǎng)絡(luò)的普及應(yīng)用，該系統(tǒng)會在各個領(lǐng)域特別是人數(shù)不算多的小學(xué)校園得到越來越廣泛的應(yīng)用，使小學(xué)生及家長因此而受益匪淺。