于 曉, 閆振雷, 周子杰

(天津理工大學(xué) 電氣電子工程學(xué)院, 天津市復(fù)雜系統(tǒng)控制理論及應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津 300384)

0 引 言

網(wǎng)頁登錄器是一款基于指紋識(shí)別登錄加密網(wǎng)頁的裝置。在日常工作中，很多網(wǎng)頁都需要用戶進(jìn)行密碼登錄驗(yàn)證，不但過程較為繁瑣，而且用戶密碼較易遺忘，針對(duì)這種情況，設(shè)計(jì)了一款基于指紋識(shí)別技術(shù)[1]的網(wǎng)頁登錄器，在登錄網(wǎng)頁過程中，通過對(duì)指紋信息進(jìn)行快速比對(duì)，取代“用戶名和密碼”錄入驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)智能登錄加密網(wǎng)頁的功能。當(dāng)下大數(shù)據(jù)時(shí)代，人們更加注重互聯(lián)網(wǎng)信息安全，指紋識(shí)別作為一項(xiàng)應(yīng)用較為成熟的生物特征識(shí)別技術(shù)，提高了用戶網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的安全性?？v覽國內(nèi)國外指紋識(shí)別技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)較多應(yīng)用于辦公領(lǐng)域工作考勤和手機(jī)、電腦等設(shè)備應(yīng)用的加密，在登錄加密網(wǎng)頁方面還未深入發(fā)展，面對(duì)這個(gè)現(xiàn)狀，這款指紋識(shí)別網(wǎng)頁登錄器顯得尤為重要。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)思路

網(wǎng)頁登錄器以STC89C52單片機(jī)[2-3]為系統(tǒng)控制中心，通過高精度光學(xué)指紋模塊，實(shí)現(xiàn)指紋錄入，通過鍵盤模塊，實(shí)現(xiàn)調(diào)用不同的應(yīng)用功能，LED顯示模塊和聲音提示模塊對(duì)用戶操作進(jìn)行提示和反饋。用戶使用設(shè)備前，首先對(duì)登錄的網(wǎng)頁驗(yàn)證信息進(jìn)行存儲(chǔ)，信息包括用戶名、登錄密碼，在用戶名和密碼之間加入換行符，在密碼結(jié)尾加入回車鍵，將這些信息組成一個(gè)連貫的字符串，一旦指紋比對(duì)成功，立刻觸發(fā)中斷，調(diào)出中斷服務(wù)子程序，將對(duì)應(yīng)網(wǎng)頁字符串信息發(fā)送至鼠標(biāo)光標(biāo)處，實(shí)現(xiàn)指紋驗(yàn)證快速登錄加密網(wǎng)頁的功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.2 系統(tǒng)功能

(1) 密碼信息存儲(chǔ)。將網(wǎng)頁驗(yàn)證信息，包括用戶名和密碼，存入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元。

(2) 指紋錄入。用戶通過操作獨(dú)立按鍵，選定指紋錄入，開啟指紋識(shí)別模塊，如果指紋錄入成功，LED顯示綠色指示燈，同時(shí)采集的指紋特征值存入指紋庫，如果指紋錄入失敗，聲音模塊發(fā)出間斷重復(fù)響聲，LED將不顯示任何效果。

(3) 指紋刪除。用戶通過操作獨(dú)立按鍵，選定刪除鍵，如果指紋刪除成功，LED顯示紅色指示燈，此時(shí)設(shè)備內(nèi)部存儲(chǔ)的指紋信息將被清空；如果識(shí)別失敗，聲音模塊發(fā)出間斷重復(fù)響聲，LED將不顯示任何效果。

(4) 指紋識(shí)別。當(dāng)進(jìn)行登錄需驗(yàn)證網(wǎng)頁時(shí)，打開相應(yīng)網(wǎng)站，將手指放在指紋識(shí)別器上，進(jìn)行指紋識(shí)別比對(duì)，如果指紋識(shí)別成功，LED顯示黃色指示燈，如果識(shí)別失敗，聲音模塊發(fā)出間斷重復(fù)響聲，LED將不顯示任何效果。

(5) 登錄網(wǎng)頁。指紋比對(duì)成功后，便可以進(jìn)入相應(yīng)加密網(wǎng)頁，進(jìn)行個(gè)人操作。

2 硬件設(shè)計(jì)

基于指紋識(shí)別的網(wǎng)頁登錄器，主要由3大模塊組成：鍵盤、單片機(jī)和指紋識(shí)別等模塊。

2.1 鍵盤模塊

鍵盤模塊通過操作按鍵，調(diào)用不同場(chǎng)合的服務(wù)程序。

(1) 按鍵原理及電路圖。按鍵原理如圖2所示，與電路中的開關(guān)元件相似，當(dāng)按下按鍵時(shí)，VCC通過電阻R1、R2、R3、R4與GND形成閉合通路，單片機(jī)4個(gè)采集信號(hào)的輸入引腳IN1、IN2、IN3、IN4將會(huì)采集到低電平信號(hào)，當(dāng)松開按鍵時(shí)，單片機(jī)4個(gè)采集信號(hào)的輸入引腳將會(huì)采集到高電平信號(hào)。單片機(jī)通過對(duì)引腳高低電平的識(shí)別來實(shí)現(xiàn)不同按鍵對(duì)不同子程序的調(diào)用。

圖2 獨(dú)立按鍵原理圖

(2) 按鍵消抖處理。通過示波器對(duì)獨(dú)立按鍵不同狀態(tài)的電平測(cè)量結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)按鍵接口測(cè)量點(diǎn)的電平變化并不像階躍函數(shù)一樣理想，而是電平從高到低(或從低到高)的一個(gè)抖動(dòng)變化過程，經(jīng)過具體測(cè)試，得到按鍵動(dòng)作時(shí)的電平狀態(tài)變化示意圖，如圖3所示。

圖3 按鍵電平狀態(tài)變化圖

從本質(zhì)上分析，按鍵屬于具有機(jī)械性質(zhì)的開關(guān)，其動(dòng)作具有一定的彈性，當(dāng)按鍵動(dòng)作發(fā)生時(shí)，高低電平的轉(zhuǎn)化會(huì)經(jīng)過一個(gè)短暫的不穩(wěn)定過程。針對(duì)這種特征，在按鍵檢測(cè)程序編寫過程中對(duì)其電平變化進(jìn)行二次處理，即在第一次檢測(cè)到按鍵有電平變化時(shí)，設(shè)置一個(gè)恰當(dāng)?shù)倪^渡時(shí)間，然后再進(jìn)行確認(rèn)此刻按鍵的狀態(tài)。通過多次實(shí)驗(yàn)，從示波器讀取的數(shù)值中確定這個(gè)過渡時(shí)間穩(wěn)定在10 ms以內(nèi)，即為后續(xù)程序編寫時(shí)的參照值。

(3) 獨(dú)立鍵盤按鍵、名稱和功能。設(shè)備中使用4×1獨(dú)立鍵盤，鍵盤按鍵、名稱和功能如表1所示。

表1 鍵盤按鍵、名稱和功能表

2.2 單片機(jī)模塊

單片機(jī)最小系統(tǒng)主要由STC89C52芯片、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路3部分組成。

(1) STC89C52單片機(jī)。STC89C52單片機(jī)作為一種高集成度的芯片，其主要包括中央處理器、存儲(chǔ)器、I/O接口、定時(shí)/計(jì)數(shù)器等。如圖4所示為單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖[4]，主要由STC89C52芯片、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路3部分組成。

(2) 時(shí)鐘電路。在原理圖中，引腳XTAL1 和XTAL2 是獨(dú)立的輸入和輸出反相放大器，圖4中采用的是內(nèi)部時(shí)鐘模式，即利用STC89C52芯片內(nèi)部的振蕩電路。

(3) 復(fù)位電路。在單片機(jī)程序運(yùn)行過程中，可能會(huì)出現(xiàn)故障情況，導(dǎo)致程序無法正常運(yùn)行，這時(shí)啟動(dòng)復(fù)位電路，將會(huì)清除之前的程序運(yùn)行記錄，將程序的運(yùn)行還原到初始狀態(tài)。如圖4所示為復(fù)位電路模塊[5]。

圖4 STC89C52單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖

2.3 指紋識(shí)別模塊

指紋識(shí)別模塊采用STM32F205 高速數(shù)字處理器，配有高精度光學(xué)傳感器，可以實(shí)現(xiàn)指紋錄入、圖像處理[6]、特征值提取、指紋比對(duì)等功能。

(1) 指紋結(jié)構(gòu)分析。指紋特征分為整體特征與局部特征，其中指紋的整體特征主要包括指紋的類型特征和頻譜特征。指紋的類型特征是指直接用人眼觀察得到的稱類型特征，包括紋型、模式區(qū)、核心點(diǎn)、三角點(diǎn)、紋數(shù)，正確識(shí)別這些特征點(diǎn)是進(jìn)行指紋比對(duì)的關(guān)鍵。指紋的頻譜特征是指紋圖像經(jīng)過傅里葉變換得到的幅值頻譜圖，它精確地反映了原指紋圖像的頻率與方向信息。

(2) 指紋識(shí)別算法分析。通過傳感器采集直接得到的指紋圖像由于具有噪聲信號(hào)干擾，因此需要經(jīng)過背景處理[7]才能進(jìn)行指紋識(shí)別[8-9]。具體指紋識(shí)別算法流程圖如圖5所示。

為了增強(qiáng)指紋圖像的紋理，在設(shè)計(jì)算法時(shí)采用高效的Gabor濾波算法[10-11]，其定義如下：

h(x,y,θ,f)=

(1)

式中：

xθ=xcosθ+ysinθ

(2)

yθ=-xsinθ+ycosθ

(3)

通過Gabor濾波將指紋圖像進(jìn)行增強(qiáng)后，進(jìn)一步利用圖像處理技術(shù)，將指紋圖像進(jìn)行二值化處理[12-14]，如用函數(shù)f(x,y)表示指紋圖像灰度的像素值，將M0設(shè)為閾值，那么二值化函數(shù)則為：

(4)

指紋圖像二值化處理后，為了后來的指紋圖像特征提取，還需要對(duì)二值圖像進(jìn)行細(xì)化[15-16]。細(xì)化算法用數(shù)學(xué)理論描述如下，根據(jù)擊中/擊不中變換定義：

A⊙B=A-(A?B)=A∩(A?B)C

(5)

式中：A為二值圖像；B為結(jié)構(gòu)元素；A⊙B為圖像A進(jìn)行細(xì)化算法處理；A?B表示用B對(duì)A進(jìn)行腐蝕；(A?B)C為A?B的補(bǔ)集。定義式說明圖像A的細(xì)化通過A與自身的腐蝕結(jié)果之差表示的同時(shí)，依據(jù)擊中/擊不中變換，圖像A與自身腐蝕結(jié)果的補(bǔ)集作交集運(yùn)算處理同樣能夠?qū)崿F(xiàn)細(xì)化效果。

細(xì)化算法的第一步是有條件正常腐蝕，即腐蝕的像素點(diǎn)不會(huì)立刻消去，根據(jù)這些點(diǎn)是否會(huì)破壞連通性，在第二步中消除不必要點(diǎn)，保留基本骨架，從而顯示出圖像的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。二值圖像A的形態(tài)學(xué)骨架S(A)可通過選定合適的結(jié)構(gòu)元素B，采用腐蝕和開運(yùn)算操作表達(dá)，其表達(dá)定義式如下：

(6)

式中：Sk(A)為經(jīng)過k次腐蝕后的骨架；K為將A安全腐蝕的最大腐蝕次數(shù)；(AΘkB)為用B對(duì)A的連續(xù)k次腐蝕；(AΘkB)°B為對(duì)k腐蝕結(jié)果進(jìn)行開運(yùn)算，即用B對(duì)(AΘkB)進(jìn)行先腐蝕后膨脹處理。經(jīng)過以上算法分別對(duì)原始指紋圖像進(jìn)行處理，得到指紋圖像對(duì)比效果圖，如圖6所示。

(a) 指紋灰度圖像(b) 指紋增強(qiáng)圖像

(c) 指紋二值圖像(d) 二值圖像細(xì)化

圖6 指紋圖像對(duì)比效果圖

3 軟件設(shè)計(jì)

設(shè)備控制程序分為主程序和中斷服務(wù)子程序。在系統(tǒng)控制過程中，主程序主要通過不斷檢測(cè)，適時(shí)調(diào)動(dòng)中斷服務(wù)子程序。主程序包括按鍵循環(huán)檢測(cè)、邏輯電平判斷和子程序調(diào)用指令。中斷服務(wù)子程序包含LED顯示、聲音提示、串行通信、指紋錄入、指紋刪除和指紋比對(duì)。

3.1 主程序執(zhí)行流程圖

主程序執(zhí)行流程圖如圖7所示。

圖7 主程序執(zhí)行流程圖

3.2 按鍵操作程序

設(shè)備根據(jù)按鍵狀態(tài)觸發(fā)對(duì)應(yīng)的中斷，進(jìn)而調(diào)用與按鍵功能相匹配的中斷服務(wù)子程序。

if((K1 == 0)&&(K2 == 1))

{ClearAllUser(); //調(diào)用刪除指紋子程序

Delay10ms(5);//調(diào)用延時(shí)子程序}

if(K2 == 0)

{ Delay10ms(3); //調(diào)用延時(shí)子程序

AddUser(); //調(diào)用添加指紋子程序}

if(K3 == 0)

{ Delay10ms(5); //調(diào)用延時(shí)子程序

VerifyUser(); //調(diào)用指紋識(shí)別子程序}

3.3 指紋識(shí)別和比對(duì)程序

voidVerifyUser()

{

ES=0; //關(guān)閉總中斷允許

for(j=0;j

{SBUF=VerifyUser1[j];//指紋特征值比對(duì)

while(!TI);//發(fā)送結(jié)束前等待

TI=0; //發(fā)送標(biāo)志位軟件清零}

ES=1;//開啟總中斷允許

}

4 系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)的控制程序采用C語言進(jìn)行編寫，經(jīng)過編譯，生成_.hex文件，下載到單片機(jī)里，進(jìn)行軟件控制。

4.1 指紋錄入

用戶第一次使用該設(shè)備，先進(jìn)行保存網(wǎng)頁驗(yàn)證信息，按下輸入鍵，將待登錄網(wǎng)頁中用戶名和密碼保存至數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元。然后進(jìn)行指紋錄入，按下錄入鍵，將待錄入手指放在指紋模塊光學(xué)傳感器上方，當(dāng)指紋錄入成功后，會(huì)有綠色LED指示燈提示指紋錄入結(jié)果。

4.2 指紋識(shí)別和網(wǎng)頁登錄

密碼信息和指紋信息錄入后，進(jìn)行指紋識(shí)別和網(wǎng)頁登錄，打開待登錄網(wǎng)頁，將指紋貼近光學(xué)傳感器，按下比對(duì)鍵，當(dāng)比對(duì)成功后，會(huì)有綠色LED指示燈提示，同時(shí)進(jìn)入相關(guān)網(wǎng)頁，指紋識(shí)別和登錄網(wǎng)頁調(diào)試結(jié)果如圖8所示。

5 結(jié) 語

該指紋識(shí)別網(wǎng)頁登錄器將生物指紋特征與網(wǎng)頁認(rèn)證結(jié)合，利用單片機(jī)的智能控制，結(jié)合按鍵、LED顯示、指紋識(shí)別等相應(yīng)模塊，實(shí)現(xiàn)了利用指紋識(shí)別技術(shù)進(jìn)行登錄加密網(wǎng)頁。根據(jù)調(diào)試結(jié)果，設(shè)定的指標(biāo)測(cè)試結(jié)果正常，出錯(cuò)率小于1‰。相較傳統(tǒng)鍵入密碼方式，該設(shè)備具有登錄網(wǎng)頁快、信息安全性高等特有優(yōu)勢(shì)。