基于LabWindows／CVI的虚拟仪器设计.pdf
基于LabWindows／CVI的虚拟仪器设计.pdf目录541功能描述……口中…14754.2设计原理…147543设计步骤………………4855设计举例4基数字滤波技术的虚找频率补偿仪…55I功能描述…………154552设计原理…………………………4154553设计步骤159第6章基于相关伪随机技术的虚拟仪器设计……………17161相关辨识的基础知识6l1系统数学模型的主要描述形式…吧看罪甲噜看音·自老·着着。甲曾會自·看着174612系统输入输出关系的卷积表述形式175613由系统的冲激响应函数求系统的频率特性…177614相关辨识法的优点………………1762伪随机信号—相关辨识实际采用的激励信号9621伪随机信号的性质……………180622M序列伪随机信号的产生62.3 Labwindows/cⅥ环境中M信号的产生…………184▲63设计举例口和2—伪随机相关辨识仿真仪灬194631例[一一阶系统辨识仿真仪………………194632例[2}_二阶系统辨识仿真仪……208▲64设计举例3}-系统参数辨识实测仪-25641功能描述…………………216642设计原理……………………216643设计步骤bb●自看是题bDpD命各备命罪即非国百D看山會看看看q看甲q:音ts223644系统参数辨识仪的性能检验…236645小结239第7章基于神经网络的虚拟仪器设计………吾号.·D罪D·咖自音噜唱日司看自命是··昏b●甲」24171概述……………………247.2神经网络基础知识…4721神经网络结构………244722神经元模型……246723神经元作用函数…247724BP神经网络250基于凵 abwindows/C的虚拟仪设计72.5径向基(RBF)神经网络……25573 MATLAB工具箱中的BP与RBF函数5731BP与RBF网络创建函数……257732网络训练函数………259733网络初始化函数2637.34网络学习函数pseD即■日■■曾264735网络仿真函数酯“着申自曲量ab血a▲bdd暴Db自合·看单■即非兽pD鲁26674设计举例[虚拟压力传感器温度补偿器…26266741功能描述…………742工作原理……267743设计步骤…命a4.品中B自●非昏·:·:是PP…271L75设计举例2一虚拟三组分气体成分分析仪的设计2837.51功能描述…单当香s·.甲命命甲二··········a283752工作原理……………283753设计步骤………87754设计小结…297第8章基于小波分析的虚拟仪器设计……2998.1小波分析基础…已得…,…下不已是811小波分析与短时傅里叶变换………301812离散小波与小波对偶品百·。命自日自目即合D即章矿●印·…306813小波级数多事品◆晶号提品4··B旨自D导看308814多分辨分析初步……309815正交小波…316816小波包分析………:32382 MATLAB王具箱中小波分析函数…325821小波包函数……p品a由自日自值合◆··年卓看自53483设计举例一虚拟小波消噪仪…340831小波消噪原理..340832虚拟小波消噪仪设计a品血吾春自白看令节自B导342L84设计举例2—虚拟特征信号提取仪8.41特征信号小波提取原理灬………………350842仪器功能中▲如婚+44“亠b白自自4·1··.……350843仪器设计………………350目录844运行测试…356第9章基于混沌技术的虚拟仪器设计·是Da命品西·盲血·鲁自D鲁唱唱非看4看a■自…357▲9.1概述………………35992混沌技术基础知识0921基于 Duffing方程实现频率测量检测原理…………360922基于 Logist迭代方程产生白噪声的原理…………36993设计举例一基于 Logist方程的虚拟白噪声发生器…375931设计举例1基于 Logist方程的虚拟白噪声仿真仪…375932设计举例[2]_基于 Logist方程的拟简易白噪声发生器…380933设计举例3}基于 Logist方程的虚拟白噪声发生器及其性能评估仪■D即口即即要号■………384h94设计举例基于混沌技术的频率仿真测试仪一941功能描述…………………389942工作原理……390943混沌精密频率仿真测试仪的实现396944性能校验……3999.5设计举例2]基于混沌技术的精密频率实测仪”399第10章基于模糊理论的虚拟仪器设计……●鲁看●4命1a!模糊集合理论概述”010L1模糊集合的定义及其表示方法…P·●吾音p聊·品日.···P.身10.12隶属函数的确定方法及常用形式10.1.3模糊集合的基本运算……41010.14模糊关系的定义及合成……●pb自●哥司q■P省…4ll10.1.5语言变量与模糊推理…………………413102模糊传感器系统“……………1021测量结果“符号化表示”的概念…4151022模糊传感器的基本概念和功能………中中416102.3模糊传感器的结构………备合自看司q·是即即罪罪看血咖音看叠看4q●命4171024模糊传感器语言描述的产生方法……………4200.25模糊传感器对测量环境的适应性………………4241026模糊传感器隶属函数的训练算法…………426103设计举例1虚拟模糊热点温度分析仪301031功能描述…………430蒹于 Labwindow/QⅥ的盧拟仪暴设计1032工作原理着看■舞非罪阜444■p●鲁看要1033设计步骤432110.4设计举例2]高级虚拟模糊热点温度分析仪…………43810.1功能描述…4381042实现原理………………………………4381043设计步骤……43第11章网络化虚拟智能传感器系统……………………4611112网络体系结构与协议……………“4631111网络体系结构……4631112 Lab windows/CⅥ中的主要协议…………4671113 DataSocket技术……472112组建网络化虚拟智能传感器系统的模式…475112,1CS模式…………………………476122B/S模式476网络化虚拟正弦波发生器1131设计原理………1画画D备即命●●看卓自白自↓td.自占即命自咖自·t477113,2仪器功能描述478113.3仪器设计……………4781134编译运行……D。春明中血自■■…487114设计举例2)基于C模式的远程开关控制器的设计………48114.1系统的工作原理4881142仪器功能描述…4881143仪器设计…咖·d日·自·暴■■非罪自咖4●看省·b导···号q48944编译运493参考文献…………95VIll绪论成拟伙器还应数伙器饱发展及持点原书空白第1章蜻忪由于电子技术、计算机技术的高速发属及其在电子测量技术与仪器领域的应用,新的测试理论、测试方法、测试领域以及仪器结均不断出现,电了测量仪器的功能和作用发了质的变化,计算机处于核心地位,计算机软件技术和测试系统更紧密地结合成了个有机整休,仪器的结构概含和设计观点等都发生了突破性的变化。在上述的背景下,出现、仝新概念的仪器—虚拟仪器。本章在介絰有关虚拟仪器的基本概念、组成、发展过程及发展趋势的基础上,重点阐述“软件就是仪器,仪器就足软件”的观点。在本章中,将学到如下内容≥虚拟仪器的基本概念虚拟仪器的组成特点虚拟仗器的设计与实现方法少虚拟仪器的发展过程及发展趋势1.痃担仪欲枇遗虚拟仪器( Virual instrurenent,简称ⅥI)是现代计算机技术和仪器技深层次结合的产物,是当今计算机辅助澳试(CAT)领域的一项重要技术。虚拟仪器是计算机硬件资源、仪器与测控系统硬件资源和虚拟仪器软件资源三者的有效结合。1.11虚戏仪器的基本概念所谓虚拟仪器,就是在以计算机为核心的硬件平台上,由用户设计定义具有虚拟面板,其测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统。虚拟仪器的实质是利用计算机显示器模拟传统仪器的控制面板,以多种形式输出检测结果;利用计算机软件实现信号数据的运算、分析和处理;利用O接口设备完成信号的采集、测量与调理,从而完成各种测试功能的一和计算机仪器系统。使用者用鼠标或键盘操作虚拟面板,就如同使用一台专用测量仪器虚拟仪器的“虚拟”两字主要包含以下两方面的含义。1.虛拟仪器的面板是虚拟的虚拟仪器面板上的各种“控件”与传统仪器面板上的各种器付所元成的功能是相同約,并扫各种开关、按钮、显示器等实现仪器电源的“通”或“断暴于 Labwindow/Ⅵ的姒仪器谩计被测信号“输入通道"、“放大倍数”等参数设置,测量结果的“数值显示或“波形显示”等。传统仪器面板上的器件都是“实物”,而且是由“手动”和“触摸”进行探作的,而虚拟仪器面板控件是外形与实物相像的“图标”个控科的j”“断”、“放大”等动作是通过用户对计算机鼠标或键益的操作米完成!。因此,设计虚拟面板的过程就是在板设计窗口中摆放所需的控件,然后对控件进行合逗的属性投置。2.虍拟仪器则量功能是由软件编程来实现的在以计算机为核心组成的硬件平台支持,通过软件编程设计来实现仪器的功能,可以通过组合不同的测试功能软性模块来实现多种测试功能,因此,在硬件平台确定后,有“软件就是仪器”的说法,这也体现了测试技术与训算机的深层次结合。1.12虚拟仪器的构成及其分类虚拟仪器通用仪器硬件平台(简称硬什平台)和应用软件两大部分构成。1.虚拟仪器的硬件平台构成拟仪器的硬件平台包括两部分。(1)计算机它-般为-台PC或者工作站,是硬件平台的核心(2)JO接口设备IAO接口设备要完成被测输入信号的采集、放大、愧数转换。不同的总线有其坩应的IO接口硬件设备,如利用PC总线的数据采集卡版(DAQ)GPB总线仪器、VXI总线仪器模块.串口总线仪器等。虚拟仪器的构成方式主要有五种类型,如图1.1所示。≯ PC-DAQ系统PC-DAQ系统是以数据采集板、信号调理电路及计算机为仪器硬件平台组成的插卡式虚拟仪器系统。这种系练用PCI或IA计算机本身的总线将数釆卡板(DAQ〕插入计算机的PCI或ISA插槽中。4
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基于MATLAB的指纹识别系统设计
基于MATLAB的指纹识别系统设计论文，具有一定参考价值，对毕业设计有用。基于 MATLAB的指纹识别系统设计AbstractBiometric technology has become one of the developing technologies for identityrecognition and network security. And fingerprint identification technology is now recognizedas one of the most safe. accurate and convenient authentication technologies and it is a focusfor researchersThis paper designs a matlab-based fingerprint recognition system. The first introducesthe fingerprint recognition technology research background, significance, and the status quoSecondly, to achieve fingerprint identification system, describes the basic structure of thefingerprint identification system, and the fingerprint image preprocessing, feature extractionfeature matching these three essential aspects of the algorithm is studied in detail in thefingerprint image pre-processing stage this article uses an algorithm based on gray imagesegmentation carried out at the same time, for the image after binarization noise still existsbut also for the corresponding trimming process, as much as possible for the future lay thefoundation for fingerprint feature extraction and thus successfully achieved fingerprint digitalimage processing, Teature extraction, slorage and matching functions. Finally, Che fingerprintidentification system for simulation, simulation results show that the system can identify abetter accuracy rate reached 95.1%Key Words: Fingerprint Recognition; Processing; Binarization; Feature Extraction;Feature Matching基于 MATLAB的指纹识别系统设计目录摘要······*······················-·······“······“···+····“····“““··“···············*·····““·········Abstract1绪论1.1本课题背景和意义1.2指纹识别技术研究现状1.3本文的章节安排中中中·中中和中。中申中申中中中非和申中日…22指纹识系统设计42.1指纹识别系统设计基本结构.42.2指纹图像分割…2.2.1指纹图像分割介绍2.2.2均值方差法2.3指纹图像的细化…2.3.1指纹图像细化的预处理2.3.2指纹图像细化方法计算72.4指纹图像的特征提取…2.4.1指纹特征提取概述着非非非道非非非非自非非非非日非着非非非非非非2.4.2指纹特征提取和去伪特征2.5指纹图像匹配方法……102.5.1指纹图像匹配介绍…26本章小结3仿真结果及其分析3.1仿真结果及分析…123.2本章小结…,14结论参考文献.17附录 MATLAB程序m重自18致谢“···*:····35IlI基于 MATLAB的指纹识别系统设计1绪论1.1本课题背景和意义指纹识別技术的应用十分广泛,指纹因具有终生不变性及稳定性,而且不同人指纹相同的概率儿乎为零,因此指纹自动识别系统被广泛应用于案例分析、商业活动中的身份鉴别等领域.目前有很多的生物测定技术可用于身份认证,包括虹膜识别技术、视网膜识别技术、面部识別、签名识别、声音识别技术、指纹识別等,具有安全、可靠的特点,其中自动指纹识别系统是目前研究最多、最有应用前景的生物识别系统。指纹识别技术的发展得益于现代电子集成制造技术的进步和快速可靠的算法的研究。指纹门禁系统通过将用户的指纹特征与指纹特征数据库屮的数据进行对比实现用户身份的鉴别,并不直接保存和使用用户的指纹图像信息,不会侵犯到用户的隐私信息,是当前技术最先进、应用最广泛的门禁系统。对生物识别(指纹识别)技术来说,被广泛应用意味着它能在影响亿万人的日常生活的各个地方使用。通过取代个人识别码和口令,生物识别(指纹识别)技术可以阻止非授权的“访问”;可以防止盗用ATM、蜂窝电话、智能卡、桌面PC、工作站及其计算机网终;在通过电话、网络进行的金融交易时进行身份认证;在建筑物或工作场所生物识别技术(指纹识别)可以取代钥匙、证件、图章等。生物识别(指纹识别)技术的飞速发展及其广泛应用将开创个人身份鉴别的新时代。指纹所具有的唯一性、不变性、及易于获取、分类存储有规律等特性使其成为生物鉴定学中最为成熟的方式。1.2指纹识别技术研究现状指纹识别技术从早期的人工比对到现在采用计算机技术实现自动指纹识别,指纹对比更加准确,识别效率得到极大提高。自动指纹识别过稈通常由指纹图像滤波增强、二值化、细化、征提取以及指纹匹配等几个环节构成。指纹图像滤波增强的目的是将有噪声干扰的指纹图像变得更加清晰,使得指纹图像的脊线更黑,谷线更白,当前在实际指纹图像増强算法的应用中一般是几种滤波增强方式结合起来使用,主要的方案是基于傅里叶变换结合滤波和指纹图像点方向场的下上下滤波器;指纹图像二值化,是将指纹图像变成灰度值只有0和255两种颜色的图像,当前,在自动指纹识别中棠用的是根据指纹图像的点方向场在指纹纹线方向和指纹纹线垂直方向上对指纹图像进行一值化处理;指纹图傻细化是指删除指纹纹线的边缘像素,使之只有一个像素宽度,目前在自动指纹识别技术中常用的是OPIA算法的改进的图像模板细化算法;指纹特征提取,是将细化后使用计算教字图像处理技术采集指纹图像中奇异点、端点、叉点等指纹特征基于 MATLAB的指纹识别系统设计数据,目前常用的特征提取算法是先对细化后的指纹图像进行初步去噪,然后提取特征点,再根据阈偵去除伪特征点:指纹匹配,是指纹预留模板图像与输入样板图像中的所有特征点的匹配,目前在自动指纹识别系统中常采用可变大小的界限盒的指纹特征匹配算法。目前指纹识别技术还有诸多困难,例当三维的指纹被指纹录入设备扫描成二维的数字图像时,就会丢失一部分信息,手指划破、割伤、弄脏、不同干湿程度以及不同的按压方式,还会导致指纹图像的变化,这就给可靠的特征提取带来了困难;例如传统的基于细节点的识别方法,是依靠提取指纹脊线上的细节点,然后对其位置和类型进行匹配,来识别指纹的,而噪声会影响特征提取准确度,增加错误的特征点或丢失真正的特征点。当噪声很大时,就要增加图像增强算法来改善图像的质量,但很难找到一种增强算法能够适应所用的噪声,多种増强算法又会人嗝増加算法运行时间,不好的増强算法又会增加人为特征。当喉声增大时,提取了许多虚假细节点,还有可能丢失细节点,这就是传统的基于细节点识别算法的不足之处之一,因为它只利用了指纹图像中的一小部分信息(细节点位置和方向)作为特征进行匹配,丢失了蕴涵在图像中的其他丰富的结构信息。不难想象,基于这种方法的识别算法,很难个面适应指纹的变化。人的指纹含有天然的密码信息,它们具有几点重要特特点①广泛性,指每一个正常的人都有指纹。②唯一性,指每一个人的指纹都不同。指纹的纽节由细微纹点和纹线的起点、终点、分叉等组成。止是这些无穷无尽的细节特征组合构成了指纹的唯一性,事实上,甚至包括双胞胎,世界上两个指纹相同的概率小于1/109,几乎为零,这就构成了指纹的第大特点。③终生不变性,指纹终身不变即指纹的图案永远不会改变,从人的出现到死后的分解为止(除非指纹受到伤害)。④指纹与主体的不可分离性:即指纹不存在丢失、遗忘、被窃取的可能。指纹的使用比起其它证卡来说更快捷、安全、准确、无干扰,可实现快速登录注册,系统兼容性好,也就是说可以独立或者通讨联网构成系统并H很容易并入各类证卡和定义识别系统中。因此,指纹识别技术的应用范围极广。1.3本文的章节安排本文以研究指纹识别中指纹图像分割、细化、特征提取、匹配等若十问题为研究主体,针对指纹识别技术中分割、细化和匹配进行了仿真和修正。其中分割部分采用了方基于 MATLAB的指纹识别系统设计差均值的方法,细化选取了一种伪特征较少的模板,匹配时以分叉点和端点信息进行匹配。具体的章节和各章的内容安排如下:第一章:在介绍本论文的研究背景及意义,在指纹识别技术的现状和特点的基础上,确定了本文所做的主要工作。第二章:本章主要介绍了指纹识别系统设计原理,为后续的研究工作奠定基础,介绍了均值方差的基础知识和基本理论以及仿真中具体的分割运用算法;指纹图像细化的方法;指纹图像细化后的特征提取,需要哪些特征,去除哪些伪特征,以方便和正确地进行匹配工作:指纹图像配的概念、匹配问题的困难所在和常用方法。第三章:指纹识别系统的仿真结果及分析。结论:总结本文所取得的一些研究成果,并对课题发展进行了展望。基于 MATLAB的指纹识别系统设计2指纹识系统设计2.1指纹识别系统设计基本结构指纹识別系统主要由指纹图像读取,图像预处理,特征提取,特征匹配四大步骤组成首先,我们要提取需要处理的指纹识别的原始图片。其次,进行图像预处理。通常图像预处理包括分割、归一化、二值化和细化,图像预处理的目的貮是去除图像中的噪声,将图像变成清晰点线图,这样才能提取到正确的指纹特征,从而达到止确匹配的目的。它的好坏直接影响到指纹识别的效果。在此基础上,接下来就是要对细化后的数字图像进行关键特征提取,从而达到识别不同的志文数字图像的目的。普遍采用的特征提取是提取细节点。最后,我们将处理后的图像进行匹配,指纹图像的特征匹配主要是对所提取的细节持征进行匹配,将要比对的图像与库中图像的细节特征进行比对,并将比对结果输出,这是指纹识别系统设计中最重要的一个环节,这也是指纹识别系的最终目的。2.2指纹图像分割2.2.1指纹图像分割介绍指纹图像分割在指纹识别系统中作为图像与处理的一部分,指纹图像分割的基本依据是图像的某些特征及特征的集合。如灰度值,邻域关系,纹线的扭曲程度等。图像特征是指纹图像的怗有属性。通过提取图像特征,可将原始图像映射到特征空间,使图像特征在特征空间中呈现一定的分布。因此根据以上的的灰度值领域关系,纹线的扭曲程度,指纹图像分割大致分为三类:基于像素的图像分割,基于块特征的图像分割以及基于全局的图像分割。基于像素的指纹图像分割中目前流行多尺度小波变换和阙值法。小波变换和傅里叶变换的出发点都是将信号表示成基函数的线性组合。所不同的是傅里叶变换采用时间属于(一∞,+∞)的谐波函数exP@x作为基函数,计算机中的图像信息是以离散信号形式存放的,在信号处理中,特别是在数字信号处理和数值计算等方面,为了计算机实现的方便,连续小波必须进行离散化,而最基本的离散化方法就是二进制离散,一般将这种经过离散化的小波及其变换叫做二进小波和进变换。基于 MATLAB的指纹识别系统设计小波变换的特点是压缩比高,压缩速度快,压缩后能俣持信号与图象的特征不变,且在传递中可以抗干扰。在指纹识别识别中使用小波变换有助于噪卢的滤除以及有利于检测奇异点。但是小波变換的明显缺点是它计算复杂,计算效果也取决于函数的选择。另一种阙值分割就是简单地用一个或几个阈值将图像的灰度直方图分成几个类,认为图像中灰度在同一个灰度类内的像素属同一物体。它是图像分割中最基本的方法。其原理是先定一个阈值,大于此值为1,小于则认为为0;多阀值则可以利用多维函数。此原理在匹配中也可以运用。其优点是计算简单,仅需比较灰度值即可;运算效率较高,速度快:它的缺陷在于仅考虑图像的灰度信息,而忽略了图像的空间信息,对于图像中不存在明显灰度差异或各物体的灰度值范围有较大票叠的图像分割问题难以得到准确的结果代表块特征的指纹图像分割日前研究趋势为多种块基本特征如灰度均值、块灰度方差、块方向图等综合运用和重新定义块特征。其中块指的是将图像分个成一个个小的图像块。图像均值就是对每个单位块的灰度值取均值,方差则反映该块中各点与均值的偏差性,方向这可以很好的反映纹理的变化趋势。一般来说,常见的方向场的计算分为掩模法和公式法两大类。 LinHong等人开发的基于最小均方估计算法,即公式法。(j)=G(-1,j-1)+2G(-1)+G(+1j-1)-G(-1,+1)-2G(1,j+1)-G(i+1,+1)(j)=G(-1,j-1)+2G(+1)+G(-1,+1)-G(i+1,-1)-2G(i+1,j)-G(i+1,j+1Rx(∴j)(,(a,v)(,y)2-a(x,y)2它是利用正交坐标系下,原点到它们组成的坐标点的有向线段与X的正半轴的夹角可来表示该子块的块方向。这种方法最人的优点是易实现,很好体现出纹理,但缺点是对于变化太快的部分出错。此方法的实现是利用方向滤波器。基于全局的图像分割则是根据情況特别是某些特殊场合的利用,如残缺指纹。全局的图像分割可以是人工选定几个特定点后再根据全局的特点来处理,此法也可运用于匹配。基于全局的指纹识别仍处于实验室探索阶段,应用领域中尚不广泛。2.2.2均值方差法在图像分割概述中,凵经提到基于块特征的指纹图像分割。在这部分将重点介绍均值法差法的计算方法和在仿真中的运用基于 MATLAB的指纹识别系统设计该算法基于背景区灰度方差小,而指纹区方差大的思想,将指纹图像分成块,计算每一块的方差,如果该块的方差小于阈值为背景,否则为前景。具体步骤分以下三步(1)将低频图分成MXM大小的无重叠方块,方块的大小以一谷一脊为宜。(2)计算出每一块的均值和方差。H-1L-AVe=B2∑(.R=_1台台2>>(,)-4VE)(3)如果计算得到的方差几乎接近于0就认为是背景,对于方差不为零的区域在进行阈值分割算法,这种算法主要是根据计算得到的方差来决定其是否为背景区在使用方差均值法之前还要使用归一法将图变为低频图。归一化的目的是把不同原图像的对比度和灰度调整到一个固定的级别上,为后续处理提供一个较为统一的图像规格。指纹图像的归‘化公式如式所示。其中AVE0和ⅤAR为期望的灰度均值和方差。但是小波变换的明显缺点是它计算复杂,计算效果也取决于函数的选择。Rol/(x, ?)-AVENAV点o+lvARo(/(x, -AVEY(3.3)AVEoVAR在使用方差均值法之前还要使用归一法将图变为低频图。归一化的目的是把不同原图像的对比度和灰度调整到一个固定的级别上,为后续处理提供一个较为统一的图像规格。2.3指纹图像的细化2.3.1指纹图像细化的预处理这部分预处理主要为_二值化。由于指纹图像脊、谷相间,因此指纹图像的处理常是将指纹图像一值化。灰度图像一值化是将灰度图变换为只有黑和白两种灰度的图像。这样不仅可以压缩原指纹图像的数据量,而且也方便后面的细节特征的提取。灰度图二值化的基本思想是选取适当的灰度阂值,将灰度图像转化为_值图像,阈值的选择是关键,对于阈值的选择,有多和方法,如熵法,stu法等。根据是否将图像分块处理,又分全
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