基于LabVIEW的指紋驗(yàn)證系統(tǒng)開發(fā)和應(yīng)用

摘要：針對企業(yè)對生產(chǎn)產(chǎn)品測試設(shè)備的應(yīng)用軟件使用的安全性和追溯性提出了越來越高的要求，開發(fā)了一款基于檢測操作人員指紋識別驗(yàn)證的軟件系統(tǒng)。測試設(shè)備上位機(jī)主機(jī)電腦使用基于圖形化、模塊化編程新模式的虛擬儀器LabVIEW作為開發(fā)設(shè)計平臺，并使用.NET動態(tài)鏈接庫為間接訪問接口技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對微型指紋采集器的集成和二次研發(fā)應(yīng)用，以及結(jié)合數(shù)據(jù)庫技術(shù)實(shí)現(xiàn)了指紋信息數(shù)據(jù)的存儲、查詢和調(diào)用功能。實(shí)驗(yàn)證明：指紋識別驗(yàn)證系統(tǒng)運(yùn)行非常安全、可靠、穩(wěn)定，可集成到生產(chǎn)測試設(shè)備上，符合企業(yè)的生產(chǎn)要求。

關(guān)鍵詞：指紋識別;虛擬儀器;動態(tài)鏈接庫;集成;指紋采集器;數(shù)據(jù)庫

中圖分類號：TP311.1? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）10-0246-03

Abstract： For the requirements of security and traceability of application software of test equipment of product in industry. The fingerprint of operator verification and validation system is designed and developed. The computer of test equipment uses LabVIEW which is virtual instrument based on graphical and modular development language platform and .NET dynamic link library interface technology. Realize the integration and acquisition in the second development with SDK using micro fingerprint acquisition instrument. And save、query and transfer the data with the database. The test result of verification and validation system shows that the system works security， reliable， steady and can be integrated to test equipment which meets the requirements with industry.

Key words： fingerprint verification; LabVIEW; dynamic link library; integration; fingerprint acquisition instrument; database

1 背景

目前，制造型企業(yè)在產(chǎn)品出廠之前都需要工程技術(shù)人員嚴(yán)格地按照國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和法律法規(guī)的要求，使用測試設(shè)備對產(chǎn)品相關(guān)參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行測試以形成測試報告和結(jié)論，從而判斷產(chǎn)品性能質(zhì)量的好壞與否。但是，目前大部分工廠在使用測試設(shè)備上存在如下的現(xiàn)象：所使用的測試軟件只有簡單的登錄密碼或者無登錄密碼保護(hù)，甚至所有員工共用一個密碼等現(xiàn)象。這樣的安全性機(jī)制很難保證測試設(shè)備軟件使用的安全性，人員的區(qū)分性，以及數(shù)據(jù)的可追溯性。針對該難題，本文以圖形化、模塊化的LabVIEW為測試設(shè)備軟件開發(fā)設(shè)計平臺，完成指紋采集注冊和驗(yàn)證等功能。指紋是人類手指末端指腹上由凹凸的皮膚所形成的紋路，它的重復(fù)率極小，大約幾億甚至幾十億分之一，被稱為“人體身份證”。結(jié)合圖像采集、處理和大容量存儲技術(shù)，以及先進(jìn)的模式識別技術(shù)的發(fā)展和成功應(yīng)用，能夠很好地解決上述問題所帶來的不安全性和難追溯性[1]。

2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

該指紋驗(yàn)證系統(tǒng)由微型指紋采集器、數(shù)據(jù)庫和計算機(jī)等部分組成。指紋采集器采用的是熵基科技股份有限公司生產(chǎn)的型號為Live20R的光學(xué)指紋采集器，能夠自動采集指紋圖像信息數(shù)據(jù)，并通過標(biāo)準(zhǔn)USB2.0接口將數(shù)字化后圖像信息數(shù)據(jù)上傳到計算機(jī)或其他設(shè)備。數(shù)據(jù)庫采用微軟公司的SQL Server數(shù)據(jù)庫，用于存儲收集到的工程技術(shù)人員的指紋信息庫和產(chǎn)品生產(chǎn)、測試過程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。計算機(jī)采用安裝Windows 10的戴爾T5820工作站，負(fù)責(zé)指紋采集和對比，數(shù)據(jù)存儲和讀取，組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)運(yùn)行起來時，先由指紋采集器采集操作員的手指指紋并形成指紋圖像，注意指紋保持清潔、完整，然后計算機(jī)對指紋特征進(jìn)行提取、合并及完成指紋登記入庫。若該指紋特征與計算機(jī)中數(shù)據(jù)庫里面已登記的指紋特征相互匹配，則準(zhǔn)許操作員進(jìn)入系統(tǒng)進(jìn)行測試和其他操作;若指紋特征和數(shù)據(jù)庫中已存在的所有特殊均無法成功匹配，則限制該操作員進(jìn)入系統(tǒng)并限制其進(jìn)行產(chǎn)品測試等相關(guān)工作。因此，指紋驗(yàn)證系統(tǒng)的中心任務(wù)就是在計算機(jī)平臺上調(diào)用指紋器，完成指紋采集和比對、特性提取和合并、圖像采集和判斷等功能[2]。

3 上位機(jī)軟件設(shè)計

上位機(jī)軟件采用的是美國National Instrument（下面文章中簡稱縮寫：NI）公司推出簡單易用、開發(fā)速度快、界面直觀的圖形化開發(fā)語言LabVIEW?（下面文章中簡稱縮寫：G語言）。G語言旨在簡化分布式系統(tǒng)在測試、測量和控制方面的設(shè)計，有助于加快產(chǎn)品研發(fā)過程。此外，NI提供了很多與G語言較兼容的配套硬件，可助力工程師快速開發(fā)和部署大中型測量和測試控制系統(tǒng)。雖然，G語言是一款功能強(qiáng)大的、圖形化的、基于程序框圖拖拉式編程語言，但也有部分無法實(shí)現(xiàn)的特殊接口功能。為了擴(kuò)展和完善其邊際功能，G語言支持了強(qiáng)大的外部程序調(diào)用接口以便充分利用其他文本開發(fā)語言的底層功能和優(yōu)勢，如支持C/C++、Python、C#以及MATLAB等接口。

3.1 指紋的采集和特征提取

Live20R型微型指紋采集器提供了可供第三方公司進(jìn)行二次研發(fā)設(shè)計所用的軟件開發(fā)庫SDK。SDK提供了可以供多種語言調(diào)用指紋采集器的方式和方法，如C、C++、C#、Java、ActiveX等多種語言。本節(jié)利用G語言使用C#編譯成的.NET DLL文件方法，實(shí)現(xiàn)對指紋圖像的采集、特征提取、注冊和對比等功能。

3.1.1 LabVIEW調(diào)用.NET DLL方法

在LabVIEW中使用DLL包括兩種，分別是C/C++ DLL[3]和.NET DLL [4] 。其中，.NET DLL也被稱作.NET程序集，在.NET程序開發(fā)過程中被大量地采用。.NET使用公共語言運(yùn)行庫CLR和.NET框架對DLL中封裝的函數(shù)進(jìn)行組織及管理。

在G語言中使用.NET程序集，首先定位到G語言中位于：程序框圖->函數(shù)選板->互聯(lián)接口->.NET功能選板，即可找到所有可用的功能vi函數(shù)。再次，使用.NET功能選板中所提供的構(gòu)造器節(jié)點(diǎn)讓.NET程序集中的類首先全部進(jìn)行實(shí)例化操作。在此過程中，需要雙擊構(gòu)造器節(jié)點(diǎn)在彈出選擇.NET構(gòu)造器對話框進(jìn)行相應(yīng)的選擇操作。最后，將類實(shí)例化后的引用從構(gòu)造器節(jié)點(diǎn)連線到屬性節(jié)點(diǎn)和調(diào)用節(jié)點(diǎn)，即可通過G語言訪問封裝在.NET程序集中所有的方法和屬性。

3.1.2 指紋注冊過程

在G語言平臺之上完成對.NET程序集的訪問后就需要對指紋采集器采集上來的指紋進(jìn)行注冊和識別。其注冊指紋的目的是要將以后允許通過認(rèn)證的指紋信息記錄在上位機(jī)的數(shù)據(jù)庫當(dāng)中，方便調(diào)用匹配對比。具體注冊指紋的實(shí)現(xiàn)過程總體流程框圖如圖2所示。

首先使用構(gòu)造器節(jié)點(diǎn)將zkfp2類進(jìn)行實(shí)例化操作;然后使用調(diào)用節(jié)點(diǎn)的Init方法對指紋采集器進(jìn)行初始化;再使用調(diào)用節(jié)點(diǎn)的Acquire Fingerprint方法獲取指紋數(shù)據(jù)，并進(jìn)行特征指紋模板提取，連續(xù)進(jìn)行3次同樣的指紋采集和特征提取操作;再通過調(diào)用節(jié)點(diǎn)的DBMerge方法對三次提取的特征進(jìn)行合并;再通過調(diào)用節(jié)點(diǎn)的DBAdd方法對合并后的指紋特征進(jìn)制注冊fid號;最后通過調(diào)用節(jié)點(diǎn)的BlobBase64方法將一維指紋特征數(shù)組數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成字符串特征數(shù)據(jù)以方便在數(shù)據(jù)庫中存儲;G語言整個程序框圖實(shí)現(xiàn)過程如圖3所示。

3.1.3 指紋存儲

將指紋特征字符串進(jìn)行存儲，使用的是LabSQL第三方工具包。首先使用ADO Connection Create建立數(shù)據(jù)庫連接引用，然后使用ADO Connection Open打開數(shù)據(jù)庫連接引用，再使用SQL Execute執(zhí)行SQL語言指令，最后使用ADO Connection Close關(guān)掉數(shù)據(jù)庫引用。其中SQL語言使用insert into語句將指紋編號fid、指紋名稱NameID、指紋特征字符串?dāng)?shù)據(jù)BlobBase64通過SQL Execute函數(shù)存儲到SQL Server數(shù)據(jù)庫，方便調(diào)用和查詢[5]。程序框圖如圖4所示。

3.1.4 指紋對比

首先使用構(gòu)造器節(jié)點(diǎn)將zkfp2類進(jìn)行實(shí)例化操作;然后使用調(diào)用節(jié)點(diǎn)的Init方法對指紋采集器進(jìn)行初始化;再使用調(diào)用節(jié)點(diǎn)的Acquire Fingerprint方法獲取指紋數(shù)據(jù)，并進(jìn)行特征提取;再通過調(diào)用節(jié)點(diǎn)的DB Identify方法對已經(jīng)提取的指紋特殊進(jìn)行對比，并給出注冊號ifd和匹配已經(jīng)存在的指紋得分score;此外，還可以通過imgBuffer將指紋數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像顯示;程序框圖如圖5所示。

4 測量結(jié)果

為了驗(yàn)證已經(jīng)開發(fā)還的指紋驗(yàn)證系統(tǒng)的性能，分別使用5個指紋，且每個指紋分別做了10次測試，一般情況下我們設(shè)置指紋score得分在90以上即認(rèn)為指紋匹配成功，該系統(tǒng)數(shù)據(jù)測試結(jié)果如表格1所示。

5 結(jié)束語

本文使用國產(chǎn)的微型USB 2.0通用型指紋采集器，并利用數(shù)據(jù)庫存儲技術(shù)，結(jié)合虛擬儀器編程軟件G語言設(shè)計和開發(fā)了具有高度安全性、適用性、穩(wěn)定性的指紋驗(yàn)證識別登錄系統(tǒng)。測試數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，指紋驗(yàn)證系統(tǒng)整體運(yùn)行穩(wěn)定，可以用于測試設(shè)備的指紋驗(yàn)證登錄。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 劉暢，李曉東，畢云峰.基于LabVIEW虛擬儀器技術(shù)的指紋識別報警系統(tǒng)設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（4）：187-191.

[3] 許劍，鄒小芳，王建華.在LabVIEW中利用DLL實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集[J].微計算機(jī)信息，2008，24（13）：95-96

[4] 侯博，廖醒宇.基于LabVIEW環(huán)境下調(diào)用DLL實(shí)現(xiàn)儀器控制[J].電子世界，2015（21）：96-98.

[5] 劉柱，徐保國，熊偉麗.PROFIBUS和LabVIEW技術(shù)在污水處理中的應(yīng)用研究[J].儀表技術(shù)與傳感器，2012（11）：80-82.

【通聯(lián)編輯：謝媛媛】