第一篇：開題報告-基于Matlab的指紋識別

畢業(yè)設(shè)計選題：基于matlab的指紋識別

隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，自動化的指紋識別技術(shù)如今已經(jīng)被人們廣泛地應(yīng)用在銀行、商業(yè)交易、公安部門、海關(guān)部門等需要對人的身份進識別的領(lǐng)域，而本文所描述的是對自動化指紋識別系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀以及自動化指紋識別系統(tǒng)的基本算法和流程，本實驗是利用MATLAB2012來進行了指紋識別系統(tǒng)的仿真和實驗的。

然而在生物識別技術(shù)的快速發(fā)展的今天，人們通過研究發(fā)現(xiàn)了每一個人的指紋都具有唯一性和不變性。也正因為這樣，指紋識別技術(shù)正在逐步的發(fā)展成為一種新的身份識別技術(shù)，并且憑借它良好的安全性以及可靠性，逐步有取代傳統(tǒng)身份認證的方式趨勢。

本實驗簡單的介紹了指紋識別圖像的預處理的方法和步驟。指紋圖像預處理之后將會得到一個寬度為統(tǒng)一像素的細化后的二值化圖像，最后再根據(jù)特定的指紋圖像的端點以及交叉點的特征進行對指紋自動匹配。本論文中采用MATLAB2012編程實現(xiàn)所有算法。

關(guān)鍵詞：指紋識別技術(shù) 指紋圖像預處理 指紋識別 MATLAB2012

1.1 指紋及其識別

如今，生物特征識別領(lǐng)域中的最為成熟的應(yīng)用技術(shù)之一--指紋識別技術(shù)。其實它已經(jīng)有非常悠久的歷史了。很久以前，指紋識別技術(shù)已經(jīng)很早就應(yīng)用于刑事偵查和司法鑒定領(lǐng)域了，很多人不知道的是。隨著計算機網(wǎng)絡(luò)和信息處理技術(shù)的快速發(fā)展，這門歷史悠久的指紋識別技術(shù)也開拓了更多更廣闊的市場，自動的指紋識別技術(shù)和與其相關(guān)的產(chǎn)品越來越多的應(yīng)用在普通人的生活當中。

生物識別技術(shù)（Biometric Identification Technology）的定義是：利用人體的不同的生物特征來進行對人的身份進行認證的一種技術(shù)[1]。這是因為人的生物特征是唯一的，可以區(qū)分與他人不同的特征。并且我們還可以通過技術(shù)測量或者是自動識別來檢驗出生理特性以及行為方式，我們所說的這個特征分為生理特征、行為特征。我們對生物特性來進行提取并放入數(shù)據(jù)庫，再將提取出來的人的唯一特征和它的身份一一對應(yīng)起來。

指紋識別技術(shù)：對 “全局特征”、“局部特征”進行分析的技術(shù)就是我們所說的指紋識別技術(shù)。而且我們每一個人的指紋都具有獨一無二的特征點，而且這些特征點都是可以測量的。每一個特征點還會伴隨著大概七個左右不同的特征?？上攵?，我們有10個手指，將產(chǎn)生至少4900的獨立功能并可以測量的數(shù)據(jù)。這將意味：指紋識別技術(shù)是一個門可靠的身份識別技術(shù)。

根據(jù)不同的人的指紋也會有不同，即使是同一個人，也會有不同的指紋。而且紋線走向、紋線的斷點、交叉點的不同更加決定了指紋都具有“唯一”的這種特性，這恰恰就是指紋識別技術(shù)的原理。不僅如此，我們的指紋也是不會隨著我們年齡的增長而發(fā)生太大的變化，也就是說我們指紋是終生不變的。利用唯一性和穩(wěn)定性這個指紋的特性，可以將一個人身份個人信息和他所對應(yīng)的指紋聯(lián)系起來。實現(xiàn)的方法就是：通過對他的指紋樣本的預先保存，再和指紋模板進行配對和比較。再利用計算機對指紋圖像進行快速的識別。這樣就能很快的識別出指紋所對應(yīng)的的人的真實身份了。從而達到一種身份認證和識別的功能。

1.2 指紋識別算法概述

本實驗所使用的主要算法是濾波特征和不變矩指紋識別算法。

濾波特征識別算法：大小不變，不變的位置，方向不變，這是特征指紋圖像必須滿足的三個特點。大小不變性是很容易滿足的。而在濾波特征提取算法中，位置不變性，則是通過確定指紋圖像的中心點位置來實現(xiàn)的。通過在匹配階段，建立起多個角度的旋轉(zhuǎn)特征向量來實現(xiàn)指紋圖像的方向不變性。而濾波特征的提取算法，包括了4 個步驟。一是先確定指紋圖像的中心點。作為需要處理的指紋區(qū)域的中心位置，記為R01 區(qū)域；二是以中心位參考點，對R01 區(qū)域來進行適當?shù)膭澐郑玫揭欢ù笮〉膲K；三是運用一組 Gabor 濾波器，對R01 區(qū)域做八個不同方向的濾波運算；四是對濾波后的圖像，分別計算出每一塊中。圖像灰度值相對于均值的平均絕對偏差。進而得到特征向量或特征編碼。這種指紋識別算法。首先要對指紋圖像提取濾波特征，然后在特征向量上（由濾波特征值構(gòu)成的）進行匹配。不變矩識別算法的基本思路是：

1、搜索預處理后的二值化圖像中，所有可能成為目標的區(qū)域。

2、計算出R01區(qū)域中7個不變矩特征，求出與模板匹配程度最高的R01區(qū)域進行匹配。其中相似度度量采用歐式距離（Euclidean distance）。

這里，搜索算法為系統(tǒng)使用的最簡單的順序查找方法。就是對數(shù)據(jù)庫文件，逐一搜索。一張指紋數(shù)字圖像圖片被系統(tǒng)讀入時，就會根據(jù)上述的方法，先對這一幅指紋數(shù)字圖像進行特征值提取和編碼，并保存到臨時變量中去。系統(tǒng)的指紋數(shù)字圖像數(shù)據(jù)庫文件里同時也會保存一組指紋數(shù)字圖像灰度偏差的特征。過程如下：

1．申請內(nèi)存空間。將匹配結(jié)果的臨時變量進行保存，對輸入系統(tǒng)的要匹配的指紋數(shù)字圖像的編碼進行保存。

2.搜索系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫文件。當數(shù)據(jù)庫文件為空時，程序結(jié)束查找。3.當系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫文件不為空時。由于在指紋數(shù)字圖像在入庫的時候，指紋數(shù)字圖像是按一定排列順序的編碼。同樣地，系統(tǒng)也將匹配的指紋數(shù)字圖像的圖象編碼設(shè)置同樣的順序。這樣系統(tǒng)就按照一定得順序進行匹配。這樣可以通過歐氏距離（E D）匹配算法，來判斷兩個指紋數(shù)字圖像之間的歐氏距離。前面提到系統(tǒng)是對一張指紋數(shù)字圖像進行兩次編碼的保存。將相對應(yīng)的特征向量進行比較，取其中最小的一個作為系統(tǒng)比對的結(jié)果輸出。這里是通過歐式距離來實現(xiàn)的對比數(shù)據(jù)庫中模板圖像和待測試圖像相對應(yīng)的特征點向量距離計算的。對于計算機計算出來的數(shù)據(jù)，如果匹配指數(shù)小于定值 T，則被認為是匹配成功，否則匹配失敗。

簡單的說，歐氏距離（Euclidean distance）就是將兩組特征向量相減，然后求出他們對應(yīng)之間的差的平方和，然后開根號。舉個例子來說吧：A=（1，2，3）B=（4，5，6）則他們之間的距離就是 d=sqrt((1-4)2+(2-5)2+(3-6)2)。接著識別系統(tǒng)就逐一搜索數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)文件，求的他們距離的最小數(shù)值。如果對比的兩張指紋數(shù)字圖像的特征向量之間的距離是 0，則系統(tǒng)會認為這兩張數(shù)字圖像是同一張，或者說來自于同一手指。從而達到識別的功能。歐氏距離表示的是兩張指紋數(shù)字圖像的特征向量的相似程度。距離越近就越容易相互干擾，誤碼率也就越高，也就越相似。

1.3采集指紋圖像的技術(shù)

獲得良好的指紋圖像是一個十分復雜的問題。因為用于測量的指紋僅是相當小的一片表皮，所以指紋采集設(shè)備應(yīng)有足夠好的分辨率以獲得指紋的細節(jié)。目前所用的指紋圖像采集設(shè)備，基本上基于三種技術(shù)基礎(chǔ)：光學技術(shù)、半導體硅技術(shù)、超聲波技術(shù)。

1.光學技術(shù)[10]

借助光學技術(shù)采集指紋是歷史最久遠、使用最廣泛的技術(shù)。將手指放在光學鏡片上，手指在內(nèi)置光源照射下，用棱鏡將其投射在電荷耦合器件（CCD）上，進而形成脊線（指紋圖像中具有一定寬度和走向的紋線）呈黑色、谷線（紋線之間的凹陷部分）呈白色的數(shù)字化的、可被指紋設(shè)備算法處理的多灰度指紋圖像。

光學的指紋采集設(shè)備有明顯的優(yōu)點：它已經(jīng)過較長時間的應(yīng)用考驗，一定程度上適應(yīng)溫度的變異，較為廉價，可達到500DPI的較高分辨率等。缺點是：由于要求足夠長的光程，因此要求足夠大的尺寸，而且過分干燥和過分油膩的手指也將使光學指紋產(chǎn)品的效果變壞。

2.硅技術(shù)（CMOS技術(shù)）[10]

20世紀90年代后期，基于半導體硅電容效應(yīng)的技術(shù)趨于成熟。硅傳感器成為電容的一個極板，手指則是另一極板，利用手指紋線的脊和谷相對于平滑的硅傳感器之間的電容差，形成8bit的灰度圖像。

硅技術(shù)優(yōu)點是可以在較小的表面上獲得比光學技術(shù)更好的圖像質(zhì)量，在1cm×1.5cm的表面上獲得200~300線的分辨率（較小的表面也導致成本的下降和能被集成到更小的設(shè)備中）。缺點是易受干擾，可靠性相對差。

3.超聲波技術(shù)[10]

為克服光學技術(shù)設(shè)備和硅技術(shù)設(shè)備的不足，一種新型的超聲波指紋采集設(shè)備已經(jīng)出現(xiàn)。其原理是利用超聲波具有穿透材料的能力，且隨材料的不同產(chǎn)生大小不同的回波（超聲波到達不同材質(zhì)表面時，被吸收、穿透與反射的程度不同），因此，利用皮膚與空氣對于聲波阻抗的差異，就可以區(qū)分指紋脊與谷所在的位置。

超聲波技術(shù)所使用的超聲波頻率為1×104Hz~1×109Hz，能量被控制在對人體無損的程度（與醫(yī)學診斷的強度相同）。超聲波技術(shù)產(chǎn)品能夠達到最好的精度，它對手指和平面的清潔程度要求較低，但其采集時間會明顯地長于前述兩類產(chǎn)品。

1.4 指紋預處理

而在指紋采集過程中，不可避免的會引入各種噪聲，如圖像中的叉連、斷點等，這些噪聲對指紋特征信息的提取造成一定的影響，甚至會產(chǎn)生許多偽特征點。因此在提取指紋特征之前，需要對指紋圖像進行濾波處理，以去除無用信息，增強有用信息。在得到增強的灰度圖后，需要將其進一步二值化，便于后續(xù)過程的處理。指紋圖像預處理是去除指紋圖像中的噪聲，使指紋圖像清晰、邊緣明顯，以便于提高提取和存儲特征點的準確率。包括指紋區(qū)域檢測、圖像質(zhì)量判斷、方向圖和頻率估計、圖像增強、指紋圖像二值化和細化等[9]。指紋圖像獲取是通過專門的指紋采集儀可以采集活體指紋圖像。目前，指紋采集儀主要有活體光學式、電容式和壓感式。對于分辨率和采集面積等技術(shù)指標，公安行業(yè)已經(jīng)形成了國際和國內(nèi)標準，但其他還缺少統(tǒng)一標準。根據(jù)采集指紋面積大體可以分為滾動捺印指紋和平面捺印指紋，公安行業(yè)普遍采用滾動捺印指紋。另外，也可以通過掃描儀、數(shù)字相機等獲取指紋圖像。指紋圖像只有脊和谷之分，因此完全可以由二值圖象來描述，也就是指紋圖像的二值化。目前指紋的二值化不外乎兩種方法[13]，一種是固定門限法，另一種是動態(tài)門限法。固定門限法是對整幅圖象用一個灰度門限值，它對輸入圖象要求高，要求整幅圖象灰度分布均勻。因此我們把均衡增強后的圖象作為它的輸入圖象。動態(tài)門限法是根據(jù)不同區(qū)域取不同門限值，一般采用平均域值法。它對輸入圖象照射要求不高。因此我們把方向性濾波后圖象作為輸入圖象。指紋圖像的細化是找出指紋紋線的軸心線來代替紋線的過程。目前采用的細化方法就是迭代一一輪廓剝離法。每次壘圖象掃描迭代一次[8]，就剝掉邊界象素中不影響連通性的象素，直至紋線寬度為1個象素為止。這樣一來，如果被細化的紋線寬度越厚，迭代次數(shù)就越多，細化時間就越長，這是我們不希望的。指紋形態(tài)特征包括中心（上、下）和三角點（左、右）等，指紋的細節(jié)特征點主要包括紋線的起點、終點、結(jié)合點和分叉點。將這些點進行自動選擇從而完成指紋形態(tài)和細節(jié)特征提取的工作[14]。指紋比對是將可以根據(jù)指紋的紋形進行粗匹配，進而利用指紋形態(tài)和細節(jié)特征進行精確匹配，給出兩枚指紋的相似性得分。根據(jù)應(yīng)用的不同，對指紋的相似性得分進行排序或給出是否為同一指紋的判決結(jié)果。

1.5 指紋圖像預處理過程及一般算法

在指紋圖象處理的流程中，預處理是第一個處理環(huán)節(jié)．它對原始灰度圖像進行平滑、銳化、增強、二值化等處理，從而使細化、特征抽取等操作能夠有效進行。在常見的圖象處理技術(shù)中，通常按處理目的把預處理過程分為平滑、增強、二值化等步驟。每一步驟都有一些常用算法，如用于平滑的均值濾波法、中值濾波法、迭代加權(quán)法等，用于增強的規(guī)格化法、自適應(yīng)算法、拉普拉斯法、Wdlis濾波、Lee濾波等[5]。經(jīng)過很長時間的深入研究和反復實踐，發(fā)現(xiàn)這些常用的算法應(yīng)用在指紋圖象處理中有下列的問題：(1)這些算法對于指紋圖象處理的效果并不理想，盡管從視覺上有一定改善，但對于后續(xù)的細化和特征抽取處理效果來看，不能有效地提高特征的準確率。

(2)不能較好地處理指紋的背景部分，嚴重影響特征抽取和識別。(3)不能根據(jù)指紋圖象的質(zhì)量差別進行特殊處理，通常獲得的指紋圖象，會有部分區(qū)域質(zhì)量較差，無法抽取特征，在這些算法中，無法找到一個判別標準[5]。

對此，則需要我們對算法原理的進一步了解及改進。

方向圖算法正是基于以上特點在80年代初期，就已經(jīng)開始有把方向圖引入到指紋圖的一些成功的嘗試。這時候所使用的方向圖是從二值圖中直接提取，得到的處理效果并不完全令人滿意。從1987年開始，B M．Mehtre等人成功地得到了在灰度圖上直接獲取方向圖的有效算法，并陸續(xù)提出了一系列的預處理方法來處理指紋灰度圖[15]。使用這些算法使指紋圖象的處理效果達到了一個新的水平，從而使基于方向圖的算法成為指紋圖象處理方法研究中的一個熱點 在以后的研究中，出現(xiàn)了很多改進和發(fā)展，如Kallen Karu等1996 年提出的把方向圖用于紋型分類。Linghong等1998年提出的基于方向圖的紋線增強等都取得了較好的效果[24]。這使得方向圖成為指紋圖象處理技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前的基于方向圖的算法中，從灰度圖中獲取方向圖的原理都大體相同，其基本原理是：從圖象的灰度矩陣C(I，J)中計算在各個方向上的某個統(tǒng)計量如灰度差或灰度平均等，根據(jù)這些統(tǒng)計量在各個方向上的差異，確定在一個小臨域內(nèi)紋線的主方向。針對每象素得到的方向則形成點方向圖[23]。為了保持點方向的有效性使用方便，對點方向在一小塊內(nèi)聚類則得到塊方向圖。

1.6特征拾取、驗證和辨識

一個高質(zhì)量的圖像被拾取后，需要許多步驟將它的特征轉(zhuǎn)換到一個復合的模板中，這個過程被稱為特征拾取過程，它是手指掃描技術(shù)的核心。當一個高質(zhì)量的圖像被拾取后，它必須被轉(zhuǎn)換成一個有用的格式。如果圖像是灰度圖像，相對較淺的部分會被刪除，而相對較深的部分被變成了黑色。脊的像素有5~8個被縮細到一個像素，這樣就能精確定位脊斷點和分岔了。微小細節(jié)的圖像便來自于這個經(jīng)過處理的圖像[18]。在這一點上，即便是十分精細的圖像也存在著變形細節(jié)和錯誤細節(jié)，這些變形和錯誤細節(jié)都要被濾除。

除細節(jié)的定位和夾角方法的應(yīng)用以外，也可通過細節(jié)的類型和質(zhì)量來劃分細節(jié)。這種方法的好處在于檢索的速度有了較大的提高，一個顯著的、特定的細節(jié)，它的惟一性更容易使匹配成功。還有一些生產(chǎn)商采用的方法是模式匹配方法，即通過推斷一組特定脊的數(shù)據(jù)來處理指紋圖像。

就應(yīng)用方法而言，指紋識別技術(shù)可分為驗證和辨識[20]。

驗證就是通過把一個現(xiàn)場采集到的指紋與一個已經(jīng)登記的指紋進行一對一的比對來確定身份的過程。指紋以一定的壓縮格式存儲，并與其姓名或其標識（ID，PIN）聯(lián)系起來。隨后在對比現(xiàn)場，先驗證其標識，然后利用系統(tǒng)的指紋與現(xiàn)場采集的指紋比對來證明其標識是合法的。驗證其實回答了這樣一個問題：“他是他自稱的這個人嗎？”這是應(yīng)用系統(tǒng)中使用得較多的方法。

辨識則是把現(xiàn)場采集到的指紋同指紋數(shù)據(jù)庫中的指紋逐一對比，從中找出與現(xiàn)場指紋相匹配的指紋。這也叫“一對多匹配”[16]。辨識其實是回答了這樣一個問題：“他是誰？”

指紋是人體獨一無二的特征，其復雜度足以提供用于鑒別的特征。隨著相關(guān)支持技術(shù)的逐步成熟，指紋識別技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展已成為目前最方便、可靠、非侵害和價格便宜的生物識別技術(shù)解決方案，對于廣大市場的應(yīng)用有著很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

1.7 指紋識別的主要應(yīng)用

指紋識別鍵盤現(xiàn)在的計算機應(yīng)用中，包括許多非常機密的文件保護，大都使用“用戶ID+密碼”的方法來進行用戶的身份認證和訪問控制。但是，如果一旦密碼忘記，或被別人竊取，計算機系統(tǒng)以及文件的安全問題就受到了威脅[11]。

隨著科技的進步，指紋識別技術(shù)已經(jīng)開始慢慢進入計算機世界中。目前許多公司和研究機構(gòu)都在指紋識別技術(shù)領(lǐng)域取得了很大突破性進展，推出許多指紋識別與傳統(tǒng)IT技術(shù)完美結(jié)合的應(yīng)用產(chǎn)品，這些產(chǎn)品已經(jīng)被越來越多的用戶所認可。指紋識別技術(shù)多用于對安全性要求比較高的商務(wù)領(lǐng)域，而在商務(wù)移動辦公領(lǐng)域頗具建樹的富士通、三星及IBM等國際知名品牌都擁有技術(shù)與應(yīng)用較為成熟的指紋識別系統(tǒng)，下面就對指紋識別系統(tǒng)在筆記本電腦中的應(yīng)用進行簡單介紹。

眾所周知，在兩年前就有部分品牌的筆記本采用指紋識別技術(shù)用于用戶登錄時的身份鑒定第一代光學式指紋讀取器，但是，當時推出的指紋系統(tǒng)屬于光學識別系統(tǒng)，按照現(xiàn)在的說法，應(yīng)該屬于第一代指紋識別技術(shù)。光學指紋識別系統(tǒng)由于光不能穿透皮膚表層（死性皮膚層），所以只能夠掃描手指皮膚的表面，或者掃描到死性皮膚層，但不能深入真皮層。

在這種情況下，手指表面的干凈程度，直接影響到識別的效果。如果，用戶手指上粘了較多的灰塵，可能就會出現(xiàn)識別出錯的情況。并且，如果人們按照手指，做一個指紋手模，也可能通過識別系統(tǒng)，對于用戶而言，使用起來不是很安全和穩(wěn)定。

因此出現(xiàn)了第二代電容式傳感器，電容傳感器技術(shù)是采用了交替命令的并排列和傳感器電板，交替板的第二代電容式傳感器形式是兩個電容板，以及指紋的山谷和山脊成為板之間的電介質(zhì)。兩者之間的恒量電介質(zhì)的傳感器檢測變化來生成指紋圖像。但是由于傳感器表面是使用硅材料容易損壞，導致使用壽命降低，還有它是通過指紋的山谷和山脊之間的凹凸來形成指紋圖像的，所以對臟手指、濕手指等困難手指識別率低。

發(fā)展到今天，出現(xiàn)第三代生物射頻指紋識別技術(shù)，射頻傳感器技術(shù)是通過傳感器本身發(fā)射出微量射頻信號，穿透手指的表皮層去控測里層的紋路，來獲得最佳的指紋圖像。因此對干手指，漢手指等困難手指通過可高達99%，防偽指紋能力強，指紋敏感器的識別原理只對人的真皮皮膚有反應(yīng)，從根本上杜絕了人造指紋的問題，寬溫區(qū)：適合特別寒冷或特別酷熱的地區(qū)。因為射頻傳感器產(chǎn)生高質(zhì)量的圖像，因此射頻技術(shù)是最可靠，最有力有解決方案。除此之外，高質(zhì)量圖像還允許減小傳感器，無需犧牲認證的可靠性，從而降低成本并使得射頻傳感器思想的應(yīng)用到可移動和大小不受拘束的任何領(lǐng)域中。

指紋識別技術(shù)還可以通過幾種方法應(yīng)用到許多方面?？梢韵胂笕绻嬎銠C上的所有系統(tǒng)和應(yīng)用程序都可以使用指紋驗證的話，人們使用計算機就會非常方便和安全，用戶不再討厭必要的安全性檢查，而IT開發(fā)商的售后服務(wù)工作也會減輕許多。IBM公司已經(jīng)開發(fā)成功并廣泛應(yīng)用的Global Sign On軟件通過定義唯一的口令，或者使用指紋，就可以在公司整個網(wǎng)絡(luò)上暢行無阻。把指紋識別技術(shù)同IC卡結(jié)合起來，是目前最有前景的一個方向之一[12]。該技術(shù)把卡的主人的指紋（加密后）存儲在IC卡上，并在IC卡的讀卡機上加裝指紋識別系統(tǒng)，當讀卡機閱讀卡上的信息時，一并讀入持卡者的指紋，通過比對卡上的指紋與持卡者的指紋就可以確認持卡者的是否卡的真正主人，從而進行下一步的交易。在更加嚴格的場合，還可以進一步同后端主機系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫上的指紋作比較。指紋IC卡可以廣泛地運用于許多行業(yè)中，例如取代現(xiàn)行的ATM卡、制造防偽證件（簽證或護照、公費醫(yī)療卡、會員卡、借書卡等）。目前ATM提款機加裝指紋識別功能在美國已經(jīng)開始使用。持卡人可以取消密碼(避免老人和孩子記憶密碼的困難)或者仍舊保留密碼，在操作上按指紋與密碼的時間差不多。



近年來，自動發(fā)送信息的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，帶給人們的方便與利益，正在快速增長之中，但也因此產(chǎn)生了很多的問題，尤其在信息安全方面。無論是團體或者個人的信息，都害怕在四通八達的網(wǎng)絡(luò)上傳送而發(fā)生有損權(quán)益的事情。由于指紋特征數(shù)據(jù)可以通過電子郵件或其他傳輸方法在計算機網(wǎng)絡(luò)上進行傳輸和驗證，通過指紋識別技術(shù)，限定只有指定的人才能訪問相關(guān)信息，可以極大地提高網(wǎng)上信息的安全性，這樣，包括網(wǎng)上銀行、網(wǎng)上貿(mào)易、電子商務(wù)的一系列網(wǎng)絡(luò)商業(yè)行為，就有了安全性保障。在SFNB(Security First Network Bank安全第一網(wǎng)絡(luò)銀行)[22]，就是通過互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)來進行資金劃算的，他們目前正在實施以指紋識別技術(shù)為基礎(chǔ)的保障安全性的項目，以增強交易的安全性。



在醫(yī)院里，指紋識別技術(shù)可以驗證病人身份，例如輸血管理。指紋識別技術(shù)也有助于證實尋求公共救援、醫(yī)療及其他政府福利或者保險金的人的身份確認。在這些應(yīng)用中，指紋識別系統(tǒng)將會取代或者補充許多大量使用照片和ID的系統(tǒng)。

總之，隨著許多指紋識別產(chǎn)品已經(jīng)開發(fā)和生產(chǎn)，指紋識別技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)開始進入民用市場，并且發(fā)展迅猛，相信這一技術(shù)的普及應(yīng)用已經(jīng)指日可待。

第二篇：開題報告-基于MATLAB的鍋爐氣溫神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制

開題報告

電氣工程及自動化

基于MATLAB的鍋爐氣溫神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制

一、綜述本課題國內(nèi)外研究動態(tài)，說明選題的依據(jù)和意義

1.過熱汽溫控制系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制現(xiàn)狀

我國目前電站鍋爐中燃煤爐占有最大比重，鍋爐是生產(chǎn)蒸汽的設(shè)備，過熱蒸汽溫度的高低對電廠的安全性和經(jīng)濟性有著顯著的影響，它成了鍋爐運行的重要指標之一。火電廠機組的控制已從較早的手動控制、就地控制，發(fā)展為了自動控制、集中控制。火力發(fā)電占我國發(fā)電總量的70%以上，而我國主要應(yīng)用的是從80年代中期開始普及的分散控制系統(tǒng)，它具有功能強、可靠性高、靈活性好、維護和使用方便、性價比高等優(yōu)點。目前我國的熱工技術(shù)屬于中上水平，能夠滿足并保證系統(tǒng)的安全運作。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是從20世紀80年代的中后期開始發(fā)展起來的橫跨多個領(lǐng)域的新型信息處理技術(shù)。它具有大規(guī)模并行、自組織、自適應(yīng)、自學習和高度的容錯性。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在系統(tǒng)建模、控制中的應(yīng)用已經(jīng)引起了相當程度的重視并取得了一定的成果。它的優(yōu)勢體現(xiàn)在能夠以任意精度逼近任意非線性映射，同時融合定量與定性的數(shù)據(jù)，且可以和傳統(tǒng)的控制方法做適宜的結(jié)合。到目前為止，我國在人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與控制上取得了眾多的研究成果，例如結(jié)合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與

PID控制，形成船舶柴油發(fā)電機轉(zhuǎn)速神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)；

控制系統(tǒng)中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器與

PID控制器相結(jié)合，經(jīng)過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器的不斷學習，控制器獲取船舶柴油發(fā)電機轉(zhuǎn)速系統(tǒng)的動態(tài)逆模型。陳恩偉在《機器人末端臂慣性參數(shù)辨識的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法》一文中，采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法分析了機器人操作臂末端連桿慣性參數(shù)辨識的原理及數(shù)學模型，提出了一種與傳統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)問題不同的慣性參數(shù)辨識方法，使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)與權(quán)值具有明確的物理意義，解決了獲取樣本難的問題?？梢妼⑸窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于過熱汽溫控制系統(tǒng)有良好前景。

2．汽溫過熱控制系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的展望

對于汽溫過熱控制系統(tǒng)的研究，國內(nèi)外廣大專家學者和現(xiàn)場工作人員關(guān)注的熱點問題是在過熱汽溫控制歷程中，對于具有大延遲、工況變化對模型參數(shù)有較大影響的過熱汽溫對象，如何穩(wěn)定、快速、準確地對其進行有效的控制。近年來，不論是控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)本身還是控制器的設(shè)計都有不小的進展，對更好的控制過熱汽溫及鍋爐的安全、經(jīng)濟運行起到了很大的推動作用。提高機組運行的安全可靠性和經(jīng)濟性是今后過熱系統(tǒng)的發(fā)展方向。

一個時期以來，自動控制工作者面臨著控制對象越來越難和控制系統(tǒng)要求越來越高，迫切要求提高系統(tǒng)智能化的兩大難題。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)源于對人體大腦神經(jīng)的模擬，具有很強的適應(yīng)能力、自學習能力和逼近任意非線性連續(xù)函數(shù)的特性。這一特點使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在自動控制領(lǐng)域引起了極大關(guān)注。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于控制雖然有很大優(yōu)勢，但還存在一些有待研究解決的問題，主要有現(xiàn)行的學習算法收斂速度太低，分布式并處理方式的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部機理并不清楚，泛化能力不足,所以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為智能控制的一個分支，常與傳統(tǒng)控制相結(jié)合，其能夠更成功地處理各種不確定的、復雜的、不精確的和近似的控制問題。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)具有很高學術(shù)理論意義和實際應(yīng)用價值。結(jié)合傳統(tǒng)控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點,能夠有效地利用人的經(jīng)驗知識,更好地提高系統(tǒng)的智能性,從而更好地應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)過程的控制。

3.課題說明及選題的意義

隨著我國經(jīng)濟的斷發(fā)展，電力事業(yè)的發(fā)展速度也得到了空前的提高?；痣姀S參數(shù)和容量的不斷提高和擴大使得提高設(shè)備的可靠性和運行的經(jīng)濟性成為了重要的問題。近代鍋爐對過熱汽溫的控制是十分嚴格的，允許變化范圍一般為額定汽溫±5。C。汽溫過高或過低，以及大幅度的波動都嚴重影響鍋爐的安全和經(jīng)濟性，這就要求其對應(yīng)的控制系統(tǒng)有較強的調(diào)節(jié)性、容錯性、精確性和對被控對象參數(shù)的自適應(yīng)性并具有一定的自學習能力。

出于以上的原因，我認為將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)應(yīng)用于鍋爐的氣溫控制有著十分必要的現(xiàn)實意義和良好的應(yīng)用前景。

二、研究的基本內(nèi)容，擬解決的主要問題：

熟悉控制系統(tǒng)的數(shù)學建模方法和過程，掌握應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制理論來進行鍋爐氣溫控制的方法。

以電廠的鍋爐過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)為研究對象，熟悉其工作原理，并建立起數(shù)學模型；了解神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的理論基礎(chǔ)，并應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制理論實現(xiàn)對過熱氣溫的控制，并實現(xiàn)MATLAB仿真。

三、研究步驟、方法及措施：

1.接受任務(wù)、收集資料、完成調(diào)研，完成開題報告、文獻綜述、外文翻譯。

2.研究鍋爐過熱蒸汽溫度控制系統(tǒng)的對象特性，并完成其數(shù)學建模。

3.熟悉神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制理論，掌握其設(shè)計方法。

4.應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制理論進行鍋爐過熱蒸汽控制器的設(shè)計。

5.完成MTALAB仿真，并完成論文初稿。

四、參考文獻

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[7]費峻濤，鮑遠律，朱民等．神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的應(yīng)用和發(fā)展[J]．自動化與儀表．1998，13(2)：1~2．

[8]馮明琴．自動控制的發(fā)展[J]．與現(xiàn)狀攀枝花大學學報．2000,17(1)：82~86．

[9]吳文聽．神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究現(xiàn)狀[J]．甘肅科技縱橫．2006,35(4)：35~36．

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[11]邱東強，涂亞慶．神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的現(xiàn)狀與展望．http://004km.cnki.net．2008.5

[15]陳建勤，呂劍虹，陳來九．模糊控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀與發(fā)展[J]．廣州自化．1995，16(49)：7~13．

第三篇：指紋識別畢業(yè)論文答辯稿

各位老師，下午好！我是09電科本的張萬峰，我的論文題目是基于指紋圖像的身份識別技術(shù)研究與應(yīng)用。

我之所以選擇這個題目，是因為指紋識別技術(shù)是目前最熱門的生物識別技術(shù)之一。由于傳統(tǒng)的身份識別系統(tǒng)主要是借助于證件和數(shù)字等這些外界標志來確認人的身份，非常容易被仿造，已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代社會的需求。而指紋識別技術(shù)則充分利用了指紋的普遍性、唯一性和穩(wěn)定性的特點，將一個人的指紋與之前登記的指紋進行比較，就可以驗證他的身份，有著很高的防偽性，作為新一代的身份識別技術(shù)，具有很大的發(fā)展前景。

本篇論文主要分為四個章節(jié)：第一章介紹了指紋識別技術(shù)的發(fā)展歷史以及它的特點；第二章說明了指紋是如何形成的以及指紋的特征和類型；第三章詳細分析了指紋識別技術(shù)的基本過程和原理；第四章介紹了指紋識別技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域還有它的一些不足。指紋識別技術(shù)主要包括圖像采集、圖像預處理、特征提取和匹配四個方面。

我主要是用MATLAB對圖像預處理、特征提取和匹配這三個部分進行了實驗仿真。首先是對一幅指紋圖像進行了預處理，先是規(guī)格化它的灰度值、然后通過圖像分割消除外側(cè)的背景區(qū)域、再進行圖像增強(包括濾波、銳化和平滑處理)改善了圖像質(zhì)量，最后通過二值化和細化得到一幅清晰的指紋細化二值圖。

再然后對細化圖進行了特征提取，去除了其中的偽特征點，形成了一個比較有效的特征信息。這個特征信息主要是端點和分叉點的位置（這個坐標是相對于指紋中心點的），最后我用兩枚指紋進行了匹配，比對了兩枚指紋的特征信息，結(jié)果顯示相似的特征點有28個，我就認為匹配成功了，因為一般13個特征點就可以確認一枚指紋，而這兩枚指紋確實出自同一個手指，試驗比較順利。

這說明指紋識別技術(shù)是可行的。

我的論文論述完畢！請問各位老師有什么問題？

第四篇：Matlab實習報告

實驗一

仿真條件：電機空載下，輸入為階躍信號，仿真時間為0.4S。

階躍信號，仿真時間為0.4S。

圖二 磁鏈圖

實驗結(jié)果：開始時有摩擦轉(zhuǎn)矩，在短時間內(nèi)能夠快速形成圓形轉(zhuǎn)矩。

圖1 速度響應(yīng)曲線 實際結(jié)果：時間與電機負載轉(zhuǎn)矩為0時的電機響應(yīng)速度曲線，速度響應(yīng)誤差為0。

仿真條件：電機空載下，輸入為

仿真條件：d軸電流設(shè)置為0，輸入為階躍信號，電機空載運行響應(yīng)時間為0.4秒。

圖三 速度電流響應(yīng)曲線

實際結(jié)果：在0.02秒時間達到目標轉(zhuǎn)速，iq達到穩(wěn)定。

實驗三

實驗目的：驗證比列系數(shù)對穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差的影響。

仿真條件：修改KVFF為0，KAFF為0，負載為0，KPP為169，KPD為200.8,kpi為0

圖四 速度 EP的響應(yīng)曲線

試驗目的：驗證比例系數(shù)對穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差的關(guān)系ESS=V/K穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差越來越小。

仿真條件：修改KVFF為0，KAFF為0，負載為0，KPP為500，KPD為200.8,kpi為0。

圖五 速度 EP的響應(yīng)曲線

試驗目的：驗證比例系數(shù)對穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差的關(guān)系。

仿真條件：修改KVFF為0，KAFF為0，負載為0，KPP為5000，KPD為200.8,kpi為0。

圖六 速度 EP的響應(yīng)曲線

實驗結(jié)果：Ep=V/K，隨著K的增加，V不變，EP漸漸減小，前饋=1，完全補償誤差，穩(wěn)定位置跟蹤誤差=0.試驗目的：修改前饋系數(shù)觀察穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差關(guān)系。

仿真條件：使KVFF為0.5電機負載為0使電機的摩擦系數(shù)為0。

圖七 速度 EP的響應(yīng)曲線

試驗結(jié)論：修改前饋系數(shù)觀察穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差關(guān)系。仿真條件：使KVFF為1電機負載為0使電機的摩擦系數(shù)為0。

圖八 速度 EP的響應(yīng)曲線

實驗結(jié)果:由穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差=速度/比列系數(shù)（ess=v/k)得，比列系數(shù)越大，速度不變，穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差越大。

實驗二

條件：電流給定信號（iq=500HZF方波），Id=0。電機的摩擦系數(shù)為無窮大，看Iq的響應(yīng)波形。

實驗結(jié)果:電機的摩擦系數(shù)為1000時，TL會反向轉(zhuǎn)動。

條件：電流環(huán)達到速度環(huán)輸出，還原參數(shù)速度還比列信號改成正弦波，繼續(xù)增加頻率。

正弦波頻率為100HZ

正弦波頻率為200HZ

正弦波頻率為500HZ

正弦波頻率為700HZ

實驗四

實驗條件：建立一個直流電機單速度閉環(huán)調(diào)節(jié)器。

第五篇：Matlab實踐報告

MATLAB實踐報告

2016/2017學年 第一學期

專 業(yè)： 電氣工程及其自動化

班 級： 學 號： 姓 名：

2017年 2 月

目錄

第1章 引言.....................................................................................................................................1 第2章MATLAB功能介紹............................................................................................................2 2.1 MATLAB功能特性...........................................................................................................2 2.1.1主要功能..................................................................................................................2 2.1.2 MATLAB產(chǎn)品系列重要功能................................................................................2 2.2MATLAB優(yōu)勢特點............................................................................................................2 2.2.1編程環(huán)境..................................................................................................................3 2.2.2簡單易用..................................................................................................................3 2.2.3強處理能力..............................................................................................................3 2.2.4應(yīng)用軟件開發(fā)..........................................................................................................3 2.3MATLAB應(yīng)用方面............................................................................................................3 第3章MATLAB課程設(shè)計任務(wù)....................................................................................................5 3.1任務(wù)一 MATLAB環(huán)境語法、基本運算及繪圖..............................................................5 3.1.1目的..........................................................................................................................5 3.1.2原理..........................................................................................................................5 3.1.3內(nèi)容..........................................................................................................................5 3.2任務(wù)二 MATLAB數(shù)值運算.............................................................................................9 3.2.1目的..........................................................................................................................9 3.2.2原理..........................................................................................................................9 3.2.3內(nèi)容..........................................................................................................................9 3.3任務(wù)三 MATLAB的符號計算.......................................................................................15 3.3.1目的........................................................................................................................15 3.3.2內(nèi)容........................................................................................................................15 3.4任務(wù)四 MATLAB基本編程方法...................................................................................18 3.4.1目的........................................................................................................................18 3.4.2內(nèi)容........................................................................................................................18 第4章 總結(jié)...................................................................................................................................23

第1章 引言

MATLAB是美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級技術(shù)計算語言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。

MATLAB是matrix&laboratory兩個詞的組合，意為矩陣工廠（矩陣實驗室）。是由美國mathworks公司發(fā)布的主要面對科學計算、可視化以及交互式程序設(shè)計的高科技計算環(huán)境。它將數(shù)值分析、矩陣計算、科學數(shù)據(jù)可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強大功能集成在一個易于使用的視窗環(huán)境中，為科學研究、工程設(shè)計以及必須進行有效數(shù)值計算的眾多科學領(lǐng)域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設(shè)計語言（如C、Fortran）的編輯模式，代表了當今國際科學計算軟件的先進水平。

MATLAB和Mathematica、Maple并稱為三大數(shù)學軟件。它在數(shù)學類科技應(yīng)用軟件中在數(shù)值計算方面首屈一指。MATLAB可以進行矩陣運算、繪制函數(shù)和數(shù)據(jù)、實現(xiàn)算法、創(chuàng)建用戶界面、連接其他編程語言的程序等，主要應(yīng)用于工程計算、控制設(shè)計、信號處理與通訊、圖像處理、信號檢測、金融建模設(shè)計與分析等領(lǐng)域。

MATLAB的基本數(shù)據(jù)單位是矩陣，它的指令表達式與數(shù)學、工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB來解算問題要比用C，F(xiàn)ORTRAN等語言完成相同的事情簡捷得多，并且MATLAB也吸收了像Maple等軟件的優(yōu)點，使MATLAB成為一個強大的數(shù)學軟件。在新的版本中也加入了對C，F(xiàn)ORTRAN，C++，JAVA的支持。

第2章MATLAB功能介紹

2.1 MATLAB功能特性

2.1.1主要功能

1.數(shù)值分析

2.數(shù)值和符號計算 3.數(shù)字圖像處理 4.數(shù)字信號處理 5.工程與科學繪圖 6.控制系統(tǒng)與仿真 7.通訊系統(tǒng)設(shè)計與仿真 8.財務(wù)與金融工程

2.1.2 MATLAB產(chǎn)品系列重要功能

·MATLAB?: MATLAB 語言的單元測試框架

·Trading Toolbox?: 一款用于訪問價格并將訂單發(fā)送到交易系統(tǒng)的新產(chǎn)品

·Financial Instruments Toolbox?: 赫爾-懷特、線性高斯和 LIBOR 市場模型的校準和 Monte Carlo 仿真

·Image Processing Toolbox?: 使用有效輪廓進行圖像分割、對 10 個函數(shù)實現(xiàn) C 代碼生成，對 11 個函數(shù)使用 GPU 加速

·Image Acquisition Toolbox?: 提供了用于采集圖像、深度圖和框架數(shù)據(jù)的 Kinect? for Windows?傳感器支持

·Statistics Toolbox?: 用于二進制分類的支持向量機(SVM)、用于缺失數(shù)據(jù)的 PCA 算法和 Anderson-Darling 擬合優(yōu)度檢驗

MATLAB工作界面

·Data Acquisition Toolbox?: 為 Digilent Analog Discovery Design Kit 提供了支持包

·Vehicle Network Toolbox?: 為訪問 CAN 總線上的 ECU 提供 XCP 2.2MATLAB優(yōu)勢特點

1.高效的數(shù)值計算及符號計算功能，能使用戶從繁雜的數(shù)學運算分析中解脫出來；

2.具有完備的圖形處理功能，實現(xiàn)計算結(jié)果和編程的可視化；

3.友好的用戶界面及接近數(shù)學表達式的自然化語言，使學者易于學習和掌握；

4.功能豐富的應(yīng)用工具箱(如信號處理工具箱、通信工具箱等)，為用戶提供了大量方便實用的處理工具。

2.2.1編程環(huán)境

MATLAB由一系列工具組成。這些工具方便用戶使用MATLAB的函數(shù)和文件，其中許多工具采用的是圖形用戶界面。包括MATLAB桌面和命令窗口、歷史命令窗口、編輯器和調(diào)試器、路徑搜索和用于用戶瀏覽幫助、工作空間、文件的瀏覽器。隨著MATLAB的商業(yè)化以及軟件本身的不斷升級，MATLAB的用戶界面也越來越精致，更加接近Windows的標準界面，人機交互性更強，操作更簡單。而且新版本的MATLAB提供了完整的聯(lián)機查詢、幫助系統(tǒng)，極大的方便了用戶的使用。簡單的編程環(huán)境提供了比較完備的調(diào)試系統(tǒng)，程序不必經(jīng)過編譯就可以直接運行，而且能夠及時地報告出現(xiàn)的錯誤及進行出錯原因分析。

2.2.2簡單易用

MATLAB是一個高級的矩陣/陣列語言，它包含控制語句、函數(shù)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、輸入和輸出和面向?qū)ο缶幊烫攸c。用戶可以在命令窗口中將輸入語句與執(zhí)行命令同步，也可以先編寫好一個較大的復雜的應(yīng)用程序（M文件）后再一起運行。新版本的MATLAB語言是基于最為流行的C++語言基礎(chǔ)上的，因此語法特征與C++語言極為相似，而且更加簡單，更加符合科技人員對數(shù)學表達式的書寫格式。使之更利于非計算機專業(yè)的科技人員使用。而且這種語言可移植性好、可拓展性極強，這也是MATLAB能夠深入到科學研究及工程計算各個領(lǐng)域的重要原因。

2.2.3強處理能力

MATLAB是一個包含大量計算算法的集合。其擁有600多個工程中要用到的數(shù)學運算函數(shù)，可以方便的實現(xiàn)用戶所需的各種計算功能。函數(shù)中所使用的算法都是科研和工程計算中的最新研究成果，而且經(jīng)過了各種優(yōu)化和容錯處理。在通常情況下，可以用它來代替底層編程語言，如C和C++。在計算要求相同的情況下，使用MATLAB的編程工作量會大大減少。MATLAB的這些函數(shù)集包括從最簡單最基本的函數(shù)到諸如矩陣，特征向量、快速傅立葉變換的復雜函數(shù)。函數(shù)所能解決的問題其大致包括矩陣運算和線性方程組的求解、微分方程及偏微分方程的組的求解、符號運算、傅立葉變換和數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析、工程中的優(yōu)化問題、稀疏矩陣運算、復數(shù)的各種運算、三角函數(shù)和其他初等數(shù)學運算、多維數(shù)組操作以及建模動態(tài)仿真等。

2.2.4應(yīng)用軟件開發(fā)

在開發(fā)環(huán)境中，使用戶更方便地控制多個文件和圖形窗口；在編程方面支持了函數(shù)嵌套，有條件中斷等；在圖形化方面，有了更強大的圖形標注和處理功能，包括對性對起連接注釋等；在輸入輸出方面，可以直接向Excel和HDF5進行連接。

2.3MATLAB應(yīng)用方面

MATLAB 產(chǎn)品族可以用來進行以下各種工作：

●數(shù)值分析

●數(shù)值和符號計算 ●工程與科學繪圖

●控制系統(tǒng)的設(shè)計與仿真 ●數(shù)字圖像處理技術(shù) ●數(shù)字信號處理技術(shù) ●通訊系統(tǒng)設(shè)計與仿真 ●財務(wù)與金融工程

●管理與調(diào)度優(yōu)化計算（運籌學）

MATLAB 的應(yīng)用范圍非常廣，包括信號和圖像處理、通訊、控制系統(tǒng)設(shè)計、測試和測量、財務(wù)建模和分析以及計算生物學等眾多應(yīng)用領(lǐng)域。附加的工具箱（單獨提供的專用MATLAB函數(shù)集）擴展了MATLAB 環(huán)境，以解決這些應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)特定類型的問題。

第3章MATLAB課程設(shè)計任務(wù)

3.1任務(wù)一 MATLAB環(huán)境語法、基本運算及繪圖

3.1.1目的

1、掌握 MATLAB軟件使用的基本方法；

2、熟悉 MATLAB 的數(shù)據(jù)表示、基本運算方法；

3、熟悉 MATLAB 繪圖命令及基本繪圖控制。

3.1.2原理

MATLAB環(huán)境是一種為數(shù)值計算、數(shù)據(jù)分析和圖形顯示服務(wù)的交互式的環(huán)境。MATLAB有3種窗口，即：命令窗口（The Command Window）、m-文件編輯窗口（The Edit Window）和圖形窗口（The Figure Window），而Simulink另外又有Simulink模型編輯窗口。

1．命令窗口（The Command Window）

當MATLAB啟動后，出現(xiàn)的最大的窗口就是命令窗口。用戶可以在提示符“>>”后面輸入交互的命令，這些命令就立即被執(zhí)行。

在MATLAB中，一連串命令可以放置在一個文件中，不必把它們直接在命令窗口內(nèi)輸入。在命令窗口中輸入該文件名，這一連串命令就被執(zhí)行了。因為這樣的文件都是以“.m”為后綴，所以稱為m-文件。

2．m-文件編輯窗口（The Edit Window）我們可以用m-文件編輯窗口來產(chǎn)生新的m-文件，或者編輯已經(jīng)存在的m-文件。在MATLAB主界面上選擇菜單“File/New/M-file”就打開了一個新的m-文件編輯窗口；選擇菜單“File/Open”就可以打開一個已經(jīng)存在的m-文件，并且可以在這個窗口中編輯這個m-文件。

3.1.3內(nèi)容

1、幫助命令，使用 help 命令，查找 exp（求冪）函數(shù)的使用方法，如圖3-1。

圖3-1 exp（求冪）函數(shù)的使用方法圖

2、矩陣運算

（1）矩陣的乘法，已知 A=[1 2 3;2 3 4;1 3 5];B=[1 2 3;4 5 6;2 1 6]，求 A*B，A^2，A.*B，A^2*B。結(jié)果如下：

（2）矩陣除法，已知 A=[1 2 3;3 5 6;4 8 6];B=[1 0 0;0 2 0;0 0 3];AB,A/B，A./B，A.B。結(jié)果如下：

（3）矩陣的轉(zhuǎn)置及共軛轉(zhuǎn)置，已知 A=[5+i,2-i,1;6*i,4,9-i];求 A.', A'。結(jié)果如下：

（4）使用冒號選出指定元素，已知： A=[1 2 3;4 5 6;7 8 9];求 A 中第 3 列前 2 個元素；A 中所有列第 2，3 行的元素。結(jié)果如下：

3、多項式

（1）求多項式 p(x)= x3 + 2x+ 4的根。結(jié)果如下：

（2）已知 A=[1.2 3 5 0.9;5 1.7 5 6;3 9 0 1;1 2 3 4]，求矩陣 A 的特征多項式;求特征多項式中未知數(shù)為 20 時的值； 把矩陣 A 作為未知數(shù)代入到多項式中。結(jié)果如下圖所示：

圖3-2 結(jié)果圖

圖3-3結(jié)果圖

4、基本繪圖命令

在同一坐標系中繪制余弦曲線 y=cos(t-0.2)和正弦曲線 y=sin(t-0.3)，t∈[0，2π];余弦曲線 y=cos(t-0.2)的線形為點劃線、顏色為綠色、數(shù)據(jù)點標記為加號；正弦曲線 y=sin(t-0.3)的線形為虛線、顏色為紅色、數(shù)據(jù)點標記為星號；顯示坐標的范圍、刻度線、網(wǎng)絡(luò)線；標注坐標軸名稱、標題。

程序：

圖3-4程序圖

圖3-5結(jié)果圖

3.2任務(wù)二 MATLAB數(shù)值運算

3.2.1目的

1．熟悉Matlab中各類數(shù)據(jù)，尤其是矩陣的定義、賦值和運用； 2．了解Matlab的矩陣分析函數(shù)以及求線性方程組的數(shù)值解； 3．熟悉多項式運算函數(shù)、數(shù)值插值。

3.2.2原理

1.創(chuàng)建矩陣的方法

a.直接輸入法規(guī)則：矩陣元素必須用[

]括住；矩陣元素必須用逗號或空格分隔；在[

]內(nèi)矩陣的行與行之間必須用分號分隔。逗號和分號的作用：逗號和分號可作為指令間的分隔符，matlab允許多條語句在同一行出現(xiàn)。分號如果出現(xiàn)在指令后，屏幕上將不顯示結(jié)果。

b.用matlab函數(shù)創(chuàng)建矩陣：空陣 [

] —

matlab允許輸入空陣，當一項操作無結(jié)果時，返回空陣;rand —— 隨機矩陣;eye —— 單位矩陣;zeros ——全部元素都為0的矩陣;ones ——全部元素都為1的矩陣

c.矩陣的修改:可用?鍵找到所要修改的矩陣，用?鍵移動到要修改的矩陣元素上即可修改；指令修改：可以用A(?,?)= ? 來修改。

2.矩陣運算

a.矩陣加、減（＋,－）運算規(guī)則：（1）相加、減的兩矩陣必須有相同的行和列兩矩陣對應(yīng)元素相加減。（2）允許參與運算的兩矩陣之一是標量。標量與矩陣的所有元素分別進行加減操作。

b.矩陣乘(??，./，.）運算規(guī)則：A矩陣的列數(shù)必須等于B矩陣的行數(shù)；標量可與任何矩陣相乘。

c.矩陣乘方—— a^n,a^p,p^a a ^ p —— a 自乘p次冪,對于p的其它值,計算將涉及特征值和特征向量，如果p是矩陣，a是標量,a^p使用特征值和特征向量自乘到p次冪；如a,p都是矩陣，a^p則無意義。

d.多項式運算

matlab語言把多項式表達成一個行向量，該向量中的元素是按多項式降冪排列的。

f(x)=anxn+an-1xn-1+……+a0 可用行向量 p=[an an-1 …… a1 a0]表示;poly —— 產(chǎn)生特征多項式系數(shù)向量

e.代數(shù)方程組求解

matlab中有兩種除運算左除和右除。

3.2.3內(nèi)容

1.輸入下列向量（矩陣），>> g = [1 2 3 4]；h = [4 3 2 1]。

2.分別執(zhí)行以下數(shù)組點運算，>> s1 = g + h, s2 = g.*h, s3 = g.^h，s4 = g.^2, s5 = 2.^h。

3.輸入下列特殊矩陣，>>A=[ ]，>>A=eye(10)，A=rand(10,15)，>> A=randn(5,10)，>> A=zeros(5,10)。

圖3-6 結(jié)果圖

圖3-7 結(jié)果圖

圖3-8 結(jié)果圖

>>A=ones(5,10)，>>

圖3-9 結(jié)果圖

圖3-10 結(jié)果圖

4．輸入下列矩陣及矩陣函數(shù)

>> A=[2 0 –1;1 3 2];B=[1 7 –1;4 2 3;2 0 1];>> M = A*B

% 矩陣A與B按矩陣運算相乘 >> det_B = det(B)

% 矩陣A的行列式

>> rank_A = rank（A）

% 矩陣A的秩 >> inv_B = inv（B）

% 矩陣B的逆矩陣

>> [V,D] = eig(B)

% 矩陣B的特征值矩陣V與特征向量構(gòu)成的矩陣D

>> X = A/B

% A/B = A*B-1，即XB=A，求X >> Y = BA’

%

BA’ = B-1*A’，即BY=A’，求Y

5．多項式運算

>> p=[1 2 0-5 6] >> rr=roots(p)>> pp=poly(rr)>> s=[0 0 1 2 3] >> c=conv(p,s)>> d=polyder(p)>> x=-1:0.1:2;>> y=polyval(p,x)

43% 表示多項式p(x)?x?2x?5x?6 % 求多項式p的根

% 由根的列向量求多項式系數(shù)

2s(x)?x?2x?3 % 表示多項式

% 多項式乘積

% 多項式微分

% 計算多項式的值

圖3-11 結(jié)果圖

10(s?3)6.有理多項式： G(s)?(s?1)(s2?s?3)

>> n=conv([10],[1 3])

% 定義分子多項式

>> d=conv([1 1],[1 1 3])

% 定義分母多項式

>> [r,p,k]=residue(n,d)

% 進行部分分式展開

>> p1=[1-p(1)],p2=[1-p(2)]

% 定義兩個極點多項式p1(s)=s-p(1)，p2(s)=s-p(2)>> den=conv(p1,p2)

% 求分母多項式den=p1(s)*p2(s)

>> r1=r(1),r2=r(2)>> num=conv(r1,p2)+conv(r2,p1)% 求分子多項式

>> [num,den]=residue(r,p,k)% 根據(jù)r，p，k的值求有理多項式

7．函數(shù)插值運算

線形樣條插值

>>x=0:10 >> y=sin(x)>> x0=[ 3.4 4.7 6.5 8.2]

>> y0=interp1(x,y,x0)

% 線形插值 >> x1=0:0.1:10 >> y1=sin(x1)>> plot(x1,y1,'r:',x,y,'b*',x0,y0,'g.')%

插值比較

圖3-12 結(jié)果圖

3.3任務(wù)三 MATLAB的符號計算

3.3.1目的

1、掌握 MATLAB符號表達式的創(chuàng)建及代數(shù)運算；

2、掌握 MATLAB符號微積分；

3、掌握MATLAB 符號方程的求解。

3.3.2內(nèi)容

?a11a12?

1、求矩陣A?a21a22???a31a32

a13?a23??的行列式、逆陣和特征值。a33?? 15

圖3-13 結(jié)果圖

432 2.因式分解x?5x?5x?5x?6

432(x?1)?5x?5(x?2)?5x?1的同類項。3.合并

4(x?1)4.求的展開式。

5.求下列式子極限 ：

lim?x?2ln(sinx)

(??2x)

6.求下列函數(shù)的導數(shù)

y?excosx?x3及當x=3時的導數(shù)值。

7.已知矩陣

?exA???sinx x2?2x??lnx?，求A的導數(shù)

8.求下列積分：

（1）

?sinx1?sinx2dx（2）

??0sinx3?sinx5dx

9.求微分方程

x2?2xy?y2?(y2?xy)dy?0dxy|x?1?1

3.4任務(wù)四 MATLAB基本編程方法

3.4.1目的

1、掌握 MATLAB 軟件使用的基本方法；

2、熟悉 MATLAB 程序設(shè)計的基本方法。

3.4.2內(nèi)容

1、編寫程序完成如下功能：提示用戶輸入1或者2，當用戶輸入1時，對產(chǎn)生的隨機序列進行降序排序；當用戶輸入2時，對產(chǎn)生的隨機序列進行升序排列。

程序如下： clear;

syms n ikey=0;while(ikey==0)s1=input('請輸入[1/2]?','s');x=randperm(10)if(s1=='2')

ikey=1;

y=sort(x,'ascend');

disp(['升序排列的向量為：',num2str(y)]);else if(s1=='1')

ikey=1;

y=sort(x,'descend');

disp(['降序排列的向量為：',num2str(y)]);

end break end end

圖3-14 結(jié)果圖

2、編寫程序?qū)崿F(xiàn)如下功能：如果想對一個變量 x 自動賦值，當從鍵盤輸入 y 或 Y 時（表示是），x 自動賦為 1；當從鍵盤輸入 n 或 N 時（表示否），x 自動賦為 0；輸入其他字符時終止程序。

程序如下： ikey=0;while(ikey==0)s1=input('若給X賦值請輸入[y/n]?','s');if(s1=='y'|s1=='Y'), ikey=1;x=1

else if(s1=='n'|s1=='N')ikey=1;x=0,end break end End

3-15 結(jié)果圖

3.編寫函數(shù)實現(xiàn)如下功能：輸入一個百分制的成績，要求輸出成績的等級，其中90-100分輸出為優(yōu)秀，80-89分輸出為良好，70-79輸出為中等，60-69輸出為及格，60分以下不及格，如果輸入的數(shù)據(jù)不是百分制，顯示出錯信息并提示：請輸出百分制成績。

程序如下：

clear;m=input('請輸入一個數(shù)值：');m=ceil(m/10);switch m case {10,9}

disp('優(yōu)秀');case 8

disp('良好');case 7

disp('中等');case 6

disp('及格');case {5,4,3,2,1,0}

disp('不及格');otherwise

disp('輸入有誤！')End 運行結(jié)果：

請輸入百分之原始成績：92 五級制成績?yōu)椋?優(yōu)秀

請輸入百分之原始成績：88 五級制成績?yōu)椋?良好

請輸入百分之原始成績：64 五級制成績?yōu)椋?及格

請輸入百分之原始成績：56 五級制成績?yōu)椋?不及格

4.編寫函數(shù)計算s=n!syms n s=1 N=input('data n:');for i=1:N s=s*i;end s s = 1 data n:6 s = 720

5.編寫程序，計算1+3+5+…(2n+1)的值，使用input語句輸入n的值。程序如下：

n=input('input: n=');s = sum(1:2:(2*n+1))input: n=7 運行結(jié)果： s = 64

第4章 小結(jié)

通過這次對MATLAB的親身操作和實踐，學習掌握了許多原本不知道的或者不太熟悉的命令。比如說相關(guān)m文件的建立，畫圖用到的標注，配色，坐標控制，同一張圖里畫幾幅不同的圖像，相關(guān)參數(shù)的設(shè)置以及相關(guān)函數(shù)的調(diào)用格式等等。

就拿建立一個數(shù)學方程而言，通過設(shè)置不同的參數(shù)達到所需要的要求和結(jié)果，而且還可以在不同的窗口建立不同的函數(shù)而達到相同的效果，比如說可以再命令窗口和m文件中通過不同的命令設(shè)置的到相同的所需的效果圖。而自己對于矩陣及閉環(huán)傳遞函數(shù)的建立原本所掌握的知識幾乎為零，而通過這次實驗使我徹底的掌握了相關(guān)的命令操作和處理的方法，在這里我們不僅可以通過建立函數(shù)和參數(shù)來達到目標效果，而且還可以通過可視化的編程達到更快更方便，更簡潔的效果。就拿可視化編程而言原本根本就只是聽說而已罷了，從來就沒有親身去嘗試過，然而現(xiàn)在自己卻可以和容易的通過搭建不同功能木塊來實現(xiàn)相關(guān)的函數(shù)及功能。這些在原本根本就不敢相信，然而通過MATLAB的學習和實驗親身操作這些原本看似不可能的操作在此就變的輕而易舉的事了。

要想取得更大的成績就得不斷的去努力學習和汲取相關(guān)的知識和技巧。萬不可自以為傲，裹足不前，MATLAB真的是個非常強大和有用的工具我們真正的能把它學懂學透的話還是需要下非常大的功夫和努力的。然而，不是說興趣才是最大的老師嘛，我也相信，只要你自己有興趣，即使它再怎么強大和難搞，我們能做的還是非常多的，關(guān)鍵的就只是在于你自己的態(tài)度了。我這里想說的事，MATLAB對于我來說是非常有吸引力的，我不敢說自己多么喜歡它，但是興趣確實蠻高的，所以我相信在以后的學習和工作當中MATLAB將成為我非常有用的幫忙工具和好伙伴，也許這要說有點太草率了，但是我覺得對它的評價怎么也不會讓每一個接觸過它的人吝嗇是自己贊美之詞。它不僅僅可以用來建模分析函數(shù)，還可以用來進行圖形的建模和仿真，還可以用來分析系統(tǒng)和函數(shù)的參數(shù)穩(wěn)定性等等。