模式识别与智能系统硕士论文-社会养老保险管理系统的设计与实现.pdf

中国科学院自动化研究所 硕士学位论文 基于自动指纹识别技术的社会养老保险管理系统的设计与实现 姓名：张逊 申请学位级别：硕士 专业：模式识别与智能系统 指导教师：田捷 20040601 摘要 摘要 随着我国社会保障事业的深入发展，养老保险收支两条线的贯彻执行，离 退休职工养老金得到了充分的保障。但是养老金的社会化发放过程中，存在一 个漏洞：部分退休职工去世后，其家属不向或不及时向社保机构申报死亡，继 续冒领养老金，从而造成养老金的巨大流失。现有的系统一般采用人力的方法 来核对离退休职工的生存状况，费时、费力，且效果不理想。由于指纹特征所 具有的不可复制且独一无二的特点，所以用它进行身份认证是一个可靠的方法。 将自动指纹识别技术用于养老保险系统的身份管理，可以有效地解决上述 冒领养老金的问题。为此，我们通过对自动指纹识别算法及其它关键技术的研 究，设计并实现了一种高效的养老保险指纹身份管理系统。该系统是一套完整 的以高性能的指纹算法为核心的身份信息综合认证系统。在实验室攻读硕士学 位期间，我作为主要开发人员参与了该系统的设计与实现。本文就是对我攻读 硕士学位期间所做的主要工作的一个总结。 本文的主要贡献如下： ( 1 ) 设计并实现了一种基于自动指纹识别技术的社会养老保险管理系统。 f 2 1 利用反映指纹脊线局部特征的盐率、对称性和笔直性这三个概念，并在此 基础上提出了一种利用模糊逻辑选择滤波器参数的方法。 ( 3 ) 通过利用t w a i n 协议与扫描仪通讯和提出一种简易的条形码编码规则， 使大规模、自动化地处理指纹卡片成为现实。 ( 4 ) 文中“信用度”概念的提出，进一步地降低冒领养老金的可能与其所能 造成的危害。 目前，已有多家养老保险管理机构使用了本系统，证实了其实用性，并产 生了一定的社会效益。 关键词：养老保险管理系统，自动指纹识别技术，模糊推理，条形码，信用度 一 垒堕! 型 a b s t r a c t t h e r ei sa p r o b l e m i nt h et r a d i t i o n a ls o c i a ls e c u r es y s t e m ：q u i t eal o to f f a m i l i e s w o u l dl i k et oh i d et h ei n f o r m a t i o no ft h ed e a t ho f t h e i rc l o s er e l a t i v e si no r d e rt og e t p e n s i o nf r o mt h eg o v e r n m e n t m o s to ft h es y s t e m su s et r a d i t i o n a lw a y st os o l v et h i s p r o b l e m ，b u tt h e yd o n tw o r kv e r yw e l l b yu s i n gt h ef i n g e r p r i n tv e r i f i c a t i o nt e c h n o l o g y , w ec o u l ds o l v et h ep r o b l e m v e r yw e l l ，h e r ew ed e v e l o p e dan e ws y s t e mp r o t o t y p ec o m b i n e dt h ef i n g e r p r i n t v e r i f i c a t i o n t e c h n o l o g y w i t ht r a d i t i o n a ls o c i a ls e c u r e s y s t e m d u r i n gt h e s ey e a r s w h e nis t u d yh e r e ，ia mt h em a i nd e s i g n e ra n d d e v e l o p e ro ft h es y s t e m t h i sp a p e r m a i n l yd i s c u s s e st h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no f t h es y s t e m t h em a i nc o n t r i b u t i o n so f t h i ss y s t e ma r e ： 1 d e s i g n e da n di m p l e m e n t e daf m g e r p r i n t v e r i f i c a t i o nb a s e ds o c i a ls e c u r e s y s t e m 2d e f i n e dt h r e en o v e lc o n c e p t st os h o wt h el o c a lc h a r a c t e r so fr i d g ei n f i n g e r p r i n ti m a g e b a s e do nt h e s ec o n c e p t s ，w eu s e dt h ef u z z yl o g i ct h e o r y t oc h o o s et h ef i l t e r sp a r a m e t e r s 3 b yu s i n gt h e t w a i np r o t o c o la n d d e f i n i n g ab a r c o d e ，w em a d et h e a u t o m a t e d p r o c e s so ff i n g e r p r i n tc a r d sc o m e t r u e 4 w ep r o p o s e dan o v e lc o n c e p to f “c r e d i ti n d e x ”，w h i c hc o u l dr e d u c et h e l o s s e sa n d p r o b a b i l i t yo f t h ep r o b l e m m o r ee f f i c i e n t l y n o w d a y s ，t h e r ea r eal o to f l o c a lg o v e r n m e n ts t a r t i n gt ou s eo u rs y s t e m t h e i r f e e d b a c km a k e su sv e r yc o n f i d e n ti na b r i g h tf u t u r eo f o u r s y s t e m k e y w o r d ：t h es o c i a ls e c u r es y s t e m ，a u t o m a t e df i n g e r p r i n t - v e r i f i c a t i o nt e c h n o l o g y ，t h e f u z z yl o g i c ，b a r c o d e ，c r e d i ti n d e x l l 独创性声明 本人声明所成交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确地说明并表示了谢意。 签名：鲨垒导师签名 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国科学院自动化研究所有关保留、使用学位论文的规定， 即：中国科学院自动化研究所有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和 借阅；可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：z 通导师签名 丝日期：州 第一章引言 1 1 系统开发背景简介 第一章引言 随着我国社会保障事业的深入发展，养老保险收支两条线的贯彻执行，离 退休职工养老金得到了充分的保障。但是养老金的发放特别是养老金的社会化 发放过程中，存在着一个漏洞：部分退休职工去世后，不向或不及时向社保机 构申报死亡，从而冒领养老金。初步估计，全国冒领人数占全部发放总人数的 3 - 5 ，有些地区甚至高达5 ，全国每年养老金的流失总数高达十亿元。 为堵住养老金流失的“黑洞”，各地社保机构采取了各种各样的办法，例 如：按指定的动作拍照、与当月报刊杂志合影、当地派出所出具生存证明等。 这些方法在实际操作过程中工作量大，无法多次使用，参保人员意见也较大， 效果并不理想。 由于生物特征所具有的不可复制且独一无二的特点，所以用它进行身份认 证是一个可靠的方法。在目前所有的生物特征识别中，指纹识别技术是一种相 对更实用、更理想的技术，原因有以下几点： 1 每个人的指纹是独一无二的，两人之间不存在着相同的手指指纹。 2 每个人的指纹是相当固定的，很难发生变化。例如，指纹不会随着人的 年龄的增长、或身体健康程度的变化而变化。人的声音却有着较大的变 化 3 便于获取指纹样本，易于开发识别系统，实用性强。目前已有标准的指 纹样本库，方便了识别系统的软件开发；另外，识别系统中完成指纹采 样功能的硬件部分也较易实现。而对视网膜则难于采样，也无标准的视 网膜样本库供系统软件开发使用，这就导致视网膜识别系统难以开发， 可行性较低 4 。一个人的十指指纹皆不相同，这样，可以方便地利用多个指纹构成多重 口令，提高系统的安全性。同时，并不增加系统的设计负担。 5 指纹识别中使用的模板并非最初的指纹图，而是由指纹图中提取的关键 特征，这样使系统对模板库的存储量较小。另外，对输入的指纹图提取 关键特征后，可以大大减少网络传输的负担，便于实现异地确认，支持 计算机的网络功能 从上面的分析可以看出，将自动指纹识别技术引入传统的养老保险管理系 统中，可以有效地解决冒领养老金的问题。为此，我们通过对指纹算法和其他 】 基于自动指纹识别技术的社会养老保险管理系统的设计与实现 关键技术的研究，设计并实现了套基于自动指纹识别技术的高性能的社会养 老保险管理系统。 1 2 论文的主要内容和组织 本文第二章对自动指纹识别技术作了简要的介绍，讨论了其研究的内容( 重 点针对指纹分类、指纹特征的提取、指纹匹配三部分内容作了比较详细的文献 综述) ，并简要地介绍了自动指纹识别技术所面临的挑战、算法性能评估和目前 的研究状况。 第三章讨论了基于指纹识别技术的社会养老保险管理系统的设计。本章从 业务流程分析入手，着重从模块划分、体系结构、数据库方面介绍了系统的设 计。 第四章从系统实现过程中的难点出发，详细讨论了系统的指纹识别算法、 系统对于指纹卡片的自动化处理、信用度的概念。 第五章介绍了系统的实现，给出了系统界面的部分实例。 最后一章归纳并总结本文，并且提出了下一步研究工作的重点。 2 第二章自动指纹识别系统概述 2 。1 概述 2 1 1 基本原理 第二章自动指纹识别技术概述 指纹是指手指末端正面皮肤上凸凹不平产生的纹路。这些纹路的存在增加了 皮肤表面的摩擦力，使得我们能够用手来抓起重物。尽管指纹只是人体皮肤的 一小部分，但是，它蕴涵大量的信息。这些皮肤的纹路在图案、断点和交叉点 上是各不相同的。目前最常用的方法用是f b i 提出的细节点坐标模型来做细节 匹配。它利用脊线末梢与脊线分叉点，如图2 1 ，这两种关键点作为特征来进行 指纹识别。通过将特征点表示为点模式，自动指纹识别问题就转化为点模式匹 配( 细节点匹配) 问题。 y 图2 1 脊线末梢与分叉点 个典型的自动指纹识别系统的处理流程，如图2 2 所示： 原始指纹 图像 处理后的 指纹图像 提取细节点 后的图像 图2 2 指纹识别原理框图 其中各部分功能如下： 1 ) 图像预处理： 因为手指蜕皮、干燥、潮湿或表面的污点等原因，得到的指纹图像有某种程 度上的模糊，为了更好地提取细节点，需要对得到的原始指纹图像进行增强处 理，使指纹的特征信息突出表现出来。 所以这部分的主要作用就是在保证指纹图像拓扑结构和细节点位置不变的 苎：三旦型塑竺望型垫查塑塾垒鲞耋堡堕竺堡墅竺堕堡兰兰窒翌 情况下对指纹图像进行系列滤波操作，使特征点明显表现出来，同时需要对 图像做二值化、细化等操作，以便于后面的细节点提取。 2 ) 细节点提取： 在上一步的基础上找出指纹图像中的脊线末梢点和脊线分叉点作为特征点 记录下来，作为下一步的匹配特征。 3 ) 指纹匹配： 用上面的方法分别从两幅图像中得到两组指纹细节点，这里就可以对这两 组细节点进行匹配，返回一个匹配分数，从这个分数就可以判断这两幅指纹是 否来自同一个手指。 2 1 2 应用领域 目前，许多基于指纹识别的产品已经开始应用于日常生活中( 图2 _ 3 ) 。如结 合指纹扫描仪的鼠标、键盘，用指纹代替传统的密码登录计算机系统；结合i c 卡技术的身份认证系统应用于身份证、准考证和驾驶执照等方面。 ( a ) 带有指纹扫描仪的鼠标( b ) 带有指纹扫描仪的键盘 ( c ) 结合i c 卡技术的身份认证( d ) 指纹登录 图2 3自动指纹识别技术的应用 2 。1 3 指纹采集仪及原理 实现自动指纹识别的一个主要问题就是如何获取数字化的指纹图像。传统的 采集指纹的方法是用指尖蘸墨然后按压在纸上。这样的方式不仅不卫生，而且 4 第二章自动指纹识别系统概述 费时费力。同时这样采集的指纹信息容易被窃取和伪造。 廉价而又高质量的指纹采集仪的出现，使得自动指纹识别的广泛应用成为可 能。迄今为止，人们已经利用多种技术，例如全反射原理、电容原理、电感原 理、超声波反射原理、热敏电阻原理、光电效应等发展出多种在线指纹采集设 备。光学采集仪和c m o s 工艺的电容式采集仪是目前应用最广泛的两种指纹采 集仪。 光学采集仪的原理是当指尖按压在采集表面上( 一个全反射棱镜) 时，( 见 图24 ) ，与之接触的是脊线部分( 指纹中突出的纹路) ，而指纹的谷线部分则是 悬空的。接触部分( 脊线) 由于折射率与棱镜差异不大，导致部分光线透射出 去被皮肤吸收；而没有接触的部分( 谷线) ，就会发生全反射。这样不同的部位 反射回来的光强就不一样。通过在适当的地方发射平行光，经过全反射棱镜的 反射，然后通过聚焦棱镜和c c d 就可以记录下指纹图像了。 图24 光学指纹采集仪的原理 电容式的c m o s 指纹采集仪的工作原理也是利用了指纹的凹凸结构( 见图 2 5 ) 。由于人体是导体而空气是绝缘体，c m o s 采集仪与人体就构成了一个个小 电容。由于脊线部分( 电容的一个平面) 接触采集平面( 另一个平面) 比较紧 密，电容就大；而谷线部分距离采集面远，电容就小。脊线和谷线的差异就转 换成了电容的不同。采集仪不停的进行充放电并测量电量。通过记录电容分布， 就可以获得指纹图像。 警出 图2 5电容式c m o s 指纹采集仪的原理 5 基于自动指纹识别技术的社会养老保险管理系统的设计与实现 指纹采集仪的成像质量完全决定一个自动指纹识别系统的性能上限。目前 光学采集仪和c m o s 采集仪在成像质量和成本方面都获得了巨大的进步。总体 e 光学采集仪的成像质量要优于c m o s 采集仪，但是成本较高。 2 2 指纹识别技术研究的内容 2 2 1 指纹分类 指纹被分为五类：拱型，尖拱型，右旋，左旋，漩涡。 许多研究者过去都对指纹分类进行了研究。应该说第一个科学研究指纹分 类学者是g a l t o n i ，2 ，他把指纹分为三类。后来h e n r y 增加了分类的数目。现在 所有的分类机制都是所谓h e m r y 分类机制的变型。许多自动指纹分类的方法在 文献中列出。现在对指纹分类的研究依然很活跃。在这些存在的方法中可以粗 略的分为以下几种：句法的分类法，基于奇异点的分类法，神经网络的方法阱 及其他方法。 句法的分类方法：其模式通过终结符方式和一些规则来描述。终结符是在指 纹方向场内的- - 4 群方向元素。对每一种分类规则都被定义并且一个分解过程 对应一个分类新模式【3 ，4 】。 基于奇异点的方法：基于奇异点的数目和位置的启发式标准被用来指纹分 类，由于这些方法严重依赖于奇异点，当噪声和只有部分指纹存在的时候，奇 异点就不能准确定位 5 ，6 。 神经网络的方法：神经网络的方法主要是基于感知器或k o h o n e n 自我组织网 络。特别是在k a m i j o 9 提出了一种由多层感知器组成的金字塔结构，每一层都 被i ) l l 练来识别指纹属于哪一类 7 ，8 ，9 ，1 0 。 其他方法：c h o n g 等【11 1 基于脊线的几何形状来对指纹分类。b 样条曲线被用 来模拟指纹脊线。邻近的曲线被合并以减少人为噪声。分类最后通过跟踪曲线 来实现。s e n i o r 1 2 提出一种隐藏的马尔可夫分类器，它的输入是脊线角度，曲 率等。 2 2 2 指纹特征的提取 用计算机的语言完整地描述稳定而又有区别力的指纹特征是实现自动指纹 识别的一个关键问题。选择什么特征以及如何表示这种特征既关系指纹本身的 特点，又和具体的指纹匹配算法紧密联系，同时还要考虑所采用的指纹采集设 备的特点。 6 第二章自动指纹识别系统概述 2 2 2 1 指纹的局部特征 人的指纹由相间的脊线和谷线构成，在局部表现为多种多样的细节特征，如 终结点、分叉点、桥、环、四分叉、岛等多种类型，称为细节点。不同指纹的 局部细节点的分布位置和方向是不同的。图2 6 给出了部分细节点的类型示例。 在各种类型的细节点中，由于终结点和分叉点( 图2 1 ) 的出现频率最高 1 3 】， 并且其他的细节点类型也可以用这两种细节特征的组合来表示，所以目前多数 自动指纹识别算法都采用以这两种细节特征的匹配为基础的方式。 图2 6 指纹的各种类型的细节点。方向场不连续的点被定义为c o r e 点和d e l t a 点 2 2 2 2 指纹的纹理特征 用细节点特征来表示指纹有许多优点，比如： 细节点的特征描述简单： 占用的存储空间小； 单独使用模版本身无法恢复出指纹，不侵犯个人隐私。 但是这种方法也有很多的弊端： 对于质量较差的图像，细节点信息难以被有效的提取； 单纯的细节点特征匹配方法误识率比较高 细节点特征表示丢失了大量的脊线信息，这些信息同时也是不同指 纹之间十分有效的区别特征。 7 基于自动指纹识别技术的社会养老保险管理系统的设计与实现 1 9 9 9 年，a 且i lk j a i n 等 1 4 1 提出了一种基于g a b o r 滤波函数库的指纹特征表 示法一f i n g e r c o d e 。他们分别用多个方向的g a b o r 滤波器作用于指纹图像，然后 用结果图像的局部区域的平均绝对方差a a d 来描述指纹的局部特征。 该算法在n i s t9 数据库和m s ud b l 数据库上取得了很好的效果。尤其是 在对误识率的要求不是很高的情况下，该算法的识别率甚至优于前最好的基于 细节点的识别算法。这个结果也证明了图像质量较差的情况，用滤波特征来描 述指纹的鲁棒性要优于传统的细节特征描述方法。 f i n g e r c o d e 的设计巧妙的实现了平移不变性和一定程度的旋转不变性，但是 这种设计下，匹配与识别的可靠性高度依赖于算法对中心点( 索引点) 选取的 准确性。当指纹图像的中心点附近区域十分模糊时，或者对于拱形指纹，这种 准确性毫无疑问是难以保证的。另外，f i n g e r c o d e 的扇形区域划分方法舍弃了相 当一部分面积的指纹信息，妨碍了算法识别率的进一步提高。 2 0 0 2 年，ar o s s 等 1 5 】提出用滤波特征空间相关性的方法匹配指纹。该方 法沿用了滤波图像作特征的方式，但使用了全部的滤波特征信息，并将问题转 化为特征空间内求解配准参数和相似度的问题。该方法有效解决了f i n g e r c o d e 算法存在的中心点准确性难以保证的弊端。但是由于配准参数的搜索空间较大， 该方法丧失了原方法匹配速度快的优点。 2 2 2 3 指纹的结构化特征 还有一些文献用结构化的方法描述指纹的特征。 罗西平等 1 6 ，1 7 ，1 8 】提出采用细节点特征加上一段联系脊线作为指纹特征。这 种方法通过增加所记录的细节点信息的附属信息，在一定程度上提高了细节不 同细节点的区分度，从而提高了匹配的可靠性，算法在识别准确率方面有了提 高。 f a n 等 1 9 1 定义了2 0 个几何形状模版。用这些精心选择的几何结构和它们的 局部分布结构描述指纹的局部脊线结构特征。 早期的方法还有r a t k o v i c 2 0 提出了细致的指纹特征模型，该模型区分十种 不同的指纹特征。在此基础上，j h l i u 等 2 1 1 提出在指纹图上叠加栅格并对特 征的分布编码的方法来识别特征。i s e n o r 与z a k y 2 2 使用图来表示指纹特征，并 用图匹配的方法来匹配指纹图。这些方法都利用了指纹图中的拓扑结构信息， 以克服指纹图的噪声、旋转与变形对识别的干扰。 2 2 3 指纹匹配 指纹特征匹配就是通过对比从两幅指纹中提取出来的特征信息，来判断是 8 第二章自动指纹识别系统概述 否来自同一个指头的过程。 r a t h a ，c h e n 和j a i n 2 3 ，s t o c k m a n 2 4 等提出的基于h o u g h 变换的方法把点 模式匹配转化成了对变换参数的h o u g h 空间中峰值的检测。该方法将变换参数 离散化，并在离散化后的参数空间累积各自的置信度。另外，通过在细节点周 围的一定范围内设定一个边界框来增强算法对细节点位置偏移的承受能力。这 种方法的相对缺点在于当细节点数量较少时，很难在变换参数的h o u g h 空间中 积累起足够大的证据来保证一个可靠的匹配。另外，该方法有计算量大，时间 复杂度高的缺点，需要很高性能的计算环境的支持。 r a n a d e 与r o s e n f e l d 提出了点匹配的松弛算法 2 5 1 。该方法根据除去一组对 应点之外，两个点集中其余点的匹配程度，迭代计算每一组可能的对应点的可 靠度。直到满足某种条件，迭代停止。尽管后来的研究人员提出了很多的改进 算法，试图降低它的计算复杂性，但都没有改变它的迭代本质。所以仍然存在 计算速度慢的缺点，并且不能很好地处理具有较大变形的指纹。 j es t a r i n k 与e b a c k e r 从能量最小化的角度描述点匹配问题，并使用了模 拟退火的方法 2 6 1 。该方法的计算量也较大，不适合应用于实时的自动指纹识别 认证系统。 s k e a 2 7 等提出了比较两个点集中构成的全部三元组后，积累各自的置信度 后，找出最可靠的变换方法。该方法计算量大，对细节点的丢失或增加比较敏 感，匹配的精度不够理想。 i b mt j w a t s o n 研究中心的g e r m a i n 2 8 等提出了利用i b m 的专利算法 一f i a s h 算法和指纹图象中对刚性变换不变的某些细节点的结构信息，如细节点 间连线跨越脊线的数目，临近的细节点的类型等进行细节匹配。 r a n d 研究所的r a t k o v i c 提出了更细致的指纹特征模型 2 9 1 。该模型区分十 种不同的指纹特征。 2 2 4 其他内容 自动指纹识别技术研究的内容还包括：指纹分割、指纹压缩、指纹唯一性 研究等，这里限于篇幅，不再展开介绍。 2 3 自动指纹识别技术的挑战 自动指纹识别特征的挑战主要来自于如下三个方面 特征的选择与描述； 低质量指纹图像的特征提取； 含有较大形变量指纹的匹配。 9 基于自动指纹识别技术的社会养老保险管理系统的设计与实现 选择什么特征来描述指纹是指纹识别的一个重要问题，它的选择同时也是和 匹配算法的设计紧密关联的。前面已经讨论过了各种描述方法，但是目前还没 有哪种方法有明显的优势。 ( a ) 指纹中有大量的折痕( b ) 手指太干 ( c ) 残留印迹太强( d ) 手指上有污渍 图27 各种低质量的指纹 由于人的皮肤条件有很大差别，例如手指的干湿状况、蜕皮、疤痕、折痕、 手指皮肤上或者残留在采集仪表面的污渍等因数都有可能影响采集图像的质 量。再加上采集仪使用环境又有许多不同，导致有相当部分的指纹图像质量 较差。指纹图像质量的好坏直接影响特征提取的有效性，从而最终影响的识别 效果。图2 7 给出了一些质量较差的指纹图像。 目前的指纹采集技术依赖于指尖与采集仪器的接触，而人的皮肤是有弹性 的。每一次手指的施力状况都会有所不同，这种差别导致每次采集的指纹图像 都有不周的形变。图2 8 给出了采自同一个指纹的两幅图像的叠加结果，显示指 纹形变引起局部细节特征发生较大位移的问题。 l o 第二章自动指纹识别系统概述 1 3 7 像素的移位 完全重台 图2 8同一个手指的两个指纹图像的叠加( 中心部分完全重合，边缘部分j 眵变很大) 2 4 自动指纹识别的性能评估和标准 一个自动指纹识别系统的性能取决于许多因素，其中最主要的便是测试的 数据集。h u i 许多提供自动指纹识别系统的公司卢称他们可以达到相当高的性 能指标。然而这样的结果数据，由于得自各公司私有的数据集的测试，完全没 有可比性。为了对算法进行客观的评价，需要用统一的、公开的测试标准和测 试数据。 2 4 1 美国国家标准技术局( n i s t ) 标准数据库 美国联邦调查局( f b i ) 从8 0 年代初开始与美国国家标准技术局( n i s t ) 合作研究自动指纹识别。n i s t 从f b i 庞大的指纹数据库中随机的选择部分数据 进行整理和人工标注，出版了大量标准指纹数据库。如人工标注指纹类型、用 于自动分类和识别研究的n i s ts p e c i a ld a t a b a s e4 、9 、1 4 ；专门用于研究指纹弹 性形变的连续指纹影像数据库n i s ts p e c i a ld a t a b a s e2 4 ；还有人工标注细节点位 置、类型、方向等信息，用于自动特征提取研究的n 1 s t s p e c i a ld a t a b a s e2 7 。这 些数据成为研究自动指纹识别的通用性能标准。 2 4 2 国际指纹识别竞赛( f v c ) n i s t 出版的指纹数据库是从纸介质或者摄影胶片形式的罪犯档案通过扫描 仪数字化获得的。这些蘸墨然后按压在纸上的指纹图像以及从犯罪现场采集的 i l 基于自动指纹识别技术的社会养老保险管理系统的设计与实现 指纹与现在常用的通过数字化的指纹采集仪有很大的不同。2 0 0 0 年、2 0 0 2 年和 2 0 0 4 年，意大利b o l o g n a 大学的生物识别系统实验室、美国生物识别技术测试 中心、美国密歇根州立大学模式识别与图像处理实验室三个单位联合组织了三 次国际指纹识别竞赛f v c 2 0 0 0 、f v c 2 0 0 2 、f v c 2 0 0 4 。竞赛组织者采用预先设 计几个不同数据库( 活体指纹数据库和合成数据库) ，对参赛者提供的算法进行 封闭测试，并在网络上公布测试结果的形式。竞赛获得来自世界各地的众多商 业公司和科研机构的响应，其测试结果一定程度上反映出当前自动指纹识别研 究的最高水平。 f v c 竞赛主要考察算法如下几个指标： - e e r ：等错误率，当f m rf a r 曲线相交时二者有相等值的读数 f m r l 0 0 ：当f m r 一1 时的错误接受率( f a r ) f m r l 0 0 0 ：当f m r = 0 1 时的f a r 值， r e je n r o l l ：拒绝注册的比例 r e jm a t c h ：拒绝匹配的比例 a v g e n r o l lt i m e ：平均注册时间 一a v g m a t c ht i m e ：平均匹配时间 同时f v c 还通过r o c ( r e c e i v e ro p e r a t i o nc u r v e ) 曲线详细的描述算法在各 种条件下的表现。 目前，f v c 竞赛公布的测试数据库以及他们所采用的评价方法已经成为众多 学术机构评价它们的研究成果的重要依据。 2 5 自动指纹识别技术的研究现状 由于巨大的需求和应用价值，自动指纹识别受到了许多政府机构、商业机 构的重视，如美国联邦调查局( f b i ) ，美国国家标准技术局视觉图像处理研究 组( n i s tv i s u a li m a g ep r o c e s s i n gg r o u p ) ，i b m 公司，日本n e c 公司，法国s a g e m 公司等。 许多教育、科研机构也在积极从事这方面的工作，如i b m 沃特森研究中心 ( w a t s o nr e s e a r c hc e n t e r ) ，密歇根州立大学的模式识别与图像处理实验室( p r j p l a b ) ，意大利b o l o g o n a 大学生物识别系统实验室( b i o m e t r i cl a b ) ，荷兰t w e n t e 大学信号与系统实验室( s & sl a b ) ，新加坡南洋理工大学信号处理中心( c s p l a b ) 等。 国内的科研单位如科学院自动化所的智能生物信息系统研究组，模式识别实 验室，北京大学视觉与听觉信息系统国家实验室，清华大学智能技术与系统国 1 2 第二二章自动指纹识别系统概述 家重点实验室，北京邮电大学电信工程学院，山东大学计算机系等单位也作了 很多研究工作。 在指纹识别领域，每年有许多研究成果在i e e et r a n s a c t i o n so np a t t e r n a n a l y s i sa n dm a c h i n ei n t e l l i g e n c e ( t p a m i ) ，i e e et r a n s a c t i o n so ni m a g ep r o c e s s i n g ( t i p ) ，p a r e mr e c o g n i t i o n ( p r ) ，i e e ec o n f e r e n c e0 n c o m p u t e r v i s i o na n dp a t t e m r e c o g n i t i o n ( c v p r ) ，i e e ei n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c eo ni m a g ep r o c e s s i n g ( i c i p ) ， i e e ei n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c eo i lp a t t e r nr e c o g n i t i o n ( i c p r ) 等杂志和会议上发表。 还有生物识别领域专门会议i n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c eo na u d i o a n dv i d e o b a s e d b i o m e t r i cp e r s o na u t h e n t i c a t i o n 和i n t e r n a t i o n a lc o n f e r e n c e0 nb i o m e t r i c s a u t h e n t i c a t i o n 。 生物识别技术的迅速发展引起了许多杂志的关注，纷纷设立生物识别的特 别专辑，如i e e et r a n s a c t i o n so ns y s t e m s ，m a n ，a n dc y b e m e t i c s ( s m c ) ，i e e e t r a n s a c t i o n so nc i r c u i t sa n d s y s t e m s f o rv i d e ot e c h n o l o g y ( c v s t ) ，e u r a s i pj o u r n a l o n a p p l i e ds i g n a lp r o c e s s i n g ( e j a s p ) 。 1 3 第三章系统设计 3 1 业务流程分析 第三章系统设计 对离退休人员或办理离退休手续人员进行指纹登记，然后定期或者不定期 采集离退休人员的指纹，并与档案指纹进行比对，查出存在冒领嫌疑人群，通 过对这部分人群的有效调查，确定验证离退休人员的生存状态，从而达到防l l 冒领的目的。 指纹的采集方式可以分为两种： 1 活体指纹采集： 对于随机的采集行为，因为打印少量指纹卡片效率较低，适合采用活体方 式社保人员通过输入社保编号或者身份证号来采集活体指纹。 2 卡片指纹采集： 对于参保人员的群体采集适合采用指纹卡片方式。卡片指纹可以多人同时 采集，所以此时的采集效率大大高于活体采集。此方法比较适用的对象包括： 本地群居离退休人员、本地散居离退休人员、异地安置人员。 对于无法实施以上办法的人员，社保机构可以进行上门采集指纹。 社保机构收集指纹卡片后，操作人员用具有批量扫描功能的高效扫描仪将 卡片成批扫描，系统会自动将信息处理后存储于数据中心。 系统对于离退休人员的处理可以分为两个阶段：指纹登记建档阶段和指纹 验证阶段。 3 1 1 指纹登记建档 为了保证离退休人员指纹登记建档的可靠性，社保机构必须见到离退休人 员本人，对其进行身份确认后，通过活体和卡片两种方式采集指纹。采集时需 要离退休人员本人亲自到社保机构指定地点采集指纹，对于行动不方便的离退 休人员或离退休人员集中的企业，可以由社保工作人员携带流动指纹采集终端 或指纹卡片上门采集指纹。 对于在指纹建档时，由于指纹质量太差导致无法成功登记的离退休人员， 我们需要采集其数码头像，作为以后用于验证的生物特征。 3 1 2 指纹验证 对于指纹验证，系统主要采用卡片方式，系统根据信用度评定预警来确定 1 5 基于自动指纹识别技术的社会养老保险管理系统的设计与实现 被核查人员清单，通过系统数据中心批量打印指纹采集卡片和信封，邮寄给离 退休人员。对发出的指纹卡片限期回收，对于不按期邮回指纹卡片的人员暂停 发放养老金，并通知本人；对按时收回的指纹卡片，系统通过高速扫描仪对其 进行批量处理，根据处理结果采取相应的措施。对于被暂停发放养老金的人员， 如果其本人前来社保机构证明自己的生存情况属实的话，可以继续发放。 系统的整体业务流程图如图3 1 所示： 指纹谁档流程 指 纹 采 集 f 指纹处理 l 指纹处理 指纹验证流程 图3 1 业务流程图 提炼上述的业务流程，可以得到如图3 2 的数据流图 图3 2 系统数据流图 1 6 第三章系统设计 3 2 系统设计 3 2 模块划分 从上一节的分析，我们将系统的功能模块划分如下( 如图3 3 所示) 指纹管理系统 囊1 1 囊j 冀i l 囊 图33 系统功能模块图 3 2 1 1 指纹管理系统模块 此模块是系统的核心部分内容。主要包括以下四部分：活体指纹建档、卡 片指纹建档、活体指纹比对、卡片指纹比对，它们之间的关系如图3 4 所示： 3 2 1 2 数据中心模块 数据中心模块主要对当前的参保人员信息进行管理，可以划分为统计查询、 综合打印、数据导入导出三部分内容。统计查询可以查询职工或单位的各种基 本信息、统计信息等；综合打印包括报表的打印、指纹卡片的打印和信封的打 印；数据导入导出部分指的是管理人员办公前从服务器端下载所需的数据，并 且在办公结束后将结果上载到服务器端，主要用在移动办公的情况。 3 2 1 3 控制面板模块 控制面板模块主要包括系统管理员的管理( 增加、删除、修改等) 和数据 库的设置( o d b c 源) 、信用度体系的设置等部分内容。 1 7 基于自动指纹识别技术的社会养老保险管理系统的设计与实现 垮 蔓堕二 i 指 凰像质量检测j 檗卜_ 图像分割 萋螽器j 羹警 厂 l 一一一一7 离退休人员 指纹数据库 一一一一、l 图3 4 指纹管理系统内部结构关系圈 3 2 2 系统体系结构 从前，许多业务系统采用以数据为主的两层c s 体系结构。 l 。、，j r 1 图35 两层c s 体系结构 数据库 服务器 这种结构通常被称为两层客户端i j l l 务器模式( 2 t i e r c l i e n t s e r v e r ) 。这种应用 模式，起源于桌面局域网应用系统，优点是实现起来比较简单、灵活，其灵活 性的一个体现是：这种应用模式既适合于单机应用环境( 主机终端方式) ，又适合 于局域网及广域网环境。在局部化低事务处理率的应用环境是非常适合的。但 是，随着数据库应用的日渐发展、数据容量的不断增加、客户端数量的不断增 加，该种体系结构显示出了诸多缺陷。 1 8 一 一 一 f r _ 第三章系统设计 首先，两层结构是以数据为中心的，客户端直接操作数据库，所以，每一 个交易都包含一次或多次数据打开连接与关闭连接的操作，因此系统开销在事 务处理量增大的情形下急剧增加。 其次，它的安全性差a 客户端应用程序直接和数据库服务器打交道，客户 端拥有对服务器上数据操作的足够权限，致使非法用户能够操作甚至破坏数据 库服务器。 另外，它的维护困难。由于应用逻辑部分或全部封装在客户端，因而不能 对这些规则进行集中控制和管理。当应用逻辑被改动或更新时，需要每个最终 用户重新分发，每次变动必须保证企业内所有客户端能够及时更新，其时间和 金钱花费巨大。 为了克服两层c s 体系结构的种种局限性，本系统网络版采用三层c s 体系 结。所谓三层c s 体系结构，是在客户端与数据库服务器之间加入了一个“中 间层”，也叫组件层。这里所说的三层体系，不是指物理上的三层，不是简单地 放置三台机器就是三层体系结构，三层是指逻辑上的三层，即使这三个层放置 到一台机器上。 囤一翌一 数据厍 服务器 图3 6 三层c s 体系结构示意图 系统在客户端与数据库服务器之间加入了一个中间层，构成了逻辑上的三 层体系结构。系统将需要与数据库进行交互的工作独立出来，放到了中间层进 行处理。客户端不直接和数据库进行交互，而是首先与中间层建立直接的连接， 然后再经由中间层同数据库服务器进行交互。这样做的好处是：首先，系统的 安全性得以加强。中间层把客户与数据库服务器分开了，客户端不能直接访问 数据库服务器。其次，系统的可维护性也得以提高。因为业务规则存在于中间 层，故当规则发生改变时，只需更改中间层的程序即可。最后，程序效率得到 提高。三层结构中，同数据库服务器交互所需要的设置与程序，均由中间层来 承担，服务器不必和客户端频繁地建立连接或释放，这样不仅减轻了客户端的 负担，同时也降低了数据库服务器的连接代价。 系统同部分外设( 扫描仪、采集仪、摄像头) 间的通讯，我们采用组件化 的思想分别开发，然后将所有组件聚合并封装成为一个总体的v c l 组件，方便 】9 基于自动指纹识别技术的社会养老保险管理系统的设计与实现 客户端的调用。 系统总体结构如下图所示： 兰 扫描仪 u 摄像头 尊 厣丽飘辟稻飘厚溺飘 l 输出：卡片图像il 输出：指纹图剖l 输出：头像j 、- ，一 3 2 3 数据库设计 图3 7 系统结构图 为了实现系统丰富的功能，需要多个表配合使用。 其中，为了能够记录每次采集到的指纹信息，我们特别为离退休职工的指纹 信息设立了单独的表。并且引入“指纹流水号这一概念，这样就可以及时的 记录职工每次采集到的指纹，以及每次比对的结果( 确认状态) 。 这里只是简要给出系统数据库中的部分表单： 2 0 第三章系统设计 表3 1 t u s e r l n f o ( 职工基本信息表) 字段名称数据类型 描述 f i dt b x t 离退休职工社保编号( 主键) f i g a m er e x t 职工姓名 f g e n d e r1 b 疵 职工性别 f c a r d i dt b x t 职工身份证号码 表3 2t f i n g e r l n f o ( 职工指纹确认信息表) 字段名称数据类型描述 n d t e x t 离退休职工社保编号 f f i n g e r l d t b x t 指纹流水号 h m a g eb y t e指纹图像( 2 进制) 伽i n u s b y t e 指纹细节点图像( 2 进制) f v e r i f v s t a t et b x t职工身份确认状态 表33t c o m p a n y i n f o ( 单位基本信息表) 字段名称数据类型描述 f c o m p a n y i d t e m单位编号 f c o m p a n y n a m e 1 、e x t单位名称 f c o m p a n y a d d r e s s t 色x t单位地址 2 1 第四章关键技术分析 4 1 引言 第四章关键技术分析 在系统实现的过程中，以下几点构成了其中的难点： 1 如何处理低质量、大形变的指纹图像是系统的一大挑战。系统针对的人群存 在老龄化的问题，其指纹图像普遍较差。同时卡片指纹由于设备的原因，分 辨率低，比一般采集仪所采集的指纹图像质量更差、信息量更少、非线性形 变更大。 2 如何自动处理指纹卡片构成系统的另一难点。主要包括系统如何对扫描仪进 行控制来获取图像、如何从条形码图像中读出职工的社保编号、如何从卡片 中提取指纹图像等。 3 如何引进一个机制，能够个体化地制定核对策略，最大程度降低冒领养老金 可能带来的损失，也是系统需要考虑的一个难题。目前的养老保险系统对职 工采用相同而固定的时间周期来核查