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西南交通大学博士研究生学位论文第l 页 a b s t r a c t w i t ht h e l a r g e s c a l ep r o l i f e r a t i o no fb i o m e t r i c s - b a s e dp e r s o n a la u t h e n t i c a t i o n s y s t e m s ，i t ss e c u r i t ya n dp r i v a c yc o n c e r n sh a v ee m e r g e da sah o tr e s e a r c hi s s u e al o t o fr e s e a r c h e sh a v eb e e nc o n d u c t e do nt h ep a t t e r nr e c o g n i t i o na r e ao fb i o m e t r i c sr e g i m e ， u n f o r t u n a t e l y ；t h ec r i t i c a ls e c u r i t ya n dp r i v a c yi s s u e s t oa t t a i nt h er e l i a b l ea n d t r u s t w o r t h yi d e n t i t ya u t h e n t i c a t i o na r eb e i n gi g n o r e d ab i o m e t r i c ss y s t e m ，e v e nw i t h s i g n i f i c a n tr e c o g n i t i o np e r f o r m a n c e ，i so n l yu n i v e r s a l l ya c c e p t a b l ei fi ti ss e c u r e ， r e l i a b l e ，r o b u s ta g a i n s ta t t a c k sa n dt h r e a t s ，a n dp r o t e c t sau s e r sp r i v a c yi ne f f i c i e n t m ；l m e r t oo v e r c o m et h eb i o m e t r i c ss e c u r i t yc h a l l e n g e sa n dt oa l l e v i a t et h eb i o m e t r i c s p r i v a c yi s s u e s ，i nt h i st h e s i s ，w ei n v e s t i g a t et h em e t h o d sa n dt e c h n i q u e sa i m i n ga t t h w a r t i n gt h ea f o r e m e n t i o n e dp r o b l e m si n h e r e n ti nb i o m e t r i c ss y s t e m s f o rt h es e c u r et r a n s m i s s i o no fb i o m e t r i c sd a t ao v e ri n s e c u r en e t w o r kc h a n n e l ，t w o d i f f e r e n tm o d e so fd a t ah i d i n gs c h e m e sa r ep r o p o s e d 。t h ef i r s tm e t h o d w h i c hi s i m a g e - b a s e dh i d d e nt r a n s m i s s i o no fb i o m e t r i c st e m p l a t e , i r i d e st h eb i o m e t r i cd a t ai n t o ag r o u po fd i f f e r e n ti m a g e s s e c r e tk e y sa r eg e n e r a t e db yt h eb i o m e t r i ci m a g ea n d c n ( a y p t i o ni sa p p l i e do i lt h eb i o m e t r i ct e m p l a t e sb e f o r eh i d i n gi n t ot h eh o s ti m a g e s d e c o d i n gp e r f o r m a n c eo fh i d d e nt e m p l a t e si se n c o u r a g i n ga n do u t p e r f o r m si nt h ec a s e o ft r a n s m i s s i o na t t a c k so nt h ec o v e ri m a g e t h es e c o n dp r o p o s e dm e t h o di sa na u d i o s i g n a l - b a s e dc o v e r t t r a n s m i s s i o ns c h e m eo fb i o m e t r i ct e m p l a t e s , i nw h i c hw eu s e da n o v e l c h a o sa n dn d f t - b a s e dt e m p l a t eh i d i n gs c h e m e a n dp r o v e dt h a tt h ec o m b i n a t i o n o fe n c r y p t i o n ，e n c o d i n g ，m o d u l a t i o n ，a n dd a t ah i d i n go fb i o m e t r i ct e m p l a t ei na u d i o s i g n a lc o u l dn o ta f f e c tt h ei d e n t i f i c a t i o np e r f o r m a n c eo ft h eb i o m e t f i cr e c o g n i t i o n s y s t e m t h eb i o m e t r i cd a t ae x t r a c t i o np e r f o r m a n c eo ft h es y s t e mi se f f i c i e n t l yc a p a b l e o f i d e n t i f y i n gap e r s o nw i t h o u ts t r i n g e n tc o m p r o m i s e o fm a t c h i n ga c c u r a c y t oo b s t r u c tt h en o n - l i v e n e s sa n dr e t r a n s m i s s i o ni s s u e so fb i o m e t r i c si m a g e s ，a c h a l l e n g e r e s p o n s e b a s e db i o m e t r i c si m a g es c r a m b l i n gs y s t e ma n dm e t h o di sp r o p o s e d i nc o n t r a s tt og e n e r a lc h a l l e n g e r e s p o n s es y s t e m s ，w h i c hi s s u ec h a l l e n g e st ot h eu s e r , o b l s c h e m ei sb a s e do nan o v e la r c h i t e c t u r eo fi n t e l l i g e n tb i o m e t r i c ss e n s o rt h a th a s c o m p u t a t i o n a lp o w e rt or e c e i v ec h a l l e n g e sf r o mt h ea u t h e n t i c a t i o ns e r v e ra n dg e n e r a t e 第l l 页西南交通大学博士研究生学位论文 r e s p o n s et ot h ec h a l l e n g ew i t ht h ee n c r y p t e db i o m e t r i ci m a g e t h ee n c r y p t i o na n d d e c r y p t i o np e r f o r m a n c eo ft h ep r o p o s e ds y s t e mi se n c o u r a g i n gt ou s e i nt h er e a l t i m e s y s t e m so fb i o m e t r i c si m a g et r a n s m i s s i o n i no r d e rt os t r e n g t h e nt h ep r i v a c yo fb i o m e t r i c sd a t a ，a l le f f i c i e n ta n dt o k e n l e s s t e c h n i q u ei sp r e s e n t e d f i r s t l y , t h i ss c h e m ee x t r a c t sf e a t u r e sf r o mt h ec a p t u r e d b i o m e t r i c sf a c ei m a g e st og e n e r a t et h ef a c ef e a t u r ev e c t o ra n dt h e n ，p s e u d o r a n d o m n u m b e r sw i t h o u tu s i n gt h et o k e n se g u s bo rs m a r tc a r da r eg e n e r a t e d ，w h i c hc a nb e c o m b i n e dw i t ht h ef a c ef e a t u r es e tt oa t t a i nab i n a r yf a c e h a s hc o d e t h i ss c h e m e e l i m i n a t e st h ef e a ro fu s i n gb i o m e t r i c sf o rt h ec r o s sm a t c h i n g a p p l i c a t i o n s ，a n d p r o v i d e sar e m e d yf o rn o n - r e v o c a b l eb i o m e t r i c sd a t a f i n a l l y , a ne f f i c i e n ta n dp r a c t i c a lc h a o t i ch a s h - b a s e df i n g e r p r i n tb i o m e t r i cr e m o t e u s e ra u t h e n t i c a t i o ns c h e m eo nm o b i l ed e v i c e s ，e g c e l lp h o n ea n dp d a ，i si n v e s t i g a t e d t h i ss c h e m ei sc o m p l e t e l yb a s e do no n e - w a yc o l l i s i o nf r e ec h a o t i ch a s hf u n c t i o n s ，a n d d o e sn o tm a i n t a i np a s s w o r dt a b l e sa n db i o m e t r i c sd a t a b a s eo nt h er e m o t es e r v e r f u r t h e r m o r e ，u s e r sc a nc h o o s et h e i rp a s s w o r d sf r e e l ya n dc h a n g eo ru p d a t et h e m s e c u r e l yw h e n e v e rt h e yw a n t ，t h i ss c h e m ei se n c o u r a g i n ga n db e t t e rt h a nu s i n gt h e l a r g ee x p o n e n t i a lf u n c t i o n so rd i s c r e t el o g a r i t h mp r o b l e m so nm o b i l ed e v i c e s , b e c a u s e o ft h e i rl o wc o m p u t a t i o n a lp o w e ra n ds p e e d h e n c e ，t h ec o n t r i b u t i o no ft h i s t h e s i si s e n v i s a g e di ne n h a n c i n gt h eu s e r s c o n f i d e n c ea n dt r u s tt ou s eb i o m e t r i c ss y s t e m sw i t h o u th a v i n gaf e a ro fs e c u r i t yb r e a c h a n dp r i v a c yc o m p r o m i s ef o rt h ed e p e n d a b l ea n dt r u s t w o r t h yp e r s o n a la u t h e n t i c a t i o n k e y w o r d s ：b i o m e t r i c s ；t e m p l a t e ；a u t h e n t i c a t i o n ；s e c u r i t y ；p r i v a c y 第v i 页西南交通大学博士研究生学位论文 l l s to ff 1 6 u r e s 1 1c a r d s t oa u t h e n t ic a r eap e r s o r l3 5 5 一 6 7 7 9 1 0 1 1 1 3 1 4 1 2 $ a m o i ef i n g o r p r ir t ti m p r e s s i o t i so fs o m e 1 3s o m e1 ：a c ei l l l a g e sf r o mo r lf a c ed a t a b a s e 1 4ir i si m a g o so fai d e r s o i li j $ 8a sb i o m e t r i 1 5 h u m a nr e t ir l a l s u b j e c t s 1 6h a n dg e o m e t r yr e ( ：o g nitio r ls y s t e m 1 7 t y p i c a ib i o m o t r i cr o c o g n i t i o n 1 8 b i o m e t r i c se r l r o ii i n e r t l ：p r o c e s s o r o c e s s 1 9b i o r n e t r i t si d e n t i f i c a t i 0 1 1p r o c e s s 1 1 0b i o m e t r i c sv e t i f i e a t i o no r o c ；e s s 1 1 1s e c u r i t yh o i e si nag e r l e l i cb i o m e t r i cs y s t e m 2 a 1 p r o p o s e ds 2 a 2ir i s1 3 i o m e t 2 3 i r i si m a g e ( a ) e n e r y p t i ( b ) d e o r y p t i ( a ) k , u t o - 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i si m a g e m a g e p i x e l si np i a i l l la n d ( a ) c o r r e l a t i o na l i a l y s iso fp i a i nf i n g e r p r i n ti m a g e ( b ) c o r r o l a t i o nj l r l a l y s i so fe n c r y p t o df i n g e r p r i n t 3 1 5 c o r r e l a t i o n $ o f t w oh o r i z o n t a ii ya d j a c o n tp i x e is e n c r y p t e df in g e r p rin tir n a g e s n l a g e i ni o1 1 i na n d ( a ) c o r r o i a t i o na f l 2 l l y s i so fp l a i n ir isi m a g e ( b ) c o r r e i a t i o nt i r l r , i y s i so fe n c r y p t e di r i sr n a g e 7 1 7 1 7 2 7 3 7 3 7 3 7 4 7 4 7 4 7 5 3 1 6 o o r r e l a t i o n so ft w oh o r i z o n t a | l ya d j a c e n tp i x e ! si np l a i na n d e n c r y p t e di ri s i m a g e s 一7 5 4 1 $ e h e m a tiodia g r a r no fp r o p o s e df a e e h a s h in gs c h e m o 4 2 $ a m o i ef a e oi m a g e sf r o mo r ld a t a b a s e 4 3k e ys 6 1 1 s i t i v i l ：ys i r u i a t i o n s 一 4 4 d i f l u s i o l 3o ff a c e l l a s h i n ga t t w od i f f o r e n ts e e d s 4 5o i s t ri b u t i o no fc h a n g e db i t s 口 5 1r e m o t er i s e ra u t h o n t i e a t i o f fu s i n gm o b ii ed e v i c e s 8 1 8 2 8 7 8 8 8 9 52b l o c kd i a g r a t o fc b cm o d ei nh a s h i n gp r o o o s s oi s i n i t i a ii n p u tv a i t i e h o i si n i t i a lv e c t o r h ，i s f i n a lh a s hv a l u e 西南交通大学博士研究生学位论文第1x 页 l i s to ft a b l e s 2 a 1c o m p a ris o f to ft h ep r o p o s e dm e t h o d s ( in ) 2 a 2p e r f o r m a n c ec o m p a r ；s o na f t e r5 0 c r o p pin ge f f e c t s 2 a 3d e t a il e de x p e r i m e n t a ir e s u l t so ne a c hi m a g e ( a ) b a b o o nin t a g e ( b ) l e n ai m a g e ( c ) s a il b o a ti m a g e ( d ) n e wy o r ki m e g e 2 b 1e x p e r i m e n t a ir e s u l t s 3 3 3 4 3 5 3 5 3 5 3 5 3 6 5 2 3 1 ，c o r r e ia t ；o nc o e f f i c ；e n to ft w oa d j a c e n tp ix e | s o ff a c e i m a g e 一7 5 3 2 c o r r e ia t i o nc o e f f i c i e n to ft w oa d j a c e n tp i x e i sf i n g e r p r i n ti m a g e 7 5 3 3 ，c o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n to ft w oa d j a c e n tp i x e i s ir i si m a g e 7 6 3 4 d ；f f e r e n t i a ia t t a c k sa n a i y s is 4 1 n u m b e ro fc h a n g e db i t s 口 7 7 9 0 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密 ，在年解密后适用本授权书； 2 不保密话，适用本授权书。 ( 请在以上方框内打“、，”) 学位论文作者签名：出踟尉” 日期：胁年f 上月d g 日 指导教师签名：施为0 矽 日期：护，年j 上月p 日 西南交通大学 学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立进行研究工 作所取得成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集 体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究作过贡献的个人和集体，均已 在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的丰要创新点如下： 1 t oi m p l e m e n tt h es e c u r i t ya n ds e c r e c y , w ep r o p o s et w od i s t i n c tm e t h o d sf o rs e c u r e a n dh i d d e nt r a n s m i s s i o no f b i o m e t r i c st e m p l a t e s t h ef i r s tm e t h o di si m a g e - b a s e d c o v e r tt r a n s m i s s i o no fb i o m e t r i c st e m p l a t e s ，i nw h i c hw eu s ed i f f e r e n tg r o u po f i m a g e st oh i d ei r i sd a t a e x t e n s i v ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a to u rm e t h o di s r o b u s t ，s e c u r e ，a n dm o r ea c c u r a t et h a nt h ep r e v i o u ss c h e m e s o u rs e c o n dm e t h o d i sa u d i os i g n a l b a s e dh i d d e nt r a n s m i s s i o no fb i o m e t r i c st e m p l a t e s w ee m p l o y c h a o sa n dn d f tt oi m p l e m e n ts p r e a ds p e c t r u mt e m p l a t eh i d i n gs c h e m ei n t oa d i f f e r e n tg r o u po fa u d i oc l i p s t h et e m p l a t ee x t r a c t i o np r o c e s si sc o m p l e t e l yb l i n d a n dd o e sn o tr e q u i r eo r i g i n a la u d i os i g n a l ，t h u st h ee x t r a c t i o ni sd e p e n d e du p o nt h e s e c r e tk e y t h et e m p l a t ee x t r a c t i o na c c u r a c yf r o mt h er e c e i v e da u d i os i g n a li s e n c o u r a g i n gu n d e rs e v e i ea t t a c k s ，a n d t h e s y s t e m i s e f f i c i e n t l yc a p a b l eo f i d e n t i f y i n gap e r s o nw i t h o u ts t r i n g e n tc o m p r o m i s eo fm a t c h i n ga c c u r a c y ( c h a p t e r 2 a & 2 8 ) 2 t oo b s l a n c tt h ea t t a c k s ，a n dt oh a m p e rw i t ht h el i v e n e s sa n dr e t r a n s m i s s i o ni s s u e s o fb i o m e t r i c si m a g e s ，w ep r o p o s eac h a l l e n g e r e s p o n s e - b a s e db i o m e t r i c si m a g e s c r a m b l i n gs y s t e ma n dm e t h o d ，w h i c ha i m st od e t e rt h ea s s a u l t so fa na d v e r s a r y w h oc a n p l a y r o l eo fm a n i n t h e m i d d l ef r o mc l i e n tw o r k s t a t i o nt ot h e a u t h e n t i c a t i o ns e r v e rl o c a t e da tal o c a lo rr e m o t ep l a c e t h ep r o p o s e ds c h e m ei s b a s e do nan o v e la r c h i t e c t u r eo f i n t e l l i g e n t b i o m e t r i c ss e n s o rt h a th a s c o m p u t a t i o n a lp o w e rt or e c e i v ec h a l l e n g e sf r o mt h ea u t h e n t i c a t i o ns e r v e ra n d g e n e r a t er e s p o n s et ot h ec h a l l e n g ew i t ht h ee n c r y p t e db i o m e t r i ci m a g e t h e e n c r y p t i o na n dd e c r y p t i o np e r f o r m a n c eo f t h ep r o p o s e ds y s t e mi se n c o u r a g i n gt o u s ei nt h er e a l - t i m es y s t e m so fb i o m e t r i c si m a g et r a n s m i s s i o n ( c h a p t e r3 1 3 t op r e s e r v et h ep r i v a c yo fb i o m e t r i c sd a t a ，w ep r e s e n ta ne f f i c i e n ta n dt o k e n l e s s p r i v a c y - p r o t e c t i n gr e v o c a b l eb i o m e t r i c sa u t h e n t i c a t i o ns c h e m e w ep r o p o s ea n o v e ls o l u t i o nt oo v e r c o m et h e i r r e v o c a b i l i t yp r o b l e mo fb i o m e t r i cd a t ab y p e r f o r m i n gs i m p l eo p e r a t i o n st og e n e r a t ef a c e h a s hw i t h o u tu s i n gt h eu s bt o k e n ， w h i c hh a sb e e nw i d e l yu s e di ng e n e r a t i n gt h e p s e u d o r a n d o mn u m b e r s t h i s s c h e m ee l i m i n a t e st h ef e a ro fu s i n gb i o m e t r i c sf o rt h ec r o s sm a t c h i n ga p p l i c a t i o n s ， a n ds o l v e st h ep r o b l e m so fi r r e v o c a b l eb i o m e t r i c s e x p e r i m e n t a la n ds i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a tt h ep r e s e n t e da p p r o a c hi ss e c u r e ，r o b u s t ，c o m p u t a t i o n a l l yf e a s i b l e ， a n dc o s t i n e f f e c t i v et oa t t a i nt h er e v o c a b l eb i o m e t r i c s 1 ft h eb i o m e t r i cd a t a g e n e r a t e db yo u rs c h e m ei sc o m p r o m i s e d ，t h e nu s e rc a nb ei s s u e da n e wf a c e h a s h a n dt h es a m eu s e rc a n u s ed i f f e r e n tf a c e h a s h e sf o rd i f f e r e n ta r r a yo fa p p l i c a t i o n s e g n a t i o n a ld a t a b a s e ，h e a l t h c a r e ，a n db a n k i n g i na d d i t i o n ，t h ep r o p o s e ds c h e m e i sg e n e r a li nn a t u r ea n dc a ne a s i l yb ea p p l i e do na n yb i o m e t r i c se 晷f i n g e r p r i n t ， i r i s ，a n ds i g n a t u r ee t c ，w i t h o u tc o n c e r n i n gt h e i rt e m p l a t es i z e ，t og e n e r a t eb i o h a s h ( c h a p t e r4 ) 4 a ne f f i c i e n ta n dp r a c t i c a lt w of a c t o r - b a s e dr e m o t ea u t h e n t i c a t i o ns c