（通信与信息系统专业论文）基于不同特性的指纹传感器的自适应图像分割算法研究.pdf

重庆邮电大学硕士论文 摘要 随着信息技术的发展，信息安全与人类的生活越来越息息相关。生物体识别技 术作为一种防范未授权信息访问的重要的信息保密手段，在过去的几十年里获得 了长足的发展。生物体识别技术是一种利用个体独特的生理特征或行为特征对个 体身份进行识别的技术。而指纹识别技术以其普遍性、独特性、长期不变性和易 采集性等诸多优势，占据了生物体识别技术百分之五十以上的份额，几乎成为了 生物体识别技术的代名词。 指纹图像分割是自动指纹识别至关重要的一步，其主要任务就是把前景信息和 背景噪声分割开来。现有的指纹识别算法的前提条件是从相同的指纹传感器上取 出指纹并认证。随着指纹识别技术硬件和软件的快速发展，不同特性的传感器出 现，然而它们之间却不能兼容。本论文要开发的算法是基于不同特性的指纹传感 器自适应图像分割算法。 首先本文对传感器的重要特性如实质分辨率和失真度等给出了评价方法和结 果。接着重点介绍的四步指纹图像分割法：图像标准化像素三要素提取线性分类 器g l a s sf i r el a b e l i n g 标识。通过对三类九种指纹传感器所采集图像的实验证明，它 对传统图像分割算法有了极大的改进，不仅有良好的分割效果，而且，实现了对 不同指纹传感器采集图像的自适应性，为探索加强指纹传感器的协作性，打破各 个传感器之间不能互用的局面做出了有益的尝试。 关键词：图像分割线性分类器自适应性标识 重庆邮电大学硕士论文 摘要 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , i n f o r m a t i o ns e c a r i t ya n dt h el i v e s o fm o r ea n dm o r ec l o s e l yl i n k e d b i o m e t r i cs y s t e mi sa n i m p o r t a n ti n f o r m a t i o n c o n f i d e n t i a lm e a n s ，i nt h ep a s tf e wd e c a d e sw a sac o n s i d e r a b l ed e v e l o p m e n t b i o m e t r i c t e c h n o l o g yi se s s e n t i a l l yap a t t e r ns y s t e mt h a nr e c o g n i z e sap e r s o nb yd e t e r m i n i n gt h e a u t h e n t i c i t yo fas p e c i f i cp h y s i o l o g i c a lo rb e h a v i o r a lc h a r a c t e r i s t i cp r o c e s s e db yt h a t p e r s o n f i n g e r p r i n tr e c o g n i t i o nt e c h n o l o g yb e c a u s eo f i t su n i v e r s a l i t y , u n i q u e ，l o n g - t 朋m i n v a r i a n c e ，b e c o m e st h em o s tp o p u l a rb i o m e t r i ct e c h n o l o g y a ni m p o r t a n t s t e p i na na u t o m a t i c f i n g e r p r i n tr e c o g n i t i o ns y s t e mi s t h e s e g m e n t a t i o no ff i n g e r p r i n ti m a g e t h et a s ko faf i n g e r p r i n ts e g m e n t a t i o na l g o r i t h mi s t od e c i d ew h i c hp a r to f i m a g eb e l o n g st ot h ef o r e g r o u n d ，o r i g i n a t i n gf i - o mac o n t a c to f a f i n g e r t i pw i t ht h es e n s o r , a n dw h i c hp a r tt ot h eb a c k g r o u n d ，w h i c hi st h en o i s ya r e aa t t h eb o r d e r so ft h ei m a g e s p r e v i o u sf i n g e r p r i n tr e c o g n i t i o na l g o r i t h m sa n ds y s t e m s u s u a l l ye x l r a c ta n di d e n t i f yu s e 侣b yu s i n g 岛 n l et y p eo ff i n g e r p r i n ts e i l s o r s a n dm a n y i 墙e 侣u s e d 戤l r n et y p eo f f i n g e r p r i n ts e n s o r s h o w e v e r , a st h ed e v e l o p m e n ti nt h ef i e l do f f i n g e r p r i n tr e c o g n i t i o ni n c r e a s e sp o w e r f u l l yb o t hi ns o f t w a r ea n dh a r d w a r e ，m a n yt y p e s o ff i n g e r p r i n ts e n s o r sa r ep r o d u c e da n di n s t a l l e di n t or e a la p p l i c a t i o n s d i f f e r e n tt y p e so f s e n s o r sh a v ed i f f e r e n tp r o p e r t i e si nt e r m so f d p lc a p t u r e di m a g e s i z ea n d8 0o n t h e r e f o r e ，i no r d e rt of a c i f i t a t et h eu s a g eo f d i f f e r e n tf i n g e r p r i n ts e n s o r s a n dt oe n a b l et h eu s eo fm a n yt y p e so ff i n g e r p r i n ts e n s o r si nt h es a l en e t w o r k , a n i n t e r o p e r a b i l i t ys t a n d a r da m o n gs e n s o r si sn e e d e d t h ep u r p o s eo f t h i sw o r ki st od e v e l o pa na l g o r i t h mf o ri n t e r o p e r a b i l i t yo f d i s p a r a t e f i n g e r p r i n ts e n s o r 8a sa na d a p t i v ea l h a n c c m e n ta l g o r i t h m f o rt h i st a s k , w ep r o p o s ea f o u r - s t e pa p p r o a c h a r e ra c q u i r i n gf i n g e r p r i n ti m a g e sf i o m l l s o r s ，p r o p e r t i e so ft h e i m a g e ss u c ha sd p lr e s o l u f i o ne v a l u a t e d k e yw o r d s ：i m a g os e g m e n t a t i o n , l i n e a rc l a s s i f i e r , a d a p t i v e , l a b e l i n g 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，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，也不包含为获得重麽邮电太堂或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。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的说明并表示谢意。 学位论文储躲焖 签字日期：名哆年如多日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重庆邮电太堂有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查 阅和借阅。本人授权重庆唑虫太堂可以将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、汇编学位论 文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：； 汤研导师签名： 签字日期：衫年主月日 锄疚 辩醐：冲朋朋 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 信息技术已经渗透到我们生活的方方面面。无论学习、工作、交流、出行、 休闲、娱乐，几乎所有的日常活动或多或少与信息技术都有关联。人类社会与信 息技术结合得日趋紧密，也是因为这个原因，信息的安全性日趋为人们所重视。 个人来说，敏感的私人数据、电子邮箱、即时通讯工具、移动电话、银行卡这些 貌似没有太大关联的东西都与信息安全扯上了关系。一旦这些信息泄露，用户可 能将遭受不可挽回的巨大损失。而对高度发达的互联网来说，信息的安全性更是 重中之重。电子商务、网络银行、敏感数据传输、语音交互所有这一切都是 在一个开放的网络上进行。如果信息安全得不到保障，将对互联网发展造成致命 的打击。 在信息技术发展的几十年历史中，科学家们陆续发明了许多安全技术。这些 技术可能在原理上存在许多不同但它们都可以实现对信息进行加密保护，起到 防范未授权访问的作用。它们的差异更多体现于所能达到的安全等级、技术稳定 性以及易用性。而对个人用户来说，身份认证机制是信息安全最重要的一道门槛。 如果身份认证系统被攻破，意味着自身所有的秘密拱手让人，并有可能造成巨额 经济损失。因此，开发出高安全性且易于管理、易于使用的身份认证技术向来都 是信息工业中重要的一环。而在过去信息技术数十年的发展历史中科学家发明了 许多不同原理的身份认证技术。密码识别、指纹识别、虹膜识别、语音识别等。 其中指纹识别是其中的典型代表。 指纹由于其具有独特性和不变性，长期以来就作为一种重要的身份识别方法。 在计算机未诞生或未得到广泛应用的年代。指纹鉴定都是通过手工的方法进 行。首先，指纹专家会建立一个庞大的指纹库，指纹库中存放着大量印有指纹卡 片。如果要鉴定某个指纹是否属于某人，在实际收集此人的指纹图像后再将它与 指纹库中的既定指纹卡片进行对比( 必须借助放大镜才能观察到指纹的细微纹路) 。 如果图像信息完全吻合，那么便判别该指纹由某人产生；如果图像不吻合，那便 得出一个否定的结论。显而易见，人工处理的方式效率低下，鉴定一个指纹就需 要耗费大量的精力，并且这项工作只有经验丰富的指纹专家才可胜任。更严重的 是，由于人工管理的限制，每一个指纹库容量不能做得太大。否则逐一比较的工 作便浩如烟海，非人力所能完成。到了2 0 世纪6 0 年代，计算机技术获得高速发展。 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 科学家成功发明了计算机指纹鉴定系统，并将其投入使用，指纹鉴定开始迎来有 史以来首次大飞跃。凭借计算机的超强运算力，指纹鉴别工作可以快速完成。并 且能够保证极高的精确度，更重要的是，构建庞大的指纹库系统也就成为可能 只要计算机的速度够快、存储容量够大，便可以将整个国家人口的指纹都纳入其 中。建立一套庞大的指纹库系统，由此实现国家范围内的指纹精确识别，相信大 家在国外许多科技相关的电影大片中能够清楚地看到这种趋势。 在计算机还是政府机构、军队和科研单位的专属品的年代，指纹识别技术不 可能用于民用市场。直到八十年代后期p c 机获得大范围流行，且逐渐出现低价位 的光学取像备，让指纹识别技术进入民用市场成为可制”。见图1 1 。诸如考勤机、 门禁、远程教育、网络安全、汽车等许多领域都开始采用指纹识别技术。在未来 几年内，相信指纹识别技术将迎来一个黄金发展期。 图1 1 自动指纹识别技术的应用范围 1 2 对指纹识别技术研究的重要意义 早在一个多世纪之前，a l p h o n s eb e r t i l l o n 就首次构想并实践了用身体尺寸来破 案的主张( r h o d e s ，1 9 5 6 ) 。随后，这一想法迅速流行，直到人们发现了人类指纹 的独特性，用身体尺寸识别的主张才渐渐暗淡下去。1 8 9 3 年，英国联邦政府接受 了“没有两个个体拥有完全相同的指纹”的理论【l 】，许多法律执行部门开始将罪犯的 指纹登记在册，这些记录，仅仅用手指的印记，就可以十分方便的确定罪犯的身 份。一些代理机构( s c o t t ( 1 9 5 1 ) 和l e e 、g a e n s s l e n ( 2 0 0 1 ) ) 开始了指纹的研究工作， 2 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 包括发展科学的视觉匹配指纹的方法、培养大量的指纹专家和运用指纹标定寻找 确定罪犯的身份等。 尽管这些用指纹标定、查询身份的有创意的方法的即兴发挥提高了人工破案效 率，但是还是难以满足日益增长的对指纹识别的需求。手工的指纹标定导致了部 分指纹的失真，根本无法提高查询的效率。指纹训练过程本身也是一个耗时漫长 的过程。另外，手工的指纹标定方法，要求在视觉匹配的时候必须高度的精力集 中以辨认变化了的指纹。单调重复的工作性质和日益增长的对指纹识别的需求， 促使法律执行代理机构发起了对自动指纹认证系统( a u t o m a t i cf i n g e r p r i n t i d e n t i f i c a t i o ns y s t e m s ( a f i s ) ) 的研究。自动指纹认证系统是通过电子媒体获取指纹， 并且基于数码指纹图像进行自动识别的。这项研究在近几十年，获得了迅猛的发 展，而法律执行代理机构( l a we n f o r c e m e n ta g e n c i e s ) 作为最早的指纹识别发起者， 被称为指纹识别之父。当今时代，与日俱增的身份欺诈行为，引发了对生物体识 别技术的更高的需求。 生物体识别，涉及对独特的生理特征的利用( 比如：指纹、人脸、视网膜、 瞳孔等) ，和对行为特征的利用( 比如：步态、签名等) 两个方面f l l 。事实上，目 前所有的生物体识别技术，都是利用生理特征和行为特征的有机结合，而不能完 全将其分类成生理特征的识别或者行为特征的识别。比如，指纹识别，看起来本 质是在利用生理特征，但是，在进行指纹输入的时候，输入者用哪个手指，怎样 进行输入，又取决于那个人的行为习惯。这样，输入到识别仪器的过程就结合了 生理和行为的双重特征。类似的，还有语音识别：语音是部分的取决于声带的结 构( 即生理特征) ，部分的取决于个体不同的发声方式( 即行为特征) 。 这个人是否被批准进入这个设备? 他是否授权存取保密信息? 是否在只对已 经注册的用户提供服务? 对于这些问题的回答同样对商业和政府部门具有重要的 意义。由于生物识别特征不能被轻易的置换、伪造或分享，所以，他的可靠性比 一般的信息安全技术要高得多。更方便( 如：取钱的时候不用p i n 或a t m 卡) ， 更安全( 如：很难被伪造) ，更有效( 如：不存在忘记密码的情况，维护简单) 是 生物体特征识别技术的三大目标。由于指纹传感器成本的降低，芯片功能的强大， 使指纹识别技术迅速扩展到商业、民用和金融等领域。 在人们的认识里通常存在着一个很大的误区，认为自动指纹识别技术早在几 十年前就是机器模式识别的代表，关于模式识别和图像处理的技术难题早就被解 决了，所以在现在技术很成熟的情况下，研究的意义不大。事实的情况正好相反， 指纹识别至今仍然是一个极具挑战的重要的模式识别课题。 随着指纹识别的产品越来越多，急需一个统一的、恰当的评估标准协议，指 纹识别( 或者其他的生物体识别技术) 嵌入到各种系统进行开发( 比如：手机， 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 笔记本等) 的趋势越来越明显，这些新的问题都将是目前指纹识别研究的新热点， 也将给人们带来关于信息安全问题的新思考。 由于指纹识别是属于生物体识别的一部分，而所有的生物体识别技术又基本 采用类似的识别的模式，所以有必要对生物体识别技术及其重要的概念进行详细 的介绍。 1 2 1 生物体识别系统介绍 生物体识别系统，实质上是模式识别系统的一种：它是对人的身份进行识别， 其可靠性取决于人拥有的具体生理特征或者行为特征是否可靠。在设计实际的生 物识别系统的时候，一个重要的问题是：个体怎样被识别出来。 根据应用背景的不同，生物体识别系统基本可以分为两类：验证( v e r i f i c a t i o n ) 和辨识( i d e n t i f i c a t i o n ) 。 验证【1 1 是通过把一个现场采集到的生物体特征与一个已经注册的生物体特征 模板进行一对一的比对，来确认身份的过程。验证的前提条件是，他或她的生物 体特征模板必须存在于数据库中，并与其身份代码( p i n ) 联系起来。随后在比对现 场，先验证身份代码，然后，利用系统数据库中的模板与现场采集到的特征比对。 验证其实是回答这样一个问题：“他是他自称的这个人吗? ” 辨识则是把现场采集到的生物体特征同数据库中的模板逐一对比，从中找出 与现场生物体特征相匹配的。这也叫“一对多匹配”。 辨识回答了这样一个问题：“他是谁? ” 验证和辨识的具体实现过程，参见图1 2 。 注册。无论验证还是辨识都要先进行用户注册。注册模块的作用主要是将 个体的信息登记到系统模版数据库( s y s t e md b ) 中去。在注册的过程中，个体的 生物体特征被首次扫描记录，并表示成原始的数据。生物特征质量检测，是为了 保证取得的采样的可靠性，也是后续步骤成功的保证。为了便于特征匹配，往往 得到的原始数据要通过细节特征抽取步骤进行深度处理，以得到简洁明了的表示 模版( t e m p l a t e ) 。模版被储存在中央系统数据库，或被记录在用户手中的磁 卡或者智能卡上。 验证。在验证的操作中，用户先通过键盘输入自己的用户名或者个人认证 码( n 嗵位o rp n ) ，然后识别器读入个人生物特征信息，并把信息数字化，特征 抽取，转化成数字格式。最后，将其放入匹配器，和预存的相同用户名或个人认 证码的模版进行比对，如果相同，输出为真；反之，输出为假。 辨识。在辨识的操作中，不存在个人认证码，直接将得到的数字信息与数 4 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 据库中的模版逐一比对，如果有相同的，则输出某某用户身份确认：反之，则输 出，该用户不存在。 c 辨识 图1 2 注册、验证、辨识示意图 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 1 2 2 多种生物体特征识别技术的比较 人类的任何生理或者行为特征可以拿来用作生物体识别特征的前提是，这些特 征必须具备以下的特点： 普遍性( u n i v e r s a l i t y ) ，是说必须每个人都得具有这样的生理或者行为。 独特性( d i s t i n c t i v e n e s s ) ，指任何两个个体之间，此特征必须具备足够大的 差异以便识别器能将其进行区分。 持久性( p e r m a n e n c e ) ，在一定的时期内( 预计的生物特征匹配检测期之内) ， 该生物特征保持不变。 可采集性( c o l l c c t a b i l i t y ) ，指数量上可被测量。 当然，在实际的操作中，还有其他的一些因素也在考虑之列，如：现有的技 术可使识别器达到的最大性能( p e r f o r m a n c e ) ；从伦理或简易度上，人们的可接受 程度( a c c e p t a b i l i t y ) ；该特征防伪度( c i r c u m v e n t i o n ) 等。 下面通过表i i ，简单的把目前生物体特征识别技术各个方面进行一个简单的 比较。 表1 i 生物技术的比较：各个性能参数为高h ，中m ，低l 。 普遍性 独特性持久性可采集性技术性能可接受度防伪度 d n ahhh lh ll 耳部mmhmmhm 面部h lmh lhh 纂指纹 ，mj! 纛、l f + ， # 矗窖 。 mm “鬻 爹。职4iim ? 步态mllhlhm 掌纹mmmhhmm 瞳孔hhhmhll 气味hhhllm l 视网膜hhm lh ll 签名lllhlhh 语音mllmlhh 从该表中可以清楚的看到，指纹识别是所有的生物特征技术中，兼顾各种属 性最好的技术。除了手部缺失残疾的人以外，每个人都有指纹特征。指纹具有很 高的独特性。指纹的细节特征具有持久性，即使在受到外伤的情况下，通过高分 辨率的指纹扫描，背景分析，也能不受其影响。虽然不能够实现远程捕获指纹， 但是，现代的指纹识别系统能够达到很高的性能，正确率高达9 9 8 。指纹传感器 体积小，价格便宜，更为人们所接受。正是因为指纹识别技术的诸多优点，该技 6 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 术在市场份额中占据了不可动摇的地位嘲( 见图1 3 ) 。可见，指纹识别技术的研究 具有十分重要的市场意义和价值。 图1 32 0 0 6 年生物技术识别市场调查报告 1 2 3 生物识别系统的错误率 生物识别系统在对生物特征进行处理时，只涉及有限的信息，而且比对算法 并不是精确的匹配，因此其识别结果不能保证1 0 0 准确。生物识别系统准确性的 衡量标志是识别率，识别率主要由两部分描述【习：拒真率和认假率。 用户注册的指纹模板是判断是否是该用户的一个标准，当某用户输入其个人 代码并要求比对时，传感器读取其指纹并与该模板进行匹配比较，根据它们之间 的差异，得出一个得分( s c o r e ) ，得分越小，说明用户的实际指纹与模板越接近， 可以认定是该用户，而如果得分较大时，说明这一用户不一定是其宣称的用户， 将被拒绝。 1 2 4 指纹识别过程简介 指纹识别过程究竟是一个什么样的流程呢? 具体是由哪些步骤实现的呢? 而 本课题研究的指纹图像分割究竟对整个指纹识别具有怎样的意义和作用呢? 下面 通过指纹识别过程的介绍，对这些问题进行讨论。指纹识别过程【4 】如图1 4 所示。 指纹识别过程遵循所有的生物体特征识别的过程，分为用户注册和特征匹配 两个部分。首先需要录入指纹图像，对获取的原始图像进行处理：包括图像分割， 细化，二值化等步骤：然后，对指纹的细节特征进行提取，比如：分叉点，终点， 湖等：最后生成模板储存在系统数据库中。无论是验证或者辨识的过程，都需要 将待鉴定的用户的指纹图像再一次进行同样的图像分割，细化，二值化，特征提 7 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 取等一系列步骤，生成和数据库模板同样的数据格式，最后进行比对，得出识别 的结果。 圉日国日圉 国日国日圈 图1 4 指纹识别流程图 由图1 4 可以明确的看到，包括图像分割在内的图像处理过程，是指纹识别能 否成功的关键的第一步。图像分割，就是把指纹图像的前景和背景进行分割，从 而最大程度地消除噪声，保留有用的图像信息。如果图像分割方法得当，就会为 后面的细节特征提取，模板生成，特征匹配等环节奠定坚实的基础。 现有的指纹识别算法的前提条件是使用相同的指纹识别器上取出指纹或认 证。所以在网上的很多用户只能用同一个指纹识别器才能实现认证，这是因为指 纹识别器没有标准的互换规定。 本论文要开发的算法是利用指纹识别器登录相同规格的数据形式，然后读取 相同规格的模板识别指纹图像的算法。对用户使用什么样的识别器都没有限制， 如图1 5 所示。 由于各种识别器的使用算法的不同，要使用指纹识别器的各系统需要个别的 登录，而且认证时必须使用登录时使用的识别器。这说明个人和系统需要保留多 个不同种类的识别器。为了解决此问题在本论文开发不同识别器之间能识别的算 法。这样用户可以在自己的电脑上使用不同的识别器。为了开发此算法需要分析 各种指纹识别器的特性，利用这种特性开发识别器之间的互换性。 综上所述，图像分割技术在理论上，具有举足轻重的意义和价值。对于图像 分割的算法研究，本课题对指纹图像的分割算法进行分析讨论，研究基于不同特 性的指纹传感器的自适应性指纹图像分割算法和实现。 8 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 1 3 论文结构 图1 5 不同特性传感嚣自适应性示意图 本文共分五章，各章的内容安排如下： 第一章介绍了包括指纹识别技术在内的生物体特征识别技术的发展和研究现 状，分析了图像分割技术在指纹识别技术中的重要地位和意义。阐明了研究基于 不同特性的指纹传感器的自适应性指纹图像分割算法具有十分重要的理论价值和 市场价值。 第二章介绍了指纹识别传感器的原理和基本性能参数，具体给出了评价指纹传 感器性能的两种实验方法墨迹指纹法和平模板法，并运用数理统计的方法对原始 数据进行处理得到了精确的实验测试结果。阐述了对指纹传感器性能的精确评价 对于指纹识别算法研究的重要意义。 第三章对现有的指纹图像分割算法进行了介绍和分析，指出了像素的三大基 本特征均值、方差和一致性是三种进行指纹图像分割的立足点，分析了如何将像 素的三大基本信息结合线性分类器用于图像分割，提出了采用标识方法进行图像 分割的具体步骤和算法。 第四章详细给出了实验结果和分析。通过对九种不同的传感器进行四步图像分 割法的实验直观的看到了图像标准化像素三要素提取线性分类器g l a s s f i r e l a b e l i n g 标识等四个步骤的结果；通过与传统方法的对比，直观的阐述了各个步骤 9 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 的必要性和有效性，成功的达到了预期的实验目的，实现了对各个传感器的统一 的图像分割，达到了兼容的目的。 第五章总结了本文所做工作，并探讨了进一步的研究方向。 1 0 重庆邮电大学硕士论文第二章指纹传感器的性能评价 第二章指纹传感器的性能评价 2 1 指纹传感器的类型和工作原理 从自动指纹识别的过程来看，指纹图像采集是第一步。指纹传感器就是扫描 指纹，形成指纹图像的关键部件。传感器的性能直接影响采集图像的质量好坏， 也是指纹图像分割的前提和基础。所以，有必要对各种指纹传感器的性能进行深 入的研究和评价。由于当今指纹传感器规格很多，但是，至今仍然没有一个恰当 和统一的协议和标准。本章将详细介绍对传感器的实质分辨率和失真度进行评估 的实验方法，也将给出实验的结果和分析。同时，还将用科学的数据，充分阐释 为什么需要研究自适应图像分割算法。 目前，市场上现有的传感器，主要分属于下面三类：光学传感器、电容式传 感器和滑动式传感器。 2 1 1 光学传感器工作原理 光学传感器是历史最悠久、使用最普遍的图像捕捉仪器。典型的光学传感器 是由光源( 1 i g h t ) 、棱镜( p r i s i n ) 、镜头( 1 e n s ) 和图像存储芯片( i m a g e r c h i p ) 组 成【1 】，如图2 1 所示。光学技术就是通过一个光源从棱镜反射按在取像头的手指， 光线照亮指纹从而采集到指纹。光学传感器现在技术成熟，价格低廉，采集的指 纹图像，脊和谷对比鲜明。其主要缺点是对于干燥的指纹所采集的图像对比度低， 因为光学器件存在光线的反射和折射，所以，得到的图像有较大的失真度。 图2 1 光学传感器工作原理示意图 重庆邮电大学硕士论文 第二章指纹传感器的性能评价 2 1 2 电容式传感器工作原理 电容式传感器原理如图2 2 所示，根据按压到采集头上的手指的脊和谷在手 指表皮和芯片之间产生不同的电容，芯片通过测量空间中的不同的电容场得到完 整的指纹。由这一构造原理，可以大大的提高指纹的防伪性。伪造的指纹一般用 硅树脂或者白明胶等绝缘材料，在电容式传感器上是无法成像的。这样使伪造的 指纹无用武之地。但是因为电容技术的芯片昂贵，芯片的尺寸与手指大小相当就 已经价格不菲，故此，各个公司试图推出可提供比指纹更小的芯片只采集部分的 指纹加以验证，可靠性大大降低。电容采集头的另外一个缺点是易于受到干扰， 从低频的电源干扰到用户接触时的干扰，从指纹采集器内部的电流干扰到手指盐 分赃物形成的静电干扰等。 图2 2 电容式传感器工作原理示意图 2 1 3 滑动式传感器工作原理 主要是为了降低成本，尤其是硅制半导体传感器的成本，滑动式传感器应运 而生。这种传感器的芯片要小得多，见图2 3 ，但是，无论怎么小，理论上，芯片 的宽度至少要有一个手指宽，高度至少要一个像素高【l 】。手指可在上面沿着垂直的 方向滑动。因为手指滑动的速度未知且滑动中速度会产生变化，所以，可靠做法 是取每次切片图像中的重叠部分然后组合成一个完整的指纹图像。这样在一般的 情况下，芯片的高度一定是大于一个像素高的。 1 2 重庆邮电大学硕士论文第二章指纹传感器的性能评价 图2 3 滑动式传感器示意图 2 2 指纹传感器的性能评估 从上节的介绍中可以看出，目前市场上的指纹传感器规格繁多，原理和设计 各不相同。但是，越来越多的产品之间并不能兼容和协作。一个恰当的关于产品 之间的性能评估协议，呼之欲出。怎样才能让众多的传感器产品之间兼容? 怎样 才能不局限于用一个传感器生成模板，通过别的传感器也可以采集特征呢? 如何 才能提高不同的传感器之间的协作性呢? 要解决这些问题，首先需要对各种传感 器的性能给出一个公正、客观的评估。所以，有必要发展高效有用的评估办法【5 1 ， 对各种技术和产品给出性能参考。 指纹传感器是用来采集指纹图像的，所以，指纹图像是不是足够清晰，指纹 有没有在采集的过程中有太大的失真，这些问题成为衡量一个传感器的最基本的 标准，即实质分辨率和失真度。这两个因素被认为是指纹传感器的最重要的性能 指标。 如何才能科学地测量传感器的实质分辨率和失真度呢? 下面将用实验的方法 进行。 2 2 1 实质分辨率的评估 首先解释分辨率的概念，分辨率u 是指每英寸的像素数或者点数( d o t s o r p i x e l s p e r i n c h = d i p ) 。 通常有两种方法可以获得指纹传感器的实质分辨率。第一种，在墨迹指纹图 像中测量一对细节特征的实质距甜6 1 。第二种方法就是利用硅制平版模型6 1 ，这种 方法有良好的可复验性和不易失真的特点。尽管，硅制平版模型的制作过程相当 重庆邮电大学硕士论文 第二章指纹传感器的性能评价 繁琐和复杂。下面分别介绍这两种方法的操作过程。 2 2 1 1 利用墨迹指纹图像获得实质分辨率的方法 此方法操作起来非常容易，但是获得墨迹的指纹、手工测量细节特征点的距 离等环节，人为因素较大，常常会产生相对比较大的误差。 具体过程如图2 4 ： 图2 4 利用墨迹指纹测量传感器分辨率的过程 第一步：准备若干由同一个手指多次压制而成的墨迹指纹和扫描指纹。假设 墨迹指纹个数为，扫描指纹个数为肌，一般令n i f n l = n 。 第二步：在扫描指纹图像中，找出尽可能多的显著的细节特征对，并在墨迹 指纹图像中相应的位置标注出来。假设对应的细节特征对的个数为 厶 第三步：估测墨迹指纹中每对细节特征对之间的距离。数出在扫描的图像中 对应的细节特征对的像素数。如图2 5 所示。 第四步：假设用西表示第i 对细节特征对在第j 个墨迹图像中的距离：而珊 表示这对细节特征对在相应的第j 个扫描图像的像素数距离，其中，( 卢1 ，m ， 产1 ，叼，那么，根据分辨率的定义，每对细节特征对的实质分辨率为 峙誊- - d o2 秘k - ， 式( 2 1 ) 中，分子和分母都取平均数，目的是为了消除误差。 第五步：平均实质分辨率为 也2 玄善e 1 4 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 重庆邮电大学硕士论文第二章指纹传感器的性能评价 这种方法不能区分不同的方向的分辨率，比如垂直方向或者水平方向，仅仅 是一种总体的分辨率的估计。 图2 5 墨迹指纹和扫描指纹中细节特征对比示意图 2 2 1 2 利用硅制平模型获得实质分辨率的方法 本方法利用一个硅制的平版指纹模型( 如图2 6 ) 代替真的指纹进行测试。这 个硅制平模型大小固定，纹理间隔也是一定的，采用o 5 5 r a m 。 其中水平分辨率为：肼，胁，上易，垂直分辨率为：圪，珞。 纵横比为：a 甲e c t 删的= 鲁 图2 6 硅制平模型示意图 从图中可以清楚的看到，由于平模型的纹理规整，而且间隔一定，实验中， 可以在水平方向和垂直方向分别固定三个纹理线，通过计算图像中对应的这六条 线的像素d p i ( d o tp e ri n c h ) 就可以了解该传感器在水平和垂直方向上的不同的分 重庆邮电大学硕士论文 第二章指纹传感器的性能评价 辨率的情况。 这个方形的硅制模版，制作和使用过程十分繁琐旧，要求用专用的模具和严格 的硅胶的配置过程。如图2 7 所示。 图2 7 硅制平版模型制作和使用示意图 硅制平模的质地与真实指纹皮肤非常接近，不太湿也不太干燥，并且富有弹 性。用它进行实验，在扫描图像进行按压时，与真实的手指按压不同，它消除了 因为手指按压带来的指纹形变失真，也没有真实手指过湿或过干所引起的图像差 异，具有很强的可复验性。利用这种方法获取实质分辨率引起误差变化的主要因 素是每次获取的平模板图像的方向和位置的不同。 2 2 2 失真度的评估 指纹在采集过程中，手指必须通过一定的力按压在传感器的采集头上，才能 采集指纹，因此指纹图像与原始指纹相比，必然存在平面失真，引起失真的原因 主要是手指的按压及传感器本身的技术特点。本文将针对由传感器自身引起的失 真加以研究，对因指压引起的失真没有涉及，手指用力不同而引起的失真，可在 未来工作中，通过实验加以研究论证。 为什么要对传感器本身引起的失真进行评估呢? 这么做的目的是为了了解不 同的传感器采集的图像存在什么类型的失真，失真的程度如何，以便在对指纹进 行图像分割之前，给予相应的补偿，得到更加精确的图像。 根据输入方式的不同，产生各种的失真。这样的失真对指纹判别有很大的影 响。光学方式的传感器是随着透镜的曲折率产生各种不同的失真。本文把失真定 义成两种，一个是梯形失真，另一个是桶形失真。 在光学传感器中，主要存在梯形失真和桶形失真两种。 1 6 重庆邮电大学硕士论文 第二章指纹传感器的性能评价 2 2 2 1 梯形失真 梯形失真刀是光学指纹传感器中一般残生的歪曲，它是由于光线通过棱镜表面 到成像，传感器经过的距离不同而产生，可以发生水平和垂直方向上的失真。如 图2 8 所示，梯形失真的上下、左右方向的像素值不一样，可以用两组对边边长相 对比来量化梯形失真度，其定义式如( 2 3 ) 、( 2 4 ) 表示。梯形的水平失真和垂直 失真均可以通过硅制平模型的方法进行测量。 梯形垂直失真定义为 d 。：竺l ( 2 3 ) 月d 梯形水平失真定义为 d 。= ； ( 2 4 ) 垂直方向失真 2 2 2 2 桶形失真 图2 8 梯形失真示意图 水平方向失真 桶形失引刀是由于光线通过球形透镜产生了球面差像，也有水平和垂直两个方 向的失真，如图2 9 所示。 球形垂直失真定义为 。m2 等等 s ， 球形水平失真定义为 1 7 重庆邮电大学硕士论文第二章指纹传感器的性能评价 。m = 獬 ( 2 6 ) 当( 2 5 ) 、( 2 6 ) 式的值等于l 的时候，表示不存在桶形失真；当这个表达式 的值大于或者小于l 的时候，表示，该传感器存在着凸或者凹的失真形变。 垂直失真 水平失真 图2 9 桶形失真示意图 2 3 对指纹传感器性能测评的实验结果及其分析 2 2 节详细介绍了测定实质分辨率和失真度的实验方法和步骤，本文采用以上 介绍的方法，采用了5 个光学传感器，3 个电容式传感器，和1 个滑动式传感器完 成了本次指纹传感器性能的评估实验。测量用数理统计的方法( 5 0 次) ，采用9 5 的置信区间。表2 1 给出了各个传感器的产品规格说明( 以下的传感器规格说明书， 虽然给出了大致的分辨率，但是，都不精确，需要通过实验精确测定。) 。 表2 19 种传感器规格说明书 图像大小( p i x e l )分辨率( d p i ) s e n s o r af o p t i c a l )2 8 0 * 3 2 05 0 0 s e n s o rb ( c a p a c i t i v e )1 5 2 * 2 0 03 8 3 s e n s o rc ( o p t i c a l )2 4 8 * 2 9 25 0 0 s e n s o rd ( o p t i c a l )3 0 0 * 3 0 04 8 0 s e n s o re ( o p t i c s )2 6 0 * 3 0 05 0 0 s e n s o rf ( s w e e p ) 3 6 0 * 5 0 05 0 0 s e n s o rg ( c a p a c i t i v e )2 5 6 * 3 6 05 0 8 s e n s o rh ( c a p a c i t i v e )4 8 0 + 6 4 06 2 0 s e n s o ri ( o p t i c a l ) 2 2 4 * 2 5 64 6 0 1 8 重庆邮电大学硕士论文第二章指纹传感器的性能评价 2 3 19 5 的置信区间 对于未知参数值进行估计时，我们认为真值包含在在一定的置信区间内( 通 常为9 5 ) 。 一 口 设x 代表采样值平均数，二万代表标准差，拧代表采样数，则置信区间是： ( - 一1 9 6 ；，i + 1 9 6 j q n v 丹。 2 3 2 实质分辨率的评估结果 本实验采用数理统计的方法，每个传感器对同一个指纹，在相似的湿度、亮 度和压力等条件下，连续5 0 次。通过5 0 次的测量结果的运算，很容易得到样本 的平均数又、标准差异以及置信区间( x - - 1 9 6 云j + 1 9 6 静等数据。 图2 1 0 显示了由具体的统计数据生成的分布图，纵坐标代表垂直方向的分辨 率分布值，横坐标代表水平方向的分辨率的分布值。其中红色的区域表示墨迹指 纹的方法对实质分辨率的统计测量结果，绿色的区域表示平模型的方法对实质分 辨率的统计测量结果，星号的点表示该传感器说明书中提示的分辨率的值。 ( a ) s e n s o r a 的实质分辨率的测量结果( b ) 8 e n l ；o rb 的实质分辨率的测量结果 ( c ) s e n s o rc 的实质分辨率的测量结果( 由s e n s o rd 的实质分辨率的测量结果 1 9 重庆邮电大学硕士论文第二章指纹传感器的性能评价 ( c ) s e n s o re 的实质分辨率的测量结果s e n s o rf 的实质分辨率的测量结果 ( g ) 8 e 1 1 8 0 rg 的实质分辨率的测量结果0 t ) d n t t o rh 的实质分辨率的测量结果 ( i ) s 咖i 的实质分辨率的测量结果 图2 1 0i n k - s t a m p e d 法和f l a ta r t i f i c i a lp a t t e r n 法评估结果对比 图2 1 0 是利用墨迹指纹评估法和人造平模型评估法的评价结果。从统计图的 分布来看，人造平模型的方法比墨迹指纹的方法误差范围小。两种方法均采用9 5 的置信区间，哪种方法测评的结果间距小，哪种方法的误差就小。实验测试结果 表示所有被测试传感器都与说明书的规格说明有一定的差异。 s e n s o rd 测量结果与说明书的规格说明完全背离，如图2 1 0 ( d ) 所示，产品 说明书介绍其分辨率为4 8 0 d p i ，但是测量的真值范围不包含该值，由测量值的区 域分布图可知，其水平d p i 比垂直d p i 小：s e n s o ri 的产品书中是4 6 0 d p i 但实际 值比4 6 0 小。为了提高实验的可靠性，对5 0 个标本使用9 5 的置信区间。 2 0 重庆邮电大学硕士论文第二章指纹传感器的性能评价 2 3 3 失真度的评估结果 失真度用于对采集图像的补偿，失真度测量一般看d v t , d h t , d v b , d h b 4 种 参数。其中d v t 表示体形垂直失真度：d h t 表示梯形水平失真度；d v b 表示桶 形垂直失真度；d i - i b 表示桶形水平失真度。 图2 1 1 和图2 1 2 是对传感器进行的梯形失真度和桶型失真度测量结果。黄色 的区域表示失真度统计测量结果，星号的点表示该传感器说明书中提示的失真度 的值。 ( 曲s e n s o r a 的梯形失真度的测量结果( b ) s e n s o rb 的梯形失真度的测量结果 ( c ) s e n s o r d 的梯形失真度的测量结果( d ) s e n s o r e 的梯形失真度的测量结果 ( c ) s e m o rg 的梯形失真度的测量结果( os e n s o ri 的梯形失真度的测量结果 图2 1 l 梯形失真度的测量结果 重庆邮电大学硕士论文第二章指纹传感器的性能评价 ( a ) s e n s o r a 的桶形失真度测量结果(