（通信与信息系统专业论文）指纹图像的分类和压缩技术的研究.pdf

摘要 摘要 当今信息社会迅速发展起来的电子商务，对自动身份鉴别技术提出了强烈的 要求，近来，生物鉴别技术得到广泛的关注，被认为是自动身份鉴别的最终技术。 随着计算机技术的发展，生物识别技术也随之发展起来。其中指纹识别技术是生 物识别技术中很重要的一个分支。 本论文工作是自动指纹识别技术中的一部分。主要对指纹图像增强、指纹分 类和指纹压缩技术进行了研究，在煎人研究的基础上，给出了具有独刨性的薪颖 有效的算法，经实验证明，取得了良好的效果。文中第一章讲述了生物识别技术 的发展，并对各种生物识别技术进行了比对，着重介绍了自动指纹识别技术的优 缺点；第二章对指纹增强过程的一些算法进行了讨论和分析；第三章介绍了种 新的指纹分类算法并进行结果分析：第四章我们研究了基于小波变换的指纹图像 压缩技术；第五章进行总结并指出以后的工作。 目前自动指纹识别系统中，特征提取算法的性能在很大程度上依赖于输入指 纹图像的质量。丽实际应用中，有糨当大一部分指纹质量较差，这势必影向了识 别的精度。因此，需要引入一个指纹增强算法来改善输入图像质量。本文针对指 纹图像的特点提出灰度估计的快速图像增强算法，利用像素周围脊线方向场信息 和周围像素灰度信息，对像素灰度进行估计。实验证明，我们的算法对于指纹图 像中大量存在的噪音、图像局部灰度过淡过浓不均匀等情况有很高的适应性。同 时对于指纹中普遍存在的折痕，我们的算法有很强的延伸和平滑能力。算法的计 算复杂度适中，完全适合联机实时认证系统。 在自动指纹识别系统中，为了验证身份，需要把输入指纹与指纹库中大量的 指纹( 如f b i 指纹库中大约有七千万枚指纹) 进行比对，这样计算量是非常大的， 通常这样识别一枚指纹需要很长时间。我们知道，如果两个指纹图像是同一个手 指的印痕，它们必须属于同一个类。所以，为了减少搜索时间和计算的复杂性， 我们可以把指纹分为几个类，然后只需将输入指纹与指纹库中同类的指纹进行逐 一比对即可。指纹分类就是根据从指纹图像中提取的特征信息将一个指纹归入几 个事先定义好的类中去的过程。指纹分类的主要优点是它提供了一种检索方案， 为大的指纹数据库的有效匹配提供方便。通常，事先定义好的类既可以沿用前人 定义的类，也可以是没有被采用的“新的”类集，只是这个类集必须易于自动辨 识。实际上，指纹分类是一次粗糙的指纹匹配。 通常，人们是利用指纹奇异点( 核心点和三角点) 的数目和它们所在的位置 来进行指纹分类的。但是，对于一般的指纹输入设备来说，由于采集到的指纹图 华南理工大学硕士学位论文 像尺寸太小，往往使三角点无法辨识而不得不摒弃，使人们无法利用三角点的信 息，因此，这种算法在这种情况下是不实用的。如果我们可以利用仅仅和核心点 有关的信息来进行分类，那么就可以解决这类问题。在这里，我们提出了一种新 的指纹分类算法，它是仅仅利用核心点的曲率和方向信息来对指纹进行分类的 我们采集了2 5 0 枚指纹进行验证，对实验结果进行分析，并计算出准确率和误差率。 随着指纹数目的快速增长，指纹图像的存储问题变得越来越重要，而小波变 换作为一个新兴的数学工具，在图像处理领域有着良好的应用前景。总的来说， 小波分析是一种时域一频域分析，同时具有时域和频域的良好局部化性质。本文 在前人的指纹图像压缩方法的基础上，对指纹压缩算法中的三个环节一一分解方 式、量化策略和编码方式进行了进一步的研究。考虑到指纹图像作为一类特殊的 图像所具有的特点一一内容比较单一，通常由交替出现的宽度大致相同的脊和谷 组成；其中的脊末梢和分支点等特征在压缩过程中是必须保持的，否则会对a f i s 的细节匹配过程造成不良的影响，然而关键点所对应的像素值或者小波系数幅值 往往比较小，在压缩过程中容易受到量化器的忽略而造成关键点的移位等不良现 象。因此，本文将识别环节嵌入到传统的小波压缩算法中，以对传统的压缩算法 进行改善。对于在a f i s 中最受重视的指纹区域一一关键点，我们对相应的小波系 数采用比较小的量化步长，从而对指纹图像进行压缩。实验结果表明，该方法在 取得较高压缩比的同时，仍然能够保持指纹图像的纹线结构和细节特征，使图像 具有良好质量。 最后，对本文的工作进行了简要的总结，并针对有关内容提出了在今后的工 作中需要进一步探索的问题。 关键词：图像处理；自动指纹识别；指纹增强；指纹分类；小波变换；指纹压缩 a bs t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ee l e c t r o nc o m m e n c e t h er e q u i r e m e n t o ft h ea u t o m a t i cp e r s o n a li d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g ya r em o r e a n d m o r e u r g e n t r e c e n t l y ，t h eb i o m e t r i eh a sb e e nu n i v e r s a l l yn o t i c e d ，a n di ti sc o n s i d e r e d t h a tt h i st e c h n o l o g yh a sg r e a tf u t u r e t h eb i o r m e t r i ca r ed e v e l o p i n gw i t h t h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rn o w ，a n dt h ef i n g e r p r i n ti d e n t i f i c a t i o ni sa n i m p o r t a n tb r a n c h t h i s p a p e r i sap a r to fa f i s ( a u t o m a t i cf i n g e r p r i n ti d e n t i f i c a t i o n s y s t e m ) ，i t sm a j o r w o r ki s f i n g e r p r i n te n h a n c e m e n t，f i n g e r p r i n t c l a s s i f i c a t i o na n df i n g e r p r i n tc o m p r e s s i o n t h es e r i e so fa v a i l a b l ea n d o r i g i n a la l g o t i t h m s a r e g i y e n t h e y h a sb e e nv a l i d a t e d e f f i c i e n c ya n d u s e f u lb ye x p e r i m e n t s i nt h ef i r s tc h a p t e r ，w ei n t r o d u c et h ed e v e l o p m e n t o fb i o m e t r i ct e c h n i q u ea n dc o m p a r ee a c hk i n do fb i o m e t r i ct e c h n i q u e s i n t h is c h a p t e r ，w ee s p e c i a ll y i n t r o d u c et h em e r i t sa n d s h o r t c o m i n g s o f a u t o m a t i cf i n g e r p r i n ti d e n t i f i c a t i o nt e c h n i q u e i nt h es e c o n dc h a p t e r ，w e d i s c u s sa n da n a l y s es o m ea l g o r i t h m so ff i n g e r p r i n te n h a n c e m e n t i nt h e t h i r d c h a p t e r ，w o i n t r o d u c ean e w a l g o r i t h m a b o u t f i n g e r p r i n t c l a s s i f i c a t i o na n da n a l y s et h ee x p e r i m e n tr e s u l t s i nt h ef o u r t hc h a p t e r ，w e r e s e a r c ho n f i n g e r p r i n tc o m p r e s s i o n b a s e d o nw a v e l e tt r a n s f o r m a t 1 a s t ，w es u m m a r i z et h ew h o l ea r t i c l ea n dp u tf o r w a r dt h ef o l l o w i n gw o r k i na f i s ，t h ep e r f o r m a n c eo fm i n u t i a t ee x t r a c t i n ga l f o r i t h md e p e n do n t h eq u a l i t yo fi n p u ti m a g eo nal a r g es c a l e i np r a c t i c a la p p l i c a t i o n ，t h e r e a r eq u i t eaf e wp o o rq u a l i t yi m a g e s ，w h i c hi n e v i t a b l yl o w e rt h ep r e c i s i o n o fi d e n t i f i c a t i o n s oi ti s n e c e s s a r y t oi n t r o d u c ea f i n g e r p r i n t e n h a n c e m e n t a l g o r i t h m t o i m p r o v e t h e i n p u ti m a g eq u a l it y t h i s p a p e r p r o v i d e s af a s tf i n g e r p r i n ti m a g ee n h a n c ea l g o r t h mb a s e do np i x e lg r a y l e v e le s t i m a t i o n a c c o r d i n gt o1 0 c a lr i d g e v a l l e yi n f o r m a i t o nw e c a n s a f e l y e s t i m a t et h e g r a y l e v e lo fe a c h p i x e l i n f i n g e r p r i n ti m a g e e x p e r i m e n tr e s u l ts h o wt h a to u ra l g o r t h m c a na d a p t i r e l yi m p r o v et h ec l a r i t y o fr i d g ea n dv a l l e ys t r u c t u r e s a n do u ra l g o r t h mi sf a s ta n dw e l ls u i tf o r o n l i n ev e r i f i c a t i o ns y s t e m i na f i s ，i no r d e rt oi d e n t i f yap e r s o n ，i ti sn e c e s s a r yt oc o m p a r et h e 华南理工大学硕士学位论文 i n p u tf i n g e r p r i n tw i t hal o to ff i n g e r p r i n t se x i s t e di nt h ef i n g e r p r i n t 1 i b r a r y ，f o re x a m p l e s ，t h e r ea r em o r et h a n7 0 ，0 0 0 ，0 0 0f i n g e r p r i n t si nt h e f b i1i b r a r y t h i sm e t h o di sm u c ht i m e c o n s u m i n g i tw i l lt a k eal o to ft i m e t oi d e n t i t yas i n g l ef i n g e r p r i n t w ea l lk n o wt h a t ，i ft w of i n g e r p r i n t sa r e i m p r e s s i o n sf r o mo n es a m e f i n g e r ，t h e y m u s t b e l o n g t ot h es a m ec l a s s f i r s t l y i no r d e rt or e d u c et h ei n d e xt i m ea n dc o m p u t i n gc o m p l e x i t y ，w ec a n c l a s s i f yt h ef i n g e r p r i n t si n t os e v e r a ld i f f e r e n tc l a s s e s ，t h e nw ec a nj u s t c o m p a r et h ei n p u tf i n g e r p r i n tw i t ht h o s ew h i c hb e l o n g st ot h es a m ec l a s s w i t ht h ei n p u tf i n g e r p r i n t f i n g e r p r i n tc l a s s i f i c a t i o ni st h ep r o c e s si n w h i c haf i n g e r p r i n ti si n p u ti n t os e v e r a lc l a s s e sd e f i n e di na d v a n c e ，b a s e d o nm i n u t i a t ee x t r a c t e df r o m f i n g e r p r i n ti m a g e t h e m a i n a d v a n t a g eo f f i n g e r p r i n t c l a s s i f i c a t i o ni st o p r o v i d e a ni n d e xm e c h a n i s m ，w h i c hi s c o n v e n i a n tt oe f f e c t i v e f i n g e r p r i n tm a t c h i n g i n l a r g rf i n g e r p r i n t l i b r a r y i ng e n e r a l ，c l a s s e s d e f i n e di na d v a n c ec a nb ec l a s s e s a l r e a d y d e f i n e db yo t h e r s ，o rn e wc l a s ss e tw h i c hn e v e rb ea d o p t e db e f o r e ，b u tt h i s c l a s ss e tm u s tb ea p tt ob ei d e n t i f i e da u t o m a t i c a l l y i nf a c t ，f i n g e r p r i n t i sac o a r s ef i n g e r p r i n tm a t c h i n g u s u a l l y ，f i n g e r p r i n t sh a v eb e e nc l a s s i f i e da c c o r d i n gt ot h en u m b e ro f s i n g u l a rp o i n t s ( c o r ea n dd e l t a ) a n dt h el o c a t i o no ft h e m b u tt h o s em e t h o d s a r en o ts u i t a b l ef o r t h e i m a g e sc a p t u r e df r o mf i n g e r p r i n ti n p u t d e v i c e b e c a u s et h e i m a g e s i z ei s u s u a l l y s os m a l lt h a tt h ed e i t ap o i n t s a r e f r e q u e n t l ye x e l u d e d as u i t a b l ea p p r o a c h i st oc l a s s i f yt h ef i n g e r p r i n t i m a g e su s i n g t h ei n f o r m a t i o nr e l a t e dt oc o r e p o i n t s i n t h i s p a p e r ，w e p r e s e n ta n e wc l a s s i f i c a t i o nm e t h o du s i n gt h ec u r v a t u r ea n dt h eo r i e n t a t i o n o fc o r e w ec o ll e c t2 5 0f i n g e r p r i n t sf r o m2 5p e r s o n s s1 0f i n g e r s w e a n a l y s et h er e s u i t so fe x p e r i m e n ta n dc a l c u l a t e t h er a t eo fn i c e t ya n d e r r o r a st h er a p i di n c r e a s i n go ft h en u m b e ro ff i n g e r p r i n t ，i ti sa ni m p o r t a n t i t e mt os t o r et h ef i n g e r p r i n ti m a g e s a san e wm a t h e m a t i c a lt o o l ，w a v e l e t t r a n s f o r mh a sw e l l a p p l l e df o r e g r o u n d i nt h ef i e l eo f i m a g e p r o c e s s i n g g e n e r a l l y ，w a v e l e ta n a l y s i s i s a t i m e f r e q u e n c y f i e l d a n a l y s i s ，i tp o s s e s s e sp r o p e r t i e s o fn i c e rl o c a l i z i n gi n f o r m a t i o n o f t i m e - f i e l da n df r e q u e n c y f i e l d t h ep a p e rm a k e sf a r t h e rs t u d yo nt h et h r e e s t e p s d e c o p r e s s i o ns t y l e ，q u a n t i f i c a t i o ns t r a t e g ya n de n t r o g yc o d i n go f s c a l a rq u a n t i f i c a t i o nb a s e do nt h eo t h e rp e o p l e sr e s e a r c h s c o n s i d e r i n g a b s t r a c t t h e p r o p e r t i e s o f f i n g e r p r i n t ，t h ef i n g e r p r i n t h a s s i n g l e n e s s ，i t i s c o m p o s e do fa l t e r m a n tr i d g e s a n dv a l e sw h o s eb r e a d t ha r e e q u a l t h o s e c h a r a c t e r i s t i c so fr i d g et w i g sa n de m b r a n c h m e n tp o i n t sm h s tb ek e e pi nt h e p r o c e s s i n go fc o m p r e s s i o n o t h e r w i s e ，t h em i n u t i am a t c h i n gw i l lb ee f f e c t e d b a d l y b u t i nt h o s e k e yp o i n t s ，t h ec o r r e s p o n d i n gp i x e l o rw a v e l e t c o e f f i c i e n ta r eu s u a l l ys m a l l s oi ti se a s i l yi g n o r e db yq u a n t i f i c a t i o n a n dm a k es h i f to fk e yp o i n t s i no r d e rs o l v et h i sp r o b l e m ，w ei n s e r ti d e n t i f y i n t ot r a d i t i o n a lw a v e l e tc o m o r e s s i o na l g o r i t h mt oi m p r o v et h ea l g o r i t h m t o t h em o s ti m p o r t a n tf i n g e r p r i n tr e g i o n ( k e yp o i n t s ) ，w ea d o p tr e l a t i v e l y s m a l l q u a n t i f i c a t i o ns t e p s i n t h i s w a y ，w ec o m p r e s s t h e f i n g e r p r i n t i m a g e s t h ee x p e r i m e n tt e s t e dt h a tm e t h o dc a r ln o to n l ya c q u i r em u c hh i g h e r c o m p r e s s i o nr a t i ob u tk e e pt h er i d g ea n df u r r o ws t r u c t u r ea n dt h ed e t a i l c h a r a c t e r sa sw e l l t h eh i g hq u a l i t yo ft h ei m a g ei sm a i n t a i n e d f i n a l l y ，w em a k eac o n c i s ec o r c l u s i o no fo u rw o r k ，a n da l s op r e s e n tt h e f u t u r ew o r ko ft h ep a p e r k e y w o r d s ：i m a g ep r o c e s s i n g ；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 n f i n g e r p r i n te n h a n c e m e n t ：f i n g e r p r i n tc l a s s i f i c a t i o n ：w a l v e t t r a n s f o r m f i n g e r p r i n tc o m p r e s s ；i o n v 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 够坪 日期：飞。午年6 月胂日 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。本人授权华南理工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。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密回。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名：铰喙罕日期：伽d 中年莎月怿日 导师签名：。彳砑或殍生日期：a 嘲戽莎月，中日 第一章绪论 1 1 生物识别技术简介 第一章绪论 精确自动的个人身份识别对于我们这个日益电子化和信息化的社会来说变得 越来越重要，传统的检验一个人身份的自动个人认证技术利用了“某些你知道” 的信息，例如一个人的个人识别密码( p i n ) ，或者是“某些你拥有”的信息，例 如身份证，钥匙等。所有这些认证技术面临一个普遍的问题，那就是它在区分一 个被授权的真实个体和一个利用欺诈方式骗取了真实个体访问权力的冒名顶替者 方面是无能为力的，因此对于满足电子处理事务的需要已不再认为是足够可靠的。 由于人体的生物特征具有不可复制的特点，人们把目光转向生物识别技术 ( b i o m e t r i c ) ，希望可以籍此技术来应付现行的系统安全所面临的挑战。生物识 别技术是一门基于个体的生理和行为特征来进行唯一性认证的技术，它依赖于“某 些你是”的特征来获得个人认证，因此可以从遗传学的角度来区分一个被授权的 真实个体和一个冒名顶替者。虽然生物识别技术不能象某些传统识别技术那样可 以用来建立一个绝对的“是或不是”的个体认证，但在一个很高的信心水平上它 可以获得一个“肯定认证”，误差率大概为0 0 0 0 1 【1 ，2 ，3 ，4 。 1 1 1 生物识别技术特征 生物识别系统本质上是一个模式识别系统，生物识别系统的工作模式一般可 分为两类：验证模式( a u t h e n t i c a t i o n ) 和识别模式( i d e n t i f i c a t i o n ) 。验证模 式就是通过把一个从现场采集到的生物特征与一个已经登记的生物特征进行一对 一的对比( o n e t o o n em a t c h i n g ) 来确认身份的过程。作为验证的前提条件，他 或她的生物特征必须在样本数据库中已经注册。生物特征以一定的压缩格式存储， 并与其姓名或其标识( i d 或p i n ) 联系起来。在比对时，先验证其标识，然后用系 统的样本生物特征与现场采集的生物特征作比较来证明其身份是合法的。验证其 实是回答了这样一个问题：“他是他自称的这个人吗? ”。这是应用系统中用的较 多的方法。 识别模式则是把现场采集到的生物特征同样本数据库中的生物特征逐一对 比，从中找出与现场生物特征相匹配的特征信息。这也叫“一对多匹配( o n e t o m a n vm a t c h i n g ) ”。识别其实是回答了这样一个问题：“他是谁? ”。识别主要应 用于公共安全领域。比如，可以通过将一个不明身份的人的指纹与数据库中有犯 罪纪录的人的指纹进行比对，来确定此人是否曾经有过犯罪记录。 竺壹墨三盔兰堡主兰垒丝苎 验证和识别在比对算法和系统设计上各具技术特点。以指纹为例，验证系统 一般只考虑对完整的指纹进行比对，而识别系统则要考虑对残纹的比对；验证系 统对算法的速度要求不如识别系统高，但更强调易用性；另外在识别系统中，一 般要使用分类技术来加快查询的速度。 一般生物识别系统的结构如【图1 1 】所示。 图l l 一般生物识别系统结构示意图 f i g u r e1 1t h es k e t c hm a po fg e n e r a lb i o m e t r i cf r a m e w o r k 从逻辑上讲，这种系统可以分为两个模块：1 ) 登记( 或称登录) 模块；2 ) 辨识模块。登记模块负责将生物特征信息登记到生物识别系统样本数据库。在登 记模块中，个体的生物特征样本首先经相应设备录入、数字化，进而由特征提取 算子提取特征信息，这种特征信息被称为样本。根据需要，样本数据被保存在数 据库或磁卡、智能卡中。辨识模块负责解决待识别特征信息和样本特征信息是否 匹配的问题。在辨识模块中，相应设备录入待识生物特征，进行数字化，经特征 提取算子提取待识生物特征中的有用信息，由模式匹配算子将这信息与预先存 储的样本信息进行比对，作出是否匹配的判断。 1 1 2 生物识别技术应用和发展 随着我国经济的飞速发展，人口流动日益频繁，人际交往日趋复杂，识别和 证明一个人的身份、职务、资历等，显得越来越重要。目前流行的身份认证太多 采用“用户i d 十密码”的方法，这种方案隐含着一些问题，例如，密码容易被忘 记或被别人窃取。其它一些传统的需要进行身份认证的场合，也存在着类似的安 全性问题，例如证件的伪造和盗用、不正当的转借等。传统的证件管理系统对下 面两点无能为力： 第一章绪论 ( 1 ) 证件伪造容易，而且系统很难识别伪造证件； ( 2 ) 无法保证真实证件一定在证件真正持有者手中。 绝大多数身份认证都需要人来监督和执行，由于人自身感觉的局限性也决定 了其无法达到很高的效率和准确率，生物识别技术可以应付这些现行系统安全所 面临的挑战。 生物识别作为一种典型的模式识别，它是根据人体生理特征和行为特征来识 别身份的技术。生物识别以生物技术为基础，以信息技术手段，将本世纪生物和 信息这两大热门技术交汇融。 理论上，只要满足以下要求，任何个体的生理和行为特征都可以用于个人身 份认证。 1 ) 普遍性，也就是每个人都具有这种特征。 2 ) 唯一性，没有两个人具有完全相同的这种特征。 3 ) 永久性，这种特征随着时间的推移不会有所改变。 4 ) 可采集性，这种特征是可以定量分析的。 在实际中，还有一些其它重要特征： 1 ) 可行性，指的是可以达到的准确率、速度、鲁棒性、达到期望的速度和准 确率对资源的要求以及操作、环境等因素对速度和准确率的影响等等。 2 ) 可接受性，也就是在多大范围内人们愿意接受这种生物识别系统。 3 ) 防伪性，就是通过欺诈手段来欺骗系统的难易程度。 一个实用的生物识别系统应当能够：( 1 ) 在对资源要求并不苛刻的情况下可 以满足速度和准确率的要求。( 2 ) 对人没有危害而且容易为人接受。( 3 ) 良好的 防伪性能。 生物识别技术是一门快速发展的学科，已经广泛地应用于司法物证鉴定，例 如，犯罪认证和监狱安全，并且有潜力在一个非常广阔的民用范围内被广泛接受。 例如 1 ) 银行安全，例如电子基金传输，自动取款机安全，现金兑现。 2 ) 人身授权控制，例如机场入口检查。 3 ) 信息系统安全，例如通过注册获得特权进入数据库。 4 ) 政府利益分配，例如福利支出项目。 5 ) 海关和外来移民，例如手掌信息识别系统( i i q s p a s s ) 。它是利用手掌的几 何信息进行快速的出入境手续办理，使用该系统的人主要是那些要频繁出入国境 的官员和工商界人士。他们可以事先把自己一只手掌的几何信息存储在i n s p a s s 卡上，在出入境的时候将该卡插入自动读卡机，同时把手放在手掌电子扫描器上， 这时计算机会自动将卡上记录的信息同扫描器读取的信息相对比，如果信息匹配 一致则放行，否则就拒绝。 华南理工大学硕士学位论文 6 ) 公民身份系统，提供一个唯一的i d 给国家的公民，使不同的政府服务工 作一体化。 7 ) 选举和驾驶登记，提供登记设备给投票选举者和驾驶人员。 现在，主要有九种不同的生物识别技术在广泛应用或在研究之中，包括脸形、 手的几何信息、手部血管分布、指纹、虹膜、手写体、声音、视网膜和脸部热谱， 其中手写体属于行为特征，脸形、手掌豹几何信息、手都的盘管分布、指纹、虹 膜、视网膜以及脸部热谱属于生理特征，而声音则兼具两方面的属性。这九种生 物特征见图【l 一2 】所示。 a ) 脸形b ) 脸部热谱 c ) 指纹 d ) 手掌的几何形状 e ) 手部血管分布 f ) 虹膜 g ) 视网膜 h ) 手写体i ) 声音 图1 2 九种生物识别技术 f i g u r e1 2 n i n ek i n do fb i o m e t r i c 4 第一章绪论 除了以上介绍的九种生物识别技术外，还有人从事其它生物识别技术的研究， 如耳形识别、步态识别、动态击键识别、人体气味识别、嘴唇形状识别和基因识 别等。虽然这些生物识别技术各有自己的优势，但是迄今为止，它们要么难于达 到以上所介绍的九种识别技术那样的准确率，要么难于实现完全自动化。在近期 内，这些识别方法还难以成为生物识别技术的主流。 1 1 3 生物识别技术的比较 这里，我们描述一下大多数流行的生物测定技术是怎样工作的，并对它们抓 图、抽取特征、比较和比对的功能做以简单的评论 5 】。 虹膜识别技术：虹膜是一种在眼睛中瞳孔内的织物状的各色环状物，每一个 虹膜都包含一个独一无二的基于像冠、水晶体、细丝、斑点、结构、凹点、射线、 皱纹和条纹等特征的结构，据宣称，没有任何两个虹膜是一样的。虹膜扫描安全 系统包括一个全自动照相机来寻找你的眼睛并在发现虹膜时，就开始聚焦，想通 过眨眼睛来欺骗系统是不行的。虹膜技术的优点：便于用户使用，可能会是最可 靠的生物识别技术，尽管它还没有测试过；只需用户位于设备之前而无需物理的 接触。虹膜技术的缺点：一个最为重要的缺点是它没有进行过任何的测试，当前 的虹膜识别系统只是用统计学原理进行小规模的试验，而没有进行过现实世界的 唯一性认证的试验；很难将图像获取设备的尺寸小型化；因聚焦的需要而需要 昂贵的摄像头，一个这样的摄像头的最低报价为4 0 0 0 美元；镜头可能会使图像 畸变而使得可靠性大为降低；黑眼睛极难读取；需要一个比较好的光源。 视网膜识别技术：视网膜也是一种被用于生物识别的特征，某些人认为视网 膜是比虹膜更为唯一的生物特征，视网膜识别技术要求激光照射眼球的背面以获 得视网膜特征的唯一性。视网膜技术的优点：视网膜是一种极其固定的生物特征， 因为它是“隐藏“的，故而不可能磨损，老化或是为疾病影响；使用者不需要和设 备进行直接的接触，是一个最难欺骗的系统，因为视网膜是不可见的，故而不会 被伪造。视网膜识别的缺点：视网膜技术未经过任何测试，很明显，视网膜技术 可能会给使用者带来健康的损坏，这需要进一步的研究；对于消费者，视网膜技 术没有吸引力；很难进一步降低它的成本。 面部识别：面部识别技术通过对面部特征和它们之间的关系来进行识别，识 别技术基于这些唯一的特征时是非常复杂的，这需要人工智能和机器知识学习系 统。用于扑捉面部图像的两项技术为标准视频和热成像技术。面部识别的优点： 面部识别是非接触的，用户不需要和设备直接的接触；尽管可以使用桌面的视频 摄像，但只有比较高级的摄像头才可以有效高速的扑捉面部图像；面部识别的缺 点：使用者面部的位置与周围的光环境都可能影响系统的精确性；大部分研究生 华南理工大学硕士学位论文 物识别的人都公认面部识别是最不准确的，也是最容易被欺骗的；面部识别技术 的改进依赖于提取特征与比对技术的提高。并且采集图像的设各会比其技术昂贵 得多；对于因人体面部的如头发，饰物，变老以及其他的变化可能需要通过人工 智能来得到补偿，机器学习功能必须不断地将以前得到的图像和现在的得到的进 行比对；以改进核心数据和弥补微小的差别；很难进一步降低它的成本，我们必 须以昂贵的费用去买高质量的设备。 签名识别：签名作为身份认证的手段已经用了几百年了，而且我们都很熟悉 在银行的格式表单中签名作为我们身份的标志。将签名数字化是这样一个过程， 测量图像本身以及整个签名的动作在每个字母以及字母之间的不同的速度、顺序 和压力，签名识别和声音识别一样，是一种行为测定学。签名识别的优点：使用 签名识别更容易被大众接受而且是一种公认的身份识别的技术。签名识别的缺 点：随着经验的增长，性情的变化与生活方式的改变，签名也会随着而改变；为 了处理签名的不可避免的自然改变，我们必须在安全方面进行妥协；因为签名的 速度不快，我们无法在i n t e r n e t 上使用它；用于签名的手写板结构复杂而且价格 昂贵，因为和笔记本电脑的触摸板的分辨率有着很大的差异，我们在技术上很难 将两者结合起来；很难将它的尺寸小型化。 声音识别技术：和签名识别相同，声音识别也是一种行为识别技术，声音识 别设备不断地测量、纪录声音的波形和变化。而声音识别基于将现场采集到的声 音同登记过的声音模板进行精确的匹配。声音识别的优点：声音识别也是一种非 接触的识别技术，用户可以很自然地接受。声音识别的缺点：和其他的行为识别 技术一样，声音因为变化的范围太大，故而很难进行一些精确的匹配；声音会随 着音量、速度和音质的变化( 例如当你感冒时) 而影响到采集与比对的结果；随着 技术的发展，也许你可以觉察和拒绝录音的声音，然而，目前来说，我们还很容 易用录在磁带上的声音来欺骗声音识别系统。高保真的麦克风是很昂贵的。 指纹识别系统：指纹识别作为识别技术已经有很长的历史了，有着坚实的市 场后盾，按照一般人的看法，指纹识别技术通过分析指纹的全局特征和指纹的局 部特征，特征点如脊、谷和终点、分叉点或分歧点，从指纹中抽取的特征值可以 非常的详尽，以便可靠地通过指纹来确认一个人的身份。平均每个指纹都有几个 独一无二可测量的特征点，每个特征点都有大约七个特征，我们的十个手指产生 最少4 9 0 0 个独立可测量的特征，这足够来确认指纹识别是否是一个更加可靠的鉴 别方式。指纹识别的缺点某些人或某些群体的指纹因为指纹特征很少，故而很难 成像；每一次的使用指纹时都会在指纹采集头上留下用户的指纹印痕，而这些指 纹痕迹存在被用来复制指纹的可能性。可以见到，指纹识别技术是目前最方便、 可靠、非侵害和价格便宜的生物识别技术解决方案，对于广大市场的应用有着很 大的潜力。 第一章绪论 1 2 指纹识别技术简介 指纹识别是指指尖表面纹路的脊线、谷线分布模式识别。这种脊、谷分部模 式是由皮肤表面细胞死亡、角化，在皮肤表面累计形成的。人的指纹特征是与生 俱来的，在胎儿期就已经决定了。到目前为止，人们已经对自动指纹识别技术作 了深入广泛的研究，人们利用指纹作为身份识别的手段已经有很长的历史了，使 用指纹作为身份识别的合法性已经得到了广泛的认可。事实上，指纹识别技术已 经差不多成为生物识别技术的代名词了。 1 2 1 指纹识别技术发展的历史 据考古学家证实：公元前7 0 0 0 年到6 0 0 0 年以前，指纹作为身份鉴别的工具 已经在古叙利亚和中国开始应用。在那个时代，一些粘士陶器上留有陶艺匠人的 指纹，中国的一些文件上印有起草者的大拇指指纹，在j e r c h o 的古城市的房屋留 有砖匠的指纹等。由此可见，指纹的一些特征在当时已经被人们认识和接受。 1 9 世纪初，科学研究发现了至今仍然承认的指纹的两个重要特征，一是两个 不同手指的指纹纹脊的式样不同，另外一个是指纹纹脊的式样终生不变。( 即指纹 的唯一性和不变性) 这个研究成果使得指纹在犯罪事件的鉴别中得以正式应用。 ( 主要代表性的事件有：1 8 9 6 年阿根廷首次应用，然后是1 9 0 1 年的苏格兰，2 0 世纪初其他国家也相继应用到犯罪事情的鉴别中。) 2 0 世纪6 0 年代，由于计算机 可以有效地处理图形，人们开始着手研究利用计算机来处理指纹。从那时起，自 动指纹识别系统a f i s 在法律实施方面的研究和应用在世界许多国家展开。 到了2 0 世纪8 0 年代，个人电脑、光学扫描这两项技术的革新，使得它们作 为指纹取像的工具成为现实，从而使指纹识别可以在其他领域中得以应用。现在， 随着取像设备的引入及其飞速发展，生物指纹识别技术的逐渐成熟，可靠的比对 算法的发现都为指纹识别技术提供了更广阔的舞台。比如：指纹考勤系统代替了 i c 卡、磁卡等传统的考勤方法，从而从根本上杜绝了代打考勤的现象。 1 2 2 指纹识别技术的研究范围 指纹识别技术涉及到功能主要有：1 ) 指纹采集，2 ) 指纹分类，3 ) 特征提 取，4 ) 图像质量评测，5 ) 保存数据和6 ) 特征匹配。 指纹采集就是将指纹纹线分布经相关设备录入、数字化。指纹分类是根据指纹纹 线客观上所具有的全局结构模式制定分类标准，将具有全局结构模