（基础数学专业论文）指纹识别算法研究及其实现.pdf

摘要 近年来，自动身份认证技术成为生产生活中一项迫切需要的技术，其中生物特征认 证技术获得了全世界的广泛关注，因其具有较高的可靠性。吸引了大批的科研人员和有 实力的知名企业从事该项技术的研究和相关产品的开发。 作为生物识别技术的主流技术指纹识别技术，得到了业界的深入研究并获得了广 泛的应用。但是困扰指纹识别精度和速度的主要因素是：指纹图像的质量、特征的可靠 性、匹配算法的性能。由于指纹图像的质量具有不可控性，所以对特征提取算法和匹配 算法的设计是一项具有挑战性的工作。虽然人们对匹配算法进行了深入的研究，但是现 有算法还不能完全满足实际需要。当今主流的指纹识别算法是基于细节点的匹配算法， 这是一个有名的点模式匹配难题。本文对指纹匹配算法进行了深入研究，创造性地提 出了一种新颖的匹配算法，并做了实验，进一步分析了匹配算法的未来走向。本文的主 要创造性贡献在于： 1 ) 提出了一种指纹图像质量评估算法。该算法简单高效，不需计算指纹图像方向 场。根据指纹灰度值的统计分布，再根据不同性质的指纹图像所具备的特点， 设置不同的阈值，即可将低质量的指纹拒之门外实验结果表明，该方法是一 种较好的质量评估算法，具有很好的实用性 2 ) 研究了指纹图像预处理的几种技术，如指纹图像归一亿、方向场、增强、细化、 细化后处理等，并提出了解决方案。在方向场的求取上采用一种各向同性s o b e l 算子计算像素梯度；在指纹图像增强方面，采用了具有很好频率和方向选择性 的g a b o r 滤波器；在对增强图像的细化方面，采用了基于数学形态学的快速细 化算法并对其进行了改进；细化后处理方面主要是去除短线和毛刺等伪特征点 结构 3 ) 设计了一种新的细节点局部结构，该结构利用了局部细节点和全局方向场，并 提出了一种新的基于该结构的指纹匹配方法。由于该方法充分利用了全局方向 场和邻近细节点来描述每个细节点，所以获得了较好的实验结果。 关键词：生物认证；指纹：细节特征；方向场：匹配 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，a u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o nt e c h n i q u eh a sb e e na l le m e r g i n ga p p r o a c hi n r e a ll i f e e s p e c i a l l y , b i o m e t r i ca u t h e n t i c a t i o nh a sd r a w nm u c ha t t e n t i o n d u et oi t ss t r o n g r e l i a b i l i t y , m a n ym o d e ma p p r o a c h e s h a v eb e e np r o p o s e d b yr e s e a r c h e r sa n dm a n y b i o m e t r i c - r e l a t e dp r o d u c t sh a v eb e e nd e v e l o p e d f i n g e r p r i n ti d e n t i f i c a t i o nm e t h o dh a sb e e nr e s e a r c h e da n da p p l i e dw i d e l ya sam a j o r t e c h n i q u ei nb i o m e t r i ed o m a i n b u tt h ef a c t o r sl i m i t i n gt h ep e r f o r m a n c eo ff i n g e r p r i n t v e r i f i c a t i o ns y s t e mm a i n l yi n c l u d ef i n g e r p r i n ti m a g eq u a i l t y , r e l i a b i l i t yo f f i n g e r p r i n tm i n u t i a e ， a n dt h ep 晌册a n c eo ft m g e r p r i n tm a t c h i n gm e t h o d s d u et ot h eu n c o n t r o l l a b i l i t yo f f i n g e r p r i n ti m a g eq u a l i t y , t h ep e r f o r m a n c eo fw h o l ef i n g e r p r i n ta u t h e n t i c a t i o ns y s t e mi s m a i n l yd e t e r m i n e db yt h em i n u t i a ee x t r a c t i o na l g o r i t h ma n d t h ef i n g e r p r i n tm a t c h i n gm e t h o d s a l t h o u g hf i n g e r p r i n tm a t c h i n gm e t h o d s h a v eb e e ne x p l o r e dd e e p l y , c u r r e n tm a t c h i n g a l g o r i t h m sc a nn o ts t i l ls a t i s f yt h er e a ln e e dc o m p l e t e l y m o s to f c u r r e n tf i n g e r p r i n tm a t c h i n g s c h e m e sa r eb a s e do nm i n u t i a e i ti saw e i l - k n o w np o i n tp a t t e mm a t c h i n gp r o b l e m t h i sp a p e r f o c u s e so nt h ep r o b l e ma n dp r o p o s e san o v e lm a t c h i n gm e t h o d w ei m p l e m e n tt h e ma n d d e m o n s t r a t et h e i re f f e c t i v e n e s s t h em a i ni n n o v a t i v ec o n t r i b u t i o n st of i n g e r p r i n tm a t c h i n gi n o u rp a p e ra r ea sf o l l o w s ： 1 ) p r o p o s i n gaf i n g e r p r i n ti m a g eq u a l i t ye v a l u a t i o na l g o r i t h m t h i sa l g o r i t h mi ss i m p l e a n de f f i c i e n t ，w i t h o u tc a l c u l a t i n gt h eo r i e n t a t i o nf i e l do ff i n g e r p r i n ti m a g e ，i n a c c o r d a n c ew i t ht h es t a t i s t i c a ld i s t r i b u t i o no fg r a yv a l u eo ff i n g e r p r i n ti m a g e ，a t h r e s h o l dw i l lb ec h o s e nb a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fd i f f e r e n tf i n g e r p r i n t s ，t h e n l o wq u a l i t yf i n g e r p r i n ti m a g e sw i l lb ek e p to u t t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a t i t sag o o dq u a l i t ya s s e s s m e n ta l g o r i t h m ，a n dh a sg o o du s a b i l i t y 2 ) r e s e a r c h i n gs o m ef i n g e r p r i n ti m a g ep r e p r o c e s s i n gt e c h n i q u e s ，s u c h 船n o r m a l i z i n g ， o r i e n t a t i o nf i e l d ，e n h a n c i n g ，t h i n n i n g ，p o s t - t h i n n i n ga n ds oo n ，a n ds o m es c h e m e s a r ep r o p o s e d o r i e n t a t i o nf i e l di so b t a i n e db yu s i n gi s o t r o p ys o b e ! o p e r a t o r , a n dt h e e n h a n c e m e n to ff i n g e r p r i n ti m a g ei sb a s e do ng a b o rf i l t e r sw h i c hh a v eb o t h f r e q u e n c y s e l e c t i v e a n do r i e n t a t i o n s e l e c t i v e p r o p e r t i e s ，w ei m p r o v e t h e i i i f a s t - t h i n n i n ga l g o r i t h mb a s e do i lm a t h e m a t i cm o r p h o l o g i ct ot h i nf i n g e r p r i n ti m a g e ， a n dd e l e t es h o r cl i n ea n db u r ri np o s t t h i n n i n gs t e pw h i c hm a yb r i n gp s e u d o m i n u t i a e 3 ) p r o p o s i n gan o v e lm i n u t i al o c a ls t r u c t u r ew h i c hm a k e su s eo fn e i g h b o r i n gm i n u t i a e a n dg l o b a lo r i e n t a t i o nf i e l d s an e wf i n g e r p r i n tm a t c h i n gt e c h n i q u eb a s e do no u r p r o p o s e ds t r u c t u r e i sg i v e n b e c a u s et h em a t c h i n g a l g o r i t h mu s e sm o r er i c h i n f o r m a t i o ni n c l u d i n gn e i g h b o r i n gm i n u t i a ea n do r i e n t a t i o nf i e l d ，i tg e t sb e t t e r e x p e r i m e n t a l r e s u l t st h a ns o m em a t c h i n gm e t h o d st h a t o n l y u s e sm i n u t i a e i n f o r m a t i o no ro r i e n t a t i o ni n f o r m a t i o n k e y w o r d s ：b i o m e t r i ca u t h e n t i c a t i o n ；f i n g e r p r i n t ；m i n u t i a ef e a t u r e ；o r i e n t a t i o nf i e l d ；m a t c h 图索引 图1 1 各种要求自动身份认证的应用1 图t 一2 几种主要生物特征：a ) 人耳b ) 人脸c ) 人脸温谱图d ) 手温谱图e ) 手脉络f ) 掌刑g ) 指纹h ) 虹膜i ) 视网膜j ) 签名k ) 语音2 图1 - 3 指纹特征6 图1 4 一份含有指纹的中文文件7 图l - 5 指纹科学的鼻祖：a ) eg a l t o nb ) e h e n r y 8 图l 一6h e n r y 指纹分类系统的类别：( a ) 右箕( b ) 左箕( c ) 旋( d ) 弓形( e ) 帐弓形9 图l - 7 自动指纹鉴定与验证系统。l o 图1 - 8 高精度生物认证系统11 图1 - 9 基于证件、知识和生物特征三种身份认证技术的安全性比较。1 2 图1 1 0 指纹在护照、机场、手机和宾馆中的应用1 3 图1 - 1 1b i o m e t r i ci n d u s t r yr e v e n u e2 0 0 1 - 2 0 0 6 1 3 图卜1 22 0 0 4 年生物认证技术市场比例1 4 图1 1 3 基于指纹的身份认证技术1 4 图1 1 4 图像质量对假细节点的影响：q i 是图像质量指标1 5 图1 1 5g a b o r 滤波器增强指纹图像1 6 图1 1 6 细节点提取过程及结果1 7 图1 1 7 细节点匹配即计算两个点模式的相似程度1 8 图1 1 8 上砸两枚指纹来自同一手指，类内距离较大，下面两枚指纹来自不同手指， 类间距离较小。1 8 图2 1 常见低质量指纹图像一2 3 图2 - 2 实验中的四幅指纹图像：( a ) 湿手指( b ) 干手指( c ) 合格手指( d ) 偏手指2 5 图2 - 3 指纹图像质量评估流程图。2 6 图2 4 偏指纹的二值化2 7 图2 - 5 偏指纹图像的重心。2 7 图3 - 1 分割算法结果：左为原图像，右为分割后图像3 0 图3 - 2 归一化结果：左为原图像，右为归一后图像。3 l 图3 - 3 指纹方向场实验结果：左上为原始图，右上为方向场叠加图 左下为平滑前方向场，右下为平滑后方向场3 5 图3 4 指纹图像增强3 7 图3 - 5 点x 的8 个邻点3 8 图3 - 6 标记点丑及其邻点。 图3 7 快速细化算法结果。4 0 图3 8 改进的o p t a 细化算法的统一模板4 l 图3 - 9 改进的o p t a 细化算法的消除模板4 l 图3 1 0 改进的o p t a 细化算法的保留模板4 l 图3 11 改进的o p t a 细化算法结果4 2 图3 1 2 快速细化后非单像素宽的纹线4 2 图3 1 3 分叉点细化不彻底示意图4 2 图3 1 4 细化非单像素宽脊线模板4 2 v i i 图3 - 1 5 指纹脊线平滑4 3 图3 1 6 指纹脊线平滑模援4 3 图3 1 7 分又点细化处理4 3 图3 1 8 分叉点附近细化不彻底“ 图3 1 9 新细化算法结果4 4 图3 2 0 新细化算法后处理实验结果4 5 图4 1 指纹的两种特征；( a ) 端点( b ) 分叉点4 7 图4 2 特征提取模板4 8 图4 - 3 伪特征滤除结果4 8 图4 - 4 采样模式：直线上的短线表示采样点5 0 图4 5f v c 2 0 0 4 指纹库d b l 图像：a ) 3 32 t i f b ) 3 3 4 t i f c ) 3 32 t i f g a b o r 滤波结果d ) 3 34 t i fg a b o r 滤波结果e ) 3 32 t i f 二值化f ) 3 34 t i f 二值化g ) 3 32 t i f 细 节提取h ) 3 34 t i f 细节提取5 5 图4 - 6 两组对应参考点对：( 啊，以) 和( 玛。，五) 5 6 图4 - 7 以( 码，。成) 为参考点对的校准效栗5 6 图4 - 8 以( 啊。，：。) 为参考点对的校准结果5 7 图4 - 9 两枚指纹匹配结果5 8 v 1 1 1 表索引 表1 1 各种生物特征身份认证技术的比较 表l - 2 生物特征认证领域 表2 - 1 指纹图像质量评估结果， 表3 - 1 计算方向场用到的掩膜， 3 。4 2 6 3 2 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。除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，也不包含为获得海南师范大学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己在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签名：日期： 学位论文著作权声明 本论文作者声明： 口本论文全部成果均为本人和指导教师合作研究取得，本人和指导教师都有权使 用本成果学术内容( 有第三方约定者除外) 。 口 学 日 独自完成。本人独自享有本论穿的全部著作权 指导教师签名：誊兰擎 日，瓤矿s 学位论文版权使用授权书 ， 本学位论文作者完全了解海南师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即：海南 师范大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子文本，允许论 文被套阅和借阅。本人授权海南师范大学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、缩印或其它复制手段保存、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： 日期： 指导教师签名： 日期： 第一章引言 1 1 生物特征认证技术及其应用 1 1 1 自动身份认证 随着电子银行、电子商务和智能卡的出现，以及对各种各样数据库中信息的保密性 和安全性的重视，自动身份识别已经成为一个重要的话题。自动身份识别系统可用于涉 及护照、便携式电话、自动柜员机和驾驶执照等广大民用市场。由于p i n 码很容易被遗 忘和猜测，证件很容易遗失与被盗，传统的基于知识( k n o w l e d g e b a s e d ：密码或个人身 份号码( p i n ) ) 和证件( t o k e n - b a s e d ：护照，驾驶执照和身份证) 的身份认证已不能满 足信息时代社会对安全性的需求( 图1 - 1 ) 。例如，每年4 5 亿美元的万事达信用卡有很 大一部分因为身份问题被伪造【i l 。一个理想的生物认证系统必将包含生物特征认证作为 其中的一部分，最终一个防欺骗的身份认证系统应该包含三个组成部分：知识、证件、 生物认证。本文主要讨论生物认证部分，尤其是基于指纹的身份认证系统 图1 1 各种要求自动身份认证的应用 海南师范大学硕士学位论文 1 1 。2 生物认证技术 生物认证技术就是利用一个人的生理和行为特征去鉴别一个人的身份，能够用来进 行身份确认的生物特征应该满足以下几点要求： 夺普遍性( u n i v e r s a l i t y ) ：每个人都拥有该特征； 夺区分性( d i s t i n c t i v e n e s s ) ：两个人之间不存在相同的该特征； 永久性( p e r m a n e n c e ) ：该特征不随时间变化； 夺可采集性( c o l l e c t a b i l i t y ) ：该特征可以定量采集。 在实际应用中，另外三个因素也必须加以考虑： 夺性能( p e r f o r m a n c e ) ：识别准确率、识别速度、系统鲁棒性、系统所需资源以及 影响系统性能的操作和环境因素； 夺可接受性( a c c e p t a b i l i t y ) ：个体对生物标识可接受的程度； 夺防伪性( c i r c u m v e n t i o n ) ：欺骗系统的难易程度。 固1 - 2 几种主要生物特征：a ) 人耳b ) 人脸c ) 人脸温谱圈d ) 手温谱图e ) 手脉络o 掌刑g ) 指纹h ) 虹腰j ) 视网膜j ) 签名k ) 语音 由于入的生物特征具有个体独特性，而且它们不需要人去记忆和保管，所以基于生 物特征的身份认证技术比传统的基于知识和证件的方法更为可靠。然而，生物认证技术 也有其不足的方面。例如，如栗密码泄露或i d 卡丢失，人们可以很容易地换一个新的 密码或i d 卡。但是如果生物特征被泄露，个体就不可能用新的生物特征去代替它。同 样地，人们可能对不同的帐户设置不同的密码，如果其中一个帐户的密码被泄露，但是 其它帐户仍然是安全的。然而对于生物特征面言，情况就不一徉了。如果一个生物特征 被泄露，那么所有基于该特征的帐户都有可能被闯入。目前使用的生物特征包括人脸、 2 第一章引言 指纹、掌形、虹膜、视网膜、签名、语音等，图1 - 2 给出了几种主要的生物特征，表 1 1 给出了各种主要的生物特征在以上提到的七个因素下的简单比较结果。在所有的生 物特征认证技术中，基于指纹的认证技术是最成熟的。 袭1 1 各种生物特征身份认证技术的比较 1 1 3 生物认证技术的应用 生物认证技术已经广泛地应用于各个司法领域，比如罪犯确认和监狱管理等生物 认证技术正在蓬勃发展，它在民用领域方面有巨大的潜力。饲如网上银行、电子商务、 门禁控制等。由于电子交易频繁发生，网上银行和电子商务正在成为生物认证技术的重 要应用领域。这些应用包括信用卡和智能卡的安全、支票支付和转帐，在线交易和网站 访问控制等对于现场出入的控制，传统上往往使用各种证件进行身份确认。随着生物 认证技术的不断发展，这些领域会逐渐使用生物认证技术进行身份识别。对于远程登录 和访问，传统上使用基于知识( 密码) 的方法进行授权，现在已经开始使用生物认证技 术进行授权了。髓着生物认证技术的成熟，生物认证技术的使用将会更加广泛。其它生 3 海南师范大学硕士学位论文 物认证技术应用领域包括福利发放、出入境检查、居民身份证、选民和驾驶员登记、以 及考勤等。 表1 _ 2 生物特征认证领域 1 2 指纹成为生物特征 1 2 1 指纹的形成 据研究，胎儿在母体内发育七个月左右，其指纹就完全形成，并且终身不会发生变 化，除非手指发生意外的物理损伤口】。这个发现便指纹成为了一种比较理想的生物特征。 一般地，生物组织往往是由基因和环境共同决定和影响的。人们发现人的体表可观察特 征是由具体的基因以及具体的环境所决定的。一般地人的外貌和指纹就是体表的可观 察特征。对于指纹来说，基因决定了它的总体模式特征。指纹的形成类似于毛细管和血 管的形成过程忙j 。当指尖上的皮肤开始分化时，指纹的总体特征开始逐渐形成。在分化 过程中，胎儿周围的羊膜液体的流动情况和它在子宫中的位置不断地改交。这样不同 的手甚至不同的手指所处的微环境都不相同，而指尖的细胞就在这些不同的微环境中生 长。指纹的精细结构特征就是由这些不断变化的微环境所决定的。环境的轻微改变就会 使得细胞的分化过程极不相同。在指纹的形成过程中有如此多的变化，以至于没有任何 两个手指的指纹是相同的。但是，由于同一个人不同手指的指纹的形成受到同一种基因 的影响，所以它们不可能完全是随机生成的模式。我们可以认为指纹的形成过程是一个 4 第一章引言 混沌系统而不是一个随机系统”。 1 。2 2 指纹的特性 近年来，法庭已经承认了指纹证据的合法性。但是在1 9 9 3 年的d a u b e r t 与m e r r e id o w 医药公司案件中例。美国最高法院规定了科学上的证据必须确立其可靠性。在评估证据 的可靠性时，必须考虑如下五条因素：( o 证据获取的方法和技术是否进行了统计评估； ( 谚是否确定了方法的错误率；( i i o 技术操作的标准是否存在并得到了支持；( 奶技术 是否得到同行的认可并得到公布：( v ) 它是否得到了广泛的接受。随后，在1 9 9 5 年到 2 0 0 1 年的几个案件中，笔迹鉴别受到了质疑，因为笔迹鉴别并不满足以上确立的标准。 在1 9 9 9 年的u s a 和b y r o nm i t c h e l l 案件中【1 指纹识别受到了质疑，因为指纹识别的基 本前提假设并没有得到检验，并且不知道它的错误率。将指纹作为证据的要求被否绝。 u s a 和b y r o nm i t c h e l l 案件至今仍是悬而未决。指纹鉴定在随后的十几个案件中受到质 疑( h t t p ：o n i n c o m f p l d a u b e r tl i n k s h t m l ) 。 指纹鉴定的两个基本假设是：( 力指纹的模式是永久不变的：( ，力个体的指纹是 唯一的。第一个假设的正确性可以通过长期观察和指纹皮肤的解剖和形成过程来得到检 验但是第二个假设在近来的案件中不断受到质疑专家通过手工检查数百万的指纹发 现彼此并不相同，使得指纹的唯性得到了广泛的认可。然而指纹唯一性的科学基础并 没有得到严格地研究和检验。在2 0 0 0 年3 月，美国司法部承认并没有进行这样的检验 并且指出这种研究是必要的嘲。为此，美国国家司法研究所发起了名为“指纹有效性研 究”的课题，它的目的就是研究指纹唯一性的正确性d 。这个基础研究的两个基本方向 包括：( 力测量在枚指纹中可用的细节数量；( ，力测量在两枚指纹中对应细节的数 量。 1 2 3 指纹成为生物特征 指纹就是在指尖的脊谷模式哪，它已经被广泛地用于个人身份认证”。图卜3 显示 了一枚指纹。指纹形成的生物学过程已经被清楚地理解，它用于身份认证已经有好几个 世纪。自从2 0 世纪早期开始，世界各地的司法部门都已经广泛地利用指纹来确认罪犯。 由于指纹常用来确认罪犯”1 ，所以人们在民用领域要求提供指纹进行身份确认时都感觉 5 海南师范大学硕士学位论文 到不舒服。因为基于指纹的生物特征认证系统提供了较高的可靠性并且小巧的固体指纹 传感器可以嵌入到各种各样的系统中( 比如移动电话) ，所以基于指纹的身份认证技术 在各种民用和商业领域得到了广泛地应用，包括福利发放、移动电话、笔记本电脑等。 小巧而便宜的固体指纹传感器【9 】的出现以及鲁棒的指纹匹配器的开发都使得基于指纹 的身份认证系统非常流行。与其它生物特征相比，指纹也有许多不足。比如大约有4 的人的指纹质量并不好；体力劳动者的手指经常被擦伤，从而使得匹配系统的效果受到 影嫡很大：手指常常会因为天气而发生脱皮；手指可能有永久性的巴痕；当长时间浸泡 在水中，手指会起泡；对于较脏的手指，指纹传感器无法正确成像。另外，在用户不知 道的情况下，指纹不能得到采集，所以它不适合用于某些领域，比如监控。 1 3 指纹识别的历史 图1 - 3 擂纹特征 督线端点 督绒分叉点 梭 点 三角点 人类最为重要的能力之一就是认识不同物体的能力。认识就是一个先感觉后记忆联 想的过程。科学家企图开发各种各样的系统来模仿人类的这种识别能力。虽然当前的研 究结果还远不能令人真正地满意，但是在某些领域，比如生物特征认证领域，还是取得 了诱人的成果【l 。】。 生物特征包括指纹、虹膜、人脸、步态、手掌、语音、签名等。在这些生物特征中， 指纹很早就被人们所利用 j 1 1 。最早记载的人的手印和脚印大约在4 0 0 0 年前古埃及建造 金字塔的年代。同时，在1 0 0 0 0 年前的古埃及遗址上发现了少量的掌纹，但是还不知道 6 第一章引言 指纹的文件现在还存在，直到最近，这种签名的方式仍然被采用图1 4 显示了一份含 有指纹的中文文件。虽然中国人曾经在法庭上用指纹来确立身份，但是研究者目前还不 清楚中国人当时是否完全认识到指纹的唯一性，还不清楚这种在文档上按指纹是不是出 于精神上的考虑。 固1 4 一份舍有撂绞的中文文件 h e n g yf a u l d s 在1 9 世纪末2 0 世纪初促进了指纹的研究和发展。在1 8 7 4 年以后， 当他还在日本东京的一家医院工作时，他已经对指纹发生了浓厚的兴趣。在做了不少实 验和仔细观察后，他认为皮肤表面的轻微损伤并不会影响指纹的模式，伤口愈合以后， 指纹又会恢复到之前的模式。后来在1 8 8 0 年1 0 月，他给自然杂志写了一封信，在信中 他描述了指纹的形态并指出用一块任何形式的平整而光滑的平板，在上面涂上一层薄薄 的油墨，就可以获得较好的指纹图像。这种技术在今天甚至仍被采用。他得出的最为重 要的结论是：1 ) 指纹不会变；2 ) 罪犯留在物体上的指纹可以用来确定他们的身份 w i l l j a mh e r s c h e l 曾经是印度的一个行政管理官员，他是一个英国人当时他就要求 一些人用墨水把自己的掌印和大拇指印按在合同上。由于印度有很多文盲面且文件伪造 现象严重，这些按在合同上的印迹可以作为一种签名。在他的一生中，h e r s c h e l 采取了 他自己的指纹，并且注意到经过5 0 年之后，前后指纹并没有改变。他也收集了一些指 纹，并且运用按手印的技术来确定是否文件被伪造。他对犯罪份子的指纹也相当感兴趣， 罪犯隔若干年会被要求再次按印指纹，h e r s c h e l 有机会看到这些指纹前后没有变化。然 而，h e r s c h e l 从来都没有指出他已经发现了一个登记和识别罪犯的方法，也没有像f a u l d s 一样得出指纹在犯罪现场的可能应用 在1 8 9 2 年，f r a n c i sg a l t o n ( 图l - 5 ( a ) ) ，对指纹科学进行了准确地、深入地研究，并 尝试建立一个指纹分类系统以便于处理大量的指纹。虽然( ? a l t o n 的工作是值得的，并且 己成为现代指纹科学的基础，但是他的分类方法对于实际应用来说还是不够的 j u a nv u c e t i c h 是阿根廷一个警官，他受到g a | t o n 的影响，发明了自己的指纹分类系 7 海南师范大学硕士学位论文 统，该系统在1 8 9 1 年9 月投入实际使用。在1 8 9 2 年3 月，v u c c t i c b 在s a n n i c h o l a s ，b u e n o s a i r e s 成立了第一家指纹公司。在1 8 9 2 年8 月的n e c o c h e a ，f r a n c i s c a r o j a s 说她的邻居， v e l a s q u e z ，残忍地袭击她并杀害了她的两个孩子。然丽v e l a s q u e z 拒不承认他是谋杀犯。 事发9 天之后，对现场进行了勘查，在这个妇女的小屋的门柱上发现了大量的带血的指 纹。令人惊奇的是，v u c e t i c h 指纹局发现这些指纹和p o j a s 的指纹是一样的。面对这些 证据，r o m 承认他谋杀了这两个孩子，在1 8 9 2 年7 月，法庭认为其谋杀罪名成立，并 被判终生监禁。 围1 - 5 指纹科学的鼻祖：a ) f g a l t o nb ) e h e n r y e d w a r dh e n r y ( 图卜5 ( b ) ) 学习了g a l t o n 的指纹科学，并建立了一个著名的h e n r y 系统，这是一个系统的、有效的指纹分类方法。他所使用的类包括左箕( l e f t l o o p ) 、右 箕( r i g h t l o o p ) 、旋( w h o r l ) 、弓形( a r c h ) 和帐弓形( t e n t e d a r c h ) 。图1 - 6 显示了这些类 的一些实例。h e n r y 在1 9 0 0 年出版了他的一本名叫指纹的分类及其应用( c l a s s i f i c a t i o n a n du s e so f f i n g e r p r i n t s ) 的书。在1 9 0 1 年，他被认命为苏格兰场警察厅的辅助号员，并 开始在那里介绍他的指纹系统。那年末，在苏格兰场的指纹办公室开始正式运转。在1 9 0 2 年，出现了英国首例通过指纹定罪的案例。在他的书出版大约l o 年后，他的系统在那些 讲英语的国家的警察部门和监狱部门得到了应用。 继g a l t o n 和h e n r y 之后，人们开展了更为广泛和深入的指纹识别研究工作。在2 0 世纪早期，司法部门已经正式采用指纹作为有效的身份标记。然而，指纹手工识别是一 项麻烦、耗时、成本较高的工作。因此，在1 9 6 0 年，f b i 英国总部和巴黎警察厅开始 着手开展基于指纹的自动生物特征认证系统的研究工作。自此以后，指纹自动识别系统 的研究受到高度重视并吸引大批优秀的科研人员参与研究，指纹识别技术不断发展，相 8 第一章引言 研究受到高度重视并吸引大批优秀的科研人员参与研究，指纹识别技术不断发展，相关 产品不断推出。 图1 - 8h e n r y 指纹分类系统的类别：( a ) 右箕( b ) 左箕( c ) 旋( d ) 弓形( e ) 帐弓形 1 4 自动指纹识别系统 从应用的角度来说，有两种类型的指纹识别系统【1 2 1 ： 夺自动指纹鉴定系统( 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 ns y s t e m ) 夺自动指纹验证系统( a u t o m a t i cf i n g e r p r i n tv e r i f i c a t i o ns y s t e m ) 9 海南师范大学硕士学位论文 在鉴别罪犯和相关刑侦方面的应用中，常使用指纹鉴定系统。随着指纹识别技术的 发展，指纹验证系统在金融和门禁方面得到了大量的应用。在市场上，还有一些商业的 验证系统。在指纹验证系统中，首先输入一个l d 号和一枚指纹，然后系统通过比较输 入指纹和库中与i d 号对应的指纹，来检验输入的指纹与f d 号是否一致。对于指纹鉴定 系统来说，输入的是一枚指纹，系统将该指纹与库中所有的指纹进行比较，然后输出一 些可能拥有该指纹的人员。这两个指纹系统如图1 7 所示。我们可以认为指纹验证是指 纹鉴定的一种特殊情况。因为当鉴定系统的输出只有一个人的情况下，鉴定和验证就是 一样的了。另外，验证是鉴定的重要组成部分，因为鉴定系统的输出是些可能的人员， 此时需要验证系统去确定究竟是哪一个人。 图1 - 7 自动指纹鉴定与验证系统 一个高精度的生物认证系统通常分为5 部分，如图卜8 所示： o 第一章引言 图 1 - 8 高精度生物认证系统 1 5 自动指纹识别系统研究的理论意义和应用价值 在现代社会中，各种各样的自动服务系统要求可靠的身份确认，目的是确保只有合 法用户才能获得应有的服务比如大楼门禁系统、计算机服务系统、笔记本计算机、手 机、a t m 取款机等。没有可靠的身份认证措施，顾客极易冒充合法用户来获得非法使 用权，从而对安全构成重大威胁或造成重大经济损失。 传统的身份认证措施采用密码或i d 卡。但是密码很容易泄露。i d 卡容易被偷。另 外，短的密码极易被猜测，长的密码又难于记忆，所以传统的身份认证并不能满足实际 需要。相反，生物认证技术既可以可靠地确定身份，又可以克服传统方法的局限性。除 此之外，生物认证技术还给用户带来了意想不到的方便性。比如入们可能在不同的场合 用不同的密码，但这些密码很容易被搞混淆或被忘记，有时候不得不要求管理员重新设 定自己的密码，从而增加管理员的负担，而生物特征认证技术不需要用户为此担忧。图 1 - 9 给出了基于知识、证件和生物特征的身份认证方法的安全性比较，生物特征的安全 性是最高的。 海南师范大学硕士学位论文 4 孽t h o d 圉1 9 基手证件、知识和生物特征三种身份认证技术的安全性比较 自动指纹识别系统由于具有较高的可靠性和用户方便性，从而在生物特征认证领域 居于重要地位并获得广泛应用。指纹自动识别的研究涉及的学科知识相当广泛。包括图 像处理、信号处理、模式识别、计算机视觉、计算机科学、应用数学等学科。这是一个 应用性相当强的研究课题，它既可以促进各相关理论的发展，又使得各学科的相关理论 知识得到具体应用。比如指纹的匹配研究就涉及到著名的点模式匹配难题。 自动指纹识别系统具有很高的应用价值。它可以用在门禁系统、国界控制、金融安 全、电子商务、a t m 机、司法刑侦、信用卡等一切要求身份确认的领域。近来，指纹 自动识别系统被应用到几个新的领域。在政府方面，美国曾要求其盟国从2 0 0 5 年i o 月 起开始使用生物护照，尽管这个计划因多种原因得到推迟，但是可以预见不久应会得到 实施。在美国、英国和德国的一些机场开始使用生物认证系统。英国更是提出了要求 使用带有生物特征信息的智能i d 卡。在企业和市场方面，著名的微软公司已经开发了 带有指纹识别模块的系统，其指纹识别软件由d i g i t a l p e r s o n a 公司提供。同时，i b m 公 司也宣布要在其笔记本电脑t h i n k p a d 中添加指纹识别技术，该技术将会由u p e k 公司 提供。在日本和韩国，a t h e n t e c 公司的指纹传感器正在w c d m a 手机上使用。在英国 的超市o s gc o o p 正在使用指纹技术进行支付，而不是信用卡。可以预见，自动指纹 识别技术不仅走出了传统的应用领域一司法和门禁，而且在新的领域亦受到广泛重视并 获得应用。图1 1 0 给出了指纹在护照、机场、手机和旅馆中的应用场景。 1 2 第一章引言 图1 - 1 0 指纹在护照、机场手机和宾馆中的应用 国际生物认证市场的年收入正在强劲地增长。根据e l s e v i e ra d v a n c e dt e c h n o l o g y 的 名为t h e b i o m e t r i e i n d u s t r y r e p o r t ：f o r e c 鹕a n d a n a l y s i s t 0 2 0 0 6 的报告，在2 0 0 4 年，市 场营业额应为7 0 7 3 亿美元；到2 0 0 6 年，可望增长到1 8 6 7 亿美元图1 1 1 显示了年 收入的增长情况和预测情况。i n t e r n a t i o n a lb i o m e t r i cg r o u p ( i b g ) 的预测情况与上述 结果差不多，i b g 认为2 0 0 4 年的收入应为8 1 5 亿美元，到2 0 0 6 年可达2 0 8 亿美元， 到2 0 0 8 年将会达到3 8 亿美元。 图1 1 1b i o m e t r i ci n d u s t r yr e v e n u e2 0 0 1 - 2 0 0 6 海南师范大学硕士学位论文 不同生物认证系统所占市场份额各不相同。占有主要地位的生物认证方式包括指 纹、人脸、虹膜。在2 0 0 4 年，指纹占4 8 ，人脸占1 4 ，虹膜占1 0 。图l 1 2 显示了 各种生物认证技术所占市场比例。 图1 - 1 22 0 0 4 年生物认证技术市场比例 随着市场不断发展，以及包含指纹识别的i d 卡和护照的推出，可以预见在不久的 将来，指纹识别将变得随处可见，生物认证技术将融入到普通生活中。正是由于巨大的 市场潜力才推动了生物认证技术的不断发展，目前在国际国内上掀起了生物识别热湖。 1