（控制科学与工程专业论文）掌纹定位与识别算法研究.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文 摘要 当今社会，信息技术逐渐走入人们的日常生活。随着信息社会的到来，信息安全越来 越引起人们的重视。人体生物特征识别技术将信息技术与生物技术相结合，利用人体本身 固有的物理特征( 如指纹、掌纹等) 或行为特征( 如步态、签名等) 确定人的身份。通过 人体生物特征识别技术进行身份识别克服了传统识别方式容易被窃取、伪造或者丢失、遗 忘等缺点。因此该技术将广泛应用于信息安全领域，是二十一世纪最有发展潜力的技术之 一 掌纹识别是指根据人手掌上的掌纹进行身份识别的，掌纹由于具有唯一性、面积大， 信息量丰富等特点非常适合用作身份识别。因此受到了全世界很多研究团队的重视，与此 相关的新技术和新方法不断涌现。本论文根据掌纹的特点，对掌纹识别系统中的关键技术 进行了深入的研究，提出了掌纹图像感兴趣区域提取、掌纹特征提取等相关方面的新算法 具体来说，本文主要研究内容包括以下几点： 1 简要综述了当前人体生物识别技术的发展概况；对现有各种掌纹识别方法进行分 析，比较优点和不足。 2 提出了新的掌纹图像感兴趣区域提取算法：由于每个人的手掌大小是不一样的。即 使周一个人的手掌在不同采集时间，由于其放置位置有一定的旋转或偏移，所得到的掌纹 图像也存在着一定的差异。因此，有必要在掌纹图像的特征提取之前，进行归一化的感兴 趣区域提取。 3 掌纹特征提取：掌纹可以用来识别人的身份，关键就在于不同的手掌具有不同的特 征，如何提取这些特征是提高系统识别精度和可靠性的关键。本文在深入研究和分析掌纹 图像的基础上，将2 d p c a 方法应用于掌纹特征提取。本文还提出了基于纹理增强算子的 特征提取方法。 【关键词】人体生物特征识别掌纹图像感兴趣区域特征提取掌纹识别 第1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 a b s t r a c t n o w a d a y s , i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yc o l n i ：sn k l en c a 旧i n t oo u tl i f e p e o p l ea t t a c h1 1 1 0 1 i m p o r t a n c et ot e c h n o l o g y s e c u r i t yw i t ht h ed e v e l o p m c n to f t h et c e l a n o l o g ys o c i e t y b i o m e t r i c s c o m b i n e sb i o l o g yt e c h n o l o g ya n di n f o r m a t i o nt e c h n o l o g yt oe x p l o i tp h y s i c a lf e a t u r e si nh u m a n b o d ys u c ha sf i n g e r p r i n ta n dp a l m p r i n to rb e h a v i o r a lf e a t u r e ss u c ha sg a i ta n ds i g n a t u r et o i d e n t i f yap e l s o n 1 1 | i sn e wt e d m o l o g yh a s n od i s a d v a n t a g e so f t l a et r a d i t i o n a lm e t h o d ss u c ha s ： e a s yt ol o s eo rf o r g e t t h i sn e wt e c h n o l o g y 啪b ea p p l i e dt oi n f o r m a t i o ns e c u r i t y b i o m e t r i ei 3 b e e o m j n go l l eo f t h eh i g h e s tp o t e n t i a lt e c h n o l o g i e si n2 1 t hc e n t u r y 1 a l m p r i n tr e c o g n i t i o ne x p l o i t st h el a i 罾e l u l l o t l u a to fi n f o r m a t i o no n0 1 1 1 - p a l mt oi d e n t i f y d i f f e r e n tp e r s o n s 1 a t m p r i n ti n c l u d e sag r e a td e a lo f i n f o r m a t i o n , a n di ti su n i q u e t h e r e f o r e , i ti s s u i t a b l ef o r1 , e r s o n a li d e n t i f i c a t i o n s o , p a l m p r i l l th a sd r a w ng r e a ta t t e n t i o n sf r o mm a n yr e s e a r c h t e a m sf r o ma l l o v e rt h ew o r l d a sar e s u l t , v a r i o u sp a l m p r i n ti d e n t i f i c a t i o nm e t h o d sh a v eb e e n p r o p o s e d 3 h i st h e s i sc o n c c l l t l l t 韶o nt h er e s e a r e l ao ft h ek e yt e c h n o l o g i e s ，a c c o r d i n gt ot h e c h a r a c t e r i s t i co f p a l m p r i n t w ef i r s tp r o p o s ef i l le f f i c i e n ta l g o r i t h mo f r e g i o no f i n t e r e s te x t l - 枷o n f o rp a l m p r i n ti m a g e s a n d 啪a l s op r o p o s et w oe f f i c i e n ta l g o r i t h m so fp a l m p r i n tf e a t u r e c x l r a c t i o n t ob em o r es p e c i f i c , t h em a i na e l a i e v e m e n t si nt h i sp a p e ra l 嬲f o l l o w s ： 1 t o $ 1 1 m m a r i z ct h ed e v e l o p m e n to ft h es t a t eo ft h ea r to ft h eb i o m e l r i e st e c h n o l o g i e s ， a n a l y z et h ee 酬s t i eo fp a l m p r i n ti d e n t i t i e a t i o nm e t h o d s , a n dc o m p a r et h ev i r t u e sa n d d r a w b a c k s 、 2 t op r e s e n tan e wm e t h o do f e x t r a c t i n gt h er e g i o no f i n t e r e s to f p a i m p r i n ti m a g e s ：d i f f e r e n t p a l m sh a v ed i f f e r e n ts i z e s , a n db e c a u s eo ft h em m s l a t i o n a la n dr o t a t i o n a lp l a c e m e n t so fh a n d s , t h ec o l l e c t e dp a l m p r i n ti m a g e sf r o mt h es a m ep a l m sa d i f f e r e n tf r o mt i m et ot i m e t h e r e f o r e , i t i se s s e n t i a lt op r e p r o e 嘲t h el , a l m p r i n ti m a g e st oo b l l l i l lr e g i o no f i n t e r e s to f p a l m p r i n ti m a g e s 3 t op r o p o s en o v e lf e a t u r e f l l a c t i o nm e t h o d sf o rp a l m p r i n tr e c o g n i t i o n ：p a l m p r i n t 伽b e u s e df o rp c 姻伽| a li d e n t i f i c a t i o nb e c a u s ee v e r y 咄h a sd i f f e r e n tf e a t u r e si nt h e i rh a n d s h o wt o e x t r a c tt h ef e a t u r e si so n eo ft l a ek e yp r o b l e m st oo b t a i nh i g h l ya c c u r a t ea n dr e l i a b l ep a t m 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 w ep r e s e n tt w of e a t u r ee x l r a e t i o nm e t h o d s ，i e ，2 d p c a - b a s e dp a m l , r i n t f e a t u r ee x l z a e t i o na n da ne n h a n c e do p e r a t o ro f t e x t u r ef o rp a l m l , r i n tr e c o g n i t i o n k e yw o r d s lb i o m e t r i c s , p a l m p r i n ti m a g e ，r e g i o no fi n t e r e s t , f e a t u r ee x l z a c t i o n , i a t m p r i n t r e c o g n i t i o n 第页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本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 经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它教育机构的学 位或证书雨使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均巳在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目：堂筮皇焦生迟量i 簋遮丑窒 学位论文作者签名：曼长磊日期：2 口d 6 年月殳足日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权国 防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允 许论文被查阅和借阀；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。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目：堂煞定焦量望别篡洼盟窒一 学位论文作者签名：塑垒磊 一 日期：2 6 年| 1 月卫p 曰 作者指导教师签名：朔! 垫葛 日期：卯年i f 月3 d 日 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 当今社会高度信息化、网络化，信息安全显示出前所未有的重要性，身份识别技术具 有非常重要的应用价值。在利用传统的身份识别方法进行身份识别时，人们为方便记忆， 很多人会选用自己或亲人的生日、电话号码或门牌号作为密码，而这些资料很容易被不法 分子获取。相关数据显示，全世界每年因密码或证件遗失而造成的损失巨大。在美国，随 着密码被破解的概率越来越高，仅与自动取款机业务相关的诈骗案每年损失就不下3 亿美 元。相对于传统的身份识别方法，生物识别技术【l l 具有很大的优势。 生物识别技术是基于人体生物特征的身份识别技术i 锄e 啊c s ) 湖，是一种利用人体固 有的物理特征，如指纹、掌纹、人脸等；或者行为特征，如步态、声音、签名等【3 问，通过 图像处理和模式识别进行身份识别。传统标识身份主要是靠证件、密码、钥匙等，这些方 法都可能被窃取、伪造或者丢失、遗忘等，造成很大的损失。而利用生物特征的身份识别 技术由于其唯一性和相对稳定性，并且与主体不可分离的特性，因而不必担心丢失或被盗 用，近年来，利用生物特征识别技术进行身份验证在安全领域方面的应用受到高度的重视。 有关专家预言，生物识别技术将成为未来几年1 t 业的重要革新。越来越多的消费者、 公司乃至政府机关也认为，现有的基于智能卡、身份号和密码的身份识别系统远远不能满 足现实需要，生物特征识别将在未来提供解决方案中发挥重要作用。据国际生物认证集团 生物识别市场报告【7 】，如图1 1 所示。生物认证市场到2 0 0 5 年已达到1 5 亿美元，今年突 破2 0 亿，未来成高速增长态势。另据一家权威调研机构对中国市场的预测嘲：中国正成为 继美国、日本之后最具潜力的市场。目前国内生物识别行业的发展障碍主要表现为技术不 成熟，市场接受程度低。尽管面临着巨大的发展障碍，但毋庸置疑，生物特征识别在中国 将具有广阔的市场前景。分析人士指出，从应用角度看，生物识别是一种取决于人口规模 的技术。中国有十几亿人口，试想当身份证、社会保障、医疗服务和信用支付等系统开始 规模化应用生物识别技术时，中国的生物识别市场将会达到怎样的规模? 此外，对传统技 术规则替代成本低，以及经济强劲发展所带来的足够市场支付能力，都使生物特征识别最 有可能在中国这个发展中国家率先推广应用。最令业内人士对未来充满信心的是，由政府 计划和主导的几个采纳生物识别技术的大型项目已经启动或进入试点，包括暂住证、社会 保险卡和二代身份证系统。相信随着这些系统的实施和应用，生物特征识别将在中国市场 获得更好的发展。 第1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图1 i 生物识别市场及未来发展( 百万美元) 1 7 】 1 2 现代生物识别技术及其应用 l 工1 身份识别对生物特征的要求 生物识别技术是利用人的物理或行为n 】进行身份识别的，因此，用于身份识别的特征 必须具有以下特点【3 】： 1 普遍性：普遍性，每个人都具有； 2 唯一性：任何两个人都不一样； 3 稳定性：这种特征至少在一段时间内是小变的； 4 可采集性：可以定量测量。 然而，满足上述条件的生物特征对一个实际的系统却未必可行。因为实际的系统还必 须考虑以下几点： 1 性能，即识别的准确性、速度、鲁棒性以及为达到所要求的准确性和速度所需要 的资源； 2 可接受性，人们对于一种特定的生物特征识别在日常生活中的接受程度； 3 安全性，用欺诈的方法骗过系统的难易程度。 因此，一个实际的生物特征识别系统应做到： 1 在合理的资源需求下实现可接受的识别准确性和速度； 2 对人没有伤害而且能为人们所接受； 3 对各种欺诈力法有足够的鲁棒性。 目前人们研究和使用的生物特征识别技术主要有：d n a 、指纹识别、人脸识别，手形 第2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 识别、掌纹识别、虹膜识别、耳廓识别、签名识别、声音识别等 9 1 。如图1 2 所示。 1 d n a 识别技术：d n a 姗，即脱氧核糖核酸，是人体内的遗传物质，主要存在于人 体细胞核的染色体上，控制着人体生长、发育的全过程。每个人的d n a 都是由亲生父母 的d n a 组合而来，组合方式多种多样，使得上代与下一代之间既有联系又有区别，兄弟 姐妹之间也因d n a 的组合不同而互有差异，即d n a 具有个体特异性。就同一个体而言， 其身体的任何部分都是由同一受精卵发育而来，所以身体的所有细胞的d n a 组成都是一 样的，这就是d n a 同一体的一致性。许多科学家经过大量的实验证明，d n a 是人体全部 遗传信息的载体，是储藏和传递遗传信息的物质基础，亲代与子代之间的遗传信息正是通 过d n a 分子的自我复制而实现的，这就保证了世代间的遗传稳定性。个体的遗传基因终 生不变。d n a 的唯一性、稳定性和普遍性符合生物识别技术要求。 2 指纹识别技术：指纹识别技术i n - 1 6 是指依据人的指纹特征或其所留印痕特征而对人 身进行的识别和认定技术。指纹，即指尖皮肤上的纹理，具有普遍性和唯一性。世界上任 何种族、民族的男女老少、父子母女、兄弟姐妹，甚至是相貌极为相似的孪生兄弟姐妹之 间的指纹，都存在一定的差异。同一个人的十个手指的指纹，也各有差异。这种差异主要 表现在指纹纹线中的许多细节特征的不同以及由这些细节特征之间构成的整体组合关系 的不同，如纹线中的脊、谷、终点、分叉点、分歧点，以及伤疤等特征的具体形态、大小、 方向、角度、位置、数量及相互关系的不同等等。指纹的这种唯一性，为指纹识别技术的 建立和发展提供了可靠的科学依据。 3 人脸识别技术：人脸识别技术1 1 7 - 斟1 是根据人的面部特征的唯一性特点而进行的个 体识别和确认技术。人的面部特征的唯一性，可以在脸上某一单一器官或部位上得以体现， 更重要的是可在这些单一特征之间的位置、距离、角度、数量、形状和模式等相互关系上 得以体现。而且这些面部特征都具有一定的稳定性当验证某人的身份时，只要通过某种 设备摄录下他的面部生物特征，与事先储存的相关样本特征进行比较，几秒钟内即可完成 识别。同许多生物识别技术一样，人脸识别技术是近几年在全球范围内迅速发展起来的一 项识别技术。它是利用面部的二维或三维图像通过图像处理和模式识别来实现鉴别或验证 个体身份目的的，具有非接触性、对被识别对象侵扰较少和识别手段隐蔽等特点，在出入 口控制、银行管理等领域有着独特的应用价值。 4 手形识别：手形1 2 5 - 2 7 的测量比较容易实现，对图像获取设备的要求较低。手形的处 理相对也比较简单，在所有生物特征识别方法中手形认证的速度是最快的。然而手形特征 并不具有高度的唯一性，不能用于识别，但是对于一般的认证应用，它足可以满足要求。 5 掌纹识别：掌纹识别阻。j 是利用人手掌的掌部纹理作为生物特征进行身份的自动 确认，是生物认证领域的又一新兴技术。掌纹是指手腕至手指之间的手掌内表面上的各种 纹线，主要由乳突纹、皱纹和屈肌线三种纹线组成 3 1 。手掌上最为明显的3 - 5 条掌纹线， 称为主线，并且布满了乳突纹，可利用这些信息进行身份识别。 国防科学技术大学研究生院学位论文 6 虹膜识别技术：虹膜是眼球前部含色素的环形薄膜，由结缔组织细胞、肌纤维等 构成，中间是瞳孔。虹膜识别技术即q 是利用虹膜终身不变性和差异性的特点来识别身份 的，虹膜识别技术与相应的算法结合后，可以到达十分优异的准确度，即使全人类的虹膜 信息都录入到一个数据中，出现认假和拒假的可能性也相当小。虹膜识别技术具有远距离 识别、非接触性、准确率高等特点尽管它的产生只有不足2 0 年的历史，但它却是一种 极具潜力和发展前途的生物识别技术。在英国、德国等发达国家的一些银行、机场已经使 用了这一技术，只要在l 米，甚至更远一点的距离内，被识别者的眼睛对准摄像机镜头便 会留下虹膜图像，工作人员将被扫描的虹膜图像转化成数字信息，与数据库中的相关“样 品”信息进行比较和核对，可以很快完成识别过程 7 耳廓识别技术：耳朵，即听觉器官，人和哺乳动物的耳朵由外耳、中耳和内耳三 部分组成。耳廓是外耳裸露在外的那一部分，也就是人们习惯上所说的“耳朵”，它由软 骨构成，有收集声波的作用通过对人的耳廓与外界客体接触所留痕迹的检验鉴定来识别 人体和认定人身，有着可信的科学依据。人体耳廓是个体形态的组成部分，耳廓上的耳轮、 耳屏、耳垂等多个部位的宽度、弧度、位置、形态、形状及其相互关系，构成了个体耳廓 所固有的相对稳定的特征，成为此耳廓区别于彼耳廓的重要标记。耳廓识别技术0 9 4 1 1 是近 年来发展起来的一项新的生物识别技术 8 签名识别：签名识别1 4 2 - 5 0 l 是一种行为识别技术，目前签名大多还只用于认证。签 名认证的困难在于，数据的动态变化范围大，即使是同一个人的两个签名也绝不会相同。 签名认证按照数据的获取方式可以分为两种：离线( o f - l i n e ) 认证和在线( o n - l i n e ) 认证。离线 认证是通过扫描仪获得签名的数字图像；在线认证是利用数字写字板或压敏笔来记录书写 签名的过程。离线数据容易获取，但是它没有利用笔划形成过程中的动态特性，因此较在 线签名容易被伪造 9 声纹识别技术：声纹是指通过声谱仪显示出来的、能够携带言语信息和声学特征 的各种语音声波图谱，即语声的声谱图。声谱仪上的语音声波显示出的等强曲线，同指纹 纹线极其相似，有人称之为“声纹”，也有人直接将其称为“第二指纹”。在语言学界，被 称之为语图，或称之为“可见语言”。声纹不仅貌似指纹，而且在本质上跟指纹一样，一 个人的发音器官发育成熟以后，其生理状态和解剖结构在一定时期内基本保持不变。因此 声纹在一定时期具有稳定性，而且人与人之间各有差异。于是，人们把根据声纹差异性和 相对稳定性的特点，利用听觉检验和频谱分析的方法，对已知语声样本和未知语声样本进 行分析、检测和鉴定，识别说话人的技术称之为声纹识别技术- 6 0 。 第4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图1 2 各种用于生物识别的生物特征州( a ) 是d n a ，( b ) 是指纹，( c ) 是人脸，( d ) 是手形，( e ) 是掌纹，( o 是虹膜，( g ) 是耳廓，( h ) 是签名，( o 是声纹 1 2 2 各种生物识别方法的特点 生物特征识别方法种类较多，它们各有优点也有不足之处。下面是对几种常用的识别 方法的分析，如d n a 、人脸识别、指纹识别、虹膜识别、语音识别等。 d n a ：识别精度高，在印度洋大海啸发生后，我国研究人员用该技术帮助受灾国家进 行辨认遗体。缺点是接受程度低，识别成本高。 人脸识别：基于人脸的整体特征及各器官的相互关系进行识别。优点：对于静态人脸 可使用普通摄像装置，价格便宜。用户不必与设备直接接触。缺点：易受周围环境影响， 如光照、背景等。易受欺骗，如脸部妆饰、人脸角度、表情以及头发变化。 指纹识别：通过分析指纹的全局特征( 如脊、谷等) 和局部特征( 如终点、分叉点等 特征点) 进行识别。从指纹中抽取的特征点可以用来确定人的身份。优点：指纹是人体独 一无二的特征，并且它们的复杂度足以提供用于鉴别的足够特征扫描指纹的速度很快，使 用非常方便。读取人体生物特征最可靠的方法。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。 虹膜识别：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、射线和条纹等特征的结构，据 第5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 宣称，没有任何两个虹膜是一样的优点：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。缺点：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。 声音识别：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。 优点：是一种非接触的识别技术，用户可以很自然地接受。缺点：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：容易用录在磁带上的声音来欺骗系统。随着技术的发 展，也许声音识别系统可以觉察和拒绝录制的声音。 1 2 3 各类生物识别产品 生物识别产品种类丰富，利用指纹识别技术的生物识别产品由于进入市场较早，不仅 涵盖了指纹门禁、指纹锁、指纹保险柜、指纹密码箱、指纹遥控器等物理安全产品域，而 且在信息安全产品领域的应用也逐渐扩大。如指纹u 盘( 如图1 3 所示) 、指纹移动硬盘、 指纹笔记本电脑、指纹手机、指纹键盘、指纹鼠标等。 图1 3 指纹u 盘圈 生物识别产品技术向纵深发展，指纹芯片( 指内嵌指纹识别算法的指纹识别i c ) 也 在出现在我国市场。指纹识别i c 的出现预示着“指纹模块”向集成化发展。 与指纹识别产品相比，其它识别技术的产品市场较小。虹膜识别技术的高精度使它能 够在众多识别技术中占有一席之地。目前，虹膜识别产业已经在国外获得了飞速的发展， 越来越多的厂商开始投身于虹膜识别技术的开发。美国i r i s c a n 公司研制出的虹膜识别系 第6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 统已经在美国得克萨斯州联合银行的三个营业部内试运行。储户两手空空地来办理银行业 务，无需银行卡，更不需要输入烦恼的密码他们在该取款机上取钱时，一台摄像机首先 对用户的眼睛进行扫描，然后将扫描图像转化成数字信息与数据库中的资料匹配，以鉴别 用户身份的真实性。美国另一家公司设计的。虹膜通行证”已于开始在美国北卡罗来纳州 夏洛特道格拉斯国际机场正式启用。它使用最新眼睛虹膜识别技术来管理航空公司和机场 职员进出的限制区域，不仅可以大大减轻机场的身份检验工作，还可有效保障机场和乘客 的安全国内也有多家公司致力于虹膜识别系统的研究和开发，有些公司已经推出了相关 产品，并积极进行市场推广和销售 相对与指纹识别产品，由于掌纹识别研究起步较晚，因此产品种类较少，市场占有量 也比较小。最近，富士通面向市场推出了一种新的识别方式手掌静脉识别砸n ，如图1 4 所示。对商务安全而言，以往的指纹和语音识别出错率都比较高。据富士通透露，新型的 手纹识别不能识别本人信息的概率低于0 0 1 ，被他人冒用的概率更是低于0 0 0 0 0 8 以下。 各类识别技术产品所占市场份额如图1 5 所示1 7 1 。 图1 4 应用手掌静脉识别的p c 登陆保护系统【6 1 l 图1 5 各类识别技术产品所占市场份额1 7 i 第7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 1 3 掌纹识别技术 人类对掌纹的研究起源于手相学有关手相学，世界最古的记载是在圣经，旧约中就 有这么一段记载：“每个人生下来，神便在手掌上刻划着各种纹线，作为一种印记，叫所 有的人知道他的所作所为”。在我国手相学远在周朝即己盛行( 也有的说起源于春秋时期) ， 汉代就出现了专门论著。手相学虽然是伪科学，但是也证明了掌纹很早都受到人们关注。 甚至在同时，我国已经开始利用掌纹( 古时称作掌印) 进行侦查活动，有文字可考的距今 已有二千多年。在唐代，掌印就被应用于文书契约上，到了宋代，手印己被正式作为刑事 诉讼的物证了掌纹在中国古代得到广泛应用，反映了我国人民已经根据经验，认识到掌 纹是可以代表一个人，而且是不变的，否则就不足为证了。掌纹识别是指根据人手掌上的 纹理来判断哪些掌纹图像是来自同一手掌，哪些掌纹图像是来自不同的手掌，从而达到身 份识别的目的。人的掌纹千差万别，没有任何两个手掌是完全相同的，具有唯一性。由于 掌纹具有唯一性和稳定性，而且人人拥有，因此可以用掌纹识别( 验证) 人的身份。二十 世纪九十年代，香港理工大学生物识别技术研究中心开展了基于掌纹的人体生物特征识别 的研究工作。虽然手相学的研究与用掌纹作身份识别的目的不同，但它们关注的对象都是 人的手掌。手相学虽然被称作伪科学，但是关于手相学的论著记载着人类对掌纹数千年的 观察统计结果，其中有关手掌的分区、分类、点、线、颜色等特征的描述都对掌纹识别也 会有所帮助。 1 3 1 掌纹特征定义 掌纹类似于指纹，但比指纹面积大得多，拥有更丰富的信息。如何利用这些信息，提 取其中能描述掌纹典型特征的信息，是掌纹特征提取所需要解决的问题，也是掌纹识别系 统性能好坏的关键所在。给定两幅掌纹图像，我们一眼就能看出这两幅图像是来自同一个 人还是不同的人。这说明不同的掌纹图像拥有各自不同的特征，而我们之所以能做出正确 的判断，就是根据这些特征。我们要做的就是找到这些特征并且提取出来。不同算法能够 提取不同的掌纹特征，因而也会有不同的识别效果。 掌纹最明显的特征是，几乎每个人的手掌都有三条主线：感情线、生命线和智慧线， 如图1 6 所示其次是介于主线和乳突线之间的细小褶皱，还有一些关键点。掌纹特征总 体上可以归为以下几类1 2 9 , 6 2 , 引1 ： 1 主线特征：包括掌纹主线以及其它明显的纹线。其中掌纹主线是掌纹中相对最稳定、 最具特点的信息集合之一，一般来说根据这些主线特征就能大致确定被识别者的身份。 2 褶皱：褶皱是指那些介于主线和乳突线之问的、较细小的、杂乱无章的手掌皮纹。 3 细节点：手掌上也包含很多和指纹上一样的乳突纹，和指纹识别一样，在手掌上也 第8 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 可提取这些乳突纹的细节点特征 4 三角点：三角点是乳突纹在手掌上三角区域的中心点。这些三角区域通常位于手指 根下面的区域，在靠近手腕的区域也有三角区域 5 结构特征和几何特征：例如主线的长度，位置，方向等，手掌的宽度、长度，以及 主线与主线之的结构关系等。 6 纹理特征：实际上，我们可以把整个掌纹都看作是一种纹理。然后用纹理特征分析 的方法来处理。 以上各类掌纹特征如图1 7 所示。掌纹特征一般归为三类：点、线特征，全局结构特 征和纹理特征。它们的提取对图像质量的要求不高，算法相对来说比较简单、速度快，能 满足掌纹识别系统低分辨率，实时性的要求。是当前研究的重点方向。 1 3 2 掌纹识别技术研究现状 图1 6掌纹主线示意图 目前国内外有许多科研机构展开了掌纹识别技术方面的研究，较早的有香港理工大学 生物识别技术研究中心和哈尔滨工业大学计算机学院生物信息技术研究中心的张大鹏教 授 3 , 2 9 , 2 9 ，其他具有代表性的有：美国密歇根州立大学( m i c h i g a ns t a t eu n i v e r s i t y ) 的a i cj a i n 教授1 1 2 6 2 7 ；香港科技大学的hc s h e n 教授旧】；马来西亚m u l t i m e d i a 大学的t e ec o n n i e 和a n d r e wt e o h s s ! ；清华大学的束为 6 2 1 ；北京大学的李文新1 6 6 , 7 5 等。他们在掌纹图像采集， 掌纹特征提取和分析，以及掌纹识别系统等方面做了很多开创性的工作；为掌纹识别研究 做出了很大贡献。因此，我们可以从更高的起点进入这一科研领域。 第9 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 1 3 3 掌纹识别技术应用前景 图1 7各类掌纹特征示意图 与常见的指纹、虹膜、人脸等生物特征识别技术相比，掌纹识别主要具有以下优势： 1 指纹自动鉴别技术主要是基于指纹细节特征，指纹自动验证系统的应用往往就局 限于指纹质量较好的人1 1 6 1 ； 2 掌纹的区域比指纹大得多，除细节特征具有唯一性和稳定性以外，掌纹中的各类线 特征也具有唯一性和稳定性； 3 主要特征稳定且明显，提取特征时不容易受到噪声的干扰。由于化妆等个人行为 人脸特征变化相对较大； 4 在低分辨率图像下提取的特征已足以提供身份确认所需的信息，采集设各简单易 行，且成本远低于虹膜识别的采集设备； 5 不容易因受伤或者磨损而影响到采集图像的质量9 6 可以采取非接触式采集，披窃取的可能性比指纹小得多9 7 和指纹相比，其获取方式用户接受程度高； 8 从理论上讲，掌纹比指纹具有更好的分类性能和更高的识别能力； 9 利用轮廓特征点对掌纹进行定位具有平移和旋转不变性。 ， 由于掌纹图像具有以上优势，因此是一种很有发展潜力的身份识别方法。面对飞速扩 第1 0 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 张的市场，掌纹识别具有比指纹识别更高的准确度，其设备成本又低于虹膜识别的设备成 本。因此掌纹识别产品可以迅速占领市场，获得较好的收益 1 4 全文组织结构 本文的内容按以下方式组织： 第一章是绪论，介绍掌纹识别研究背景及其市场前景。 第二章掌纹识别方法综述，归纳掌纹识别通常所用的方法，并通过分析、比较， 总结出一些算法的改进方向。 第三章掌纹预处理。根据掌纹轮廓特征，提出了具有平移和旋转不变性的掌纹定 位和感兴趣区域提取算法。 第四章利用2 d p c a 方法进行掌纹识别实验，并与p c a 算法进行识别效果对比。 第五章提出了一种基于纹理分析的特征提取算法，并通过掌纹识别实验与最新研 究成果进行对比 第六章总结了我们在掌纹定位与识别算法研究中所做的工作，展望了今后的研究 方向和目标 第1 l 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第二章掌纹识别算法综述 自从张大鹏教授提出用掌纹进行身份识别隗捌以来，由于掌纹具有其它生物特征识别 所没有的优点，掌纹同其他应用于身份识别的生物特征相比，将具有更广阔的应用前景。 因此对掌纹识别方法的研究进展迅速。 2 1 掌纹识别技术评价标准 掌纹识别同其它生物特征识别一样具有两种工作模式：身份验证嗍c 撕o n ) 和身份识 别( i d e n t i f i c a t i o n ) 。利用掌纹进行身份验证就是通过利用现场采集的掌纹图像通过特征提取 和模板数据库里的一个掌纹特征进行匹配运算，再比较验证参数与给定的阈值的大小从而 判定两个掌纹样本的关系，确认身份的过程。身份验证的前提是验证人的掌纹特征已经存 储在模板数据库里面，并且与其姓名或者其它标志联系起来。验证时，验证人输入自己在 模板数据库里面的身份特征数据的标志。通过利用模板数据库中具有该标志的掌纹特征与 利用现场采集的掌纹图像提取的掌纹特征进行匹配，从而确定验证人的身份。这个过程就 是确定：“验证人是不是他所说的那一个人”，是“一对一”的匹配。这种验证模式在现实 生活中具有广泛的应用前景。 身份识别就是利用现场采集的掌纹图像通过特征提取和模板数据库里的每一个掌纹 特征进行匹配运算，从而确认身份的过程。这个过程就是确定：“验证人是谁”的问题，是 “一对多”的匹配。这种验证模式在现实生活中也具有广泛的应用前景。 对于身份验证，由于匹配次数少，对算法速度要求不高，主要关注的是识别精度和人 们对识别系统的接受程度。而身份识别由于是“一对多”的匹配，匹配次数较多当模板 数据库较大时匹配次数更多。所以要求匹配速度比身份验证时更快。 掌纹身份验证和身份识别同其它生物特征识别评价标准一样，主要关注的是算法的验 证( 或识别) 精度。对验证( 或识别) 精度的描述主要分为以下三个方面： 错误拒绝率( f a l s e r e j e c t i o n r a t e ) f i u r ) ：把注册用户验证( 识别) 为非注册用户的 概率； 错误接受率( f a l s ea c c e p t a n c er a t e ，f a r ) - 把非注册用户验证( 识别) 为注册用户 的概率； 正确识别率( a c c u r a c y ) ：在识别率实验中正确验证( 识别) 样本数占总验证( 识 别) 样本数的百分比。 f r r , f a r 和a c c u r a c y 定义【3 - 6 】如下： 第1 2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 融= 塑n e d ( 2 1 )、， f a r = 等 a c c u r a c y = 等1 0 0 ( 2 3 ) 其中n f r 为识别过程中错误拒绝的次数，朋阴为所有注册用户的验证次数；n f a 为 错误接受次数，n l 4 为所有非法用户验证次数；n r r 为正确验证( 识别) 样本数，n t a 为 总验证( 识别) 样本数。 为了提高系统性能，我们希望f r r 和f a r 尽可能的小但是在实际上，两者是相互影 响的。对于某一个特定系统或特定算法，当减小f r r 时，f a r 就会增大。它们之间的关系 如图2 1 ( a ) 所示。该曲线又称作r o c ( r e c e i v e r o p e r a t i n g c u r v e ) 曲线。身份验证( 识别) 算 法或身份验证( 识别) 系统的性能也可以利用特征匹配相似度曲线描述，如图2 1 所示。 其中合法匹配是指来自同一手掌的样本之间的匹配非法匹配是指来自不同手掌的样本之 间的匹配。 谩接受 ( a ) 丑 鑫 擎垃特征匹配相瓴度 c b ) 图2 1 掌纹验证( 识别) 性能曲线。( 8 ) r o c 曲线；0 ，) 特征匹配相似度曲线 2 2 基于掌纹的身份识别算法 根据掌纹识别过程可知，分析掌纹识别算法其实就是分析掌纹特征提取方法和匹配方 法。而匹配方法和掌纹特征提取方法又紧密相连，因此分析掌纹识别方法主要是分析掌纹 特征提取方法。 能否有效地进行特征提取和选择，是下一步的匹配算法是否能够高效、准确的进行识 别的关键。因此在掌纹识别过程中，特征提取占据着非常关键的位置。脱机掌纹识别喇 譬瓣i 国防科学技术大学研究生院学位论文 和初期的在线掌纹识别大多用点、线等物理结构作为特征来提取。这种掌纹提取算法要求 掌纹图像具有很高的分辨率。因此算法复杂度较高，缩短识别时间有较大难度不适合掌 纹识别速度上的要求。但是对于速度要求不算高掌纹验证方面的应用，还是可以满足要求 的。 随着傅里叶变换、小波变换、主分量分析( p r i n c i p a lc o m p o n e n t a n a l y s i s ，p c a ) 和利用滤 波器对掌纹图像进行变换等方法的提出，掌纹特征提取方法得到了快速发展。其中一些提 取算法甚至可以不进行预处理，直接对原始掌纹图像提取特征，减少了计算量，提高了识 别速度。这些特征提取算法的提出不仅提高了掌纹识别的响应速度，而且增加了识别的鲁 棒性和匹配的准确性。 2 2 1 点，线等物理结构特征识别方法 点特征是指掌纹乳突纹在局部形成的奇异点、三角点及纹线，也包括纹线的起止点和 一些间接特征点。掌纹三角点利用了乳突纹稳定、不易仿造的特点，同时又优于细节特征， 因为三角点可以从掌纹方向图上获得，所以对掌纹图像质量的要求相对较低 6 2 1 ；掌纹线特 征由掌纹三大主线和脊线及皱纹线构成。掌纹线不仅具有唯一、稳定和不易仿造的特点， 而且可以在低分辨率和低质量的掌纹图像上提取掌纹线特征明显且稳定，但较难提取。 掌纹点特征和线特征均可用来进行身份识别 由于线特征多数是由点组合后形成的，因此部分线特征的检测要借助点特征的检测来 完成。所以点特征的检测不仅可以看作是以点作为模式进行特征提取的过程，也可以看作 是以线作为模式进行特征的提取过程的一部分。因此许多算法可同时用于点特征和线特征 的提取。 束为 6 2 1 等利用点特征进行掌纹识别算法研究，其方法如下：三角点则是取最接近手腕 的一个和食指、小指下各一个，共选取3 个三角点；屈肌线上的点则在第一、第三屈肌线 上各取4 个点。如图2 2 所示 匹配算法定义如下： 吩= 丢喜 式中：一是验证特征的数目，7 i 和是样本i 和，的第七个特征参数。如果验证参数勺 小于等于阈值r ，则表示两样本为同一掌纹，否则为不同掌纹。 第1 4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图2 2 利用点特征的掌纹识别，x 和y 为基准点，m 为中心，u , v 和w 为三角点。i t , b c d e ，e 舀h 为届 肌线上的点，线p q 是线x y 的中垂线【6 2 1 邬向前嗍利用提出的掌纹线提取算法，提取出了比较完整的掌纹线。利用提取出的掌 纹线进行掌纹识别取得了不错的实验效果 2 2 2 傅里叶变换识别方法 傅里叶变换广泛应用于图像处理领域，主要适用于图像增强和特征提取。傅里叶变换 是空域变换到频域的主要方法。空间域内的图像抗噪性能很差，将图像从空域变换到频域 后再进行特征提取和描述可以增强系统的鲁棒性，而且可以简化甚至免去图像预处理的步 骤，与传统的细节特征识别方法相比，大大减少了计算消耗 w e n x i nl i l 7 习利用频域内能量聚集的紧密程度来反映空间域内掌纹图像中纹理的疏密 和深浅。掌纹图像上的褶皱越深，其频谱图像上的相应信息分布就越涣散。对掌纹图像进 行傅里叶变换，根据掌纹图像在频域的特征进行掌纹识别，掌纹图像傅立叶变换如图2 3 ( c ) 和2 3 ( d ) 所示。掌纹图像进行傅里叶变换，在频域的特征主要表述为两个方面：( 1 ) 利用频 域图像在极坐标中每个同心环状区域上的能量总和描述极坐标系中沿极半径方向的能量 变化趋势，如图2 4 ( a ) 所示；( 2 涮用按角度划分的频域子区域内图像的能量总和，描述极 坐标系中沿不同角度方向的能量变化趋势如图2 4 所示。 图2 3 傅里叶变换的掌纹图像”5 】( a )