（模式识别与智能系统专业论文）婴儿脚纹身份认证与识别技术的研究.pdf

摘要 中国科学技术大学硕士学位论文 摘要 在当今信息社会，信息安全已成为世界各国广泛关注的重要问题之一。随 着通信技术和互联网技术的飞速发展，人类物理和虚拟活动空间不断扩大，社 会对于人类自身身份认证的准确性、安全性和实用性提出更高要求。由于目前 广为使用的身份证件和i c 卡、密码等传统的身份认证方法存在失密和易受攻击 的缺陷，造成重大的安全隐患和经济损失。人们开始把目光转向生物特征识别 技术( b i o m e t r i c s ) ，希望籍此来构筑更加安全可靠的信息安全系统。生物特征 识别技术是指通过计算机，利用人体所固有的生理特征或行为特征来进行个人 身份鉴定的一门技术。常用的生物特征包括脸像、虹膜、指纹、掌纹、声音、 笔迹、步态等。这些特征具有唯一性、稳定性以及与生俱来、随身携带和终生 不变的特点。 本文提出了婴幼儿脚纹识别技术，在生物特征识别领域是一个崭新的研究 方向，国内外还鲜有报道。肤纹具有明显的遗传性，婴儿的脚纹与指纹、掌纹 一样，带有人的遗传信息。脚纹在人的一生中不会有变化，是每个人所特有的。 目前，还未发现有相同脚纹的婴儿。新生儿的手掌往往比较小而且是攥紧的， 而脚纹的采集比较方便，也是妇产科医院经常使用的标记婴儿的方法。与指纹 相比，脚纹的有效面积更大，包含的信息量更多，即使低分辨率与低质量的脚 纹图像上仍可以提取出供身份鉴别的有效特征。 与指纹、掌纹及其他生物特征识别方法相比，婴儿脚纹识别是一个全新的 方向，国内外对脚纹识别的研究尚未开始，因此对婴儿脚纹图像的获取，脚纹 识别的算法、应用系统的研究具有重要的意义。本文主要致力于婴儿脚纹识别 系统的构建，各阶段核心算法的研究和实现，包括脚纹图象的采集、定位分割 技术、特征提取与匹配等。特别地，本文拟结合我们生物特征识别课题组设计 的脚纹采集硬件设备，开发一套实用的脚纹识别系统。全文的主要工作包括以 下几个方面： 1 ) 实现了脚纹图象的定位分割算法。首先准确定位原始脚纹图象中重心点 和脚后跟点，在此基础上建立脚纹坐标系，即以两个定位点的连线作为脚纹坐 标系的y 轴，经过重心的两定位点连线的垂线作为脚纹坐标系的x 轴。基于脚 纹坐标系，我们提取脚纹图象中心1 4 0 1 4 0 的子图象。后续的特征提取与匹配 摘要 中国科学技术大学硕士学位论文 工作都将基于1 4 0 1 4 0 的脚纹子图象进行。 2 ) 实现了基于距离差分的主线特征提取方法。 3 ) 实现了二维g a b o r 滤波提取脚纹主线特征的算法和h a m m i n g 距离匹配算 法，在g a b o r 频域特征空间上实现了基于奇异值分解( s v d ) 的全局特征提取与匹 配。 4 ) 提出了基于典型相关分析( c c a ) 的鉴别特征融合方法，并采用张量c c a 的方法迸一步降低了特征维数。 关键词：生物特征识别；身份认证；脚纹识别；边缘检测；g a b o r 滤波器；h a n m i n g 距离；s v d 分解；c c a ；主分量分析；二维主分量分析；最近邻分类器 a b s t r a c t 中国科学技术大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ei n f ；o r m a t i o ns e c u r i t yh a sb e c o m eo n eo ft h es i g n i f i c a n ti s s u e st h a ta r eb e i n g m u c hc o n c e r n e db ym o s to ft h ec o u n t r i e si nt h ew o r l d w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n t o fi n f o r m a t i o ns e r v i c e so v e rt h ei n t e r n e ts u c ha se l e c t r o n i cc o m m e r c e ( e c ) a n d i n f o r m a t i o nr e s o u r c em a n a g e m e n t ( i 砌田，t h e r ei sa n e v e r - g r o w i n g n e e dt o a u t h e n t i c a t ei n d i v i d u a l sa tar a p i da n de f f i c i e n tm a u n e r b i o m e t r i c s b a s e d a u t h e n t i c a t i o ni se m e r g i n ga sar e l i a b l em e t h o dt h a tc a l lo v e r c o m es o m eo ft h e l i m i t a t i o n so ft h et r a d i t i o n a la 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 i m o l c l g i e s t h e b i o m e t r i cc o m p u t i n g b a s e da p p r o a c hi si n v o l v e di ni d e n t i f y i n gap e r s o nb yh i s h e r p h y s i o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c s s u c h 鹊i r i sp a t t e r n , r e t i n a , p a l m p r i n t , f i n g e r p r i n t , h a n d g e o m e t r y , a n df a c e ，o ru s i n gs o m ea s p e c to f h i s h e rb e h a v i o r , s u c h a sv o i c e ，s i g n a t u r e ， a n dg e s t u r e ，e t c t h ei n v e s t i g a t i o no fi n f a n tf o o t p r i n t - b a s e dp e r s o n a li d e n t i f i c a t i o n , 嬲an e w m e m b e ri nt h eb i o m e t r i c sf a m i l y , i sav i r g i ns o i li nt h ed o m e s t i ca n do v e r s e a s f o o t p r i n th a sn o to n l ya no b v i o u st r a n s m i s s i b i l i t yb u ta l s og e n e t i ci n f o r m a t i o n s i m i l a rt o f i n g e r p r i n ta n dp a l m p r i n tw h i c hi ss h o w nt ob ei n v a r i a b l ea n du n i q u e t h e r ea r eg e n e r a l l ym a n yu n i q u ef e a t u r e si naf o o t p r i n ti m a g e ，i n c l u d i n gp r i n c i p a l l i n e s ，w r i n k l e s ，r i d g e s ，m i n u t i a ep o i n t s ，s i n g u l a rp o i n t sa n dt e x t u r e c o m p a r e dw i t h o t h e rb i o m e t r i c st c c h n o l o g i e ss u c ha sf m g e r p r i n t ，f o o t p r i n ta u t h e n t i c a t i o nh a si t s u n i q u ea d v a n t a g e s s u c h 鹪l o wr e s o l u t i o n , l o wc o s t , h i g he f f e c t u a la r e a , h i g hu s e r a c c e p t a b i l i t ya n ds t a b l es t r u c t u r a lf e a t u r e s ，e r e t h es t u d yo ff o o t p r i n tr e c o g n i t i o nh a sb a r e l yh i s t o r yc o m p a r e dw i t hf m g e r p r i n t a n df a c er e c o g n i t i o n l i m i t e dw o r k sh a v eb e e nr e p o r t e do nf o o t p r i n tr e c o g n i t i o n t e c h n i q u ed e s p i t et h ei m p o r t a n c eo ff o o t p r i n tf e a t u r e s ，w h i c hs t i l lh a sm a n yi s s u e s d e s e r v i n gf u r t h e ri n v e s t i g a t i o n t h i st h e s i si sf o c u s e do nc o n s t r u c t i n gt h ei n f a n t f o o t p r i mi d e n t i f i c a t i o ns y s t e ma n dt h ek e ya l g o r i t h m si nf o o t p r i mr e c o g n i t i o n , a n d d e v e l o p i n ga na p p l i e df o o t p r i n tr e c o g n i t i o ns y s t e m f o rc i v i la n dc o m m e r c i a l a p p l i c a t i o n s t h em a i nw o r k s i nt h i st h e s i sc a nb es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 t h el o c a t i o na n ds e g m e n t a t i o nm e t h o dw a si m p l e m e n t e df o rf o o t p r i n ti m a g e p r e p r o c e s s i n g f i r s t l y , b a r y c e n t e rp o i ma n d h e e lp o i n t sf o rl o c a t i o na r ed e t e c t e d m a b s t r a c t 中国科学技术大学硕k - 学位论文 s e c o n d l y , t h et w op o i n t sa r el i n e du pt og e tt h ey - a x i so ft h ef o o t p r i mc o o r d i n a t e s y s t e m ，a n dal i n ep 硒s i n gt h r o u g ht h eb a r y c e n t e rt h a ti sp e r p e n d i c u l a rt ot h e y - a x i s ，i sc h o s e nt ob ex a x i ss oa st od e t e r m i n et h eo r i g i no ft h ec o o r d i n a t e s y s t e m l a s t l y , as u b - i m a g eo faf i x e ds i z eb a s e do nt h ec o o r d i n a t es y s t e mi s e x t r a c t e d w h i c hi sl o c a t e da tac e r t a i na r e ao ft h ef o o t p r i n ti m a g ef o rf e a t u r e e x t r a c t i o n 2 t h e p r i n c i p a l l i n e se x t r a c t i o nm e t h o db a s e do nd i s t a n c e d i f f e r e n c ei s i m p l e m e n t e do nf o o t p r i n ti m a g e si no r d e rt oe n h a n c ea n de x t r a c tp r i n c i p a ll i n e f e a t u r e s 3 t h e2 dg a b o rf i l t e rf o rf o o t p r i n tp r i n c i p a ll i n e se x t r a c t i o na n dt h en o r m a l i z e d h a m m i n gd i s t a n c ef o rf o o t p r i mm a t c h i n ga r ei m p l e m e n t e d i na d d i t i o n , w ea l s o c o m p a r e dt h er e c o g n i t i o np e r f o r m a n c eu n d e re i g h td i f f e r e n tm a t c h i n gs c h e m e s 4 an o v e lf e a t u r ef u s i o nm e t h o dw 0 sp r o p o s e db a s e do nc a n o n i c a lc o r r e l a t i o n a n a l y s i s ( c c a ) a n dt e n s o rc c a ，w h i c hh a sb e e ns u c c e s s f u l l ya p p l i e dt of o o t p r i n t r e c o g n i t i o n b a s e do nt h ef o o t p r i n td a m b a s eb u i l tb yo u r s e l v e s ，t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t sd e m o n s t r a t et h a to u r a p p r o a c hi se f f i c i e mi nt e r m so fb o t ha c c u r a c ya n d s p e e d k e y w o r d s ：b i o m e t r i c s ；p e r s o n a li d e n t i f i c a t i o n ；f o o t p r i n tr e c o g n i t i o n ；g a b o rf i l t e r ； h a m m i n gd i s t a n c e ；p r i n c i p a lc o m p o n e n ta n a l y s i s ；t w o d i m e n s i o n a lp c a ；s v d ； c c a ；n e a r e s t - n e i g h b o rc l a s s i f i e r 插图目录 中国科学技术大学硕上学位论文 图 图 图 图 图 插图目录 2 1 四种脚纹型态：( a ) 斗型纹( b ) 正箕纹( c ) 反箕纹( d ) 弧形纹7 2 2 脱机脚纹图象实例。8 2 3 脚纹图像采集仪示意图8 2 4 脚纹数据库建立流程图9 2 5i n f a n tf o o t p r i n td a t a b a s e 中的脚纹图象1 0 2 6l ，2 ，3 分别表示第一，第二和第三屈肌线l l 3 1 左图为原始彩色图像。右图为对应的灰度图像2 1 3 2 左图为中值滤波前的脚纹图象，右图为中值滤波后的脚纹图象2 1 3 3 采用固定阈值分割所得到的二值图象2 2 3 4 固定阈值分割后检测到的重心与脚后跟位置2 3 3 5 左图为对脚后跟边缘区域进行取样，右图为曲线拟合后的结果2 3 3 6 根据重新检测的重心和脚后跟位置建立参考坐标系2 4 3 7 提取脚纹的r o i 区域2 4 3 8 数据库中的一些脚纹子图像示例2 5 4 1 左图为原始灰度图像，右图为采用c a n n y 算子进行轮廓提取后的图像3 2 4 2 四幅脚纹的原始灰度图像3 2 4 3 差分模板方向为0 度的二值图3 3 4 4 差分模板方向为4 5 度的二值图。3 3 4 5 差分模板方向为9 0 度的二值图3 3 4 6 差分模板方向为1 3 5 度的二值图3 3 4 7 四个方向的二值图合并后的图像3 3 4 8 对二值图进行窗口去噪得到的结果3 4 4 9 对二值图进行形态学去噪得到的结果3 4 4 1 0 真实匹配度和虚假匹配度的分布3 7 4 1 1f a r 和f r r 曲线图3 7 5 1 去噪窗口( n = 8 ) 4 3 5 2 ( a ) 一( d ) 为初始二值图，( e ) 一( f ) 为去除噪声块后的结果4 4 5 3 脚纹子图像4 4 5 4 在8 个方向上应用2 dg a b o r 滤波的结果：( a ) 疗8 ( b ) 万4 ( c ) 3 石8 ( d ) 石2 ( e ) 5 万8 ( f ) 3 丌4 ( g ) 7 万8 ( h ) 石4 5 5 5 经g a b o r 滤波后的最终二值图4 5 5 6 真实匹配度和虚假匹配度的分布情况4 6 5 7 应用g a b o r 滤波后f a r 和f r r 曲线图4 6 5 8 三种提取主线方法下真实匹配度和虚假匹配度的分布比较4 7 5 9 三种提取主线方法下f a r 和f r r 曲线图比较4 7 v i u 图图图图图图图图图圈图图图图图图图图图图图图图图图图图图图 表格目录中国科学技术大学硕士学位论文 表格目录 表4 1 窗口去噪后的识别结果3 8 表4 2 形态学去噪后的识别结果3 8 表5 1s v d 降维后，采用不同的训练集数目得到的识别结果5 0 表5 2 采用$ v d 降维，选取不同的p ，q 值得到的识别结果5 0 表6 1 应用c c a 进行特征融合后的识别率( ，= 缸+ v ) 2 ) 5 9 表6 2 应用c c 进行特征融合后的识别率( 厂= 卧v 】) 5 9 表6 3 应用c c a 进行特征融合后采用不同的训练样本与测试样本数目得到的识别率 5 9 表6 4 应用t e n s o rc c a 进行特征融合后的识别率( ，= 颤- i v ) 2 ) 6 0 表6 5 应用t e n s o rc c a 进行特征融合后的识别率( 厂= 匦v 】) 6 1 i x 第一章绪论 中国科学技术大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 脚纹身份自动认证技术的背景与意义 信息技术的飞速发展推动了社会的进步，反过来现代社会对信息技术又提 出了更新、更高的要求。在当今社会，信息安全已成为世界各国广泛关注的重 要问题之一。随着通信技术和互联网技术的飞速发展，人类物理和虚拟活动空 间不断扩大，身份认证是人们加强信息和系统安全性的基本方法之一。社会对 于人类自身身份认证的准确性、安全性和实用性提出越来越高的要求。 传统的身份认证方式是基于用户所拥有的物品( 称为标识物如钥匙、证件 等) 或用户所拥有的某种知识( 如密码、卡号等) 进行认证。显然，这些传统 的身份认证方法具有不方便、不安全、不可靠等缺陷。标识物携带不方便，容 易丢失和伪造：而密码等知识可能被遗忘，同时当前有很多的黑客技术可以窃 取密码、帐号等用户信息，极大地影响了整个系统的安全性能。传统身份识别 系统具有这些缺陷的原因在于这些系统均是对钥匙、卡、密码等“身外之物” 进行认证，而不是对人的本身进行认证，所以不能区分经过授权的本人和通过 欺诈得到授权标识或知识的冒充者。要克服这些缺陷，必须寻求一种能对人本 身进行认证的身份识别技术。 生物特征识别技术是指通过计算机，利用人体所固有的生理特征或行为特 征来进行个人身份鉴定的- - i - j 技术。常用的生物特征包括脸像、虹膜、指纹、 掌纹、声音、笔迹、步态等。这些特征具有唯一性、稳定性以及与生俱来、随 身携带和终生不变的特点。 基于生物特征识别的身份认证系统是一种新的高新技术产品。其具有安全 性能和防伪性能好、随身“携带”、不会“遗忘”、应用领域广等特点，以指 纹识别为代表的生物特征识别技术已经开始在安防、金融、教育、医疗、社保、 军事等领域得到广泛的应用。 因此，加强生物特征识别技术的研究与应用具有巨大的社会价值和广阔的 市场前景。研究与开发以生物特征识别技术为核心的安全技术必将为中国的信 息化建设添砖加瓦，同时也能给人们的生活带来极大的方便。 在生物特征识别技术的研究过程中，内地的一些大学与研究机构也做出了 卓越的工作，例如中科院北京自动化所在指纹识别、虹膜识别、步态识别、人 第一章绪论 中国科学技术大学硕士学位论文 脸识别等方面，清华大学在人脸识别、多模态识别等方面达到了国际一流水平， 并已经实现了产业化。 在各种生物特征识别技术中，目前最受重视的是指纹识别、人脸识别与虹 膜识别，国际国内的研究已经积累了相当多有效的算法，相对来说这几种识别 技术已经比较成熟。 近几年来，掌纹识别技术也逐步地进入公众的视线。掌纹和指纹一样，具 有稳定而丰富的线型、纹理等特征，而且这些特征对个人来说也具有唯一性。 与指纹相比，掌纹的区域面积较大，包含的信息量更多，即使在掌纹区域不完 整或低分辨率和低质量的掌纹图像上仍可以提取出可供身份鉴别的特征。 受掌纹自动识别技术的启发，经过广泛的调研与数据库查新，我们发现在 生物识别领域，脚纹识别技术在国内外的研究中鲜有报道。在每个医院的妇产 科，由于担心婴幼儿的混淆，婴幼儿出生时总要按捺脚纹以用来作为真实身份 的证据。传统的方法是把婴幼儿的脚上沾上墨水然后把脚纹印在纸上，这种方 法的几个缺点是：1 ) 获得的脚纹质量差：2 ) 不便于检索；3 ) 不适用于电子病 历系统：4 ) 难以形成大规模的数据库。信息化时代，传统的婴幼儿脚纹采集与 识别方法已经不能适应社会发展的需求，基于数字图像的采集与识别系统已成 为新的选择。另一方面，在中国儿童走失以及拐卖儿童等现象仍然屡见不鲜， 在寻找失散儿童时，如何快速有效的鉴定儿童身份也是公安部门所面i 临的难题。 由于婴幼儿在出生时注册了脚纹，而且由于脚纹结构的稳定性，即使婴幼儿成 长为儿童，其脚纹的形态也不会发生大的改变，那么以脚纹特征来识别身份是 一个行之有效而且费用低廉的方法。 脚纹是脚掌上出现的纹理。脚纹图像中的主要特征可分为主线、褶皱线、 乳突纹、点特征等4 大类。在低分辨率图像中，一般把主线、褶皱以及主线和 褶皱组成的纹理作为主要的特征。对脚纹的遗传学研究表明：脚纹的形态形成 是一种多基因遗传，这种遗传没有显形效应，受环境影响小，一旦脚纹形成后， 便会十分稳定。每个人的脚纹形态均不相同，其纹线数目、方向、长短等均不 一致。因此脚纹可以用于分类分析。 脚纹与指纹、人脸、手形等其它生物测定学特征相比具有以下优点：1 ) 对 于新生婴儿手掌往往是攥紧的，指纹、掌纹等信息不易采集，而且采集的有效 区域很小。而脚纹上具有丰富的线形、纹理特征：2 ) 利用基线和重心对掌纹进 行定位具有旋转不变性和唯一性；3 ) 脚纹的区域比指纹大的多，可以比较容易 的提取到多种特征；4 ) 脚纹的主要特征集中于主线和褶皱线，可以在较低分辨 2 第一章绪论 中国科学技术大学硕士学位论文 率图像中提取特征，提高脚纹识别系统的抗噪能力；5 ) 对脚纹图像的分辨率可 降低要求，因此比指纹更易采集，成本也比较低：6 ) 脚纹的特征比指纹丰富， 可以利用多种途径多种特征进行分类识别；6 ) 脚纹可以和手形、掌纹等结合起 来，形成多模态的应用系统，大幅度提高系统的识别率；7 ) 脚纹识别并不会让 人联想到隐私权的侵害，用户的接受程度高。 因此，基于婴儿脚纹的身份鉴别方法，既能满足个人身份鉴别系统的技术 指标，又可以与其它识别方法形成多模态识别系统，可以推广应用。 1 2 脚纹身份自动认证技术的研究历史与现状 与指纹和人脸识别相比，脚纹识别的研究才刚刚开始，但近几年来，基于 掌纹的身份鉴别方法已受到国内外有关研究与应用部门的广泛关注，并已经开 展了很多的研究工作。脚纹图像与掌纹相比有很大的相似性，因此有很多基于 掌纹的研究方法都可以借鉴。 m a t s u m o t o 和k a t s u h e i 在1 9 8 5 年发表的论文 1 中首次介绍了利用掌纹识 别进行身份鉴别，主要用在预防计算机有关的犯罪，即防止非法的拷贝软件、 非法使用数据库等，但该论文只做了初步的研究。s h i o n o ，i s h i k a w a 和s h i m a d a 在1 9 9 1 年发表的论文 2 中介绍了他们用手掌和掌纹进行身份认证的试验结果。 他们试制了一种结合手形和掌纹的识别方法，并在5 0 个人的小群体中测试，拒 绝非授权人进入率为9 9 8 。 自上个世纪9 0 年代末期，张大鹏教授领导的香港理工大学生物特征识别研 究中心介入掌纹识别研究领域以来，该领域的发展极为迅速。他们在掌纹识别 的算法、应用系统等研究上获得了一系列的研究成果，有关的技术已达到了实 用水平。掌纹识别的关键问题在于掌纹特征的提取，很多经典的特征提取方法 都已经应用到掌纹识别领域，并且取得了较好的效果，如线特征( l i n ef e a t u r e s ) 3 、傅立叶变换( f o u r i e rt r a n s f o r m ) 4 、特征掌纹( e i g e n p a l m ) 5 、纹 理能量( t e x t u r ee n e r g y ) 6 、小波变换( w a v e l e t ) 7 、g a b o r 相位编码( g a b o r p h a s ec o d e ) 8 3 、融合编码( f u s i o nc o d e ) 9 、竞争编码( c o m p e t i t i r ec o d e ) 1 0 ，以及序数测度( o r d i n a lm e a s u r e ) 1 1 等等。早期以脱机掌纹分析为主： 主要是基于点和线特征的匹配。近几年来以在线掌纹图像为主：主要是基于纹 理和代数特征。 第一章绪论中国科学技术大学硕士学位论文 1 3 本文的主要研究内容 本文致力于脚纹识别各阶段核心算法的研究和实现，包括脚纹图象的预处 理、定位分割技术、特征提取与匹配等。拟结合课题组设计的脚纹采集硬件设 备，开发一套实用的脚纹识别算法。论文由五部分组成，具体内容如下： 第一章绪论。本章主要介绍了脚纹身份自动认证技术的背景、意义、研究 历史与现状。 第二章脚纹身份认证的基础知识。本章介绍了掌纹的一些基本知识，包括 脚纹图像采集设备的原理、脚纹图象的采集、脚纹图象的分类、脚纹图象库、 脚纹的构成等等。 第三章脚纹的定位分割技术。本章详细介绍了脚纹识别中脚纹r o i 区域的 定位分割技术，及其算法实现。 第四章基于距离差分的主线特征提取及位移加旋转的滑动匹配在脚纹识 别中的应用。 第五章基于g a b o r 滤波的脚纹识别。本章主要介绍了二维g a b o r 滤波的基 本思想、算法实现，及其在脚纹识别中的应用与实验比较分析。 第六章基于典型相关分析的特征融合方法在脚纹识别中的应用。本章主要 提出了一种新的基于c c a 和张量c c a 的特征融合方法及算法步骤，以及其在脚 纹识别中的应用与实验比较分析。 参考文献 【1 】m a t s u m o t ok p a l m r e c o g n i t i o ns y s t e m s ：a ni d e a lm c a , mo fr e s u i c t i n ga c c e s st oh i g l is e c u r i t y a r o a s m i 协u b i s h ie l e c t r i ca d v a n c e 1 9 8 5 1 3l ：3 1 - 3 2 2 】 s h o n om ，h i s h i k a w aa n dh s h i m a d a a ne x p e r i m e n to l lp e r s o n a li d e n t i f i c a t i o nf o rg a t a s e c u r i t yu s i n gh a n ds h a p ea n dp a l m - p r i n t t r a n s a c t i o no ft h e i n s t i t u t eo fe l e c 仃o n i c s i n f o r m a t i o n a n d c o m m u n i c a t i 0 1 1 e n g i n e e r i n g d 1 1 1 9 9 1 6 ：6 8 8 - 6 9 7 【3 】d z h a n ga n d1 j 1 7 s h u , t w on o v e lc h a r a c t e r i s t i c s i n p a l m p d n tv e f i f i c a t l o n ：d a t l l i i lp o m t i n v a r i a n c ea n dl i n ef e a t u r em a m h 蟛，p a t t e r nr e c o g n i t i o n , v 0 1 3 2 ，n o 4 ，p p 6 9 1 - 7 0 2 ，1 9 9 9 【4 】wl i d z h a n 岛a n dz x u , “p a l m p r i mi d e n t i f i c a t i o nb yf o u r i e rt r a n s f o r m ，i n t e r n a t i o n a l j o u r n a lo f p a t c e m r e c o g n k i o n a n d a r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c e ，v 0 1 1 6 ，n o 4 ，p p 4 1 7 - 4 3 2 ，2 0 0 2 5 】 gl u d z h a n ga n dk w a n g , p a l m p r i n tr e c o g n i t i o nu s i n ge i g e n p a l m sf e a t u r e s ”，p a r c r n r e c o g n i t i o nl e t t e r s ，v 0 1 2 4 ，i s s u e s9 - 1 0 ，p p 1 4 6 3 - 1 4 6 7 ，2 0 0 3 【6 】j y o u , w k k o n g , d z h a n ga n dk c h e u n g , “o nh i e r a r c h i c a lp a l m p r i n tc o d i n gw i t h 4 蔓= 童堑堡 主里型兰垫查盔堂堡主堂竺丝苎 m u l t i - f e a t u r e sf o rp e r s o n a li d e n t i f i c 鲥o ni ni = a i r g ed a t a b a s e s 。i e e et r a n s a c t i o n so l lc i r c u i t s y s t e m sf o rv i d e ot e c h n o l o g y , v 0 1 1 4 ，2 ，p p 2 3 4 2 4 3 ，2 0 0 4 【7 】l e iz h a n ga n dd a v i dz h a n g , “c h a r a c t e r i z a t i o n o fp a l m p r i n t sb yw a v e l e ts i g n a t u r e sv i a d i r e c t i o n a lc o n t e x tm o d e l i n g i e e et r a n s o ns m c b ，v 0 1 3 4 ，n o 3 ，p p 1 3 3 5 - 1 3 4 7 ，j u n e 2 0 0 4 【8 】d z h a n g , wk o n g , j y o u , a n dm w o n g , “o n - l i n ep a l m p r i n ti d e n t i f i c a t i o n ，i e e et r e n s o r p a m i ，v 0 1 2 5 ，1 1 0 9 ，p p 1 0 4 1 - 1 0 5 0 ，2 0 0 3 【9 】 w k k o n ga n dd z h e n g , f e n t u r e - l e v e lf u s i o nf o r e f f e c t i v ep a l m p r i n ta u t h e n t i c a t i o n ，p r o c o f t h e1 s ti c b a l n c s3 0 7 2 ，p p 7 6 1 - 7 6 7 ，2 0 0 4 【1 0 】w , k k o n ga n dd z h a n g , c o m p e t i t i v ec o d i n gs c h e m ef o rp a l m p r i n tv e r i f i c a t i o n ，p r o c - o f t h e 1 7 t hi c p i lv 0 1 1 。p p 5 2 0 5 2 3 ，2 0 0 4 【l1 】z h e n a ns u n , t i e n i ut a n , y u n h o n gw a n ga n ds t a r tz u “o r d i n a lp a l m p r i n tr e p r e s e n t a t i o n 衙 p e r s o n a li d e n t i f i c a t i o n ，i np r o c e e d i n g so fi e e ei n t d n a t i o n a lc o n f e r e n c eo l lc o m p u t e rv t s i o n a n dp a t t e r nr 髓o l 乒姑o ns a nd i e g o ，c i u n e2 0 - 2 62 0 0 5 第二章脚纹身份认证的基础知识 中国科学技术大学硕士学位论文 第二章脚纹身份认证的基础知识 2 1 脚纹研究的历史 皮纹是指人体某些特定部位如指( 趾) 、手掌和脚掌等皮肤上出现的凹凸纹 理图形。它是一种多基因遗传性状，在遗传因素和环境因素的共同作用下，每 个个体都具有本身特有的皮纹，即使是单卵双生儿，指、掌纹的详细图形也不 完全相同，各个体的皮纹既有特异性，又有高度的稳定性。皮纹在胚胎发育早 期第1 2 周第1 7 周形成，此后终生不变。因此，我国古今都曾用手印作为身 份凭证。目前公安机关经常利用作案者遗留下来的皮纹印迹作为追查破案的线 索。值得注意的是，某些遗传病特别是染色体病和皮纹的特征有相关性，因此 皮纹分析已成为一种有价值的染色体病的辅助诊断手段。常用于分析的皮纹包 括指纹和掌纹、指褶纹和掌褶纹、脚掌纹。 医学上的足掌纹主要是拇趾球区的皮纹，具有临床意义。正常人球区约0 5 为胫侧弓形纹，先天愚型患者可高达7 2 ，具有较大临床诊断意义。 上海第二医科大学张海国副教授是中国遗传学会肤纹研究专家，他的研究 成果我民族肤纹可分为南方、混合、北方三大群在世界科学界引起广泛重 视。张教授这样解释肤纹：肤纹是一种皮嵴，即表层皮肤的凸起，凸起的边上 还有凹陷的沟，嵴和沟组成的花纹才是肤纹学的内容。它包括指、掌、脚纹， 而手相则往往是看手上几个大的纹路，它实际上是手掌表皮与内部结缔组织的 一层深筋膜相连而形成的一条皱褶，又称屈褶纹。 肤纹具有明显的遗传性，科学研究发现，指纹有5 0 的遗传信息，掌纹和 脚纹各有2 5 的遗传信息，双胞胎指纹相似程度高达9 5 。国际上，在刑事侦 查的一些特殊的案例中，警方人员就是利用脚掌纹的信息来进行侦破的。在遗 传学病理分析中，皮纹检测可以预知先天特质( 智力，体力等) 。人类的脚掌， 除了是行走的工具外，在神经系统上，还具有许多特殊的功能。譬如吴神父的 脚底按摩，结合中医的穴道与经络，能治疗人体上的疾病。除此之外，脚掌的 纹路还透露了许多人类先天的特质，而皮纹检测就是在探讨这种因果关系。 现有的统计数据显示，脚纹与人类的体力有关，有些人先天体力就好，常 常精神奕奕，即便疲劳，只需稍作休息，就可以立即恢复体力。而有些人却是 精神不佳，必须长休息。对于教育者而言，若是能事先得知受教育者的先天体 6 第二章脚纹身份认证的基础知识 中国科学技术大学硕士学位论文 质，那么就可以提供适当的教育方式，对于受教育者而言，也受到合适的教养 方式。 人类的脚纹，大概分为六种类型：斗型纹、正箕纹、反箕纹、弧形纹、日 落纹及多鱼际纹，图2 1 列出四个典型的型态： 图2 1 四种脚纹型态：( a ) 斗型纹( b ) 正箕纹( c ) 反箕纹( d ) 弧形纹 至于脚掌上也会有鱼际的出现，代表有腺体上的干扰，鱼际越多，干扰越严重。 目前许多关于脚纹的研究尚在进行，例如与指纹的交叉比对，与疾病的遗传等 等，待更多的研究报告出来后，会提供更丰富的信息与判读。肤纹研究在体育 界也令人刮目。一些国家把小运动员的肤纹特征经计算机运算处理，即可得知 该运动员有否具有培养前途。 2 1 脚纹图象的采集设备 以往产科医院为了对新生儿进行标识而采用的脚纹图象主要是脱机脚纹图 象。脱机脚纹图象是指在脚掌上涂上油墨，在白纸上按印，然后通过扫描仪扫 描得到的数字化图象，如图2 2 所示。脱机脚纹的采集方式有很多缺点，如油墨 按印的采集方式不易被接受，图象质量易受用力程度及纸张质量的影响，中央 部分的信息易丢失等。 7 第二章脚纹身份认证的摹础知识 中国科学技术大学硕二t 学位论文 图2 2 脱机脚纹图象实例 为了适应妇产科医院婴幼儿脚纹采集的需要，在导师及博士生师兄的构思 设计基础上，我们自主设计并制作了一套脚纹采集系统，示意如图2 3 所示。它 的主要包括数字照相机、距离调节器、光线过滤器、玻璃挡板、灯泡、开关等。 将照相机嵌入在距离调节器之上，其四周置有光线过滤器，材质为毛玻璃， 目的是过滤出散射的柔和光线，光线过滤器的四周置有四个提供光源的灯泡， 开关用于控制四个灯泡的亮灭，照相机的正上方置有放置婴儿脚掌的透明玻璃 挡板。照相机通过u s b 接口接入计算机，产生实时影象，使用专用的配套软件 可以抓取实时图像。 图2 3 脚