（物理电子学专业论文）指纹识别技术研究与网络应用.pdf

摘要 摘要 指纹识别是生物识别领域中的一个重要分支，既是一门目前被广泛应用的实 用技术，也是一个不断面临挑战的研究课题。评价一套指纹识别系统的性能需以 它的整体性能( 工作速度、系统可靠性和系统安全性) 为基础，而指纹识别算法 在很大程度上决定了指纹识别系统的整体性能，因此有必要对指纹识别技术进行 深入的探索研究。 本文以指纹识别系统的构成为起点，对目前国内外的指纹识别系统的实现及 其基本原理进行了深入研究，结合常用的指纹识别算法，并对个别算法进行了优 化改进，探索出一套较为实用的指纹识别实现方法。并在此基础上，针对网络信 息安全需要，结合密码学技术对指纹识别系统在网络的应用提出了一套通用的解 决方案。 关键词：指纹识别图像增强图像分割方向场系统评估网络信息安全 a b s t r a c t a b s t r a c t f i n g e r p r i n tr e c o g n i t i o n ，a ni m p o r t a n c eb r a n c ho fb i o l o g yr e c o g n i t i o n ，i sn o to n l y aw i d e l yu s e f u l t e c h n o l o g y , b u ta l s o as t u d y s u b j e c t w i t hv a s tc h m l e n g e t h e p e r f o r m a n c e e v a l u a t i o nf o raf i n g e r p r i n tr e c o g n i t i o ns y s t e mb a s eo nt h es y s t e m l s i n t e g e rp e r f o r m a n c ei n c l u d i n gw o r kv e l o c i t y , r e l i a b i l i t ya n ds e c u r i t y t h es e a r c ho f 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 y i st h e o n l yw a y , b e c a u s eas y s t e m si n t e g e r p e r f o r m a n c ed e t e r m i n eo nf 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 i nal a r g es c o p e t h ee x p l o r a t o r yw o r k e ds t a r tf r o mi n s c a p eo faf i n g e r p r i n tr e c o g n i t i o ns y s t e ma n d s t u d yt h eu l t i m a t et h e o r yf r o mal o to ff i n g e r p r i n tr e c o g n i t i o ns y s t e m a na c t i v e m e t h o dw a sp r e s e n t e db yt h ew a yo fc o n s u l t i n gf 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 mi n c o m m o nu s ea n di m p r o v i n go ni n t e g r a n ta l g o r i t h m i nt h ec a s e ，as o l u t i o nw a s p r o v i d e df u rf i n g e r p r i n ta p p l i c a t i o no un e t w o r kw i t ht h ed e m a n do fi n f o r m a t i o ns a f e t y k e y w o r d s ：f i n g e r p r i n tr e c o g n i t i o ni m a g ee n h a n c e m e n t i m a g ep a r t i t i o n d i r e c t i o nf i e l d s y s t e me v a l u a t i o n n e t w o r ki n f o r m a t i o ns a f e t y 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果a 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或其 它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 任何贡献均已在沧文中做了明确的说盟并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名 益豳辱日期杰受：堑! 墨 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生 在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕业 离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。学 校有权保留送交沦文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布沦文的全部 或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文在 解密后遵守此规定) 本学位论文属于，在年解密后适用本授权书。 本人签名：蛆垂 日期丛堕：查! 导师签名 龇杰日期型塑：玺：! ! ! 第一章绪论 第一章绪论 本章对指纹识别技术及应用系统的研究背景、意义及国内外发展动态进行了 概述。提出了本文的研究对象、范围和研究方向，并在此基础上介绍了本文开展 的工作内容。 1 1 引言 人们使用指纹进行个人身份鉴定已经有很长的历史。据考古学家证实，在公元 前5 0 0 0 6 0 0 0 ，指纹作为身份鉴别工具已经在古叙利亚和中国开始应用，在出土 的那个年代的瓷器上留有瓷器匠人的指纹，中国的一些古代文件上印有起草者的 大拇指指纹“】。早在公元6 5 0 年，唐代作家贾公秀在其作品中就着重提到了指纹是 确认个人身份的方法。 我国将指纹应用于民问契约及断案有悠久的历史，但是由于缺乏专门性研究， 未能将指纹识别技术上升为一门科学。现代指纹识别起源于1 9 世纪初0 1 ，科学研究 发现指纹具有两个重要特性：一是两个不同手指的指纹纹脊样式不同( 唯一性) ， 另一个是指纹纹脊的样式终身不变( 不变性) 嘲。在1 8 9 6 年，阿根廷首次在犯罪事 件应用指纹进行鉴别，此后，这一技术相继在其他国家得到应用啪。随着计算机的 出现和发展，从2 0 世纪6 0 年代起，许多国家都开展了自动指纹识别系统( a f i s ) 的研究和应用m 我国在2 0 世纪8 0 年代初对指纹识别展开研究嘲，随着越来越多的电子设备进入 人们日常生活以及互联网的兴起，计算机、a t m 、门禁控制、各种智能卡对个人安 全，方便的身份识别技术要求越来越高，人们迫切需要有准确、安全、方便的识 别技术，而指纹识别由于具有唯一性、稳定性使得其在安全领域得到了广泛的应 用。 1 2 指纹识别的行业背景 在人类社会活动中需要验证个人身份时，传统的方法是验证该人是否持有有效 的证明文件或信物，如密码或钥匙、磁卡、i c 卡等。从本质上来说，这种方法验 证的是该人持有的“物”，而非验证本人。只要“物”的有效性得到确认，则持 有该“物”的人的身份也就随之得到确认。这种以“物”认人的办法的漏洞是显 而易见的。首先：合法的人如果遗失验证其身份的“物”( 如密码、钥匙等) ， 2 指纹识别技术研究与网络应用 则合法的人本身得不到合法的验证。其次：各种伪造证件、信物以及密码被破译 或盗用又使非法的人得到合法的验证。因此人们开始寻找一种认人不认物的直接 验证方法，即所谓的“生物特征身份鉴别技术”嘲。 生物识别是指通过自动化技术利用人的生理特征进行身份鉴定。目前利用生理 特征进行生物识别主要有：指纹识别、虹膜识别、手掌识别、视网膜识别和脸像 识别等；利用行业特征进行识别的主要有：声音、笔迹和击键识别，除了这些比 较成熟的识别技术之外，还有许多新兴的技术，如耳朵识别、气味识别、血管识 别、步态识别、d n a 识别或基因型识别等。 随着货币电子化、交易的电子化，传统身份识别漏洞带来损失的金额也是指数 增长，成为社会信息化发展的重要瓶颈。因此生物识别技术的研究，几十年来一 直为各国所关注，西方强国相继投入大量的资金和人力加快此项技术的研究与应 用。 1 9 9 8 年底，江泽民主席对日本国进行国事访问期间，专程参观了日本国研制的 生物识别技术成果，这表明生物识别技术具有非凡的国家意义。 2 0 0 1 年2 月，麻省理工学院技术评论曾列出被认为在未来五年将对人类社 会带来革命性影响的十大技术。其中一项就是生物识别技术。 评价一个生物识别系统的性能主要从下列几个方面进行评价： 易使用性：是否可以被用户简单而方便地使用； 非侵袭性：对使用者是否具有非侵袭性； 安全性：包括识别的精确性和系统防止攻击的能力； 反应性：包括对系统资源的要求，数据获取和分析的速度； 费用：软硬件的购买，维护等的费用投入。 各种识别技术均有其优劣之处，没有一个单一生物识别系统可以达到百分之百 的完美。在识别的精确性方面，虹膜识别是各种识别技术中错误率最低的。其次 是视网膜和指纹识别；在费用方面，以击键最低，其次是声音和笔迹识别。 在各种生物识别方案中，指纹以其人各不同，指指相异、终生基本不变、技术 实现成本低而成为生物识别技术中最成熟也是最“传统”的技术，其应用也最为 广泛，是生物识别技术的发展的未来，指纹在相对性和稳定性方面均非常符合生 物识别系统的要求。指纹识别已经有了很长一段历史，目前，全球范围内都建立 了指纹鉴定机构以及罪犯指纹数据库，指纹鉴定已经被官方所接受，成为司法部 门鉴定身份的有效手段。 1 3 指纹识别的发展现状及应用 指纹识别技术虽然已日渐成熟，图像处理及模式识别界曾一度认为a f i s 技术已 第一章绪论 3 经得到很好的解决，但实际上，作为指纹识别的核心技术仍然存在许多尚未解决 的难题，尤其是对残缺、污损指纹图象识别的鲁棒性、适应性方面不能令人满意。 指纹识别系统将随着更小更廉价的指纹输入设备的出现、计算能力更强更廉价的 硬件以及互联网的广泛应用而进一步拓宽其应用。其中，能适应联网在线指纹自 动识别系统的应用算法有待进一步改进，多种指纹识别方法的集成应用以及包括 指纹识别的多种生物特征鉴定的集成应用也将是今后研究发展的方向。近年来， 国外指纹识别相关研究又有升温趋势，因此，h f i s 在未来几年仍然是一个重要的、 极具挑战性的模式识别研究课题。 常见的指纹识别系统有两种，即嵌入式系统和连接计算机的应用系统。嵌入 式指纹识别系统是一个相对独立的完整系统，它不需要与其他设备或计算机进行 连接，可以独立完成其设计的功能，如指纹门禁、指纹考勤终端、指纹保险箱等 都是嵌入式系统。其功能较为单一，应用于完成特定的功能。而连接计算机的应 用系统具有灵活的系统结构，并且可以多个系统共享指纹识别设备，可以建立大 型的数据库应用。 随着计算机与通信网络的蓬勃发展，电子商务的不断推广应用，安全方便的 指纹识别系统现己广泛应用于桌面电脑、笔记本电脑、a t m 提款机、蜂窝电话、 考勤系统、门禁控制以及i n t e r n e t 电子商务安全系统，遍及银行、保险、边防 检查、医疗卫生及网络接入等各个领域。作为自动指纹识别系统关键部分的指纹 图像采集设备也随之得到了更大的发展。随着手机、掌上电脑以及笔记本电脑等 手持电子设备的不断发展和普及，同时人们对电子商务安全和个人信息安全也越 来越重视，以功耗低、体积小为优势的半导体指纹传感器的市场需求量将会不断 增加。富士通和美国f u j i t s um i c r o e l e c t r o n i c s ，i n c 于2 0 0 1 年5 月份从美国 v e r i d i c o mi n c 取得了半导体指纹传感器设备技术以及指纹识别软件技术的专利 许可。随后富士通，a t m e l ，韩国h y n i x 等公司相继推出自己的半导体指纹采集设 备 目前，生物特征认证技术在国外经过3 0 多年的发展，软硬件已经相对比较成 熟，产生了一批比较有规模、技术成熟、有实力的厂商，生物识别技术的产品开 始进入大规模的应用。而在国内，其应用还处于发展初期，主要集中在比较分散、 自发性的企业级应用上。2 0 0 2 年总体约为2 5 亿元的市场( 终端市场总量) 中， 超过4 0 9 6 的产品都用于低端的考勤、门禁上。在行业应用上，警用系统( a f i s ) 的 市场超过了4 0 ，其他的应用则分布在金融单位、社保系统、政府部门等应用领 域。在地区分布上，也随经济的发展呈现出明显不同。总体来说，北京、上海、 广东是生物识别市场应用的主体，三个地区加起来的市场总和超过6 0 生物识别在未来几年中将保持高速增长的趋势。根据国际生物识别集团的统 计，1 9 9 9 年生物识别市场收入为2 5 亿美元，2 0 0 1 年生物识别市场收入为5 亿美元， 4 指纹识别技术研究与网络应用 整个生物识别市场到2 0 0 5 年估计将达到1 9 亿美元。 指纹识别占据了生物识别市场的主角，应用于执法刑侦和社会服务的指纹自动 识别系统( a f i s ) 和其他指纹识别占据了生物识别市场的8 0 ，其中a f i s 为3 ，2 亿 美元。其他指纹识别为l 亿美元，非a f i s 指纹识别和生物识别将占据更大的份额， 两者到2 0 0 5 年占据整个生物识别市场的4 0 ，而目前占绝对优势的a f i s 在相对份额 上将从目前的6 0 下降n 3 0 以下”“”。 1 4 本论文的工作及意义 1 4 1 研究内容与意义 本论文的工作内容是指纹识别技术研究与网络应用。在目前常用的图像分割 和图像增强及特征检测等数字图像处理技术基础上，结合指纹纹脊的方向特性进 行了专项技术研究，提出了一套有效的指纹识别实现方法。在此基础上结合网络 数据传输安全技术，将算法工程化并提出了指纹识别在网络上的应用模型。 本文针对指纹图像提出的各种图像处理方法，经过改进后也可以应用到其他 的模式识别领域，如数字水印识别、条形码识别等，具有一定的通用性和实用性。 目前，我国的指纹识别研究还处于初步发展阶段，虽然取得了一定的成效，实现 了产品化并在一些领域得到应用，但就技术水平而言，与朝鲜、美国等一些国家 相比还有很大的差距；同时，在应用上也是处于低端的企业级应用。因此，开展 指纹识别技术的研究。提高指纹识别的技术水平，从而在更宽的领域拓宽指纹识 别的应用，才能缩短和其他国家的技术差距，这正是开展本项研究的重要现实意 义。 1 4 2 论文结构 本文分为五个章节进行了论述。 第一章绪论。对指纹识别技术及系统的研究背景、意义及国内外发展动 态进行了概述。提出了本文的研究对象、范围和研究方向，并在此基础上介绍了 本文开展的工作内容。 第二章指纹识别系统的构成。分析了目前主流指纹识别系统构成，对指 纹类型进行了介绍，重点介绍了指纹的采集器件及其性能比较和系统性能评估方 法及指标，同时还介绍了指纹图像增强、指纹识别技术原理等内容，为后面的理 论研究提供现实基础。 第三章指纹识别技术研究。详细论述了指纹识别技术的实现原理和方法， 包括指纹图像的预处理、指纹特征的提取和匹配算法。并参考部分算法，对指纹 第一章绪论 图像处理个别环节或算法进行了优化设计，提高了识别的效率。 第四章指纹识别技术的网络应用。论述了通过网络传输数据的安全算法 和指纹识别网络应用的可行性，提出了指纹识别系统网络应用物理模型及适用范 围。 第五章总结和展望。对全文进行了总结和展望，为后续工作提出了指导 性的建议。 5 第二章指纹识别系统的构成 第二章指纹识别系统的构成 7 指纹识别系统涉及指纹的录入、特征提取、比对和性能等问题，在研究指纹 识别技术前，有必要对指纹识别系统的构成和评估方法进行分析，了解各个组成 部分的作用及相互关系，以便于有针对性的研究指纹识别技术的原理，提出实现 算法，分析并解决系统存在的问题。 2 i 指纹的采集 指纹采集器采集到指纹图像后，才能被计算机进行识别、处理。指纹图像的 质量会直接影响到识别的精度以及指纹识别系统的处理速度，因此指纹采集技术 是指纹识别系统的关键技术之一。本节着重分析比较不同的指纹采集技术及其性 能。 指纹采集设备的作用是抓取指纹图像的点位图，一般来说，每一个点用一个 0 2 5 5 之间的灰度值表示。分辨率是每单位长度内的点数，一般用每英寸点数( d p i ) 表示，它的范围在2 5 0 - - 6 2 5 d p i 之间，5 0 0 d p i 为标准分辨率。指纹图像的范围为 0 5 ”0 5 。( 1 2 7 r a m ) 1 2 5 ”( 3 1 7 5 r a m ) ，其中1 一( 2 5 4 r a m ) 为标准尺寸。点与 点之间的距离称为节距( p i t c h ) ，分辨率和节距的关系可以用公式2 1 表示。 分辨率- ( d p i ) 一错 刚)一笺篙掣兰型( 2 1 2 1 1 指纹采集技术 指纹的表面积相对较小，日常生活中手指常常会受到磨损，所以获得优质的 指纹细节图像是一项十分复杂的工作。当今所使用的主要指纹采集技术有光学指 纹采集技术，半导体指纹采集技术和超声波指纹采集技术嘲。 光学指纹图像采集技术 光学指纹采集技术是最古老也是目前应用最广泛的指纹采集技术，光学指纹 采集设备始于1 9 7 1 年，其原理是光的全反射( v n r ) 。光线照到压有指纹的玻璃表 面，反射光线由c c d 去获得，反射光的量依赖于压在玻璃表面指纹的脊和谷的深 度以及皮肤与玻璃间的油脂和水分。光线经玻璃照射到谷的地方后在玻璃与空气 的界面发生全反射，光线被反射到c c d ，而射向脊的光线不发生全反射，而是被 脊与玻璃的接触面吸收或者漫反射到别的地方，这样就在c c d 上形成了指纹的图 像。如图2 1 所示。 8 指纹识别技术研究与网络应用 圈2 1 光学指纹图像采集原理 光学采集设备有着许多优势：它经历了长时间实际应用的考验，能承受一定 程度温度变化，稳定性很好，成本相对较低，并能提供分辨率为5 0 0 d p i 的图像。 光学采集设备也有不足之处，主要表现在图像尺寸和潜在指印两个方面。台 板必须足够大才能获得质量较好的图像。潜在指印是手指在台板上按完后留下的， 这种潜在指印降低了指纹图像的质量。严重的潜在指印会导致两个指印的重叠。 另外台板上的涂层( 膜) 和c c d 阵列随着时间的推移会有损耗，精确度会降低。 随着光学设备技术的革新，光学指纹采集设备的体积也不断减小。现在传感 器可以装在6 x 3 x 6 英寸的盒子里，在不久的将来更小的设备是3 x l x l 英寸。这些 进展得益于多种光学技术的发展。例如：可以利用纤维光束来获取指纹图像。纤 维光束垂直照射到指纹的表面，照亮指纹并探测反射光。另一个方案是把含有一 个微型三棱镜矩阵的表面安装在弹性平面上，当手指压在此表面上时，由于指纹 脊和谷的压力不同而改变了微型三棱镜的表面，这些变化通过三棱镜光的反射而 反映出来。 美国d i g i t a l p e r s o n a 公司“”推出的u a r c u 系列光学指纹采集器是目前应用比 较广泛的光学指纹采集器，主要用于用户登录计算机w i n d o w s 系统时确认身份， 它集成了精密光学系统、l e d 光源和c m o s 摄像头协同工作，具有三维活体特点， 能够接受各个方向输入的指纹，即使旋转1 8 0 度亦可接受，是目前市场上最安全 的光学指纹识别系统之一。u a r c u 光学指纹采集器按照人体工学设计，带有u s b 接口，是用户桌面上紧邻键盘的新型智能化外设。 半导体指纹采集技术 半导体传感器是1 9 9 8 年在市场上才出现的，这些含有微型晶体的平面通过多 种技术来绘制指纹图像。 硅电容指纹图像传感器。这是最常见的半导体指纹传感器，它通过电子度量 来捕捉指纹。在半导体金属阵列上能结合大约1 0 0 ，0 0 0 个电容传感器，其外面是 绝缘的表面。传感器阵列的每一点是一个金属电极，充当电容器的一极，按在传 o c j i 第二章指纹识别系统的构成 9 感面上的手指头的对应点则作为另一极，传感面形成两极之间的介电层。由于指 纹的脊和谷相对于另一极之间的距离不同( 纹路深浅的存在) ，导致硅表面电容阵对 的各个电容值不同，测量并记录各点的电容值，就可以获得具有灰度级的指纹图 像。 半导体压感式传感器。其表面的顶层是具有弹性的压感介质材料，它们依照 指纹的外表形状( 凹凸) 转化为相应的电子信号，并进一步产生具有灰度级的指纹图 像。 半导体温度感应传感器。它通过感应压在设备上的脊和远离设备的谷温度的 不同就可以获得指纹图像。 半导体指纹传感器采用了自动控制技术( a g c 技术) ，能够自动调节指纹图像 像素行以及指纹局部范围的敏感程度，在不同的环境下结合反馈的信息便可产生 高质量的图像。例如，一个不清晰( 对比度差) 的图像，如干燥的指纹，都能够被感 觉到，从而可以增强其灵敏度，在捕捉的瞬间产生清晰的图像( 对比度好) ；由于提 供了局部调整的能力，图像不清晰( 对比度差) 的区域也能够被检测到( 如：手指压 得较轻的地方) ，并在捕捉的瞬间为这些像素提高灵敏度。 半导体指纹采集设备可以获得相当精确的指纹图像，分辨率可高达6 0 0 d p i ， 并且指纹采集时不需要像光学采集设备那样，要求有较大面积的采集头。由于半 导体芯片的体积小巧，功耗很低，可以集成到许多现有设备中，这是光学采集设 备所无法比拟的，现在许多指纹识别系统研发工作都采用半导体采集设备来进行。 早期半导体传感器最主要的弱点在于：容易受到静电的影响，使得传感器有时会 取不到图像，甚至会被损坏，手指的汗液中的盐分或者其他的污物，以及手指磨 损都会使半导体传感器的取像很困难。另外，它们并不像玻璃一样耐磨损，从而 影响使用寿命。随着各种工艺技术的不断发展，芯片的防静电性能和耐用度得到 了很大的改善。 从l u c e n t 公司中分离出来的v e r i d i c o m 1 公司，从1 9 9 7 年开始就一直致力于 半导体指纹采集技术的研发，迄今已研制出f p s l l 0 、f p s 2 0 0 等系列c m o s 指纹 传感器产品，并被一些商品化的指纹识别系统所采用。其核心技术是基于高可靠 性硅传感器芯片设计。 f p s 2 0 0 是v e d d i c o m 公司在吸收了已广泛应用的f p s l l 0 系列传感器优点的基 础上，推出的新一代指纹传感器。f p s 2 0 0 “”表面运用v e r i d i c o m 公司专利技术而制 成，坚固耐用，可防止各种物质对芯片的划伤、腐蚀、磨损等，f p s 2 0 0 能承受超 过8 k v 的静电放电( e s d ) ，因此f p s 2 0 0 可应用在苛刻的环境下。该产品融合了指 纹中不同的脊、谷及其他纹理信息，通过高可靠性硅传感器芯片的图像搜索功能， 无论手指是干燥、潮湿、粗糙都可以从同一手指采集的多幅指纹图像中选择一幅 最佳图像保存在内存中，指纹分辨率可达5 0 0 d p i ，大大降低了传感器芯片识别过 1 0 指纹识别技术研究与网络应用 程中误接受与误拒绝情况的发生。 f p s 2 0 0 是第一个内置三种通信接口的指纹设备：u s b 口、微处理器单元接口 ( m c u ) 、串行外设接口( s p i ) ，这使得f p s 2 0 0 可以与各种类型的设备连接，甚至不 需要外部接口设备的支持。外形封装尺寸( 2 4 m m x 2 4 m m x l 4 r a m ) ，只有普通邮票大 小。由于它的高性能、低功耗、低价格、小尺寸，可以很方便地集成到各种i n t e m e t 设备，如：便携式电脑、个人数字助理( f d a ) 、移动电话等。 超声波指纹图像采集技术 u l t r a - s c a n 公司首开超声波指纹图像采集设备产品先河。超声波指纹图像采集 技术被认为是指纹采集技术中最好的一种，但在指纹识别系统中还不多见，成本 很高，而且还处于实验室阶段。超声波指纹取像的原理是：当超声波扫描指纹的 表面，紧接着接收设备获取的其反射信号，由于指纹的脊和谷的声阻抗的不同， 导致反射回接受器的超声波的能量不同，通过测量超声波能量大小，进而获得指 纹灰度图像。积累在皮肤上的脏物和油脂对超声波取像影响不大。所以这样获取 的图像是实际指纹纹路凹凸的真实反映。 总之，这几种指纹采集技术都具有它们各自的优势，也有各自的缺点。超声 波指纹图像采集技术由于其成本过高，还没有应用到指纹识别系统中。通常半导 体传感器的指纹采集区域小于1 平方英寸，光学扫描的指纹采集区域等于或大于1 平方英寸，可以根据实际需要来选择采用哪种技术的指纹采集设备。 2 。1 2 指纹采集技术的性能比较 表2 1 列举了目前三种主要的指纹采集技术的性能比较。 表2 1 指纹采集技术的性能比较 性能光学扫描技术半导体传感技术超声波扫描技术 分辨率低于5 0 0 d p i可高达6 0 0 d p i可高达1 0 0 0 d p i 成像区域大小中 干手指差，汗多的和稍胀干手指好，潮湿、粗糙手 成像能力 的手指成像模糊。易受皮指亦可成像。易受皮肤上非常好 肤上的脏物和油脂影响。的脏物和油脂影响。 设备体积 大 小中 功耗较大小 较大 耐用性 非常耐用较耐用一般 成本较高低很高 2 2 指纹图像预处理 通过指纹采集器获得的指纹图像有很多噪声，主要是由于平时的工作和环境 第二章指纹识别系统的构成 1 1 引起的，如脏手指、干手指、疤痕、不同季节或不同气候引起的指纹差异、采集 器表面残留的指纹、按捺指纹所产生的形变等。 为了得到比较干净的指纹图像，需要对采集到的指纹图像进行增强。指纹图 像增强技术就是减少噪声，增强脊和谷的对比度。图像增强的方法有很多中，但 大多数是通过过滤图像与脊局部方向相匹配方法实现。图像首先分成几个小区域， 并在每个区域上计算出脊的局部方向来决定方向图。可以由空间域处理。或经过 快速二维傅立叶变换后的频域处理来得到每个区域上的局部方向。 设计合适的、相匹配的滤镜，使之适用于图像上的所有象素。依据每个象素 处脊的局部走向，使在同一方向上的脊的走向得到增强，并减弱该局部上非脊方 向的走向，从若达到减少噪声的目的。 在原始灰阶图像中，其强度是不同的，而按一定的梯度分布，但它们真实的 信息被简单化为二值：脊和其相对的背景。二值化操作使一个灰阶图像变为二值 图像，图像在强度层次上从原来的2 5 6 色变为2 色。 二值化的困难在于，并不是所有的指纹图像有相同的阙值，所以一般不采取 从单纯的强度入手，而且单一图像的对照物是变化的，比如手在中心地带按得比。 较紧。因此“局部自适应阈值法”将用来决定局部图像强度的阈值。 在特征提取前的最后一个工序是细化，就是将脊的宽度降为单个象素的宽度。 一个好的细化方法是保持原有脊的连续性，降低人为因素( 毛刺、带有非常短的 分支而被误认为分叉等) 所造成的影响。 2 3 1 指纹特征介绍 2 3 指纹识别的基本原理 多年来，许多生物识别技术公司及其研究机构产生了许多数字化的算法，主 要是有些国家( 如美国) 的有关法律规定，指纹图像属于个人隐私，因此不能直 接存储指纹图像。指纹识别算法最终归结为在指纹图像上找到并比对指纹的特征， 指纹的特征定义了指纹的两类特征以进行指纹的验证“”：总体特征和局部特征。 总体特征：总体特征是指那些人眼直接就可以观察到的特征，包括以下几方面： 基本纹路图案：包括环型( 1 0 0 p ) ， 弓型( a r c h ) ，螺旋型( w h o r l ) 。其他的 指纹图案都基于这三种基本图案。仅仅依靠图案类型来分辨指纹是远远不够的， 这只是一个粗略的分类，但通过分类使得在大数据库中搜寻指纹更为方便。 模式区：是指指纹上包括了总体特征的区域，即从模式区就能够分辨出指纹 是属于那一种类型。有的指纹识别算法只使用模式区的数据。 核心点：位于指纹纹路的渐进中心，用于读取指纹和比对指纹时的参考点。 1 2 指纹识别技术研究与网络应用 三角点：位于从核心点开始的第一个分叉点或者断点、或者两条纹路会聚处、 孤立点、折转处，或者指向这些奇异点。三角点提供了指纹纹路的计数和跟踪的 开始之处。 式样线：在包围模式区的纹路线开始平行的地方所出现的交叉纹路，式样线 通常很短就中断了，但它的外侧线开始连续延伸。 纹数：模式区内指纹纹路的数量。在计算指纹的纹数时，一般先在连接核心 点和三角点，这条连线与指纹纹路相交的数量即可认为是指纹的纹数。局部特征 局部特征是指指纹上的节点。两枚指纹经常会具有相同的总体特征，但它们的局 部特征节点，却不可能完全相同。 局部特征：局部特征是指指纹上的节点。两枚不同的指纹可能具有相同的总体 特征，但它们的局部特征节点却不可能完全相同。由于指纹纹路并不是连续的， 平滑笔直的，而是经常出现中断、分叉或打折。这些断点、分叉点和转折点就 称为“节点”，并提供了指纹唯一性的确认信息。指纹节点有4 种不同特征： 分类： 终结点 分叉点 分歧点 孤立点 一条纹路在此终结。 一条纹路在此分开成为两条或更多的纹路。 两条平行的纹路在此分开。 一条特别短的纹路，以至于成为一点。 环点：一条纹路分开成为两条之后，立即有合并成为一条，这样形成的一 个小环称为环点。 短纹：一端较短但不至于成为一点的纹路。 _ 方向：每个节点都有一定的方向。 曲率：描述纹路方向改变的速度。 位置：节点的位置通过( x ，y ) 坐标来描述，可以是绝对的，也可以是相 对于三角点或特征点的。 2 3 2 指纹识别系统工作流程 指纹识别技术主要涉及四个功能：读取指纹图像、提取特征、保存数据和比 对。如下图示： 图2 2 指纹识别系统工作流程 第二章指纹识别系统的构成 在一开始，通过指纹采集设备采集到人体指纹的图像，取到指纹图像之后， 要对原始图像进行初步的处理，使之更清晰。 接下来，指纹辨识软件建立指纹的数字表示特征数据，这是一种单方向 的转换，可以把指纹转换成特征数据但不能把特征数据转换成为指纹，而两枚不 同的指纹不会产生相同的特征数据。软件从指纹上找到被称为“节点”( m i n u t i a e ) 的数据点，也就是那些指纹纹路的分叉、终止处的坐标位置，这些点同时具有七 种以上的唯一性特征。因为通常手指上平均具有7 0 个节点，所以这种方法会产生 大约4 9 0 个数据“小“”。 有的算法把节点和方向信息组合产生了更多的数据，这些方向信息表明了各 个节点之间的关系，也有的算法还处理整幅指纹图像。总之，这些数据，通常称 为模板，保存为1 k 大小的记录。无论它们是怎样组成的，至今仍然没有一种模板 的标准，也没有一种公开的抽象算法，而是各个厂商自行其是。 最后，通过计算机模糊比较的方法，把两个指纹的模板进行比较，计算出它 们的相似程度，最终得到两个指纹的匹配结果。 2 4 系统性能评估 生物识别系统因为其方便性和可靠性而得到广泛的应用，以下就其性能估计 和测试方法做一个简要的介绍。 2 4 1 指纹系统的多种测试 性能评估包括3 种类型和层次，分别是技术、现场和操作评估。其中，技术 评估的目的是算法的比较，它需要一个统一的指纹库，取自通用的指纹录入设备。 其中的指纹质量最好可以根据需要进行调整，以适应不同程度的需要。而且他们 不能事先被应试者得到，以示公正。检验是在“离线”状况下进行的，并可重复，因 为数据库是固定的。现场评估的目的是针对一个特定的应用检验系统整体性能， 检验时把整个系统放在一个模拟真实环境中，取指纹并进行识别，最后结合“离线” 和“活体”检验的结果进行评估。操作评估的目的是检验系统特定应用环境中特定人 群的性能，属于“在线”检测。 2 4 2 算法评估的标准指纹库源 目前用于算法检验的标准指纹库有n i s t ( t h e u s n a t i o n a l i n s t i t u t e o f s t a n d a r d a n dt e c h n o l o g y ) 提供的系列指纹库，包括取自墨水的指纹和活体的指纹。另外， 在1 9 9 9 年，有几个学院和研究机构共同发起的f v c 2 0 0 0 ( f i n g e r p r i n tv e r i f i c a t i o n 1 4 指纹识别技术研究与网络应用 c o m p e t i t i o n ) ，旨在建立一个标准的算法测试平台，推进指纹识别算法的发展，其 中包括3 个当今主流指纹传感器录入的指纹库和一个人工模拟的指纹库。 2 4 3 算法评估的指标 如何全面地测试和评价指纹算法的各项指标，是在指纹算法研究中最引入关 注的问题。在实践中，我们发现通过采用简单方法的f a r 和f r r 指标测试所得出 的曲线，并不能如实的反映实际应用时的真实性能。严格的指纹算法的评估及测 试应当从一下多个方面来进行； 对图像质量的适应性 在实际应用场合，由于环境气候干湿度，采样时手指压力以及所用的传感器 特性等多项因素的影响，现场所得到的指纹图像质量好坏差异极大。指纹算法对 这些因素的适应性如何，对使用效果关系极大。测试结果中应该能给出具体的量 化数值。 一对指纹变形的适应性 对于证件类指纹应用场合，由于持证人从登记到比对所经历的时间跨度有可 能较大，在此期间，当人长大时其指纹会产生纵向延伸变形，当人发胖时，其指 纹会产生横向延伸变形。因而指纹算法对该类变形的适应性如何，对证件的有效 期影响极大。测试结果中应该能给出具体的参考数值。 对指纹噪声的适应性 我们统称手指上的褶皱、划痕、脱皮及色斑在指纹图像上的反映为指纹图像 的噪声。在相关的指纹算法中是否能有效的过滤这类噪声，是如何降低现场指纹 识别的f a r 何f r r 的关键。测试结果应能在一定的量化程度上反映该性能的优劣。 _ 对多种系统的适应性 由于指纹算法往往是与整个计算机系统在一起工作的，因此指纹算法对计算 机硬件与操作系统软件的兼容性要求是比较重要的。此外，指纹算法运行时占用 的内存空间，也是评测的重要指标。要实现上述的测试，但靠常规的算法技术测 试是很难做到的。较为可行的方法是采用模拟指纹数据来进行技术模拟测试，或 者应用模拟测试来实现。 一测试流程 在测试中，为便于结果的分析和比较，通常要求在所有参加测试的算法中， 其表征匹配结果的相似度输出值t h r e s h o l d 必须归一化到同一区间上。例如，按照 一般人的习惯把相似度值定位0 1 0 0 。为了清楚的描述整个测试过程，我们假设 供测试用的指纹图像数据库i 中共有x 组来源于不同手指的指纹图像，每组指纹图 像均来源于同一个手指的y 次采样。故整个数据库中共有x x y 个指纹图像样本， 第二章指纹识别系统的构成 其中任一样本的表述为l ，其对应生成的指纹特征模板为乙。有关各类指标的测 试方法和计算公式如下“”： 平均登记处理时间瓦。 为了避免重复处理，节约测试时间，常见的做法是先将整个指纹图像数据库 转换为指纹特征模板数据库。在此过程中，可以从中得到待测算法的平均登记处 理时间： 一等黼( 2 - 1 ， 一 累计登记次数 拒真率f r r 分别将每一组的指纹特征模板乙除其自身外，进行两两匹配，总共进行 x x y x ( y d 次匹配，并对所产生的相似度输出结果值t h r e s h o l d 0 ， x x y x ( y 一1 ) 1 ，按其值大于肌沏- 0 1 ，2 ，“) 时的个数分别做出统计，得出结果为 r ( m ) 。由此得出拒真率的表达式： f r r ( m ) 煞1 0 0 m 。虬2 3 ，。，( 2 现 根据上述数据，可以画出t h r e s h o l d f r r 曲线，简称f r r ( t ) 曲线，如下图示： 拒真率 ， ， ， ， ， i - r 门限闻值 图2 3t h r e s h o l d f r r 曲线图 1 6 指纹识别技术研究与网络应用 平均匹配处理时间z 。 在上述为了计算f r r 而进行的x x y x ( ) ，一1 ) 次匹配运算过程中，我们可以从 中得到待测试算法的平均匹配处理时间l 赫： k - 笔器 ， 认假率f a r 设测试用的指纹特征模板数据库共有x 组取自不同手指的指纹特征模板组， 每组有取自相同手指的y 次采集的指纹特征模板。分别将每一组所有的指纹特征 模板巧与除本组外的全部指纹特征模板进行两两匹配，总共进行工x o 1 ) x y x y 次匹配，并对所有产生的相似度输出t l 竹e s h o l d 0 ，工o 一1 ) y x y 】，按其值大 于m ( m 一0 1 ，2 ) 时的个数分别做出统计，得出结果为r ( m ) 。由此得出认假率的 表达式： f 4 r ( m ) 。：7 7 虬1 0 0 胁0 ，1 ，2 ，3 ，( 2 - 4 ) 工x 0 - 1 ) x y x y 一一 根据上述数据，可以画出t h r e s h o l d - f a r 曲线，简称f a r ( t ) 曲线。如下图示： 认信率 图2 4 t h r e s h o l d f a r 曲线图 平均拒识处理时间l 柳 在上述为了计算f a r 而进行的工仅一1 ) x y x y 次匹配运算过程中，由于其中 绝大多数是处于拒识工作状态，故此可从中得到待测试算法的平均拒识处理时间： 第二章指纹识别系统的构成 1 7 乙堂婴型：里塑( 2 - 5 ) 1 删丽j 而 相等错误率e e r 把f r r c t ) 和f a r ( t ) i 抽线画在同一个坐标图上，其交点称为等错误点，而这一 点上的f r r ( t ) 和f a r ( t ) 的读数值，称之为相等错误率e e r 。 1 0 o 1 o 0 1 o 01 02 03 04 0 5 06 07 08 09 01 0 0 门限闶值 图2 5 e e r 曲线图 安全度高且应用性强是指纹识别系统的理想目标，但实际上f a r 和f r r 是相 互矛盾的，f a r 指标越高，则f r r 指标必然降低；f r r 指标越高，则f a r 指标 将相对降低。为此，必须针对具体的应用进行指标选择，在两者之间折中。 一般而言，在产品的定位为安全性高、方便性低( 如：信息安全系统) 的， 则f a r 低于百万分之一，f r r 低于八分之一：在易用性高而安全性较低的系统( 如： 指纹考勤系统) 中，f a r 低于千分之一，f r r 低于百分之二。 通常情况下，系统的评估指标不是一对数值，而是两组对应的数值，这是由 一组阈值决定的。当阈值由0 1 等间隔取值时。就得到f a r 和f r r 的两组数据， 如果以阙值做x 轴，f a r 和f r r 的数值作y 轴绘制曲线，又可以得到一个指标等 错误率e e r m ，且6 n q 指纹识别技术研究与网络应用 s 0 2 - 面斋c ，薹：，蓼， 班两斋匿弘j + w 3 ) ( 3 1 5 1 ( 3 - 1 6 ) 其中，i 为指纹图像，g 为归一化后的图像，r 为结果图像，t l 、t 2 分别为阈 值1 、阈值2 ；宵l 、w 2 、w 3 分别为二值化参考区间1 、二值化参考区间2 、二值化 参考区间3 。 图3 6 指纹图像的分割与二值化效果 3 1 6 图像脊线的弥合 在实际应用中，由于手指表皮的污迹、伤痕或指纹传感器表面的划痕等原因的 影响，使得指纹图像纹脊线上存在大量的缺陷、间隙和不连续的地方，会导致指 纹细节特征提取的误差。另一方面，二值化处理使得指纹脊线内出现小气泡或指 纹脊线边缘出现小毛刺，会给后续的指纹识别到来不利影响。当对含有大量毛刺 和气泡的指纹图像进行细化时，在毛刺和气泡处出现人为的伪特征会造成误识或 拒识，在这种情况下，用通常的基于灰度的预处理方法就会造成伪特征的出现。 为了避免这种情况，修补和恢复这些缺陷，需要进行纹脊线的弥合修补，以求消 除毛刺和气泡。一般来说，不做弥合处理，细化后要产生较多的伪特征，其数量 与真特征的比例约为5 9 ，识别率也下降4 8 ，从而使指纹比对错误率大 大提高。 第三章指纹识别技术研究 气袍 毛舅 3 1 图3 7 脊线上的气泡与毛刺 弥合处理可以通过扫描来进行，具体步骤如下： 气泡的消除 选取a a 的窗口分别在脊线和谷线内进行移动搜索，当在脊线上发现气泡时 将气泡填黑，在谷线发现气泡时，则填自处理。a 的选值不能过大，否则会把一些 环形指纹特征过滤掉。 一刺的消除 选取bxb 的窗口沿脊线的边缘进行移动搜索，对窗内的边缘进行cxc 的窗 口取值判断：边缘尖峰的峰值与基值之差大于门限k ( k 是经验数值，一般为纹 线平均宽度的一半) ，则为毛刺，对毛刺进行填白( 消刺) 或填黑( 补缺) 处理。 另外一种方法是定向滤波法，就是利用指纹图的局部纹理的方向特性，对灰 度图上的指纹纹路进行强化，使沿脊线纹路方向上的图像得到增强，方法如下： 利用指纹的点方向图且依据该处脊线的局部走向来对二值化的指纹脊线进行 非对称的平滑滤波处理，即在纹路的切线方向进行平滑，在其法线上进行边缘锐 化，使得指纹的脊线和谷线在不良区域内沿脊线和谷线的纹路方向生长。接着再 进行一次二值化处理，从而使指纹图像上的褶皱、脊线的间断点和气泡等导致的 横跨脊线的噪声以及不同于脊纹理方向的划痕等所造成的不正确的“桥”都会被 过滤掉。同时也消除了指纹图像上不规则的脊线边缘上的毛刺，有效的提高了图 像的信噪比。 3 1 7 图像细化 为了提取指纹脊线形成的端点、叉点等指纹的