（计算机应用技术专业论文）基于指纹识别的校园身份认证系统研究与设计.pdf

华北电力人学硕十学位论文摘要 摘要 随着人们对身份认证的安全性要求越来越高，生物认证方式得到越来越多的关 注。指纹识别是一种先进成熟的生物认证技术，被广泛应用于不同领域。将指纹识 别技术应用于校园用户的身份认证，利用指纹特征对用户的身份进行认证，可以使 用户摆脱记忆密码、携带令牌等困扰。本文针对校园用户的特点，分析设计了基于 指纹识别的身份认证系统。设计采用双层c 1 i e n t s e r v e r 系统架构。系统包括指纹 注册、本地认证、远程认证子系统等模块。为了保证用户信息的有效性和安全性， 设计所有合法用户的注册过程集中在主系统的客户端进行。远程认证子系统采用三 层的c l i e n t s e r v e r 系统架构，使客户端负载降低，以适用不同的应用环境中。对 系统进行测试并分析了系统性能，显示系统性能良好。 关键字：身份认证，指纹识别，校园，c 1i n e t s e r v e r ，三层 a b s t r a c t a sm o r es e c u r ea u t h e n t i c a t i o ni sr e q u i r e di nt h e s ed a y s ，b i o m e t r i c si sg a i n i n g i n c r e a s i n ga t t e n t i o n f i n g e r p r i n tr e c o g n i t i o ni so n eo ft h em o s tp o p u l a ra n ds u c c e s s m i m e t h o d sf o rp e r s o ni d e n t i f i c a t i o n ，觚dh a sb e e nu s e dw i d e l yi nm a n yf i e l d s i tw i l l r e l e a s eu s e r sf r o mr e i l l e m b e r i n gp a s s w o r d sa n db r i n g i n gc a r d st h a tw e 印p l yf i n g e 印r i n t r e c o g n i t i o nt e c h n o l o g yi n t oi d e n t i t ya u t h e n t i c a t i o n i nt h i sp a p e r ，w ea n a l y z e da n d d e s i g i l e d 锄i d e n t i t ya u t h e n t i c a t i o nf o rc a m p u ss p e c i a l l y ac l i e n t s e e rm o d e li n t w o - t i e rw a su s e da st h ea r c h i t e c t u r eo ft h es y s t e m t h es y s t e mc o n t a i n ss e v e r a lm o d u l e s s u c ha sf i n g e r p r i n ti n f o m a t i o ne l l r o l l m e n tm o d u l e ，l o c a la u t h e n t i c a t i o nm o d u l ea n da s u b s y s t e mf o rr e m o t eu s e ra u t h e n t i c a t i o n t be n s u r et h ea v a i l a b i l i t yo fu s e r s i n f o n n a t i o n ， a nl e 舀t i m a t eu s e r sm u s tb ee n r o l l e dc e n t r a l l y t h es u b s y s t e mo f3 一t i e ra r c h i t e c t u r ei s d e s i g n t od e d u c el o a d so fc l i e n t s ，a n dt h e p r o c e s s o f f i n g e r p r i n t sm a t c h i n g i s i m p l e m e n t e db ys e r v e r s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sr e v e a lm a to u rs y s t e mc a na c h i e v e g o o dp e r f o 肌a n c ea se x p e c t e d z o uy i n g c h u n ( c o m p u t e r a p p l i e dt e c h n o l o g y ) d i r e c t e db yp r o f w a n gz h e n q i k e y w o r d s ：l d e n t i t ya u t h e n t i c a t i o n ，f i n g e r p r i n tr e c o g n i t i o n ，c a m p u s ，c s ，3 - t i e r 华北电力人学硕十学位论文摘要 摘要 随着人们对身份认证的安全性要求越来越高，生物认证方式得到越来越多的关 注。指纹识别是一种先进成熟的生物认证技术，被广泛应用于不同领域。将指纹识 别技术应用于校园用户的身份认证，利用指纹特征对用户的身份进行认证，可以使 用户摆脱记忆密码、携带令牌等困扰。本文针对校园用户的特点，分析设计了基于 指纹识别的身份认证系统。设计采用双层c 1 i e n t s e r v e r 系统架构。系统包括指纹 注册、本地认证、远程认证子系统等模块。为了保证用户信息的有效性和安全性， 设计所有合法用户的注册过程集中在主系统的客户端进行。远程认证子系统采用三 层的c l i e n t s e r v e r 系统架构，使客户端负载降低，以适用不同的应用环境中。对 系统进行测试并分析了系统性能，显示系统性能良好。 关键字：身份认证，指纹识别，校园，c 1 i n e t s e r v e r ，三层 a b s t r a c t a sm o r es e c u r ea u t h e n t i c a t i o ni sr e q u i r e di nt h e s ed a y s ，b i o m e t r i c si sg a i n i n g i n c r e a s i n ga t t e n t i o n f i n g e r p r i n tr e c o g n i t i o ni so n eo ft h em o s tp o p u l a ra n ds u c c e s s m l m e t h o d sf o rp e r s o ni d e n t i f i c a t i o n ，觚dh a sb e e nu s e dw i d e l yi nm a n yf i e l d s i tw i l l r e l e a s eu s e r sf r o mr e i l l e m b e r i n gp a s s w o r d sa n db r i n g i n gc a r d st h a tw e 印p l yf i n g e 印r i n t r e c o g n i t i o nt e c h n o l o g yi n t oi d e n t i t y a u t h e n t i c a t i o n i n t h i sp a p e r ，w ea n a l y z e da n d d e s i g i l e d 锄i d e n t i t ya u t h e n t i c a t i o nf o rc a m p u ss p e c i a l l y ac l i e n t s e e rm o d e li n t w o - t i e rw a su s e da st h ea r c h i t e c t u r eo ft h es y s t e m t h es y s t e mc o n t a i n ss e v e r a lm o d u l e s s u c ha sf i n g e r p r i n ti n f o m a t i o ne l l r o l l m e n tm o d u l e ，l o c a la u m e n t i c a t i o nm o d u l ea n da s u b s y s t e mf o rr e m o t eu s e ra u t h e n t i c a t i o n t i oe n s u r et h ea v a i l a b i l i t yo fu s e r s i n f o n n a t i o n ， a nl e 舀t i m a t eu s e r sm u s tb ee n r o l l e dc e n t r a l l y t h es u b s y s t e mo f3 一t i e ra r c h i t e c t u r ei s d e s i g n t od e d u c el o a d so fc l i e n t s ，a n dt h ep r o c e s so ff i n g e r p r i n t sm a t c h i n gi s i m p l e m e n t e db ys e r v e r s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sr e v e a lm a to u rs y s t e mc a na c h i e v e g o o dp e r f o 肌a n c ea se x p e c t e d z o uy i n g c h u n ( c o m p u t e ra p p l i e dt e c h n o l o g y ) d i r e c t e db yp r o f w a n gz h e n q i k e y w o r d s ：l d e n t i t ya u t h e n t i c a t i o n ，f i n g e r p r i n tr e c o g n i t i o n ，c a m p u s ，c s ，3 - t i e r 声明尸州 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于指纹识别的校园身份认证系统的 研究与设计，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期问，在导师指导下进行的研究工 作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力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已在论 文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：奎亟 日期： 加暑；d 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：导师签名： 豆振建 日期：婴窒：19日期：印蚕：至：加 华北f 乜力人学硕十学位论文 1 1 研究背景及意义 第一章引言 身份认证是指通过标识特定用户或系统的身份而建立信任的过程。身份认证是 现实生活和网络通信中的一个重要环节。在当今流动性很强的信息化社会中，为了 保证一个建筑物或一个系统能够被安全地访问，一个可靠的自动身份认证系统是必 需的。目前基于口令的身份认证方式却不能够满足人们对安全的要求。随着校园信 息化建设不断提高，学校各部门都有了不同的管理系统和用户身份认证方式。如机 房上机管理系统使用上机卡，图书馆门禁系统使用借阅证、学生证等。“一人多卡 不仅给学生带来了不便，也造成了资源浪费。校园“一卡通 的提出和实现，使得 问题得以一定程度的解决。 但是，无论什么样的卡，都存在丢失、损坏、被盗或伪造的问题。而且随着校 园规模的扩大，各种考试的身份验证等的工作量加大，使得原有的人工管理模式越 来越不能适应教学发展的需要。 为了解决这些问题，考虑能否让用户不用携带任何物品即可进行身份的辨识和 验证。生物识别技术的发展和广泛应用，提示了这种方法的可行性。 生物认证技术以生物特征为基础，以信息处理技术为手段，依靠人体的生物特 征进行身份鉴别，又称为生物测定学( b i o m e t i l i c s ) 技术。人体的生物特征是可区别、 可测量或可自动识别和验证的生理特征或行为方式，分为生理特征和行为特征。生 理特征包括指纹、人脸、虹膜、视网膜、掌纹、体味、人耳和d n a 等；行为特征包 括签名、步态和击键等；声音兼具两个方面的属性。由于人体特征具有无法复制、 失窃或被遗忘等优点，生物识别技术被认为是网络安全和身份识别的未来方向，目 前许多技术都已经成熟并得以应用，而指纹识别更是其中一个热点。指纹识别是生 物识别技术中一种先进可靠的生物测定学技术。 使用计算机来处理指纹图像，从而产生了自动指纹识别系统( a u t o m a t i c f i n g e 印r i n ti d e n t 馅c a t i o ns y s t e m ，a f i s ) 。它能实时有效地完成其识别过程，包括对指 纹图像采集、指纹图像特征提取、特征值的比对与匹配等过程。 本系统之所以选择指纹作为身份认证的依据，主要是考虑以下方面比1 ： ( 1 ) 指纹具有唯一性。研究表明目前尚未有两个相同的指纹。 ( 2 ) 指纹具有稳定性。一个人在一生中的指纹特征( 包括指纹纹型、脊谷线的频 率、方向等) 基本保持不变。 ( 3 ) 指纹采集方便且相对容易，易于开发认证系统。 l 华北电力人学硕+ 学位论文 ( 4 ) 指纹识别算法相对成熟。指纹识别是目前最为成熟的生物识别技术之一， 指纹识别算法是指纹识别技术的核心，国内外对指纹识别算法的研究已经深入而且 成熟。 随着电子技术的迅速发展，以及指纹识别算法的不断优化和新的算法的提出， 使得指纹识别应用系统得以推广和发展。指纹识别技术在身份认证系统中的运用， 将解决现有身份验证方式存在的问题，能够安全、可靠、方便地进行身份验证。因 此，无论从实用性还是学术性上，研究指纹识别在身份认证中的应用都有着很重要 的意义。 1 2 研究现状 多年来，国际社会寻找更加安全的身份认证技术的过程中，生物认证得到了越 来越多的关注，各国都非常重视生物认证的研究和应用。口儿们 国外在生物认证领域比较著名的机构有美国的密歇根州立大学计算机系，卡内 基梅隆大学计算机学院，麻省理工学院媒体实验室，微软公司和i b m 公司；英国的 剑桥大学计算机实验室；日本的欧姆龙公司，日立公司和三菱公司；荷兰的飞利浦 公司等。 2 0 0 4 年i b m 公司推出了带有指纹识别器的笔记本电脑，用户只要将手指在一个 水平方向的传感器上从上到下滑行，就能够实现开机、登录w i n d o w s 系统、打开应 用程序、网页或数据库等一系列操作所需的身份认证。整个识别过程需要两秒钟， 即方便简单又具备强大的安全性能。 国外，在人员流动性强、安全要求高的场合，也越来越多的运用指纹识别进行 身份认证，例如指纹护照、指纹门票等。近几年，基于指纹识别的网络虚拟身份认 证也得到了实现和推广。 我国也相当重视生物认证的研究工作，达到了国际先进水平。国内研究身份认 证特别是生物认证比较著名的单位有中科院自动化所，中科院计算所，清华大学， 北京大学，哈尔滨工业大学，香港中文大学等单位。 随着指纹采集设备成本降低和指纹识别算法的突破性进展，指纹识别技术也迅 速发展，日益成熟。当今，指纹识别技术的应用范围已经不仅仅限于刑侦系统，军 事国防系统，而越来越多的被应用于民用领域。 在民用领域，指纹识别技术广泛应用于商业金融系统，社会保险系统，医疗卫 生系统，教育文化管理系统等。其中，指纹识别技术最广泛的应用是商业金融系统。 包括办公自动化、计算机安全、网上储蓄、内部授权管理等。 用于社会保险系统的有人寿、养老、医疗、失业等各种保险系统。用于医疗系 2 华北电力人学硕+ 学位论文 统的有指纹医疗卡、电子病例管理、献血输血管理、药品管理等。教育文化方面的 应用包括学籍管理、考试管理、指纹i c 卡准考证等。基于指纹识别的各种考勤机、 门禁等也被广泛应用于企业和家庭。 1 3 主要研究内容 本课题所研究的主要内容及所作的工作包括以下几方面： ( 1 ) 研究了用户身份认证技术的发展现状，分析了常用的用户身份认证技术的特 点，获知生物认证是一种安全的方法，也是未来身份认证的一个方向。学习了指纹 识别的基本原理和方法。 ( 2 ) 针对现有校园身份认证方式存在的问题，提出了校园“一指通 构想。实 现校园“一指通 首要的问题是用户的指纹身份认证，因此本文针对基于指纹识别 的身份认证系统，根据具体需求进行了系统总体设计，包括系统架构和网络拓扑结 构的设计，数据库设计，本地认证模块，远程认证模块的设计等。 ( 3 ) 在选择了指纹识别s d k 的基础上，根据系统设计方案，对系统的功能模块 进行了具体的实施。 ( 4 ) 依据实验数据，分析系统的性能； ( 5 ) 分析系统的安全性，提出了提高安全性的方法。最后，结合课题的研究目 标，对下一步工作进行了展望。 1 4 本章小结 本章阐述了无论是从实用性还是学术性上，研究并应用指纹身份认证技术都有 很重要的意义，通过对指纹身份认证技术的发展现状进行了解，确定本选题主要研 究内容。 3 华北电力人学硕十学位论文 2 1 身份认证技术 第二章用户身份认证概述 身份( i d e n t i t y ) 是实体在某个特定领域内的表现晦1 。认证( a u t h e n t i c a t i o n ) 是用一 种可靠的方法验证某人( 某物) 身份的过程，包括身份认证和消息认证两方面，前者 用于鉴别用户身份，后者用于信息的完整性和抗抵赖性。 身份认证的本质m 3 是被认证方通过提供一些信息( 无论是秘密的信息还是一些 个人持有的特殊硬件或个人特有的生物信息) ，使认证方能够相信其确实是拥有那 些秘密的实体。被认证实体的两个最重要的能力是存储高数量密码密钥的能力以及 执行密码运算的能力。计算机具备这些能力，但是人并不具备这些能力。根据被认 证的实体能力的不同，认证过程有些不同。用户身份认证是指由计算机验证人的身 份。当用户访问信息之前，必须通过某种形式的身份验证机制来证明他们的身份， 检验用户的身份是否为系统认定的合法身份，然后实现对不同用户的访问控制和记 录，因此用户身份的有效鉴别是保障其他内容安全的重要手段。 2 2 身份认证的目标 从用户的角度来看，非法用户常采用以下手段对网络系统进行攻击h 3 ： ( 1 ) 窃取口令：非法用户获得合法用户身份的口令，这样他就可以访问对其而言 并未获得授权的系统资源； ( 2 ) 流量分析：非法用户对通讯双方交换的信息进行分析，试图判断或还原原信 息： ( 3 ) 重传：非法用户截获信息，然后再传送给接收者； ( 4 ) 修改或伪造：非法用户截获信息，替换或修改信息后再传送给接收者，或者 非法用户冒充合法用户发送信息； ( 5 ) 阻断服务：阻止系统资源的合法管理和使用。 因此身份认证系统应该能够完成以下功能： ( 1 ) 可信性：信息的来源是可信的。也即信息接收者能够确认所获得的信息不是 由冒充者所发出的； ( 2 ) 完整性：要求信息在传输过程中保证其完整性。也即信息接收者能够确认所 获得的信息在传输过程中没有被修改、延迟和替换； ( 3 ) 不可抵赖性：要求信息的发送方不能否认他( 她) 所发出的信息，同样，信息 4 华北电力人学硕十学位论文 的接收方不能否认已收到了信息； ( 4 ) 访问控制：非法用户不能够访问系统资源，合法用户只能访问系统授权和指 定的资源。 2 3 身份认证的几种实现方式 身份认证可以依靠三种基本途径实现，也可以是其组合呻1 ： 用户所知道的某个秘密信息，例如口令； 用户所拥有的东西，如认证令牌； 用户所具有的某些生物特征，例如指纹、虹膜、掌纹、脸型等。 ( 1 ) 用户所知道的某个秘密信息，主要包括基于口令的认证和基于密码体制的 身份认证。最传统的方法是系统事先保存每个用户的二元组信息( i d x ，p w x ) ，进入系 统时用户x 输入i d x 和p w x ，系统根据保存的用户信息和用户输入的信息相比较， 从而判断用户身份的合法性。 这种方法操作十分简单，但同时又最不安全，因为其安全性仅仅基于用户口令 的保密性。用户口令如果较短则容易猜测，因此不能抵御口令猜测攻击；如果过长， 则使得用户记忆时不方便，很多情况下对于复杂而长的口令，用户选择写下来，这 样就会出现新的漏洞和威胁；另外，口令的明文传输使得系统攻击者很容易通过搭 线窃听方法获取用户口令；由于系统保存的是口令的明文形式，一方面需要系统管 理员是可信赖的，另一方面，一旦攻击者能够访问口令表，整个系统的安全性就受 到了威胁。对口令进行加密存储和加密传输是一个很好的改进方案。但是这种方案 仍然受到口令猜测的攻击。 目前，零知识证明也是网络信息安全领域的一个研究热点。采用基于零知识证 明的方法，被认证人可以不用向认证者透露与秘密相关的知识，就能证明自己掌握 这个秘密。基于零知识证明的口令系统可以避免口令泄露，降低重放攻击成功的可 能性一1 。但是，零知识证明增加了用户认证过程的复杂性。 ( 2 ) 认证令牌 认证令牌是一个用户随身携带的设备，用户使用这一设备来实施认证n0 1 。认证 令牌属于“用户所拥有的东西”这类认证机制。一般来说，这种机制必须与其他两 种机制一起使用以保证安全。 当前常见的认证令牌的形式是带磁卡条的信用卡。使用磁条卡相对于使用简单 的口令的好处是磁条卡不容易复制，而且可以存储人们不愿意记忆的大量数据。磁 条卡的也有其缺点： 每个访问点需要配置硬件( 读卡器等) 以保证读取令牌信息； s 华北电力人学硕十学位论文 令牌可能丢失或被盗。为安全起见，令牌必须带有p i n 或口令。相应的，必 须有方便的方法来解决忘记口令的问题； 无法抵抗通信侦听。 另一种认证令牌是智能卡。智能卡罩面嵌入了一个c p u 和内存，当其插入智能 卡读卡器时，该卡与读卡器进行对话。目前主要有以下几种智能卡： 有p i n 值保护的内存卡。使用时，必须首先输入正确的p i n 值，才能读取卡 里内存中的信息。这种卡比磁条卡更安全是在于有p i n 保护。 密码挑战响应卡。这种卡的内存中有一个密钥，可以使用该密钥来加密或 解密信息。一台知道该密钥的计算机可以通过生成一个随机数并“挑战 该卡，要 求该卡加密或解密该随机数，如果返回正确的结果，则计算机认为提供的卡是正确 的。这种卡能够有效防止侦听。但是在应用时必须配备读卡器，而且卡在丢失或被 盗后必须作废。 密码计算器。又称为无需读卡器的智能卡。其所有的交互过程由用户来完成。 ( 3 ) u s bk e y 。u s bk e y 是一种u s b 接口的硬件设备，它内置单片机或智能卡 芯片，可以存储用户的密钥或数字证书，利用u s bk e y 内置的密码学算法实现对用 户身份的认证。基于u s bk e y 身份认证系统主要有两种应用模式：一是基于挑战 响应的认证模式；二是基于p k i 体系的认证模式。基于u s bk e y 的身份认证采用软 硬件相结合、一次一密的强双因子认证模式，很好地解决了安全性与易用性之间的 矛盾。其缺点是需要额外的成本，且不能避免丢失、损坏的情形。 ( 4 ) 生物特征认证拥有传统密码认证和令牌认证所不具有的很多优势n ，生物 特征直接隶属于认证人，与认证人完全绑定，不会被遗忘，不可外借，在实践中也 不易伪造。在实际应用中，还需要考虑几个重要因素，包括：性能，指对生物特 征识别的准确度和速度；可接受性，指实际应用中使用者愿意接受生物特征识别 的程度；安全性，指系统抗拒欺骗手段的能力。 2 3 本章小结 本章主要对用户身份认证技术进行了概述，描述了认证技术和用户身份认证的 概念，以及实施身份认证的目标。针对目前不同的身份认证技术实施方式，总结了 各自的主要特点。 6 华j e 电力人学硕f 学位论文 31 简介 第三章指纹识别技术 干指皮肤山外向里依次为表皮、真皮和皮下组织。通常意义上的指纹是手指尖 端表皮的纹理。目前对“活体指纹采集技术”的研究，大多是从真皮层切入的。本 文所涉及的指纹是通常所说的表皮纹理。 32 指纹识别的基本原理 指纹识别是一个复杂的过程，其中指纹匹配是其核心部分。指纹匹配分为特征 匹配和图像匹配两种“。特征匹配是指提取并比对指纹图像上的特征；图像匹配是 从整个指纹图像的角度进行相关匹配。 3 21 指纹特征 指纹通常山两类特征柬描述：总体特征和局部特征。 3211 总体特征 总体特征是指那些用肉眼直接可以观察到的特征，包括： ( 1 ) 纹形 蚪口f i o o p ) c n h 、j b ( 1 w l ni o o p 酗3 一l 六种常见纹彤 兰些里型查堂堕! 兰生堡墨 指纹纹形大体上可以分为1 种基本纹形：拱形( a r c h ) 、螺旋形( w h o d ) 和环形 ( 1 0 0 p ) 。其他的纹形都是基于这二种基本纹形的。目前常用的指纹分类方法将指纹纹 形分为六类。，包括尖拱形、拱形，环形、莺环形、止旋形、右旋形。如图3 1 所 不。对于大型数据库，详细、准确的分类可以使搜索指纹更方便快捷，提高识别效 率。 ( 2 ) 模式区( p a t t e m a r e a ) 模式区是指指纹上包括了总体特征的区域，如图3 2 ( a ) 所示，即从模式区就能 够分辨出指纹是属于那一种类型的。有的指纹识别算法只使用模式区的数据。 ( 3 ) 核心点( c o r ep o i n t ) 核心点位于指纹纹路的渐进中心，它在读取指纹和比对指纹时作为参考点。许 多算法是基于核心点的，只能处理和识别具有核心点的指纹。如图3 2 ( b ) 所示。 ( 4 ) 三角点( d e l t a ) 二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如图3 2 ( c ) 所示。三角点提供了指纹纹路的 计数跟踪的开始之处。 ( j ) 纹数( r l d g ec o u n t ) 指模式区内指纹纹路的数量。在计算指纹纹数时，一般先连接核心点和二角点， 这条连线与指纹纹路相交的数量即可认为是指纹的纹数。如图3 - 2 ( d ) 所示。 镯鲶励 ( 曲( b ) ( c )( d ) 图3 2 指纹的总体特征：( a ) 模式区；( b ) 核心点；( c ) 一角点；( d ) 纹数 3212 局部特征 局部特征是指指纹上的节点的特征这些具有某种特征的节点称为特征点 ( m l n u t l a e ) 。两枚指纹经常会具有相同的总体特征，但它们的局部特征却不叮能完 全相同。 指纹纹路并不是连续的、平滑笔直的，而是经常出现巾断、分叉或打折。这些 断点、分叉点和转折点就称为“特征点”。就足这些特征点提供了指纹唯1 ， ! 的确 认信息。指纹上的节点有几种小h 特性“：类型( s y l e ) ，方向( o n e n t a t l o n ) ，曲率 ( c u t v a t u r e ) ，位置( p o s l i t o n ) ，质量( q u a l l t y ) ，邻域纹密度( d en s l y ) 。 r 华北i h 力人学硕士乎竹论文 f 1 1 特征点的类型见图3 3 。 r 2 访向：描述特征点的位置上纹线的走向。 f 3 1 曲率：描述纹线方向改变的速度。 f 4 1 位冒：节点的位置可以通过直角坐标或极嫩标表示，可以是绝对的，也可以 是相对于三角点或特征点。 ( 5 1 质鼍；也称为特征点的噪声，通常定义为特征点的位置上沿纹路法线方向上 分量的大小。 r 6 1 邻域纹密度：特征点相关邻域内纹线的分布密度。 一一 端点( e n d i n g ) ： 一条纹路在此终结 7 分叉点f b i f i l r c 甜i o n ) ：一条纹路在次分开成为两条或更多的纹路。 分歧点( r l d g ed l v 盯g e n c e ) ：两条平行的纹路在此分歼。 孤立点f d o to r i s l a n d ) 一条很短的路，以至于成为点。 环点r e n c l o s u r e l ：一条纹路分开为两条后，立即又合并成为一条，形成 了一个小环称为环点。 短纹( s h o n r i d g e ) ：较短但不至于成为一点的纹路。 阿3 3 指纹的特征点类型 这些点在指纹中的出现概率并不相当，出现概率最大的是端点6 06 其次是 分叉点，出现概率为2 26 。因此，通常基于细节点的识别算法都选择分义点和端 点来鉴定指纹，一般认为如果有大于1 2 个特征点完全匹配，则可以判断两枚指纹 完全一致。“” 322 指纹识别的基本流程 自动指纹识别系统( a f i s ) 的基奉流程见图3 4 。包括注册和识别两部分，每个部 分都包括指纹采集、指纹图像质量评测、指纹图像预处理、指纹特征提取等子模块。 目前，很多指纹识别系统还包含指纹分类过程。 华北电力人学硕+ 学位论文 注册 t 指纹采集 以别 指纹采集 不合格 质量评测- 顶处理- 特征提取 ， 指纹模扳数榭侔 质毋评测坝处理- 特征提取 水合格 图3 _ 4 具有指纹图像评测的指纹识别系统流程图 3 23 指纹识别的工作模式 输出结粜 指纹识别的工作模式可以分为两种基本模式：验证模式r v e n 矗c a t - o n l 和辨识模式 ( i d e n t m c a t l o n l 。 ( 1 ) 验证( v e r i 6 c 乱l o n ) 。即1 ：1 比对模式，根据用户所声称的身份标识码例如 i d ) 和现场采集到的的指纹特征，与数据库中对应i d 的指纹模板进行一对一匹配 ( o n e - t o 一0 n em a o h t i n g ) 。匹配成功则通过验证，否则不通过。验汪模式的识别算法 比较成熟，应用也较多。如图3 5 为验证模式示意图： 用户i d 瓣删s 纹盯 铃i ； u 陟4 _ 提轰指纹特赢 、二l 入 e 取指纹特征值厂_ _ 。+ l 匹配j 图3 。5 指纹验证模式示意图 h 例 一 汴册 ( 2 ) 辨以( 1 d e n t 谪c a t l o n ) 。即l ：n 比对模式，用户不需要提供标识码，系统将现 场采集到的用户指纹特征值，指纹库一 ，所有模板进行比对，如果找到相匹配的指纹 模板，则识别成功并输出用户i d ，否则识别失败。目前辨以模式的指纹识别算法还 不够太成熟，当对于用户量大于一定数量f 例如5 0 0 0 1 时，辨训模式f 指纹的匹配过 霾蒸 华j 匕电力人学硕士学位论文 程成为一个瓶颈，系统效率比验证模式的效率明显降低因此民用系统中战模式的 指纹识别系统应用较少。怎样提高辨识模式的工作效率也是一个值得研究的问题。 辨识模式工作过程示意图如下罔3 6 所示： 露莩 罔例 一“册 验证模式和辨识模式在比对算法和系统设计上各有特点。且实现目标不同，所 以有不同的应用领域。例如验证模式的主要目标是高的通过率和相对高的准确率； 辨识模式的主要目标是高的比对速度和相对高的准确率。表3 1 显示了两者的比较。 袁3 - 1 验证模式和辨识模式的比较 比对速度与模板数量相关性 易用性 对残缺指纹 】：l 高不相关 一般 不考虑 1 ：n低相关 好考虑 33 指纹识别过程 331 指纹采集 将指纹通过一定的采集技术取为数字图像，爿能够进行处理和识别。而指纹图 像的质量直接影响到系统的速度和精度，因此图像采集技术是指纹识别的关键技术 之。 华北电力人学硕十学位论文 目前指纹图像采集技术主要分为以下三种： ( 1 ) 光学采集技术 光学录入技术是最成熟也最古老的指纹录入技术，只要将手指放在一块台板( 通 常使用加膜的玻璃制成) 上，就能完成手指图像录入。其工作原理是利用从光源发出 的一组光线，经过棱镜后照射在待采集手指上，由于指纹的脊和谷对光线的反射不 同，所形成的指纹纹路图像被投射到了半导体光敏矩阵器件上，形成随图像明暗变 换而改变的电信号。最后经过d 转换电路转换为一联串的数字图像信息。 ( 2 ) 基于芯片的录入技术 硅固体指纹传感器的采样原理是多样的，目前主要有电容、电阻、温度和压力 传感器等。电容式固体传感器的采样面积由近9 0 0 0 个微小电容传感单元组成，当 手指皮肤接触传感器表面时，由于指纹的脊和谷与电容传感单元之间的距离不同， 所形成的电容也不同，依靠这种容值的不同形成指纹的图像。随着电子技术的发展， 基于芯片的传感器的成本在不断降低，扫描速度和性能也有所提高，是指纹采集技 术的发展趋势之一。但目前该技术还不成熟。 ( 3 ) 超声波录入技术 超声波目前被认为是采样效果最好的指纹采样设备，当超声波源发出的超声波 通过传感器表面达到手指表面时，会被反射回去。皮肤凹陷的部分与传感器表面之 间有较多的空气及杂质，会吸附一部分超声波，这样，皮肤凸起反射回去的超声波 会比凹陷部分更强。超声波指纹传感器就是依靠反射波的强弱形成指纹纹理图像。 三种录入技术主要指标的比较见表3 2 ： 表3 2 三种指纹图像采集技术的比较 瀑 光学全反射技术硅晶体电容传感技术超声波扫 描 比较项目 耐用性非常耐用( 5 0 一1 0 0 万次)容易损坏一般 成像能力干手指差，汗多和稍脏的干手指好，但汗多的和非常好 手指成像模糊稍脏的手指不能成像 耗电较多 较少 较多 成本低 低 很高 3 3 2 指纹图像质量评测 由于外界条件等的影响，同一个手指在不同的采集过程中会表现为不同的指纹 1 2 华北电力人学硕十学位论文 图像，影响指纹识别系统的性能n 引。如手指的湿度、压力、感应器的感应机制、系 统性能等不同，导致指纹图像质量有好有坏。例如，不同的皮肤湿度会使指纹脊线 质量出现很大区别。过轻的按压力会造成前景区面积过小，而过大的按压力会导致 指纹脊线和谷线模式的变形。质量差的图像严重影响匹配效率，甚至不能进行匹配。 因此引入客观图像质量评测是十分必要的。 至今已提出多种指纹图像评测方法，如应用g a b o r 滤波器组表示指纹纹理的方 法、比对前景区和背景区的方法、基于方向图的方法等。结合图像的总体特征和局 部特征，加权综合多种评价指标，能够有效地对指纹图像质量进行评价。 3 3 2 1 指纹图像对比度评价指标 图像对比度的评价是通用的一种方法， 和( 2 ) 计算图像灰度的均值和方差。 万= 嘉善和 纥，( g ) 2 去善善( g ( “) 一面) 2 1mn 同样也适用于指纹图像。首先按公式( 1 ) ( 1 ) ( 2 ) 其中，g ( i ，j ) 是图像序列中第( i ，j ) 点的灰度值，m 、n 分别是长度和宽度。 通过比较肘与给定的阈值，可以评价图像的亮度；比较v a r ( g ) 与给定阈值n ， 可以判断图像的对比度q ，。 3 3 2 2 指纹图像有效区域评价指标 如果采集的指纹图像有效区域面积过小，严重影响后续的处理和识别，甚至无 法识别，则需要重新采集。为计算有效区域评价指标，需要分离前景区和背景区。 首先把图像分成l l 大小的子块，计算每个子块( m ，n ) 的均值和方差。 丽= 壶篡兰鲥) 所 o ，1 ，驯挑 刀( o ，l ，r 一1 ) 1埘+ 1 ) ( 疗+ i ) ， 玩以力2 壶，：丕川互+ 。( g ( l _ ，) 一m ) 2 ( 3 ) ( 4 ) 将v a r ( m ，n ) 与给定阈值t 相比较，若v a r ( m ，n ) t ，则该子块为前景区， f o r e ( m ，n ) = l ；否则，该子块为背景区，f o r e ( m ，n ) = o ，其中f o r e ( m ，n ) 为子块( m ，n ) 的 前景标志。统计前景标志为1 的块数n f ，可将有效区域指标定义为： d f = 丝其 中n t 为总块数。 。 7 1 3 华北电力人学硕十学位论文 3 3 2 3 指纹图像纹理清晰度评价指标 指纹图像由局部平行的脊线和谷线周期性地交替构成，具有很强的纹理性和方 向性，图像纹理清晰度也是评测指纹图像质量的重要指标之一。根据计算图像的方 向图，可衡量纹理清晰度。 指纹图像方向图指空域方向图。把指纹图像看作有确定纹理的流状模型，通过 计算方向场作为其方向图。方向图实际描述了指纹图像中每一个像素点所在脊线或 谷线在该点的切线方向。方向图分为点方向图和块方向图两种。点方向图即将指纹 图像中每一像素点的方向都表示出来；块方向图即把图像均匀分块，标示出每一小 块中脊线或谷线的大致方向。通常用灰度统计法或梯度统计法计算方向图，另外还 有基于二维傅立叶变换的方法等。下面是一种计算点方向图的算法n 引： ( 1 ) 首先把脊线的方向分为【0 ，2 】上的8 个方向。对于图像中的每个像素点( i ， j ) ，在以该像素为中心的9 9 窗口内，分别计算8 个方向上的灰度平均值g m ( i ) ， 净0 ，l ，7 ，然后计算互相垂直方向的平均值的差值绝对值g d i 棚) 。即：g d i 莉) = l g m 啪( i ) 一g m 。n ( i + 4 ) i ，j = o ，1 ，3 、 ( 2 ) 取差值的绝对值最大的两个方向为该点的可能的方向i m 。x ，取i m 。x 和i m 。x + 4 方向中灰度平均值与该像素的狄度平均值比较接近的方向作为该像素处的脊线方 向。 在每个图像子块中计算其各个方向的数量，判断该子块是否具有明显的方向优 势。可将纹理清晰度指标定义为： 9 = 鬻 q 。值过小说明存在大量不可识别的纹理，需要重新采集指纹图像。 3 3 2 4 综合评测 在求取了各个评测指标后，需要据此对指纹图像进行综合评测。一般，对每个 指标有一个权重w i ，由经验值所得，符合条件：w i 【o ，1 】且w i - 1 ，则综合评测 值定义为： q = 肜l q i + 形2 9 + 矿3 9 ( 5 ) 选定一个阈值，当q 小于这个阈值时，判断指纹图像不合格，提示重新采集。 3 3 3 指纹图像预处理 指纹图像预处理是自动指纹识别系统中关键部分，对后续的处理有很大影响。 预处理包括指纹图像增强、二值化和细化等过程。预处理技术可以通过空间域或频 1 4 华北电力人学硕十学位论文 域进行。 指纹图像增强是指纹识别系统中非常关键的部分。指纹增强是对指纹图像采用 一定的算法进行处理，使其纹线结构清晰化，尽量突出和保留固有的特征信息而避 免产生伪特征信息，其目的是保证特征提取的准确性和可靠性，进一步提高整个系 统的性能n 引。 二值化是将指纹灰度图像变为黑自图像的过程。国内外学者在图像的二值化方 面已做了大量的工作，常用的二值化方法有自适应阈值法、上下文滤波器二值法等。 这些方法只利用了指纹图像的灰度信息，对指纹图像的二值化效果不理想。研究表 明，通过估计指纹图像方向场，进行二值化的方法能够改善效果。 块方向图具有更强的抗噪性和更少的计算量，所以在实际处理中，常使用块方 向图。有了计算点方向的方法，就可以计算块方向。利用3 3 2 3 中的方法，将指纹 图像分为若干1 6 1 6 的小块，计算块内1 6 个方向的像素个数，以块内所有像素的 方向的平均值为该小块的脊线方向，最后使该小块内的每个像素点的方向取值为所 求块的方向。 根据每个像素点的方向场，对图像进行二值化。 i2 5 5 ，i 7 rg m n 【f 】g 鲫 如】 蛔f 1 0 ，其他情况 i v c 产( i + 4 ) m o d16 i v 。l 表示二值图像中该像素点处的值，2 5 5 为二值图像中背景和谷线的灰度图， 0 为二值图像中脊线的灰度值。 二值图像的细化主要是为了去除不必要的纹线粗细信息，使图像的数据量及连 接结构简单明了化。细化的方法很多，有经典的h i l d i t c h 算法，d e u t s c h 细化算法， 改进的o p t a 算法，基于指纹方向图的算法，基于形态学细化算法等。 3 3 4 特征提取和分类 指纹图像的特征提取直接影响后续的分类和匹配。细化二值图像、去除伪结构 后，即可进行细节特征提取。对于每个检测到的细节点，保存以下几个参数：( 1 ) 细节点的x 和y 坐标；( 2 ) 连接细节点的脊线的方向角；( 3 ) 与细节点相邻的抽样点的 坐标。图3 7 是指纹细节点特征的提取过程的一个实例。 华匕l u 力人学硕+ 学位论文 德德 图3 7 细节特征提取效果图 在大型自动指纹识别系统中，为了提高指纹数据库的检索速度，一般根据指纹 的总体特征把样本分为若干类，识别时先根据输入指纹图像的总体特征判断其类 别，再在所属类别中利用细节特征进行比对。指纹分类方法有统计法、结构法、隐 形马尔可夫分类器法、神经网络算法等，以及各种组合方法。啪”2 “ 3 35 指纹匹配 指纹匹配算法是指纹识别的核心。根据指纹特征提取的种类和方法，现行的指 纹识别算法有以下几种：基丁细节特征的匹配、基于小波特征的指纹识别、基于 g a b o r 特征的指纹识别