（测试计量技术及仪器专业论文）掌纹特征采集与识别技术及其算法研究.pdf

浙江大学硕士论文 摘要 随着计算机技术的发展和全球网络化进程的加快，信息安全问题面临着前所 未有的挑战。人体生物特征识别技术( b i o m e t r i c sr e c o g n i t i o n ) 将生物技术与信息技 术相结合，利用人体本身具有的生理特征或行为特征来进行身份鉴定，既安全又 可靠，为信息安全问题提供了一个良好的解决方案。生物识别技术今后将广泛应 用于国家安全、金融、社会福利、电子商务等领域，具有不可估量的发展潜力。 掌纹作为用于识别的生物特征之一，以其丰富的信息量、明显而稳定的特征、 低廉的系统成本等独特的优势正越来越受到人们的重视，对于掌纹识别技术的研 究也吸引了全世界很多团队的关注，与此相关的新技术和新方法不断出现。本课 题正是在这样的背景下提出的。 本文针对掌纹的具体特点，对掌纹识别系统中的相关技术做了深入的研究， 提出改进了一系列针对掌纹的图像处理、掌纹特征提取等相关的算法，并建立了 一套实际的掌纹识别系统。文章的主要内容安排如下： 第一章阐述了现代自动识别技术的发展和分类，介绍了几种常见的自动识别 技术，重点讲述了生物识别技术。从生物识别技术研究的发展和现状、现有的几 种常见的生物识别技术的优缺点、以及生物识别系统的性能评估几个方面对生物 识别技术作了详细阐述。 第二章通过掌纹的结构特征及优势、掌纹识别的基本过程、掌纹图像的获取 技术、掌纹识别研究的发展及现状等方面内容，详细介绍了掌纹识别技术。 第三章详细阐述了空域频域结合的双级匹配掌纹识别方法的基本原理及其 技术特点，主要针对频域特征的提取算法、线特征的提取算法、及其相应的特征 匹配算法进行了说明。 第四章重点阐述了实际掌纹识别系统的研制，主要包括掌纹采集装置的研制 以及掌纹识别软件的开发。 第五章对所研制的掌纹识别系统做了实验技术研究，并对实验结果做了分析 说明。此外，利用所研制的掌纹识别系统设计和建立了一个简单的门禁控制系统。 第六章对本文的研究工作进行了总结和展望。 浙江大学硕士论文 本文的主要创新点和研究工作总结如下： 1 在理论上，首次提出了空域频域结合的双级匹配掌纹识别的新方法。分别对 掌纹图像进行频域特征和空域线特征的提取和匹配，然后对两者的结果进行 “与”操作。实现双级匹配并得到最终的匹配结果。 2 首次基于空域频域结合的双级匹配掌纹识别方法建立了一套实际的掌纹识 别系统。该系统主要包括了图像采集装置的研制和软件的开发，整个系统能 够达到实时识别的要求。 3 设计开发了整套掌纹识别软件。包括图像的采集、有效研究区域提取、掌纹 特征提取、掌纹特征匹配等部分，基本实现了掌纹识别的功能。此外，针对 识别系统的用户界面需求，开发了用户注册、用户识别和验证等功能。 4 对系统做了实验验证和分析，并且基于系统建立了一个小型的掌纹模板库。 5 基于系统设计了一个简易的门禁控制系统。 关键词：生物识别，掌纹识别，傅里叶变换，频域特征，线检测器，线特征， 掌纹匹配 浙江大学硕士论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n d g l o b a ln e t w o r k st os p e e du p t h ep r o c e s s ，i n f o r m a t i o ns e c u r i t yi s s u e si sf a c i n gu n p r e c e d e n t e dc h a l l e n g e s b i o m e t r i e i d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g yi sat e c h n o l o g yw h i c hc o m b i n e si n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y w i t l lb i o t e c h n o l o g y i tu s e st h eh u m a nb o d y sp h r s i c a lc h a r a c t e r i s t i c so rb e h a v i o r a l c h a r a c t e r i s t i c sf o ri d e n t i f i c a t i o n b i o m e t r i ci d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g yi ss a f e ra n dm o r e r e l i a b l et h a nt h et r a d i t i o n a li d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g y , a n dp r o v i d e sag o o ds o l u t i o nt o t h ei n f o r m a t i o ns e c u r i t yi s s u e s b i o m e t r i ct e c h n o l o g yw i l lb ew i d e l yu s e di nt h ef u t u r e n a t i o n a ls e c u r i t y , f i n a n c i a li s s u e s ，s o c i a lw e l f a r e ，e - c o m m e r c ea n do t h e rf i e l d s ，w i t h i n c a l c u l a b l ep o t e n t i a lf o rd e v e l o p m e n t p a l mp r i n t s ，a so n eo ft h eb i o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c su s e dt oi d e n t i f i c a t i o n ，h a st h e u n i q u ea d v a n t a g e so fa b u n d a n ta m o u n to fi n f o r m a t i o n ，c l e a ra n ds t a b l ec h a r a c t e r i s t i c s ， l o w - c o s ts y s t e m s ，r e c e i v e sp e o p l e sm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n p a l mp r i n t sr e c o g n i t i o n t e c h n o l o g yh a sa t t r a c t e dm o r ea n dm o r et e a m sa r o u n dt h ew o r l dt ot a k ep a r ti nt h i s r e s e a r c h al o to fn e wt e c h n o l o g i e sa n dn e wm e t h o d sa s s o c i a t e dw i t ht h i st e c h n o l o g y c o n t i n u et oe m e r g e ， i nt h i sp a p e r , b a s e do na ni n - d e p t hs t u d yo fp a l mp r i n t s s p e c i f i cc h a r a c t e r i s t i c s a n dt h er e l a t e dk n o w l e d g eo fp a l mp r i n t si d e n t i f i c a t i o ns y s t e m ，w ep r o p o s e das e r i e s o fi m a g ep r o c e s s i n ga n dr e l e v a n tf e a t u r ee x t r a c t i o na l g o r i t h m sf o rp a l mp r i n t s b e s i d e s ，w ee s t a b l i s h e dar e a ls e to fp a l mp r i n t sr e c o g n i t i o ns y s t e mb a s eo nt h e r e l a t e da l g o r i t h m s t h ec o n t e n to ft h i sp a p e rp r e s e n t e da sf o l l o w i n g ： i nc h a p t e r1 ，f i r s tw ei n t r o d u c e dt h ed e v e l o p m e n ta n dc l a s s i f i c a t i o no fm o d e m 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 o l o g y s e v e r a lc o m m o na u t o m a t i ci d e n t i f i c a t i o n t e c h n o l o g i e sw e r e 龋e 对i n t r o d u c e d t h e ne s p e c i a l l y ，w ed e t a i l e di n t r o d u c e d b i o m e t r i ct e c h n o l o g yi nt e r m so fi t sr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n ts t a r e sq u o a d v a n t a g e s a n dd i s a d v a n t a g e so fs e v e r a le x i s t i n gc o m m o nb i o m e t r i ct e c h n o l o g y ，a n dt h e e v a l u a t i o ns t a n d a r do fb i o m e t r i ci d e n t i f i c a t i o ns y s t e m s 浙江大学硕士论文 i nc h a p t e r2 ，t h r o u g ht h es t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c sa n d a d v a n t a g e so f p a l mp r i n t s ， t h eb a s i ci d e n t i f i c a t i o np r o c e s s i n go fp a l mp r i n t s ，t h ea c q u i s i t i o n t e c h n o l o g i e so fp a l m p r i n t si m a g e s ，a n dt h ed e v e l o p m e n ts t a t u sq u oo fp a l mp r i n t s r e s e a r c h , w ed e t a i l e d d e s c r i b e da b o u tp a l mp r i n t si d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g y i nc h a p t e r3 ，t h eb a s i cp r i n c i p l ea n dt e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fa t i m e - f r e q u e n c y c o m b i n e dt w o s t a g em a t c ha l g o r i t h mf o rp a l mp r i n t sw a sp r e s e n t e d w em a i n l y d e s c r i b e dt h ea l g o r i t h mo ff r e q u e n c yd o m a i nc h a r a c t e r i s t i c s e x t r a c t i o n , t h el i n e f e a t u r ee x t r a c t i n ga l g o r i t h m sa n dt h e i r c o r r e s p o n d i n gf e a t u r em a t c h i n ga l g o r i t h m s i nc h a p t e r4 ，w ee x p o u n d e dt h ee s t a b l i s h m e n to fo u r p a l mp r i n t si d e n t i f i c a t i o n s y s t e m t h es y s t e mm a i n l yi n c l u d e sp a l mp r i n t si m a g ea c q u i s i t i o nd e v i c ea n dt h e c o r r e s p o n d i n gr e c o g n i t i o ns o f t w a r e i nc h a p t e r5 ，w eh a v e d o n es o m ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c hb a s e do no u r p a l mp r i n t s r e c o g n i t i o ns y s t e m ，a n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sw e r es h o w e da n da n a l y z e di nt h i s c h a p t e r i na d d i t i o n ，w eh a v ed e s i g n e da n db u i l tas i m p l ea c c e s sc o n t r o ls y s t e mu s i n g t h ep a l mp r i n t sr e c o g n i t i o ns y s t e m c h a p t e r6w a st h ec o n c l u s i o na n dp r o s p e c to fo u rr e s e a r c hw o r k t h em a i ni n n o v a t i o na n dr e s e a r c hw o r ki nt h i sp a p e rs u m m a r i z e da sf o l l o w i n g ： 1 i na s p e c to ft h e o r y ，f o rt h ef i r s tt i m e ，w ep r o p o s e dt h en e wt i m e - f r e q u e n c y c o m b i n e dt w o - s t a g em a t c ha l g o r i t h mf o rp a l mp r i n t sr e c o g n i t i o n t h ef r e q u e n c y c h a r a c t e r i s t i c sa n dl i n ef e a t u r eo fp a l mp r i n t sw e r ee x t r a c t e da n dm a t c h e d r e s p e c t i v e l y ，a n dt h e nt h et w om a t c h i n gr e s u l t sw e r ec a r r i e do u ta l l ”a n d ” o p e r a t i o nt oa c h i e v et h ef i n a lm a t c hm s d t 2 f o rt h ef i r s tt i m e ，w ee s t a b l i s h e dt h ep r a c t i c a lp a l mp r i n t si d e n t i f i c a t i o ns y s t e m b a s e do i lt h et i m e f r e q u e n c yc o m b i n e dt w o s t a g em a t c ha l g o r i t h m t h ew h o l e s y s t e m c o n t a i n st w om a i n p a r t s ：t h ei m a g ea c q u i s i t i o nd e v i c e a n dt h e c o r r e s p o n d i n gs o f t w a r e t h ee n t i r es y s t e mc a nm e e tt h er e q u i r e m e n t so fr e a l - t i m e i d e n t i f i c a t i o n 3 w eh a v ed e v e l o p e dap r a c t i c a lp a l mp r i n t si d e n t i f i c a t i o ns y s t e m t h es y s t e mc a n a c q u i r et h er e a l - t i m ei m a g eo ft h ep a l mp r i n t s a n di tc a na c h i e v et h ef u n c t i o n so f e x t r a c t i n gt h ee f f e c t i v er e g i o n ，r e l a t e di m a g ep r e p r o c e s s i n g ，p a l mp r i n t sf e a t u r e i v 浙江大学硕士论文 e x t r a c t i o n , f e a t u r em a t c h i n g ，a n ds o m ea s s i s t a n tf u n c t i o n s f u r t h e r m o r e ，w e d e v e l o p e dt h eu s e ri n t e r f a c e ，i tc a l ld oa u t ou s e ri n f o r m a t i o nr e g i s t r a t i o n ，u s e r i d e n t i f i c a t i o na n da u t h e n t i c a t i o n 4 w eh a v ed o n et h ee x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o na n da n a l y s i sb a s e do no u rs y s t e m ， a n de s t a b l i s h e das m a l lp a l mp r i n t st e m p l a t el i b r a r y 5 w eh a v ed e s i g n e da n ds e tu pas i m p l ea c c e s sc o n t r o ls y s t e mb a s e do nt h ep a l m p r i n t sr e c o g n i t i o ns y s t e m k e y w o r d s ：b i o m e t r i ci d e n t i f i c a t i o n ，p a l mp r i n t sr e c o g n i t i o n ，f o u r i e rt r a n s f o r m ， f r e q u e n c yf e a t u r e ，l i n ed e t e c t o r , l i n ef e a t u r e ，p a l mp r i n t sm a t c h i n g v 浙江大学硕士论文 第一章绪论 1 1 现代自动识别技术概述 自动识别技术是一种能够自动读识信息数据并自动输入计算机的方法，它是 在通信技术和计算机科学发展的基础上形成的综合性科学技术。在近几十年的时 间里，自动识别技术在全球范围内得到了迅猛发展，已经形成了一个以条码识别 技术、射频识别技术、生物识别技术及光学字符识别技术等为代表的集光、机、 电、算为一体的高科技学科系统。 计算机已经成为当今信息社会所不可缺少的工具，然而传统的通过键盘手工 输入数据的方法耗时且错误率高，大大限制了计算机的进一步发展。自动识别技 术的崛起为计算机能够快速、准确地进行数据采集提供了一个有效的解决方案。 国际上，按照数据采集技术的不同和特征提取技术的不同，对自动识别技术作了 分类【。具体分类情况如图1 1 所示。下面介绍几种常见的自动识别技术： 1 条码技术 条码识别( b a rc o d er e c o g n i t i o n ，b c r ) 技术是目前应用最广泛的一种自动 识别技术。条码最早出现于2 0 世纪4 0 年代，不过其得到实际应用及发展还是在 最近的2 0 年里。条码技术中最为人所熟知的还是应用于通用商品流通上的p o s 系统，在许多欧美国家和同本，p o s 系统的普及率已经达到9 5 以上。条码技 术的核心在于条码符号，也就是通常在产品包装上看到的，由一组按一定规则排 列的条、空及数字组成的符号。这种用条、空组成的数据编码容易由机器识读， 译成二进制数和十进制数。不同组合方式的条空图案可以构成不同的符号，适应 于不同的应用场合。 条码识别系统的识别过程大致如下1 2 j ：首先，条码符号被一个红外线或可见 光源所照射，深色的条吸收光，浅色的空则反射光，运用扫描器将光的反射信号 转换成电子脉冲信号，模拟出条空的格式，然后再通过译码器运用一定的算法将 电子脉冲信号转换为二进制码，再将译码后的信息传送给手持终端机或计算机系 统。 条码技术的优点在于：( 1 ) 简单，其符号的制作简单，扫描操作容易实现； 浙江大学硕士论文 ( 2 ) 信息采集速率快，利用条码扫描进行信息输入的速率约为计算机键盘输入 速率2 0 倍；( 3 ) 可靠性高，利用条码扫描进行信息输入的误码率仅为百万分之 一，而利用键盘录入数据的误码率约为几百分之一；( 4 ) 灵活、使用简单，条码 符号和相关设备结合可以实现整个系统的自动化管理，无需对使用者进行复杂培 训；( 5 ) 条码自动识别技术所牵涉的设备成本较低。 2 射频识别技术 射频识别技术( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ，r f i d ) 是2 0 世纪9 0 年代兴 起的一种自动识别技术，其基本原理是电磁理论。射频识别标签是由特殊的信息 编码制成的电子标签，该标签被粘贴于需要识别或追踪的物体上，如车辆、货架、 动物等。 通用的射频识别系统的工作过程如下【3 】：射频读写器在一个特定区域发射能 量形成一个电磁场，射频应答器在经过该电磁场区域时检测到读写器的信号后发 送存储的数据信息，读写器接收应答器所发送的信号，解码并检验数据的准确性， 从而达到识别的目的。 射频系统的识别距离比光学系统远，射频识别标签具有可携带大量数据、难 伪造、智能性能特点，此外，射频识别技术与其他自动识别技术相比，具有可非 接触识别，能识别高速运动的物体的特点，并且具有抗恶劣环境，保密性强，能 同时识别多个识别对象等优点。因此，射频识别系统被广泛地应用于车辆识别、 物体跟踪、生产过程控制等领域。 3 光字符识别技术 早在2 0 世纪5 0 年代初，当条码刚开始在零售业中使用时，光字符识别 ( o p t i c a lc h a r a c t e rr e c o g n i t i o n ，o c r ) 技术就已经进入商业化应用阶段，最初 它的目标只是为了识别手写体。通过设计一类用于读识的“特殊字符”( 包括字母、 数字和特殊符号) ，为机器扫描读识提供了一种非键盘输入的高速信息输入方法。 与条码技术不同的是，这些字符能够被人类所读识。近几年出现的图像字符识别 ( i m a g ec h a r a c t e rr e c o g n i t i o n ，i c r ) 和智能字符识别( i n t e l l i g e n tc h a r a c t e r r e c o g n i t i o n ，i c r ) 的基本原理与o c r 的大致相同【4 1 。 o c r 的特点在于：可以被人眼所读识，可扫描，但是输入数据的速率和可 靠性不如条码，且数据格式有限，通常需要用接触式扫描器。 浙江大学硕士论文 o c r 系统多用于财务部门处理票据、帐务等业务，也大量用于文档密集的 保险业和保健业中，同时也常用于出版社、图书馆等用计算机录入印刷文档的领 域。医药行业也经常使用o c r 来保证关键标签和日期数字的准确性。在某些应 用场合如在需要人眼识读的应用中，o c r i c r 比条码更适合，在识读打字的文 件或计算机印刷材料的应用中，o c r i c r 更为理想。 f 条码 厂，光存储器_ 矩阵码 ll 光字符识别等 l厂触摸式存储 厂数据采集技术弋 电存储器t 霉嚣睾蒌射 ll 磁存储器丁鬟羹喜慧 自动识别技术 j l 微波等 1f ，静态特征 翼差能量扰动 l 特征提取技术j 动态特征f 萎蓁签名 il 键盘敲击 ir 物理属性 l 属性特征 笙荔震藿 浙江大学硕士论文 1 2 生物识别技术综述 1 2 1 生物识别技术研究的发展及现状 当今社会已进入信息化时代，信息社会对系统和信息的安全要求日益提高， 需要对人的身份进行识别的安全保护系统的应用场合也越来越多。过去，人们更 多地依赖于钥匙、证件、智能卡、口令等保护措施，然而即使使用了这类的保护 措施，各种各样的损失时有发生，并且增加了各种服务的开销。 如今越来越多的电子设备开始进入日常生活，如个人电脑、a t m 存取款机、， 门禁控制系统、蜂窝电话等，这些“背靠背”式工作的设备所提供的服务很难保证 服务对象的合法性，在这种情况下出现了一群“专业人士”，他们通过各种方法盗 取他人的密码、身份证号、口令卡等以牟取私利。据统计，每年由假信用卡、取 款机诈骗、移动电话诈骗等所造成的损失就达到了近百亿美元，而且还在逐年增 长。 随着电子商务的迅速发展，越来越多的人成为网购一族，这种只要通过网络， 而不需要买卖双方进行直接见面交易的方式，给用户带来了很大的方便。但是随 着交易量的增加，一些潜在的不安全因素也逐渐暴露出来。 正是由于这些因素，人们开始把目光转向了生物识别技术，希望可以借此技 术解决信息安全问题所面临的挑战。生物识别技术的前身是生物测定技术，其源 头可以追溯到古埃及时期，当时的埃及人通过测量人体的尺寸束鉴别他们，像这 种基于测量人体某一部分或举止的某一方面的识别技术一直延续了几个世纪。现 代的生物特征识别是指通过计算机利用人体固有的生理或行为特征来进行身份 识别和鉴定的技术【5 1 。人们通常将生理特征和行为特征统称为生物特征，常用的 生理特征有指纹、掌纹、虹膜、视网膜、人脸等，常用的行为特征有语音、签名、 步态、姿势等，此外还有较深奥的d n a 识别、人体热辐射识别、血管纹理识别、 人体气味识别等，图1 2 给出了人体生物特征的一些具体例子。各种生物识别技 术在精确度，用户接受程度，成本等方面都各有不同，具有各自的优缺点，适用 于各自的应用场合【6 1 。 与传统的身份识别方式相比，基于生物特征识别的身份鉴定技术具有以下优 点：( 1 ) 防伪性能好，不易伪造、被盗；( 2 ) 唯一性、稳定性好，识别精度高； 4 浙江大学硕士论文 ( 3 ) 不易遗忘或丢失，“随身携带”，随时随地可使用。此外，基于各种生物特 征识别技术的身份识别系统具有很好的安全性、可靠性和有效性，正越来越受到 人们的重视，并开始进入社会的各个领域【刀。 图1 2 人体生物特征的具体例子 生物识别技术适用子大多数需要进行安全性防范的场所，遍及诸多领域，在 i t 、金融证券、安全、教育、海关等行业的众多应用系统中都具有广泛的应用前 景。近几年来，生物特征识别技术已经从研究阶段转向应用阶段，对该技术的应 用研究正进行得如火如茶，前景十分广阔。图1 3 和图1 4 所示分别为国际生物 特征组织i b g ( 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 ) 所做的2 0 0 7 年各种生物识别技术 所占的市场份额调查结果以及2 0 0 7 - 2 0 1 2 年的产业年收入增长预测【8 】。 a f i s 3 3 6 9 血 膜5 1 4 7 图1 32 0 0 7 年各种生物特征识别技术的市场份额 浙江大学硕士论文 8 0 0 0 0 7 0 0 0 0 6 0 0 0 0 5 0 0 0 0 4 0 0 0 0 3 0 0 0 0 2 0 0 0 0 1 0 0 0 0 o o 5 63 ： 6 5；3 ，4j 。17 ， 8 9 3 一 露l - i 4 6 i 1 2 3 8 ：3 2 6 露- i 黛i 3 0 - - i 2 0 0 72 0 0 82 0 0 9 图1 42 0 0 7 2 0 1 2 年生物识别产业年收入( 单位：百万美元) 1 2 2 几种典型的生物识别技术的优缺点 生物识别技术经过多年的发展，现在为人们所熟悉的生物识别技术有指纹识 别、虹膜识别、人脸识别、语音识别等，各种生物识别技术在精确度，用户接受 程度，成本等方面都各有不同，而且具有各自的优缺点，适用于各自的应用场合。 1 指纹识别技术 指纹是指手指末端正面皮肤上凹凸不平的纹路，这些纹路起到了增加手指表 面摩擦力的功能。指纹识别是最古老的生物特征识别技术，已经成功运用到很多 领域中。公元前中国的一些商契上就有了用按指印作为凭证的例子，1 8 8 0 年苏 格兰医生h e n r yf a u l d s 在英国的“n a t u r e ”上发表论文，指出指纹人各不同、恒久 不变，并利用现场指纹来鉴定罪犯，从此揭开了现在指纹识别研究的序幕，也开 拓了其他生理特征识别技术的发展【9 ，1 0 1 。 指纹是识别具有很多的优点，如每个人的指纹都是读一无二的，且指纹相当 固定，不会随着年龄的增长或健康程度的变化而变化；指纹样本容易获取，对指 纹采集装置的研究已经得到了较好的成果；一般人都有十个手指，且每个手指的 指纹皆不同，因此可以利用多个指纹构成多重密钥，提高系统的安全性等。 指纹识别具有很好的可靠性，但是系统很大程度上依赖于获得的指纹图像的 质量。影响指纹识别率的因素主要有噪声、变形等。例如脏手指、手指的龟裂、 疤痕等，以及在不同时期不同季节间指纹的差异，手指按压过程中的变形、扭曲、 6 浙江大学硕士论文 拉伸，采集设备的表面残留物带来噪声等原因，都会影响采集到的指纹图像的质 量1 1 ，1 2 1 。 2 虹膜识别技术 虹膜识别是当前生物识别的一大热点【1 3 1 5 1 。虹膜是位于瞳孔和巩膜之间的 环形区域，它的纹理结构是随机的，其形态依赖于胚胎的发育；具有高稳定性， 可以保持几十年不变，且不受除光线以外的周围环境的影响；防伪性好，虹膜自 身具有规律性的震颤以及随光强变化而缩放的特性，可以识别出图片等伪造的虹 膜；易使用，虹膜识别系统不需要与人体直接接触，此外，虹膜固有的环形特性， 为识别算法提供了天然的极坐标，分析方便。 尽管虹膜识别系统具有很高的识别精度，但是也存在如下缺点：图像采集设 备复杂、昂贵，需要比较好的光源，系统成本高；当前的虹膜识别系统还没有进 行现实世界的唯一性认证的试验；由于涉及眼睛这一敏感部位，用户具有一定的 排斥性；此外，研究发现黑眼睛的虹膜极难读取。 3 人脸识别技术 人脸识别是一个活跃的研究领域【1 6 18 1 。人脸识别具有以下优点：( 1 ) 其他 生物特征识别方法都需要一定的人为配合，而人脸识别不需要被动配合，可以使 用在某些隐蔽的场合；( 2 ) 可以远距离采集人脸：( 3 ) 充分利用已有的人脸数 据库资源，更直观、更方便地核查身份，因此可以降低成本。人脸识别主要有 两方面工作：在输入的图像中定位人脸；抽取人脸特征进行匹配识别，其核心技 术在于局部特征分析和图形识别算法。 人脸识别无侵害性和对用户最自然，最直接的特点使人脸识别成为最容易被 接受的生物特征识别方式。但由于人们利用人脸确认身份的时候，除了使用眉毛、 眼睛、鼻子、嘴等面部特征以外，通常还要用到大量的上下文信息，没有这些上 下文信息，很难做到高置信度的识别，此外人脸识别受化妆、表情、姿势，光照 变化等影响比较大，因此人脸识别的准确率要低于虹膜、指纹识别。 4 语音识别技术 语音特征同样是每个人都不同，语音识别是一种行为特征识别技术，通过将 语音转换为电子信号，然后将这些信号输入具有特定含义编码模式中，再连接计 浙江大学硕士论文 算机系统就可以控制某些特殊的活动，如打开某个文件、发出某个信息等。目前， 语音识别技术已经得到较广泛的研究，并已出现很多产品应用于信息查询、电话 交易、保安系统等领域。语音识别技术的识别过程主要包括声音信号的分割，语 音特征提取、模式匹配准则和样本训练技术等几方面。 语音识别技术的优点在于：( 1 ) 系统的成本低廉，现代多媒体计算机系统 中，语音采集设备已经逐渐成为标准配置；( 2 ) 非接触性的语音识别是一种比 较自然的识别手段，用户比较容易接受；( 3 ) 随着c p u 的升级和内存容量的增 大，语音识别的能力会得到很大的提高，从而语音将成。但是同其他基于行为特 征的识别技术一样，因为语音的变化范围太大，很难进行精确匹配，因此其识别 准确率较低，同一个人由于音量、语速、语气的变化等原因会造成系统的误识， 特别当模板数量达到一定程度后，语音特征就不足以唯一地区分每个人，而且它 容易受到背景噪声、被检测者身体、情绪状态的影响。此外，语音信息很容易被 伪造，如用录音等方法就可以欺骗系统【1 睨。 5 签名识别技术 签名识别也是一种行为特征识别技术，目前签名大多还只适用于文档证明和 交易授权等方面。签名识别建立在签名上的力度，分析的是笔的移动，如加速度、 压力、方向及笔画长度等，而不是仅仅针对签名图像本身，每个人都有自己独特 的书写风格。人类在很久以前就开始使用签名来鉴别身份，因此用户接受度高。 签名认证的困难在于：识别速度比较慢；识别所需的硬件设备价格较高；数 据的动态变化范围大，即使是同一个人的两个签名也绝对不会相同，因此字体模 仿比较容易【2 2 2 4 】。 1 2 3 生物识别系统的性能评估 由于各种不确定的因素的影响，在不同时间、不同地点从同一个人处采集的 同一个生物信号不会完全一样( 如位置、方向、压力等) ，因此不能保证对同一 生物特征的不同样本的匹配达到1 0 0 的准确。事实上，在识别过程中输入的生 物特征与已注册的生物特征进行的是不精确匹配，即预先定义一个反应匹配度的 阈值，当匹配度大于这个阈值时，判定该用户为合法用户而被接受，反之，当匹 配度小于这个阈值时，则判定该用户不合法而拒绝。 8 浙江大学硕士论文 生物识别系统的性能由识别率来衡量，识别率表征的生物识别技术的准确 性。一般地，识别率主要由两种错误率来描述，即误拒率( f a l s er e j e c tr a t e ，f r r ) 和误识率( f a l s ea c c e p tr a t e ，f a r ) 。误拒率是指系统将合法用户误认为假冒者而 拒绝的概率；误识率是指系统将假冒者当成合法用户而接受的概率。误拒率和误 识率分别可以用下面的公式表示： f r r = n f 洲a a 1 0 0 ( 1 1 ) f a r = n f a n i a x l 0 0 ( 1 2 ) 式中，f r r 表示误拒率，n f r 表示合法用户被错误拒绝的次数，n a a 表示合法 用户尝试的次数；f a r 表示误识率，n f a 表示假冒者被错误接受的次数，n i a 表示假冒者尝试的次数。当f r r = f a r 时，称f r r 或f a r 为等误率( e q u a le r r o r r a t e ，e e r ) 。 一个生物识别系统的f r r 和f a r 反映了该系统两个不同方面的性能。f r r 越小，表示合法用户被拒绝的概率越低，从而反应了系统的使用性更好；f a r 越低，表示非法用户进入系统的概率越小，从而反应了系统的安全性更高。对任 何一个生物识别系统而言，f r r 和f a r 固然是越低越好，然而实际情况是这两 个错误率是矛盾的，不能达到同时降低，其中任一项值的降低必将引起另一项值 的升高。因此，应根据不同的应用来这种调节f a r 和f r r ，如在民用系统中， 系统的安全性要求不是很高，则为了方便使用，应相应降低f r r 值；而在对安 全要求较高军事系统中，则应相应地降低f a r 值。 为了更好地体现f f r 和f a r 之问的关系，通常将不同阈值下的f r r 和f a r 值建立成二维坐标系，将该坐标系中的一系列点( f a r ，f r r ) 绘制成曲线，称 得到的曲线为r o c ( r e c e i v e ro p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c ) 曲线 2 5 , 2 6 】。图1 5 是r o c 曲线的一个例子。r o c 曲线清楚地反应了f f r 和f a r 之间的关系，且利于不同 生物识别系统之间的性能比较，因此，r o c 曲线成为了评判生物识别技术的一 个重要标准。此外，生物识别系统对信息存储空间的要求和系统的响应速度( 或 响应时间) 也是衡量生物识别技术的重要指标。 9 浙江大学硕士论文 oo 10 20 30 40 50 60 70 80 91 f a r 图1 5r o c 曲线的一个例子 1 3 本文的研究内容及研究成果 随着信息安全问题在当今社会越来越受到关注，生物识别技术得到了迅猛发 展。传统的身份认证方式往往采用密码、证件、钥匙、特定问题等作为使用者进 入内部系统的权限，丽这些认证方式存在很多的缺陷，如密码容易遗忘和被修改， 证件、钥匙携带不便，容易丢失和被盗，更容易被仿制等。特别对于那些安全要 求很高的场合，对更方便、更安全的新的认证方式的需求就更加迫切了，生物识 别技术的出现为传统认证方式的不足提供了一个很好的解决方案。 掌纹识别技术作为一种新兴的生物识别技术，经过几年的研究发展已经可以 达到商用的要求。而掌纹特征相对其他生物特征有着其独特的优势，因此越来越 多的研究者开始投入到这样工作中。正是在这样的背景下，提出了本文的研究课 题，主要研究内容和章节如下： 第一章阐述了现代自动识别技术的发展和分类，简单介绍了条码识别技术、 射频识别技术等几种较为常见的自动识别技术，重点介绍了生物识别技术。从生 物识别技术研究的发展和现状、现有的几种常见的生物识别技术的优缺点、生物 识别系统的性能评估这几方面对生物识别技术作了详细阐述。 l o l 9 8 7 6 5 4 3 2 l o m 仉 m 仉 m m m m m 9 6 筮筮臣 浙江大学硕士论文 第二章通过掌纹的结构特征及优势、掌纹识别的基本过程、掌纹图像的获取 技术、掌纹识别研究的发展及现状等方面内容，详细介绍了掌纹识别技术。 第三章详细阐述了空域频域结合的双级匹配掌纹识别方法的基本原理和技 术特点。主要针对频域特征的提取算法、空域线特征的提取算法、以及相应的特 征匹配算法进行了说明。 第四章重点介绍了实际的掌纹识别系统的研制。主要包括掌纹采集系统的研 制以及掌纹识别软件的开发。 第五章对所研制的掌纹识别系统做了实验技术研究，并对实验结果做了分 析，并且利用研制的掌纹识别系统设计和建立了一个简单的门禁控制系统。 第六章对本文的研究工作进行了总结和展望。 在整个研究课题中，我的主要工作和创新之处如下： 1 。在理论上，首次提出了空域频域结合的双级匹配掌纹识别的新方法，分别对 掌纹图像进行频域特征和空域线特征的提取和匹配，然后用“与门”实现双级 匹配得到最终匹配结果。 2 基于空域频域结合的双级匹配掌纹识别方法建立了实际的掌纹识别系统，主 要包括图像采集装置和软件的研制，整个系统能够达到实时识别的要求。 3 设计开发了整套掌纹识别软件，包括图像的采集、有效研究区域提取、掌纹 特征提取、掌纹特征匹配等部分，基本实现掌纹识别的功能。并开了用户注 册、身份验证和身份识别等功能。 4 对系统做了实验验证和分析，并且基于系统建立了一个小型掌纹模板库。 5 基于系统设计并建立了一个简易的门禁控制系统。 浙江太学硕士论文 第二章掌纹识别技术概述 2 1 掌纹的结构特征及其优势 2 1 1 掌纹的结构特征 人类手掌上的特征非常丰富，除了表征手掌大小、厚度的几何特征外，还包 括一些有着大致的分布规律而又杂乱无章的纹线和类似指纹的纹路，以及一些细 节点，这些特征构成了掌纹识别的主要依据。其中掌纹主要特征由屈肌纹 ( p 衄糊l i n e s ) 、褶皱( w r i n k l e ) 和乳突纹( m 趣e ) 三种纹线组成 2 7 1 ，如图 2 1 所示。 图2