（机械设计及理论专业论文）基于掌纹识别的手机身份认证系统.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 生物认证技术是当前学术研究和实际应用的热点之一，在社会生活中具有 越重要的地位和作用。掌纹识别技术具有无侵害性、成本低等优点，具有广瞬 用前景。 手机作为一种通讯工具，已经越来越多地融入了人们的生活中。手机具有 能和服务也越来也丰富，这就对手机的安全保护措施提出更高的要求。本文在 掌纹识别的相关技术的基础上，开发出一个手机掌纹识别身份认证系统。论支 工作包括以下内容： 1 根据系统地需求和功能分析，确定了系统的工作流程和各个功能模块。 基础上设计掌纹识别身份认证系统地注册、认证和阈值设定等功能的窦 法，选择了系统的开发平台和测试平台o 2 研究掌纹识别的图像预处理技术，主要包括掌纹有效区域的定位和灰度 理。确定了掌纹几何归一化方法和灰度归一化方法。 3 分析并对比各种掌纹识别算法的优缺点，选择f i s h e r 掌方法作为系统蕺 识别算法，采用c , a b o r 小波变换来增强掌纹识别在光照变化下的鲁棒性 高识别效率。详细介绍这种掌纹识别算法的原理，用选定的评钡9 标准别 识别算法进行了测试。实验结果表明，本文的识别算法取得了较好的谚 果。在开发基于掌纹识别的手机身份验证系统中针对手机设备的特点列 识别处理进行了简化。 4 开发出一个实际的手机掌纹识别身份认证系统，系统实现了实时的掌纹； 预处理，特征提取，用户注册，用户认证，阈值设定等功能。然后在掌 和实际环境中对系统的各种性能指标进行了测试。实验结果表明，本支 的系统达到了较高的识别率( e e r 7 ) 和实时性要求。 关键词：生物特征识别；移动通信；掌纹识别；f i s h e r 掌；g a b o r 小波 基于掌纹识剐的手机身份认证系统 am o b i l ep h o n ep a l m p r i n t - b a s e da u t h e n t i c a t i o ns y s t e m a b s t r a c t b i o m e t r i ct e c h n o l o g yi so n eo ft h e h o ti 啪s e so na c a d e m i cr e s e a r c ha n dp m c t c a l s e c u r i t ya p p l i c a t i o n ，a n dp h y sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n tr o l ei ns o c i e t yf i v e s p a l m p r i n t r e c o g n f t f o na n dv e r i f i c a t i o nh a sw i d ea p p l i c a t i o nf o r e g r o u n df o rt h e r e a s o nt h a ti ti s c o n s i d e r e dt ob ean o n i n v a s i v e ，l o wc o s t , a n dn a t u r a lb i o m e t r i ct e c h n o i o g y m o b i l ep h o n ei sc o m i n gi n t op e o p l e se v e r yl i r e sa sc o m m u n i c a t i o nt o e l a n dt h e f u n c t i o n sa n ds e r v i c e so f m o b i l ep h o n ea r eg e t t i n gm o r ea n dm o r ea b u n d a n t , a n dt h i s b r i n g sf o r w a r dt h eh i g i ls e c u r i t yd e m a n do fm o b i l ep h o n e 砌st h e s i sd e a l sw i t hp a l m p r i n t r e c o g n i t i o na n dd e v e l o p m e n to f ap a l m p r i n tr e c o g n i t i o na n dv e r i f i c a t i o ns y s t e m n em a i n c o n t e n t so ft h et h e s i sa r el i s t e da sf o l l o w s ： 1 b a s e do nt h er e q u i r e m e n t sa n df u n c t i o n a la n a l y s i so ft h es y s t e m ，t h ew o r k f l o w a n df u n c t 幻n a lm o d u l e so ft h es y s t e ma r ed e t e r m i n e d t h e nt h e p a l m p r i n ta u t h e n t i c a t i o n s y s t e m ss c h e m eo fe n r o l l m e n t v e r i f i c a t i o n , s e t t i n ga r ed e s i g n e da n dt h ed e v e l o p m e n ta n d t e s t i n gp l a t f o r ma n da l ei m p l e m e n t e d 2 p a l m p r i n ti m a g ep r e p r o c e s s i n gt e c h n o l o g i e sa r es t u d i e d ，i n c l u d i n gt h ea l g o r i t h m o fr o i ( r e g i 彻o fi n t e r e s t ) a n dg r a yp r e p r o c e s s i n g 1 1 g e o m e t r i cn o r m a l i z a t i o n t e c h n i q u ea n dt h ep h o t o m e t r i cn o r m a l i z a t i o nt e c h n i q u ef o rs y s t e ma r em a d ec e l t a l u 3 m e r i ta n ds h o r t c o m i n go fc u r r e n tp a l m p r i n tr e c o g n i t i o nt e c h n o l o g i e sa r e d i s c u s s e d 1c h o o s ef i s h e r p a l mt ob et h ea l g o r i t h mo fs y s t e m a n do a b o rw a v e l e ti s s e l e c t e dt oe n h a n c et h er o b u s tt ol i g h t i n gv a r i a t i o n sa n de f f i c i e n c y t h ep r i n c i p l eo ft h i s a l g o r i t h mi si n t r o d u c e di nd e t a i l f u n c t i o n so ft h ea l g o r i t h ma r et e s t e du s i n gt h ep r o p o s e d e v a l u a t i o nc r i t e r i o n t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e da l g o r i t h mp r o v i d e s b e t t e rp e r f o r m a n c ec o m p a r e d a n dt h ep a l m p r i n tr e c o g n i t i o na l g o r i t h mi st e s t e do nm o b i l e p h o n e t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h ea l g o r i t h mg e t sag o o dp e r f o r m a n c ei n p a i m p r i n tr e c o g n i t i o n ，i nt h ed e v e l o p m e n to fs y s t e m ，t h ep a l m l n i a tr e c o g n i t i o na l g o r i t k m i sp r e d i g e s t e db e c a u s eo f t i 抡s h o r t a g eo f m o b i l ep h o n e 4 a p a l m p r i n tr e c o g n i t i o na n da u t h e n t i c a t i o ns y s t e mi sd e v e l o p e do nm o b i l e p h o n e ，a n di tp r o v i d e st h ef u n c t i o no fp a l m p r i n to r i e n t a t i o n , p a l m p r i n ti m a g e p r e p r o c e s s i n g , f e a t u r ee x t r a c t e d , u s e re n r o l l m e n t , u s c rv e r i f i c a t i o na n d t h r e s h o l ds e t t i n g t h e nt h es y s t e mi st e s t e di np a l m p r i n td a t a b a s ea n dr e a l - l i f ea p p l i c a t i o ne n v i r o n m e n t n c e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w t h a tt h es y s t e ma p p r o a c h e sh i 醢r e c o g n i t i o nr a t e 但e r 7 ) 一i i 大连理工大学硕士学位论文 k e yw o r d s ：b i o m e t r i ef e a t u r er e c o g n i t i o n ；m o b i l ec o m m u n i c a t i o n ；p a l m p r i n t r e c o g n i t i o n ；f i s h e r p a l m ；g a b o r w a v e l e t i i ! 一 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。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或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：冱至士日期：塑呈：星 大连理工大学硕士研究生学位论空 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名： ! 墨互一亡 导师签名： 生垒盔呈是 塑年月卫日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 生物特征识别技术概述 在现代信息社会。电子网络等越来越多地融入我们的生活。随之也产生了信息安全 这一全球性问题。传统的身份认证方法，一是基于物品的身份认证方法，如钥匙、 卡等，但这种认证方法存在容易遗失、伪造或损坏的缺点，二是基于知识的身份认证方 法，如密码、口令等，但这种认证也存在易遗忘、被破解的缺点。据v i s a 信用卡和万 事达信用卡协会估计，与支付卡有关的身份盗用案件的损失从1 9 9 6 年的7 9 9 0 万美元上 升到了2 0 0 0 年的1 1 4 3 0 万美元【1 】全球每年涉及信用卡、移动电话和取款机的诈骗案价 值至少有4 5 亿美元。可见，由于先天的不足。传统的身份认证方法已经不能适应现代 高速的信息社会的发展。 人们期望能有一种新的身份认证方法，能够克服传统的身份认证方法的缺点。生物 特征认证技术便是基于此发展起来的。在古时候，人们在契约上按手印，这是生物识别 技术的萌芽。1 9 5 8 年w i l l i a mh e r s c h e l 在印度开始了晟早最正式的指纹认证，这是人 类第一次正式开始研究生物特征并作为身份证明来使用。此后，生物识别技术获得了长 足的发展。生物特征识；u 技术可定义为：生物特征识别技术( b i o m e t r i c s ) 是使用久体所固 有的生理特征( 如掌纹、人脸、指纹、虹膜等) 及行为特征( 如步态、书写、声音、击键等) 通过图像处理和模式识别的方法来自动鉴别个人身份的技术。同传统的上述两种身份识 别方法相比，利用生物特征进行身份识别的方法具有稳定、可靠、便捷、不易伪造等特 点。人们可能会丢失他们的钥匙、卡片或者忘记密码，但是却不可能遗忘或者丢失自己 的掌纹、人脸、指纹、虹膜等生物特征。因此基于生物特征识别技术的个人身份识别系 统具有更好的安全性、可靠性和有效性，正越来越受到人们的重视，在许多安全领域方 面有着非常广泛的应用前景。 9 1 1 事件之后，边境安全受到各国的广泛重视，各国纷纷制定法律要求采用生物认 证技术鉴别出入境人员的身份。为了实现全球的互操作性，国际民用航空组织( i c a o ) 在2 0 0 3 年6 月向其1 8 9 个成员国公布了生物技术应用规划，以帮助各国建立一个全球 化、标准化的身份认证系统。规划提出在护照中加入生物特征，包括掌纹、指纹、虹膜、 人脸等。目前欧、美以及世界上的很多国家都准备在短期内逐步使用这种护照。 近几年，因为安全问题，生物认证技术拥有了自己广阔的市场和需求，得到了飞快 的发展，利用图像处理和模式识别技术鉴别或认证身份，取代传统的使用钥匙、身份证、 密码等方法，可广泛应用于银行、机场、公安等领域的出入管理。生物认证技术将信息 基于掌纹识别的手机身份认证系统 技术与生物技术相结合，是本世纪最有发展潜力的技术之一。下面是一份由国际生物集 团( i n t e r n a t i o n a lb i o m e t r i cc r o u p ) 提供的统计报告，从中可看出生物认证技术的发展速度 和前景： a n n u a lb l o m e t r i ci n d u s t r y r e v e n u e s 2 0 0 7 - 2 0 1 2l s mu s 啦 c o p y 啦h t 番2 0 - 2 0 0 7 知吐w 啊l k h l l 8 1 0 m e t r | o 出 e u p 8 0 0 旺o 7 0 0 0 d 6 0 0 0 0 5 0 【。0 4 0 0 0 o 3 0 1 2 6 3 0 0 限o 2 0 0 0 o l o 0 融0 2 0 0 72 0 0 82 9 2 0 1 02 0 1 12 0 1 2 图1 1 生物特征的预计收入( 单位：百万美元) 【2 】 f i g 1 1 b i o m e t r i c p r o j e c t e dr e v e n u e s ( i n m i l l o n s o f d o l l a r s ) 2 如图1 1 ，2 0 0 7 年全球生物特征认证技术市场为3 0 1 2 亿美元，到2 0 1 2 年底，全球 生物特征认证技术的市场将达到7 4 亿美元，以每年超过5 0 的速度增长。目前，我国 的生物特征认证市场规模已达到￥3 5 亿左右，而预计到2 0 1 0 年，中国生物识别行业的 市场规模将可能达到￥3 0 亿以上。随着生物特征认证技术的不断成熟以及应用面的扩 大，这个数字还将继续增长。 1 2 掌纹识别的研究背景和应用 1 9 6 0 年人们开始研究设计生物特征识别技术【3 】，2 0 0 3 年6 月联合国国际民航组织 已经公布了生物技术的应用规则，将在个人护照中加入生物特征，如指纹、虹膜、人 脸识别等，并在进入各个国家的边境时进行个人身份确认。刑事技术部门在提取和对 比现场痕迹时还经常能够发现犯罪分子遗留的掌纹痕迹，如果不对其加以应用，将可 能会损失纹型信息的3 0 。事实上，人手掌纹识别这一领域一直是空白，直到1 9 9 8 年 出现第一篇关于掌纹识别技术的论文【4 l 。掌纹是指手腕至手指之间的手掌内表面上各种 | | | 圈 大连理工大学硕士学位论文 纹线f 5 】，主要分为乳突纹、皱纹和屈肌线( 又叫主线) - - 大类。乳突纹是手掌皮肤组织的凹 凸结构显示在表面上的细小凹凸纹路【6 l ，其具有唯一性和终生不变性。皱纹是皮肤松弛 活动形成的细小沟纹。其虽横压在乳突纹上，但不损坏乳突纹的结构。屈肌线是手掌 关节长期的屈伸运动在一定部位上形成的固有的沟纹。该纹线主干的分布和形态是终 身不易改变。基于上述掌纹识别与其它流行的生物特征识别技术相比，具有以下的优 点【7 l ； ( 1 ) 掌纹信息不涉及隐私闯题，用户从心理上比较容易接受； ( 2 ) 不需要特殊的光线照射，不涉及人体敏感部位与取样设备的接触，用户不会有 抵触情绪： ( 3 ) 采样方法简单，对图像的分辨率可降低要求，对图像获取设备要求不高，图像 受噪声影响程度小，因此采集设备成本降低，图像比较容易获得； ( 掌纹中的各类线特征具有唯一性和终身基本不变性，并且不易仿照，利用基准 点对掌纹进行定位具有旋转不变性和唯一性； ( 5 ) 掌纹区域比指纹大得多，信息量大，可以提取更多的特征，容易与手形、指纹 等其它生物特征相结合实现一体化的识别。因此掌纹识别是一种有广泛应用前景、值 得深入研究的生物识别技术。 基于掌纹的身份认证和身份识别可用于以下方面吼 ( 1 ) 考勤系统，人员出入管理方面的应用： ( 2 ) 公共安全方面的应用，如门禁系统： ( 3 ) 银行及信用卡方面的应用； ( 4 ) 电子商务中的个人身份鉴别： ( 5 ) 户籍、身份证管理方面的应用： ( 6 ) 对机密信息的存取控制，包括计算机网络中的信息访问控制等； 掌纹识别技术作为对现有生物识别技术的必要的有益补充，正吸引越来越多的研究 人员进入该领域。 1 3 掌纹识别特征 掌纹识别技术是利用人的手掌部分的生理特征进行身份识别的技术1 9 。掌纹自动识 别具有直接、友好、方便、唯一性好和应用范围广的优点，它是对基于生物统计学特征 的身份鉴别( p e r s o n a li d c n t i 砌t i 蛐) 的重要补充【6 】。目前各种掌纹自动识别鉴别的研究主 要是基于掌纹的物理，结构或几何特征1 4 】 基于掌纹识别的手机身份认证系统 掌纹是指手腕与手指之间的手掌内表面上的各种生理纹线。掌纹的生理形态特征由 遗传基因控制，具有极好的稳定性，就算是掌纹表皮剥落，新生的掌纹仍保留原来的特 征。每个人的掌纹的纹线都不一样，具有良好的区分性。 掌纹的面积较大，包含的生物特征多。掌纹是由屈肌线、皱纹线和脊线共同构成【1 0 l ， 如图1 2 所示。手掌上最为明显的3 5 条掌纹线，称为屈肌线。在掌纹识别中，可利用 的信息包括： 几何特征( g e o m e t r y ) ：包括掌纹的长度、宽度、面积等与手掌形状有关的几 何参数。 屈肌线特征( p d n c i i ，a ll i n e ) ：指屈肌线的形状和空间信息，它是体现掌纹稳定 性和唯一性的最重要特征，在小规模数据库条件下，屈肌线特征对掌纹身份识 别是完备的，当建立大规模数据库识别系统时，就要结合其他掌纹特征才能达 到识别的可靠性。 皱纹线特征( w r i n k l e ) ：指掌纹中很多比屈肌线细，不规则的直线或曲线，它 们可提供更详细的掌纹特征。 三角点( d e l t ap o i n t ) 特征：指掌纹中很多三角形区域的中心点，这些三角点通 常位于手掌的根部。 脊线细节特征( m i n u t i a e ) ：脊线是覆盖在掌纹表面的类似于指纹的细小、规 则的纹路，可以利用类似提取指纹细节特征的方法来提取掌纹的细节特征。 图1 2 掌纹图像 f i g 1 2p a l m p r i n ti m a g e 掌纹图像的生物特征信息与图像的质量有较大关系。几何特征、屈肌线特征和皱纹 线特征可以在低分辨率、有噪声的图像得到；三角点可以在方向图像上定位，并能够在 有噪声的高分辨率的图像得到；而脊线特征只能在无噪声的高分辨率的图像上获得。 1 4 掌纹识别的研究现状 当前，掌纹识别使用的图像主要分为脱机掌纹图像和联机掌纹图像两大类。最早有 关掌纹的研究文献主要以脱机掌纹图像的研究为主【1 1 1 。脱机掌纹图像，是指在手掌上涂 上油墨，然后在一张白纸上按印，最后通过扫描仪进行扫描而得到的数字化图像或用数 一4 一 大连理工大学硕士学位论文 码相机采集后输入计算机得到。联机掌纹则是用专门的掌纹采集设备直接获得，图像质 量相对稳定。本文研究基于拍照手机拍照采集掌纹识别。 掌纹识别是根据人手掌上的有效纹线信息来进行识别的。不同人的掌纹是不同的， 具有唯一性。对掌纹的研究最初起源于手相学。早在古代，中国人就能通过手相来获取 许多信息。目前，基于掌纹的身份识别技术已经得到国内外有关研究与应用部门的广泛 关注，在算法和应用方面已经取得了很大的进展。m a t s u m o t ok a t s u h e i t l 2 】在1 9 8 5 年发表 的论文中首次介绍了掌纹在个人身份识别领域中的应用，主要用在预防与计算机有关的 犯罪，即防止非法的拷贝软件，非法使用数据库等，但是在该方面只做了初步的研究。 s h i o n o ，l s h i k a w a 和s h i m a d a 在1 9 9 1 年发表的论文中介绍了他们用手掌和掌纹进行身份 认证的实验结果。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 中进行测试，拒绝非授权人进入率为9 9 8 。l f a n 和k k s u n g 1 3 1 的论文中使用了 一种决策化的神经网络来识别人脸，并将此方法用于手掌识别。但未考虑手掌上的屈肌 纹等特征，识别可靠性不高。p a u ls w 和黎明【1 4 1 等于1 9 9 7 年提出了基于堆栈滤波器的 金字塔法和金字塔自适应动态h o u g h 变换法来提取手掌屈肌纹，但重点研究的是脉冲噪 声干扰下的边界检测方法，与在线采样得到的图像样本间有些差异。1 9 9 8 年，d a v i d z h a n g 和w s h u 0 5 1 用掌纹线特征实现了脱机掌纹认证。2 0 0 0 年，黎明，严超华1 1 6 1 用三条 主线进行身份识别，但并没有给出主线的提取办法。2 0 0 0 年，w l i ，d z h a n g ，j y o u 和 z x u l ”1 将掌纹图像看成是一种纹理，用方向模板的方法定义并提取全局纹理能量 ( g l o b a lt e x t u r ee n e r g y ，g t e ) 特征。2 0 0 2 年，w l i 和d z h a n g i s 等人用傅立叶变换将 掌纹图像从空域变换到频域，然后在频域中提取能反映空域中掌纹线强度的r 特征和反 映掌纹线方向的t h e t a 特征，并用这两种特征实现了联机掌纹鉴别。2 0 0 2 年，j a n ey o u , w e n x i nl i 0 9 1 等人检测出掌纹上的“感兴趣点”( i n t e r e s t i n gp o i n t s ) 并将其用于身份鉴别。 2 0 0 2 年，n d u t a 和a j a i n 刚用n 值的方法进行掌纹线的提取，然后对只含有掌纹线的图 像进行重采样使得这个图像中只剩下3 0 0 - 4 0 0 个点( 特征点，f e a t u r ep o i n t s ) ，最后用这 些点的位置和方向作为特征来表示这个手掌上的掌纹线。2 0 0 2 年，张泽叫等提出用指根 区的三角点来进行掌纹分类。2 0 0 3 年，c c h a n l 2 2 等人用s o b e l 算予和形态学的方法提 取用特征矢量表示的“类线特征”( l i n e 1 i k ef e a t u r e ) 。他们并没有明确把掌纹线提取出 来，而是用s o b e l 算子和形态学方法对掌纹图像进行处理，使得掌纹线得到增强，然后 将处理后的图像分成若干块，用每一块的灰度均值来形成特征矢量。2 0 0 3 年，z h a n g 和 k o n g t 2 a l 提出了用二维g a b o r 滤波器的方法来提取掌纹的纹理特征，其在线鉴别率可以 达到9 8 以上，是目前较好的识别方法。 基于掌纹识别的手机身份认证系统 目前，国内外已有不少高校和研究机构开展了卓有成效的工作，例如香港理工大学 生物识别研究中心、m i c h i g a n 州大学、台湾中华大学和香港科技大学。国内的哈尔滨工 业大学、中国科技大学、大连理工大学等均先后进入了该研究领域。 大连理工大学c a d 研究所在掌纹识别领域取得了一定的进展。该研究所在生物识别 领域具有较高的知名度。2 0 0 5 年1 0 月，由中国自动识别技术协会组织举办，由生物特 征认证与安全技术研究中, l , ( c b s r ) 测评的第二届中国生物特征识别竞赛b a c 2 0 0 5 中， 大连理工大学c a d 研究所取得了优异的成绩，在指纹、入脸两个项目竞赛都名列第一。 魏鸿磊 2 4 1 在指纹识别领域，唐旭晟【2 5 】在人脸识别领域，张建新瞄司在掌纹识别领域都取 得了一定的研究成果。 掌纹包含的信息丰富，比小小的指纹要丰富的多，利用掌纹的线特征、点特征、纹 理特征、几何特征可以确定一个人的身份。掌纹采集方法简单，采样设备的成本也不高， 一些手机上自带的摄像头拍摄的掌纹图像也可以用来识别。因此，掌纹识别应该比指纹 识别技术更可靠、更先进。但从文献的检索来看，虽然对掌纹的研究正在不断的从理论 和应用两方面深入，但无论是研究规模、成果还是应用情况，掌纹的研究都远落后于对 指纹的研究。其发展缓慢的原因有：一方面，由于手掌届肌线的端点或分叉形成的特征 点和屈肌线在局部形成的三角纹形比指纹的种类更多，所以从理论上讲，掌纹有比指纹 更好的分类性能和更高的鉴别能力。但是提取掌纹的点特征需要较高的空间分辨率( 4 0 0 点英寸，指纹要求5 0 0 点英寸) ，而掌纹面积比指纹大很多，导致数据量及特征空间 太大，易受噪声等因素的影响，不适合掌纹自动识别。另一方面，掌纹图像，由于光照 条件不均匀，手掌伸展程度有伸缩、皮肤有弹性，故采集到的图像有很多不规则的噪声， 使得从掌纹中提取出线特征比较困难。 随着生物技术、模式识别、人工智能网络、计算机技术和图像采集技术的发展，通 过建立大容量的掌纹图像数据库，掌纹识别技术将会取得巨大的发展。 1 5 掌纹识别系统简介 生物特征识别系统大多都由两部分构成：训练样本录入阶段和测试样本分类阶段。 在训练样本录入阶段，对获取的掌纹图像训练样本进行预处理，然后提取特征，把提取 的掌纹特征送入特征库留待与被分类样本进行匹配。测试样本分类阶段，对获取的被测 试样本经过与训练样本相同的预处理、特征提取步骤后，进行分类匹配。图1 3 1 2 7 1 给出 了一个典型的掌纹识别的处理过程。 一6 大连理工大学硕士学位论文 图1 3 典型的掌纹识别过程 f i g 1 3t y p i c a l p a l m p r i n tr e c o g n i t i o n p r o c e s s 从图1 3 中可以看出，掌纹识别主要包含以下几个过程： 1 ) 预处理：其中包括有效区域( r o i ) 的定位和预处理，本阶段是掌纹识别的关键 部分，直接影响后面的特征提取和匹配，主要包括：掌纹图像模式域与背景区 域的分离，掌纹图像增强，二值化，边缘跟踪和轮廓特征点提取，根据特征点 建立新的直角坐标系，提取掌纹有效区域( 即r o i 子图) 等。 2 ) 特征提取：在进行掌纹识别时，通常是不用原始的掌纹图像数据作为识别依据 的。因此在识别之前，通常要用某种表示方法来描述数据库中的已知掌纹和检 测出的掌纹，该表示方法就是我们通常所说的特征，也是掌纹识别系统作为识 别的依据。通常用的表示方法有几何特征、模板特征、代数特征等。特征提取 就是用于从原始图像中提取识别需用的特征。 3 ) 分类匹配：利用掌纹的特征，按照一定的距离度量准则，将具有相同结构或具 有相同特征的掌纹归为同一类。将待识别掌纹的特征和数据库中已知掌纹的特 征进行比较，选择适当的匹配策略，从数据库中检索出与待识别掌纹相匹配的 已知掌纹，给出识别结果。 基于掌纹识别的手机身份认证系统 1 6 本文的研究内容和主要工作 本文在查阅大量文献的基础上，结合国内外和本人所在研究所( 大连理工大学 c a d & c g 研究所) 的研究成果，实现了一个基于掌纹识别的手机身份认证系统。论文 的主要内容如下： 第一章简单介绍生物特征识别的产生和发展，并分析了掌纹识别的特点及现阶 段的国内外的主要研究成果。 第二章主要论证了手机掌纹身份认证的可行性和必要性，并进行了系统的需求 和功能分析，确定了系统的技术路线，选择了系统的开发平台。 第三章讨论了掌纹图像的预处理技术，重点研究了掌纹的定位与分割技术，以 减少图像采集过程中引进的旋转、平移、扭曲等噪声影响。 第四章讨论了掌纹识别技术。基于系统的功能特点确定了系统采用的算法选择 了基于p c a + l d a 的掌纹识别算法，即f i s h e r 掌方法，结合g a b o r 小波变换和协方 差距离准则，作为掌纹识别模块的技术解决方案。 第五章结合前面几章的研究工作，开发了一个基于掌纹识别的手机身份认证系 统，具有身份注册，身份识别等功能。 最后对本论文的工作内容进行了总结，并提出研究中的一些不足和需要改进的 地方。 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 2 手机掌纹身份认证系统的设计 在日常生活中，人们越来越多的使用手机、p d a 、掌上电脑等信息设备来储存和处 理各种重要信息，这一切都似乎是在预示着一场新的革命。这场革命就是，信息终端设 备出现小型化和分散化的趋势，形形色色的信息终端产品进入人们工作、生活和娱乐的 各个方面i 冽。作为移动通讯终端的手机，已经从开始的简单通话功能发展到现在的上网、 摄像、看电视、听歌曲、查资料和信息存贮等多种功能于一体的现代化便携工具刚。手 机作为一种移动通讯工具，因为它的普及程度和逐渐增强的性能，为许多的应用技术提 供了广阔的应用舞台。掌纹识别作为生物认证领域中的研究热点，有着广阔的应用前景。 而手机的功能和服务的扩张，为掌纹识别技术的发展开辟了一个新的方向，使得即时的 和远距离的掌纹识别认证成为可能。 手机平台上实现掌纹识别技术，有着很重要的应用价值，它为即时的、简易的、便 携的掌纹识别提供了实现平台；为掌纹识别技术和通信技术的相结合提供了具体的途 径，为远距离异地身份识别认证技术的应用提供了实施基础。 本文研究了掌纹识别在手机上的实现技术，结合手机系统的各种特点，开发实现了 手机上的掌纹识别技术，并在此基础上，开发了一个即时的手机掌纹识别身份认证系统。 本章包括手机掌纹识别身份认证系统的背景介绍和系统分析，确定了系统要采用的 技术路线和流程。 2 1 系统开发的背景和意义 手机作为一种通讯工具，现在随着手机厂商的努力，已经融入到了人们的日常生活 中去了，手机具有的服务也越来越丰富，手机已经不仅仅是一种通话工具，还是一种口 袋式个人移动计算机，在人们的日常生活和工作中起着越来越大的作用。随着国际互联 网的迅猛发展，使得这种个人“移动p c ”和互联网也关系密切起来。随着服务种类的 增加，使得手机涉及个人信息越来越多，在这些服务中，最重要的一种服务就是手机金 融服务。下面简单介绍一下手机金融服务中的一种业务手机银行i 3 0 i ： “手机银行”又称“移动银行”，是利用移动电话办理银行相关业务的简称，是银 行实现电子化服务的一种渠道，是移动通信网络上的一项电子商务服务，手机银行通过 移动通信网络将客户手机连接至银行，实现利用手机界面直接完成各种金融理财业务的 服务系统。 一9 一 基于掌纹识别的手机身份认证系统 世界上率先实现商业性运作的手机银行项目是由东欧的捷克的e x p a n d i ab a n k 银行 与移动通信运营商r a d i om o b i l e 公司在布拉格地区联合推出的。据预计，到2 0 0 3 年， 全球移动金融服务收入将达到2 0 0 亿欧元，其中欧洲地区可能达到4 7 亿欧元左右。 中国金融业为加快网络金融业的发展，提高金融业的整体竞争力，2 0 0 6 年6 月由中 国人民银行牵头，与1 2 家商业银行联合共建的中国金融认证中t j , ( c f c a ) 正式成立。目 前国内各家手机银行服务项目的开通基本上都是分期进行的，首期主要以账户查询、存 款账户间转账、金融信息查询和临时挂失等信息服务为主。 手机银行虽然具有传统商业银行无法比拟的优势，具备不可限量的发展潜力，并逐 渐显现出快速增长的态势。但是，同其他新鲜事物的发展规律一样，手机银行的发展同 样会存在许多困难和制约因素，突出表现在：安全机制不够健全，与网上银行一样安全 问题是人们最关心的问题。资金和货币的电子化，很容易使银行在转账、交易、支付等 服务过程中生成各种风险。无论是银行，还是企业或个人如果没有足够的安全保障是根 本不会使用这一服务的。 2 0 0 0 年，国内银行开始尝试推出手机银行服务，当时的国内手机用户对于手机的认 识还相当浅显，短信、w a p 技术剐剐出现不久，人们仅仅把手枫当作一个通话工具， 还不太了解这些新技术的出现对于他们意味着什么? 手机银行的出现没能马上获得用 户的认知。时隔3 年，经过银行、移动运营商的大力培育，国内市场大环境逐渐成熟。 今天人们对于新技术的认知已相当普遍，特别是年轻人已经把使用短信功能当作生活中 的一种时尚。现在正是开展手机银行业务的最佳时机。 手机银行具有巨大的潜力和广阔的市场。制约其发展的问题主要是安全问题。可以 说，如果能很好的解决了手机银行的安全问题，手机银行将会获得巨大的发展。现在主 流的方法是对手机数据的加密。但是手机的数据传输是一个开放的网络和协议，只要有 相关的设备，就可以截获手机传输的数据，因此这个方法虽然比较受重视，但这种方法 并没有解决问题。此外，手机本身的加密技术也是一个解决手机银行交易安全问题的一 个方法。 2 2 系统的需求分析 本论文研究的方向是基于掌纹识别的身份认证。本系统讨论的重点是对手机本身的 加密技术。对手机使用权限的加密技术，现有主流的方法是秘匙加密方法。是一种用简 单的字符作为手机使用的密码。虽然大部分的手机都具有密码保护功能，但是由于手机 处理器豹主频低、输入法简单的限制，密码大多是一组数字，并且由于手机键盘的输入 比较麻烦，许多用户的密码都很简单，甚至有相当一部分手机用户嫌麻烦而不设置密码。 大连理工大学硕士学位论文 这对手机的安全产生了重大影响。在手机丢失或者被盗用时，简单的密码很容易被破解， 或者由于根本没有密码，在手机用户发现丢失或者被盗并采取补救措施之前，一些个人 资料已经被窃取或者一些个人服务被盗用，造成重大损失。 当手机作为一些服务和业务的办理的工具时，手机号码是作为业务办理人的身份凭 证的。由于这些业务是在与服务和业务提供商没有见面的情况下办理的，基于密码的手 机使用权限加密具有很大的安全隐患。在手机丢失、被盗用或者被借用的时候，这些服 务和业务的办理就是在非法的状态下进行的。 此外，密码还有容易遗忘的特点，在合法的手机用户忘记了手机密码的情况下，给 用户带来了极大的不便甚至损失，如在移动证券交易中，由于忘记密码而无法交易时， 有可能给合法的手机用户造成不可挽回的损失。 因此，我们需要一种更有效的身份认证方法。这种方法要简单、易用、安全并且不 容易被窃取等特性。生物特征身份认证技术就是这样一种技术。 本论文讨论的是基于掌纹识别的身份认证技术。而且掌纹识别技术成本低、识别准 确实时，是“人人用得起，用得好”的物美价廉型身份识别产品，完全可以取代密码身 份认证方式，可用于需要身份鉴别的各种场合”。 2 3 系统的功能分析 对掌纹识别身份认证系统进行功能分析的第一步是要确定系统所要实现的目标。 本系统所要实现的目标就是能够在手机系统中实现用户的注册和识别。本系统包括以下 功能： 1 ) 系统能应用手机自带的摄像功能，获得掌纹图像，从掌纹的背景中分割掌纹， 并对分割出的掌纹进行定位，裁剪出有效区域并进行各种处理，提取并存储特 征。 2 ) 系统要有掌纹注册功能。允许用户注册同一个人的多张掌纹图像。为了防止滥 用和保证个人信息的安全，要保证只能有一个用户注册。 3 ) 系统要有认证功能。根据用户设定的阈值，经过内部的处理，判断现在认证的 用户是否是合法用户。 4 ) 系统要有一个友好、方便的用户界面。用户的注册、认证要简单、易掌握。对 于用户的误操作，系统要有一定的容错能力和提示功能。 这些是用户运行系统的主要功能，与用户的使用步骤大体相同。另外，本文掌纹识 别采用的方法是一种经过离线训练，得出一定的训练结果，然后把结果应用到系统中去 的方法。所以，系统的辅助功能应该包括训练系统和训练采用的样本库。 基于掌纹识别的手机身份认证系统 2 4 系统的结构框图 本系统的结构分为两个部分，一个是主机离线的训练部分，一个是基于训练结果的 手机注册和认证部分。下面是这两部分的大致结构图： 图2 1 系统结构图 f i g 2 11 l l es t r u c n u ec h a no f s y s t e m 系统的两个模块中，离线训练模块是一个基础模块，是整个系统完成任务的基础， 大量的基础性工作内容要在训练部分完成。只有训练部分得到比较好的训练结果，系统 才能达到令人满意的效果。下面就这两个模块的具体实现步骤做简单介绍： 大连理工大学硕士学位论文 1 ) 离线训练模块的主要功能是挑选合适的训练集和算法。算法是指完成一个任务 准确而完整的描述，本系统选用g a b o r 小波变换结合f i s h e r 掌的算法作为程序 的基础算法( 第四章将会详细介绍) ，这个算法针对某一特定的用户群能达到一 个较好的识别效果，并且大量的计算在离线训练部分完成，系统采用训练结果 作为识别的基础，速度比较快，基本上可以达到实时性要求。其次，挑选训练 集，是根据系统要应用的范围，在可以得到的掌纹图片中，选择合适的样本， 样本的选取要兼顾到性别、年龄、光照和背景等因素。这部分都是离线进行的， 对系统的用户来说是不可见的。 2 ) 系统注册和认证模块是指运行在手机终端上的掌纹注册和认证程序。这个模块 是系统展示给用户的部分，要完成掌纹的注册和认证功能，要选择合适的开发 语言和平台，要给用户一个友好的界面和有效的识别功能。模块分为两个部分。 第一部分是注册部分：用户通过手机自带摄像头输入掌纹图像，从中裁剪出有 效区域，在掌纹子图中均匀选取4 9 个特征点，在特征点上计算g a b o r 小波系数 形成表征该掌纹的向量，并结合训练的特征模板，提取掌纹特征，并将该特征 作为秘匙注册到系统中。第二部分是认证部分：用户( 可以是注殁或者是不注 册的) 输入自己的掌纹图像，系统根据输入图像裁剪掌纹有效区域，并提取特 征。然后，和注册的掌纹图像特征作对比，根据协方差距离准则，计算注册用 户和被识别用户的距离( 相似度) ，并根据系统的判断准则或者用户自己设定 的阈值，判断该用户是否为合法的手机用户。 2 ，5 系统的工作流程图 系统的工作流程主要指的是手机终端上的用户具体操作系统，这个流程从系统的启 动开始，到用户的注册，认证结束为止。需要用户参与的是正确输入自己的掌纹图像并 进行注册：然后在认证阶段，用户可以根据默认的认证准则和自己设定的阙值来进行认 证。注册和认证阶段的操作比较相似，系统的操作和传统的手机使用时设定密码并根据 密码进入系统地操作步骤基本相同，易于用户掌握。下面是系统工作的流程图： 基于掌纹识别的手机身份认证系统 m ( ，) o t h e r w i s e ( 3 1 0 ) 其中膨。为给定的均值，删气为给定的方差。，一( f ，) 即为通过( 3 1 0 ) 公式计算而 得到的输出图像在f 行，列的象素值。 掌纹图像重叠局部归一化就是将掌纹图像分成几个相互重叠的子块区域，然后对子 块单独进行图像归一化。在本系统中，块与块之间重叠区域为块的一半大小。如图3 1 0 所示，其中，a l - b l - c 1 d l 组成图像的一个子块，设为b l o c k l ，b l - b 2 d 1 - d 2 组成与b l o c k l 有 重叠区域b l d l 的子块b l o c k 2 ，b