（生物医学工程专业论文）警用指纹识别系统中图像预处理的研究.pdf

英文摘要 a b s t ra c t f m g e r p r i n tv e r i f i c a t i o n , 勰ap e r s o n a li d e n t i f i c a t i o nm e , h o d , i so n eo ft h em o s t i m p o r t a n tt e c h n i q u e st od i s t i n g u i s ht h eb i o l o g i cc h a r a c t e r i s t i c so f h u m a nb o d y t h ea u t o f i n g e r p r i n ti d e n t i f i c a t i o ni sc u r r e n t l yam a i n s t r e a mt e c h n i q u eo f i d e n t i f y i n gt h eb i o l o # e c h a r a c t 嘶s t i c s ，w i t hb r o a da p p l i c a t i o n s c u r r e n t l yw i t ht h ef a s td e v d o p m e n to f i n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n dc o m p u ) e rn e t w o r k , t h ea l t of i n g e r p r i n ti d e n t i f i c a t i o n t e c h n i q u eh a sb e e nm o r ea n dm o r ea p p l i e d 证d a i l yl i f ea n dw o r k , w h i c hi sd r a w i n g m u c ha t t e n t i o ni nt h ea c 穹i d a 越c 鼬db u s i n e s sc i r c l e si nt h ew o r l d n o w a d a y st h 斌ei ss t i l l al o n gw a yt og ot om a l l l g et h et c c l m o l o g y , a n de s p e c i a l l yi n o l er e s e a r c h e sa b o u tt h e a r i t h m e t i co f s o m ek e ys t e p s 躺h i g h l y p e c t 。d i nt h ef i e l do fc r i m i n a li n v e s t i g a t i o n , f i n g e r p r i n ti so n eo ft h em o s ti m p o r t a n t w i t n e s s e s , a n di ti st h em o s td i r e c ta n da c c u r a t ew a y t of i n do u ta n dd e t e r m i n ea i m i i l a l s a tp r e s e n t , t h ep o p u l m - i z a f i o no ft h ea u t of i n g e r p r i n ti d e n t i f i c a t i o nt e c h n i q u ei nt h e p u b l i cs e c u r i t yo r g a nh a sb e e no fg r e a tb e n e f i tt o 叫s o c i e t y b u ti nt h e 删c co f c r i m i n a li n v e s t i g a t i o n , t h e 副) 1 嘲o f f i n g e r p r i n t s 批q w t ec o m p l i c a t e d , a n dt h ei m a g e s o ft h ec 植r l es c e n ef i n g e r p r i n t sa r ec o m m o n l yo fp o o rq u a l i t y , w h i c hm a k e si m a g e p r e t r e a t m e n tm t h e rd i f f i c u l t , a n dp e r f o r m sa , sa b o t t l e n e c kt of u r t h e l - d e v e l o pt h ea u t o f i n g e r p r i n ti d e n t i f i c a t i o ns y s t e m a m o n gt h ec u r r e n tr c s e a r c h e so ft h ep o o rq u a l i t y f i n g e r p r i n ti m a g e s , f e wf o c u s e so i lt h e 研m es 咖ef i n g e r p r i n t s p r i n c i p l e so ft h ep o l i c ea u t oi d e n t i f i c a t i o ns y s t e m 躺b r i e f l ya n a l y z e di nt h e p r e s e n tp a p e r , a n dt h e nt h ep r e t r e a t m e n tp 诵so ft h ef i n g e r p r i n ti m a g e si ss t u d i e d f i r s t l y , am u l t i - s e g m e n t a t i o na l g o r i t h mo fac o m b i n a t i o no ft h ed i r c c t i n na n dv a r i a n c e m e t h o d sh a sb e e np u tf o r w a r df o rt h ep r e f e r m e n to f t h ei m a g e s 丘锄d i f f e r e n ts o u r c e s s e c o n d l y , g a b o rf i l t e ri sa p p l i e dt oe n h a n c et h eq u a l i t yo ft h ef i n g e r p r i n ti m a g e s , i n o r d e rt oi m p r o v et h er e l i a b i l i t yo ft h ef o l l o w i n gp r o c e s s e so f t h es y s t e m t h e nan o w m e t h o df o rt h eq u a l i t ye v a l u a t i o no ff i n g e r p r i n ti m a g e si sg i v e nh e r eb a s e do i lt h e c a l c u l a t i o no f t h ei m a g es e g m e n t a t i o na r e aa n dt h ed i r e c t i o n t h ee x p e r i m e n tw i t hm a t l a bh a si n d i c a t e dt h a t 吐蝣m u l t i - s e g m e n u 牡i o na l g o r i t h m p r o p o s e di nt h ep r e s e n tp a p e ri sc a p a b l eo fw e l ls e g m e n t i n gt h ei m a g e so ft h e f i n g e r p r i n ti m a g e sf r o mv 曲u ss o u r c 宅s , a n d i th a ss u c c e s s f u l l yi m p r o v e dt h el o w i m a g ec o n t r a s ta n dr e d u c e dt h es e v e 犯d i s t u r b a n c e t h ei n l a g ee n l m n c c m e n ta l g o r i t h m m 重庆大学项士学位论文 w i t hg a b o rf i r e 能r e m a r k a b l yi m p r o v et h ev i s u a le f f e c to f t h ef i n g e r p r i n ti m a g e s a n d t h eq u a l i t yo v a l u a t i o nm o t h o d 讲铭t c di nt h i sp a p e rc o u l de x c l u d ec o r r e c l l yt h el o w q u a l i t yi m a g e s k e y w o r d 。- f i n g e r p r i n ta u t oi d e n t i f i c a t i o ns y s t e n l ，i m a g ep r e t r e a t m e n t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。据我所知，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过的研究成果，也不包含为获得重迭太堂 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谢意。 学位论文作者签名：顾勇 签字日期：2 口。7 年6 月占e t 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解重废太堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权重废盔堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 保密() ，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密( 、) 。 ( 请只在上述一个括号内打“4 ”) 学位论文作者签名：顾勇 导师签名： 考参 签字日期：3 蚰1 年6 月6 日 签字日期：伽7 年二月e l i 绪论 i 绪论 1 1 指纹自动识别技术 1 1 1 生物特征识别技术概况 生物特征识别技术是为了进行身份验证而采用自动技术测量其身体特征或是 个人行为特点，并将这些特征或特点与数据库的模板数据进行比较，完成认证的 一种解决方案。人的生物特征是惟一的，生物特征识别技术的基本工作就是对这 些基本的、可测量或可自动识别和验证的生理特征进行统计分析。 生物特征识别的过程大多包括四个步骤；图像获取、抽取特征、比较和匹配。 生物特征识别系统捕捉到生物特征的样品，惟一的特征将会被提取并且被转化成 数字的符号，这些符号被存成个人的特征模板，模板可能会在识别系统中，也可 能在各种各样的存储器中，如计算机的数据库、智能卡或条码卡中，人们同识别 系统进行交互，认证其身份以确定匹配或不匹配。 作为一门利用人的生理上的特征来识别人的科学，生物特征识别技术和传统 方法的不同在于其特征识别方法依据的是人体所拥有的个体特性，而且生物特征 一般不会遗失、隐藏或者改变，所以在身份识别上体现了独特的优势。近年来， 生物特征识别技术在国际上被广泛关注和研究、运用。通常，能够用来鉴别身份 的生物特征应该具有以下的特点【l 】： 广泛性：每个人都应该具有这种特征； 唯一性：每个人拥有的特征应该各不相同； 稳定性；所选择的特征应该不随时间发生交化； 可采集性：所选择的特征应该便于测量。 在生产生活的实际应用中，基于生物特征识别技术的系统通常还应当具备下 列一些条件： 性能要求：所选择的生物统计特征能够达到多高的识别率，对于资源的要 求如何，识别的效率如何； 可接受性：使用者在多大程度上愿意接受基于所选择的生物统计特征的系 统； 安全性能：系统是否能够防止被攻击； 技术可能：是否具有相关的、可信的研究背景作为技术支持； 特征容量：提取的特征容量，特征模板是否占有较小的存储空问： 价格：是否达到用户所接受的价格； 速度：是否具有较高的注册和识别速度； 重庆大学硕士学位论文 安全性：是否对人体有碍安全或具有非侵犯性。 对人而言，固有的生物特征包括面部特征、指纹、手型、掌纹、虹膜、视网 膜、体味、耳廓、基因( d n a ) 、体热辐射以及手部面部静脉血管模式等，这些特 征不随客双条件和主观意愿而改变。此外，还有基于行为的笔迹、语音、步态等 与后天环境养成的行为习惯有关的生物特征。表1 1 给出了一些常见生物特征的 简单比较。 表1 1 生物特征比较 t a b 】e1 】c o a l m s to f b i o m e t f i e s 生钫纹i 铸毵营麓谯喳。畦毪定牲对象篮 生雄姥挂孵接受t 耋安全挂 黢像离氍巾齑瓤岛 溉 搬绞 l 杠 齑离巾搿中 窿 手黟巾巾 出 菇中巾 牵 燕麓疗式抵 戴簸中氍巾中 手船血管 巾巾咚巾巾巾离 虹臻搿赢舞巾高鼍 蒜 巍h 赚 赢蠢巾艇麓鼍藏 篱进戴戴糕蠢瓴葭 截 声嫂 出 羲鬣中戴斑 戴 靠，卜泓碧离商概舞中囊 离 气辟 籀裔崔鼍氟中证 黟参 中鼍戴掰截商 中 蛘形中中舞巾巾蕊 巾 蝴蠢搿蕊鼍蕊妊截 目前，比较成熟的生物特征识别技术主要有以下几种： 虹膜识别识别技术 虹膜是瞳孔与巩膜之问的环形可视部分，具有终生不变性和差异性。人眼中 的虹膜是由随瞳孔直径变化而拉伸的复杂纤维状组织构成。人在出生前的随机生 长过程，造成了各自虹膜组织结构的差异。虹膜总体上呈现一种由里到外的放射 状结构，包含许多相互交错的类似斑点、细丝、霜状、条纹、隐窝等形状的细微 特征。这些特征信息对每个人来说都是惟一的，其惟一性主要是由胚胎发育环境 的差异所决定的。通常人们将这些细微特征信息称为虹膜的纹理信息。虹膜识别 技术利用虹膜终身不变性和差异性的特点来识别身份。与其他生物特征相比，虹 膜是一种更稳定、更可靠的生理特征。而且，由于虹膜是眼睛的外在组成部分， 2 l 绪论 因此基于虹膜的身份鉴别系统对使用者来说可以是非接触的。惟一性、稳定性和 非侵犯性，使得虹膜识别技术具有广泛的应用前景。 虹膜识别技术的缺点是：首先，采集设备成本较高，采集过程较为烦琐。视 网膜扫描设备要获得视网膜图像，使用者的眼睛与录入设备的距离应在半英寸之 内，并且在录入设备读取图像时，眼睛必须处于静止状态，因此导致使用不方便， 使用者的接受程度较低。其次，视网膜静脉图像的不变性不够好，使得视网膜识 别系统的拒识率相对较高。最后，虹膜识别技术可能会对使用者的健康造成损害。 人脸识别识别技术 人脸识别可以说是人们日常生活中最常用的身份确认手段，也是当前最热门 的模式识别研究课题之一。人脸识别就是通过与计算机相连的摄像头动态捕捉人 的面部，同时把捕捉到的人脸与预先录入的人员库存人脸进行比较识别。虽然人 脸识别的准确性要低于虹膜、指纹的识别，但由于它的无侵害性和它的方式最自 然、最直观，人们对这种技术没有任何的排斥心理，所以从理论上讲，人脸识别 成为最容易被大众接受的生物特征识别方式【2 】。 但是，人脸识别的缺点也是显而易见的。人脸的差异性并不是很明显，误识 率可能较高；对于双胞胎，人脸识别技术不能区分；人脸的持久性差，例如长胖、 变瘦、长出胡须等；人的表情也是丰富多彩的，这也增加了识别的难度；人脸识 别受周围环境的影响较大。由于这些困难，人脸识别的准确率不如其它技术。 手掌识别技术 手掌识别是利用人手独有的特征来进行身份识别。这些特征包括：手的外部轮 廓、内部的线条、手的几何特性、手指的长度和大小等。手型图像采集容易，处理 也比较简单，在所有生物特征识别方法中手型认证的速度是最快的。然而，手型特 征并不具有高度的唯一性，不能用于精确的识别，但是对于一般的认证应用，它足 可以满足要求。与指纹识别相比，掌纹识别的可接受程度较高、特征明显，但准确性 较低。手掌上最为明显的3 5 条掌纹线，称为主线。在掌纹识别中，可利用的信息 有几何特征( 包括手掌的长度、宽度和面积) 、主线特征、皱褶特征、掌纹中的三角 形区域特征以及细节特征。目前的掌纹认证方法主要是利用主线和皱褶特征。 手掌识别技术的缺点主要在于：由于手掌的相似性不是很容易区分，掌形识 别技术不能像指纹、人脸和虹膜识别技术那样容易获得内容丰富的数据，不能完 成一对多的识别；掌形识别技术的易用性也不如其它生物特征识别技术，因为使 用者需要知道自己的手掌怎样摆放，要花一定的时间来学习。 d n a 识别技术 d n a ( 脱氧核糖核酸) 分子里存在着生物的全部遗传信息，根据d n a 具有不同 个体的差异性和同一个体的一致性原理，可以利用d n a 来进行身份识别。除了对 3 重庆大学硕士学位论文 某些双胞胎个体的鉴别可能失效外，这种方法具有绝对的权威性和准确性。d n a 模式在身体的每一个细胞和组织都一样，不必像指纹必须从手指上提取。 d n a 识别的主要问题是使用者的伦理问题和实际的可接受性。此外，d n a 识 别必须在实验室中进行，实时性差、耗时长，这就限制了d n a 识别技术的使用。 语音识别技术 语音识别被认为是最自然的生物特征识别身份鉴定方式。声音是个人所固有 的特征，声音数据的获取具有非侵犯性，语音识别系统的价格也较低，上述原因 促使声音成为人们愿意接受的一种生物特征 3 j 。而且语音识别技术的系统成本比较 低廉，对使用者来说不需要与硬件直接接触。 语音识别技术的缺点是：准确性太差，声音基本上属于一种行为特征，其他 一些因素( 如身体状况、紧张程度等) 会引起声音的改变，容易造成系统的误识；另 外，环境噪声对声音识别的影响非常大。所以基于声音的身份鉴别系统的性能在 很大程度上依赖于话筒、信道、数字化设备的精度，更需要说话人本身的配合； 语音也可能是所有生物特征中最容易被伪造的。至少现在可以用录在磁带上的语 音来进行欺骗。 红外温谱识别技术 人的身体各个部位都在向外散发热量，而这种散发热量的模式就是一种各人 不同的生物特征【4 】。通过红外设备可以获得反映身体各个部位的发热强度的图像， 这种图像成为温谱图。拍摄温谱图的方法和拍摄普通照片的方法类似，因此可以 用人体的各个部位来进行鉴别。 但是，人体的温谱值受外界影响很大，对于每个人来说不是完全固定的。因 此，在进行鉴别前需要先对图像进行标准化，通常是按照身体某一特定部位的温 谱值进行标准化。由于外界环境中的热源，比如人体附近的室内暖气、汽车排气 管等会极大地干扰人体的温谱图，所以基于温谱图的身份鉴别还需要解决外界热 源干扰的问题。 笔迹识别技术 每个人写的字都有自己的特征。尽管笔迹的识别需要接触性测量，但是这种 方法在政府、法律和贸易中仍然广泛地被用来鉴定人的身份。笔迹是一种行为特 征，这是一个动态的过程，它受写字人的身体和情绪的影响很大。有些人的笔迹 变化很大，即使连续的笔迹都有很大的差别。此外，经过专门训练，模仿出来的 笔迹可以达到以假乱真的地步。 尽管笔迹专家可以鉴别出笔迹的真伪，但是用计算机来描述笔迹的特征，自 动地进行笔迹识别还是个非常困难的问题p 】。 步态识别技术 4 1 绪论 步态是指人们行走时的方式，这是一种复杂的行为特征。尽管步态不是每个 人都不相同的，但是它也提供了充足的信息来识别人的身份。步态识别的输入是 一段行走的视频图像序列，因此其数据采集与脸像识别类似，具有非侵犯性和可 接受性。 但是，由于序列图像的数据量较大，因此步态识别的计算复杂性比较高，处 理起来也比较困难。 指纹识别技术 指纹识别是最古老的生物特征识别技术。也是现在应用最为广泛的技术，在 很多领域中都得到了成功运用。每一根手指的指纹上都包含了大量的特征信息， 这些特征信息的类型、数量、位置都各不相同，提供了指纹唯一性的识别信息。 与人脸、手掌、虹膜、等其他生物特征相比，指纹有如下两个突出的优点： 1 ) 稳定性：指纹具有很强的相对稳定性。从胎儿六个月指纹形成到尸体腐烂， 指纹纹线类型、结构、统计特征的总体分布始终没有明显变化。尽管随着年龄的 增大，指纹在外型大小，纹线粗细上会产生一些变化，局部纹线上也可能出现新 的特征，但从总体上看，指纹是相对稳定的。即使手指皮肤受伤，只要不伤及真 皮层，伤愈后纹线仍能恢复原状；即便伤及真皮层，伤愈后形成的伤疤虽然破坏 了原有的纹线，但伤疤本身也形成了新的稳定特征。 2 ) 唯一性：指纹具有明显的唯一性。每个指纹约有一百个特征，经过排列组 合以4 的1 0 0 次方得出6 1 位数，再以一个世纪内生存的人口约有五十亿计算，每 人十个指头，即五十亿个指纹，用五十亿除以上述的位数，得出一个五十位数， 也就是说经过五十位长的世纪才可能出现相同的指纹，因此活着的人中不可能有 两枚相同的指纹。从古至今从未发现过两个指纹完全相同的人。不仅是人与人之 间，就是同一个人的十指指纹也有明显的区别。指纹的这两个特点，为指纹用于 身份鉴定提供了客观的依据。 近年来，得益于现代电子集成制造技术和快速可靠的算法的研究，指纹识别 技术发展十分迅猛。尽管指纹只是人体皮肤很小的一个部分，但蕴含了非常丰富 的纹路信息，用于识别的数据量相当大，对这些数据进行比对也不是仅仅是简单 的相等与不相等的问题，而是运用了需要进行大量运算的模糊匹配的算法。在以 往，计算机的性能是制约指纹识别技术发展的一个瓶颈。如今，现代电子集成制 造技术使得我们可以制造相当小的指纹图像读取设备，同时飞速发展的个人计算 机运算速度提供了在微机甚至单片机上进行指纹比对运算的可能。另外，匹配算 法的速度和可靠性也在不断地改进提高。可以说，指纹识别技术己经变成一项容 易实现和推广的技术。目前，指纹识别已经成为成熟和商用化程度最高的生物特 征识别技术。业界普遍认为，生物识别技术是2 l 世纪识别技术的主流，而指纹 5 重庆大学硕士学位论文 识别由于具有诸多优点和已积累的丰富技术经验，将会在各行业领域得到更加广 泛的应用。 目前，国内外许多公司已经利用生物特征识别技术开发出公共安全、金融、 社保等许多用途的产品。器国际生物识别组织( i i l t e m a d o n a ! b i o m d 订c o r o u p ，简称 m g ) 的分析和预测，2 0 0 8 年全球生物识别产品的营业收入将达到4 6 3 8 亿美元， 如图1 1 所示 拍囊蕊一2 艄霉攀襞镶镶绷产落慧戡入i t 藏t 臀浮羹露l 4 3 蟊 靠霹 慝二i药 卜 豳 重豳 嚣妨7 糍m 嚣 2 0 0 - 2 0 0 8 年全球生物识别产品的营业收入图 h 9 1 b u s i n e s s i n c o m e o f p r o d u c t s o f g l o b a lb i o o g i c a lr e c g n i t i o n j n 2 0 0 3 - 2 0 0 8 外生物识别技术的发展，未来的生物特征识别技术将向着复合认证 和更的应用领域发展。首先是生物特征识别技术与卡等多种识别技术的结合， 以提防等级。其次是生物特征识别产品的应用范围进一步扩大，更多涉及商业 及民域。目前生物识别技术正趋向于向高精度的专业化、简约化、普及化发 展，证精度的前提下，简化采样与算法的技术结构，达到设备小巧、价格低廉 的普要求。 1 2 指纹自动识别技术的发展及现状 和利用指纹自动识别技术的国家是美国。早在1 9 6 5 年，纽约市警察 局就研制了一个半自动化的指纹档案管理系统。虽然查对指纹和比较指纹全 部利子计算机完成，但指纹卡片的分析和输入依然依靠人下操作。十指指纹 卡片指纹先按新的办法进行编码包括指纹的手位编码、指位编码、纹型编码、6 粼一= 鼍穆 1 绪论 三角部位编码以及纹线细节特征编码然后将编码输入电子计算机。这种半自动化 的指纹档案管理系统花费在指纹人工编码上的工作量是惊人的。为了缩短指纹分 析的时间，美国联邦调查局于1 9 6 3 年和美国国家标准局进行技术合作，制定了 a f i s ( a u t o m a t e df i n g e r p r i n ti d e n t i f i c a t i o ns y s t e m ) 的研究计划。承担研制硬件任 务的是纽约州的卡尔司本公司( c a l s p a n ) 和加利福尼亚的洛克威尔公司 ( r o c k w e l l ) 。1 9 6 9 年，它们共同完成了应用光学飞点扫描法的指纹自动阅读机 的研究工作。1 9 7 0 年，国家标准局也完成了计划中的软件程序设计下作。这样， 输入指纹自动阅读机的资料，通过电子计算机逻辑运算功能就能进行自动分类和 特征记录。1 9 7 2 年美国联邦调查局正式使用指纹自动阅读机，1 9 7 5 年又完成自动 比对仪的研制工作。指纹自动比对仪和指纹自动阅读机联用，实现了指纹登记卡 片全自动化管理。 近二十年来，a f i s 的发展得益于现代电子集成技术和快速可靠的算法研究得 到了长足的发展。2 0 世纪9 0 年代以来，指纹识别技术被应用到许多方面。通过 使用指纹验证来取代各个计算机应用程序的密码就是最为典型的实例。由于计算 机上的所有系统和应用程序都可以使用指纹验证的话，人们使用计算机变得非常 方便和安全，用户不再讨厌必要的安全性检查，而r r 开发商的售后服务工作也会 减轻许多。m m 公司就已经开发成功并广泛应用的g l o b a ls i g n o n 软件通过定义 唯一的口令，只要使用用户指纹，就可以在公司整个网络上畅行无阻。 随着微型计算机、微电子技术、光学技术、图形图像处理技术和数据库技术 的更新与提高，自动指纹识别系统得到了迅速的发展。光学技术和微电子技术的 发展，使输入的指纹图像的质量大为提高，从而可以提高自动指纹识别系统处理 的速度及最终鉴别结果的准确性。另外还可以降低指纹取像设备的价格，提高设 备的耐用性，从而降低了系统的成本，有利于自动指纹识别系统的应用和普及。 微型计算机的发展以及图形图像处理技术和数据库技术的提高可以大大加快系统 的运行速度，提高自动指纹识别系统的效率。当今市场上的指纹识别系统厂商， 除了提供完整的指纹识别应用系统及其解决方案外，还可以提供指纹取像设备的 o e m 产品以及完整的指纹识别软件开发包，从而使得无论是系统集成商还是应用 系统开发商都可以自行开发自己的增值产品，包括嵌入式的系统和其他应用指纹 验证的计算机软件系统。基于单片微处理器所构成的嵌入式系统的产生和应用打 破了原来由桌面应用系统一统天下的局面。特别是现在d s p 芯片的广泛应用，解 决了嵌入式系统的功耗和散热问题，更有利于嵌入式自动指纹识别系统的应用和 普及。嵌入式系统不需要连接其他计算机或设备就可以独立完成其所设计的功能， 因此它的安装和使用非常方便。另外它可以采用硬件形式来实现高效的指纹处理 算法，所以能够大大提高系统的快速性和可靠性。 7 重庆大学硕士学位论文 目前，指纹自动识别技术已经覆盖了非常广泛的应用领域，目前国内外主要 有以下应用： 信息安全领域：如个人计算机密码使用指纹验证代替、网络安全防范、网 上银行、网上贸易、电子商务的安全交易等； 数据通信领域：数据加密技术是信息安全传输的必要手段，指纹识别技术 作为生物密钥可对加密数据进行二次加密，增加安全性； 公共安全方面：如指纹门锁、汽车门锁、个人指纹身份标示、指纹门蔡安 全系统等； 金融安全方面：如指纹智能卡、a t m 指纹终端、指纹保险箱、指纹储蓄 卡、大额取款客户身份确认、交易终端客户身份确认、远程交易身份确认等； 医疗方面：如献血输血管理、个人医疗档案管理等； 社会福利方面：如公费医疗确认、保险受益人确认等； 其他方面：如指纹考勤、俱乐部会员确认、海关出入境快速通关认证等。 作为一项综合性的高新技术，指纹识别技术涉及图像处理、模式识别、计算 机、光学、电子和生理等领域，是一个学科交叉性很强的研究领域。迄今为止，该 技术的研究已经取得了巨大的成就。但是，仍有一些瓶颈问题困绕着广大研究人 员。譬如缺乏可靠的细节特征提取方法，在进行比对的指纹图像中定量的定义匹 配程度仍然是困难的，不成熟的指纹分类方法，对于汗多、肿胀或蜕皮造成的非 常模糊的指纹图像，系统误识率和拒识率较高等等。 1 1 3 指纹自动识别系统的分类 指纹自动识别系统利用人的指纹特性，通过特殊的光电扫描和计算机图像处 理技术，对指纹进行采集、分析和比对，可以自动、迅速、准确的鉴别出个人身 份。实现特定目的的指纹识别，一般的系统基本构成包括活体指纹采集仪、图像 采集仪( 扫描仪) 、电脑主机及系统软件环境、指纹自动识别应用软件、指纹数据库 管理等部分。 按照工作模式不同，通常可以将指纹自动识别系统分为两类，即身份验证 ( w ，r i f i c a t i o n ) 系统身份辨识( i d e n t i f i c a t i o n ) 系统。 验证就是通过把一个现场采集到的指纹与一个已经登记的指纹进行一比一的 比对( o n v - t o - o n em a t c h i n g ) 来确认个人身份的过程。它回答了“他( 她) 是某人 吗? ”这个问题。在实际应用中还有“一对几匹配( o n e - t o - f e wm a t c h i n g ) ”。验证 主要应用于只有几个用户的系统中，如一个家庭的成员要进入他们的房子。“几个” 所包含的数目一般为5 - 2 0 人。作为验证的前提条件，有关指纹必须在指纹库中已 经注册，且以数据格式或图像信息形式储存起来，并与其姓名或其标识( d ，p 玳) 联系起来。然后在比对现场，先验证其标识，再利用系统预存的指纹信息与现场 s 1 绪论 采集的指纹比对来证明其标识是合法的。 辨识则是将现场采集到的指纹与指纹数据库中的指纹逐一比对，从中找出与 现场指纹相匹配的指纹的过程。它回答了“他( 她) 是谁? ”的问题，是一个一 对多的匹配( o n e - t o - m a n y m a t c h i n g ) 过程。 身份验证系统主要应用于民用领域，即通常意义上的民用指纹自动识别系统。 它一般只考虑对完整指纹进行比对，更强调易用性。 身份辨识系统，即通常意义上的警用指纹自动识别系统，通常主要应用于刑 事侦查领域。警用指纹自动识别系统由于需要对大量的数据进行操作，所以对于 算法的速度要求相对较高，必须采用分类技术来加快查询的速度。 图1 2 说明了一个典型身份验证系统的工作流程。 一瓣一撰缓繁谗簿赣鬣繁统零豢溪 图1 2 验证系统工作流程图 f i g1 2v e r i f i c a t i o ns y 咖m w o r kf l o w c h a r t 1 2 警用指纹自动识别系统 1 2 1 指纹识别在刑事司法领域的运用 指纹生物特征所具备的特性为身份鉴别提供了客观的依据，也在司法实践中 成为非常重要的证据。实际上指纹作为身份鉴别的手段已有着悠久的历史。 在我国，一千多年前就有签字画押记载，无论是在法庭证词上，还是在民间 9 重庆大学硕士学位论文 契约上，利用指纹作为个人标识都得到法律上的认可。同一时期的古代印度，指 纹也被用于人身标识。现代指纹人身标识技术起始于十六世纪晚期1 6 】。1 6 8 4 年， 英国的植物形态学者n g r e w 对指纹作出了系统的研究并发表了一篇论文，文 中详细分析了指纹的犁沟、脊线、汗腺孔的结构，这篇文章被认为是有关指纹技 术的第一篇科学文献。1 7 8 8 年，m a y e r 对指纹的构造原理和指纹脊线犁沟分布特 点做出了详细的描述，给出了解剖学形式的详细报告f 7 1 。1 8 2 3 年，p u r k i n j e 提出 了最早的指纹分类策略，他将指纹按照纹线中脊的外形分布特点分成九类脚。 h f a u l d 在1 8 8 0 年科学地指出指纹的个人唯一性和终身不变性，这使得指纹在 犯罪鉴别中得以正式应用( 1 8 9 6 年阿根廷首次应用) ，与此同时，h e r s c h e l 声称， 他将指纹作为身份验证的依据已有近2 0 年的历史了。这些发现建立了现代指纹身 份验证技术的基础。十九世纪末，e g a l t o n 对指纹进行了更为深入的研究，并在 1 8 8 8 年提出利用细节特征点进行单个指纹分类的方法1 9 。1 8 9 9 年e h e n r y 建立 了著名的h e n r y 指纹分类系统，提高了指纹验证效率，为指纹用于人身标识起了 重要的推动作用及更为科学的鉴别标准【1 0 】。到二十世纪早期，结合解剖学观点。 人们对指纹的构成已经有了很好的了解，指纹鉴别被司法部门正式规定为合法的 人身辨识方法，指纹鉴别已经成为司法调查的一道标准程序，指纹鉴别机构也随 即在世界范围内开始建立，逐步充实构建起大容量的指纹库。到了二十世纪六十 年代，随着计算机的出现，人们开始了对指纹自动识别技术的研究。美国联邦调 查局( f b i ) 首先开发出指纹自动识别系统( a u t o m a t e df i n g e r p r i n ti d e n t i f i c a t i o n s y s t e m ：a f i s ) ，大大提高了法律相关部门的效率。在司法部门取得的成功，也大 大推进了自动指纹鉴别系统向其他民用领域的转化。 1 2 2 警用指纹自动识别系统的发展和现状 建国以来，我国各级公安机关收集、整理了几百万份刑事指纹档案，并先后 采用了人工管理、人工编码和计算机半自动管理的手段和技术，使指纹档案在鉴 定犯罪嫌疑人以及查证无名尸体身源和亲权鉴定等工作中发挥了较大的作用。随 着经济和社会的发展人财物的大范围流动，刑事犯罪出现了许多新特点，最为突 出的是流窜犯罪上升。案件发案率逐年上升，指纹档案信息迅速增加。以前的指 纹识别工作主要依靠人工比对，不仅耗时费力，而且还容易出现遗漏。由于人手 不足，技术落后等原因，致使现有的指纹管理方式因查询速度慢、信息分散难以 共享、查询条件苛刻或建库周期长、劳动强度大等原因，难以查找堆积如山的档 案库，有时甚至成为死档，也使利用指纹破案的数量呈现下降趋势，严重影响了 案件侦破工作。为适应现代刑侦工作的发展，充分发挥库存指纹档案和指纹的“物 证之首”的作用，自然就需要利用计算机和网络技术对指纹进行自动化识别处理。 自上个世纪6 0 年代美国联邦调查局开发出第一套指纹自动识别别系统( a f i s ) 1 0 1 绪论 以来，指纹自动识别系统逐步开始在刑事侦查领域大显身手。经过几十年的发展， 国际上相继出现了一大批自动化程度较高、技术较先进并实现了商业化的a f i s 产 品，如美国联邦调查局( f b i ) a f i s 系统，英国迪拉卢印公司( d e l a r u e p r i n t r a c c ) 的a f i s 系统，日本n e c 公司的a f i s 系统，北美莫弗公n ( n o r t t - i a m e r i c a n m o y p h os y s t e m si n c ) 的a f i s 系统，我国北京大学的d a l t a - s 系统，清华大 学的c a f i s 系统等等。 自上个世纪九十年代开始，公安部便在国家科委计委等有关部门的大力支持 下开始研究开发，在指纹自动识别系统方面取得长足的进步，大大缩短了我国与 经济发达国家的差距。近十年来，随着需求的增加，警用指纹自动识别系统的市 场呈现出繁荣态势。目前，已在各地公安机关投入使用的就有北大高科、长春鸿 达、北京东方金指公司等多家公司开发的系统，还有部分地区使用国外的品牌。 这些系统基本上都能实现包括指纹自动建档、前科查询、倒查现场、现场指纹的 比对、现场指纹串并案在内的主要功能。 迄今为止，我国各级公安机关大致已收集积累了超过千万份的刑事指纹档案。 以金盾工程建设的全国公安专用网络为依托，指纹自动识别系统已在刑事侦查等 公安应用领域发挥出巨大的作用。不过，各地配备的不同品牌的系统也造成了兼 容性上的问题，给指纹的跨地区比对造成了困难，在相当程度上制约了指纹信息 库的利用效率。这一情况已经引起公安部的重视，并开始从统一指纹特征的标准 和数据格式入手解决这一问题。各品牌系统在核心算法，技术规范、操作规程等 方面存在的较大差异也给装备资源的整合利用造成了困难。此外，警用指纹自动 识别系统投入实用只有短短十年时间，在技术、性能上还有很大的提升空间。 1 3 本文的主要研究背景和研究重点 伴随着计算机和网络技术的高速发展，全国公安机关也在全面推进信息化建 设，伴随着这一进程，警用自动指纹识别系统已经逐步配备到各地公安机关并投 入运用。因此，提高警用自动识别系统的应用效率对于公安刑事侦查工作意义重 大。这将直接关系到公安机关的破案打击力度，进而影响到公安机关对犯罪嫌疑 人的震慑力和社会的总体治安状况。 目前，虽然指纹自动技术已经发展的比较成熟，但仍有一些瓶颈问题困绕着 广大研究人员和公安民警。尤其是在刑侦实践中，以往积累的捺印卡片指纹和案 件现场提取到的指纹都很难保证图像质量，往往存在干扰、模糊等问题，即使是 用活体采集仪采集的指纹，在当前采集技术条件下也无法确保采集到的指纹图像 质量都很好，对外界环境影响，指纹图像中会被引入各种噪声，造成自动识别系 统的误识率和拒识率较高。随着警用指纹自动识别系统的广泛普及应用，这些问 重庆大学硕士学位论文 题已经越来越成为影响广大刑侦技术人员提升工作效能的障碍。正是在这样的背 景下，本课题将警用指纹自动识别系统应用过程中的指纹图像预处理环节作为重 点，针对刑侦实践中各种来源的指纹，对指纹图像的分割、质量评估和增强方法 进行了研究。 1 4 论文的组织结构 本论文共分六章，其中第一章为绪论，简要介绍了生物特征识别技术的概念 和类别，回顾了指纹自动识别技术的发展历程和在刑事司法领域的应用情况，并 以此为基础，论述了警用指纹自动识别系统的发展及其现状，明确了课题的研究 背景和研究。第二章到第四章为正文部分。第二章是研究工作的基础，主要介绍 了警用指纹自动识别系统的基本工作原理，包括整个技术流程的梗概和系统的构 成、特点及操作步骤。第三章研究了指纹图像分割技术的前人工作，并提出基于 方差法和方向法的指纹图像复合分割方法。第四章利用g a b o r 滤波器的有关理论 实现了指纹图像的增强。第五章提出了一种在图像分割和方向图计算基础上的指 纹图像质量评估方法。第六章对整篇论文主要的学习研究内容和作做工作进行了 总结。 2 警用指纹自动识别系统概述 2 警用指纹自动识别系统概述 由于指纹具有终生不变而且不同个体重复率极低的特点，可以通过指纹信息 和嫌疑人指纹信息的比对识别来划定侦查范围、确定犯罪对象、固定犯罪证据。 指纹也因此被全世界司法界公推为”物证之首”，成为世界各国侦查部门查找和认定 犯罪人的最直接、最快捷的途径【l ”。如今，警用指纹自动识别系统在公安机关侦 查破案的实践中受到前所未有的高度重视。借助这个系统，公安民警能够将指纹 图像在计算机上进行处理，提取其特征，并将数百万人的指纹特征保存在计算机 的数据库中，从而方便地将各种来源的指纹进行汇总、比对，进而找出犯罪分子。 与过去人工的方法相比，这样一个系统大大地提高了破案打击的效率和质量。在 口供作用弱化，证据意识强化的今天，运用现代科技手段的警用自动指纹识别系 统正在刑事侦查工作中的发挥着日益重要的作用。 2 1 警用指纹自动识别系统的主要功用 概括地说，警用指纹自动识别系统应用于刑事侦查工作，可以进行十指查十 指、现场查十指、十指查现场以及现场查现场1 1 2 1 。现场查十指，一般称作“以案 到人”，也被称为“正查”；十指查现场，一般称作“以入到案”，也被称为“倒查”； 现场查现场，一般称作。以案到案”，实现串案并案，进一步明确案件的侦查方向； 十指查十指，一般称作“以人到人”，是将待查的十指指纹与数据库中已知指纹比 较，以确定待查指纹所属的个人身份和前科。 指纹自动识别系统由于准确率高、速度快等特点，在刑侦工作中可以发挥巨 大的功用。以往由人工比对检验一枚指纹，从确定纹型、中心、三角到确定独特 的个人特征点至少需要一小时以上，一般需几个小时( 还不包括和另一枚嫌疑人 指纹进行比对的时间) 。现在利用警用指纹自动识别系统，当采集到指纹输入后， 系统可以经过对指纹图像的自动处理或人工干预后找出每枚指纹上众多的特征 点，如纹型、指位、纹线的交点和端点、指纹的细节特征等，然后再同数据库中 的档案指纹比较。事先编制的计算机程序在数据库中可以实现高速检索，从中选 出1 0 - 2 0 枚最相似的指纹供给输人员进行最后的对照、判断。在指纹识别的整个过 、，程中，自动识别系统可以完成8 0 以上的工作，且综合处理速度比人工比对要快 上几十倍甚至几百倍，并且在对活体采集和捺印输入指纹图像的处理过程中，基 本不需要进行人工干预，从而避免出现人工查询时由于长时间工作而精神疲乏所 出现的一些主观错误或失误。 警用指纹自动识别系统的普及和应用为公安工作节约了大量的人力、物力和 重庆大学硕士学位论文 财力。特别由于它提高了指纹的采集和识别效率，可极早的发现罪犯的犯罪事实， 帮助侦查人员尽快正确的制定破案、擒犯的方针与步骤，合理部署警力，节约大 量宝贵的时间，使得公安刑侦工作在最短的时间内取得最迅速的进展，有效地防 止了由于时间的延误而导致的罪犯逃窜而诱发的新的犯罪行为。从这一点来说， 利用指纹自动识别系统的应用效益是无法用数字来估计和衡量的。在同违法犯罪 分子的斗争中，警用指纹自动识别系统无疑是公安机关手中的一种功能强大的现 代化科技工具，它的普及和应用已经大幅度提升了公安机关驾驭治安局势的水平。 2 2 警用指纹自动识别系统的技术流