（电路与系统专业论文）基于点模式的指纹特征识别研究.pdf

华东师范大学硕士学位论文 d i s s e r t a t i o nf o rm a s t e rd e g r e e ，2 0 1 1s c h o o lc o d e ：1 0 2 6 9 s t u d e n tn 0 ：5 1 0 8 1 2 0 2 0 4 0 e a s tc h i n an o r m a lu n i v e r s i t y mi nu t i a e b a s e dr e s e ar c hi n fin g er p r in tr e c o g ni t ion d e p a r t m e n t ：i n s t i t u t eo fi n f o r m a t i o ns c i e n c e & t e c h n o l o g y m a j o r ：i 垦婪i ! 三坌凸旦y 墨! 皇幽墨 t u t o r ：墨墨q i 坌! 皇 q f 皇墨q h 些坌n g b 坌凸g m a y ，2 0 1 1 眦2洲0 圳7，20m 9iiiiiim y 华东师范大学硕士学位论文 华东师范大学学位论文原创性声明 郑重声咏本人呈交的学位论文基于点模式的指纹特征识别研究，是在华东师范 大学攻读硬壬博士( 请勾选) 学位期间，在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。 基 下完成的 日期：2 e t l 年f 月立7 日 华东师范大学学位论文著作权使用声明 识别研究系本人在华东师范大学攻读学位期间在导师指导 学位论文，本论文的研究成果归华东师范大学所有。本人同 意华东师范大学根据相关规定保留和使用此学位论文，并向主管部门和相关机构如国家图 书馆、中信所和“知网”送交学位论文的印刷版和电子版；允许学位论文进入华东师范大 学图书馆及数据库被查阅、借阅；同意学校将学位论文加入全国博士、硕士学位论文共建 单位数据库进行检索，将学位论文的标题和摘要汇编出版，采用影印、缩印或者其它方式 合理复制学位论文。 本学位论文属于( 请勾选) ( ) 1 经华东师范大学相关部门审查核定的“内部”或“涉密”学位论文宰， 于年月日解密，解密后适用上述授权。 ( ) ，2 不保密，适用上述授权。 导师签名二熟 本人签名垂 堕土 2 p 年s 月2 9 日 “涉密”学位论文应是已经华东师范大学学位评定委员会办公室或保密委员会审定 过的学位论文( 需附获批的华东师范大学研究生申请学位论文“涉密”审批表方为有 效) ，未经上述部门审定的学位论文均为公开学位论文。此声明栏不填写的，默认为公开 学位论文，均适用上述授权) 华东师范大学硕士学位论文 班硕士学位论文答辩委员会成员名单 姓名职称单位备注 芝芦正有孝最邱引卞敬每主席 韩寝霞副瓠矮耷殆i 叩- - 心- t - 莓 3 洱f j i白1 瓢赣令泵i 卞范天莓 i v 华东师范大学硕士学位论文 摘要 随着现代电子技术的发展，计算机系统的安全问题变得愈加的重要，传统的安全系统 已经不足以满足需要，因此，大家都把目光投向了生物识别技术。其中最有代表性的指纹 识别技术取得了巨大的发展，很多公司和机构都致力于逐渐被运用到各种电子设备、系统 之中，但是由于自动指纹识别技术本身的多种因素，其中牵涉到商业产权的关系，很多算 法都未能进行开源，所以指纹识别技术依旧是当今的研究热点之一。本文在指纹识别的原 理进行学习的基础之上，就指纹识别的的图像处理算法进行了着重研究，对原有算法进行 了优化并提出了对应的解决方案。 对指纹图像进行预处理，运用基本的图像平滑技术滤除采集到的图像的噪声信息。在 此基础上，对指纹特征图像和背景图像进行分割，提出了一种改进的最大类间方差法的阈 值分割技术，完整的保留了前景区域，将非指纹区域背景去除，具有较好的性能。 针对指纹脊线具有方向性的特点，本文研究了g a b o r 原理，并构造了方向性滤波器对 指纹图像进行增强，提高了纹线的清晰度，降低了噪声对特征提取的影响。同时，本文采 用现有的图像细化算法，对指纹纹线进行细化处理，方便特征点的提取。 在指纹特征提取和匹配时，本文提出了一种基于点特征模型的指纹识别算法，在细化 图像的基础上，采用八邻域模板提取细化指纹图像中的端点和分叉点，并对采集到的特征 点进行去伪处理，最后采用基于细节点匹配的方法，对采集到的数据点集完成匹配。 上述研究工作从降低噪声和增强指纹细节上，特征点模型的提取和匹配上给出了具体 的解决方案和结果，实验证明，对于自动指纹识别技术的实际应用具有一定的参考价值。 关键词：指纹识别预处理g a b o r 滤波图像细化特征提取 v 华东师范大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t hm o d e r ne l e c t r o n i ct e c h n o l o g yd e v e l o p i n gs of a s t ，c o m p u t e rs y s t e m ss e c u r i t y b e c o m e sa ni m p o r t a n ti s s u e t r a d i t i o n a ls e c u r i t ys y s t e m sh a v eb e e ni n s u f f i c i e n tt om e e t t h en e e d s ，a n dt h e r e f o r e ，w ea r ed o i n gr e s e a r c ho nb i o m e t r i ct e c h n o l o g y f i n g e r p r i n t i d e n i f i c a t i o n ，o n eo ft h em o s tr e p r e s e n t a t i v et e c h n o l o g i e s ，h a sm a d et r e m e n d o u s a d v a n c ea n db e e na p p l i e dt ov a r i o u se l e c t r o n i ce q u i p m e n tb ym a n yc o m p a n i e sa n d o r g a n i z a t i o n s h o w e v e r ，a sa 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 nt e c h n o l o g yi n v o l v e s c o m m e r c i a lp r o p e r t y ，m a n ya l g o r i t h m sa r eu n a b l et oo p e ns o u r c e ，s ot h ef i n g e r p r i n t i d e n i f i c a t i o nt e c h n o l o g yi ss t i l lo n eo fr e s e a r c h e sf o c u s e dn o w a d a y s i nt h i sp a p e r ，w es t u d yt h ep r i n c i p l eo ff i n g e r p r i n ti d e n i f i c a t i o nb a s e do nf i n g e r p r i n t i d e n t i f i c a t i o na n di m a g ep r o c e s s i n ga l g o r i t h m sf i r s t l y t h i sp a p e rm a i n l yi n c l u d e st h e f o l l o w i n ga r e a s ： i nt h ef i n g e r p r i n ti m a g ep r e p r o c e s s i n g ，i m a g es m o o t h i n gt e c h n i q u e sa r eu s e dw i t h b a s i cf i l t e rt od e l e t et h en o i s eo fi m a g e si nc o l l e c t e di n f o r m a t i o n f u r t h e r m o r e ，w ep u t f o r w a r dam o d i f i e do t s ut h r e s h o l ds e g m e n t a t i o nm e t h o d ，w h i c hc a ns e g m e n tt h e f i n g e r p r i n ti m a g ea n dt h eb a c k g r o u n di m a g e a st h ed i r e c t i o n a ls p e c i a l t yo fr i d g e ，w ed i s c u s st h eg a b o rp r i n c i p l ei nt h i sp a p e r a n dc o n s t r u c tad i r e c t i o n a lf i l t e rt oe n h a n c et h ef i n g e r p r i n ti m a g e ，w h i c hc a ni m p r o v et h e c l a r i t yo fr i d g ea n dr e d u c et h ei m p a c to fn o i s eo nt h ef e a t u r ee x t r a c t i o n a tt h es a m et i m e ， w eu s et h ee x i s t i n gi m a g et h i n n i n ga l g o r i t h mt ot h i nf i n g e r p r i n tr i d g et of a c i l i t a t et h e e x t r a c t i o no ff e a t u r ep o i n t s o nf i n g e r p r i n tf e a t u r ee x t r a c t i o na n dm a t c h i n g ，t h i sp a p e rp r e s e n t sam o d e lb a s e d o nm i n u t i a ef e a t u r e sf i n g e r p r i n ti d e n i f i c a t i o na l g o r i t h mb a s e do nt h et h i n n e di m a g e ， u s i n ge i g h tn e i g h b o r h o o dt e m p l a t et oe x t r a c tt h i n n e df i n g e r p r i n ti m a g ee n d p o i n ta n d b i f u r c a t i o np o i n t s ，a n dc o l l e c t e dt h ef a l s ef e a t u r ep o i n t s a tl a s t ，w i t hd e t a i l so ft h ep o i n t s c o l l e c t i o n s ，w ec o m p l e t em a t c ht h ec o l l e c t e dd a t ap o i n t s a l li na 1 1 w er e d u c et h en o i s ef r o mt h ea b o v e m e n t i o n e ds t u d ya n de n h a n c et h e f i n g e r p r i n td e t a i l s a l s ow eg i v et h es p e c i f i cs o l u t i o n sa n dr e s u l t sa b o u tf e a t u r ee x t r a c t i o n a n dm a t c h i n gt h em o d e l t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sc o n t r i b u t et oa u t o m a t i cf i n g e r p r i n t i d e n i f i c a t i o nt e c h n o l o g ya n dt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n k e y w o r d s ：f i n g e r p r i n ti d e n t i f i c a t i o n ，p r e p r o c e s s i n g ，g a b o r ，t h i n n i n g ，e x t r a c t i o n v i 华东师范大学硕士学位论文 目录 摘要v a b s t r a c t v i 目勇毛v 第一章绪论1 1 1 引言1 1 1 1 生物特征识别研究意义1 1 1 2 生物特征识别分类一2 1 2 论文研究背景6 1 2 - 1 国内外研究背景6 1 2 - 2 指纹识别技术的前景8 1 3 本文的主要工作和结构安排10 第二章指纹识别技术原理11 2 1 指纹数字图像的采集11 2 1 1 常用的采集方式11 2 1 2 指纹图像的质量1 2 2 2 指纹的特征类型13 2 2 1 指纹的总体特征1 3 2 2 2 指纹的局部特征1 4 2 3 指纹处理的算法步骤15 2 4 本章小结1 7 第三章指纹图像的预处理1 8 3 1 指纹图像平滑去噪1 8 3 1 1 均值滤波法1 8 3 1 2 中值滤波法19 3 1 3 高斯滤波法一2 0 3 1 4 直方图均衡化一2 2 3 1 5 局部统计滤波法2 2 3 2 指纹图像的分割2 5 3 2 1 边缘检测算法一2 5 3 2 2 图像阈值法一2 8 3 2 - 3 改进的最大类间方差法3 1 3 3 本章小结3 2 第四章基于g a b o r 变换的指纹图像增强3 3 4 1 引言3 3 4 2g a b o r 变换的原理3 4 4 3g a b o r 滤波器设计3 5 4 3 1 图像的规格化一3 6 4 3 2 方向角的确定3 7 4 3 3 频率的确定3 9 4 3 4 八方向滤波变换4 0 4 4 本章小结4 2 第五章特征提取和特征匹配4 3 5 1 基于细化图像的特征提取4 3 5 1 1简 5 1 2 指 5 1 3图 5 1 4 去 5 2 基于点模 5 2 1 简 5 2 2 点 5 3 本章小结 第六章总结和展望 参考文献 致谢 华东师范大学硕士学位论文 第一章绪论 最近几年，生物特征识别技术发展的相当迅速，已经成为计算机工业领域中的一个重 要发展方向。在诸多的生物特征识别技术中，指纹识别是最具有代表性的技术之一，同时 在未来识别应用中的是也最具有吸引力和竞争力的研究方向。 1 1 引言 1 1 1 生物特征识别研究意义 生物特征识别技术( b i o m e l r i cf e a t u r ei d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g y ) 是在计算机的作用下， 把光学、声学和生物传感器及生物统计学原理等高新技术结合在一起，利用人体的固有生 理、行为特征来进行个人身份鉴别的技术。生物特征是具有唯一性的( 与他人不同) 、可 以测量或自动识别和验证的生理特性或行为方式，可分为生理特征和行为特征。生物识别 系统获取生物特征样本，提取具有唯一性的特征并进行身份认证。最基本生物识别系统的 系统结构如图1 1 ： 图1 1生物特征识别流程及模块 2 1 世纪随着网络的发展越来越流行，“云计算”凸现，我们的社会已经更加具有电子连 接性和移动性，使得现行的许多计算机系统，包括很多的机密的系统，都是采用的“用户 i d + 密码”( 个人信息账户普遍) 和“卡”( 门禁系统普遍) 的方式来进行用户的身份认证和 访问控制的。但是实际运用过程中，这种方式隐藏着一些问题。比如密码容易被用户所忘 记，同时也容易被别人窃取，卡也可以轻松实现共享。当用户丢失或遗忘自己的密钥时， 就需要系统管理员的帮助找回密码，才能继续工作。如果整个系统的管理员发生密码遗失 华东师范大学硕士学位论文 的情况的话，这依赖整个系统的人都将无法正常工作。根据相关的调查表明，i t 厂商中很 多售后问题都是因为用户遗失密码而导致的，这种现象在各大厂商中屡见不鲜了。 如果一旦发生用户密码泄漏的情况，则会直接对公司的机密造成潜在的危害，甚至发 生个人信息盗用、银行存款失窃等荣誉损失和直接的经济损失，这一切的后果都会对用户 的个人利益直接或间接的带来损害。在现实生活中，即使是在高度机密的美国军事机构， 所使用的计算机网络都曾经被黑客入侵，而黑客们入侵的第一步就是破解任一合法用户的 密码，之后再进行网络攻击的。 不只是现行的计算机网络和应用系统存在着这样的安全问题，在需要身份验证的传统 场合，也存在着潜在的安全隐患，比如门禁卡证件等的非法盗用、伪造等。犯罪分子目标 一般都是方便伪造、未能加密的纸质证件。通过这些非法证件，犯罪分子可以进入机密场 所并窃取其中的信息，甚至进行非法入境或者移民等。 为了防止此类事情的发生，人们将希望转向了“人体生物特征识别技术( h u m a n b i o m e t r i cf e a t u r ei d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g y ) - _ 一根据人自身所具有的生物特征来对每个人 的真实身份进行鉴别和区分。我们所采用的这些生物特征同时具有“唯一性”、“终身不变 性”和“便携性”的特点，使得鉴别和认证的结果更具有准确度。 1 1 2 生物特征识别分类 生物特征随身携带，具有便携性，不会被窃取或是共享；每个独立的个体的生物特征 相互区分开来，具有唯一性，很难被伪造；所以，相比于传统的身份验证方法一身份证 和密码( 或p i n ) 的可靠性更高。生物特征识别的目的是方便用户( 例如，没有提款 卡或密码在a t m 机) ，更好的安全性( 例如，只有授权的人可以进入的设施) ，更好的 问责制( 例如，难以否认交流处理过的机密纪录) 。在现在科学技术的发展条件下，人们 上主要用指纹、虹膜、基因等生物特征来进行身份的鉴别，因为这些生物特征也是同时符 合三个特点的。除此之外，还有一些生物特征比如面容、语音等，在特定的时间段内也是 可以保持“唯一性”特点的，所以同样可以实现身份的鉴别，这些都有相对应的识别技术， 以下是大概的内容介绍： ( 1 ) 虹膜识矍j l j ( i r i si d e n i f i c a t i o n ) 虹膜识别( i r i si d e n i f i c a t i o n ) 技术是利用了虹膜的终身不变性和唯一性来进行身份识 别的n 1 。虹膜识别技术有以下特点：第一、稳定性，虹膜的特征非常稳定，不会随着年龄 的增长发生改变，而且不会受到疾病或者工作因素的影响而产生变化；第二、防伪性，虹 2 华东师范大学硕士学位论文 膜特征很难通过外科手术发生改变；第三、非接触性，身份验证时，用户可以与设备保持 一定距离即可完成数字图像的获取，无需发生肢体接触；第四、唯一性，虹膜在形成的过 程中具有非常大的随机性，每只虹膜的信息都完全不一样，即使是同一个人的两只眼睛的 虹膜，都不会一样。 对采集到的虹膜数字图像在计算机上进行一系列复杂的计算，可以得到大量的所需要 的特征点，这样使得虹膜识别具有极高的识别率。但是，虹膜识别技术具有一定的局限性， 现在的虹膜识别只在小范围内被应用，还没有进行大规模大范围的推广，因为虹膜图像的 采集设备价格昂贵，需要昂贵的摄像头，这样的摄像头大概需要7 0 0 0 美金，所以不具有推 广性。 ( 2 ) 视网膜识别( r e t i n a i d e n i f i c m i o n ) 视网膜识别( r e t i n ai d e n i f i c a t i o n ) 技术也是利用激光来照射眼球的背面，以获得具有 唯一性的视网膜特征的一种生物特征识别技术n 1 。 视网膜是人眼将外界信息通过感光神经传送给大脑的重要器官，它是一些非常细小的 神经( 五十分之一英寸) ，并位于眼球后部。跟虹膜一样，视网膜具有强烈的稳定性，同 时，不磨损、不老化、不受疾病影响。因为视网膜不可见，所以不会发生被伪造的情况。 视网膜识别技术在实现对用户身份的检测的时候，为了取得用户的视网膜信息，使眼睛处 于与采集设备半英寸之间的位置，同时盯着旋转的绿灯并保持静止，这样可以取得大约4 0 0 个特征信息点。由于视网膜是人体重要的视觉器官，所以该技术是否会对视网膜造成危害 将直接影响到该技术的实用性，有待进一步考证。 ( 3 ) 面部识别技术( f a c er e c o g n i t o n ) 面部识别( f a c er e c o g n i t o n ) 技术是提取、分析、比较人脸特征信息，从而实现对用户 的身份验证，是非常具有潜力的研究方向。 面部识别技术基于人脸的唯一的特征时是非常复杂的，这需要人工智能和机器知识学 习系统进行辅助学习，主要包括检测、定位、预处理和确认等一系列相关技术。人脸面部 信息被捕捉之后，其中的一些核心点信息被记录下来。通常面部识别技术实现方法有如下 几种： a 1 几何特征； b 1 基于特征脸； c ) 神经网络的； d ) 弹性图匹配； e ) h a u s d o r f f 距离； 3 华东师范大学硕士学位论文 0 支持向量机； 面部识别技术会因为采集图像环境的不同，而准确性发生很大的浮动，这对人脸信息 采集时的环境有很大联系。如用户的面部表情改变、拍摄的光线明暗度改变、用户所处背 景改变等等。所以人脸识别技术无法实现真正的自动化身份识别，必须要人工辅助才能保 证较高的识别率。 ( 4 ) 语音识别技术( v o i c ei d e n i f i c a t i o n ) 语音识别( v o i c ei d e n i f i c a t i o n ) 是行为识别技术的一种，通过机器识别把语音转换成 与之一一对应的文本或命令的过程。语音识别数据库先预存了原始语音的信息，其中包括 波纹及其变化等等，再将采集到的用户的语音信息与数据库中的信息相对比，通过预先设 定的阈值，来达到身份鉴别的目的。语音识别技术主要包括特征提取技术、模式匹配准则 及模式训练技术三个方面，而且语音识别技术也是属于非接触式。语音因为其包含信息的 特殊性和机器识别的难度很大，通常会因为变化的范围太大，在识别的结果上会有较大的 误差。语音识别技术的局限性体现在如下几点：第一、机器识别语音的难度大；第二、语 音信息存在不稳定性，同一个身份的人会随着年龄的增长语音信息发生差异；第三、语音 的不确定性，语言中会有大量发音相同但是意思不同的词语；第四、重音、音调、音量会 产生与语言意思不完全相同而与当时语境相对应的意思；第五、语音识别会受到噪声的影 响。 ( 5 ) 基因识别( d n a ) 基因( d n a ) 识别是当今的身份鉴别技术中精确度最高的技术，但是因为d n a 识别 的技术操作复杂、设备昂贵不易获取、鉴定时间长，所以无法在生活和工作中进行应用， 通常只会在特定的重大项目和科学研究中使用。 ( 6 ) 指纹识别( f i g e r p r i n ti d e n i f i c a t i o n ) 指纹识别( f i g e r p r i n ti d e n i f i c a t i o n ) 技术是采集、分析和对比指纹的特征信息来实现用 户身份的区分。同时，指纹识别技术也是历史上最悠久的技术。指纹特征同时具有生物特 征鉴别中重要的三个特点：指纹的唯一性、终身不变性、方便性，所以指纹识别技术能够 保证较高的精确度。同时，指纹识别技术所采用的软硬件设备跟其他的技术相比，成本是 比较低的。在迄今为止的生物特征识别技术的研究当中，指纹识别技术靠其实用性和准确 性是研究者们最感兴趣的技术之一，也取得了深入、广泛和成熟的研究成果。 指纹是人手指皮肤上由隆起的纹线构成的特有的花纹。这些花纹在指纹的形成过程中， 是随机排列而成的，所以不同的排列组合方法形成了每个独立的身份特征指纹。这些 特征包括嵴、谷和终点、分叉点或分歧点，同一个人的每一个手指的纹线都是不一样的， 4 华东师范大学硕上学位论文 甚至每条纹线都是独立互不影响的，而且终身不会发生改变。研究者们可以通过计算机采 集设备将指纹特征信息成像并进行处理和分析，再利用复杂的算法将其中有用的特征点提 取出来，将会得到每个指纹的详细的特征信息，每个指纹具有几个具有唯一性的特征点， 每个特征点都有大约七个特征，我们的十个手指产生最少4 9 0 0 个独立可测量的特征。事先 将所有的待鉴定身份的指纹信息都存入到指纹信息数据库当中，将待鉴定身份的指纹信息 进行同样一系列的计算机处理之后，与数据库中的指纹特征信息进行比较，将匹配度最高 的那个身份进行输出，就可以实现身份验证的过程。所以在对采集到的指纹的个人信息进 行甄别的时候，需要分析和比较当中的细节特征，更需要与之对应的数据库来支持。 指纹具有唯一性、终身不变性、方便性等优点，个人身份认证时可以以指纹作为个人 专属密钥，这样可以在一定程度上取代传统的“帐号+ 密码”的数字认证方式。而且，用户也 不用再担心忘记密码这样的事情。如果需要增加认证的安全性的话，可以登记多个手指的 指纹信息，并进行同时鉴别，而且每一个指纹都是唯一而且独立的，这样的验证具有非常 高的精确度，是一种顶级的安全验证模式。最近几年，网络中的交易量增长非常迅猛，所 以将指纹识别作为网上交易的支付手段，可以大大提高网络交易的安全性，为网上银行、 网上贸易、电子商务等等网络信息提供坚强后盾。 指纹识别技术相比其他的生物识别技术有很大的技术优势，主要体现在：第一、指纹 识别技术具有较高的精确度和复杂度，技术上较容易实现，而且可以提供出足够的特征来 进行鉴别；第二、指纹采集方便快捷，待检测者只需将手指放在指纹采集器上即可完成数 字图像的采集；第三、指纹随身携带，身份识别起来非常方便；第四、指纹采集器结构小， 而且价格便宜，可以广泛推广。 综上所述，在生物特征识别技术中，每种生物特征都有各自的优缺点，所以根据每种 生物特征的局限性和实用性以及识别应用的领域，应当适时的进行取舍和利用，因为这是 跟应用的领域就很大关系的，不存在一种技术在任何的条件或环境下都能够达到非常好的 实用性。因此保证精确度的前提下，利用低成本，实现大规模的推广性的技术，将具有极 大的潜力。指纹识别技术是所有的生物识别技术当中精确度高、应用性强、成本低廉而且 不会有任何潜在的危害的的生物识别技术，无论是在现实市场还是网络市场中，都具有这 极大的应用潜力。 华东师范大学硕士学位论文 a 虹膜b 视网膜c 人脸 d 指纹e 基因f 声音 常用的各种生物特征识别技术的技术性能比较如表1 1 所示： 类型矿鉴别可可否运用l可否运用王传感器价格一尺寸， 罪鹱#对1 比照。对多比照 。 虹膜，很好p是p 是，呙p较大p 视网膜，很好矿是p是，呙p较大， 面部，一般，是p否，低，中等p 语音般p是否极低p非常小矿 基因矿最好，是，否p极高p很大p 指纹。很好p是p是p较低，非常小p 1 2 论文研究背景 1 2 1 国内外研究背景 表1 1常用生物识别技术比较 6 华东师范大学硕士学位论文 根据相关证据表明，中国是世界上最早将指纹识别技术进行应用的国家。因为在西安 半坡出土的距今六千多年的陶器上己发现了指纹的痕迹。从唐代起，人们已经在契约和 文书上使用指纹，其中最具有代表性的是一按指为书”和“指纹捺印”。著名学者海因德 尔( h e i n a i ) 在其权威的指纹鉴定著作中断定：“根据我国周礼义疏及仪礼义疏 记载，中国第一个提到指纹鉴别个人的是唐代的作家贾公彦。他的作品大约写于公元6 5 0 年，他是着重提到指纹是确定个人身份方法的世界上最早的作家。”大约从宋朝开始，指纹 作为鉴别身份的重要特征，已经作为刑事案件处理中重要的物证。所以，指纹在中国古代 的契约文书、买卖字据、刑审判决等处理中具有非常广泛的应用。 在1 8 8 0 年，福尔茨( h e n r yf a u l d ) 总结前人的基础上，发表论文指出指纹的唯一性， 这是历史上第一次指出指纹的唯一性。通过科学地发现指纹唯一性的，提高了指纹方法的 普及率，人们更愿意采用和接受这种身份验证。 在1 8 8 9 年，亨利( e r h e n r y ) 发表了指纹细节特征的论文，第一次详细的阐述了指 纹细节特征识别( m i n u t i a b a s e d ) 的方案，而且他也提出了一个大胆而创新的设想通 过指纹来鉴别犯罪分子，为现代指纹系统理论的建立打下了坚实的基础口1 。到现在为止， 已经过去了一个多世纪了，基于指纹细节特征识别的算法仍然是指纹识别算法中最重要的 算法之一。 公元1 8 9 2 年，英国的弗朗西斯盖尔顿( f r a n c i sg a l t o n ) 对指纹进行了深入而详细的研 究，并著书g f i n g e r p r i n t ) ) 。在书中，他详细的描述了单个指纹如何进行分类，如何认识 指纹的细节特征。第一次详细而系统的对指纹学进行了全方位阐述，至上而下的确立了整 个指纹识别的流程和方案，而且用于实际的犯罪案件侦查中，鉴别犯罪嫌疑人的身份。 指纹识别技术具有悠久的历史，自从指纹被用于甄别身份起，一直在各个领域被用于 处理契约等。然而，由于指纹识别技术运用领域的特殊性，主要是在刑事侦查和司法鉴定 中，而在现实的民用领域中应用较少，使得指纹识别技术并不被大多数人熟悉。在早期的 指纹识别技术应用当中，是普遍利用经过训练的专业人员和指纹方面的教授进行指纹的验 证，来得到较为准确的检验结果，但是这种人工识别的方法，会造成指纹识别的周期长、 效率低下，而且由于人处理的指纹对比范围有限，也会出现指纹识别准确率降低的可能， 远远不能应用于现在的社会。近年来，随着计算机技术和网络技术的革命，人们用于身份 鉴别的机会和场合越来越多，越来越普遍，所以人们将目光投向了这门历史悠久的技术， 随着科学技术的发展，指纹识别技术会具有更广泛的应用市场和更多的民用产品。 2 0 世纪6 0 年代末，信息技术得到了广泛的发展，其中计算机技术发展的更加迅速， 逐渐兴起为一个新的产业。人们逐渐在指纹识别技术中融入计算机技术，取代传统的指纹 7 华东师范大学硕士学位论文 识别方案。这样，指纹识别技术逐渐步入了自动化时代，各国学者针对指纹识别技术也开 始提出一些新的思路、方法和途径。美国当时提出“自动指纹识别系统”( a u t o m a t e d 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 ) ，该系统融合了模式识别和计算机图像处理方法，可以有 效的替代传统的人工识别方法h ，。 2 0 世纪7 0 年代，在美国提出的自动指纹识别系统的影响下，各国都开始普及模式识 别和计算机应用，并对已有的自动指纹是被系统进行研究、应用和改进。2 0 世纪7 0 年代 末开始，涌现了大量的指纹识别产品，其中最有代表性的是加拿大警方应用激光进行指纹 检验；日本立石电机公司研制出了指纹核对机：美国人福勒设计了指纹电子检验系统。而 且在1 9 8 2 年，日本著名电子公司n e c 第一次将“自动指纹识别系统”( a u t o m a t e df i n g e r p r i n t i d e n t i f i c a t i o ns y s t e m ) 提供给了刑事侦查领域，第一次被警察使用h 3 。迄今为止，从事“自 动指纹识别系统”( 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 ns y s t e m ) 方向的研究的机构众多，在 全球范围内有3 0 多家著名的公司、大学和机构。 2 0 世纪9 0 年代，随着指纹采集设备成本的降低，一些用于指纹识别技术快速匹配的 算法的提出，指纹识别技术的发展呈现了巨大的潜力。这就意味着，指纹识别技术可以得 到大规模的应用，在民用领域里日常生活中的各个环节都可以取代原有的身份验证方法。 传统的个人识别码和密码的组合，现在通过指纹识别技术，可以有效的防止非本人的盗用； 在其他的应用领域，例如自动提款机、手机、门禁卡、个人电脑及其工作站网络中都能有 效的保护被授权人的利益，而且在网络交易中，可以通过指纹信息来完成身份验证，实现 对交易中的金钱或物质进行保护；在公司、学校、机构等的门禁系统中，可以取代传统的 智能刷卡，避免代人刷卡等问题的出现哺7 1 。总之，指纹识别技术的迅猛发展及其实用性的 研究成果，将身份鉴别带入了一个新的纪元。 1 2 2 指纹识别技术的前景 根据之前文章的描述，生物特征识别技术可以采用的特征有很多种，在不同的环境和 条件下，采用与之对应的方法，其中包括虹膜、视网膜、d n a 、人脸、指纹等等。指纹特 征的唯一性，相对于人脸和声音等特征，可以从指纹数字图像中提取出大量的特征点，提 高了身份鉴别的准确度，所以唯一性非常好；在稳定性方面，指纹特征具有随时间变化的 稳定不变性，指纹在出生的时候就由随机的花纹所定型，即使到死亡的时候，指纹的特征 新戏都不会发生改变除非受到外力的强行改变所以稳定性与人脸和声音相比非常 8 华东师范大学硕士学位论文 好；与虹膜、视网膜、d n a 等生物特征的昂贵采集设备和复杂的取样过程相比，指纹非常 容易获取，而且成本低廉，所以便携性很好。图1 2 为指纹识别在智能卡方面的应用n 3 1 。 鲮一 8 坠墼i 爹卷 5 ”、一，。4 燕 b i o m e t r i c s 图1 2指纹识别在智能卡方面的应用。 囹 商用指纹识别技术在中国的应用虽然还只有1 0 年左右的时间，但已得到了很大的发展 和进步。国内从事指纹特征识别技术研究的公司、机构和著名大学越来越多，理论的研究 成功也取得了大量的突破，与之相关的应用产品也开始应用起来，但是由于公司处于专利 和利益的保护，其中的关键技术都并未公开话，所以高精度的产品价格仍然比较昂贵，有 待进一步的降低成本。作为世界经济中处于举足轻重地位的中国，强大的市场潜力有待这 各国的投资者进行挖掘，在这一领域里面，中国市场有着非常光明而广阔的前景。图1 3 为指纹识别技术在交通、零售、刑事领域的一些应用n 引。 9 r e t a ilpr o d u c t i v i t y 、， 一 蜜 华东师范大学硕士学位论文 图1 3 指纹识别技术的应用 1 3 本文的主要工作和结构安排 本文在指纹识别的原理进行学习的基础之上，就指纹识别的的图像处理算法进行了着 重研究，对原有算法进行了优化并提出了对应的解决方案。本文的结构安排如下： 第一章绪论。对生物识别系统进行概念性介绍，对指纹识别技术现状进行了分析，阐 明了指纹技术发展前景和意义。 第二章指纹识别技术原理。针对指纹的特征和参数进行了描述，分析了指纹图像处理 相关的技术，对本文所用到的图像处理流程做了阐述。 第三章指纹识别的预处理实现。对指纹图像进行预处理，运用基本的图像平滑技术滤 除采集到的图像的噪声信息。在此基础上，对指纹特征图像和背景图像进行分割，提出了 一种改进的最大类间方差法的阈值分割技术，完整的保留了前景区域，将非指纹区域背景 去除，具有较好的性能。 第四章基于g a b o r 变换的指纹图像增强。针对指纹脊线具有方向性的特点，本文研究 了g a b o r 原理，并构造了方向性滤波器对指纹图像进行增强，提高了纹线的清晰度，降低 了噪声对特征提取的影响。同时，本文采用现有的图像细化算法，对指纹纹线进行细化处 理，方便特征点的提取。 第五章指纹特征提取和特征匹配。在指纹特征提取和匹配时，本文提出了一种基于点 特征模型的指纹识别算法，在细化图像的基础上，采用八邻域模板提取细化指纹图像中的 端点和分叉点，并对采集到的特征点进行去伪处理，最后采用基于细节点匹配的方法，对 采集到的数据点集完成匹配。 第六章总结和展望。对本文的工作进行总结，结果实验效果，对未来的工作进行展望。 】0 华东师范大学硕士学位论文 2 1 指纹数字图像的采集 第二章指纹识别技术原理 指纹特征具有唯一性、便携性和终身不变性，使得人人不同、指指相异。依照经典的 指纹学系统知识，两个独立身份的指纹能同时准确的完成1 2 个特征匹配的发生的概率仅只 有1 1 0 5 0 。指纹特征的终身不变性体现在，因为指纹在胚胎发育到半年时间的时候就已经 形成定型，指纹还具有终身基本不变的相对稳定性。虽然随着人体型的增长、年龄的衰老， 会导致指纹细节特征的大小、粗细发生改变，然而指纹的这些细节特征的还是可以作为身 份鉴定的依据，因为总体分布不会发生显著改变。 指纹识别过程可以分为4 个步骤： 秉集指纹图像茹通过指纹读取设备，从用户读取到清晰的入 体指纹的图像。p 图像预处理，取到指纹图像之后，要对原始图像进行初步 的处理，去除噪声，使之更清晰。p 提取特征p指纹辨识软件建立指纹的数字表示特征数 据，通过算法在指纹上找到被称为* 点” ( m i n u t i a e ) 的特征点。， 保存数据、对比，计算机模糊比较，计算相似度，输出匹酉己结 臬。p 2 1 1 常用的采集方式 表2 1 指纹识别过程 指纹数字图像的采集是通过电子设备，利用传感器和计算机成像技术将指纹的细节以 数字图像的方式存到计算机中。选择指纹传感器的方式，在图像的采集过程中，用户需要 与指纹传感器发生接触，这样，才能将用户的指纹转变成计算机处理所需要的数据数 字图像。这种图像采集的方式成像时间快、效率高，适合实时性检测；而且设备方便操作， 无需人工参与，节约资源；采样图像清晰，能满足后续的操作。 华东师范大学硕士学位论文 市面上常用到的指纹传感器按原理分主要有三种：光学全反射技术( c c d ) 、硅晶体电 容式传感技术、超声波扫描技术等。这三种都是由于具有众多优点而广泛受到市场欢迎的 产品，其中以硅晶体电容式传感器最受市场欢迎。但是，每种技术都会有自己的优势领域， 同时也会有一些缺陷，在表2 2 中是对三种技术的的性能对比。 比较项目，光学全反射技术p电容传感技术p超声波扫描，