（控制理论与控制工程专业论文）指纹识别技术研究及应用.pdf

内蒙古科技大学硕士学位论文 摘要 随着社会的发展和网络时代的到来，网络信息等安全领域对身份认证的需求日趋迫 切，传统的个人身份鉴别手段如钥匙，口令、身份证件，甚至i c 卡等识别方式，由于 它们具有可假冒、可伪造、可盗用、可破译的弱点，已不能完全满足现代社会经济活动 和社会安全防范系统的需要。 出于安全性和方便性的考虑，生物识别技术得到越来越多的重视，其中，指纹自动 识别系统是当前最热门的生物识别技术研究与应用内容之一，这是由于指纹采集方便， 且具有唯一性和稳定性，因此被人们用来当作鉴别个人身份的主要依据。目前，从实用 性和可行性角度看，指纹识别技术优于其它生物特征鉴定技术，被认为是一种理想的身 份认证技术。 本文主要对指纹图像预处理、细节特征点提取、特征点匹配算法进行了深入研究， 并对其在民用、刑侦等领域的应用作了简单的介绍。研究内容主要包含以下三个方面： ( 一) 、指纹图像预处理。主要针对指纹图像的纹理特性和方向性这一特点，深入分 析与比较多种预处理方法，并在实验验证的基础上，提出了一些关键性的算法，如改进 的指纹图像规一化算法、基于灰度特性的分级分割算法与方向平均值滤波等算法，并引 入了数学形态学进行滤波去噪，同时与常规图像预处理算法进行了比较。 ( 二) 、指纹细节特征点提取。对一些特征提取算法进行了深入研究，对局部细节特 征点一中心点、端点与分叉点进行了提取。 ( 三) 、指纹细节特征点匹配。在对多种特征匹配算法进行深入分析与研究的基础 上，提出了基于中心距与角度差相结合的指纹细节特征点匹配算法。 本文在p c 机上用v a 斗编程实现了论文中提到的所有算法。实验结果表明，采用 这些算法，极大地提高了指纹图像预处理效果、缩短了特征匹配的时间，提高了识别的 准确率。 关键词：指纹图像；预处理；图像分割；特征提取；特征匹配 内蒙占科技大学硕士学位论文 t h er e s 姐r c ha n d a p p u c a 啦o no ff i g e r p r i n ti d e n t i 6 c a t i o n t 代h n o l o 留 a b s l r a c t w i mm e d e v e 】哪吼e i l to f o l l rs o c i e t y ，i d e i 】t i t yv e r i 丘训o ni sb e c o m i n gag r e a td 朗m d i i l w 曲i n 妇m 鲥锄s e c l l f i t yd 锄咖锄ds 0o n 1 1 1 e 删i 石o n a lp 黜1 1 a 1i d d t yv 鲥f i c 甜o n m e a 璐，锄c h 勰k c y ，p a s s w o r d ，i d 6 t yp 印e r s ，dc a r d 卸di cc a r d ，l l a v e 龇锄b e h j n d m cl l e 。d so fe c o l l o m i ca c 廿们移卸ds o c i a ls e 吼】r i t yd e f h l c es y s t e i i l ，m i si sb e c a u s et l l a t1 1 1 e y w o u l db ef b i 翻b i e ，蹦s i 丘a b k ，s t o i e n0 rd e c o d a b l e m o r e 驵dm o r ep e o p l ep a ya t t t i o nt ob i 0 1 0 9 yi d d f i c a t i o nt c d m d l o g y 岛rm es 训t ya n d c o i l v e n j e n c er e a s o r lf i n g 目p r i mr e c o 嘶t i o ni sm em o s ti 加p c 噬伽to n et 。c h l o l o j g yo fr e s e a r c h a n da p p l i c a t i o no f i t t h a ti sb e c a u s et h a t “i se 髂yt og e tm e 抽g e 叩r i n to fs o r n e o n ey o u w a n t ，衄di th a sl l l l i q u e n e s s 锄dg 七a ：b i l i t y ，s ot l l ef i i l g 珥m mh 粥b e c nu s e da sam a i l l 州d e r l c e t 0i d e i n i 矽i n d i v j d u a l a tp r e s e m ，o nt l l ea p p a t i o na n d 锄如i l 时r e s p e c t s ，丘n g 叩m i d 锄6 丘c a t i o nt e c h n 0 1 0 影i ss 叩甜o rt 0o l h 盯b i o l o g yi d 朗d f i c 撕0 n 蛐l o 影，“b er e g a r d e d a sa ni d e a li d 鲥t y 州丘c a 石o n t e c l l l l 0 1 0 9 y t i l i sp 印舒f b c l l s 船o n 也es n m yo i lt l 】i e f m g e m r i n ti i n a g e sp i q m ) c 鼯s i n g ，m i n u t i a e ) 【删o n 趾dm i n u t i am 疵ha 1 9 0 ，锄di l l 协) d u c ei t s 叩p l i c 如ls 呻l ef b rc i v i l 驵d c r i l l l i n a ls c o u td o m a i n t l 】i sp 印岳m a i l l l yd i s c u 豁e 8t h ef o l l o w 访g 岫r 龉e a r c h a 印c c t s ： 、f i 础孓q 施ti m a g ep l 耳玳) c e s s i n gt 嘶sp a p 盯m a i l l l ya i l na tt e x t i l r ea n d 鲥即t a d 衄 f e a m r eo f f m g c f p i i mi m a g e ，f h n h e ra r 幅d y 趾l dc o i n p a r el o 谯o f p r 印r o c e s s i n gm e t h o d s ，锄d b a s e do ne ) ( p e r i m e m ，t l l ep 印e rb r i n gf 舐a r ds o m cc 血i c a la 1 9 0 r i t h m ，叫曲船：i m p m v e d 丘n 掣省p 血ti m 雒r cr e g i i n d l t a t i o n ，a 1 9 0 d t t l mo f r a t i n g 衄ds e 孕n f 舡t a d o nb eb a s e do nv 痂l c eo f g m y a 1 窘o d l l l mo f f i l t e rb eb 髂o do na v 盯到g ev a l i l eo fo r i e i 删o n ，i n ( ) r e o v e r m a t h e m 撕c a l m 唧h o l o g yh a sb e e i li 1 1 d l l c t 耐，谢mi tb 脚o u tn o i s e s ，a n d 唧a r ei t t 0c o n v c 玎旧o n a l i i l l a g ep r e p m c e s s i l l gm e 血o d s 、f i i 卿r i n tm i i l 丽ae x 仃a c t i o n s t i l d yo ns 锄em 删ac 】n r a c t i o na 1 9 0 r i m m s ， 1 0 c a lm i n l n i 柳t e r ，肌d i l l ga n db i f h r c a 6 伽b ee x t r a c 倒r e s p e c t i v e l y ( 1 1 1 r e e ) 、f i n g e q m mm i n u t i am a t c h 1 1 1 i sp a p e r 缸t h e ra 1 1 a l y s e 柚dr e s e 砌l o t so f a 1 9 0 r i l i n so f 丘n g e l p 血tm i i l u t i am a t c h ，i 玎i m m am a i c ho fc e n t e rd i s 觚ec o m b i n a t ew i m a n g u i a re i t o rb eb r 0 灿f 0 删 2 内蒙古科技大学硕士学位论文 舢la l g 砌蛔sa r ei 砷l e n l 锄t e do np cu n d c rv c + + n et e s i l l t sd 锄哪蹴et h a lm e p r o c 锚s i n ge f 鼢so f 五i l g e 唧n ti m a g 既啪b e 孕e a t l ye n h a n c c d ，“s h o n 锄锄eo fl i l i 删d a m a l c h ，a n da o 吼yr a t eo f 丘n 寥删妇ti d e 嘣丘c a t i o nc 锄b ee 直1 l l a l l c e d ， f h l g 既p r i n t 曲a g e ；肿皿i c c s s i l l g ；i m a g es e g r n e n t a l i o n 咖c 缸0 n ； m i i l 砸a em a t i h 。3 独、创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取褥研究成果。尽我所知，除了文中特别加数标注和致谢豹地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获碍 内蒙古科技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一 同工俸瀚露志对本毳拜究所傲豹任祷贡献均已在论文中散了明确赡说明并 表示了谢意。 签名： 未尕 吝x 2 k 关于论文使用授权的说明 本人完全了解内蒙古科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被奁阅和借阅；学校可 以公布论文麓全郝或部分内容，可以采曩影印、缩露或其健复剃手段保 存论文。 签名： 采荦 g 、，一 导师签名：i - 2 筮 日期： 文耐f ，牛 内蒙古科技大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 前言 安全性是许多系统要首先考虑的问题，尽管使用者一向都相当讨厌安全检查机制介 入他们的工作中，但管理者仍然需要这样的一种检查访问和使用情形的手续与方法。如 果没有办法正确地辨认使用者身份的话，那么系统将无法确认是哪位使用者，以及他究 竟进行了什么操作。 现行的许多计算机系统中，包括许多非常机密的系统，都是使用“用户d + 密码”的 方法来进行用户的身份认证和访问控制的。实际上，这种方案隐含着一些问题。有关机 构的调查表明，因为忘记密码而产生的问题已经成为r r 厂商售后服务的最常见问题之 一；密码被别人盗取则更是一件可怕的事情，因为用心不良的人可能会进一步窃取公司 机密数据，可能会盗用别人的名义做不正当的事情，甚至从银行、删终端上提取别人 的巨额存款。实际上，密码的盗取比较容易，别人只要留意你在计算机终端前输入口令 时的击键动作就可以知道你的密码，甚至可以通过你的生日、年龄、姓名或者其他一些 信息猜出你的密码。除了计算机网络及其应用系统外，一些传统的需要进行身份验证的 场合，也存在着类似的安全性问题。例如证件的伪造和盗用、不正当的转借等。这些问 题都说明，现行的系统安全性技术已经遭遇严峻的挑战! 由于人体的身体特征具有不可复制的特点，人们把目光转向了生物识别技术，希望 可以借此技术来应付现行系统安全所面临的挑战。要把人体的特征用于身份识别，这些 特征必须具有唯一性和稳定性。研究和经验表明，人的指纹、掌纹、面孔、发音、虹 膜、视网膜、骨架等都具有唯一性和稳定性的特征，即每个人的这些特征都与别人不 同、且终生不变，因此就可以据此识别出人的身份。基于这些特征，人们发展了指纹识 别。“1 、面部识别、发音识别等多种生物识别技术，目前许多技术都已经成熟并得以应 用，其中指纹识别技术更是生物识别技术的热点。 指纹是指人类手指上出现的条状纹路，这些纹路的存在增加了皮肤表面的摩擦力， 使得我们能够用手来抓起重物。同时人们也很早就意识到，指纹具有唯一性和稳定性， 世上没有两个完全相同的指纹，而且人的指纹终生不变。据此，可以把一个人同他的指 纹对应起来，通过对他的指纹和预先保存的指纹进行比较，就可以验证他的真实身份， 这种依靠指纹进行身份验证的技术称为指纹识别。 内蒙古科技大学硕士学位论文 1 2 指纹识别的发展历程 指纹识别的历史可以追溯到公元前7 0 0 0 年到6 0 0 0 年以前，在古叙利亚和中国，指 纹作为身份鉴别已经开始应用。考古发现，在这个时代，一些粘土陶器上留有陶艺人的 指纹，中国的一些文件上印有起草者的大拇指指纹。1 9 世纪初，科学研究发现了至今仍 然承认的指纹的两个重要特征，一是两个不同手指的指纹纹脊的式样( r i d g ep a t c e m ) 不 同，另外一个是指纹纹路的式样终生不变。这个研究成果使得指纹在刑事侦查中得以正 式应用。1 8 9 2 年，英国科学家高尔顿指出：没有两个人的指纹是完全相同的。2 0 世纪6 0 年代，由于计算机可以有效地处理图形图像，人们开始着手研究利用计算机来处理指 纹。从那时起，自动指纹识别系统的研究和应用。叫在许多国家展开。2 0 世纪8 0 年代， 个人电脑和光学扫描这两项技术的革新与发展，使得它们作为指纹取像的工具成为现 实，从而使指纹识别可以在其他领域中得以应用，比如代替钥匙、证件等传统身份标 识。9 0 年代后期，随着低价位取像设备的引入及其飞速发展，以及可靠地比对算法的研 究发展，个人身份识别应用技术取得了长足发展。 1 3 生物特征识别 生物特征识别“3 ( b i 伽嘶c s ) 是指通过计算机利用人体所固有的生理特征或行为特征 来进行个人身份认证的识别技术。生理特征与生俱来，多为先天性的，主要的生理特征 有指纹、虹膜和d n a 等特征。行为特征则是习惯使然，多为后天性的，包括笔迹、足迹 和步态等特征。 1 3 1 生物特征识别的优势 众所周知，鉴别人的身份是一个非常困难的问题，传统的身份鉴别方法都是将身份 识别转化为鉴别一些标识个人身份的事物，这包括方面： 身份标识物品，比如钥匙、证件、a t m 卡等； 身份标识代码，比如用户名和密码。 在一些安全性要求严格的系统中，可以将这两者结合起来，比如j 蛆m 机要求用户同 时提供删卡和密码。这些传统的身份鉴别方法存在明显的缺点，例如个人拥有的物品 容易丢失或被伪造，个人的密码容易遗忘或记错。与传统的身份鉴定手段相比，基于生 物特征识别的身份鉴定技术具有以下优点： 不易遗忘或丢失； 防伪性能好，不易伪造或被盗； 随身携带，随时随地可用。 内蒙古科技大学硕士学位论文 随着数字时代的来临，基于生物特征的身份鉴定技术愈加显示出它的价值。以美国 为例，基于这项技术的产业规模已经达到数十亿美元。美国一家名为“i r i 肌”的高技术 公司研制出的虹膜识别系统已经应用在美国德克萨斯联合银行的三个营业部内。储户两 手空空地来办理银行业务，无需银行卡，更没有回忆密码的烦恼。他们在取款机上取钱 时，一台摄像机首先对用户的眼睛进行扫描，然后将扫描图像转化成数字信息与数据库 中的资料核对，以对用户的身份进行检验。生物识别技术不仅可以应用在公安、机场、 银行等领域，而且在电子商务领域也有重要的用途。鉴于生物识别的可靠性，未来人们 在上网购物或者交易时，首先在生物识别仪上进行下身份认证，可以保证网络管理机 构有效监督网络交易的参与者，大大降低不法分子对网络交易的破坏活动。 1 3 2 用于身份识别的生物特征的特点 能够用来鉴别身份的生物特征应该具有以下特点： 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变化； 可采集性。所选择的特征应该便于测量。 实际应用还给基于生物特征的身份鉴别系统提出了更多的要求，包括： 性能的要求。所选择的生物统计的特征能够达到多高的识别率，对资源的要求， 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； 可行性。是否具有相关的、可信的研究背景作为技术支持； 存储量。提取的特征信息是否占用较小的存储空间； 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： 是否具有非侵犯性。 到目前为止，还没有任何种单独的生物特征可以满足上述全部要求。基于各种不 同生物特征的身份鉴别系统都有各自的优缺点，适用于一定的范围。指纹人人都有，人 人不同，它具有唯一性、再生性的特点。现代的结论是：人类人口按6 0 亿计，则需3 0 0 年才可能出现重复的指纹，概率几乎为零；其次，个人在母腹7 个月时指纹就定型， 随着年龄的变化，人的相貌体格都在变化，而指纹却保持不变：另外，只要不伤及真皮 组织，指纹即使被磨掉，也很快会长出来。基于以上特征性，指纹在越来越多的领域， 内蒙古科技大学硕士学位论文 如：社会安全、办公安全、资讯安全、金融安全、家庭安全、个人安全等方面得到广泛 的应用，被认为是身份辨认的特征之首。 1 4 课题研究的背景及意义 随着国民经济和社会信息化的飞速发展，金融机构、政府机关、企业以及个人之间 通过互联网日益紧密地联系在一起，一方面为信息的共享提供了条件，另一方面也为心 怀叵测的人试图非法获取他人信息提供了机会。因此，如何自动、高效和准确地识别人 的身份是信息安全领域的重要问题。在现实生活中经常要对人的身份进行识别，传统的 自动身份识别方式主要有基于密码的方式和基于令牌的方式，这些方式存在容易遗忘、 容易丢失、容易被破译或仿制等缺点，不能满足当今信息化安全性的更高要求。为克服 传统身份识别方法的缺点，人们提出了生物识别方式。生物识别是指根据人所特有的生 理或行为特征来进行身份识别。生理特征是人身体上某一部分的属性，不存在遗忘、丢 失问题，且生物特征具有唯一性，识别依赖人体的固有属性，因此生物识别在理论上可 以实现很高的安全性。目前主要的生物识别技术有人脸识别、指纹识别、手型识别、虹 膜识别、视网膜识别、声音识别、签名识别等等。相比较而言，指纹识别具有准确性 高、速度快、采集指纹方便、对指纹特性的认识较充分、获得法律认可、容易被人们接 受、市场份额较大等优点，因此，指纹识别的研究和应用。卅是当前生物识别领域的热点 问题。 指纹识别具有广阔的应用前景，它的最早应用于司法领域。到二十世纪九十年代 初，随着社会的发展，指纹识别开始在民用领域获得应用，例如指纹门禁、指纹考勤、 指纹加密、指纹在银行中的应用、指纹在社会保障中的应用、指纹在居民身份证中的应 用等等，可以毫不夸张地说，凡是以往使用密码或令牌方式进行身份识别的领域都可以 使用指纹识别技术进行替换或加强。民用领域的应用对指纹识别提出了比司法领域应用 更高的要求，主要体现在要求自动化程度更高、识别准确性更高以及识别速度更快。这 些要求给指纹识别技术的研究带来了更大的挑战。 指纹识别的研究包括识别算法的研究o 1 和应用系统研究。识别算法研究主要有两个 目的：如何提高识别的准确性和识别的速度。应用系统研究的目的是构建经济实用、抗 攻击性强、与各种应用无缝集成的指纹识别系统，如基于指纹的计算机登陆系统、基于 指纹的文件加密系统等等。 内蒙古科技大学硕士学位论文 尽管指纹识别的研究和开发已取得重要进展，并获得了不少应用，但是指纹识别的 应用在目前并没有获得普及，原因在于指纹识别在识别准确性和识别速度方面还远远不 能满足很多实际应用的要求。造成指纹识别性能很难提高的主要原因有以下方面： i 、缺少高性能的指纹采集设备。指纹图像的质量对指纹识别的性能具有非常重要 的影响，目前的采集设备对手指的干湿度、清洁度等要求很高，在实际中很难保证指纹 图像的质量较好。 i i 、缺少有效的指纹图像增强方法。指纹图像增强的目的是从较差质量的指纹图像 中恢复出真实、清晰的指纹纹路结构，然而，设计能处理各种噪声的指纹增强算法非常 困难。 i i i 、缺少可靠的指纹特征提取的方法。指纹识别依赖于指纹的特征，如细节点、奇 异点等，提取出的特征是否可靠，将直接影响指纹识别的性能。设计一套能够对较差质 量的图像的处理具有鲁棒性、实用性的特征提取方法，具有很大的挑战性。 、缺少高效、准确的指纹细节点匹配方法。指纹匹配通过细节点匹配实现，而细 节点提取算法会产生虚假细节点和遗漏真实细节点。此外，指纹图像还存在各种变形， 如何既快速又准确地进行细节点匹配也是一项非常艰巨的任务。 基于以上原因本文重点研究指纹自动识别系统的指纹图像预处理、指纹细节特征点 提取及特征匹配。自动指纹识别技术的应用研究具有重要的社会意义与现实意义。 1 5 目前国内外研究现状 目前，指纹识别技术仍是国内外科研人员研究的热点，这是因为：市场上的指纹产 品有很强的针对性，只能在某一专门系统得到应用，其它许多应用场合仍然缺乏合适的 产品；出于知识产权保护和商业利益的原因，指纹识别的核心技术仍然只被少数企业和 技术机构所拥有，为了获得自主产权和绝对安全的系统，必须自主开发：随着市场地扩 大和要求地提高，设计开发速度更快、性价比更高的系统势在必行。 1 5 1 目前国外指纹识别系统研究进展情况 早期的指纹识别工作是人工方式，由于指纹结构的复杂性以及对指纹识别要求的严 格性，导致人工识别指纹工作难度大、速度慢和识别准确率受到制约，远远不能适应实 际工作的需要。计算机技术的诞生与发展，为复杂的科学计算和指纹自动识别提供了可 能。2 0 世纪7 0 年代，美、日等发达国家开始先后研究指纹自动识别系统。现在已经出现 的一些行业标准如：生物特征接口标准b i o a p l l 1 、f b i 指纹图像压缩标准、美国国家标 准研究所指纹数据库等。d m i a o “领导的博洛尼亚大学生物系统实验室( b i o m e 晡c 内蒙古科技大学硕十学位论文 s y s t e i i l sl a b ) 和a m lk u a i l l “领导的密歇根州立大学模式识别和图像处理实验室 ( p r p ) 对指纹识别技术做了大量的研究，并由这两个实验室和圣何州立大学的生物测 试中心( b 妇n 曲i c1 b tc 觚嘧) 联合举办的指纹验证竞赛( f v c ) 对指纹识另系统产生了 很大的影响。绝大多数国家研究的识别算法还没有脱离p c 机，而真正把识别算法集成到 数字信号处理芯片( 也就是嵌入到一个板上可脱离p c 机使用的独立式指纹识别系统) 也 只有美国、韩国、日本等少数发达国家，而我国正处于研究和开发阶段。 鉴于自动指纹识别技术带有强烈的商业气息，般情况下，技术内核都是各公司或 研究机构的高度机密，所以，想了解各公司的自动指纹识别产品的技术几乎是不可能 的，只能通过其产品的性能从外部进行了解。国外很多国家都在公司或专门机构从事自 动指纹识别技术研究，美国在这一领域的研究水平居于世界最前沿，五d 锄呔，e a s ts h o ， d i g i t a lp 蹦；0 n a l ，v 盯i m c o m 缸；h n 0 1 0 鲥a 等公司都有自动指纹识别产品问世，而且很 多大型的r r 公司，如：m m 、c o m p a q 等也推出了自己的指纹产品。 1 5 2 目前国内指纹识别系统研究进展情况 我国利用指纹识别身份的历史非常悠久，但是我国指纹自动识别系统研究开发的历 史是从2 0 世纪8 0 年代开始的，当前，国内从事自动指纹识别技术研究和产品销售的公 司也有很多。基本上可以分成两类：一类是主要从事国外产品代理业务的公司。这类公 司的数目多，如：湖南金信、济南同飞、哈尔滨赛恩斯等公司。另一类是主要从事自主 研究开发的公司，数目相对较少，以北大高科、北京四方远大公司和长春鸿达集团等为 代表。这几家公司都自己拥有专门的研究开发队伍，并有自己的专利产品推出。以北大 高科为例，该公司主要面对公安方面的指纹识别，推出公安指纹自动识别系统( p u a f l s 3 1 ) ，该软件采用三级并行比对技术，根本性解决了大容量指纹库查询速度问题， 比对速度可以达到l o 枚秒，已经具备5 0 0 万人以上指纹库建库能力。北京大学信息中 心，清华大学自动化系，北京邮电大学，中科院等都在此领域做了一定工作，并取得了 一定的成果，其中较为突出的是清华大学自动化系和北京大学信息中心两家。北京大学 两位著名院士程民德和石青云率先开展了这方面的研究工作，1 9 8 2 年至1 9 8 5 年，在石 青云院士主持的国家自然科学基金项目中，在国内率先对数字图像的离散几何性质进行 了深入研究，提出了从指纹灰度图像精确计算纹线局部方向、进而提取指纹特征信息的 理论与算法，具有很高的学术价值和独创性。随后，在她主持的国家七五科技攻关项目 中，研究成功了适于民用身份鉴定的全自动指纹鉴定系统，以及适于公安刑事侦破的指 纹鉴定系统，从而开创了我国指纹自动识别系统应用的先河。清华大学自动化系研究成 功的犯罪指纹识别系统已经被北京市公安局使用。田捷博士领导的中国科学院自动化研 内蒙占科技大学硕士学位论文 究所指纹识别试验室，对指纹识别技术及其应用领域的一些关键问题进行了广泛的理论 研究和应用开发。 1 6 前人工作概述 自动指纹识别技术是当前生物特征识别技术o “中最热门的研究与应用内容之一，前 人在这方面做了大量的工作，其中主要对指纹图像预处理、指纹细节特征点提取、指纹 细节特征点匹配这三方面的内容进行了深入地研究与探讨，提出了很多可行的算法，已从 过去在司法领域的应用进入到了当今的民用领域。但是，在识别率、系统实时性等方面 还有待进一步提高，这就要求我们研究工作者在指纹图像预处理、指纹细节特征点提取 及指纹细节特征点匹配等方面的算法，做进一步的改进与完善。 在指纹图像预处理叫7 1 方面，前人从不同角度做了大量的研究工作，其中主要从三个 方面展开研究：( 1 ) 直接从灰度指纹图像上提取特征点；( 2 ) 从二值化指纹图像上提取特 征点；( 3 ) 从细化指纹图像上提取特征点。从上述三方面确立预处理方案及相应处理算 法。 在指纹细节特征点提取嘲。删方面，有关专家学者对此问题进行了广泛深入的研究， 但是到目前为止，还没有一个完善的解决方案。对于细节点提取问题，目前文献中主要 有三种方法：( 1 ) 基于细化图像分析的细节特征点提取方法。既一种是脊线跟踪法；另 一种是基于场结构的指纹图像细节特征点提取算法。( 2 ) 直接从原始灰度图像提取细节 点的方法嗍；( 3 ) 从二值指纹图像上提取细节特征点。 在指纹细节特征点匹配。“方恧，研究工作者提出了很多匹配算法和研究。在实 际应用中，同一枚指纹前后连续两次录入过程中，由于在录入时指纹的捺按位置存在或 多或少的位置偏差、旋转偏差以及由于按压力度的不同产生的角度偏差，故二次录入的 特征点数也不会完全相同。基于以上原因，d k i s o r ”提出了一种使用图形匹配算法， a n d 洲k 酗a l 【o o 等人采用结构匹配来做指纹识别。其中主要有三种：一种是基于点模 式匹配“”：一种是基于图形匹配嗍；另一种是基于纹线结构匹配法“。这些方法受指纹变 形的影响很大，所以如何能够找到一种适合各种形变质量指纹的有效匹配算法，仍是研 究工作者们研究的重点和难点。 1 7 本论文主要工作介绍 本文针对目前指纹识别所存在的问题，综合利用数字图像处理、模式识别“”等方面 的知识，系统地研究了指纹图像预处理算法、指纹细节特征点提取算法与特征点匹配算 内蒙古科技大学硕士学位论文 法。其中在指纹图像规一化、分割、细节点提取与特征点匹配方面，本文进行了深入地 研究，提出了若干改进算法。本文的具体工作主要包括以下内容： ( 一) 、研究指纹图像规一化算法、点方向图与块方向图计算。规一化算法主要针对利 用指纹传感器采集到的灰度指纹图像，受传感器表面残留噪声以及按压力度不同所造成 的噪声干扰进行有效地提前消除，进行了深入分析；点方向图与块方向图计算，主要是 为方向平均值滤波与中心点提取所用。以上都通过编程进行了实验验证。 ( 二) 、在指纹图像分割中提出了基于灰度特性的分级分割算法，对指纹图像分三级进 行逐级分割，实验结果表明，此方法能把前景区、模糊区以及按压力过轻或过重的区域 能够有效地去除。并把基于灰度特性的分级分割算法、方向平均值滤波等算法与常规图 像预处理算法进行了比较。 ( 三) 、数学形态学的应用。本文运用数学形态学的一些相关运算，对二值化指纹图像 的脊线上存在的气泡，以及纹线突变时产生的毛刺进行滤除，实验结果表明，这种滤波 方法很好地解决了气泡及毛刺噪声的干扰。 ( 四) 、指纹细节特征点提取。对一些特征提取算法进行了深入研究，对中心点的提取 采用了点方向图与块方向图算法相结合的方法、对端点与分叉点分别采用了基于改进的 脊线跟踪与一般脊线跟踪算法进行提取。 ( 五) 、指纹细节特征点匹配。在对多种特征匹配算法进行深入分析与研究的基础上， 提出了基于中心距与角度差相结合的指纹细节特征点匹配算法。 ( 六) 、对指纹识别技术在不同领域的应用作了较为详细地介绍。 本文在p c 机上用v c + + 编程实现了论文中提到的所有算法。实验结果表明，采用这 些算法，极大的提高了指纹图像预处理效果、缩短了特征匹配的时间，提高了识别的准 确率。 内蒙古科技火学硕士学位论文 2 1 指纹识别技术简介 随着科技的进步，指纹识别技术“1 。已经_ 丌始走入了我们的日常生活之中。目前世 界上许多公司和研究机构都在指纹识g 技术的研究中取得了一些突破性进展，推出了许 多新产品，这些产品已经开始在诸多领域得以运用。指纹识别技术的发展得益于现代电 子集成制造技术快速可靠的研究。指纹识别技术是一种生物测定学技术，并且是使用最 早也最为成熟的生物测定学技术，它涉及到传感器技术、数字图像处理。”、模式匹配o “ 等诸多学科。近年来无论是电子集成制造技术还是指纹识别算法的研究，都取得了很大 的发展。 我们手掌及手指、脚、脚趾内侧表面的皮肤凸凹不平产生的纹路会形成各种各样的 阻案。人们也注意到，包括指纹在内的这些皮肤的纹路在图案、断点和交叉点上各不相 同，也就是说，是唯一的。依靠这种唯一性，我们就可以把一个人同他的指纹对应起 来，通过把他的指纹和预先保存的指纹进行比较，就可以验证他的真实身份。这种依靠 人体的身体特征来进行身份验证的技术称为生物识别技术，指纹识别是生物识别技术的 种。 指纹识别技术主要涉及五个功能：读取指纹图像、指纹图像预处理、特征提取、保 存数据和匹配( 比对) 。 在一开始，通过指纹读取设备读取到人体指纹的图像，取到指纹图像之后，要对原 始图像进行初步的处理，使之更清晰。接下来建立指纹的数字表示特征数据，它是 一种单方向的转换，即从指纹转换成特征数据，但不能从特征数据转换成为指纹，而两 枚不同的指纹不会产生相同的特征数据。从指纹上找到被称为“特征点”( 血删) 的 点，也就是那些指纹纹路的分叉、终止或打圈处的坐标位置，这些点同时具有七种以上 的唯性特征。因为通常手指上平均具有7 0 个节点，所以这种方法会产生大约4 9 0 个数 据。有的算法把细节点和方向信息组合产生更多的数据，这些方向信息表明了各个特征 点之间的关系，也有的算法还处理整幅指纹图像。总之，这些数据，通常称为模板或特 征值，保存为l k 大小的记录。至于它们是怎样组成的，至今仍然没有一种模板的标准， 也没有一种公开的抽象表示算法。 最后，通过计算机模糊比较的方法，把两个指纹的模板数据进行比较，计算出它们 的相似程度，最终得到两个指纹匹配结果。 的相似程度，最终得到两个指纹匹配结果。 内蒙古科技大学硕士学位论文 2 2 指纹图像获取 指纹图像的获取“”可为三类： a 光学取像设备 光学取像设备具有悠久的历史，它的使用可以追溯到2 0 世纪7 0 年代。光学取像设 备依据的是光的全反射原理( f r 破) 。光线照到压有指纹的玻璃表面，反射光线由c c d 获得，反射光的量依赖于压在玻璃表面上指纹的脊和谷的深度和皮肤与玻璃间的油脂和 水分。光线照射到谷的地方后在玻璃与空气的界面发生全反射，光线被反射到c c d ，而 射向脊的光线不发生全反射，而是被脊与玻璃的接触面吸收或者漫反射到别的地方，这 样就在c c d 上形成了指纹的图像。目前采用光学方法取像的代表性公司及产品如d i 疵a l p 1 a 的u a 他u 指纹扫描仪，m 日m a c 衄c 0 的d f r 一2 0 0 。 b 晶体传感器 晶体传感器有多种类型，最常见的是硅电容传感器“8 ，通过电子度量计来捕捉指 纹。在半导体金属阵歹0 上能结合大约1 0 0 0 0 0 个电容传感器，其外面是绝缘的表面，当用 户的手指放在上面时，皮肤组成了电容阵列另一面。电容器的电容值由于脊( 近) 和谷 ( 远) 相对于另一极之间的距离不同而随之发生变化。如深圳派思数码技术有限公司利 用美国ve f l d i d c 咖“”公司生产的芯片f b s 2 0 0 “町n 。制造的派思指纹鼠标。 另外还有如：( 1 ) 、压感式晶体传感器( 2 ) 、温度感应传感器。晶体传感器技术最重 要的弱点在于，它容易受到静电的影响，这使得晶体传感器有时可能取不到图像，甚至 会被损坏，另外，它并不像玻璃一样耐磨损，从而影响了使用寿命。 c 超声波扫描 超声波指纹采集器根据超声波测距的原理获得指纹图像。较早出现的活体指纹采集 设备是光电式的，现在仍为大多数自动指纹识别系统所使用。后来出现的电容式和电感 式的采集设备，在某些条件下可提高指纹采集的质量，但在耐磨性和稳定性等方面还存 在一些问题，对干、湿、脏的指头或磨损严重的指纹均能可靠、正确的进行采集并减少 采集时的变形是指纹采集技术需要解决的主要问题。而超声波扫描成像能力虽然特别 强，对干、湿、脏的指头或磨损严重的指纹均能可靠、正确的进行采集，但是目前成本 特别高，还没有推广使用。 本论文使用的设备是由深圳i 派思数码科技有限公司制造的派思指纹鼠标，它是一款 硅电容传感器，利用美国v e r d j c t c o m 公司生产的芯片f b s 2 0 0 【间制成的。它是将指纹识别功 能和鼠标结合到一起，既可进行活体指纹采集又可作鼠标来使用。f p s 2 0 0 是v 酬d i 咖 公司在吸收了已广泛应用的f p s l l o 系列传感器优点的基础上，推出的新一代指纹传感 l 勾蒙古科技大学硕士学位论文 器。f p s 2 0 0 表面运用v 商d i o o m 公司专利技术而制成，坚固耐用，可防止各种物质对芯片 的划伤、腐蚀、磨损等，f p s 2 0 0 能承受超过8 k v 的静电放电( e s d ) ，l 司此f p s 2 0 0 可应用 在苛刻的环境下。该产品融合了指纹中不同的脊、谷及其他纹理信息，通过高可靠性硅传 感器芯片的图像搜索功能，无论手指是干燥、潮湿、粗糙都可以从同一手指采集的多幅指 纹图像中选择一幅最佳图像保存在内存中，指纹分辨率可达5 0 0 d p i ，大大降低了传感器芯 片识别过程中误接受与误拒绝情况的发生。 f p s 2 0 0 是第一个内置三种通信接口的指纹设备：u s b 口、微处理器单元接口 ( m c u ) 、串行外设接口( s p i ) ，这使得f p s 2 0 0 可以与各种类型的设备连接，甚至不需要外 部接口设备的支持。外形封装尺寸( 2 4 m 2 4 m 1 4 哪) ，只有普通邮票大小。由于它的 高性能、低功耗、低价格、小尺寸，可以很方便地集成到各种b t 锄e t 设备，如：便携式电 脑、个人数字助理( p d a ) 、移动电话等。 指纹采集芯片的一些特征指标： a 传输速度：1 3 帧秒 b 图像分辨率：5 0 0 d p i c 图像属性：2 5 6 x3 0 0 点阵2 5 6 级灰度 d 供电方式：u s b 总线方式 e 功耗：3 5 i i l a ( 典型峰值电流) f p s 2 0 0 芯片大小为2 4 c m x 2 4 c m x 0 1 4 c m 丘n 萨r p r i n ts s o r a r e a ：1 2 8 c m x l 5 c m 该指纹鼠标外形如图2 1 所示。 滑动轮指纹采集区 图2 1 派思指纹鼠标 内蒙古科技大学硕士学位论文 2 3 指纹识别的基本原理 指纹识别系统中，通常采用总体和局部两种层次的结构特征“。总体特征是指那些用 肉眼直接就可以观察到的特征，局部特征则是指指纹纹路上的节点的特征，因为指纹纹 路经常出现中断、分叉或打折，所以形成了许多节点。两枚指纹可能会具有相同的总体 特征，但它们的局部特征却不可能完全相同。在考虑局部特征的情况下，英国学者e g h r y 认为，只要比对1 3 个特征点重合，就可以确认同是一枚指纹。 2 3 1 指纹的总体特征 它描述的是指纹的总体纹路结构，具体包括纹形、模式区、核心点、三角点和纹数 五个特征。 a 、纹形 图2 2 是三种常见的指纹图案：环型、弓型和斗型，其他的指纹图案都基于这三种 基本图案。仅仅依靠纹形来分辨指纹是远远不够的，这是一个粗略的分类，通过更详细 的分类使得在大数据库中搜寻更为方便快捷。 泐弓型( a r c h )( c ) 斗型( w h o r l ) 图2 2 三种常见指纹图案 以上三种基本纹型的概率分布如下表2 1 所示。 表2 1 三种基本纹型的概率分布情况 基本纹型 弓型箕型 斗型 分布概率 4 6 1 3 5 内蒙古科技大学硕士学位论文 b 、模式区( p a 触l a a ) 2 3 2 指纹的局部特征 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。两枚指 纹经常会具有相同的总体特征，但它们的局部特征特征点，却不可能相同。 指纹纹路并不是连续的、平滑笔直的，而是经常出现中断、分叉或打折。这些断 点、分叉点和转折点就称为“特征点”。就是这些特征点提供了指纹唯一性的确认信 息。指纹上的节点可以用四种描述。 a 、特征点的类型 特征点有以下几种类型，最典型的也就是本文特征点提取与匹配时用到的端点( 终 结点) 和分叉点。 够晦区 作的 条指 接的 制区式 时点 两了 旌纹 蹴馘麒 徽祧 赭献 ；萎胎 一一一 一 一一 一一 一一一 一一 一 一 一一一 一一 一一一 一一 餮一豫一愿一霹 内蒙占科技大学硕士学位论文 终结点( e i l d j l l 亩： 一条纹路在此终结 分叉点( b i f i 】r c a d o n ) ：一条纹路在此分开成为两条或更多的纹路 分歧点( d d 蓼d i v e 曙e n c c ) ：两条平行的纹路在此分开 孤立点( d o t0 ri s l a i l d ) ：一条特别短的纹路，以致于成为一点 环点( e 1 1 c l o s u r e ) ：一条纹路分开成为两条之后立即又合并成为 一条，这样形成的一个小环称为环点 一端较短但不致于成为一点的纹路 b 、方向( q 删0 1 1 ) ：一节点可以朝着一定的方向。 c 、曲率( q l r v a t u 曲：描述纹路方向改变的速度。 d 、位置( 嘶曲1 1 ) ：节点的位置通过( x ，y ) 坐标来描述，可以是绝对的，也可 以是相对于三角点或特征点的。各种细节特征点的出现概率如下表2 2 所示： 表2 2 各种细节特征点出现概率情况 l 类型特征分叉点端点孤立点环点 短纹分歧点i l 出现概率 2 2 6 6 0 6 4 3 0 7 5 7 6 1 2 3 3 验证和辨识 应用系统利用指纹识别技术可以分为两类，即验证和辨识。”。验证就是通过把个 现场采集到的指纹与一个已经登记的指纹进行一对一的比对( o n 鲥o - o n em 呶址谚，来确 认身份的过程。作为验证的前提条件，他或她的指纹必须在指纹库中已经注册。指纹以 一定的压缩格式存贮，并与其姓名或其标识( i d ，p i n ) 联系起来。随后在比对现场，先验 证其标识，然后，利用系统的指纹与现场采集的指纹比对来证明其标识是合法的。验证 其实是回答了这样一个问题：“他是他自称的这个人吗? ”这是应用系统中使用得较多的 方法。 辨识则是把现场采集到的指纹同指纹数据库中的指纹逐一对比，从中找出与现场指纹 相匹配的指纹。这也叫“一对多匹配( o n e t o m 锄ym a t c h i i l g ) ”。辨识其实是回答了这 4 弋暑 l 蒙古科技大学硕士学位论文 样一个问题：“他是谁? ”辨识主要应用于犯罪指纹匹配的传统领域中。一个不明身份 的人的指纹与指纹库中有犯罪记录的人指纹进行比对，来确定此人是否曾经有过犯罪记 录。一个完整的指纹识别系统框图，如图2 。3 所示。 图2 3 完整的指纹识别系统框图 2 4 系统方案实现 基于第一章节与第二章节的上述论断，本论文给出了指纹识别系统处理流程框图， 如图2 4 所示：首先由指纹采集器对活体指纹进行采集，得到一幅灰度指纹图像，而此 时得到的灰度指纹图像由于录入时按压力度以及采集指纹时预放位置的不同，使得采集 到的灰度指纹图像的有效面积会有所不同，如果有效面积太小，采集到的有效特征信息 太少，就会影响指纹识别的准确率与识别的可靠性，所以我们对