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1 璃纤维增强复合材料 水辅 注塑 成型的实验研究 摘要 ： 本报告的目的是通过实验研究聚 对苯二甲酸 丁二醇 复合材料水辅 注塑 的成型工艺。 实验 在一个配备了水辅 注塑 统的 80 吨注塑机上进行，包括一个水泵 ， 一个压力检测器，一个注水装置。实验材料包括 15%玻璃纤维填充 混合物以及一个中间有一个肋板的空心盘。实验根据水注入制品的长度的影响测得了各种工艺 参数 以及它们的机械性能。 被用来分别材料和结构参数。最后 ,作了水辅助和气体辅助注塑件的比较。 实验 发现 熔体压力 ,熔融温度，及短射类型是影响水 注塑 行为的决定性 参 数 。材料在模具一面比在水一面展示了较高的结晶度。气辅成型制品也要比水辅成型制品结晶度高 。另外，制品表面的玻璃纤维大部分取向与流动方向一致，而随着离制品表面距离的增加，越来越多的垂直与流动方向。 关键词 ： 水辅 注塑 成型，玻璃纤维增强 艺 参数 ，机械性能，结晶， 1前言 依靠重量轻，成型周期 短，消耗低，水辅 注塑 成型技术在塑料制品制造方面已经取得了突破。 在水辅 注塑 成型中，模具行腔被部分注入聚合物熔体，而后向这些聚合物中心注入水。 水辅 注塑 成型的原理如图 1。 图 1 水辅 注塑 成型的原理 水辅 注塑 成型能够在更短 的循环时间内生产出收缩小，翘曲小，表面质量好的各种 2 薄厚的制品。水辅 注塑 成型工艺也可根据工具及设备的承受压力 在设计，节省材料，减轻重量，减少成本方面取得更大的自由。典型的应用有棒，管材，水路管网建设用的大型复合结构管。另一方面 ，尽管有很多优势，由于 加入了 额外的工艺 参数 ， 模具和工艺控制变的更加严峻和困难 。水也可能腐蚀模具钢，同时一些材料包括热塑性塑料难以成型。成型后水的清除也是对这个新技术的一个挑战。表 1列出了水辅 注塑 成型技术的优势和局限性。 表 1 水辅助成型的优势和局限性 优势 局限性 1，成型周期短 2，成本低（水更便宜而且可方便地循环利用） 3，制品内部不产生泡沫现象。 1，水腐蚀模具 2，需要较大的 注塑 元件。（容易陷入聚合物熔体） 3，一些材料难以成型（尤其是非晶态热塑性材料） 4，成型后需要清除水 水辅 注塑 成型有优势超过它更有名的竞争对手，气辅 注塑 成型，因为依靠水在成型过程中更好的冷却能力，水辅 注塑 成型获得了更短的成型周期。它的不可压缩性，低成本以及易循环利用，水成为这一过程的理想媒介。既然水不会溶解和扩散到聚合物熔体中，那么经常在气辅成型工艺出现的气泡现象 也便消除了。另外，水辅 注塑 成型能更好的用 小剩余壁厚成型大型制件。表 2是对水辅和气辅成型工艺的一个比较。 表 2 水辅和气辅成型工艺比较 水辅 气辅 1 成型周期 2 介质成本 3 气泡现象 5 残余壁厚 6 表面粗糙度 7 表面光泽 8 指形效应 9 非均匀穿透 10 制品透明度 11 内表面（热塑性半晶） 12 内表面（热固性） 短 低 无 小 小 高 大 稳定 高 平滑 粗糙 长 高 有 大 高 低 小 不稳定 低 粗糙 平滑 随着 对密度小，强度高，价格便宜，成型周期短的优良性能材料 需求的增加， 塑料工程是一个不可忽视的工艺。这些塑料包括热塑性和热固性塑料。一 般来说，热塑性塑料以其更高的冲击强度，断裂阻力，疲劳强度而更有优势。这使得热塑性塑料在工程建设中广泛使用。 有 1， 4 丁烯乙 2醇和 玻纤增强混合材料适用于提高原材料的机械性能。今天，短玻璃纤维增强 信，汽车领域。所以，对玻璃纤维增强 文是通过实验研究聚对苯二甲酸丁二醇水辅 注塑 的成型工艺， 实验在一个配备了水辅 注塑 统的 80 吨注塑机上进行，包括一个水泵一个压力检 测器，一个注水装置。实验材料包括 15%玻璃 纤维填充 混合物以及一个中间有一个肋板的空心盘。实验根据水 3 注入制品的长度的影响测得了各种工艺 参数 以及它们的机械性能。 被用来分别材料和 结构参数 。 最后 ,作了水辅助和气体辅助注塑件 的比较。 2 实验步骤 料 实验材料包括 号 1111亚塑料，台湾）和 15%玻璃纤维填充 混合物（牌号 1210亚塑料，台湾）。表 3列出了此混合材料的特征。 表 3 纤维增强 合材料特征 性质 5%服应力 (kg/弯曲应力 (kg/硬度 热变形温度 （） 击强度 熔点 （） 00 900 119 60 40 5 224 1000 1500 120 200 25 5 224 辅 注塑 元件 一个实验室注水元件， 包 括一个水泵 ， 一个压力检 测器，一个注水阀 ，一个配备了温度调节装置的水箱，以及一个控制电路。 这个孔板型注水阀每边有两个孔，用来成型制件。实验过程中，注水阀的控制电路收到由注塑机产生的信号实现对时间和注水压力的控制。在注入 模具行腔之前， 水在有温控装置的水箱里加热 30分钟。 塑机和模具 水辅 注塑 成型实验 在一个最高 注塑 速率 109s 的 80 吨注塑机上进行 。研究使用了一个中间有一个肋板的空心盘。图 2显示了这个行腔的尺寸。 模具温度由一个水循环模温控制元件调节。实验根据水注入制品的长度的影响测得了各种工艺 参数 ，包括熔体温度，模具温度，熔体充模压力， 水温 和水压，注水延迟时间和保持时间，以及熔体短射类型。表 4列出这些工艺 参数 及在实验中的 数值 。 表 4 处理变量的值以及实验中的使用 A B C D E F 熔体压力 熔 体温度 短射类型 水 压 水 温 模具温度 140 126 114 98 84 280 275 270 265 260 76 77 78 80 81 8 9 10 11 12 80 75 70 65 60 80 75 70 65 60 4 塑 元件 为了对水辅和气辅 注塑 成型制件进行比较，气辅 注塑 成型实验使用了一个商用气辅注塑 成型元件，其具体配置可参考 辅 注塑 成型工艺控制和水辅 注塑 成型一样，除了气体温度设置为 25度 。 图 2 模具行腔的尺寸和外形 金属 水 5 了分析水辅 注塑 成型制品的晶体结构，实验使用了具有 二维探测分析传输模式 的广角 X 射线衍射仪。更特别的是 实验对 水辅 注塑 成型制品 模具一边和水一边的样品在 7到 40 的范围内进行测量。分析所用的样品来自制品中心。为了获得 品要求的厚度，多余的部分在一个旋转轮上打磨掉。首先用湿的碳硅纱布，而后用粒度 300 的，再用粒度 600 和 1200 的，以获得更好的表面质量。 械性能 拉伸强度和弯曲强度测试在一个拉力测试机上进行。实验对水辅 注塑 成型制件样本进行拉力测试以评估水温对拉伸性能的影响。样 本的尺寸为 300 水辅 注塑 成型制件的弯曲实验也在室温下进行。弯曲样本的尺寸为200 微镜观察 用电子扫描显微镜（型号 5410）观察制品中纤维的分子取向。 样品为取自 注塑 成型制件厚度方向上（图 3） 。在垂直于流动方向了对截面进行观察。观察前，所有样品表面镀金 。 图 3 拉伸和弯曲测试切取样品的位置图示 样品剪拉 伸和弯 曲试验 扫描电镜 观察方向 6 3 结果和讨论 所有 实验在一个最高 注塑 速率 109s 的 80吨注塑机上进行 。所有研究中使用了一个中 间有一个肋板 水道 的空心盘 。 品的 指形 效应 所有制品都在水道的过度区域出现了 指形 效应。 并且，玻璃纤维增强的复合材料 指形 效应比不增强的更严重，如图 4 所示。 指形 效应一般在一种密度小，粘性低的液体穿过另一种密度大，粘性高的不相溶液体时产生。考虑一个密度和黏度变化都很快的两相界面或区域。流体移动的压力 致 有效的置换量用下式描述 ： 这里 U 是特性速率， K 是 穿透 性。当压力为正时，任何很小的置换量 都会被放大，导致不稳定并出现 指形 效应。当一种液体被比它密度低，黏度小的液体置换时，我们知道 = 1 0，而且 U O。这时，当一个黏度较高的液体被一种黏度较低的液体置换时，这种液体流动性较高，会出现不稳定和 指形 效应。这次研究的结果显示 玻璃纤维增强的复合材料更倾向于 指形 效应。这也许是因为玻璃纤维增强的复合材料和水的黏度差比较大。因此水辅 注塑 成型复合材料显示了更严重的 指形 效应。 艺 参数对水穿透 的影响 实验根据 水 穿透 行为的 影响 测得了各种工艺 参数 。 表 4 列出这些工艺 参数 以及实验中使用的数值。为了成型制件，引用了一个重要工艺条件。通过在每一个实验中改变一个 参数 ，我们可以更好的理解在复合材料水辅 注塑 成型中每 个 参数 对水 穿透 行为的 影响 。成型后，实验测量了水 注塑 的长度。图 5示了工艺 参数 对水 注塑 长度的影响，包括熔体充模压力，熔体温度，模具温度，短射类型，水温以及水压。 实验结果显示，水在纯净 比在玻璃纤维增强 合材料中穿透更深。这是由于玻璃纤维增强复合材料冷却过程中体积收缩更小，因此，制品 被水穿过的长度要短些。 7 熔体充模压力 图 5 熔体充模压力对水穿过长度的影响 熔体温度 图 6 熔体温度对水穿过长度的影响 模具温度 图 7 模具温度对水穿过长度的影响 长度的渗透 (长度的渗透 (长度的渗透 ( 8 短射类型 图 8短射类型对水 穿过长度的影响 水温 图 9水温对水穿过长度的影响 水压 图 10水压对水穿过长度的影响 由图 5 可以看出， 水穿过长度 随着熔体充模压力的增大而减小。这可以解释为由于熔体充模压力增大， 模具行腔对流动的阻力增加，因此水更难以进入材料的内部。水穿过长度因而变短。 图 6 可以看出成型 合材料制品时，随着熔体温度是增加水穿过长度也会变短。这也许是因为随着温度增加聚合物熔体的黏度降低。较低的熔体黏度有利于水 包裹住水道，减少空闲区域，而不是更深的穿透。水道开头孔的变小导致了水穿过长度的变长度的渗透 (长度的渗透 (长度的渗透 ( 9 短。 如图 7，增加模具温度稍微降低了水在成型制品中的穿过长度。这也许是因为增加模具温度降低了冷却速率以及材料的黏度。于是水就包裹了水道，减少了 水道口附近的空闲空间，而不是更深的穿透制品。 如图 8，增加短射率降低了水穿过长度。在水辅 注塑 成型中，模具行腔被部分注入聚合物熔体，而后向这些聚合物中心注入水。 聚合物熔体短射率的增加降低了水在成型制品中的穿过长度。 作为实验中的工艺 参数 ，增加水温或者水压都 增加 了水在成型制品中的穿过长度。增加水温降低了冷却速率，是聚合物熔体更长时间内 保温，它的黏度也因此降低。这有利于水更深的进 入进品中心。增加水压也有利于水穿过物体，因此而获得更深的穿透长度。 最后，制品的偏差， 各种工艺 参数 测量的主观性，最大的制品偏差是翘曲。表 11的结果显示制品翘曲随着水在成型制品中的穿过长度的降低而减少。这是因为 水穿过制品的长度 越长，包裹聚合物材料的水就越多。制品的翘曲和收缩也因而降低。 水穿过制品的长度 图 11 注塑件翘曲变形量的增大对水穿透的控制 型制品的结晶 一个结晶速率很高的半结晶热塑性聚脂。在水辅 注塑 成型过程中， 结晶在非等温条件下发生，冷却速率随着冷却时间而变化。这里研 究了各种工艺参数包括充熔体温度，模具温度，以及水温对成型制品结晶的影响。 测量使用了 2 维广角 X 射线衍射仪。表 12 的结果显示所有材料在模具层的结晶比在水层的结晶度要高。这个结果标志 着 在冷却过程中水有着更好的冷却能力 。这与我们早先通过测量模内温度分布得到的结果一致。另外，表 12C 的实验结果显示成型材料的结晶随着水温的增加而增加。这是因为增加水温降低了冷却过程中的材料冷却速率。成型制品因而有更高的结晶度。 部分翘曲变形 （ 10 图 12 熔体温度，模具温度，以及水温对水辅成型制品结晶的影响 另 一方面，为了对水辅和气辅 注塑 成型制品的结晶作一个比较，我们在同一台注塑水温度 （） 结晶度 (%) 结晶度 (%) 结晶度 ( ) 模的温度 （） 融化温度 （） 水 侧 模 侧 水侧 模 侧 模 侧 水侧 11 机上做 了实验，不同的是注塑机装备了一个高压氮气 注塑 装置。图 13 的结果显示气辅注塑 成型制品比水辅 注塑 成型制品有着更高的结晶度。这是因为水比空气的冷却能力高，冷却快。因而水辅 注塑 成型制品比气辅 注塑 成型制品的结 晶 度要低些。 图 13 水辅和气辅成型制品的结晶度 械性能 对水辅 注塑 成型制品样本进行拉伸测试以观察水温对拉伸性能的影响，表 14 的测量结果显示 其随水温增高而降低。 正如我们看到的， 料的屈服应力和拉伸应力都随着温度增高而降低。另一方面， 辅 注塑 成型制品弯曲强度测试也在室温下进行。图 15 的测试结果显示，制品的弯曲强度也随温度升高而降低。 水（气）侧 模型侧 结晶度 % 水 气 屈服强度 （ 水温 （） 12 图 14 水温对 图 15 水温对 一般来说，增高水温降低了冷却速率 ，使制品的结晶度增高。正如我们所知，对于半结晶热塑性塑料，较高的结晶度意味着较低的自由体积因而增加了制品的刚度。 但是，实验结果显示，结晶度对 学性能的影响是微不足道的，有更重 要的增加了 型材料的机械性能取决于成型过程中结晶的数量和晶体类型。 延展性随着结晶降低的事实说明 冷却速率较低的成型过程中结晶度和刚性增加 ，因为缺乏延展性，成型制品在拉伸测试中的数值较高，而刚度 没有预期的弯曲 强度 (水温（ ） 水温（ ） 拉近时的 伸长度 （） 13 高。无论如何，需要更详细 的实验 研究水辅 注塑 成型制品的形态参数以及相关的机械性能。 型制品中纤维取向 从制品的中间切取小的样品用来观察纤维的取向 。观察的位置如图 3 所示。观察前，所有样品的表面被磨光并 镀金 。图 16 显示了水辅 注塑 成型制品的微型结构。 测量结果显示水辅 注塑成型制品中的纤维取向与常规注塑制品有明显区别。 图 16 在常规注塑制品中 一般观察两个区域：薄壁处与中心。在薄壁区域，所有纤维取向与流动方向平行，而在中心，纤维在流动平面内取向随意。与常规注塑成型相比，水辅注塑成型技术的充模方式不同。对于常规注塑机，一个循环周期被定义为充模，保压，冷却 3 个阶段 。而在水辅注塑成型过程中， 模具行腔被部分注入聚合物熔体，而后向这些聚合物中心注入水。这个新颖的充模方式明显影响了纤维的取向。 由图 16 可以看出，水辅注塑成型 制品的纤维取向大致可分为 3 个区域，在模具一边的表面，这里充模时剪切很严重，纤维很规则的平行。在水一侧的表面，剪切作用不明显，速率快，在这种情况下，纤维更倾向与 垂直与注射方向。在制品中心，纤维取向很随意。 总的来说，模具一边的制品表面的玻璃纤维 取向 大部分与流动方向一致 ，而随着离这一表面距离的增加，纤维取向逐渐 的垂直与流动方向。 最后，应该注意的是，我们实验室应该在今后的研究中对 水辅注塑成型和常规注塑成型的纤维取向和形态做一个定量的比较。 流向 模型 水 水附近 中心 模型附近 14 4 结论 本报告的目的是通过实验研究聚对苯二甲酸丁二醇复合材料水辅 注塑 的成 型工艺 。基于当前实验可得出以下结论 ： 1. 水辅注塑成型制品在水道的过度区域出现了 指形 效应。并且，玻璃纤维增强复合材料的 指形 效应比不增强的更严重 。 2. 研究的实验结果显示 合材料的水穿透长度随着水温和水压的增加而增加。随着熔体充模压力，熔体温度，模具温度，短射量的增加而降低。 3. 制品的翘曲随着水穿透的程度而降低了。 4. 注塑制品的结晶度随着水温的升高而提高。 水辅成型制品的结晶度比气辅的要低。 5. 模具一边的制品表面的玻璃纤维 取向 大部分与流动方向一致 ，而 随着离这一表面距离的增加，纤维取向逐渐 的垂直与流动方向 。 谢 辞 感谢台 湾科学委员会对研究工作的资金支持！ 15 参考文献 1 . 002(42. 2 , , . 3 J, S. 003;43:1806. 4 J, S. : 004;35:171. 5 , , D. 000;29:31. 6 , , H. 996;36:2163. 7 P. 004;33:170. 8 . 988;28:143. 9 J, M, G, . J 999;74:889. 10 , , , , , . 005;46:4987. 11 J, C. 000;15:297. 12 J, H, Y, W. 999;14: 191. 13 J, H. 000;21:322. 14 J, Y. 002;31:36. 15 J, H. 002;31:28. 16 M. 987;19:271. 17 J, K. 004;33:260. 18 R, , , . 19 , . 995;53:235. 20 , A, . 21 L. I, 1987 4 结论 本报告的目的是通过实验研究聚对苯二甲酸丁二醇复合材料水辅 注塑 的成型工艺 。基于当前实验可得出以下结论： 1. 水辅注塑成型制品在水道的过度区域出现了指形效应。并且，玻璃纤维增强复合材料的指形效应比不增强的更严重。 2. 研究的实验结果显示 合材料的水穿透长度随着水温和水压的增加而增加。随着熔体充模压力，熔体温度，模具温度，短射量的增加而降低。 3. 制品的翘曲随着水穿透的程度而降低了。 4. 注塑制品的结晶度随着水温的升高而提高。水辅成型制品的结晶度比气辅的要低。 5. 模具一边的制品表面的玻璃纤维 取向 大部分与流动方向一致 ， 而 随着离这一表面距离的增加，纤维取向逐渐 的垂直与流动方向 。 外文出处： 1 . 002(42. 2 , , . 3 J, S. 003;43:1806. 4 J, S. : 004;35:171. 5 , , D. 000;29:31. 6 , , H. 996;36:2163. 7 P. 004;33:170. 8 . 988;28:143. 9 J, M, G, . J 4:889. 10 , , , , , . 005;46:4987. 11 J, C. 000;15:297. 12 J, H, Y, W. 999;14:191. 13 J, H. 000;21:322. 14 J, Y. 002;31:36. 15 J, H. 002;31:28. 16 M. 987;19:271. 17 J, K. 004;33:260. 18 R, , , . 19 , . 995;53:235. 20 , A, . 21 L. I, 1987 潍坊学院学生毕业论文 外 文 译 文 专 业 机械设计制造及其自动化 班 级 2008级 1班 学生姓名 王震 学 号 08011140108 学生成绩 机电与车辆工程学院 译 文 要 求 1. 外文翻译必须使用钢笔，手工工整书写，或用 2. 所选的原文内容必须与课题或专业方向紧密相关，注明详细出处。 3. 外文翻译书文本后附原文（或复印件），译文不少于 3000字符。 译 文 评 阅 评阅要求： 应根据学校“译文要求”，对学生译文的准确性、翻译数量以及译文的文字表述情况等作具体的评价。 指导教师评语： 指导教师签名 年 月 日 潍坊学院 毕业论文 开题报告 姓名 王震 性别 男 年级 2008 级 学号 08011140108 系别 机电与车辆工程学院 专业 机械设计制造及其自动化 论文题目 指纹图像增强及匹配技术研究 题目来源 研究项目 题目类别 论文综述 指导老师 陆述田 预计完成时间 2012 年 5 月 30 号 本课题的目的及意义，国内外研究现状分析： 进入 21 世纪，指纹识别技术日益成熟，并且有更加广泛的应用。指纹识别技术不仅在涉及数据、信息、个人资产安全领域，例如银行、证券公司、保险公司、国家机关、企业等发挥重要作用，也作为 重要的身份验证手段不断被单位的自动考勤系统、学校的考生身份验证等领域所采用。时至今日，指纹识别技术仍在不断的进步，应用的领域也在不断扩大，但是指纹识别技术仍然面临的挑战。 一方面，在实际应用中，仍存在大约 10%的低质量指纹严重地影响了现有指纹识别系统的识别准确率。造成低质量的原因很多，例如手指表面皮肤过于干燥或潮湿，皮肤带有较大面积的污渍、疤痕等，采集过程中不适当的用力 (用力过重或过轻 )，人为的旋转，犯罪现场发现的指纹片段等 ;进行指纹采集时，需要正确按压指纹，如果使用的力太大或太小都会造成指纹图像的扭曲，产 生非线性变形，如果在采集设备上滑动指纹更会造成指纹采集失败。 都是指纹识别系统需要解决的问题。另一方面，随着各应用领域对安全性、可靠性和准确性要求的提高，也迫切需求指纹识别技术的进步和完善。 从指纹识别技术的长远发展和应用来看，对系统安全性和可靠性要求的不断提高，也需要指纹识别技术有着更加长足的进步 。 本课题的任务、重点内容、实现途径： 本课题是为了实现指纹识别中的增强与匹配，主要包括： 指纹图像增强及匹配技术 的现状和发展趋势 。 像采集，图像预处理等各个环节的理论与应用。 从像素，纹理等方面阐述了指纹增加技术，在质量较差的图像中，指纹图像增强在实时性和准确性上都有大的提高。 本文研究的内容进行总结，并展望 指纹图像增强及匹配技术 发展前景。 完成本课题所需工作条件（如工具书、计算机、实验、调研等）及解决办法： 进度安排： 2012 年 12 月 20 日 1 月 1 日 准备材料 2012 年 1 月 2 日 1 月 6 日 完成选题报告 2012 年 1 月 7 日 2 月 18 日 完成开题报告 2012 年 2 月 19 日 4 月 30 日 完成初稿 2012 年 5 月 1 日 5 月 30 日 论文修改 2012 年 5 月 31 日 1 日 答辩准备 2012 年 6 月 2 日 答辩 指导老师意见：（对本课题的深度、广度及工作量的意见、对设计结果的预测，并明确是否可以开题） 指导教师签名 20 年 2 月 28 日 教研室审查意见： 教研室主任签名 20 年 3 月 5 日 编号 潍 坊 学 院 本 科 毕 业 论 文 课题名称 : 指纹图像增强与匹配技术研究 学生姓名 : 王 震 学 号 : 08011140108 专 业 : 机械设计制造及其自动化 班 级 : 机制本一 指导教师 : 陆 述 田 2012 年 5 月 潍坊学院本科毕业论文 I 摘要 指纹识别技术自 19 世纪进入科学研究领域以来，己发展成为 用广泛的生物识别技术。与此同时，指纹识别技术仍然面临挑战。 实际应用中，仍存在大约 10%的低质量指纹 严重地影响了现有自动指纹识别系统的识别准确率。另 着各应用领域对安全性、可靠性和准确性要求的提高，也迫切需求指纹识别技术的进步和完善。因此，从指纹识别技术的长远发展和应用来 看，对低质量指纹图像的研究具有重大的意义。 自动指纹识别系统主要由指纹预处理、细节点提取和细节点匹配三个模块构成。本文围绕指 纹预处理模块中较为关键的增强算法，以及细节点匹配模块进行深入研究。主要工作与成果包括如下两个部分 : 1、深入研究了目前具有代表性的指纹增强算法 对本文算法进行仿真，并运用于 低质量指纹库，可以 改善图像的质量，并使得指纹的识别准确率有了较大的改善。本文算 法将原算法的平均错误率由 低至 降低了 8%。 2、深入研究了目前具有代表性的基于细节点的指纹匹配算法的原 理，并对这些算法进行了归纳和总结。 关键词 ： 指纹增强 ， 指纹匹配 ， 波 ， 低质量指纹潍坊学院本科毕业论文 he on as a in 9as an in In On in 0% of On in of of of on an of in an of of on 潍坊学院本科毕业论文 1 第 1 章 绪 论 生物特征识别技术 生物识别技术是综合计算机技术、模式识别技术、传感技术等多领域学科发展而形成的，基于人类特有的生理或行为特征进行自动身份识别的第三代防伪技术。生物特征之所以能够广泛地应用于身份识别，归因于这些特征来白人的内在属性，难以被盗用和丢失。相比于传统的基于密码、证件的验证方式，生物识别技术提供了更加安全、可靠和有效的机制。 生物识别技术发展至今己形成了多领域的学科，根据生物特征的类型可以分为生理特征和行为特征。生理特征属于解剖学的范畴，是指与生俱来的特征， 包括指纹、人脸、虹膜、手掌等。行为特征则指后天形成的，行为习惯上的特征，包括笔迹、步态、声音等。 对于诸多的生物识别技术，通常采用以下准则来考察各个技术的优劣性： 1)唯 一 性，是指每个人的特征各不相同，或者可能性 相趋近 ； 2)终身不变性 (或者稳定性 )，指 某 特征随着年龄的增长近似不变 ； 3)普遍性，指所有人或者大部分人都拥有该特征 ； 4)可采集性，指 某 特征可以通过适当的仪器和方式准确地采集到 ； 指纹识别技术很好地满足了上述的要求 ： 第 一 ， 普遍性。世界上几乎何 一 个人都具有指 纹。第二，唯 一 性。 1788 年 次 提出没有两个人的指纹完全相同。现代科学认为，指纹的重复率大约为几十 亿分之 一 ，换言之，几十亿人中，才会出现两个相同的指纹。因此，指纹具备良好的唯 一 性。第三，终身不变性 (或 者稳定性 )。指纹是由遗传基因决定的， 一 旦形成，终身不变。即使受到磨损，新生纹线的样式、纹形都与原有指纹相同。 此外，指纹的采集过程相对简便，可采集性较高。 正是由于这些良好的性质，使得指纹相比于其他生物特征具备了天生的优越性，继而成为生物识别领域应用最为广泛的技术。在刑事侦破过程中，指纹己被视为重 要的线索和具有法律效应的证据，素有 “ 物证之首，无冕之王 ” 之称。在商用领域，指纹识别作为更加可靠的身份验证手段正广泛涉足银行、证券、政府机关、企业、私人物品等领域，日益发挥它的作用。 物特征识别技术概述 生物特征识别技术是随着计算机技术和半导体技术的发展而迅速普及的，特别是计算机技术的发展，不仅使生物特征技术成熟度得到提高，同时使硬件的价格变得相当低廉，为生物特征技术的实用化打下了坚实的基础。生物特征识别技术具有准确性高、特征不易伪造、稳定性好、身份特征不易丢失等特点。它克服了传统身份验证系统特 征易潍坊学院本科毕业论文 2 丢失与伪造的缺点。 现在，生物特征识别技术 已 经从司法部门身份鉴定的专用工具迅速推广到了金融、司法、企事业单位等各个民用领域。生物特征识别技术从应用稳定性与识别准确性方面又可以分为几个等级，根据不同领域对识别准确性的要求选取不同的识别方法。在 能需要使用复合生物特征识别技术。随着识别技术准确性的提高，可能需要付出更高的代价。 现在常用的身份验证特征包括 ： 虹膜、掌纹、指纹、视网膜、签名、步态、声音 (1) 生物特征识别技术的优点 l) 生物特征具有不易伪造性。传统的卡片、钥匙、条形码等常 会因为存在利益驱动而被伪造 ； 生物特征识别技术识别的是个人身体上的生理特征，这些特征是与个人的生理特征相关，他人想要伪造相当困难，并且现在大多数技术采用的是活体特征采集，更增加了伪造的难度。 2) 生物特征具有稳定性。生物特征识别技术选用的特征都是经过理论分析、事实证明具有稳定性的。这些特征在 一 段较长的时间内不会发生大的改变，例如人的指纹在胎儿时就己经确定，随着年龄的增长，指纹的大小会变化，但是结构和纹线特征都不会发生变化。 3) 生物特征具有不易丢失性。传统识别方法都有信物丢失的可能性，这些物品的丢失带来的 后果可能是非常严重与繁琐的。密码的丢失可能需要 一 系列的手续来补办，要消耗大量的时间和物力。钥匙与卡片的丢失甚至可能造成更严重的后果。生物特征则不存在这种问题，它们是人体的 一 部分，能够随身携带，也不用担心是否会丢失的问题，增加了安全性。 4) 生物特征识别技术速度较快， 特别是在大量综合验证的情况下，生物识别技术更有速度优势。如今在国内， 一 些大型旅游风景区，如张家界，已经使用指纹识别系统对游客进行身份验证，代替了纸质的门票。 (2)生物特征识别技术的缺点首先，生物特征识别技术仍在发展过程中，还没有足够成熟，有进 一 步研究和改进的空间。目前而言，生物特征识别技术的采集设备还有待改进，现有采集设备在采集过程中并不能完全真实反映生物的特征，同时由于设备自身的原因，常会在采集数据带入 一 定的系统噪声。现有大量文献对指纹增强和匹配算法进行研究，但文献结果表明现有算法的准确率仍有待提高。 其次，生物特征识别技术的成本相较于传统识别手段仍较高。系统的采集装置大多数采用半导体传感器，虽然随着半导体技术的不断发展，半导体传感器的成本下降了很多，但是相对于传统的识别手段，成本仍然较高。生物识别技术通常会有图像处理步骤和图像匹配任务，这样 复杂的计算必须要性能较好的处理器，处理器价格 一 般较高，所以生物识别技术也只能在城市中的 一 些重要部门和 一 些较富有阶层的住宅中安装，还不能普及到广大民众 。 另外，大多数生物特征识别技术需要先进行培训，例如 ： 进行掌纹识别时，需要进潍坊学院本科毕业论文 3 行短期的培训以正确放置手掌的位置 ； 进行虹膜、视网膜识别技术时，需要将眼睛放置在正确的位置，否则会导致采集的图像质量降低 ； 进行指纹采集时，需要正确按压指纹，如果使用的力太大或太小都会造成指纹图像的扭曲，产生非线性变形，如果在采集设备上滑动指纹更会造成指纹采集失败。 一 些生物特征技术会侵犯用 户的隐私权，例如 ： 可能在当事人不知情时对用户使用面部识别系统。 一 些生物特征识别技术可能直接接触到人体，这可能会让人觉得不适，例如 ： 虹膜、视网膜、耳道识别等。另外 一 些生物特征识别技术可能需要接触到特征采集装置，如果是多人使用过的采集装置可能会带来卫生方面的问题，也会让用户觉得不洁净，例如 ： 指纹、掌纹识别。 最后，生物特征识别技术是在最近 20 年才蓬勃发展起来的，是 一 个新兴的学科，因此缺乏相应的国际标准来指导识别技术的研究和实验。现有的算法和技术开发大都是由个人来进行测试和评价，没有公信力。在指纹识别领域，直到 2000 年才举行了 一 次竞赛 纹识别竞赛 2000)，这次比赛以统 一 的性能参数和计算平台 。 对参赛的指纹算法进行了评测。同时，生物特征识别技术相关的产品也没有 一 个国际标准来进行指导。只有极少数地区和国家存在相关的行业标准，因此建立生物特征识别技术的国际标准以刻不容缓。值得欣慰的是，我国现在正在制定指纹识别方面的技术标准，己经走在了标准制定的前列。 现有生物识别技术 生物特征的选取必须具有独特性、唯 一 性。每种生物特征识别技术都有各自的优点和缺点，具体的应用应该考虑使用的综合环境、识别 技术的性价比，很多生物特征已经被应用到识别系 统中了 。 a 指纹识别 b 笔记识别 c 步态识别 d 虹膜识别 e 面部识别 f 掌纹识别 图 物识别 潍坊学院本科毕业论文 4 (l) 指纹识别算法 指纹是手指指尖表面脊线和谷线组成的有规律的纹路。脊线和谷线是交替出现的，在垂直横断面上是呈近似正弦分布的。指纹的纹线末 梢点称为端点，纹线分叉的区域称为分叉点，纹线方向变化剧烈的区域称为奇异点 (包括三角点和中心点 )，每个人的指纹都拥有这些特征，但是每个人指纹的特征又各不相同，这些特征保证了身份鉴别可以顺利进行。 指纹识别算法过程分为指纹采集、增强、细化、特征提取、分类、匹配等步骤。指纹采集是指活体手指按压在指纹采集装置上，然后经过处理产生适合计算机处理的数字图像，经过采集的指纹图像常常会有噪声和形变，通过指纹增强算法对指纹图像进行 处理以达到改善指纹图像质量的目的。增强后的图像需要提取指纹特征。 这些特征是指纹匹配的基础。指纹 处理过程中最重要的步骤之 一 是指纹匹配算法，将提取出的指纹特征进行比对，当配对的特征点数大于设定的阂值，则断定指纹匹配。 指纹具有比较好的稳定性和可操作性，因此，相对于其它生物特征识别算法，指纹识别算法是综合性能较突出的技术。 l) 每个人的指纹都具有大致相同的形状和纹路，纹路分布的规律性也相似，但是每个人的指纹特征都是不同的，正是因为特征的差异使得每个人的指纹都具有独特性，即使双胞胎的指纹也只是大体结构相似，具体的局部结构是不同的 ； 2) 指纹在人的胎儿时期就己经形成，随着年龄的增长，人的手指会越变越大，但是指 纹特征的类型、相对位置、纹路结构都不会发生大的变化，经过实验证明，一 个人在 6 岁和 60 岁时指纹的结构是基本相同的 ； 3) 现有指纹识别算法需要的存储空间较少。识别算法很少使用整个纹路的信息，即使使用纹路信息也只是取其中的小部分，或者仅仅是指纹纹路的抽象表示，这是因为指纹纹路是很复杂的信息，计算机系统很难完整无误地描述，因此，识别算法需要的特征信息较少，在指纹图像预处理阶段就可以提取出需要的特征，并将它们存储起来，替代整幅指纹图像，这样大大节省了数据存储的空间 ； 4)有 一 些现行的行业标准和统 一 的测试规范。 2000 年 ， 用标准指纹数据库对参加测试的数种算法进行了统 一 的测试，以后每两年举办 一 次，共有 3 届，从此指纹识别技术的研究者可以使用标准数据库对算法进行测试并与 参赛算法进行比较。 (2) 面部自动识别算法 面部识别技术主要应用于司法部门的身份鉴定工作，是抓捕罪犯的常用手段之 一 。面部识别技术是用户界面最友好的识别算法，用户不用接触采集装置，也不用摆特定的姿势，在任何时间、任何地点都可以采集面部数据。面部识别技术的原理是 ： 摄像装置捕捉面部图像，提取出其中不变的特征，然后与数据库中的模板特征进行比对， 得出匹配结论。这种技术优点明显，已经成为现在比较活跃的研究领域之 一 。 面部识别技术的优点在于 ： l) 面部识别技术可以用来比对疑犯，从监视镜头采集面部图像，然后进行与数据库中的人脸特征进行对比，搜寻出真正的身份。即使用户不配合数据的采集，也可以获得数据样本 ； 2) 面部识别技术的数据采集工作是非接触性的，潍坊学院本科毕业论文 5 用户可以轻松的完成采集工作，不会有抵触心理 ； 3) 面部的特征在 一 段较长的时间内是不会变化的，例如，眼睛的相对位置，两眼的间距，眼、鼻、嘴的相对位置等，具有一 定的稳定性。 面部识别技术的缺点 ： l)人的面部特征具有 类间差异小、类内差异大的特点，即每个人之间面部差异不大，而 一 个人在不同的时期，面部特征变化明显，因而现有系统识别准确率不高，特别是很难识别时间跨度大的面部特征 ； 2)人的面部表情非常丰富，常会影响识别的效率 ； 3)环境因素。虽然面部图像采集可以全天候进行，但是在不同情况下采集的图像对特征的提取有不同的影响，如何将不同环境下的图像放在同 一 标准下进行识别是面部识别技术的难点 ； 4)人在少年、壮年、老年时期的面部特征是有差异的，可能会导致匹配失败 。 (3)虹膜识别算法 虹膜位于血管膜的最前部，虹膜中央是瞳孔。虹膜识别的 准确性是很高的，据研究，两个人虹膜相同的几率大概为 因此，虹膜是最安全的生物特征识别技术之 一 。 虹膜识别技术的过程分为图像获取、活体检测、图像预处理、特征提取、特征匹配等步骤。虹膜数据的采集需要用特定高分辨率的相机对虹膜进行扫描，将数据输入处理器中，在处理器中需要对图像进行分析，判断是否从活体中检测得到的数据，判断的依据是血管的状态、瞳孔的收缩等。虹膜的特征可以分为几类 ： 血管特征、纤维组织脉络特征、条纹特征等。虹膜的结构比较复杂，因此虹膜所能使用的特征也较多，大量的特征可以保 证虹膜的识别独特性高、准确率好。 虹膜识别的优点是 ： l)虹膜中的结构较复杂，有较多的特征用于识别，特征点有各自的类型，识别算法可以分别比较类别中的特征点，然后进行交叉比对，可以提高匹配的准确性 ； 2)特征点的 特征进行比对，分别对不同的类别进行不同类型的识别，具有较好的实时性 ； 3)数据的采集是通过相机扫描，用户不用接触采集装置。 缺点是 ： l)数据采集需要使用高分辨率的相机，这样的设备通常价格昂贵 ； 2)扫描可能会造成眼睛受到伤害 ； 3)环境因素。当外界光线不同，虹膜对光线的反应不同，造成虹膜内组织发生改变，影响虹膜 的匹配。 (4)声音识别技术 声音识别技术就是利用声音的特点来进行识别的技术。每个人的声音特点是不同的，如果是熟悉的人，则 一 听可知对方的身份，这就是声音识别技术的原理。经过科学分析，人说话的语速、强弱以及关键字的轻重等都可以作为识别的特征。虽然人在很长的 一 段时间后声音可能发生变化，但在短期内声音的特点是不变的。声音识别技术的优点是 ： 1)可以利用现有计算机附带的声音采集设备以及多媒体输入仪器对声音进行采集，这些设备价格相对比较低廉，并且可以大规模使用，只需要增加声音识别软件就可以进行声音识别 ； 2)人类说话的行 为是自然流露的，因此，数据的采集过程是很自然的，使用者对声音识别的接受度较好 ； 3)声音在电话中的传输不会发生很大的扭曲，因此可以通过电话对声音进行识别。 潍坊学院本科毕业论文 6 声音识别技术的缺点 ： l)声音相对其他生物识别技术来说特征较少，且用户的声音在不同的情绪条件下会发出不同频率的声音，因此声音识别技术的识别难度较大，识别错误率较高 ； 2)声音是人自身发出的，但并非不能被伪造的，他人可以通过录制的方式窃取用户的声音信息，并使用到识别系统中，可能造成用户的损失 ； 3)声音特征受环境的影响很大，现有采集设备在收录用户声音的同时会收录环 境的声音，这种环境的影响是很难避免的，对声音的识别具有很大的干扰 ； 4)声音会随着声带的变化而产生改变，生病导致声带改变就不能使用声音识别系统了。 (5)签名识别技术 签名识别技术在很早以前就开始使用了。古代的人们常在文件确定以及书画作品上签名以作身份证明。以前的签名识别只是将用户签名的习惯、字体的结构作为识别的特征，事实证明这种方法是不可靠的。现代的签字识别技术是基于签名的力度分析的，例如，字体笔划的加速度、相同笔划的切入点方向、力度等，这些特征可以判断书写者是自然写就还是刻意模仿，根据每个人的书法特点可以 判断出签名的使用者。签名识别技术是 一 种根据用户的行为习惯和行为特征来进行识别的技术，和指纹、虹膜等生物自带的识别技术不同，是 一 种行为识别技术。 签名识别技术的优点是 ： l) 签名或书法具有 一 定的价值，可以得到较好的保护，即使经过很多年也可以重新拿出来鉴定 ； 2) 签名是日常生活中不可缺少的 一 种活动，人们对它的接受度较高。 缺点是 ： l) 如果要进行签字的力学分析，必须使用专门的仪器对它进行计算，而力学分析仪器的价格比较高 ； 2) 要想准确判断签名的真伪是比较困难的，因此签名识别技术的准确性不高，容易被伪造。 (6)掌纹自动识别技术 掌纹就是人类手掌上的纹路，又分为整体纹路及局部纹路。人类手掌纹路具有独特性，每个人的手掌纹路可能整体上相似，但具体的特征都不相同，即使同 一 个人的左右手也只是整体特征相似，局部特征各不相同。掌纹识别技术不仅仅依靠掌纹的识别，通常还会加入手型的特征。 掌纹识别技术的优点 ： 掌纹和手形的特征点较少，因此，在匹配过程中计算速度较快，存储空间小，非常适合作为 一 种辅助识别手段。 缺点 ： l) 掌纹和手形的特征点少，因此匹配的错误率较高 ； 2) 长期劳动会磨损掌纹 ； 3) 随着年龄的增长，手形会发生改变。 综上 所述，现有的各种生物识别技术都有各自的优点，同时也存在着缺点，因此，用户使用的识别技术需要综合考虑各个方面的要求来确定。表 示了各种生物特征识别技术的性能比较。 从表 以看出，掌纹识别技术需要用户学习使用采集装置，且误识率较高 ； 面部识别技术采集过程容易受到光照等环境影响，且误识率较高 ； 虹膜识别需要用户熟练掌握采集装置的性能，识别率高 ； 视网膜识别技术能提取较多特征点，有很高的识别准潍坊学院本科毕业论文 7 确性，但同时消耗时间较长，且用户界面不友好 ； 声音识别技术操作简单，速度较快，但识别准确率低，且容易被伪造 ； 签名是常用的 识别手段，用户容易接收，但误识率较高且识别时间较长 ： 指纹各方面的性能指标都比较优秀，综合性能较高 。 表 种生物特征识别技术性能比较 名称 用性 处理速度 指纹识别 很低 较低 好 2纹识别 低 5% 使用困难 5部识别 容易受光照，姿势等的影响 10% 非常好 0膜识别 很低 约 5% 需要培训才能使用，手工操作对虹膜有困难 仪器自动对准 虹膜需3手工操作需要 5网膜识别 低 低 不好 15音识别 用于 电话时：低 用于麦克风时： 一 般 用于电话时：低 用于麦克风时： 一 般 可以 3名识别 低 10% 一 般 5指纹成为生物特征的原因 一 个人的指纹在胎儿第六个月时开始形成，但出生以后直到青春期 14 岁时，指纹才会定形。 一 个人的 一 生中指纹不会有太大的变化。 指纹的稳定性 指纹能够很长的时间保持特征不变主要是由人类皮肤的结构以及皮肤更新原理决定的。皮肤是由表皮层、真皮层以及皮下组织构成。表皮层是人体皮肤的最外层，主要由角化细胞构成。表皮最内层未成熟的角化细胞不断分 裂，并向最外层迁移 ； 细胞的活性不断降低、变平，而到达最外层时，脱水变成扁平的角化细胞。内层细胞不断迁移至最外层，导致表皮的角化细胞干燥脱落。 正是因为皮肤层的不断更新过程保证了指纹的长期稳定性。在人的 一 生中，除非手指发生大的外伤，伤及表皮内层细胞，否则指纹不会发生大的改变。 指纹的独特性 指纹的形成原因主要包括两个方面 ： 一 是人的基因决定了指纹的整体结构，两个基潍坊学院本科毕业论文 8 因相近的人，他们指纹的整体结构也是相似的 ； 二是指纹形成过程中，由于胎儿所处的环境不同导致指尖的羊水微环境不同，从而决定了指纹的局部差异。 这种差异是指纹识别算法的理论依据，即使双胞胎，其指纹的局部结构也各不相同。 (1)指纹相同的概率很低 相关研究表明，两个人指纹相同的概率为 在实际生活中，要想找到两个相同的指纹是相当困难的，因此在实际处理时，可以将指纹作为身份识别的工具。 (2)指纹识别算法的性能评价 描述指纹识别技术的性能通常有以下指标 ： 验证 ( 是指获取的 一 枚已知指纹和数据库中的指纹进行比对，以验证指纹的有效性 ； 辨别 ( 是指获取的 一 枚未知的指纹和数据库中的指纹进行比 对，以验证这枚指纹是否是来自于某 一 枚指纹 ； 拒识 ： 是指应该判定相同的指纹，通过识别判断为不匹配 ； 误识 ： 是指不应该判定相同的指纹，通过识别判断为匹配 ； 相等错误率 (拒识率 (误识率 (等时的值。 动指纹识别技术的发展历程 随着计算机技术与半导体技术的飞速发展，计算机硬件的成本不断下降，计算机已经进入了千家万户。自从上世纪初现代指纹识别技术建立以来，越来越多的科学家投入指纹研究的工作中来，指纹分类方法、识别算法层出不穷，在上世纪 60 年代，识别算法已经比较成熟。计算机技术的发展 促进了指纹学的进步，自动指纹识别系统被提上议事日程。现实的急迫需要也是自动指纹识别算法出现的原因，纸质的指纹数据不断积累，不仅占用大量的存储空间，而且需要大量的人力和时间对指纹文件进行整理分类。到上世纪 40 年代，美国 存的纸质指纹图像己经达到 10 亿张，如此海量的数据对任何一 个国家或地区都是 一 个沉重的负担。从上世纪 60 年代起，西方主要国家都投入到自动指纹识别系统的研究中。 这个时期的自动指纹识别系统主要是将纸质指纹图像扫描录入系统中并进行比对的过程。指纹数据库建立是 一 个大的问题，如果要将指纹的整个图像存 在比对数据库中，不仅需要很大的存储空间，而且会大大影响匹配的速度，因此，需要抽象出指纹的特征作为存储的内容。指纹的分类对自动指纹识别系统来说也是 一 个重要的技术。在海量数据库中进行指纹搜索必须要有指纹分类，就像在大型图书馆中查找需要的书 一 样，书籍一 般都会有分类号，很容易按照分类号找到需要的书籍。指纹分类就是给指纹提供 一 个“ 分类号 ” 。最好的分类方法应该是呈树型的结构，越往树的下层分类越细，所搜索的空间越小。但分类又不能太细，否则指纹之间存在互相交叉的可能。指纹的匹配是自动指纹识别系统的关键，自动匹配也就是模拟人 工识别指纹的过程，对不同指纹的特征进行比对，自动得出匹配结论，从而可以在无人工干预的情况下对指纹进行批处理。 潍坊学院本科毕业论文 9 在对纸质指纹图像进行扫描时发现了 一 些问题 ： 有些指纹的质量非常差，常会出现指纹沿有很多油墨致使指纹脊线被掩盖，或者手指沾有太多的油墨导致脊线不清晰等情况，因此制造具有良好采集性的设备变得刻不容缓。自动采集设备是上世纪 80 年代随着半导体技术的蓬勃发展而逐渐兴起。这个时期出现了各种性能和原理不同的采集装置，有传统光学指纹传感器，也有新兴的半导体指纹传感器。这些指纹传感器与传统纸质指纹采集最大的不同是提高了 指纹图像的质量，并且能将指纹图像传输给计算机系统进行自动识别。 早期由于计算机技术的瓶颈作用，自动指纹识别系统仅仅应用于有限的几个部门，随着科技的发展，计算机已经普及化，自动指纹识别技术也 已经 比较成熟，正是因为这些有利条件促进了自动指纹识别系统的大发展。现在，自动指纹识别技术已经广泛应用于金融、政府部门、企事业单位以及私人门禁等各个领域，展现了生机勃勃的活力。 章小结以及论文结构 本章对生物识别技术进行了总结，比较了各种生物特征识别技术的优点以及缺点，阐明了指纹识别算法在实用性以及技术成熟度 等方面的优势，并选取指纹作为主要研究的对象。描述了指纹的独特性以及唯 一 性，并展望了指纹识别技术的应用前景。 第二章详细介绍指纹识别技术中的基本概念，图像采集，图像预处理等各个环节的理论与应用 。 第三章提出了指纹图像的增强技术，并从像素，纹理等方面阐述了指纹增加技术，在质量较差的图像中，指纹图像增强在实时性和准确性上都有大的提高。 第四章提出了指纹图像的匹配技术研究，提出了 一 些匹配的方法，以及某些具有局部特征的匹配算法。 潍坊学院本科毕业论文 10 第 2 章 指纹识别技术 纹识别技术的原理和特点 指纹是由手指的末端皮肤表面隆起 的纹线构成的图案，经由指纹采集器获取可以得到由黑白相间的纹线组成的二维数字图像。为了这两种不同颜色的纹线，分别将黑色纹线定义为脊线，白色纹线为谷线， 如 图 示。在不引起混淆的情况下，指纹纹线通常指脊线。 图 线和谷线的示意图 每个指纹的独特性来源于纹线的局部特征和它们之间的相互关系。这些特征也包括纹线的形状、样式、局部特征的拓扑结构等信息。在指纹识别系统中，正是利用指纹中的各种特征对指纹图像进行抽象的描述和建模，实现不同指纹的比对和判别。总体来说，指纹的特征可以分为全局特征和局部特征两类。全局 特征描述的是指纹的全局性信息，例如指纹的形状、特征点构成的 拓扑结构等。早期研究者根据纹路的整体结构，提出了不同的分类方式， 目前应用较为广泛的是 提出六类划分法，如图 示 ： （ a）拱形 （ b）尖拱形 （ c）右 旋形 潍坊学院本科毕业论文 11 （ d） 左 旋形 （ e）平螺形 （ f）双其螺纹 图 同形式的纹理 局部特征则描述了纹线 的局部信息。每个指纹都含有大约 150 个局部脊线特征，这些局部特征包括端 点、又点、三角点、中心点等。端点是指脊线末端的点，而叉点指由线分为两条脊线的点 (或者说两条脊线合并为单条脊线的点 )，如图 示 ： 叉点 端点 图 像的叉点和端点示意图 中心点和三角点在指纹图像中较为特殊，通常中心点位于指纹的中心区域，而三角点位于指纹的下方区域。如图 2，当脊线不断向某 一 点汇聚，并在该点形成收敛，则该点为中心点。反之，如 图 2，当脊线绕开某 一 点，在该点形成发散，则该点为三角点 。 图 纹图像的中心点示意图 图 纹图像的三角点示意图 中心点 潍坊学院本科毕业论文 12 中心点和三角点统称为奇异点，而端点和叉点统称为细节点，细节点是指纹匹配中应用最为广泛局部特征。 奇异点和细节点在指纹图像处理中的应用也有所不同。奇异点在单幅指纹图像中的分布较少，对于某些残缺的指纹图像或者少数完整指纹，甚至不存在奇异点。另 一 方面，奇异点的类型和位置分布往往决定了指纹的形状 (参看图 2因此可以用于指纹形状的判断。此外，中心点往往位于指纹图像的中心 ，在某些算法中，将中心点作为不同指纹图像的参考点，进行对齐或者粗略的匹配。 与奇异点相反，细节点在指纹中的分布数目较多，在单个指纹中含有 4 小 100 个细节点，并且细节点可以进行方向、类型、坐标等方面的定量的描述，相邻或相近的细节点也可以组成含有丰富信息的拓扑结构。因此，细节点通常被用于指纹图像的匹配。 纹识别技术的基本概念 广义上来讲，指纹识别技术泛指所有利用指纹图像进行身份验证的技术。但在狭义上，指纹识别特指 一 类区别于指纹验证的身份识别技术的应用。指纹识别和指纹验证的差异如下 ： 指纹验证系 统处理 一 对 一 的指纹比较，通常用于身份的合法性验证。在指纹库中通常存有 一 幅合法使用者的指纹称为库指纹，当使用者请求身份验证时，系统将新采集到的使用者指纹与库指纹进行比较 ，判决为相同指纹时，身份验证成功，反之，验证失败，系统拒绝服务， 图 2示 的是指纹验证过程的流程图： 图 纹验证过程的流程图 指纹采集 指纹注册 特征提取 指纹验证 形成特征模版 放入 指纹库 指纹采集 特征提取 特征 比较 指纹库 身份验证 成功 /失败 潍坊学院本科毕业论文 13 指纹识别系统处理 一 对多的指纹比较，通常用于查找并识别请求者的身份。指纹库记录了多幅不同使用者的指纹信息，且指纹库的规模越大，存放的指纹个数也越多。当采集到新的指纹时，系统将在指纹库中进行搜索，如果找到相同的指纹，则指纹被成功识别，系统将自动识别请求者的身份。反之，系统将提示拓纹无法识别。图 示的是指纹识别过程的流程图 ： 图 纹识别过程的流程图 由图 图 示，指纹验证系统和指纹识别系统的组成模块非常相似，首先需要完成指纹的注册，并经过特征提取的过程提取能代表指纹独特性的信息并进行量化地描述形成特征模板，存放至指纹库。在验证或识别过程中，新采集的指纹将通过相同的注 册和特征提取方式，并将提取到的信息与指纹库中的特征模板相匹配，通过比较两者的相似度，得出判决结果。因此，自动指纹识别 (或验证 )系统主要包括指纹图像采集、特征提取、特征匹配、模板生成和指纹库存储这五个模块，它们各自的功能归纳如下 ： 采集模块的功能是利用光学传感器、固态传感 器、超声波传感器等仪器进行指纹图像的采集，并将其表示为数字图像； 特征提取模块的功能是根据 一 定的算法和规则，从数字图像中提取指纹的特征信息，并生成特征集合； 模板生成模块的功能是将提取到的 一 个或多个 特征集合组合生成模板 指纹，并存放到指纹库中，作为指纹比对的对象； 匹配模块的功能是将新采集到 的指纹特征和指纹库中的模板指纹进行比较，并通过判决给出匹配结果； 指纹库的功能是存放模板指纹的信息。 指纹采集 指纹注册 特征提取 指纹验证 形成特征模版 放入 指纹库 指纹采集 特征提取 特征 比较 指纹库 身份验证 /无法识别 潍坊学院本科毕业论文 14 动指纹识别系统中的关键问题 对应于自动指纹识别 (或验证 )系统的五个重要模块，系统中的关键步骤和算法主要包括四个部分，即指纹图像采集、图像的预处理、特征提取和特征匹配。而指纹库只要提供指纹信息的存储，不作为生物识别的研究领域。 纹图像采集 指纹采集模式包括非实时采集和实时采集两种。现在主要以实时采集为主 。非实时采集也称为离线采集，通过中间介质间接地获取指纹图像。通常采集者需要先用手指蘸取墨水、粉末等物质，稳压至纸卡上，再经由专用的扫描仪扫描生成 一 幅数字的指纹图像。而实时采集，则通过与计算机联机的带有指纹传感器的专用指纹采集设备，将真实的人体指纹直接转变成数字图像，实时地传送给计算机。 相比于实时采集方式，非实时的采集过程操作繁琐，耗时较长，得到的指纹图像质量较差，因此这样的方式被逐渐取代。应用了实时采集装置的指纹识别系统，可以实现系统的 “ 即 采 即存 ” 。实时采集通常利用光学传感器、固态传感器、超声波传 感器等仪器进行指纹图像的采集。 由于不同的采集方式、采集仪器和终端存储设备获取的数字指纹图像的质量和特性根据各有不同，为了进行定量地描述，美国 织规定了如下参数来表示指纹采集器和相应数字指纹图像的特性，这些参数被广泛采用。 l) 分辨率 表示每寸长度上的采样点个数，通常用每英寸点数 (示。分辨率用于描述图像的清晰度， 值越高，图像的清晰度也越高。 定 500其内部设备的最低分辨率，事实上， 500被多数商业指纹采集设备所 采用。 2) 面积 表示由指纹采集器得到的长方形区域的大小，用。通常在采集器上提供 1面积可以获取 一 幅完整的指纹图像。但在实际的商用环境，为了减少成本，会适当地减小采集的区域。因此，在有限的采集面积下，往往难以获得完整的指纹图像，这给后续的指纹处理尤其是指纹的匹配带来了 一 定的影响。 3) 像素值 像素值由分辨率和面积值导出。 4) 几何准确率 表示采集装置的最大 几 何扭曲程度，取决于指纹上任意两点的真实距离和图中距离的最大差值。某些光学采集器会引入几何扭曲，如果不进行补偿 会造成指纹图像的变形。 5) 灰度量化值 指纹图像 一 般为灰度图像，因此引入灰度量化值表示采集器输出的数字图像的最大灰 度级数。灰度量化值越高，则图像的亮度变化范围就越大。但现在也有 彩色指纹图像潍坊学院本科毕业论文 15 的分析，用于甄别伪造指纹。 纹图像预处理 预处理是为了压缩图像信息，提高指纹图像的质量所做的各种图像处理，其本身包括 一 系列的处理算法。根据处理的角度不同，可以将预处理过程分为指纹图像分割、增强、二值化和细化四个部分过程。在实际的预处理过程中，不 一 定要包含所有的这四个算法，而是要根据具体的需求和应用选择 性地进行处理。通常，预处理会包含分割和增强过程，因为这两种算法对图像原有信息的损害相对较小，并且可以在 一 定程度上提高图像的质量。 l) 指纹分割技术 最初的指纹图像的分割主要是完成指纹图像和背景图像的分离。因为新采集到的指纹图像，往往由指纹信息和空白的背景区域组成，后者与指纹的匹配过程无关，属于无效信息，如图 示。 图 始指纹图像经过分割处理后的效果 通过局部闺值判定等方法，可以去掉指纹四周的背景信息 。在图 ，由曲线圈起来的部分表示分割后的结果。分割后的指纹图像仅保留指纹部分的信息，可以缩小待处理的图像区域，从而减少后续处理的计算量。 现在的指纹分割涵盖了更加全面的步骤，除了去除指纹四周的背景信息，还需要去除指纹图像中无法修复的低质量区域。这样可以进 一 步压缩图像的有效信息，提高指纹识别的效率。 2)指纹增强技术 指纹增强属于数字图像增强，因此该处理过程的实质是对图中有效信息进行强化的同时，削弱图中的噪声等干扰信息，从而达到优化图像质量的目的。因此，指纹增强的关键在于界定图中的有用信 息，并用数学方式进行建模和量化。 增强过程中，通常应用的信息包括指纹的纹理信息、局部或全局的平均灰度信息、图像的分辨率等。图 出了增强前后的指纹图像。 潍坊学院本科毕业论文 16 图 始指纹图像经过增强处理前后的效果对比 可以看到，经过增强后的指纹图像，具有更为清晰的纹理分布，并且在某些人眼辨别不清的位置进行了适当的修复，将部分断裂的脊线进行了连接。由于增强过程可以有效地改善指纹图像的质量，因此增强过程被视为预处理中的关键步骤。 3)指纹二值化和细化技术 指纹图像的二值化是 指将原始的灰度图转化为二值图 (也称为黑白图 )的过程，从而得到更加清晰简洁的纹线分布。二值化的过程通常借助全局和局部的闲值信息来完成。二值化以后，图像中的纹线仍具有 一 定的宽度，为了精确跟踪脊线的走向，往往需要进行细化的处理。细化的过程采用形态学理论，将原木较宽的脊线转化成仅含有单像素宽度的线段。同时，细化的过程也实现了进 一 步压缩数据、简化后续处理的功能。 节点提取 大部分的自动指纹识别系统都是基于细节点的匹配，因此细节点的提取算法是指纹处理系统中的关键步骤。细节点的提取算法分为两种， 一 种基于细化后的二值图像，另一 种则直接基于灰度图像。这两种算法各有利弊，前者引入了二值化和细化的步骤后，人为地造成了大量信息的损失，引入误差，并增加了处理时间 ： 但另 一 方面，在某些情况下，结合增强等预处理过程，基于二值图像的细节点提取算法可以得到良好的结果。因此，算法的选择往往取决于具体的应用。 在初步获取细节点信息之后，通常要进行细节点的滤波，以去除伪细节点。主要包括两种滤波方式， 一 种是基于纹线结构的滤波，另 一 种为灰度域的滤波，图 示的是从指纹图像中提取到的细节点，不同颜色表示不同类型的细节点 。 图 过细节点提取后的获取到的细节点示意图 潍坊学院本科毕业论文 17 进而，可以将 一 幅指纹图像转化为由若干个细节点构成的点集，如图 示。 图 指纹图像转化而成的细节点集合示意图 其中，每个细节点的基本信息包括 (x， y， 0， a)， x， y 表示细节点在图像中的坐标值， 0 表示细节点所在纹线的切线方向 (在图中用箭头表示 )，。表示细节点的类型 (在图中用颜色表示 )。需要说明的是，在确定细节点的坐标和方向值之前，需要先定义直角坐标系和零度角，通常由研究者根据计算的简便性来定义。因此，经过细节点提取的 处理，将处理图像的过程转化为处理数字点集的过程，大大简化了后续的处理。 纹匹配 指纹匹配是指根据 一 定的算法比较两幅指纹图像，并返回匹配与否的判决结果的过程。尽管有少量算法直接比较两幅灰度图像，大部分的算法都会在提取特征的基础上，间接地比较特征集合。例如前面所述的，通过提取指纹的细节点，比较两幅指纹的细节点集合来判定指纹的匹配性。根据比较对象的不同，可以将指纹分成模板指纹和输入指纹两类。模板指纹指实现保存在指纹库中作为匹配基准的对象，而输入指纹是指实时获取后需要被判定是否与模板指纹相匹配的 对象。 指纹匹配是 一 个较有难度的算法。因为采集过程本身带有的不确定性，需要匹配算法具备 一 定的容错性，同时又要避免匹配不相同的指纹。在实际的算法中，通常定义了描述相同指纹间差异的参数，包括平面位移、旋转、非线性形变、部分重叠、皮肤干燥状态、噪声等。当这些参数满足 一 定的范围时，可以通过图像处理来减少或者消除差异的存在。图 图 别给出了主观感觉上差异较大的相同指纹和较相似的不同指纹图。 图 相同指纹采集到的看似差异较大的指纹图像 潍坊学院本科毕业论文 18 图 不同指纹采集到的看似相同的指纹图像 指纹匹配的算法主要包括以下两类 ： l、基于细节点的匹配 是应用最为广泛的匹配算法。在提取细节点后，指纹匹配的过程简化为两个细节点集的匹配过程。因此，算法的实质为在两幅指纹对齐的前提下，统计对应细节点相匹配的对数。输入的指纹图像通常是未对齐的，因此，通常采取遍历的方式寻找细节点的最大匹配对数。 2、基于非细节点的特征匹配 针对细节点不可靠的情况，提取指纹中的其他特征作为匹配的依据，例如局部纹线的方向和频率、纹线形状等。 除此之外，还有通过神经网络、 换、 并 行处理 器或其池专用器件等方式进行指纹的匹配，也取得到了较好的效果。 纹识别系统的性能指标 根据国际指纹竞赛的标准，衡量自动指纹识别系统性能的主要指标包括以下儿种 ： (l)错误拒绝率 (通过比较同 一 个手指的不同指纹图像，得出的匹配结果统计值。假设指纹集合 A 所含的指纹图像来自手指的 n 次独立采集，则 A 共有 m*n 幅指纹图像，且每 像都属于相同的手指。那么，从图像中任取 一 幅后，需要和剩余的 图像比较，验证是否匹配。根据这样的规则 ，可以得到 A 集合所需计算的比配次数为N=(n*(2)*171。在 N 次比较后，通常会设定值，作为最后的判决门限。 公式中的 N 将随 取 值的变化而变化，实际上 是 关于 赋 值的递增曲线。适当的 赋值，可以使得值较小。但是从曲线上看，当赋值越小时， 值都会趋近于零，因此单独的 曲线不能充分说明匹配算法的性能。 (2)错误接受率 (线是通过比较不同手指的指纹图像，得出的匹配结果统计值。同样，延续上述中 集合 A 的假设，在计算剐 R 时，需要在每 一 个指纹图像中任选 一 幅，然后对得到的 m 幅图像进行两两比较。可以计算， A 集合所需计算的比配次数为潍坊学院本科毕业论文 19 N=(m*(。在完成 N 次比较后，也需要设定 赋 值作为判决门限。 类似于 公式， 式中的 N 也将随值的变化而变化，实际上， 关于 值的递减曲线，如图 示。适当的闭值，可以使得 较小。但是从曲线上看，当 阈 值越大时， 值都会趋近于零，因此单独的 线不能充分说明匹配算法的性能。 图 值 曲线示意图 (3)接收者操作特性 (线通常用于定性比较不同指纹识别系统的识别准确率。由上文可知，由于匹配的结果取决于 阈 值的大小，因此，随着 阈 值的变化，可以得到 一 组 曲线。 曲线都以 阈值 的大小为自变量，事实上， 曲线满足此消彼长的相互约束关系。因此，可以将 条曲线合并成表示两者相互关系