指纹及其应用技术研究

1、指纹及其应用技术研究组长：林炯组员：陈逸超 李国庆 王焰艳 游伟达 兰銮华 林熠庶 张佳怡 林欣月 李祖平 李伟晴，陈欣港指导老师：王强【摘要】如今指纹正在悄悄走进我们的生活，我们信赖它，享受这它带来的便利，但当我们 用指纹保护我们自己事，又有谁来保护我们的指纹呢。很明显，现在指纹技术还不是万能的， 但是一项科技的发展需要人们的支持与包容。【关键词】指纹指纹技术安全1指纹一一独一无二的符号1.1指纹的定义指纹是灵长类手指末端指腹上由凹凸的皮肤所形成的纹路。也可指这些纹路在物体上印 下的印痕。当人的手指接触到物品时，通常可在该物品上留下指纹，而且指纹不会增加摩擦 力，古今中外任何人的指纹都是纯屈

2、独一无二的。广义的指纹也包括了手掌纹、脚纹、脚掌 纹。1 2形成基础及过程在皮肤发育过程中，虽然表皮、真皮以及基质层都在共同成长，但柔软的皮下组织长得 相对比坚硬的表皮快，因此会对表皮产生源源不断的上顶压力，迫使长得较慢的表皮向内层 组织收缩塌陷，逐渐变弯打，以减轻皮下组织施加给它的压力，导致表皮长得弯曲不平，形 成纹路。这个过程随着内层组织产生的上层压力的变化而波动起伏，形成凹凸不平的脊纹或 皱褶，直到发育过程终止，最终定型为至死不变的指纹。胎儿在母体内发育三至四个月时, 指纹就已经形成，但儿童在成长期i'可指纹会略有改变，直到青春期14岁左右时才会定型。 1.3指纹类型1967年9

3、月英国伦敦举行了国际皮纹学研究会议，确定了分类法。将指纹分成三大类 十一种基本类型。(1) 斗形纹(亚型：靶心斗、螺旋纹、伸长斗、双斗纹、内破斗)圆圈型的指纹，通常为n个同心圆组成，指纹的外围圈是闭合的，一般归类于斗纹。(2) 箕形纹(亚型：正箕纹、反箕纹、变形纹外围有开口，如高山流水般的纹路，一般开口朝向同一只手小指方向的为正箕纹，反之 为反箕纹。(3) 弧形纹(亚型：简单弧、帐弧)弓型纹是那些纹线从一边流入，中间隆起，从另一边流出的指纹类型，也称弓形纹。 1.4人类对指纹的研究指纹是早期生物统计学主要的研究之一,科学家们利用指纹的一些物理特性來将它们加以 定义，目前没有清楚的资料足以显示最

4、早被使用的是哪种指卬，有许多例子早于历史记录。 比较确切的记录如下：1823年，徳国学者johannes e.purkinje将指纹依不同纹形加以分类，有了斗形、箕形、 弧形的分类法。1880年，henry faulds博士在nature国际期刊上发表第一篇有关指纹的研究，1886年， 他将这个想法提供给伦敦的警察单位，但不被采用。1891年，阿根廷警官juan vucetich在阿根廷首创世界第一个罪犯指纹档。1892年，fancis galton在他的新书指纹中对发表了对指纹更为详细的分析、鉴定和 法医学上的运用。1901年，edward richard homy设计了一套指纹辨识系统，在

5、英格兰和威尔士率先使用。1902年，在纽约，henry p. deforrest博士将指文辨识系统运用在市民服务上1.5指纹在生活中的应用1）身份辨识：灾区受难者、迷路者的身份辨识；个人电子系统登入；出入境管制。2）代替印章：结婚证书、遗书、选举名册等文件上的指纹有一定的法定效力。3）犯罪侦查：嫌疑者与犯罪现场指纹比对、刑案现场重建。4）占卜：有研究占卜的人也利用指纹的纹路來进行占卜。2记录蛛丝马迹一一指纹的观察与提取2. 1为什么人类会留下指纹指腹和人体大部分皮肤的构造相近，同样有汗腺分布，每个手指平均每一小时排泄的汗 液为0. 0625cc.,其成分大部分为水分，另外尚有蛋白质、脂肪、尿素

6、和其他有机化合物。 有时候这些印痕是难以清楚显现的，但是利用一些化学方法或物理方法，可使指纹现形。2. 2对指纹观察提取方案的选择与思考哈气观察法与放大镜观察法等物理方法虽然操作简便，但是并不利于指纹的的具体观察 与记录，不适合深入研究。而使用孰化胶和乙瞇的溶液浸溶的方法虽然效果好，便于保存, 但是药品昂贵且危险性大，不利于实验操作。而碘蒸汽熏显法和硝酸银溶液法操作简便，效 果好，同时原理简单易懂，适合于探究。因此可以选择碘蒸汽熏显法和硝酸银溶液法进行探 究实验。2. 3具体实验过程 碘蒸汽熏显法实验用品：试管、橡胶塞、药匙、酒精灯、剪刀、白纸、碘。 实验步骤：1）収一张干净、光滑的白纸，剪成

7、长约4 cm、宽不超过试管直径的纸条，用手指在纸 条上用力扌恩几个手印。2）用药匙取芝麻粒大的一粒碘，放入试管屮。把纸条悬于试管屮。（注意扌恩有手印的一面不要贴在管壁上），塞上橡胶塞。3）把装有碘的试管在酒精灯火焰上方微热一下，待产生碘蒸气后立即停止 加热，观察纸条上显现的指纹印迹。4）观察所取指纹，鉴别指纹类型。硝酸银溶液法实验用品：硝酸银溶液、白纸、小喷壶1）取一张干净的白纸，用手指在纸条上用力扌恩几个手印。2）将硝酸银溶液喷涂在撼过手印的纸上，然后将纸放在阳光下暴晒，观察显现的指纹。4）观察所取指纹，鉴别指纹类型。实验过程2. 4实验中所探索到的技巧1）在选取纸质时应该选取含油量低，干燥

8、，厚度薄的纸质，比较容易成功。2）用碘蒸汽熏显法时，所放碘粒不宜太多，要等蒸汽充满试管三分z二时悬入纸条。实 验结束后纸条要放在阴凉处防止碘单质升华。3）使用硝酸银溶液法时应该选用比较小的喷壶，可以节省药品。显色过程可加热加快显 色速度。4）指纹按丿玉者指腹表皮油脂含量越高，实验效果越好。3 关于指纹调查于发现在了解指纹之后，对指纹技术开始了解之前，需要了解大众对指纹及指纹技术的了解， 提供下一步研究方向我们制作了调查问卷，并且上街采访。以下为所收集数据所制成的统计 图。3. 1调查结果与分析c从未留青过,1 您观察过自己的臓吗a仔細观察过 b稍徽留意过 c从未留意过2.您常接fey徹技术吗？

9、分析：大多数人都对指纹有仔细观察，说明人们对指纹本身存在很高兴趣。1膨签常b偎尔c从不分析：可以看出指纹技术虽然已经进入人们的生活，但是仍然有很大一部分人没有对指纹技 术有深入的体验。3.您认为指纹识别技术安全吗? a很安全 b比较安全 c不安全分析：绝大多数人认为指纹技术是安全的，说明大多数人都比较信任指纹技术，仅有少数人 对此存在怀疑。a指纹孝勤机，33谑最刑台听说指纹应用在哪里?a指纹考勤矶b手机二c警察破案 d其他e手机上，25$分析：通过警察破案知道指纹技术者最多，但离生活比较远仅仅是听说。而指纹考勤机和手 机上的应用來源于生活，也仍然有大部分人通过这种方式來了解，占比很大。5您认为

10、指纹技术发展前景如何?c不会有太好发展,a般般 b前景很广 c不会有太好发展e前星很广，71%分析：在绝大多数人心屮指纹技术是有前景的，体现出人们对这项技术有着很高的信任。3. 2调查总结与提出问题指纹在大众心目中是一个十分熟悉但又有些神秘的东西。而指纹技术已经不知不觉得遍 及人们的生活，虽然没有做到人尽皆知，但是己经成为许多人生活中不可缺少的一部分。人 们对于指纹技术的安全性也是异常信任，其前景也是一片大好。但是指纹技术是不是真的像 人们所想的那么安全？就知道是万无一失吗？这背后又有怎样的奥秘呢？4指纹技术的探究4. 1指纹技术的主要内容指纹技术主要指的是指纹识别技术，其中又包含获取技术和鉴

11、别技术两个方面。目前主 要的指纹识别技术为1）光学识别：光学识别是较早的指纹识别技术。基于光学发射装置发射的光线，射到手 指上再反射冋机器以获取数据，并对比资料库看是否一致。光学识别只能到达皮肤的表皮层, 而不能到达真皮层，而且受手指表面是否干净影响较大。2）电容传感器：电容传感器识别是利用一定间隔的安装的两个电容，利用指纹的凹凸， 在手指滑过指纹检测仪器时接通或断开两个电容的电流以检测指纹资料。电容传感器对手指 的干净要求还是比较高，而且传感器表面使用硅材料，比较容易损坏。生物射频：射频传感器通过传感器发射微量的射频信号，穿透手指的表皮层获取里层的纹路 以获取信息。这种方法对手指的干净程度要

12、求较低3）数字化光学识别。数字化光学识别有别于之前的识别技术。识别装置通过数码相机技 术拍照获得指纹图像，然后将图像数据数字化再与数据库资料进行对比。5他们的技术实现方式不同但是处理流程相同。指纹识别技术主要涉及四个过程：读取指 纹图像、提取特征、保存数据和比对。通过指纹读取设备读取到人体指纹的图像，然后要对 原始图像进行初步的处理，使之更清晰，再通过指纹辨识软件建立指纹的特征数据。软件从 指纹上找到被称为“节点”的数据点，即指纹纹路的分叉、终止或打圈处的坐标位置，这些 点同时具有七种以上的唯一性特征。通常手指上平均具有70个节点，所以这种方法会产生 大约490个数据。这些数据，通常称为模板。

13、通过计算机模糊比较的方法，把两个指纹的模 板进行比较，计算出它们的相似程度，最终得到两个指纹的匹配结果。保存数据和比对的过程中，计算机的算法起着很重要的作用，指纹识别系统性能指标在 很大程度上取决于所采用算法性能，同时需要设定不同的系统阈值，以此应对具体需求，这 很容易理解，“把关”越严，误识的可能性就越低，但是拒识的可能性就越高。4. 2指纹识别技术的应用指纹识别技术已经成熟，其应用日益普遍，除了刑事侦察用z外，在民用方面已非常广泛, 如指纹门禁系统、指纹考勤系统、银行指纹储蓄系统、银行指纹保管箱、指纹医疗保险系统、 计划生育指纹管理系统、幼儿接送指纹管理系统、指纹献血管理系统、证券交易指纹

14、系统、 指纹枪械管理系统、智能建筑指纹门禁管理系统、驾驶员指纹管理系统等。指纹门禁系统和指纹考勤系统是开发和使用得最早的一种出入管理系统，包括对讲指纹门 禁、联机指纹门禁、脱机指纹门禁等等。在入口将个人的手指按在指纹采集器上，系统将已 登录在指纹库中的指纹（称为已经注册）进行对比，如果两者相符（即匹配），则显示比对 成功，门就自动打开。如不匹配，则显示“不成功”或“没有这个指纹”，门就不开。在指 纹门禁系统中，可以是一对一的比对，也可以是一对几个比对。前者可以是一个公司、部门, 后者可以是一个家庭的成员、银行的营业厅、金库、财务部门、仓库等机要场所°在这些应 用中，指纹识别系统将取代

15、或者补充许多大量使用照片和id系统。把指纹识别技术同ic卡结合起来，是目前最有前景的一个应用z 。该技术把卡的主人 的指纹（加密后）存储在ic卡上，并在ic卡的读卡机上加装指纹识别系统，当读卡机阅读 卡上的信息吋，一并读入持卡者的指纹，通过比对就可以确认持卡者是否是卡的真正主人, 从而进行下一步的交易。指纹ic卡可取代现行的atm卡、制造防伪证件等。atm卡持卡 人可不用密码，避免老人和孩子记忆密码的困难。4. 3指纹识别的可靠性指纹识别技术是成熟的生物识别技术。因为每个人包括指纹在内的皮肤纹路在图案、断 点和交叉点上各不相同，是唯一的，并且终生不变。通过他的指纹和预先保存的指纹进行比 较，就

16、可以验证他的真实身份。自动指纹识別是利用计算机来进行指纹识別的一种方法。它 得益于现代电子集成制造技术和快速而可靠的算法理论研究。尽管指纹只是人体皮肤的一小 部分，但用于识别的数据量相当大，对这些数据进行比对是需要进行大量运算的模糊匹配算 法。利用现代电子集成制造技术生产的小型指纹图像读取设备和速度更快的计算机，提供了 在微机上进行指纹比对运算的可能。另外，兀配算法可靠性也不断提高。因此，指纹识别技 术己经非常简单实用。由于计算机处理指纹时，只是涉及了一些有限的信息，而且比对算法 并不是十分精确匹配，其结果也不能保证10（）%准确。指纹识别系统的特定应用的重要衡量标志是识别率。主要包扌舌拒识率

17、和误识率，两者成 反比关系。根据不同的用途来调整这两个值。尽管指纹识别系统存在着可靠性问题，但其安 全性也比相同可靠性级别的“用户id+密码”方案的安全性要高得多。拒识率实际上也是系 统易用性的重要指标。在应用系统的设计中，要权衡易用性和安全性。通常用比对两个或更 多的指纹来达到不损失易用性的同时，极大提高系统的安全性。4. 4对指纹考勤机的原理的了解与思考目前的指纹考勤机分为蓝光，红光，绿光几种，都是通过三维立体成像的。指纹考勤机 上的激光扫描器扫描的并不是你的手指，而是你手指和扫描窗口接触时所形成的压痕 不论考勤机采用的是蓝色激光还是红色激光，其扫描所得的图像都是以黑片两色的格式传输 到运

18、算电路中。这就是目前市场上主流指纹考勤机工作原理。既然指纹考勤机并没有直接检测我们的指纹，而是靠扫描后的黑白图像来进行鉴别，那 我们也可以通过之前所了解到的指纹提取的物理方法对指纹进行黑白图像的复刻，尝试能否 骗过指纹考勤机的验证系统。4.5指纹黑口图像复刻实验实验用品：透明胶带，双面胶，蜡烛，剪刀，易拉罐，打火机1）将易拉罐剪成手指头大小的铝片，剪多个进行备用。2）使用打火机将铝片用熏的方式熏至全黑（注意不可用烧的方法）。3）待铝片放置温凉后将手指均匀按压在铝片上。4）按压后于指上会有黑色印记，将黑印其反粘至透明胶粘性一面。5）再取一根新铝片，将印有黑印的透明胶再反粘到铝片上6）再进行修剪至考勤机可容纳大小。4. 6对所得印像进行实验结果和结论在没有装置红外探测仪的指纹考勤机上，该方法有一定几率骗过验证系统，但是还是存 在失败的可能。但是在装有红外系统的指纹考勤机上，由于温度的耍求，即使对铝片加热, 骗过其验证系统很难。实验结杲说明指纹考勤机虽然因为指纹的唯一性他人无法直接破解，但是由于其运行方 式存在一定漏洞，在获取到指纹具体图像时，指纹考勤机也能被骗过。这说明现在普及的部 分民用指纹识别技术并非万无一失的，仍然存在被破解的可能性并非绝对安全。5.