指紋識別的原理和方法

1、指紋識別的原理和方法一、概述       指紋識別的背景知識       我們手掌及其手指、腳、腳趾內側表面的皮膚凸凹不平產生的紋路會形成各種各樣的圖案。這些紋路的存在增加了皮膚表面的摩擦力，使得我們能夠用手來抓起重物。人們也注意到，包括指紋在內的這些皮膚的紋路在圖案、斷點和交叉點上各不相同，也就是說，是唯一的。依靠這種唯一性，我們就可以把一個人同他的指紋對應起來，通過對他的指紋和預先保存的指紋進行比較，就可以驗證他的真實身份。這種依靠人體的身體特征來進行身份驗證的技術稱為生

2、物識別技術，指紋識別是生物識別技術的一種。       目前，從實用的角度看，指紋識別技術是優(yōu)于其他生物識別技術的身份鑒別方法。這是因為指紋各不相同、終生基本不變的特點已經得到公認。       最早的指紋識別系統(tǒng)應用與警方的犯罪嫌疑人的偵破，已經有30多年的歷史，這為指紋身份識別的研究和實踐打下了良好的技術基礎。特別是現(xiàn)在的指紋識別系統(tǒng)已達到操作方便、準確可靠、價格適中的階段，正快速的應用于民用市場。      

3、指紋識別系統(tǒng)通過特殊的光電轉換設備和計算機圖像處理技術，對活體指紋進行采集、分析和比對，可以迅速、準確地鑒別出個人身份。       系統(tǒng)一般主要包括對指紋圖像采集、指紋圖像處理、特征提取、特征值的比對與匹配等過程?，F(xiàn)代電子集成制造技術使得指紋圖像讀取和處理設備小型化，同時飛速發(fā)展的個人計算機運算速度提供了在微機甚至單片機上可以進行指紋比對運算的可能，而優(yōu)秀的指紋處理和比對算法保證了識別結果的準確性。       指紋自動識別技術正在從科幻小說和好萊塢電影中走入我們實際生活中

4、，就在今天，您不必隨身攜帶那一串鑰匙，只需手指一按，門就會打開；也不必記住那煩人的密碼，利用指紋就可以提款、計算機登錄等等。       指紋識別技術主要涉及四個功能：讀取指紋圖像、提取特征、保存數據和比對。在一開始，通過指紋讀取設備讀取到人體指紋的圖像，取到指紋圖像之后，要對原始圖像進行初步的處理，使之更清晰。       接下來，指紋辨識軟件建立指紋的數字表示特征數據，一種單方向的轉換，可以從指紋轉換成特征數據但不能從特征數據轉換成為指紋，而兩枚不同的指紋不會產生相同的特

5、征數據。軟件從指紋上找到被稱為“節(jié)點”（minutiae）的數據點，也就是那些指紋紋路的分叉、終止或打圈處的坐標位置，這些點同時具有七種以上的唯一性特征。因為通常手指上平均具有70個節(jié)點，所以這種方法會產生大約490個數據。       有的算法把節(jié)點和方向信息組合產生了更多的數據，這些方向信息表明了各個節(jié)點之間的關系，也有的算法還處理整幅指紋圖像。總之，這些數據，通常稱為模板，保存為1K大小的記錄。無論它們是怎樣組成的，至今仍然沒一流種模板的標準，也沒一流種公布的抽象算法，而是各個廠商自行其是。   &

6、#160;   最后，通過計算機模糊比較的方法，把兩個指紋的模板進行比較，計算出它們的相似程度，最終得到兩個指紋的匹配結果。指紋識別的原理和方法二. 取得指紋圖象       1.取象設備原理        取像設備分成兩類：光學、硅晶體傳感器和其他。此主題相關圖片如下：        光學取像設備有最悠久的歷史，可以追溯到20世紀70年代。依據的是光的全反

7、射原理(FTIR)。光線照到壓有指紋的玻璃表面，反射光線由CCD去獲得，反射光的數量依賴于壓在玻璃表面指紋的脊和谷的深度和皮膚與玻璃間的油脂。光線經玻璃射到谷后反射到CCD，而射到脊后則不反射到CCD（確切的是脊上的液體反光的）。        由于最近光學設備的革新，極大地降低了設備的體積。最近90年代中期，傳感器可以裝在6x3x6英寸的盒子里，在不久的將來更小的設備是3x1x1英寸。這些進展取決于多種光學技術的發(fā)展而不是FTIR的發(fā)展。例如：纖維光被用來捕捉指紋圖像。纖維光束垂直射到指紋的表面，他照亮指紋并探測

8、反射光。另一個方案是把含一流微型三棱鏡矩陣的表面安裝在彈性的平面上，當手指壓在此表面上時，由于脊和谷的壓力不同而改變了微型三棱鏡的表面，這些變化通過三棱鏡光的反射而反映出來。       應用晶體傳感器是最近在市場上才出現(xiàn)的，盡管它在傳奇文學作品中已經出現(xiàn)近20年。這些含有微型晶體的平面通過多種技術來繪制指紋圖像。電容傳感器通過電子度量被設計來捕捉指紋。電容設備能結合大約100,000導體金屬陣列的傳感器，其外面是絕緣的表面，當用戶的手指放在上面時，皮膚組成了電容陣列的另一面。電容器的電容值由于金屬間的距離而變化，這里指的是脊（近的）

9、和谷（遠的）之間的距離。壓感式表面的頂層是具有彈性的壓感介質材料，他們依照指紋的外表地形（凹凸）轉化為相應的電子信號。溫度感應傳感器被設計為感應壓在設備上的脊和遠離設備的谷溫度的不同。       超聲波掃描被認為是指紋取像技術中非常好的一類。很象光學掃描的激光，超聲波掃描指紋的表面。緊接著，接收設備獲取了其反射信號，測量他的范圍，得到脊的深度。不象光學掃描，積累在皮膚上的臟物和油脂對超音速獲得的圖像影響不大，所以這樣的圖像是實際脊地形（凹凸）的真實反映。       由于巨

10、大的指紋辨別市場，如果想指紋識別在商業(yè)上的巨大成功，三個因素中的兩個因素是非常重要的，它們是低價格和緊湊的體積（另外一個是上面談到的識別率）。90年代初到后期，取像設備的價格已經劇烈的下降，制造商最近又承諾，在最近幾年后，又要進行大幅度降價。至于體積，上面已經提到光學傳感器的體積從6x3x3英寸降到3x1x1英寸。應用晶體的傳感器的體積差不多是這樣或者更小。在晶片上，集成電路的技術越來越高（如：數字化電路把指紋信號轉化為數字信號強度），系統(tǒng)體積將越來越小，晶體傳感器的體積接近與手指大小所需要的體積，其長寬大約是1x1英寸高不到1英寸。     

11、  在晶體傳感器之前，一些沒有用到的機能是局部調整、軟件控制、自動獲取控制(AGC)技術。對于大多數光學設備，只能通過人工調整來改變圖像的質量。然而，晶體傳感器提供自動調節(jié)象素，行以及局部范圍的敏感程度，從而提高圖像的質量。AGC在不同的環(huán)境下結合反饋的信息產生高質量的圖像。例如，一個不清晰（對比度差）的圖像，如干燥的指紋，能夠被感覺并增強靈敏度，在捕捉的瞬間產生清晰的圖像（對比度好）；由于提供了局部調整的能力，圖像不清晰（對比度差）的區(qū)域也能夠被檢測到（如：手指壓得較輕的地方）并在捕捉的瞬間為這些象素提高靈敏度。      

12、; 光學掃描也有自己的優(yōu)勢。其中之一在較大的模型可以做較大指紋取像區(qū)域。而制造較大的應用晶體傳感器的指紋取像區(qū)域是非常昂貴的，所以應用晶體傳感器的指紋取像區(qū)域小于1平方英寸，而光學掃描的指紋取像區(qū)域等于或大于1平方英寸。然而這個對于較小的光學掃描設備并不是優(yōu)勢。較小的光學掃描也是較小指紋取像區(qū)域，這是因為較大的指紋取像區(qū)域需要較長的焦點長度，所以要有較大包裝，否則如果較大的取像區(qū)域使用較小的包裝，則光學掃描設備會受到圖像邊緣線形扭曲的影響。       晶體傳感器技術最重要的弱點在于，它們容易受到靜電的影響，這使得晶體傳感器有時會取不

13、圖像到圖像，甚至會被損壞，另外，它們并不象玻璃一樣耐磨損，從而影響了使用壽命。       總之，各種技術都具有它們各自的優(yōu)勢，也有各自的缺點。我們在下面給出三種主要技術的比較。2. 圖象增強       剛獲得的圖像有很多噪音。這主要由于平時的工作和環(huán)境引起的，比如，手指被弄臟，手指有刀傷、疤、痕、干燥、濕潤或撕破等。圖象增強是減弱噪音，增強脊和谷的對比度。想得到比較干凈清晰的圖像并不是容易的事情。為這個目標而為處理指紋圖像所涉及的操作是設計一個適合、匹配的濾鏡和恰當的閥值

14、。此主題相關圖片如下：       指紋還一流些其他的有用的信息。比如：類似于脊的“多余的部分”，即使一些特別的脊不連續(xù)，但仍可認為是脊的一部分，從而決定他的走向。我們可以利用這些“多余的信息”。       有很多圖象增強的方法。大多數是通過過濾圖像與脊局部方向相匹配。圖像首先分成幾個小區(qū)域（窗口），并在每個區(qū)域上計算出脊的局部方向來決定方向圖。可以由空間域處理，或經過快速2維傅立葉變換后的頻域處理來得到每個小窗口上的局部方向。    

15、;   設計合適的，相匹配的濾鏡，使之實用于圖象上所有的象素（空間場是其中的一個）。依據每個象素處脊的局部走向，濾鏡應增強在同一方向脊的走向，并且在同一位置，減弱任何不同于脊的方向。后者含有橫跨脊的噪音，所以其垂直于脊的局部方向上的那些不正確的“橋”會被濾鏡過濾掉。所以，合適的、匹配的濾鏡可以恰到好處地確定脊局部走向的自身的方向，它應該增強或匹配脊而不是噪音。       圖象增強，噪音減弱后，我們準備開始選取一些脊。雖然，在原始灰階圖像中，其強度是不同的而按一定的梯度分布，但它們真實的信息被簡單化為二元：脊及其相

16、對的背景。二元操作使一個灰階圖像變成二元圖像，圖像在強度層次上從原始的256色（8-bits）降為2色(1-bits)。圖像二元化后，隨后的處理就會比較容易。       二元化的困難在于，并不是所有的指紋圖像有相同的閥值，所以一般不采取從單純的強度入手，而且單一的圖像的對照物是變化的，比如，手在中心地帶按的比較緊。因此一個叫“局部自適應的閥值（locally adaptive thresholdding）”的方法被用來決定局部圖像強度的閥值。       在節(jié)點提取之前的最

17、后一道工序是“細化（thinning）”。細化是將脊的寬度降為單個象素的寬度。一個好的細化方法是保持原有脊的連續(xù)性，降低由于人為因素所造成的影響。人為因素主要是毛刺，帶有非常短的分支而被誤認為是分叉。認識到合法的和不合法的節(jié)點后，在特征提取階段排除這些節(jié)點。三. 指紋識別技術的基本原理       指紋其實是比較復雜的。與人工處理不同，許多生物識別技術公司并不直接存儲指紋的圖像。多年來在各個公司及其研究機構產生了許多數字化的算法（美國有關法律認為，指紋圖像屬于個人隱私，因此不能直接存儲指紋圖像）。但指紋識別算法最終都歸結為在指紋圖像上

18、找到并比對指紋的特征。此主題相關圖片如下：       指紋的特征       我們定義了指紋的兩類特征來進行指紋的驗證：總體特征和局部特征。總體特征是指那些用人眼直接就可以觀察到的特征，包括：                        

19、; 環(huán)型（loop）此主題相關圖片如下：                        弓型（arch）此主題相關圖片如下：                   

20、0;   螺旋型（whorl）       基本紋路圖案       環(huán)型（loop）, 弓型（arch）, 螺旋型（whorl）。其他的指紋圖案都基于這三種基本圖案。僅僅依靠圖案類型來分辨指紋是遠遠不夠的，這只是一個粗略的分類，但通過分類使得在大數據庫中搜尋指紋更為方便。       模式區(qū)（Pattern Area）       模式

21、區(qū)是指指紋上包括了總體特征的區(qū)域，即從模式區(qū)就能夠分辨出指紋是屬于那一種類型的。有的指紋識別算法只使用模式區(qū)的數據。 Aetex 的指紋識別算法使用了所取得的完整指紋而不僅僅是模式區(qū)進行分析和識別。此主題相關圖片如下：       核心點（Core Point）      核心點位于指紋紋路的漸進中心，它用于讀取指紋和比對指紋時的參考點。      三角點（Delta）    

22、  三角點位于從核心點開始的第一個分叉點或者斷點、或者兩條紋路會聚處、孤立點、折轉處，或者指向這些奇異點。三角點提供了指紋紋路的計數和跟蹤的開始之處。       式樣線（ Type Lines）       式樣線是在指包圍模式區(qū)的紋路線開始平行的地方所出現(xiàn)的交叉紋路，式樣線通常很短就中斷了，但它的外側線開始連續(xù)延伸。       紋數（ Ridge Count）  

23、0;    指模式區(qū)內指紋紋路的數量。在計算指紋的紋數時，一般先在連接核心點和三角點，這條連線與指紋紋路相交的數量即可認為是指紋的紋數。局部特征 局部特征是指指紋上的節(jié)點。兩枚指紋經常會具有相同的總體特征，但它們的局部特征節(jié)點，卻不可能完全相同。       節(jié)點（Minutia Points）       指紋紋路并不是連續(xù)的，平滑筆直的，而是經常出現(xiàn)中斷、分叉或打折。這些斷點、分叉點和轉折點就稱為“節(jié)點”。就是這些節(jié)點提供了指紋唯一性的確認信

24、息。       指紋上的節(jié)點有四種不同特性：        1. 分類 節(jié)點有以下幾種類型，最典型的是終結點和分叉點           A、終結點（Ending）：一條紋路在此終結。           B、分叉點（Bifurcation）：一條紋路在此分開成為兩條或更多的紋

25、路。           C、分歧點（Ridge Divergence）：兩條平行的紋路在此分開。           D、孤立點（Dot or Island）：一條特別短的紋路，以至于成為一點           E、環(huán)點（Enclosure） - 一條紋路分開成為兩條之后，立即有合并成為一條，這

26、樣形成的一個小環(huán)稱為環(huán)點           F、短紋（Short Ridge）：一端較短但不至于成為一點的紋路，       2. 方向（Orientation）：節(jié)點可以朝著一定的方向。       3. 曲率（Curvature）：描述紋路方向改變的速度。       4. 位置（Position）：節(jié)點的位置通

27、過（x,y）坐標來描述，可以是絕對的，也可以是相對于三角點或特征點的。四、指紋比對算法（包括指紋圖象處理、特正提取、比對與匹配）       在指紋比對算法方面，主要有兩個概念，驗證和辯識；驗證也就是我們所常說的1：1算法，辯識就是1：N算法。同時對指紋比對算法還有兩個重要的參數誤識率和拒真率。       4.1 驗證       驗證就是把一個現(xiàn)場采集到的指紋與一個己經登記的指紋進行一對一的比對（one-to-o

28、ne matching），來確認身份的過程。作為驗證的前提條件，他或她的指紋必須在指紋庫中已經注冊。指紋以一定的壓縮格式存貯，并與其姓名或其標識（ID，PIN）聯(lián)系起來。隨后在比對現(xiàn)場，先驗證其標識，然后，利用系統(tǒng)的指紋與現(xiàn)場采集的指紋比對來證明其標識是合法的。驗證其實是回答了這樣一個問題：“他是他自稱的這個人嗎？”這是應用系統(tǒng)中使用得較多的方法。      4.2 辯識     辨識則是把現(xiàn)場采集到的指紋同指紋數據厙中的指紋逐一對比，從中找出與現(xiàn)場指紋相匹配的指紋。這也叫“一對多匹配（one-

29、to-many matching）”。驗證其實是回答了這樣一個問題：“他是誰？”辨識主要應用于犯罪指紋匹配的傳統(tǒng)領域中。一個不明身份的人的指紋與指紋庫中有犯罪記錄的人指紋進行比對，來確定此人是否曾經有過犯罪記錄。       4.3 誤識率和拒真率       由于計算機處理指紋時，只是涉及了指紋的一些有限的信息，而且比對算法并不是精確匹配，其結果也不能保證100%準確。指紋識別系統(tǒng)的特定應用的重要衡量標志是識別率。主要由兩部分組成，拒真率(FRR)和誤識率(FAR)。我們可

30、以根據不同的用途來調整這兩個值。FRR和FAR是成反比的。用0-1.0或百分比來表達這個數。五. 系統(tǒng)問題（system issues）       有效的指紋辨識系統(tǒng)不僅僅依賴于辨識算法，還有其他的一些重要因素，這里稱之為“系統(tǒng)問題”。包括注冊和辨識過程，速度和工作學、用戶信息的反饋、排斥欺騙和安全考慮。 為了得到較好的識別率，重要的是在注冊時盡量獲得最好的指紋圖象，這是因為注冊一般只進行一次，而以后的辨識是經常的。一個較好的指紋識別系統(tǒng)應要求用戶的指紋在登記指紋時多次獲取指紋，然后，把最好的指紋或每次獲得的指紋的綜合的結果作為注冊

31、的指紋。       又一個方法可以作為指紋系統(tǒng)設計時的考慮，即我們可以多次取像直到得到一個確定的匹配，但這個過程在降低了拒判率的同時，提高了誤判率。辨識不僅僅只用一個手指的指紋，可以用兩個或更多的手指的指紋，這樣可以增強識別率，當然這樣一來會浪費用戶的許多時間。      系統(tǒng)的工作學是很重要的。例如：在個人識別系統(tǒng)中，人們愿意等待時間的極限，這個極限時間根據特定的應用而不同，依賴于在處理的過程中人們正在做什么。例如：刷卡或輸入ID號的過程，從0.5-1.5秒被認為是可接受的時間；另外，拒判而重復次數不應超過3次。      驗證和辨識的過程、取像設備的設計拒判率和誤判率關系的設定，為了盡可能的獲得高質量的指紋圖像而提示用戶手指該怎樣放置，正確的反饋信息是非常有用的。如“手指放得太高”，“手指按得不夠重”等。       在指紋識別系統(tǒng)中，反欺騙的措施用來阻止人造指紋、死指紋和殘留指紋。殘留指紋是由于皮膚油或其他原因殘留在傳感器上。傳感器應建立反欺對策，使得有能力識別真實的皮膚溫度、阻力或電容。  &