指紋識(shí)別技術(shù)產(chǎn)品的開發(fā)與進(jìn)展

1、2009年第08期,第42卷 通 信 技 術(shù) Vol.42,No.08,2009 總第212期Communications Technology No.212,Totally指紋識(shí)別技術(shù)產(chǎn)品的開發(fā)與進(jìn)展徐國(guó)輝(廣州工程技術(shù)職業(yè)學(xué)院, 廣東 廣州 510075【摘 要】隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,指紋識(shí)別技術(shù)作為一個(gè)安全、可靠、科學(xué)的驗(yàn)證技術(shù),已經(jīng)走進(jìn)了我們生活的各個(gè)領(lǐng)域。文章詳細(xì)地介紹了指紋識(shí)別技術(shù)的最新應(yīng)用和發(fā)展情況,對(duì)指紋識(shí)別系統(tǒng)的基本原理、特征提取以及特征匹配等環(huán)節(jié)的各種技術(shù),以及新的發(fā)展動(dòng)態(tài)方面進(jìn)行了介紹,同時(shí)對(duì)指紋識(shí)別產(chǎn)品在行業(yè)中的應(yīng)用進(jìn)行了相關(guān)介紹?！娟P(guān)鍵詞】指紋識(shí)別;圖像增強(qiáng);特征提取

2、;特征匹配;自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)【中圖分類號(hào)】TP393 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A【文章編號(hào)】1002-0802(200908-0088-03Development and Progress of Fingerprint VerificationTechnology and ProductXU Guo-hui(Guangzhou Institute Technology, Guangzhou Guangdong 510075, China【Abstract】With the development of computer science, the fingerprint verification tech

3、nology, as an safe, reliable and scientific verification technology, has taken an important part in peoples daily life. This paper gives an overview of fingerprint verification technology in its application and development, describes the minutia extraction, minutia matching and other technologies, a

4、nd presents the application of fingerprint verification products in the business.【Key words】fingerprint verification; image enhancement; minutia extraction; minutia matching; automated fingreprint identification system0 引言現(xiàn)行的許多計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中,包括許多非常機(jī)密的系統(tǒng),都是使用“用戶ID+密碼”的方法來進(jìn)行用戶的身份認(rèn)證和訪問控制的。實(shí)際上,這種方案隱含著一些問題。例如,密碼

5、容易被忘記,也容易被別人竊取。因而,生物識(shí)別技術(shù)的研究,幾十年來一直成為各國(guó)的科學(xué)家和政府所關(guān)注的重點(diǎn),美、日、歐等國(guó)相繼投入大量的資金和科研人員加快此項(xiàng)技術(shù)的研究與應(yīng)用。二十世紀(jì)六十年代,由于計(jì)算機(jī)可以有效地處理圖形,人們開始著手研究計(jì)算機(jī)來處理指紋,自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)AFIS的研究與應(yīng)用由此展開。1 指紋識(shí)別技術(shù)的發(fā)展歷史具有關(guān)資料記載,利用指紋進(jìn)行身份認(rèn)證已有很長(zhǎng)一段歷史了。考古證實(shí),公元前7000年到公元前6000年,指紋作為身份鑒別已在古中國(guó)和古敘利亞使用。19世紀(jì)末到20世紀(jì)初,阿根廷、蘇格蘭等國(guó)相繼將指紋識(shí)別技術(shù)應(yīng)用于罪犯鑒別。 20世紀(jì)60年代后,人們利用計(jì)算機(jī)代替了效率低、投入

6、高的手工方式來處理指紋,個(gè)人電腦和光學(xué)掃描儀成為指紋取像工具。90年代后期,低價(jià)位取像設(shè)備的出現(xiàn),為個(gè)人身份識(shí)別技術(shù)的發(fā)展提供了舞臺(tái)。近幾年來,指紋識(shí)別技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于需要身份識(shí)別和鑒定的地方,指紋識(shí)別技術(shù)將成為21世紀(jì)全球最先進(jìn)的識(shí)別個(gè)人身份的科學(xué)技術(shù)之一。2 指紋識(shí)別的基本原理及識(shí)別過程2.1 指紋識(shí)別的基本原理收稿日期:2009-03-24。作者簡(jiǎn)介:徐國(guó)輝,男,講師,碩士,主要研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)管理、網(wǎng)絡(luò)安全、高性能網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、移動(dòng)通信。88指紋作為人的一種生物特征,具有獨(dú)特的性質(zhì),其花紋的細(xì)節(jié)由細(xì)微紋點(diǎn)和紋脊的起點(diǎn)、終點(diǎn)、分叉、結(jié)合等組成。同時(shí)指紋也有共性,它是由方向基本相同的紋線組成,

7、即在以塊為單位的圖像中,沿紋線方向、塊的方向基本相同。紋線走向的相似性,是指紋的基本特點(diǎn)。指紋圖像并不具有大片有意義的細(xì)節(jié),但它在小片面積中呈現(xiàn)出類似于二維余弦函數(shù)的結(jié)構(gòu)。圖像上由某種模式重復(fù)排列所形成的結(jié)構(gòu)稱為紋理。指紋的這種結(jié)構(gòu)稱為指紋的紋理,它表示指紋獨(dú)特的特征。所有有關(guān)的指紋圖像處理都是基于這種重要的特征,也正是這種特征決定了指紋圖像處理與其他圖像處理的本質(zhì)區(qū)別,一些經(jīng)典的圖像處理方法無法達(dá)到要求,只能作為輔助的處理工具。指紋的特征有整體特征和局部特征。人類的指紋有四種基本整體特征,即:弓型模式,左環(huán)模式,右環(huán)模式和螺旋環(huán)模式,如圖1所示。 圖1 四種基本整體特征因?yàn)槊總€(gè)人的包括指紋在

8、內(nèi)的皮膚紋路在圖案、斷點(diǎn)和交叉點(diǎn)上各不相同,也就是說,是唯一的,并且終生不變。依靠這種唯一性和穩(wěn)定性,我們就可以把一個(gè)人同他的指紋對(duì)應(yīng)起來,通過比較他的指紋和預(yù)先保存的指紋進(jìn)行比較,就可以驗(yàn)證他的真實(shí)身份,這就是指紋識(shí)別技術(shù)。2.2 指紋識(shí)別的過程 圖2 指紋識(shí)別的過程(1指紋圖像輸入。AFIS系統(tǒng)中獲取指紋圖像一般采用三種方式,光學(xué)傳感器,熱感應(yīng)式傳感器和電容式傳感器采集。采集得到的指紋圖像一般是8位256級(jí)灰度圖。(2圖像增強(qiáng)。剛采集的指紋原始圖像一般有很多噪音,圖像質(zhì)量存在差異。指紋增強(qiáng),就是對(duì)低質(zhì)量的指紋圖像采用一定的算法進(jìn)行處理,使其紋線結(jié)構(gòu)清晰化,盡量突出和保留固有的特征信息而避免

9、產(chǎn)生偽特征信息,其目的是保證特征信息提取的準(zhǔn)確性和可靠性。迄今為止,已有不少文獻(xiàn)對(duì)指紋增強(qiáng)的算法進(jìn)行了研究。一般來說,圖像增強(qiáng)采用平滑、銳化、二值化等數(shù)字圖像處理方法來進(jìn)行。平滑處理的任務(wù)就是去除圖像中的干擾噪聲,而又不使圖像失真。圖像平滑包括空域法和頻域法兩大類。為強(qiáng)化指紋紋線間的界線,突出邊緣信息,以利于二值化,銳化處理是必要的。銳化處理對(duì)于增強(qiáng)反差和檢測(cè)邊緣是很有用的。圖像銳化的作用就是的補(bǔ)償圖像的輪廓,使圖像較清晰。圖像銳化可分為空間域圖像銳化法和空間頻率域圖像銳化法兩大類型。二值圖像是指整幅圖像畫面內(nèi)僅黑(灰度值為0白(灰度值為1二值的圖像,在它們上面不呈現(xiàn)出灰度的變化。因而必須根據(jù)

10、原始的灰度圖像來確定圖像上的每一點(diǎn)應(yīng)屬于客體區(qū)域還是背景區(qū)域,從而產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的二值圖像。它不僅可以大大減少儲(chǔ)存量,而且使得后面的判別過程少受干擾,大大簡(jiǎn)化其后的處理方法。(3細(xì)節(jié)提取。經(jīng)過以上步驟后,可以提取圖像的特征點(diǎn)。通常指紋特征可以分為兩類:細(xì)節(jié)特征和單獨(dú)點(diǎn)。細(xì)節(jié)特征的提取就是在指紋圖像中找到脊終點(diǎn)和脊分叉兩個(gè)細(xì)節(jié)特征。 一般說來,如果指紋圖像能夠很好地分割,那么對(duì)于細(xì)節(jié)特征提取來說,就僅僅是對(duì)細(xì)化的指紋圖像進(jìn)行沿脊線的點(diǎn)的判斷。在特征提取時(shí),往往需要進(jìn)行虛假細(xì)節(jié)特征刪除。 一般,采用啟發(fā)式算法,對(duì)虛假特征進(jìn)行刪除。 對(duì)于一個(gè)分叉點(diǎn)的分支如果小于某個(gè)給定閾值,就將其當(dāng)作毛刺刪除;如果脊線的

11、兩個(gè)端點(diǎn)很近,那么該脊線有可能是噪聲引起的,應(yīng)刪除;在指紋圖像邊緣的脊終點(diǎn)也應(yīng)刪除。特征提取后,我們得到以下信息:1 細(xì)節(jié)點(diǎn)的x,y坐標(biāo);2 細(xì)節(jié)點(diǎn)的方向,這個(gè)方向定義為該細(xì)節(jié)點(diǎn)所在的局部脊線的方向;3 細(xì)節(jié)點(diǎn)的類型,即脊線末梢或脊線分支;4 細(xì)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的脊線(di,i;把上述信息保存在指紋模板庫(kù)中。(4指紋圖像匹配。指紋圖像匹配就是對(duì)兩個(gè)指紋的特征集合(模板判斷是否屬于同一指紋。英國(guó)學(xué)者E.R.Herry認(rèn)為,只要比對(duì)13個(gè)特征點(diǎn)重合,就可以確認(rèn)是同一個(gè)指紋。指紋匹配算法方法很多,包括基于圖像的匹配、脊模式匹配、點(diǎn)模式匹配及基于圖形的匹配。點(diǎn)模式匹配是預(yù)先從指紋圖像中提取出的特征點(diǎn)集與輸入的

12、待匹配的指紋圖像中提取出的特征點(diǎn)集的匹配。 如果兩幅指紋圖像是匹配的,那么這兩個(gè)點(diǎn)集通過某些變換,如旋轉(zhuǎn)、伸縮及平移,可以得到較好的匹配。3 指紋識(shí)別技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用指紋機(jī)的技術(shù)不斷在研究改進(jìn)中。起初是以完美按壓的指紋作測(cè)試,一旦實(shí)際運(yùn)用時(shí)才發(fā)現(xiàn),人的指紋會(huì)按壓得十分完美的機(jī)率很低,而且人的手指柔軟度不同,干濕度亦不同,都會(huì)影響到指紋識(shí)別的進(jìn)行。如今,指紋已達(dá)到活體指紋識(shí)別的階段,可以判讀每一回不同的按壓,按壓的角度、壓力、手指的濕度也會(huì)影響電腦取得指紋影像的條件。指紋識(shí)別技術(shù)的評(píng)估指標(biāo)為安全度(FAR:False Accept Rate,錯(cuò)誤接受率及使用便利性(FRR:False reject

13、 Rate, 錯(cuò)誤拒絕率。理想化的產(chǎn)品是安全度高且便利性強(qiáng),但在無法以現(xiàn)階段技術(shù)達(dá)到時(shí),產(chǎn)品的定位可由安全性高、方便性較低(例如在信息安全系統(tǒng)使用FAR:百萬(wàn)分之一,FFR:89八分之一來設(shè)計(jì);或以便利性高但安全性較低(例如在指紋考勤系統(tǒng)使用FAR:千分之一,FRR:百分之二方向定位。指紋識(shí)別技術(shù)作為高新科技,其開發(fā)方向主要是下列 兩者:(1代傳統(tǒng)的安全系統(tǒng)(如鑰匙、密碼、卡片等:作為現(xiàn)有安全系統(tǒng)的取代品,主要是發(fā)揮生物識(shí)別的優(yōu)點(diǎn),即具有隨身攜帶的便利性及不能仿冒的安全性。(2創(chuàng)造信息社會(huì)中的新需求(如網(wǎng)絡(luò)安全、電子認(rèn)證等:邁入網(wǎng)絡(luò)形態(tài)的信息時(shí)代,許多資產(chǎn)均以電腦內(nèi)部的信息方式存在。電腦(信息

14、安全業(yè)將是一個(gè)新的產(chǎn)業(yè),而指紋識(shí)別技術(shù)將扮演一個(gè)非常重要的角色,指紋識(shí)別產(chǎn)品的科技及專業(yè)知識(shí),提供人類生活的新便利,并在高科技領(lǐng)域中扮演開拓及領(lǐng)導(dǎo)者的角色。4 指紋識(shí)別技術(shù)的行業(yè)應(yīng)用(1指紋識(shí)別技術(shù)應(yīng)用于社會(huì)福利保險(xiǎn)系統(tǒng)。社會(huì)福利保險(xiǎn)系統(tǒng)中的養(yǎng)老、人壽、醫(yī)療、失業(yè)等各種保險(xiǎn)系統(tǒng)的身份識(shí)別將呈現(xiàn)嶄新面貌。社會(huì)保險(xiǎn)部門將借助計(jì)算機(jī)指紋驗(yàn)證系統(tǒng)發(fā)放養(yǎng)老金、失業(yè)保險(xiǎn)金等,杜絕各種騙領(lǐng)、冒領(lǐng)現(xiàn)象,使管理更科學(xué)、安全和高效。(2紋識(shí)別技術(shù)應(yīng)用于司法系統(tǒng)。司法系統(tǒng)中的指紋采集、身份鑒別、證件鑒別(身份證、護(hù)照、駕照等,外來人口管理、海關(guān)及民航快速通關(guān)認(rèn)證等將有一個(gè)無可比擬的高安全性保障。(3指紋識(shí)別技術(shù)應(yīng)用

15、于教育系統(tǒng)。應(yīng)用指紋密碼,教育系統(tǒng)中的學(xué)籍管理、考試管理、遠(yuǎn)程教育、準(zhǔn)考證等將進(jìn)入一個(gè)全新的便捷、安全管理時(shí)代。(4指紋識(shí)別技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)療系統(tǒng)管理。在醫(yī)院里,指紋識(shí)別技術(shù)可以驗(yàn)證病人身份,通過指紋醫(yī)療卡、電子病歷管理,特別是獻(xiàn)血、輸血管理,可以辨別多次獻(xiàn)血及不合格獻(xiàn)血者。(5指紋識(shí)別產(chǎn)品應(yīng)用于金融系統(tǒng)。使用指紋密碼系統(tǒng),儲(chǔ)戶開戶時(shí),可以選擇取款時(shí)用指紋作身份鑒別,然后通過指紋采集器在指紋庫(kù)中登記一枚或幾枚指紋;取款要求鑒別身份時(shí),儲(chǔ)戶在指紋采集器上按下指紋,系統(tǒng)頃刻之間即可鑒別儲(chǔ)戶身份真?zhèn)?保證安全。(6指紋識(shí)別技術(shù)使電子商務(wù)和網(wǎng)上信息有了更安全性的保障。由于指紋數(shù)據(jù)通過電子郵件或其他傳輸方法

16、在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行傳輸和驗(yàn)證,通過指紋識(shí)別技術(shù),限定只有指定的人才能訪問相關(guān)地址,可以極大地提高網(wǎng)上信息的安全性,這樣,包括網(wǎng)上銀行,網(wǎng)上貿(mào)易,電子商務(wù)和一系列商業(yè)行為,就有了安全性保障。5 結(jié)語(yǔ)統(tǒng)計(jì)資料表明,目前國(guó)內(nèi)的生物識(shí)別技術(shù)市場(chǎng)正處于諸侯割據(jù)的萌芽階段。指紋識(shí)別技術(shù)自出現(xiàn)以來發(fā)展十分迅速,其中指紋考勤機(jī)受到了企事業(yè)單位的青睞。在國(guó)內(nèi)的指紋產(chǎn)品市場(chǎng)中,指紋考勤機(jī)擁有超過30%的市場(chǎng)占有率,此外,指紋門禁、遠(yuǎn)程教育、網(wǎng)絡(luò)安全等市場(chǎng)的發(fā)展也方興未艾。獨(dú)立的硬件指紋識(shí)別系統(tǒng)是以指紋識(shí)別技術(shù)為核心,獨(dú)立于計(jì)算機(jī)運(yùn)行,在微處理器的控制下獨(dú)立完成指紋采集、存儲(chǔ)、識(shí)別和計(jì)算機(jī)通信等功能的指紋身份識(shí)別系

17、統(tǒng)。由于傳統(tǒng)的加密功能是通過密碼來實(shí)現(xiàn)的,存在密碼易被竊取、破譯和密碼記憶的問題,因此通過上述獨(dú)一無二的指紋識(shí)別技術(shù)來控制用戶對(duì)數(shù)據(jù)的訪問,可以達(dá)到有效的加密目的。參考文獻(xiàn)1 李曉昆 基于結(jié)構(gòu)的指紋識(shí)別J.計(jì)算機(jī)工程與科學(xué),1999,21(2.2 Lee HC,Gaensslen RE.Advances in Fingerprint Technology.3 王耀南,李樹濤,計(jì)算機(jī)圖像處理與識(shí)別技術(shù)M.高教版,2001.4 張成海,張鐸.現(xiàn)代自動(dòng)識(shí)別技術(shù)與應(yīng)用M.北京:清華大學(xué)出版社.(上接第87頁(yè)送、接收、加密、解密、簽名、驗(yàn)證等功能,為電子郵件用戶提供端到端的安全服務(wù),實(shí)現(xiàn)了郵件的保密性、完整性、發(fā)送方和接收方身份認(rèn)證及不可否認(rèn)性等安全性。另外,可以引入一個(gè)殺毒軟件,對(duì)接收到的郵件進(jìn)行殺毒處理,還有郵件服務(wù)器防火墻的問題等等,都可以作為本課題的后繼課題進(jìn)行研究。參考文獻(xiàn)1 Naganand Doraswamy ,