6指紋識(shí)別原理及其應(yīng)用

1、指紋識(shí)別原理及其應(yīng)用1 指紋識(shí)別的原理和方法1.1 指紋的特征與分類 指紋識(shí)別學(xué)是一門古老的學(xué)科，它是基于人體指紋特征的相對(duì)穩(wěn)定與 唯一這一統(tǒng)計(jì)學(xué)結(jié)果發(fā)展起來(lái)的。實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)需求的不同，可以 將人體的指紋特征分為：永久性特征、非永久性特征和生命特征 5 。永久性特征包括細(xì)節(jié)特征 中心點(diǎn)、三角點(diǎn)、端點(diǎn)、叉點(diǎn)、橋接點(diǎn) 等）和輔助特征 紋型、紋密度、紋曲率等元素），在人的一生中永不會(huì) 改變，在手指前端的典型區(qū)域中最為明顯，分布也最均勻 1 。細(xì)節(jié)特征 是實(shí)現(xiàn)指紋精確比對(duì)的基礎(chǔ)，而紋形特征、紋理特征等則是指紋分類及 檢索的重要依據(jù)。人類指紋的紋形特征根據(jù)其形態(tài)的不同通?？梢苑譃?“弓型、箕型、斗型

2、”三大類型，以及“孤形、帳形、正箕形、反箕 形、環(huán)形、螺形、囊形、雙箕形和雜形”等 9種形態(tài) 1 。紋理特征則是 由平均紋密度、紋密度分布、平均紋曲率、紋曲率分布等紋理參數(shù)構(gòu) 成。紋理特征多用于計(jì)算機(jī)指紋識(shí)別算法的多維分類及檢索。非永久性特征由孤立點(diǎn)、短線、褶皺、疤痕以及由此造成的斷點(diǎn)、叉 點(diǎn)等元素構(gòu)成的指紋特征，這類指紋有可能產(chǎn)生、愈合、發(fā)展甚至消失 1 。指紋的生命特征與被測(cè)對(duì)象的生命存在與否密切相關(guān)。但它與人體生 命現(xiàn)象的關(guān)系和規(guī)律仍有待進(jìn)一步認(rèn)識(shí)。目前它已經(jīng)成為現(xiàn)代民用指紋 識(shí)別應(yīng)用中越來(lái)越受關(guān)注的熱點(diǎn)之一1.2 指紋識(shí)別的原理和方法指紋識(shí)別技術(shù)主要涉及四個(gè)功能：讀取指紋圖像、提取特征

3、、保存數(shù) 據(jù)和比對(duì)。通過(guò)指紋讀取設(shè)備讀取到人體指紋的圖像，然后要對(duì)原始圖 像進(jìn)行初步的處理，使之更清晰，再通過(guò)指紋辨識(shí)軟件建立指紋的特征 數(shù)據(jù)。軟件從指紋上找到被稱為“節(jié)點(diǎn)” minutiae ）的數(shù)據(jù)點(diǎn)，即指紋 紋路的分叉、終止或打圈處的坐標(biāo)位置，這些點(diǎn)同時(shí)具有七種以上的唯 一性特征。通常手指上平均具有 70 個(gè)節(jié)點(diǎn)，所以這種方法會(huì)產(chǎn)生大約 490 個(gè)數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)，通常稱為模板。通過(guò)計(jì)算機(jī)模糊比較的方法，把 兩個(gè)指紋的模板進(jìn)行比較，計(jì)算出它們的相似程度，最終得到兩個(gè)指紋 的匹配結(jié)果 5-6 。采集設(shè)備 即取像設(shè)備）分成幾類：光學(xué)、半導(dǎo)體傳 感器和其他。2 指紋識(shí)別技術(shù)的主要指標(biāo)和測(cè)試方法2

4、.1 算法的精確度指紋識(shí)別系統(tǒng)性能指標(biāo)在很大程度上取決于所采用算法性能。為了便于采用量化的方法表示其性能，引入了下列兩個(gè)指標(biāo)拒識(shí)率 false rejection rate不同的，而加以拒絕的出錯(cuò)概率。 數(shù)目）x 100%誤識(shí)率 false accept rate，同的指紋，而加以接收的出錯(cuò)概率。 總數(shù)目）x 100%,FRR :是指將相同的指紋誤認(rèn)為是FRR二拒識(shí)的指紋數(shù)目/考察的指紋總FAR :是指將不同的指紋誤認(rèn)為是相FAR二錯(cuò)判的指紋數(shù)目/考察的指紋對(duì)于一個(gè)已有的系統(tǒng)而言，通過(guò)設(shè)定不同的系統(tǒng)閾值，就可以看出這 兩個(gè)指標(biāo)是互為相關(guān)的，F(xiàn)RF與FAR成反比關(guān)系。這很容易理解，“把 關(guān)”越嚴(yán)

5、，誤識(shí)的可能性就越低，但是拒識(shí)的可能性就越高。2.2 誤識(shí)率和拒識(shí)率的測(cè)試方法測(cè)試這兩個(gè)指標(biāo)，通常采用循環(huán)測(cè)試方法 7 。即給定一組圖像，然后依次兩兩組合，提交進(jìn)行比對(duì)，統(tǒng)計(jì)總的提交比對(duì)的次數(shù)以及發(fā)生錯(cuò) 誤的次數(shù)，并計(jì)算出出錯(cuò)的比例，就是FRR和FAR針對(duì)FAR=0.0001%勺指標(biāo)，應(yīng)采用不少于 1 415 幅不同的指紋圖像作循環(huán)測(cè)試，總測(cè)試次數(shù) 為 1 000 405 次，如果測(cè)試中發(fā)生一次錯(cuò)誤比對(duì)成功，則 FAR=1/1 000 405;針對(duì)FRR=0.1%應(yīng)采用不少于46幅屬于同一指紋的圖像組合配對(duì) 進(jìn)行測(cè)試，則總提交測(cè)試的次數(shù)為 1 035 次數(shù)，如果發(fā)生一次錯(cuò)誤拒 絕，則 FRR=

6、1/1 035。測(cè)試所采用的樣本數(shù)越多，結(jié)果越準(zhǔn)確。作為測(cè)試 樣本的指紋圖像應(yīng)滿足可登記的條件。2.3 系統(tǒng)參數(shù)登率verror registration rate， ERR :指的是指紋設(shè)備出現(xiàn)不能登錄及處理的指紋的概率，ERR過(guò)高將會(huì)嚴(yán)重影響設(shè)備的使用范圍，通常 要求小于 1%。登錄時(shí)間:指紋設(shè)備登錄一枚指紋所需的時(shí)間，通常單次登錄的時(shí)間 要求不超過(guò) 2 s 。比對(duì)時(shí)間:指紋設(shè)備對(duì)兩組指紋特征模版進(jìn)行比對(duì)所耗費(fèi)的時(shí)間，通 常要求不超過(guò) 1 s 。工作溫度：指紋設(shè)備正常工作時(shí)所允許的溫度變化范圍，一般是040 Co工作濕度：指紋設(shè)備正常工作時(shí)所允許的相對(duì)濕度變化范圍，一般是30%95%3指紋

7、識(shí)別技術(shù)的應(yīng)用指紋識(shí)別技術(shù)已經(jīng)成熟，其應(yīng)用日益普遍，除了刑事偵察用之外，在 民用方面已非常廣泛，如指紋門禁系統(tǒng)、指紋考勤系統(tǒng)、銀行指紋儲(chǔ)蓄 系統(tǒng)、銀行指紋保管箱、指紋醫(yī)療保險(xiǎn)系統(tǒng)、計(jì)劃生育指紋管理系統(tǒng)、 幼兒接送指紋管理系統(tǒng)、指紋獻(xiàn)血管理系統(tǒng)、證券交易指紋系統(tǒng)、指紋 槍械管理系統(tǒng)、智能建筑指紋門禁管理系統(tǒng)、駕駛員指紋管理系統(tǒng)等。指紋門禁系統(tǒng)和指紋考勤系統(tǒng)是幵發(fā)和使用得最早的一種出入管理系 統(tǒng)，包括對(duì)講指紋門禁、聯(lián)機(jī)指紋門禁、脫機(jī)指紋門禁等等。在入口將 個(gè)人的手指按在指紋采集器上，系統(tǒng)將已登錄在指紋庫(kù)中的指紋 稱為已經(jīng)注冊(cè)）進(jìn)行對(duì)比，如果兩者相符 即匹配），貝y顯示比對(duì)成功，門就自 動(dòng)打幵。如不

8、匹配，則顯示“不成功”或“沒(méi)有這個(gè)指紋”，門就不 幵。在指紋門禁系統(tǒng)中，可以是一對(duì)一的比對(duì)oiw to onematchi ng ），也可以是一對(duì)幾個(gè)比對(duì) ono to fow matcliing）o前者 可以是一個(gè)公司、部門，后者可以是一個(gè)家庭的成員、銀行的營(yíng)業(yè)廳、 金庫(kù)、財(cái)務(wù)部門、倉(cāng)庫(kù)等機(jī)要場(chǎng)所。在這些應(yīng)用中，指紋識(shí)別系統(tǒng)將取 代或者補(bǔ)充許多大量使用照片和 ID系統(tǒng)。把指紋識(shí)別技術(shù)同IC卡結(jié)合起來(lái)，是目前最有前景的一個(gè)應(yīng)用之一。該技術(shù)把卡的主人的指紋 加密后）存儲(chǔ)在IC卡上，并在IC卡的讀ATM卡機(jī)上加裝指紋識(shí)別系統(tǒng)，當(dāng)讀卡機(jī)閱讀卡上的信息時(shí)，一并讀入持卡 者的指紋，通過(guò)比對(duì)就可以確認(rèn)持卡

9、者是否是卡的真正主人，從而進(jìn)行 下一步的交易。指紋IC卡可取代現(xiàn)行的ATM卡、制造防偽證件等。 卡持卡人可不用密碼，避免老人和孩子記憶密碼的困難。近年來(lái)，互聯(lián)網(wǎng)帶給人們方便與利益已，也存在著安全問(wèn)題。指紋特 征數(shù)據(jù)可以通過(guò)電子郵件或其它傳輸方法在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行傳輸和驗(yàn) 證，通過(guò)指紋識(shí)別技術(shù)，限定只有指定的人才能訪問(wèn)相關(guān)的信息，可以 極大地提高網(wǎng)上信息的安全性。網(wǎng)上銀行、網(wǎng)上貿(mào)易、電子商務(wù)等一系 列網(wǎng)絡(luò)商業(yè)行為就有了安全性保障。指紋社會(huì)保險(xiǎn)系統(tǒng)的應(yīng)用為養(yǎng)老金的準(zhǔn)確發(fā)放起了非常有效的作用。 避免了他人用圖章或身份證復(fù)印件代領(lǐng)，而發(fā)放人員無(wú)法確定該人是故 世的問(wèn)題，要憑本人的活體指紋，才可準(zhǔn)確發(fā)放

10、養(yǎng)老金。4 指紋識(shí)別的可靠性指紋識(shí)別技術(shù)是成熟的生物識(shí)別技術(shù)。因?yàn)槊總€(gè)人包括指紋在內(nèi) 的皮膚紋路在圖案、斷點(diǎn)和交叉點(diǎn)上各不相同，是唯一的，并且終生不 變。通過(guò)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。自動(dòng)指紋識(shí)別是利用計(jì)算機(jī)來(lái)進(jìn)行指紋識(shí)別的一種方法。它得益于 現(xiàn)代電子集成制造技術(shù)和快速而可靠的算法理論研究。盡管指紋只是人 體皮膚的一小部分，但用于識(shí)別的數(shù)據(jù)量相當(dāng)大，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì) 是需要進(jìn)行大量運(yùn)算的模糊匹配算法。利用現(xiàn)代電子集成制造技術(shù)生產(chǎn) 的小型指紋圖像讀取設(shè)備和速度更快的計(jì)算機(jī)，提供了在微機(jī)上進(jìn)行指 紋比對(duì)運(yùn)算的可能。另外，匹配算法可靠性也不斷提高。因此，指紋識(shí) 別技術(shù)己經(jīng)非常簡(jiǎn)單實(shí)用。由于計(jì)算機(jī)處理指紋時(shí)，只是涉及了一些有 限的信息，而且比對(duì)算法并不是十分精確匹配，其結(jié)果也不能保證 100% 準(zhǔn)確。指紋識(shí)別系統(tǒng)的特定應(yīng)用的重要衡量標(biāo)志是識(shí)別率。主要包括拒識(shí)