指紋識別技術產(chǎn)品的開發(fā)與進展

1、2009年第08期,第42卷 通 信 技 術 Vol.42,No.08,2009 總第212期Communications Technology No.212,Totally指紋識別技術產(chǎn)品的開發(fā)與進展徐國輝(廣州工程技術職業(yè)學院, 廣東 廣州 510075【摘 要】隨著計算機技術的發(fā)展,指紋識別技術作為一個安全、可靠、科學的驗證技術,已經(jīng)走進了我們生活的各個領域。文章詳細地介紹了指紋識別技術的最新應用和發(fā)展情況,對指紋識別系統(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,以及新的發(fā)展動態(tài)方面進行了介紹,同時對指紋識別產(chǎn)品在行業(yè)中的應用進行了相關介紹?！娟P鍵詞】指紋識別;圖像增強;特征提取

2、;特征匹配;自動指紋識別系統(tǒng)【中圖分類號】TP393 【文獻標識碼】A【文章編號】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)行的許多計算機系統(tǒng)中,包括許多非常機密的系統(tǒng),都是使用“用戶ID+密碼”的方法來進行用戶的身份認證和訪問控制的。實際上,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,生物識別技術的研究,幾十年來一直成為各國的科學家和政府所關注的重點,美、日、歐等國相繼投入大量的資金和科研人員加快此項技術的研究與應用。二十世紀六十年代,由于計算機可以有效地處理圖形,人們開始著手研究計算機來處理指紋,自動指紋識別系統(tǒng)AFIS的研究與應用由此展開。1 指紋識別技術的發(fā)展歷史具有關資料記載,利用指紋進行身份認證已有很長一段歷史了?？脊抛C實,公元前7000年到公元前6000年,指紋作為身份鑒別已在古中國和古敘利亞使用。19世紀末到20世紀初,阿根廷、蘇格蘭等國相繼將指紋識別技術應用于罪犯鑒別。 20世紀60年代后,人們利用計算機代替了效率低、投入

6、高的手工方式來處理指紋,個人電腦和光學掃描儀成為指紋取像工具。90年代后期,低價位取像設備的出現(xiàn),為個人身份識別技術的發(fā)展提供了舞臺。近幾年來,指紋識別技術已被廣泛應用于需要身份識別和鑒定的地方,指紋識別技術將成為21世紀全球最先進的識別個人身份的科學技術之一。2 指紋識別的基本原理及識別過程2.1 指紋識別的基本原理收稿日期:2009-03-24。作者簡介:徐國輝,男,講師,碩士,主要研究方向為網(wǎng)絡管理、網(wǎng)絡安全、高性能網(wǎng)絡技術、移動通信。88指紋作為人的一種生物特征,具有獨特的性質(zhì),其花紋的細節(jié)由細微紋點和紋脊的起點、終點、分叉、結(jié)合等組成。同時指紋也有共性,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。指紋圖像并不具有大片有意義的細節(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,它表示指紋獨特的特征。所有有關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為每個人的包括指紋在

8、內(nèi)的皮膚紋路在圖案、斷點和交叉點上各不相同,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,我們就可以把一個人同他的指紋對應起來,通過比較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,這就是指紋識別技術。2.2 指紋識別的過程 圖2 指紋識別的過程(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,光學傳感器,熱感應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級灰度圖。(2圖像增強。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,就是對低質(zhì)量的指紋圖像采用一定的算法進行處理,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確性和可靠性。迄今為止,已有不少文獻對指紋增強的算法進行了研究。一般來說,圖像增強采用平滑、銳化、二值化等數(shù)字圖像處理方法來進行。平滑處理的任務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。銳化處理對于增強反差和檢測邊緣是很有用的。圖像銳化的作用就是的補償圖像的輪廓,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應屬于客體區(qū)域還是背景區(qū)域,從而產(chǎn)生對應的二值圖像。它不僅可以大大減少儲存量,而且使得后面的判別過程少受干擾,大大簡化其后的處理方法。(3細節(jié)提取。經(jīng)過以上步驟后,可以提取圖像的特征點。通常指紋特征可以分為兩類:細節(jié)特征和單獨點。細節(jié)特征的提取就是在指紋圖像中找到脊終點和脊分叉兩個細節(jié)特征。 一般說來,如果指紋圖像能夠很好地分割,那么對于細節(jié)特征提取來說,就僅僅是對細化的指紋圖像進行沿脊線的點的判斷。在特征提取時,往往需要進行虛假細節(jié)特征刪除。 一般,采用啟發(fā)式算法,對虛假特征進行刪除。 對于一個分叉點的分支如果小于某個給定閾值,就將其當作毛刺刪除;如果脊線的

11、兩個端點很近,那么該脊線有可能是噪聲引起的,應刪除;在指紋圖像邊緣的脊終點也應刪除。特征提取后,我們得到以下信息:1 細節(jié)點的x,y坐標;2 細節(jié)點的方向,這個方向定義為該細節(jié)點所在的局部脊線的方向;3 細節(jié)點的類型,即脊線末梢或脊線分支;4 細節(jié)點對應的脊線(di,i;把上述信息保存在指紋模板庫中。(4指紋圖像匹配。指紋圖像匹配就是對兩個指紋的特征集合(模板判斷是否屬于同一指紋。英國學者E.R.Herry認為,只要比對13個特征點重合,就可以確認是同一個指紋。指紋匹配算法方法很多,包括基于圖像的匹配、脊模式匹配、點模式匹配及基于圖形的匹配。點模式匹配是預先從指紋圖像中提取出的特征點集與輸入的

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

13、 Rate, 錯誤拒絕率。理想化的產(chǎn)品是安全度高且便利性強,但在無法以現(xiàn)階段技術達到時,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:百萬分之一,FFR:89八分之一來設計;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。指紋識別技術作為高新科技,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)揮生物識別的優(yōu)點,即具有隨身攜帶的便利性及不能仿冒的安全性。(2創(chuàng)造信息社會中的新需求(如網(wǎng)絡安全、電子認證等:邁入網(wǎng)絡形態(tài)的信息時代,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)將是一個新的產(chǎn)業(yè),而指紋識別技術將扮演一個非常重要的角色,指紋識別產(chǎn)品的科技及專業(yè)知識,提供人類生活的新便利,并在高科技領域中扮演開拓及領導者的角色。4 指紋識別技術的行業(yè)應用(1指紋識別技術應用于社會福利保險系統(tǒng)。社會福利保險系統(tǒng)中的養(yǎng)老、人壽、醫(yī)療、失業(yè)等各種保險系統(tǒng)的身份識別將呈現(xiàn)嶄新面貌。社會保險部門將借助計算機指紋驗證系統(tǒng)發(fā)放養(yǎng)老金、失業(yè)保險金等,杜絕各種騙領、冒領現(xiàn)象,使管理更科學、安全和高效。(2紋識別技術應用于司法系統(tǒng)。司法系統(tǒng)中的指紋采集、身份鑒別、證件鑒別(身份證、護照、駕照等,外來人口管理、海關及民航快速通關認證等將有一個無可比擬的高安全性保障。(3指紋識別技術應用

15、于教育系統(tǒng)。應用指紋密碼,教育系統(tǒng)中的學籍管理、考試管理、遠程教育、準考證等將進入一個全新的便捷、安全管理時代。(4指紋識別技術應用于醫(yī)療系統(tǒng)管理。在醫(yī)院里,指紋識別技術可以驗證病人身份,通過指紋醫(yī)療卡、電子病歷管理,特別是獻血、輸血管理,可以辨別多次獻血及不合格獻血者。(5指紋識別產(chǎn)品應用于金融系統(tǒng)。使用指紋密碼系統(tǒng),儲戶開戶時,可以選擇取款時用指紋作身份鑒別,然后通過指紋采集器在指紋庫中登記一枚或幾枚指紋;取款要求鑒別身份時,儲戶在指紋采集器上按下指紋,系統(tǒng)頃刻之間即可鑒別儲戶身份真?zhèn)?保證安全。(6指紋識別技術使電子商務和網(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、在計算機網(wǎng)絡上進行傳輸和驗證,通過指紋識別技術,限定只有指定的人才能訪問相關地址,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,電子商務和一系列商業(yè)行為,就有了安全性保障。5 結(jié)語統(tǒng)計資料表明,目前國內(nèi)的生物識別技術市場正處于諸侯割據(jù)的萌芽階段。指紋識別技術自出現(xiàn)以來發(fā)展十分迅速,其中指紋考勤機受到了企事業(yè)單位的青睞。在國內(nèi)的指紋產(chǎn)品市場中,指紋考勤機擁有超過30%的市場占有率,此外,指紋門禁、遠程教育、網(wǎng)絡安全等市場的發(fā)展也方興未艾。獨立的硬件指紋識別系統(tǒng)是以指紋識別技術為核心,獨立于計算機運行,在微處理器的控制下獨立完成指紋采集、存儲、識別和計算機通信等功能的指紋身份識別系

17、統(tǒng)。由于傳統(tǒng)的加密功能是通過密碼來實現(xiàn)的,存在密碼易被竊取、破譯和密碼記憶的問題,因此通過上述獨一無二的指紋識別技術來控制用戶對數(shù)據(jù)的訪問,可以達到有效的加密目的。參考文獻1 李曉昆 基于結(jié)構(gòu)的指紋識別J.計算機工程與科學,1999,21(2.2 Lee HC,Gaensslen RE.Advances in Fingerprint Technology.3 王耀南,李樹濤,計算機圖像處理與識別技術M.高教版,2001.4 張成海,張鐸.現(xiàn)代自動識別技術與應用M.北京:清華大學出版社.(上接第87頁送、接收、加密、解密、簽名、驗證等功能,為電子郵件用戶提供端到端的安全服務,實現(xiàn)了郵件的保密性、完整性、發(fā)送方和接收方身份認證及不可否認性等安全性。另外,可以引入一個殺毒軟件,對接收到的郵件進行殺毒處理,還有郵件服務器防火墻的問題等等,都可以作為本課題的后繼課題進行研究。參考文獻1 Naganand Doraswamy ,