指紋識(shí)別的研究目的意義及國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1、指紋識(shí)別的研究目的意義及國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1研究的目的和意義2指紋識(shí)別技術(shù)簡(jiǎn)介2.1指紋識(shí)別的一般工作模式2.2基于圖像匹配的指紋識(shí)別系統(tǒng)的研究?jī)?nèi)容2.3目前指紋識(shí)別的應(yīng)用3國(guó)內(nèi)外指紋識(shí)別系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r3.1指紋識(shí)別的起源3.2 指紋識(shí)別的研究與發(fā)展歷程1研究的目的和意義在網(wǎng)絡(luò)化時(shí)代的今天，我們每個(gè)人都擁有大量的認(rèn)證密碼，比如開(kāi)機(jī)密碼、郵箱密碼、銀行密碼、論壇登陸密碼等等；并配備了各種鑰匙，如門(mén)鎖鑰匙，汽車(chē)鑰匙，保險(xiǎn)柜鑰匙等。這些都是傳統(tǒng)的安全系統(tǒng)所采用的方式，隨著社會(huì)的發(fā)展，其安全性越來(lái)越脆弱。而我們的生活隨時(shí)都需要進(jìn)行個(gè)人身份的確認(rèn)和權(quán)限的認(rèn)定，尤其是在信息社會(huì)，人們對(duì)于安全性的要求越來(lái)越高，

2、同時(shí)希望認(rèn)證的方式簡(jiǎn)單快速。為了解決這一問(wèn)題，人們把目光轉(zhuǎn)向了生物識(shí)別技術(shù)，希望能借助人體的生理特征或行為動(dòng)作來(lái)進(jìn)行身份識(shí)別。這樣您可以不必?cái)y帶大串鑰匙，也不用費(fèi)心去記各種密碼。另外，生物特征具有唯一性，不可復(fù)制性，例如指紋，有學(xué)者推論：以全球 60 億人口計(jì)算，300 年內(nèi)都不會(huì)有兩個(gè)相同的指紋出現(xiàn)。以電子商務(wù)、電子銀行的安全認(rèn)證為例，目前在電子商務(wù)中他人會(huì)假冒當(dāng)事人的身份，如果通過(guò)生物特征進(jìn)行論證，就可有效防止此類(lèi)事件的發(fā)生。另外，網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫(kù)和關(guān)鍵文件等的安全控制，機(jī)密計(jì)算機(jī)的登陸認(rèn)證，銀行 atm、pos 終端等的安全認(rèn)證，蜂窩電話，pda 的使用認(rèn)證等等，都離不開(kāi)可靠安全的生物特征識(shí)

3、別?？梢?jiàn)，生物特征識(shí)別不但有可觀的經(jīng)濟(jì)效益，還有不可估量的國(guó)家信息安全效益。 長(zhǎng)期以來(lái)，驗(yàn)證身份的方法是驗(yàn)證該人是否持有有效的信物，如照片、密碼、鑰匙、磁卡和ic卡等。從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，這種方法驗(yàn)證的是該人持有的某種“物”，而不是驗(yàn)證該人本身。只要“物”的有效性得到確認(rèn)，則持有該“物”的人的身份也就隨之得到確認(rèn)。這種以“物”認(rèn)人的辦法存在的漏洞是顯而易見(jiàn)的：“物”的丟失會(huì)導(dǎo)致合法的人無(wú)法被認(rèn)證，以及各種信物容易被偽造、破譯。網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，密碼作為身份識(shí)別的標(biāo)志已被廣泛采用。但是密碼容易被遺忘，也有被人竊取的可能，已不能滿(mǎn)足人們的需要。人們逐漸把目光轉(zhuǎn)向了生物特征識(shí)別技術(shù)。生物特征識(shí)別技術(shù)是為了進(jìn)行身

4、份驗(yàn)證而采用自動(dòng)化技術(shù)測(cè)量其身體特征或個(gè)人行為特點(diǎn)，并將這些特征或特點(diǎn)與數(shù)據(jù)庫(kù)的模板數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，完成認(rèn)證的一種解決方案，被評(píng)為21世紀(jì)十大高科技之一。生物特征識(shí)別是目前最為方便和安全的識(shí)別技術(shù)，并且生物特征識(shí)別產(chǎn)品均借助于計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)，容易與安全、監(jiān)控、管理系統(tǒng)整合，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化管理。1997年比爾蓋茨曾這樣預(yù)言：“生物識(shí)別技術(shù)即利用人的生理特征，如指紋、虹膜等來(lái)識(shí)別個(gè)人的身份，將成為未來(lái)幾年it產(chǎn)業(yè)的重要革新”。用來(lái)鑒別身份的生物特征應(yīng)該具有惟一性、廣泛性、容易采集等特點(diǎn)，實(shí)際應(yīng)用給基于生物特征的身份鑒別系統(tǒng)提出了更多的要求，包括：（1）性能的要求。所選擇的生物統(tǒng)計(jì)特征能夠達(dá)到多高的識(shí)別率

5、，對(duì)于資源的要求如何，識(shí)別的效率如何等；（2） 可接受性。使用者在多大程度上愿意接受基于所選擇的生物統(tǒng)計(jì)特征的系統(tǒng)；（3）安全性。系統(tǒng)是否能夠防止被攻擊；（4）可行性。是否具有相關(guān)的、可信的研究背景作為技術(shù)支持；（5）存儲(chǔ)量。提取的特征信息是否占用較小的存儲(chǔ)空間；（6）價(jià)格。是否達(dá)到用戶(hù)所能接受的價(jià)格；（7）速度和準(zhǔn)確率。是否具有較高的注冊(cè)、識(shí)別速度和識(shí)別率；（8）是否具有非侵犯性。目前，主要的生物特征識(shí)別技術(shù)有虹膜識(shí)別、視網(wǎng)膜識(shí)別、人臉識(shí)別、簽名、識(shí)別、聲音識(shí)別、指紋識(shí)別等等。然而，還沒(méi)有任何一種單獨(dú)的生物特征可以滿(mǎn)足上述全部要求。2指紋識(shí)別技術(shù)簡(jiǎn)介2.1指紋識(shí)別的一般工作模式指紋識(shí)別是生物

6、特征識(shí)別的一種，具有所有生物特征識(shí)別的共性，即基于人體生物特征的惟一性，不過(guò)其所分析的對(duì)象是指紋特征。在所有用于個(gè)體辨識(shí)的人體生物特征中，指紋特征是最早被發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用的，所以指紋識(shí)別的歷史較其它識(shí)別技術(shù)要悠久的多。從 20 世紀(jì) 70 年代出現(xiàn)自動(dòng)化的指紋識(shí)別系統(tǒng)到現(xiàn)在，經(jīng)過(guò) 30 多年的發(fā)展，目前的指紋識(shí)別技術(shù)已經(jīng)逐漸深入到人們的生活和工作中，并被接受和喜歡。圖2 一般指紋識(shí)別系統(tǒng)示意圖嚴(yán)格來(lái)講，指紋識(shí)別的原理包括指紋采集原理、指紋特征提取原理和指紋特征匹配原理三大部分。1指紋采集原理主要是根據(jù)指紋的幾何特性或生理特性，通過(guò)各種傳感技術(shù)把指紋表現(xiàn)出來(lái)，形成數(shù)字化表示的指紋圖像。指紋采集技術(shù)有兩

7、種采集模式，一種是在被采集人知道的情況下實(shí)施的主動(dòng)采集；另一種是在被采集人未知的情況下，如刑偵現(xiàn)場(chǎng)，通過(guò)各種化學(xué)的、物理的方式顯影指紋并采集的過(guò)程，一般稱(chēng)為現(xiàn)場(chǎng)指紋采集。指紋圖像采集設(shè)備主要分為：光學(xué)采集設(shè)備、硅晶體傳感器和其它。2指紋特征提取的原理是對(duì)指紋圖像的全局特征和局部特征進(jìn)行提取、鑒別的原理。其提取的對(duì)象包括紋形特征和特征點(diǎn)的分布、類(lèi)型以及一組或多組特征點(diǎn)之間的平面幾何關(guān)系。特征點(diǎn)的平面幾何關(guān)系表現(xiàn)為某兩個(gè)特征點(diǎn)之間的距離，或者某三個(gè)或更多特征點(diǎn)之間組成的多邊形的幾何特性等。不論是特征點(diǎn)的單體特征，還是特征點(diǎn)的組合特征，都是指紋特征的組成部分。把這些指紋特征用數(shù)字模板的形式表示出來(lái)，

8、就實(shí)現(xiàn)了一個(gè)指紋特征提取的過(guò)程。3指紋特征值匹配原理是對(duì)指紋圖像的全局特征和局部特征按模式識(shí)別的原理進(jìn)行比對(duì)匹配。匹配是在已注冊(cè)的指紋和當(dāng)前待驗(yàn)證的指紋之間進(jìn)行的。匹配運(yùn)算不是對(duì)兩個(gè)指紋圖像進(jìn)行比較，而是對(duì)已形成數(shù)字模板的指紋特征值進(jìn)行比對(duì)。指紋特征值匹配從全局特征和局部特征兩個(gè)方面進(jìn)行。全局特征的匹配包括對(duì)指紋紋形的分類(lèi)和判斷、紋數(shù)的判斷等。局部匹配包括每個(gè)細(xì)節(jié)點(diǎn)的類(lèi)型匹配、坐標(biāo)匹配、質(zhì)量匹配、方向匹配等，甚至還包括由一組特征值之間形成的拓?fù)潢P(guān)系的匹配。匹配過(guò)程既要對(duì)全局特征進(jìn)行匹配，又要對(duì)局部特征點(diǎn)及其組合特征進(jìn)行匹配。最后需要把所有特征點(diǎn)的匹配結(jié)果綜合起來(lái)，根據(jù)事先定義的判定模式和判定標(biāo)

9、準(zhǔn)，判定是否達(dá)到預(yù)設(shè)的閾值。綜合判定的過(guò)程，可以看作是對(duì)各個(gè)匹配點(diǎn)的相似度進(jìn)行類(lèi)似加權(quán)求和的過(guò)程。對(duì)指紋進(jìn)行判定就像一個(gè)人去識(shí)別另一個(gè)人，會(huì)從身高、胖瘦、臉形、發(fā)型、著裝風(fēng)格等各個(gè)方面做出綜合判別。2.2基于圖像匹配的指紋識(shí)別系統(tǒng)的研究?jī)?nèi)容1指紋采集從采集方式來(lái)看，指紋基本可以分為三類(lèi):捺印指紋、活體指紋和模糊指紋。捺印指紋指的是將沾了印墨的手指按壓在某種東西(通常是紙)上留下的指紋的痕跡，再經(jīng)相應(yīng)設(shè)備轉(zhuǎn)化為數(shù)字化的信息，就得到捺印指紋圖像。捺印指紋采集到的有效面積比較大，但因采集方式所限，采集速度較慢，指紋缺陷較多，目前難以嚴(yán)格控制采集的質(zhì)量。根據(jù)錄入原理的不同，活體指紋采集儀可分為光學(xué)式、

10、半導(dǎo)體式和超聲波式等幾種。根據(jù)采集時(shí)手指皮膚是否與指紋采集儀接觸，又可分為接觸式和非接觸式。經(jīng)活體指紋采集設(shè)備得到的是數(shù)字化的指紋圖像，相比較而言，活體指紋的質(zhì)量是最好的。模糊指紋一般是指在犯罪現(xiàn)場(chǎng)采集到的指紋，即將罪犯無(wú)意中遺留在犯罪現(xiàn)場(chǎng)的指紋痕跡經(jīng)過(guò)顯影、拍照和掃描等技術(shù)處理而得到的指紋圖像。2指紋預(yù)處理指紋預(yù)處理是指紋特征提取前的不可缺少的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，主要用于突出指紋圖像中的紋理、方向信息，消除或者減弱噪聲等無(wú)用信息。指紋圖像預(yù)處理包括指紋圖像分割、圖像增強(qiáng)、二值化、細(xì)化等。指紋圖像分割位于預(yù)處理的最前端，非理想采集條件下的指紋圖像分割顯得山東大學(xué)碩士學(xué)位論文越發(fā)重要。準(zhǔn)確、可靠的將指

11、紋圖像從背景區(qū)域中分割出來(lái)，對(duì)于縮短圖像處理時(shí)間、提高特征提取的準(zhǔn)確率都具有重要意義。指紋圖像分割是自動(dòng)指紋識(shí)別中一個(gè)值得深入研究的問(wèn)題。圖像增強(qiáng)是根據(jù)指紋圖像紋理的方向性和紋線距離對(duì)可恢復(fù)的紋線進(jìn)行恢復(fù)和增強(qiáng)，對(duì)于不可恢復(fù)的區(qū)域進(jìn)行屏蔽。二值化即將圖像中灰度大于某閾值的像素的灰度置為1，小于等于該閾值的像素的灰度置為0，即將圖像變?yōu)槎祱D像。指紋細(xì)化就是提取指紋圖像的脊線骨架。3指紋細(xì)節(jié)特征定義和提取指紋的細(xì)節(jié)特征(minutiae)有150種之多。但這些特征出現(xiàn)的概率并不相同，其中很多特征是極其罕見(jiàn)的。在自動(dòng)指紋識(shí)別技術(shù)中，一般只使用兩種細(xì)節(jié)點(diǎn)特征:紋線端點(diǎn)(ridge ending)和分

12、叉點(diǎn)(ridge bifurcation)。紋線端點(diǎn)指的是紋線突然結(jié)束的位置，而紋線分叉點(diǎn)則是紋線突然一分為二的位置。大量統(tǒng)計(jì)結(jié)果和實(shí)際應(yīng)用證明，這兩類(lèi)細(xì)節(jié)點(diǎn)在指紋中出現(xiàn)的機(jī)會(huì)最多，也最穩(wěn)定，而且比較容易獲取。更重要的是，使用這兩類(lèi)細(xì)節(jié)點(diǎn)足以描述指紋的唯一性。通過(guò)算法檢測(cè)指紋中這兩類(lèi)細(xì)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量以及每個(gè)細(xì)節(jié)點(diǎn)的類(lèi)型、位置和所在區(qū)域的紋線方向是特征提取算法的任務(wù)。4指紋匹配指紋匹配要解決的問(wèn)題是對(duì)兩幅給定的圖像提取特征信息，進(jìn)行匹配，判斷兩枚指紋是否是同源的，即是否來(lái)自同一個(gè)指頭。如:傳統(tǒng)的點(diǎn)模式指紋匹配一般是基于細(xì)節(jié)點(diǎn)(minutiae)實(shí)現(xiàn)的。目前最常用的細(xì)節(jié)點(diǎn)有兩種：紋線端點(diǎn)(rigde

13、ending)和紋線分叉點(diǎn)(ridge bifurcation)。紋線端點(diǎn)指紋線突然結(jié)束的點(diǎn)，而紋線分叉點(diǎn)則是紋線突然一分為二的點(diǎn)。這兩種細(xì)節(jié)點(diǎn)在指紋紋線中出現(xiàn)的幾率最大，也最穩(wěn)定，易于檢測(cè)，且足以描述指紋的唯一性。指紋匹配靠比較兩枚指紋的細(xì)節(jié)點(diǎn)特征來(lái)決定指紋的唯一性。根據(jù)指紋匹配的模式可以分為驗(yàn)證模式和辨識(shí)模式。根據(jù)操作過(guò)程不同可分為自動(dòng)匹配和人機(jī)交互匹配；根據(jù)匹配適應(yīng)性可以分為彈性匹配和剛性匹配。不同的分類(lèi)不勝枚舉，然而這些分類(lèi)方法都難以囊括所有的指紋匹配算法，同時(shí)一些算法又可以綜合多種分類(lèi)的特性。按照匹配使用的特征將指紋匹配分為以下五種，基于點(diǎn)模式的匹配，基于紋線的匹配，基于圖的匹配，基

14、于紋理的匹配以及多種細(xì)節(jié)特征混合的匹配方法。指紋匹配是自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)(afis)的核心研究?jī)?nèi)容之一，它在指紋特征提取之后，是自動(dòng)指紋識(shí)別的最后一步，也是非常關(guān)鍵的一步。指紋匹配靠比較兩枚指紋的細(xì)節(jié)點(diǎn)、紋線或者其他局部結(jié)構(gòu)特征來(lái)決定指紋的唯一性。然而，由于采集設(shè)備的不完善性、采集條件的隨機(jī)性以及預(yù)處理技術(shù)的局限，使得真正特征點(diǎn)的缺失、偽特征點(diǎn)的存在和特征點(diǎn)定位偏差的情況普遍存在。所以，指紋匹配必然還是一種模糊匹配，且需要具備一定的彈性。5性能評(píng)價(jià)為了反映當(dāng)今模式識(shí)別應(yīng)用的技術(shù)水平和發(fā)展?fàn)顩r，國(guó)際上舉行了三屆指紋識(shí)別競(jìng)賽。fvc各屆競(jìng)賽均使用四個(gè)標(biāo)準(zhǔn)指紋庫(kù)做測(cè)試，并建立了統(tǒng)一的性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)

15、各種指標(biāo)衡量指紋識(shí)別系統(tǒng)的性能，如eer, fmr, fnmr,fmr100, fmr1000, zerofnmr和zerofmr。其中，err是等錯(cuò)率，即拒識(shí)率和誤識(shí)率相等時(shí)的拒識(shí)率或誤識(shí)率。fmr是誤識(shí)率，fnmr是拒識(shí)率。fmri 00表示當(dāng)fmr=1/100時(shí)的fnmr，fmr1000表示當(dāng)fmr=1/1000時(shí)的fnmr，zerofnmr表示當(dāng)fnmr=0時(shí)的fmr, zerofmr表示當(dāng)fmr=0時(shí)的fnmr。近年來(lái)，fvc的各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)在指紋識(shí)別算法性能的研究中已經(jīng)被廣泛采用。2.3目前指紋識(shí)別的應(yīng)用 經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展，生物識(shí)別技術(shù)的產(chǎn)品在主流社會(huì)中開(kāi)始了比較大規(guī)模的應(yīng)用，在很多國(guó)

16、家，政府采用法律規(guī)定的方式來(lái)保證生物識(shí)別技術(shù)的應(yīng)用。如在美國(guó):911以后，三個(gè)相關(guān)法案(愛(ài)國(guó)者法案、邊境簽證法案、航空安全法案)都要求必須采用生物識(shí)別技術(shù)作為法律實(shí)施保證。總體上來(lái)講，應(yīng)用已經(jīng)進(jìn)入了以政府及應(yīng)用為主的階段。 指紋識(shí)別技術(shù)的應(yīng)用非常廣泛。典型的脫機(jī)應(yīng)用有指紋鎖，指紋保險(xiǎn)柜、指紋考勤系統(tǒng)等。電子銀行，自動(dòng)取款機(jī)、電子商務(wù)等基于指紋識(shí)別的身份認(rèn)證系統(tǒng)都屬于指紋識(shí)別技術(shù)的聯(lián)機(jī)應(yīng)用。以指紋為代表的生物特征識(shí)別技術(shù)有望在將來(lái)的公共領(lǐng)域和民用領(lǐng)域扮演更重要的角色。3國(guó)內(nèi)外指紋識(shí)別系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r3.1指紋識(shí)別的起源 指紋身份識(shí)別是最古老的防偽技術(shù)，現(xiàn)在與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，已成為身份識(shí)別的重要手

17、段。對(duì)指紋的研究，最開(kāi)始屬于生物遺傳學(xué)的研究范疇，同時(shí)也是人類(lèi)學(xué)研究的課題之一。指紋作為皮膚紋理學(xué)研究的三大對(duì)象之一，在中國(guó)的學(xué)術(shù)研究領(lǐng)域也有近百年的歷史。中國(guó)是世界上公認(rèn)最早應(yīng)用指紋識(shí)別技術(shù)的國(guó)家。公元前 7000 年到 6000 年以前，在古敘利亞和中國(guó)，指紋作為身份鑒別已經(jīng)開(kāi)始使用?？脊虐l(fā)現(xiàn)，一些粘土陶器上留有陶藝匠人清晰可見(jiàn)的指紋圖案。3.2 指紋識(shí)別的研究與發(fā)展歷程 19 世紀(jì)初，科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)了至今仍然承認(rèn)的指紋的兩個(gè)重要特性：沒(méi)有人的指紋是完全相同的（惟一性）；指紋的樣式終生不變（穩(wěn)定性）。這個(gè)研究成果使得指紋在刑事偵查中得以正式應(yīng)用。1823 年，珀金杰(j.purkinie)首

18、次將指紋紋形分成了 9 類(lèi)；1858 年，赫謝爾(w.herschel)規(guī)定與官方定契約必須捺指紋；1880 年，福爾茨(henry fauld)發(fā)表了指紋認(rèn)證的論文，第一次科學(xué)地提出了指紋的個(gè)體性和惟一性。指紋惟一性的發(fā)現(xiàn)，使得指紋作為一種更為有效的鑒別方法而得到采用。1889 年，亨利(e.r.henry)在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，提出了基于指紋細(xì)節(jié)特征識(shí)別(minutia-based)的理論，并提出了用指紋識(shí)別來(lái)進(jìn)行確定罪犯身份的設(shè)想，從而奠定了現(xiàn)代指紋學(xué)的基礎(chǔ)。直到一個(gè)多世紀(jì)后的今天，采用minutia-based 的指紋識(shí)別算法仍是主流。1892 年，英國(guó)的弗朗西斯 蓋爾頓(francis galton)對(duì)指紋進(jìn)行了廣泛的研究，寫(xiě)了fingerprint一書(shū)，向世人介紹了用