指紋識(shí)別的原理和方法

1、指紋識(shí)別的原理和方法一、概述       指紋識(shí)別的背景知識(shí)       我們手掌及其手指、腳、腳趾內(nèi)側(cè)表面的皮膚凸凹不平產(chǎn)生的紋路會(huì)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(nèi)的這些皮膚的紋路在圖案、斷點(diǎn)和交叉點(diǎn)上各不相同，也就是說，是唯一的。依靠這種唯一性，我們就可以把一個(gè)人同他的指紋對(duì)應(yīng)起來，通過對(duì)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。這種依靠人體的身體特征來進(jìn)行身份驗(yàn)證的技術(shù)稱為生

2、物識(shí)別技術(shù)，指紋識(shí)別是生物識(shí)別技術(shù)的一種。       目前，從實(shí)用的角度看，指紋識(shí)別技術(shù)是優(yōu)于其他生物識(shí)別技術(shù)的身份鑒別方法。這是因?yàn)橹讣y各不相同、終生基本不變的特點(diǎn)已經(jīng)得到公認(rèn)。       最早的指紋識(shí)別系統(tǒng)應(yīng)用與警方的犯罪嫌疑人的偵破，已經(jīng)有30多年的歷史，這為指紋身份識(shí)別的研究和實(shí)踐打下了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。特別是現(xiàn)在的指紋識(shí)別系統(tǒng)已達(dá)到操作方便、準(zhǔn)確可靠、價(jià)格適中的階段，正快速的應(yīng)用于民用市場。      

3、指紋識(shí)別系統(tǒng)通過特殊的光電轉(zhuǎn)換設(shè)備和計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)，對(duì)活體指紋進(jìn)行采集、分析和比對(duì)，可以迅速、準(zhǔn)確地鑒別出個(gè)人身份。       系統(tǒng)一般主要包括對(duì)指紋圖像采集、指紋圖像處理、特征提取、特征值的比對(duì)與匹配等過程?，F(xiàn)代電子集成制造技術(shù)使得指紋圖像讀取和處理設(shè)備小型化，同時(shí)飛速發(fā)展的個(gè)人計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度提供了在微機(jī)甚至單片機(jī)上可以進(jìn)行指紋比對(duì)運(yùn)算的可能，而優(yōu)秀的指紋處理和比對(duì)算法保證了識(shí)別結(jié)果的準(zhǔn)確性。       指紋自動(dòng)識(shí)別技術(shù)正在從科幻小說和好萊塢電影中走入我們實(shí)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(huì)打開；也不必記住那煩人的密碼，利用指紋就可以提款、計(jì)算機(jī)登錄等等。       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、保存數(shù)據(jù)和比對(duì)。在一開始，通過指紋讀取設(shè)備讀取到人體指紋的圖像，取到指紋圖像之后，要對(duì)原始圖像進(jìn)行初步的處理，使之更清晰。       接下來，指紋辨識(shí)軟件建立指紋的數(shù)字表示特征數(shù)據(jù)，一種單方向的轉(zhuǎn)換，可以從指紋轉(zhuǎn)換成特征數(shù)據(jù)但不能從特征數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成為指紋，而兩枚不同的指紋不會(huì)產(chǎn)生相同的特

5、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)，也就是那些指紋紋路的分叉、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。因?yàn)橥ǔＪ种干掀骄哂?0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)。       有的算法把節(jié)點(diǎn)和方向信息組合產(chǎn)生了更多的數(shù)據(jù)，這些方向信息表明了各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系，也有的算法還處理整幅指紋圖像。總之，這些數(shù)據(jù)，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(biāo)準(zhǔn)，也沒一流種公布的抽象算法，而是各個(gè)廠商自行其是。   &

6、#160;   最后，通過計(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。指紋識(shí)別的原理和方法二. 取得指紋圖象       1.取象設(shè)備原理        取像設(shè)備分成兩類：光學(xué)、硅晶體傳感器和其他。此主題相關(guān)圖片如下：        光學(xué)取像設(shè)備有最悠久的歷史，可以追溯到20世紀(jì)70年代。依據(jù)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(shù)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(jīng)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(xué)設(shè)備的革新，極大地降低了設(shè)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(shè)備是3x1x1英寸。這些進(jìn)展取決于多種光學(xué)技術(shù)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(gè)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(dāng)手指壓在此表面上時(shí)，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(yīng)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(xué)作品中已經(jīng)出現(xiàn)近20年。這些含有微型晶體的平面通過多種技術(shù)來繪制指紋圖像。電容傳感器通過電子度量被設(shè)計(jì)來捕捉指紋。電容設(shè)備能結(jié)合大約100,000導(dǎo)體金屬陣列的傳感器，其外面是絕緣的表面，當(dāng)用戶的手指放在上面時(shí)，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(yuǎn)的）之間的距離。壓感式表面的頂層是具有彈性的壓感介質(zhì)材料，他們依照指紋的外表地形（凹凸）轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電子信號(hào)。溫度感應(yīng)傳感器被設(shè)計(jì)為感應(yīng)壓在設(shè)備上的脊和遠(yuǎn)離設(shè)備的谷溫度的不同。       超聲波掃描被認(rèn)為是指紋取像技術(shù)中非常好的一類。很象光學(xué)掃描的激光，超聲波掃描指紋的表面。緊接著，接收設(shè)備獲取了其反射信號(hào)，測量他的范圍，得到脊的深度。不象光學(xué)掃描，積累在皮膚上的臟物和油脂對(duì)超音速獲得的圖像影響不大，所以這樣的圖像是實(shí)際脊地形（凹凸）的真實(shí)反映。       由于巨

10、大的指紋辨別市場，如果想指紋識(shí)別在商業(yè)上的巨大成功，三個(gè)因素中的兩個(gè)因素是非常重要的，它們是低價(jià)格和緊湊的體積（另外一個(gè)是上面談到的識(shí)別率）。90年代初到后期，取像設(shè)備的價(jià)格已經(jīng)劇烈的下降，制造商最近又承諾，在最近幾年后，又要進(jìn)行大幅度降價(jià)。至于體積，上面已經(jīng)提到光學(xué)傳感器的體積從6x3x3英寸降到3x1x1英寸。應(yīng)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(shù)越來越高（如：數(shù)字化電路把指紋信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)強(qiáng)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(jī)能是局部調(diào)整、軟件控制、自動(dòng)獲取控制(AGC)技術(shù)。對(duì)于大多數(shù)光學(xué)設(shè)備，只能通過人工調(diào)整來改變圖像的質(zhì)量。然而，晶體傳感器提供自動(dòng)調(diào)節(jié)象素，行以及局部范圍的敏感程度，從而提高圖像的質(zhì)量。AGC在不同的環(huán)境下結(jié)合反饋的信息產(chǎn)生高質(zhì)量的圖像。例如，一個(gè)不清晰（對(duì)比度差）的圖像，如干燥的指紋，能夠被感覺并增強(qiáng)靈敏度，在捕捉的瞬間產(chǎn)生清晰的圖像（對(duì)比度好）；由于提供了局部調(diào)整的能力，圖像不清晰（對(duì)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(xué)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(yīng)用晶體傳感器的指紋取像區(qū)域是非常昂貴的，所以應(yīng)用晶體傳感器的指紋取像區(qū)域小于1平方英寸，而光學(xué)掃描的指紋取像區(qū)域等于或大于1平方英寸。然而這個(gè)對(duì)于較小的光學(xué)掃描設(shè)備并不是優(yōu)勢。較小的光學(xué)掃描也是較小指紋取像區(qū)域，這是因?yàn)檩^大的指紋取像區(qū)域需要較長的焦點(diǎn)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(xué)掃描設(shè)備會(huì)受到圖像邊緣線形扭曲的影響。       晶體傳感器技術(shù)最重要的弱點(diǎn)在于，它們?nèi)菀资艿届o電的影響，這使得晶體傳感器有時(shí)會(huì)取不

13、圖像到圖像，甚至?xí)粨p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(shù)都具有它們各自的優(yōu)勢，也有各自的缺點(diǎn)。我們在下面給出三種主要技術(shù)的比較。2. 圖象增強(qiáng)       剛獲得的圖像有很多噪音。這主要由于平時(shí)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(qiáng)是減弱噪音，增強(qiáng)脊和谷的對(duì)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(gè)目標(biāo)而為處理指紋圖像所涉及的操作是設(shè)計(jì)一個(gè)適合、匹配的濾鏡和恰當(dāng)?shù)拈y值

14、。此主題相關(guān)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(rèn)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(qiáng)的方法。大多數(shù)是通過過濾圖像與脊局部方向相匹配。圖像首先分成幾個(gè)小區(qū)域（窗口），并在每個(gè)區(qū)域上計(jì)算出脊的局部方向來決定方向圖?？梢杂煽臻g域處理，或經(jīng)過快速2維傅立葉變換后的頻域處理來得到每個(gè)小窗口上的局部方向。    

15、;   設(shè)計(jì)合適的，相匹配的濾鏡，使之實(shí)用于圖象上所有的象素（空間場是其中的一個(gè)）。依據(jù)每個(gè)象素處脊的局部走向，濾鏡應(yīng)增強(qiáng)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(huì)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(yīng)該增強(qiáng)或匹配脊而不是噪音。       圖象增強(qiáng)，噪音減弱后，我們準(zhǔn)備開始選取一些脊。雖然，在原始灰階圖像中，其強(qiáng)度是不同的而按一定的梯度分布，但它們真實(shí)的信息被簡單化為二元：脊及其相

16、對(duì)的背景。二元操作使一個(gè)灰階圖像變成二元圖像，圖像在強(qiáng)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(huì)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(qiáng)度入手，而且單一的圖像的對(duì)照物是變化的，比如，手在中心地帶按的比較緊。因此一個(gè)叫“局部自適應(yīng)的閥值（locally adaptive thresholdding）”的方法被用來決定局部圖像強(qiáng)度的閥值。       在節(jié)點(diǎn)提取之前的最

17、后一道工序是“細(xì)化（thinning）”。細(xì)化是將脊的寬度降為單個(gè)象素的寬度。一個(gè)好的細(xì)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(rèn)為是分叉。認(rèn)識(shí)到合法的和不合法的節(jié)點(diǎn)后，在特征提取階段排除這些節(jié)點(diǎn)。三. 指紋識(shí)別技術(shù)的基本原理       指紋其實(shí)是比較復(fù)雜的。與人工處理不同，許多生物識(shí)別技術(shù)公司并不直接存儲(chǔ)指紋的圖像。多年來在各個(gè)公司及其研究機(jī)構(gòu)產(chǎn)生了許多數(shù)字化的算法（美國有關(guān)法律認(rèn)為，指紋圖像屬于個(gè)人隱私，因此不能直接存儲(chǔ)指紋圖像）。但指紋識(shí)別算法最終都?xì)w結(jié)為在指紋圖像上

18、找到并比對(duì)指紋的特征。此主題相關(guān)圖片如下：       指紋的特征       我們定義了指紋的兩類特征來進(jìn)行指紋的驗(yàn)證：總體特征和局部特征?？傮w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(guān)圖片如下：                        弓型（arch）此主題相關(guān)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(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，這只是一個(gè)粗略的分類，但通過分類使得在大數(shù)據(jù)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(shí)別算法只使用模式區(qū)的數(shù)據(jù)。 Aetex 的指紋識(shí)別算法使用了所取得的完整指紋而不僅僅是模式區(qū)進(jìn)行分析和識(shí)別。此主題相關(guān)圖片如下：       核心點(diǎn)（Core Point）      核心點(diǎn)位于指紋紋路的漸進(jìn)中心，它用于讀取指紋和比對(duì)指紋時(shí)的參考點(diǎn)。      三角點(diǎn)（Delta）    

22、  三角點(diǎn)位于從核心點(diǎn)開始的第一個(gè)分叉點(diǎn)或者斷點(diǎn)、或者兩條紋路會(huì)聚處、孤立點(diǎn)、折轉(zhuǎn)處，或者指向這些奇異點(diǎn)。三角點(diǎn)提供了指紋紋路的計(jì)數(shù)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(cè)線開始連續(xù)延伸。       紋數(shù)（ Ridge Count）  

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

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

25、路。           C、分歧點(diǎn)（Ridge Divergence）：兩條平行的紋路在此分開。           D、孤立點(diǎn)（Dot or Island）：一條特別短的紋路，以至于成為一點(diǎn)           E、環(huán)點(diǎn)（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(gè)小環(huán)稱為環(huán)點(diǎn)           F、短紋（Short Ridge）：一端較短但不至于成為一點(diǎn)的紋路，       2. 方向（Orientation）：節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的位置通

27、過（x,y）坐標(biāo)來描述，可以是絕對(duì)的，也可以是相對(duì)于三角點(diǎn)或特征點(diǎn)的。四、指紋比對(duì)算法（包括指紋圖象處理、特正提取、比對(duì)與匹配）       在指紋比對(duì)算法方面，主要有兩個(gè)概念，驗(yàn)證和辯識(shí)；驗(yàn)證也就是我們所常說的1：1算法，辯識(shí)就是1：N算法。同時(shí)對(duì)指紋比對(duì)算法還有兩個(gè)重要的參數(shù)誤識(shí)率和拒真率。       4.1 驗(yàn)證       驗(yàn)證就是把一個(gè)現(xiàn)場采集到的指紋與一個(gè)己經(jīng)登記的指紋進(jìn)行一對(duì)一的比對(duì)（one-to-o

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

29、to-many matching）”。驗(yàn)證其實(shí)是回答了這樣一個(gè)問題：“他是誰？”辨識(shí)主要應(yīng)用于犯罪指紋匹配的傳統(tǒng)領(lǐng)域中。一個(gè)不明身份的人的指紋與指紋庫中有犯罪記錄的人指紋進(jìn)行比對(duì)，來確定此人是否曾經(jīng)有過犯罪記錄。       4.3 誤識(shí)率和拒真率       由于計(jì)算機(jī)處理指紋時(shí)，只是涉及了指紋的一些有限的信息，而且比對(duì)算法并不是精確匹配，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。主要由兩部分組成，拒真率(FRR)和誤識(shí)率(FAR)。我們可

30、以根據(jù)不同的用途來調(diào)整這兩個(gè)值。FRR和FAR是成反比的。用0-1.0或百分比來表達(dá)這個(gè)數(shù)。五. 系統(tǒng)問題（system issues）       有效的指紋辨識(shí)系統(tǒng)不僅僅依賴于辨識(shí)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(shí)過程，速度和工作學(xué)、用戶信息的反饋、排斥欺騙和安全考慮。 為了得到較好的識(shí)別率，重要的是在注冊時(shí)盡量獲得最好的指紋圖象，這是因?yàn)樽砸话阒贿M(jìn)行一次，而以后的辨識(shí)是經(jīng)常的。一個(gè)較好的指紋識(shí)別系統(tǒng)應(yīng)要求用戶的指紋在登記指紋時(shí)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(jié)果作為注冊

31、的指紋。       又一個(gè)方法可以作為指紋系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的考慮，即我們可以多次取像直到得到一個(gè)確定的匹配，但這個(gè)過程在降低了拒判率的同時(shí)，提高了誤判率。辨識(shí)不僅僅只用一個(gè)手指的指紋，可以用兩個(gè)或更多的手指的指紋，這樣可以增強(qiáng)識(shí)別率，當(dāng)然這樣一來會(huì)浪費(fèi)用戶的許多時(shí)間。      系統(tǒng)的工作學(xué)是很重要的。例如：在個(gè)人識(shí)別系統(tǒng)中，人們愿意等待時(shí)間的極限，這個(gè)極限時(shí)間根據(jù)特定的應(yīng)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(hào)的過程，從0.5-1.5秒被認(rèn)為是可接受的時(shí)間；另外，拒判而重復(fù)次數(shù)不應(yīng)超過3次。      驗(yàn)證和辨識(shí)的過程、取像設(shè)備的設(shè)計(jì)拒判率和誤判率關(guān)系的設(shè)定，為了盡可能的獲得高質(zhì)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(shí)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(yīng)建立反欺對(duì)策，使得有能力識(shí)別真實(shí)的皮膚溫度、阻力或電容。  &