指紋及其應(yīng)用技術(shù)研究

1、指紋及其應(yīng)用技術(shù)研究組長(zhǎng)：林炯組員：陳逸超 李國(guó)慶 王焰艷 游偉達(dá) 蘭鑾華 林熠庶 張佳怡 林欣月 李祖平 李偉晴，陳欣港指導(dǎo)老師：王強(qiáng)【摘要】如今指紋正在悄悄走進(jìn)我們的生活，我們信賴(lài)它，享受這它帶來(lái)的便利，但當(dāng)我們 用指紋保護(hù)我們自己事，又有誰(shuí)來(lái)保護(hù)我們的指紋呢。很明顯，現(xiàn)在指紋技術(shù)還不是萬(wàn)能的， 但是一項(xiàng)科技的發(fā)展需要人們的支持與包容?！娟P(guān)鍵詞】指紋指紋技術(shù)安全1指紋一一獨(dú)一無(wú)二的符號(hào)1.1指紋的定義指紋是靈長(zhǎng)類(lèi)手指末端指腹上由凹凸的皮膚所形成的紋路。也可指這些紋路在物體上印 下的印痕。當(dāng)人的手指接觸到物品時(shí)，通常可在該物品上留下指紋，而且指紋不會(huì)增加摩擦 力，古今中外任何人的指紋都是純屈

2、獨(dú)一無(wú)二的。廣義的指紋也包括了手掌紋、腳紋、腳掌 紋。1 2形成基礎(chǔ)及過(guò)程在皮膚發(fā)育過(guò)程中，雖然表皮、真皮以及基質(zhì)層都在共同成長(zhǎng)，但柔軟的皮下組織長(zhǎng)得 相對(duì)比堅(jiān)硬的表皮快，因此會(huì)對(duì)表皮產(chǎn)生源源不斷的上頂壓力，迫使長(zhǎng)得較慢的表皮向內(nèi)層 組織收縮塌陷，逐漸變彎打，以減輕皮下組織施加給它的壓力，導(dǎo)致表皮長(zhǎng)得彎曲不平，形 成紋路。這個(gè)過(guò)程隨著內(nèi)層組織產(chǎn)生的上層壓力的變化而波動(dòng)起伏，形成凹凸不平的脊紋或 皺褶，直到發(fā)育過(guò)程終止，最終定型為至死不變的指紋。胎兒在母體內(nèi)發(fā)育三至四個(gè)月時(shí), 指紋就已經(jīng)形成，但兒童在成長(zhǎng)期i'可指紋會(huì)略有改變，直到青春期14歲左右時(shí)才會(huì)定型。 1.3指紋類(lèi)型1967年9

3、月英國(guó)倫敦舉行了國(guó)際皮紋學(xué)研究會(huì)議，確定了分類(lèi)法。將指紋分成三大類(lèi) 十一種基本類(lèi)型。(1) 斗形紋(亞型：靶心斗、螺旋紋、伸長(zhǎng)斗、雙斗紋、內(nèi)破斗)圓圈型的指紋，通常為n個(gè)同心圓組成，指紋的外圍圈是閉合的，一般歸類(lèi)于斗紋。(2) 箕形紋(亞型：正箕紋、反箕紋、變形紋外圍有開(kāi)口，如高山流水般的紋路，一般開(kāi)口朝向同一只手小指方向的為正箕紋，反之 為反箕紋。(3) 弧形紋(亞型：簡(jiǎn)單弧、帳弧)弓型紋是那些紋線(xiàn)從一邊流入，中間隆起，從另一邊流出的指紋類(lèi)型，也稱(chēng)弓形紋。 1.4人類(lèi)對(duì)指紋的研究指紋是早期生物統(tǒng)計(jì)學(xué)主要的研究之一,科學(xué)家們利用指紋的一些物理特性來(lái)將它們加以 定義，目前沒(méi)有清楚的資料足以顯示最

4、早被使用的是哪種指卬，有許多例子早于歷史記錄。 比較確切的記錄如下：1823年，徳國(guó)學(xué)者johannes e.purkinje將指紋依不同紋形加以分類(lèi)，有了斗形、箕形、 弧形的分類(lèi)法。1880年，henry faulds博士在nature國(guó)際期刊上發(fā)表第一篇有關(guān)指紋的研究，1886年， 他將這個(gè)想法提供給倫敦的警察單位，但不被采用。1891年，阿根廷警官juan vucetich在阿根廷首創(chuàng)世界第一個(gè)罪犯指紋檔。1892年，fancis galton在他的新書(shū)指紋中對(duì)發(fā)表了對(duì)指紋更為詳細(xì)的分析、鑒定和 法醫(yī)學(xué)上的運(yùn)用。1901年，edward richard homy設(shè)計(jì)了一套指紋辨識(shí)系統(tǒng)，在

5、英格蘭和威爾士率先使用。1902年，在紐約，henry p. deforrest博士將指文辨識(shí)系統(tǒng)運(yùn)用在市民服務(wù)上1.5指紋在生活中的應(yīng)用1）身份辨識(shí)：災(zāi)區(qū)受難者、迷路者的身份辨識(shí)；個(gè)人電子系統(tǒng)登入；出入境管制。2）代替印章：結(jié)婚證書(shū)、遺書(shū)、選舉名冊(cè)等文件上的指紋有一定的法定效力。3）犯罪偵查：嫌疑者與犯罪現(xiàn)場(chǎng)指紋比對(duì)、刑案現(xiàn)場(chǎng)重建。4）占卜：有研究占卜的人也利用指紋的紋路來(lái)進(jìn)行占卜。2記錄蛛絲馬跡一一指紋的觀察與提取2. 1為什么人類(lèi)會(huì)留下指紋指腹和人體大部分皮膚的構(gòu)造相近，同樣有汗腺分布，每個(gè)手指平均每一小時(shí)排泄的汗 液為0. 0625cc.,其成分大部分為水分，另外尚有蛋白質(zhì)、脂肪、尿素

6、和其他有機(jī)化合物。 有時(shí)候這些印痕是難以清楚顯現(xiàn)的，但是利用一些化學(xué)方法或物理方法，可使指紋現(xiàn)形。2. 2對(duì)指紋觀察提取方案的選擇與思考哈氣觀察法與放大鏡觀察法等物理方法雖然操作簡(jiǎn)便，但是并不利于指紋的的具體觀察 與記錄，不適合深入研究。而使用孰化膠和乙瞇的溶液浸溶的方法雖然效果好，便于保存, 但是藥品昂貴且危險(xiǎn)性大，不利于實(shí)驗(yàn)操作。而碘蒸汽熏顯法和硝酸銀溶液法操作簡(jiǎn)便，效 果好，同時(shí)原理簡(jiǎn)單易懂，適合于探究。因此可以選擇碘蒸汽熏顯法和硝酸銀溶液法進(jìn)行探 究實(shí)驗(yàn)。2. 3具體實(shí)驗(yàn)過(guò)程 碘蒸汽熏顯法實(shí)驗(yàn)用品：試管、橡膠塞、藥匙、酒精燈、剪刀、白紙、碘。 實(shí)驗(yàn)步驟：1）収一張干凈、光滑的白紙，剪成

7、長(zhǎng)約4 cm、寬不超過(guò)試管直徑的紙條，用手指在紙 條上用力扌恩幾個(gè)手印。2）用藥匙取芝麻粒大的一粒碘，放入試管屮。把紙條懸于試管屮。（注意扌恩有手印的一面不要貼在管壁上），塞上橡膠塞。3）把裝有碘的試管在酒精燈火焰上方微熱一下，待產(chǎn)生碘蒸氣后立即停止 加熱，觀察紙條上顯現(xiàn)的指紋印跡。4）觀察所取指紋，鑒別指紋類(lèi)型。硝酸銀溶液法實(shí)驗(yàn)用品：硝酸銀溶液、白紙、小噴壺1）取一張干凈的白紙，用手指在紙條上用力扌恩幾個(gè)手印。2）將硝酸銀溶液噴涂在撼過(guò)手印的紙上，然后將紙放在陽(yáng)光下暴曬，觀察顯現(xiàn)的指紋。4）觀察所取指紋，鑒別指紋類(lèi)型。實(shí)驗(yàn)過(guò)程2. 4實(shí)驗(yàn)中所探索到的技巧1）在選取紙質(zhì)時(shí)應(yīng)該選取含油量低，干燥

8、，厚度薄的紙質(zhì)，比較容易成功。2）用碘蒸汽熏顯法時(shí)，所放碘粒不宜太多，要等蒸汽充滿(mǎn)試管三分z二時(shí)懸入紙條。實(shí) 驗(yàn)結(jié)束后紙條要放在陰涼處防止碘單質(zhì)升華。3）使用硝酸銀溶液法時(shí)應(yīng)該選用比較小的噴壺，可以節(jié)省藥品。顯色過(guò)程可加熱加快顯 色速度。4）指紋按丿玉者指腹表皮油脂含量越高，實(shí)驗(yàn)效果越好。3 關(guān)于指紋調(diào)查于發(fā)現(xiàn)在了解指紋之后，對(duì)指紋技術(shù)開(kāi)始了解之前，需要了解大眾對(duì)指紋及指紋技術(shù)的了解， 提供下一步研究方向我們制作了調(diào)查問(wèn)卷，并且上街采訪。以下為所收集數(shù)據(jù)所制成的統(tǒng)計(jì) 圖。3. 1調(diào)查結(jié)果與分析c從未留青過(guò),1 您觀察過(guò)自己的臓嗎a仔細(xì)觀察過(guò) b稍徽留意過(guò) c從未留意過(guò)2.您常接fey徹技術(shù)嗎？

9、分析：大多數(shù)人都對(duì)指紋有仔細(xì)觀察，說(shuō)明人們對(duì)指紋本身存在很高興趣。1膨簽常b偎爾c從不分析：可以看出指紋技術(shù)雖然已經(jīng)進(jìn)入人們的生活，但是仍然有很大一部分人沒(méi)有對(duì)指紋技 術(shù)有深入的體驗(yàn)。3.您認(rèn)為指紋識(shí)別技術(shù)安全嗎? a很安全 b比較安全 c不安全分析：絕大多數(shù)人認(rèn)為指紋技術(shù)是安全的，說(shuō)明大多數(shù)人都比較信任指紋技術(shù)，僅有少數(shù)人 對(duì)此存在懷疑。a指紋孝勤機(jī)，33謔最刑臺(tái)聽(tīng)說(shuō)指紋應(yīng)用在哪里?a指紋考勤磯b手機(jī)二c警察破案 d其他e手機(jī)上，25$分析：通過(guò)警察破案知道指紋技術(shù)者最多，但離生活比較遠(yuǎn)僅僅是聽(tīng)說(shuō)。而指紋考勤機(jī)和手 機(jī)上的應(yīng)用來(lái)源于生活，也仍然有大部分人通過(guò)這種方式來(lái)了解，占比很大。5您認(rèn)為

10、指紋技術(shù)發(fā)展前景如何?c不會(huì)有太好發(fā)展,a般般 b前景很廣 c不會(huì)有太好發(fā)展e前星很廣，71%分析：在絕大多數(shù)人心屮指紋技術(shù)是有前景的，體現(xiàn)出人們對(duì)這項(xiàng)技術(shù)有著很高的信任。3. 2調(diào)查總結(jié)與提出問(wèn)題指紋在大眾心目中是一個(gè)十分熟悉但又有些神秘的東西。而指紋技術(shù)已經(jīng)不知不覺(jué)得遍 及人們的生活，雖然沒(méi)有做到人盡皆知，但是己經(jīng)成為許多人生活中不可缺少的一部分。人 們對(duì)于指紋技術(shù)的安全性也是異常信任，其前景也是一片大好。但是指紋技術(shù)是不是真的像 人們所想的那么安全？就知道是萬(wàn)無(wú)一失嗎？這背后又有怎樣的奧秘呢？4指紋技術(shù)的探究4. 1指紋技術(shù)的主要內(nèi)容指紋技術(shù)主要指的是指紋識(shí)別技術(shù)，其中又包含獲取技術(shù)和鑒

11、別技術(shù)兩個(gè)方面。目前主 要的指紋識(shí)別技術(shù)為1）光學(xué)識(shí)別：光學(xué)識(shí)別是較早的指紋識(shí)別技術(shù)。基于光學(xué)發(fā)射裝置發(fā)射的光線(xiàn)，射到手 指上再反射冋機(jī)器以獲取數(shù)據(jù)，并對(duì)比資料庫(kù)看是否一致。光學(xué)識(shí)別只能到達(dá)皮膚的表皮層, 而不能到達(dá)真皮層，而且受手指表面是否干凈影響較大。2）電容傳感器：電容傳感器識(shí)別是利用一定間隔的安裝的兩個(gè)電容，利用指紋的凹凸， 在手指滑過(guò)指紋檢測(cè)儀器時(shí)接通或斷開(kāi)兩個(gè)電容的電流以檢測(cè)指紋資料。電容傳感器對(duì)手指 的干凈要求還是比較高，而且傳感器表面使用硅材料，比較容易損壞。生物射頻：射頻傳感器通過(guò)傳感器發(fā)射微量的射頻信號(hào)，穿透手指的表皮層獲取里層的紋路 以獲取信息。這種方法對(duì)手指的干凈程度要

12、求較低3）數(shù)字化光學(xué)識(shí)別。數(shù)字化光學(xué)識(shí)別有別于之前的識(shí)別技術(shù)。識(shí)別裝置通過(guò)數(shù)碼相機(jī)技 術(shù)拍照獲得指紋圖像，然后將圖像數(shù)據(jù)數(shù)字化再與數(shù)據(jù)庫(kù)資料進(jìn)行對(duì)比。5他們的技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式不同但是處理流程相同。指紋識(shí)別技術(shù)主要涉及四個(gè)過(guò)程：讀取指 紋圖像、提取特征、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(chēng)為“節(jié)點(diǎn)”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(chēng)為模板。

13、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。保存數(shù)據(jù)和比對(duì)的過(guò)程中，計(jì)算機(jī)的算法起著很重要的作用，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，同時(shí)需要設(shè)定不同的系統(tǒng)閾值，以此應(yīng)對(duì)具體需求，這 很容易理解，“把關(guān)”越嚴(yán)，誤識(shí)的可能性就越低，但是拒識(shí)的可能性就越高。4. 2指紋識(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z外，在民用方面已非常廣泛, 如指紋門(mén)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

14、系統(tǒng)、 指紋槍械管理系統(tǒng)、智能建筑指紋門(mén)禁管理系統(tǒng)、駕駛員指紋管理系統(tǒng)等。指紋門(mén)禁系統(tǒng)和指紋考勤系統(tǒng)是開(kāi)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(mén) 禁、聯(lián)機(jī)指紋門(mén)禁、脫機(jī)指紋門(mén)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(chēng)為已經(jīng)注冊(cè)）進(jìn)行對(duì)比，如果兩者相符（即匹配），則顯示比對(duì) 成功，門(mén)就自動(dòng)打開(kāi)。如不匹配，則顯示“不成功”或“沒(méi)有這個(gè)指紋”，門(mén)就不開(kāi)。在指 紋門(mén)禁系統(tǒng)中，可以是一對(duì)一的比對(duì)，也可以是一對(duì)幾個(gè)比對(duì)。前者可以是一個(gè)公司、部門(mén), 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(mén)、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

15、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z 。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 卡上的信息吋，一并讀入持卡者的指紋，通過(guò)比對(duì)就可以確認(rèn)持卡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。atm卡持卡 人可不用密碼，避免老人和孩子記憶密碼的困難。4. 3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

16、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，兀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10（）%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。主要包扌舌拒識(shí)率

17、和誤識(shí)率，兩者成 反比關(guān)系。根據(jù)不同的用途來(lái)調(diào)整這兩個(gè)值。盡管指紋識(shí)別系統(tǒng)存在著可靠性問(wèn)題，但其安 全性也比相同可靠性級(jí)別的“用戶(hù)id+密碼”方案的安全性要高得多。拒識(shí)率實(shí)際上也是系 統(tǒng)易用性的重要指標(biāo)。在應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，要權(quán)衡易用性和安全性。通常用比對(duì)兩個(gè)或更 多的指紋來(lái)達(dá)到不損失易用性的同時(shí)，極大提高系統(tǒng)的安全性。4. 4對(duì)指紋考勤機(jī)的原理的了解與思考目前的指紋考勤機(jī)分為藍(lán)光，紅光，綠光幾種，都是通過(guò)三維立體成像的。指紋考勤機(jī) 上的激光掃描器掃描的并不是你的手指，而是你手指和掃描窗口接觸時(shí)所形成的壓痕 不論考勤機(jī)采用的是藍(lán)色激光還是紅色激光，其掃描所得的圖像都是以黑片兩色的格式傳輸 到運(yùn)

18、算電路中。這就是目前市場(chǎng)上主流指紋考勤機(jī)工作原理。既然指紋考勤機(jī)并沒(méi)有直接檢測(cè)我們的指紋，而是靠掃描后的黑白圖像來(lái)進(jìn)行鑒別，那 我們也可以通過(guò)之前所了解到的指紋提取的物理方法對(duì)指紋進(jìn)行黑白圖像的復(fù)刻，嘗試能否 騙過(guò)指紋考勤機(jī)的驗(yàn)證系統(tǒng)。4.5指紋黑口圖像復(fù)刻實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)用品：透明膠帶，雙面膠，蠟燭，剪刀，易拉罐，打火機(jī)1）將易拉罐剪成手指頭大小的鋁片，剪多個(gè)進(jìn)行備用。2）使用打火機(jī)將鋁片用熏的方式熏至全黑（注意不可用燒的方法）。3）待鋁片放置溫涼后將手指均勻按壓在鋁片上。4）按壓后于指上會(huì)有黑色印記，將黑印其反粘至透明膠粘性一面。5）再取一根新鋁片，將印有黑印的透明膠再反粘到鋁片上6）再進(jìn)行修剪至考勤機(jī)可容納大小。4. 6對(duì)所得印像進(jìn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果和結(jié)論在沒(méi)有裝置紅外探測(cè)儀的指紋考勤機(jī)上，該方法有一定幾率騙過(guò)驗(yàn)證系統(tǒng)，但是還是存 在失敗的可能。但是在裝有紅外系統(tǒng)的指紋考勤機(jī)上，由于溫度的耍求，即使對(duì)鋁片加熱, 騙過(guò)其驗(yàn)證系統(tǒng)很難。實(shí)驗(yàn)結(jié)杲說(shuō)明指紋考勤機(jī)雖然因?yàn)橹讣y的唯一性他人無(wú)法直接破解，但是由于其運(yùn)行方 式存在一定漏洞，在獲取到指紋具體圖像時(shí)，指紋考勤機(jī)也能被騙過(guò)。這說(shuō)明現(xiàn)在普及的部 分民用指紋識(shí)別技術(shù)并非萬(wàn)無(wú)一失的，仍然存在被破解的可能性并非絕對(duì)安全。5.