【正文】 國(guó)內(nèi)外指紋識(shí)別系統(tǒng)研究現(xiàn)狀 （ 1） 國(guó)外指紋織別的發(fā)展 [4] 指紋識(shí)別的發(fā)展經(jīng)歷了一個(gè)長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展過(guò)程 ， 最早應(yīng)用指紋破案的國(guó)家始于西歐。 而當(dāng)今全球信息化、網(wǎng)絡(luò)化的到來(lái)，使社會(huì)對(duì)信息安全的要求也越來(lái)越高，迫切需要智能化、數(shù)字化的新一代保安產(chǎn)品。盡管在此技術(shù)上已有多種成型產(chǎn)品 ， 但是因?yàn)橹讣y圖的噪聲、皮膚彈性的非線性等因素 ， 以及許多文獻(xiàn)都因商業(yè)利益而未經(jīng)公開(kāi) ，所以要在 國(guó)內(nèi) 實(shí)現(xiàn) 理想的指紋自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)依然是 一個(gè)很艱難的研究任務(wù) 。隨著 計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)的不斷發(fā)展 ,身份驗(yàn)證對(duì)系統(tǒng)的安全來(lái)說(shuō)越來(lái)越重要。因此，隨著密碼越來(lái)越多擠滿大腦，人們?cè)诤魡?一種更加便捷易用的身份認(rèn)證模式，當(dāng)黑客間諜手段越來(lái)越多，各種 仿制手段越來(lái)越豐富，人們?cè)诤魡疽环N更加安全不易被盜取的身份認(rèn)證模式。 大家比較熟悉的一些生物特征識(shí)別技術(shù)，比如指紋、臉像等等，從大的方面 看，已經(jīng)基本成熟了，在限定的場(chǎng)景和用戶配合的情況下，已經(jīng)可以滿足大部分應(yīng)用需求。綜合以上比較，指紋識(shí)別技術(shù)是目前最方便、可靠、非侵害和價(jià)格便宜的生物識(shí)別技術(shù)解決方案，對(duì)于廣大市場(chǎng)的應(yīng)用有著很大的潛力。 （ 4）讀取指紋時(shí)，用戶必需將手指與指紋采集頭相互接觸，與指紋采集頭直接接觸是讀取人體生物特征最可靠的方法。 （ 2）指紋樣本便于獲取，易于開(kāi)發(fā)識(shí)別系統(tǒng)，實(shí)用性強(qiáng)。然而， DNA 的獲取和鑒別方法(DNA 鑒別必須在一定的化學(xué)環(huán)境下進(jìn)行 )限制 DNA 鑒別技術(shù)的實(shí)時(shí)性；另外， 某些特殊疾病可能改變?nèi)梭w DNA 的結(jié)構(gòu)組成，系統(tǒng)無(wú)法正確地對(duì)這類人群進(jìn)行鑒別。 （ 8）基因識(shí)別 [3]： 人體內(nèi)的 DNA 在整個(gè)人類范圍內(nèi)具有惟一性 (除了雙胞胎可能具有同樣結(jié)構(gòu)的 DNA 外 )和永久性?，F(xiàn)代簽字識(shí)別技術(shù)，主要是透過(guò)測(cè)量簽字者的字形及不同筆劃間的速度、順序和壓力特征，對(duì)簽字者的身份進(jìn)行鑒別。它適用的場(chǎng)合是用戶人數(shù)比較多，或者用戶雖然不經(jīng)常使用，但使用時(shí)很容易接受。所以盡管視網(wǎng)膜識(shí)別技術(shù)本身很好，但用戶的接受程度很低。視網(wǎng)膜掃描是采用低密度的紅外線去捕捉視網(wǎng)膜 的獨(dú)特特征，血液細(xì)胞的唯一模式因此被捕捉下來(lái)。 聲音識(shí)別的優(yōu)點(diǎn)在于它是一種非接觸識(shí)別技術(shù)，容易為公眾所接受。因此，它吸引了各種人的注意。虹膜識(shí)別的工作過(guò)程，與指紋識(shí)別有些類似。但一旦克服了技術(shù)障礙，它將成為一種重要的生物識(shí)別方法。視頻面部識(shí)別是一種常見(jiàn)的身份識(shí)別方式，現(xiàn)已被廣泛用于公共安全領(lǐng)域。其實(shí)，在實(shí)際應(yīng)用中，我們遇到的問(wèn)題主要不是拒真率與認(rèn)假率，而是拒登率 (無(wú)法使用指紋 識(shí)別的用戶率 )。其各自的特征如下綜述： （ 1）指紋識(shí)別 [1][2]： 指紋在我國(guó)古代就被用來(lái)代替簽字畫押，證明身份。圍繞這三個(gè)特點(diǎn)，生物識(shí)別技術(shù)出現(xiàn)兩大應(yīng)用前 景最為廣闊的區(qū)域 ： 一是由其高安全性和唯一性，在有高機(jī)密防護(hù)需求的國(guó)家涉密系統(tǒng)等領(lǐng)域的發(fā)展 ； 二是憑借其便捷性和唯一性，在大眾社會(huì)化領(lǐng)域的智能化應(yīng)用 。 生物特征分為身體特征和行為特征兩類 。身體 特征包括指紋、掌紋、手形、 臉型 、 人體氣味、 虹膜、視網(wǎng)膜、耳廓 、骨骼和 DNA 等先天特性 ； 行為特征則包括筆跡、聲音、步態(tài)、擊鍵動(dòng)作等習(xí)慣特性 。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展以及不斷提升的信息安全保障需求 ，生物特征識(shí)別技術(shù)在各類信息系統(tǒng)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用 ， 并將為保障信息安全發(fā)揮 越來(lái)越 重要的作用。指紋是人與生俱來(lái)的身體特征，大約在 14 歲以后，每個(gè)人的指紋就已經(jīng)定型， 指紋具有固定性，不會(huì)因人的繼續(xù)成長(zhǎng)而改變。在所有生物識(shí)別技術(shù)中 ， 指紋識(shí)別是目前最成熟、最方便、可靠、無(wú)損傷、 價(jià)格便宜和應(yīng)用最廣泛的生物識(shí)別技術(shù)。熱成像技術(shù)主要透過(guò)分析面部血液產(chǎn)生的熱輻射來(lái)產(chǎn)生面部圖像。 （ 3）虹膜識(shí)別： 虹膜識(shí)別 是與眼睛有關(guān)的生物識(shí)別中對(duì)人產(chǎn)生較少干擾的技術(shù)?？茖W(xué)家先要將掃描的虹膜圖像轉(zhuǎn)換為 2048 位的數(shù)字代碼，存儲(chǔ)到計(jì)算器數(shù)據(jù)庫(kù)中。以前，虹膜掃描設(shè)備在操作的簡(jiǎn)便性和系統(tǒng)集成方面沒(méi)有優(yōu)勢(shì)，我們希望新產(chǎn)品能在這些方面有所改進(jìn)。但聲音會(huì)隨音量、音速和音質(zhì)的變化而影響。視網(wǎng)膜識(shí)別是使用光學(xué)設(shè)備發(fā)出的低強(qiáng)度光源掃描視網(wǎng)膜上獨(dú)特的圖案。 （ 6） 掌形識(shí)別： 手掌幾何學(xué)識(shí)別就是通過(guò)測(cè)量使用者的手掌和手指的物理特征來(lái)進(jìn)行識(shí)別的技術(shù) ，高級(jí)的產(chǎn)品還可以識(shí)別三維圖像 。 這種生物識(shí)別技術(shù)識(shí)別速度快、掌形錄入率高、需要的計(jì)算及存儲(chǔ)空間小。 在應(yīng)用中具有其他生物識(shí)別所沒(méi)有的優(yōu)勢(shì)，人們已經(jīng)習(xí)慣將簽名作為一種在交易中確認(rèn)身份的方法，它的進(jìn)一步的發(fā)展也不會(huì)讓人們覺(jué)得有太大不同。因此，除了對(duì)雙胞胎個(gè)體的鑒別可能失去它應(yīng)有的功能外，這種方法具有絕對(duì)的權(quán)威性和準(zhǔn)確性。基因識(shí)別是一 種高級(jí)的生物識(shí)別技術(shù)，但由于技術(shù)上的原因，還不能做到實(shí)時(shí)取樣和迅速鑒定，這在某種程度上限制了它的廣泛應(yīng)用。目前已有標(biāo)準(zhǔn)的指紋樣本庫(kù)，方便了識(shí)別系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)；另外，識(shí)別系統(tǒng)中完成指紋采樣功 能的硬件部分也較易實(shí)現(xiàn)。而且掃描指紋的速度很快，使用非常方便。 生物識(shí)別的應(yīng)用 到目前為止，在學(xué)術(shù)界已經(jīng)對(duì)將近 20 種特征進(jìn)行了研究。目前這些成熟的生物識(shí)別技術(shù)，例如指紋技術(shù) ，其可應(yīng)用領(lǐng)域的創(chuàng)新產(chǎn)品已經(jīng)十分廣泛，未來(lái)大的應(yīng)用方向 可 分為兩個(gè) ：一是涉密系統(tǒng)，需要高度安全防護(hù) 的 地方；二是大眾生活，人們?cè)谏鐣?huì)生活中越來(lái)越需要安全 和 更為方便快捷的身份認(rèn)證服務(wù)。生物識(shí)別技術(shù)的社會(huì)化普 及 應(yīng)用的爆發(fā)就在即將到來(lái)的明天。 自動(dòng)指紋識(shí)別技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于公安、海關(guān)、銀行、網(wǎng)絡(luò)安全 、金融、電子商務(wù) 等需要進(jìn)行身份識(shí)別領(lǐng)域。指紋識(shí)別作為個(gè)人身份 驗(yàn)證的重要手段，對(duì)我們的社會(huì)來(lái)講至關(guān)重要。現(xiàn)代化的指紋識(shí)別系統(tǒng)順應(yīng)了這一歷史潮流，具有登記、自動(dòng)提取特征、保存數(shù)據(jù)、 遠(yuǎn)程控制、自動(dòng)查詢、統(tǒng)計(jì)、打印報(bào)表等功能，并能科學(xué)管理已存數(shù)據(jù)。早在 1823 年西歐出現(xiàn)顯微鏡之后，德國(guó)的學(xué)者普克尼就把指紋劃分成 9 種類別，到了 1858 年英國(guó)駐印度總督威廉 . 赫青爾就要求當(dāng)?shù)鼐用癫粌H要在契約上簽字，而且還要押上指紋。目前已成為各國(guó)保安和執(zhí)法部門進(jìn)行偵破案件的重要依據(jù)。 但 我國(guó)在研制指紋自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)方面起步較晚，直到 80 年代初才開(kāi)始進(jìn)行，我國(guó)最早的指紋應(yīng)用可追溯至秦朝。使指紋檔案工作在偵破案件和尋查無(wú)名尸體等方面，都發(fā)揮了很大作用。 1997 年 12 月中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光機(jī)所的“方圓光電技術(shù)公司”研制成功 5 種 ZY 系列活體指紋采集儀 ， 它可與多種指紋圖像處理軟件配套 ， 組成指紋自動(dòng)處理與識(shí)別系統(tǒng)。長(zhǎng)春光機(jī)所“方圓光電技術(shù)公司研制的活體指紋采集儀系列 ,由于采用精密光學(xué)成像系統(tǒng)和先進(jìn)的 512X512CCD 傳感器 ， 可以把活體指紋光學(xué)采集與計(jì)算機(jī)圖像處理有機(jī)地融為一體 ， 提供一種既不能偽造、又不可改變、更不能混淆的鑒別 身份的先進(jìn)方法。以清華、北大為代表的指紋自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的科研成果 ， 為我國(guó)在這一領(lǐng)域的發(fā)展奠定了雄厚的基礎(chǔ) ， 縮短了與世界發(fā)達(dá)國(guó)家之間的差距。廣東、上海等省市的公安機(jī)關(guān)正在引進(jìn)日本的 NES 公司 ， 美國(guó)的EASTSHORE、 COGENT 公司開(kāi)發(fā)的指紋自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)。亞洲在這一領(lǐng)域研究水平最高的國(guó)家是朝鮮， 1989 年在中國(guó)成立 Pefis 公司，其指紋產(chǎn)品在國(guó)際上享有 一定的聲譽(yù)。目前我國(guó)已出現(xiàn)指紋身份證、指紋支付、指紋鎖、 指紋汽車啟動(dòng)裝置、指紋保 管箱 、指紋“刷”銀行 POS 機(jī)等指紋應(yīng)用領(lǐng)域，利用指紋信息不僅安全可靠、方便快捷，而且是 新潮時(shí)尚的象征 。對(duì)指紋圖像進(jìn)行歸一化處理，減 少指紋圖像的灰度等級(jí)，通過(guò)計(jì)算指紋圖像的梯度值對(duì)指紋圖像的分割，采用簡(jiǎn)化的 Gabor 濾波器對(duì)指紋圖像進(jìn)行增強(qiáng)，采用查表完成對(duì)指紋圖像的細(xì)化。設(shè)計(jì)指紋識(shí)別系統(tǒng)的硬件電路， 得到指紋的采集圖像特征信息，并對(duì)指紋圖像進(jìn)行預(yù)處理和指紋匹配，使得電路能夠在較短時(shí)間完成指紋匹配。 系統(tǒng)功能的選擇通過(guò)撥碼開(kāi)關(guān)來(lái)設(shè)定，通常 ：作在驗(yàn)證狀態(tài)?？梢缘玫郊?xì)節(jié)點(diǎn)的相關(guān)信息。工作原理框圖如圖 所示。通過(guò)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。根據(jù)指紋學(xué)理論，將兩人指紋分別匹配上 12 個(gè)特征時(shí)的相同幾率僅為 1/1050。 （ 1） 圖像的尺寸 ： 圖像的尺寸通常用長(zhǎng)度 (mm)寬度 (mm)來(lái)表示，如 18mm ,或者用垂直方向上的像素點(diǎn)數(shù)水平方向上的像素點(diǎn)數(shù)來(lái)表示，如 360 256 點(diǎn)陣。為了保障提取指紋特征的精確度，指紋圖像應(yīng)有較高的圖像分辨率。灰度圖含有更加豐富的圖像信息，有利于指紋識(shí)別與對(duì) 比。那時(shí)候 AFIS 系統(tǒng)的應(yīng)用范圍也比較窄，主要用于大規(guī)模指紋數(shù)據(jù)庫(kù)的管理和 檢索，屬于離線處理類型。和光學(xué)傳感器相比，它們具有體積小巧、價(jià)格低的優(yōu)點(diǎn)。依據(jù)的是光的全反射原理 (Fruslrated Total Internal Reflection． FTIR)。 （ 2） CMOS 壓感傳感器 ： 半導(dǎo)體傳感器是 20 世紀(jì) 90 年代發(fā)展起來(lái)的新型指紋圖像采集設(shè)備。但是這些都隨著技術(shù)進(jìn)步正在逐步克服。在實(shí)際應(yīng)用中，為了避免出現(xiàn)這種情況，在陣列里包含有發(fā)熱元件，在炎熱的地區(qū)，當(dāng)手指在傳感器上直掃時(shí)，手指表面使傳感器降溫，不是受熱，所以影像是反向的，這可以由檢驗(yàn)軟件作自動(dòng)修正。 這種傳感器有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：由于超聲波能穿透許多物質(zhì)，因此超聲指紋傳感器幾乎不受手指和取像 平臺(tái)表面狀況及周圍環(huán)境的影響，即使手指再臟、再干也能讀取，能工作在強(qiáng)烈的光照環(huán)境下。由于成像的極限受到波長(zhǎng)的制約，所以超聲波的最大分辨率不如光學(xué)系統(tǒng)的最大分辨率高。任何物質(zhì)，只要它本身具有一定的溫度 (高于絕對(duì)零度 )，都能輻射紅外線。 指紋采集模式主要分為“離線式”和“在線式”兩種。 對(duì) 指紋圖像采集質(zhì)量 進(jìn)行 分析 ， 指紋圖像質(zhì)量問(wèn)題主要包括以下幾個(gè)方面。如果空洞或斷層太大，圖像處理的時(shí)候很難把它填補(bǔ)起來(lái)，造成特征點(diǎn)的丟失或者產(chǎn)生偽特征點(diǎn)。所以手指干燥的指紋圖像區(qū)域白點(diǎn)數(shù)較多，平均灰度值偏高。 （ 7）指紋紋路不清晰：采集指紋時(shí)，指紋不干凈、潮濕或干燥都有可能造成部分區(qū)域紋線模糊不清，計(jì)算方向不準(zhǔn)確，圖像增強(qiáng)效果較差。紋形從屬于型，以中心線的形狀定名?；尉€的對(duì)側(cè)有一個(gè)三角的上下之線包圍著中心花紋。 （ 2） 斗型紋 (Whorl):中心花紋呈環(huán)、螺、曲狀，由內(nèi)向外擴(kuò)展與上下包圍線匯合形成兩個(gè)以上的三角 的紋線 ， 稱 為斗型紋。分弧形和帳形紋兩種。 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 15 頁(yè) 共 52 頁(yè) 指紋的局部特征 局部特征是指指紋上的節(jié)點(diǎn)的特征，這些具有某種特征的節(jié)點(diǎn)稱為特征點(diǎn)。就是這些特征點(diǎn)提供了指紋唯一性的確認(rèn)信息。 指紋算法的具體性能評(píng)價(jià)指標(biāo) 就一個(gè)自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其指紋識(shí)別算法的精確度是整個(gè)系統(tǒng)性能指標(biāo)中最為關(guān)鍵的指標(biāo)。其定義為： FRR=拒識(shí)的指紋數(shù)目 /考察的指紋總數(shù)目 100%； 誤識(shí)率 (False Accept Rate,FAR)又稱認(rèn)假率，指將不同的指紋誤認(rèn)為相同的指紋，而加以接收的出錯(cuò)概率。中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第 16 頁(yè) 共 52 頁(yè) 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，拒登率 ERR 過(guò)高將會(huì)嚴(yán)重影響設(shè)備的使用范圍。 （ 5）建檔時(shí)間 :即平均每一枚指紋進(jìn)行指紋圖像采集、圖像處理、特征提取和特征建庫(kù)的時(shí)間，建檔時(shí)間越短越好。需要考慮當(dāng)傳感器圖像尺寸、噪聲水平、失真程度、手指按 印角度等因 素改變時(shí) ,識(shí)別算法的適應(yīng)性或程序修改的工作量，這一條暫時(shí)沒(méi)有具體衡量指標(biāo)。此外 ,DSP 芯片的成本、體積、重量和功耗也都有了很大程度的下降。定點(diǎn) DSP 品種最多，處理速度為 20～ 2400 MIPS；浮點(diǎn) DSP 基本由 TI 公司和 AD 公司壟斷，處理速度為 40M～ 1GFLOPS。在 DSP 中，采用流水線結(jié)構(gòu)，將一條指令執(zhí)行所需要的取指、譯碼、取操作數(shù)并執(zhí)行等幾個(gè)步驟同時(shí)完成，使指令周期降低到最小值 ； DSP 內(nèi)部有多個(gè)處理單元如算術(shù)邏輯運(yùn)算單元 (ALU)，輔助運(yùn)算單元(ARCU)、累加器 （ ACC） 和硬件乘法器 （ MUL）等，它們可以在一個(gè)指令周 內(nèi)同時(shí)進(jìn)行運(yùn) 算，特別適用于 FIR 和 11R 濾波器。 （ 2） 哈佛結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)的馮諾伊曼 (Von Neumann)結(jié)構(gòu)：由于具有單一公用的數(shù)據(jù)和指令總線 ,因此在高速運(yùn)算時(shí) ,往往在傳輸通道上會(huì)出現(xiàn)瓶頸效應(yīng)。由于采用流水線技術(shù) ,DSP 芯片可以單周期完成乘法累加運(yùn)算 ,大大提高了運(yùn)算速度。 （ 5） 多種外設(shè)和接口：為了加強(qiáng) DSP 芯片的通用性 ,DSP 芯片上增加了許多外設(shè)。在片 JTAG 接口為 DSP 芯片的測(cè)試和仿真提供了很大的便利。 我 選用的是 Tl 公司的 TMS320VC5402 芯片，這種芯片內(nèi)部有 16KDRAM，可方便的擴(kuò)展外周設(shè)備，非常適合作為指紋識(shí)別的運(yùn)算設(shè)備。細(xì)化以后的指紋圖像中的每條紋線都變?yōu)閱蜗袼貙挼摹包c(diǎn)線”再經(jīng)去噪，就可以見(jiàn)到清晰的點(diǎn)線圖，為以后的特征提取作好了準(zhǔn)備。指紋分割的最基本的依據(jù)是圖像 某些 特征 和特征集合 。 通過(guò)