【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 液會(huì)特別多，如犯罪者在作案時(shí)，幾乎是凡觸摸過必留下痕跡。 （ 4） 損而復(fù)生 人體的皮膚組織具再生的能力，而手指皮膚的再生能力比起其它的部位又特別的強(qiáng)，指紋的成形根于皮膚組織真皮層的根部，假設(shè)是在火傷，外科手術(shù)等等的情況下，會(huì)造成指紋一時(shí)間的無法辨識(shí)，但是經(jīng)過一段時(shí)間后，指紋的紋路便會(huì)自動(dòng)恢復(fù)到原有的樣子，絲毫不會(huì)改變。除非真的受到非 常深的創(chuàng)傷，組織受到完全的破壞，才有可能留下永久的疤痕。 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 指紋識(shí)別的基本原理 指紋的圖像是復(fù)雜的，生物識(shí)別技術(shù)公司并不直接存儲(chǔ)指紋圖像。經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展和研究，在各個(gè)公司及其研究機(jī)構(gòu)都產(chǎn)生了許多的數(shù)字算法（ 美國(guó)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 ）。指紋識(shí)別算法最終都?xì)w結(jié)為指紋圖像和指紋的特征值的識(shí)別匹對(duì)。 我國(guó)目前所采用的指紋制度和世界各國(guó)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)一致，使用的是英國(guó)學(xué)者 ERHenry的現(xiàn)代指紋法，即 Henry System 分類整理法，將指紋分為二部八類， Henry 并 確認(rèn)了若指紋上有 13個(gè)特征點(diǎn)重合，即可確認(rèn)為本人。 指紋的特征可分總體特征和局部特征： （ 1） 總體特征 總體特征就是那些可以直接用人眼進(jìn)行觀察和鑒別的特征，包括基本紋路圖案環(huán)型（ loop），弓型 (arch)，螺旋型 (whorl) 如圖 。其他的指紋圖案都基于這三種基本圖案。 圖 環(huán)型、弓型、螺旋型指紋圖像 模式區(qū) 即 指紋 上包括了總體特征的區(qū)域，從此區(qū)域就能夠分 辨出指紋是屬于哪一種類型的。有的 指紋識(shí)別 算法 只使用模式區(qū)的數(shù)據(jù)，有的則使用所取得的完整指紋（ SecureTouch 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） 。 圖 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 核心點(diǎn)位于指紋紋路的漸進(jìn)中心，它在讀取指紋和比對(duì)指紋時(shí)作為參考點(diǎn)。許多算法是基 于核心點(diǎn)的，既只能處理和識(shí)別具有核心點(diǎn)的指紋。（核心點(diǎn)對(duì)于SecureTouch 的指紋識(shí)別算法很重要，但沒有核心點(diǎn)的指紋它仍然能夠處理）如圖。 圖 核心點(diǎn) 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)跟蹤的開始之處，如圖 所示。 圖 三角點(diǎn) 指紋模式區(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)，如圖 所示。 圖 紋數(shù) （ 2） 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)。兩枚指紋經(jīng)常會(huì)具有相同的總體特征，但它們的局部特征一特征點(diǎn)，卻不可能完全相同。 指紋的紋路不是一直連續(xù)、平滑筆直的，紋路很多時(shí)候都會(huì)出現(xiàn)中斷、分支或者折返。這些端點(diǎn)、分支點(diǎn)和轉(zhuǎn)折點(diǎn)就被稱為“特征點(diǎn)”。就是這些點(diǎn)提供了指紋唯一性的必要信息。 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 指紋的節(jié)點(diǎn)主要有以下幾種特性： 終結(jié)點(diǎn) (Ending)：一條紋路在此終結(jié)，如圖 所示。 圖 終結(jié)點(diǎn) 分叉點(diǎn) (Bifurcation)：一條紋路在此分開成為兩條或更多的紋路，如圖 所示。 圖 分叉點(diǎn) 孤立點(diǎn) (Dot or Island): 一條特別短的紋路，以至于成為一點(diǎn)，如圖 所示。 圖 分歧點(diǎn) (Ridge Divergence): 一兩條平行的紋路在此分開，如圖 所示。 圖 分歧點(diǎn) 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，這樣形成的一個(gè)小環(huán)稱為環(huán) 點(diǎn)，如圖 所示。 圖 環(huán)點(diǎn) 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 短紋 (Short Ridge): 一端較短但不至于成為一點(diǎn)的紋路，如圖 所示。 圖 短紋 方向 (Orientation): 一節(jié)點(diǎn)可以朝著一定的方向。 曲率 (Curvature): 一描述紋路方向改變的速度。 位置 (Position): 一節(jié)點(diǎn)的位置通過 (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。 指紋的采集技術(shù) 指紋采集技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了 一段很長(zhǎng) 的歷史時(shí) 期。 采集技術(shù)其 過程 也 受到傳感技術(shù)發(fā)展的影響。指紋采集技術(shù) 分為 兩種采集模式，一種是在被采集人已知的 情況 下實(shí)施的采集。另一種是 其 未知的狀況下的采集，如刑偵現(xiàn)場(chǎng) 。 第一代 的 指紋采集技術(shù)采用 “ 按壓留痕 ” 的方式來采集指紋，利用的是指紋 “ 觸物留痕 ” 的特性。這段 時(shí)期主要通過 “ 油墨－指紋卡 ” 的方式采集。第二代 的 指紋采集技術(shù)采用 的是自動(dòng)化、數(shù)字化的采集方式。指紋數(shù)據(jù) 大多 以數(shù)字信息表示 并 存儲(chǔ)。下 文 主要介紹第二代 的 指紋采集技術(shù)。 指紋采集的過程 在 本質(zhì)上是 使 指紋成像的過程。原理是根據(jù)嵴與峪的幾何特性、物理特征和生物特性的不同，得到不同的反饋信號(hào)，根據(jù)反饋信號(hào)的量值來繪成指紋圖像。 指紋的幾何特性是指在空間上嵴是突起的，峪是凹下的。嵴與嵴相交、相連、分開會(huì)表現(xiàn)為一些幾何圖案。 指紋的生物特性是指嵴和峪的導(dǎo)電性不同，與空氣之間形成的介電常數(shù)不同、溫度不同等。 指紋的物理特性是指嵴和峪著力在水平面上時(shí)，對(duì)接觸面形成的壓力不同、對(duì)波的阻抗不同等。 指紋采集的方法 可以分成 兩種，一種是由器件主動(dòng)向手指 發(fā)射 出探測(cè)信號(hào)，然后再 分析反饋 的 信號(hào)，以形成指紋 的 嵴與峪的圖案。如射頻（ RF ）和 光學(xué)采集采集 就屬于主動(dòng)式采集。另一種 則 是器件被動(dòng)感應(yīng)的方 法 。當(dāng)手指放置到采集設(shè)備上時(shí)，因?yàn)橹讣y 的 嵴和峪的生物特性或物理特性的不同， 就 會(huì)形成不同的信號(hào)，然后分析信號(hào)的量值 從而 形成指紋圖案。 （ 如半導(dǎo)體電容采集、熱敏采集和半導(dǎo)體壓感采集屬于第二種 ） 對(duì) 于 指紋采集設(shè)備來講，一般經(jīng)過 “ 手指 感知 ” 、 “ 圖像 的 拍照 ”“ 質(zhì)量判斷與自動(dòng)調(diào)整 ” 三個(gè)過程。考慮到設(shè)備 的 功耗，在 沒有 手指接觸 的時(shí)候 ，采集設(shè)湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 備 一般 處在休眠狀態(tài)。當(dāng)手指接觸到設(shè)備時(shí)，采集器 就 會(huì)感知 到 手指的接觸并切換 其狀態(tài)。對(duì)于半導(dǎo)體類 的 采集設(shè)備大 部 分具備 這種敏銳的指紋察覺技術(shù)。隨著活體采集的 技術(shù) 的 研究 和發(fā) 展，采集設(shè)備還 可以 判別 出是 否為活體手指，這 能 通過檢測(cè)手指的活體特性來實(shí)現(xiàn)。 在 理想 的 情況下，如果在采集 的 過程中外界噪聲足夠小， 采集 得到的指紋圖像 將是干凈的、真實(shí)的。 然而 現(xiàn)實(shí) 的 情況是，由于 人 手指表面脫皮 和 污漬的影響 還有 設(shè)備的 采集面不干凈等 各 種因素 的 影響，所以還需對(duì)采集到的圖像進(jìn)行 預(yù) 處理。這將在指紋圖像預(yù)處理部分 敘述 。 圖 不同質(zhì)量的指紋圖像 當(dāng)今使用的主流指紋采集技術(shù)有光學(xué)指紋采集技術(shù)，半導(dǎo)體指紋采集 技術(shù)和超聲波指紋采集技術(shù)。 光學(xué)指紋采集技術(shù)，其原理是利用光的全反射原理，將照射到壓有指紋的玻璃表面的反射光線通過 CCD 來獲取 ，反射光的量將依賴于壓在玻璃表面的指紋脊和谷的深度和皮膚與玻璃間的油脂和水分。光線穿過玻璃照射到有谷的地方后在玻璃與空氣的界面發(fā)生會(huì)全反射，光線被反射到 CCD, 而射向脊部位的光線卻不發(fā)生全反射，這樣就在采集的 CCD 上形成了指紋的圖像。 半導(dǎo)體傳感器是 1998年在市場(chǎng)上才出現(xiàn)的，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。主要使用的方案有：硅電容指紋圖像傳感器、半導(dǎo)體壓感式傳感器和半導(dǎo)體溫度感應(yīng)傳感器。 超聲波指紋圖像采集技術(shù)，是 Ultrascan 公司首開超聲波指紋圖像采集設(shè)備產(chǎn)品的 先河。超聲波指紋圖像采集技術(shù) 是 被認(rèn)為 在 指紋采集技術(shù)中最好的一種，但在 實(shí)際的 指紋識(shí)別系統(tǒng)中 卻 還不 常 見， 其 成本很高， 并 且還處于實(shí)驗(yàn)室階段。超聲波指紋取像的原理是 :當(dāng)超聲波掃描指紋的表面，緊接著接收設(shè)備獲取的其反射信號(hào)，由于指紋的脊和谷的聲阻抗的不同，導(dǎo)致反射回接受器的超聲波的能量不同，測(cè)量超聲波能量大小，進(jìn)而獲得指紋灰度圖像。積累在皮膚上的臟物和油脂對(duì)超聲波取像影響不大。所以這樣獲取的圖像是實(shí)際 指紋紋路凹凸的真實(shí)反映。 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 圖像頻域增強(qiáng) 圖像頻域增強(qiáng)簡(jiǎn)介 在數(shù)字圖像處理中，圖像最直觀的理解是把圖像理解為二維函數(shù) F(x,y)，其中 x，y作為數(shù)字圖像中象素的二維空間的坐標(biāo)， F的值作為數(shù)字圖像象素該位置的灰度值。但是在空間域在處理某些數(shù)字圖像的問題時(shí)，會(huì)比較困難甚至是幾乎難以處理。在頻率下處理的時(shí)候，同樣的問題用不同的描述方式是和空間域的表示是等價(jià)的，但由于描述方式不同了以前空間上很難處理的問題在頻率域上就有可能變得很容易了。在頻率域上處理時(shí)，還可以使用數(shù)字信號(hào)處理的一系列 成熟的方法，讓我們處理特殊的問題有了很多的工具，所以頻率圖像增強(qiáng)是很有價(jià)值進(jìn)行學(xué)習(xí)和研究的。 圖像頻域增強(qiáng)的基本步驟 圖像頻域增強(qiáng)的一般 方法歸納為一下六步 ： （ 1）計(jì)算原始圖像的 FFT》》》 F(u,v)； （ 2）四個(gè)角落的零頻點(diǎn)移到圖像中央； （ 3） H(u,v） *F(u,v)=G（ u,v） 。 （ 4） G(u， v)零頻點(diǎn)移回四個(gè)角落； （ 5）傅里葉反變換得到最終的圖像。 無論是何種類型，何種目的的頻率域圖像增強(qiáng)，處理的過程都是基本一致的， 都如下圖所示 圖 圖像頻域處理基本步驟 湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 下圖為處理后的效果圖 圖 頻域處理后對(duì)比圖 圖像的二值化 圖像二值化算法 指紋圖像的二值化是作為指紋圖像處理過程的過程之一，是進(jìn)行指紋圖像細(xì)化處理的先決條件。目前的指紋細(xì)化算法都是基于二值指紋圖像進(jìn)行的。對(duì)指紋圖像進(jìn)行二值化處理的優(yōu)點(diǎn)在于是圖像的幾何性質(zhì)只與 0和 1在圖像矩陣中的位置有關(guān)，不再涉及到圖像像素的灰度值，使算法的處理過程變的簡(jiǎn)單，這給指紋圖像的 存儲(chǔ)和對(duì)其的相應(yīng)的處理操作都帶了很大的便利性，同時(shí)也提高了系統(tǒng)的運(yùn)行效率。 一個(gè)好的二值化算法可以得到一個(gè)高質(zhì)量的二值圖像。反之，如果該階段處理不當(dāng)引入了噪聲，就會(huì)直接降低圖像的質(zhì)量，對(duì)后序的識(shí)別過程造成很大程度上的干擾。對(duì)指紋圖像二值化的基本要求就是二值化后的圖像能完整的反映出原指紋，具體要求表現(xiàn)為： （ 1） 紋線中不能出現(xiàn)空白。 （ 2） 二值化的紋線基本保持原指紋圖像的特征。 （ 3） 指紋的紋線中不能有太多的算法引起的間斷和紋線的想連。 （ 4） 指紋紋線間的間距應(yīng)該基本相同。 大多數(shù)灰度圖像的二值化變化函數(shù) F(x)都可以用下述公式進(jìn)行表達(dá)： 公式中的 T為人為指點(diǎn)的閥值，自變量 x為圖像像素點(diǎn)的灰度值。 局部自適應(yīng)閥值算法先是利用固定閥值算法的思想，然后再根據(jù)圖像中每一個(gè)部分的明暗度來調(diào)整閥值。首先把圖像分割成若干個(gè) w*w 的方塊，每一塊都根據(jù)自身的閥值來進(jìn)行二值化。這個(gè)算法利用了指紋圖像中脊線與谷線寬度基本相同的特點(diǎn)，即湖南科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 二值化后圖像的黑白像素點(diǎn)的個(gè)數(shù)也應(yīng)該大致相同，首先利用固定閥值算法的特點(diǎn)對(duì)指紋圖像中的每個(gè)一子塊確定一個(gè)大致的閥值，然后再利用自適應(yīng)的算法思想進(jìn)行閥值的調(diào)整，當(dāng)閥值最合適時(shí)圖像是最 光滑的，既沒有“黑洞”（閥值過大），也沒有“白點(diǎn)”（閥值過小），因此 01之間的轉(zhuǎn)換次數(shù)最少。以下為區(qū)域閥值的 T 的選取算法： （ 1） 將指紋劃分為相互不重疊的 w*w 的子塊，計(jì)算該子塊區(qū)域內(nèi)所有像素的灰度平均值。 （ 2） 計(jì)算該區(qū)域內(nèi)的 Nk(灰度值大于等于 T 的像素點(diǎn)的個(gè)數(shù) )和 Nl（灰度值小于 T的像素點(diǎn)的個(gè)數(shù)）的值 （ 3） .如果 klN N a?? ( 10%)a w w? ? ? ,則 T為閥值； （ 4） 若 klNN? ，則 T=T+1,否則 T=T1,返回第二步。