【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 179。 6英寸的盒子里，在不久的將來更小的設(shè)備可能只有3179。 1179。 1英寸。這些進(jìn)展得益于多種光學(xué)技術(shù)的發(fā)展。例如 :可以利用纖維光束來獲取指紋圖像。纖維光束垂直照射到指紋的表面，他照亮指紋并探測(cè)反射光。另 一個(gè)方案是把含有微型二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)，由于指紋脊和谷的壓力不同而改變了微型二棱 鏡的表面，這些變化通過三棱鏡光的反射而反映出來。 半導(dǎo)體傳感器 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。 8 （ 1）硅電容指紋圖像傳感器。這是最常見的半導(dǎo)體指紋傳感器，它通過電子度量來捕捉指紋。在半導(dǎo)體金屬陣列上能結(jié)合大約 100000 個(gè)電容傳感器，其外面是絕緣的表面。傳感器陣列的每一點(diǎn)是一個(gè)金屬電極，充當(dāng)電容器的一極，按在傳感面上的手指頭的對(duì)應(yīng)點(diǎn)則作為另一極，傳感面形成兩極之間的介電層。由于指紋的脊和谷相對(duì)于另一極之間的距離不同 (紋路深淺的存在），導(dǎo)致硅表 面電容陣列的各個(gè)電容值不同，測(cè)量并記錄各點(diǎn)的電容值，就可以獲得具有灰度級(jí)的指紋圖像。 （ 2）半導(dǎo)體壓感式傳感器。其表面的頂層是具有彈性的壓感介質(zhì)材料，它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)，并進(jìn)一步產(chǎn)生具有灰度級(jí)的指紋圖像。 （ 3）半導(dǎo)體溫度感應(yīng)傳感器。它通過感應(yīng)壓在設(shè)備上的脊和遠(yuǎn)離設(shè)備的谷溫度的不同就可以獲得指紋圖像。 半導(dǎo)體指紋傳感器采用了自動(dòng)控制技術(shù)（ AGC 技術(shù)），能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)指紋圖像像素行以及指紋局部范圍的敏感程度，在不同的環(huán)境下結(jié)合反饋的信息便可產(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，都能夠被感覺到，從而可以增強(qiáng)其靈敏度，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(cè)到（如：手指壓得較輕的地方），并在捕捉的瞬間為這些像素提高靈敏度。半導(dǎo)體指紋采集設(shè)備可以獲得相當(dāng)精確的指紋圖像，分辨率可高達(dá) 600dpi，并且指紋采集時(shí)不需要像光學(xué)采集設(shè)備那樣，要求有較大面積的采集頭。由于半導(dǎo)體芯片的體積小巧，功耗很低，可以集成到許多現(xiàn)有設(shè)備中，這是光學(xué)采集設(shè)備所無法比擬的，現(xiàn)在許多指紋識(shí)別系統(tǒng)研發(fā)工作都采用半導(dǎo)體采集設(shè) 備來進(jìn)行。早期半導(dǎo)體傳感器最主要的弱點(diǎn)在于：容易受到靜電的影響，使得傳感器有時(shí)會(huì)取不到圖像，甚至?xí)粨p壞圖像。手指的汗液中的鹽分或者其他的污物，以及手指磨損都會(huì)使半導(dǎo)體傳感器的取像很困難。另外，它們并不像玻璃一樣耐磨損，從而影響使用壽命。隨著各種工藝技術(shù)的不斷發(fā)展，芯片的防靜電性能和耐用度得到了很大的改善。 半導(dǎo)體傳感器 的缺點(diǎn)在于 ，其價(jià)格與硅晶片的面積相關(guān)，晶片面積越大，芯片價(jià)格越高。為了降低成本，晶片面積一般都比較小。小的接觸面積使每次捕捉的指紋圖像重疊區(qū)域變小，這樣導(dǎo)致輸入指紋與模板指紋間缺乏足夠的對(duì)應(yīng) 細(xì)節(jié)點(diǎn)，傳統(tǒng)的基于細(xì)節(jié)點(diǎn)的算法的性能就會(huì)下降。 9 超聲波掃描傳感器 超聲波掃描傳感器工作原理為傳送超聲波，并通過手指、臺(tái)板和空氣間的電阻來測(cè)量距離的方法完成錄入，掃描指紋的表面，接收設(shè)備獲取了其反射信號(hào)，測(cè)量它的范圍，得到脊的深度。超聲波掃描被認(rèn)為是指紋取像技術(shù)中非常好的一類，積累在皮膚上的臟物和油脂對(duì)超聲波獲得的圖像影響不大，是實(shí)際脊地形 (凹凸 )的真實(shí)反映，為精確度最高的指紋錄入技術(shù)。但由于超聲波錄入設(shè)備的耐久性還難以估計(jì)，因此實(shí)際中應(yīng)用得較少。Ultrascan 公司首開超聲波指紋圖像采集設(shè)備產(chǎn)品先河。 但成本很高，而且還處于實(shí)驗(yàn)室階段。 近年來，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，指紋采集設(shè)備越來越便宜，這為指紋識(shí)別技術(shù)的普遍應(yīng)用提供了良好的條件。 特征提取與匹配 AFIS 系統(tǒng)中，指紋識(shí)別算法最終都?xì)w結(jié)為在指紋圖像上提取和比對(duì)指紋特征。迄今為比，指紋的提取和比對(duì)方面人們己經(jīng)做了大量的研究。新近的算法大致可以分為 ： 基于 結(jié)構(gòu) 的特征提取和匹配、基于特征點(diǎn)的匹配和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法 [19]。 比如 Isenor等指出了一種用圖匹配來對(duì)兩幅指紋圖像進(jìn)行匹配的方法。Hrechak 等用結(jié)構(gòu)匹配來做指紋識(shí)別?；?DHNN 人工神經(jīng) 網(wǎng)絡(luò)的指紋識(shí)別技術(shù)。其中最多的是基于點(diǎn)匹配的方法，有 Ranade 等的松弛算法， Chang 等基于 一 維聚類的快速算法， Miklos z的三角匹配算法， Jain 等的串匹配算法，以及 Luo 等針對(duì) Jain 等的算法所提出的改進(jìn)算法等。 這幾種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。點(diǎn)匹配方法雖然應(yīng)用得最多，發(fā)展得最成熟。但是其有步驟繁多，抗干擾能力差，對(duì)指紋圖像質(zhì)量依賴性強(qiáng)，提取特征點(diǎn)可靠性差等缺點(diǎn)。基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法容錯(cuò)性高，但需要大量樣本事先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行訓(xùn)練才能發(fā)揮作用，而且計(jì)算量也偏大，不符合實(shí)時(shí)性的要求。而基于圖像匹配的方法不能很好的解決 指紋旋轉(zhuǎn)、平移等問題。 性能評(píng)價(jià) 指紋算法中引入了兩個(gè)重要的數(shù)字指標(biāo)來描述該系統(tǒng)的精確度。拒判率 10 (False Rejection Rate， FRR)和誤判率 (False Accept Rate， FAR)。 此外拒登率 (Error Registration Rate， ERR)和識(shí)別速度也會(huì)影響到使用的方便性。 ? FRR 拒判率又稱拒真率，指將相同的指紋誤認(rèn)為是不同的指紋，而加以拒絕的出錯(cuò)概率。其定義為： FRR=拒識(shí)的指紋數(shù)目 /考察的指紋總數(shù)目179。100%。 ? FAR 又稱認(rèn)假率，指將不同的指紋誤認(rèn)為是相同的指紋 ，而加以接收的出錯(cuò)概率。其定義為： FRR=錯(cuò)判的指紋數(shù)目 /考察的指紋總數(shù)目179。 100%[19]。 ? 拒登率是用來描述指紋設(shè)備的適應(yīng)性，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 過高將會(huì)嚴(yán)重影響設(shè)備的使用范圍。 ? 速度。指紋識(shí)別系統(tǒng)的工作速度主要由采集時(shí)間、圖像處理時(shí)間、比對(duì)時(shí)間和平均識(shí)別速度幾項(xiàng)指標(biāo)構(gòu)成。采集時(shí)間通常包含了采集的操作時(shí)間和圖像的傳輸時(shí)間；圖像處理時(shí)間指的是從計(jì)算機(jī)處理指紋圖像到提取出所有特征、輸出特征模板所耗費(fèi)的時(shí)間；比對(duì)時(shí)間是指計(jì)算機(jī)對(duì)兩組指紋特征模板進(jìn)行比對(duì)并給出結(jié)果所耗費(fèi)的時(shí)間； 平均識(shí)別速度指計(jì)算機(jī)從指紋特征模版庫中搜索出特定指紋特征模板的速度，通常是一個(gè)統(tǒng)計(jì)平均值，其速度的快慢與指紋特征模版庫的分類方法有很大關(guān)系。 F A R FR R E E R 圖 13 FAR 和 FRR 關(guān)系曲線圖 ROC 曲線 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，拒判率 (FRR)和誤判率(FAR)。我們可以根據(jù)不同的用途來調(diào)整這兩個(gè)值。 FRR 和 FAR 是 成反比的， 11 降低 FAR，會(huì)增加 FRR；反過來，降低 FRR，又會(huì)增加 FAR。用 比來表達(dá)這個(gè)數(shù)。 ROC(Receiver Operating Curve)曲線給出 FAR 和 FRR 之間的關(guān)系。 盡管指紋識(shí)別系統(tǒng)存在著可靠性問題，但其安全性也比相同可靠性級(jí)別的“用 戶 ID+密碼”方案的安全性高得多。例如采用四位數(shù)字密碼的系統(tǒng)，不安全概率為 %，如果同采用誤判率為 %指紋識(shí)別系統(tǒng)相比，由于不誠實(shí)的人可以在一 段時(shí)間內(nèi)試用所有可能的密碼，因此四位密碼并不安全，但是他絕對(duì)不可能找到一千個(gè)人去為他 把所有的手指（十個(gè)手指）都試一遍。正因?yàn)槿绱耍瑱?quán)威機(jī)構(gòu)認(rèn)為，在應(yīng)用中 1%的誤判率就可以接受。 圖 14 ROC 曲線圖 FRR 實(shí)際上也是系統(tǒng)易用性的重要指標(biāo)。由于 FRR 和 FAR 是相互矛盾的，這就使得在應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，要權(quán)衡易用性和安全性。一個(gè)有效的辦法是比對(duì)兩個(gè)或更多的指紋，從而在不損失易用性的同時(shí)，極大地提高了系統(tǒng)安全性。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)。 本文所做工作及論文結(jié)構(gòu) 指紋識(shí)別技術(shù)作為一種新興的身份驗(yàn)證技術(shù)，具有廣闊的應(yīng)用空間。而考慮到產(chǎn)品的 體積與價(jià)格因素， DSP 系統(tǒng)是比較符合要求的。本文 的指紋傳感器模塊就 采用 DSP 來實(shí)現(xiàn)指紋識(shí)別。 本文首先介紹了在身份驗(yàn)證中的指紋識(shí)別算法，采用一種新的算法一基于小波變換的統(tǒng)計(jì)算法對(duì)指紋圖像進(jìn)行特征提取和特征匹配 。 12 本文在第二章中詳細(xì)介紹了指紋識(shí)別的常規(guī)算法和本文所采用的算法，并比較了兩種算法的性能特點(diǎn) ， 同時(shí)對(duì)本文指紋奇異點(diǎn)提取所采用的具體方法作了詳細(xì)介紹。第 三 章介紹了本設(shè)計(jì)所使用的硬件開發(fā)工具以及在 AVR 開發(fā)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)指紋 系統(tǒng) 程序 設(shè)計(jì) 的過程。第 四 章是對(duì)本文所做工作的總結(jié)，并提出了今后改進(jìn)的方案和指紋識(shí)別技術(shù)的 前景展望。 13 第二章 指紋識(shí)別算法 本章首先 介紹了傳統(tǒng)的基于細(xì)節(jié)點(diǎn)的指紋識(shí)別算法，以及基于結(jié)構(gòu)的指紋識(shí)別算法的基本原理，接著 介紹 本文 指紋識(shí)別的核心算法 —— 指紋特征提取與匹配算法，不僅對(duì)常規(guī)的點(diǎn)匹配的方法和本文的算法進(jìn)行介紹，并且對(duì)它們的性能進(jìn)行了比較；而第二部分則介紹了指紋奇異點(diǎn)提取算法的思想和實(shí)現(xiàn)的具體步驟。 指紋 識(shí)別 的基本知識(shí) 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 [19]和局部特征。 總體特征 總體特征是指那些用肉眼直接就可以觀察到的特征，包括： 1. 紋形 環(huán)型（ loop） 弓型（ arch） 螺旋型（ whorl） 圖 21 指紋紋形分類 指紋的紋形主要有環(huán)型、弓型和螺旋型三種， 其他的指紋圖案都基于這三種基本圖案。僅僅依靠紋形來分辨指紋是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，這只是一個(gè)粗略的分類，通過更詳細(xì)的分類使得在大數(shù)據(jù)庫中搜尋指紋更為方便快捷。 2. 模式區(qū)（ Pattern Area） 模式區(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)。 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) 14 行分析和識(shí)別。 3. 核心點(diǎn)（ Core Point） 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。 4. 三角點(diǎn)（ Delta） 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。 5. 紋數(shù)（ Ridge Count） 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)。 模式區(qū) 核心點(diǎn) 三角點(diǎn) 紋數(shù) 圖 22 指紋總體特征 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 —— 特征點(diǎn)，卻不可能完全相同。 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“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。 指紋上的細(xì)節(jié)特征點(diǎn)有四種不同的特征：特征點(diǎn)的類型、特征點(diǎn)的方向、特征點(diǎn)紋線的曲率、特征點(diǎn)的位置。 指紋特征點(diǎn)的 類型 見表 21， 其中 最典型的是終結(jié)點(diǎn)和分叉點(diǎn)。 方向 是指 紋路 灰度連續(xù)的方向，特征點(diǎn) 可以朝著一定的方向。 曲率 描述紋路方向改變的速度。 特征點(diǎn) 的位置通過（ x, y）坐標(biāo)來描述，可以是絕對(duì)的，也可 以 15 是相對(duì)于三角點(diǎn)或特征點(diǎn)的。 表 21 特征點(diǎn)分類表 終結(jié)點(diǎn)（ Ending） —— 一條紋路在此終結(jié)。 分叉點(diǎn)（ Bifurcation） —— 一條紋路在此分開成為兩條或更多的紋路。 分歧點(diǎn)（ Ridge Divergence） —— 兩條平行的紋路在此分開。 孤立點(diǎn)（ Dot or Island） —— 一條特別短的紋路，以至于成為一點(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)。 短紋（ Short Ridge） —— 一端較短但不至于成為一點(diǎn)的紋路。 指紋的特征提取與匹配算法 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， 因此不能直接處理指紋圖像）。但指紋識(shí)別算法最終都?xì)w結(jié)為在指紋圖像上找到并比對(duì)指紋的特征。 傳統(tǒng)的基于 特征 點(diǎn)的指紋識(shí)別算法的不足之處在于：只利用了指紋圖像中一小部分信息 (細(xì)節(jié)點(diǎn) )，丟失了豐富的結(jié)構(gòu)信息，對(duì)于小面積的指紋圖像就有可能因?yàn)槿狈ψ銐虻男畔⒍绊懽R(shí)別率；在細(xì)節(jié)點(diǎn)的提取過程中，很容易產(chǎn)生虛假細(xì)節(jié)點(diǎn)和丟失真正的細(xì)節(jié)點(diǎn)，在指紋的受損區(qū)域，這種現(xiàn)象更為突出；由于每個(gè)指紋的細(xì)節(jié)點(diǎn)數(shù)都不相同，產(chǎn)生的特征矢量長(zhǎng)度不同，不利于快速比對(duì) (搜索指紋庫 )；特征比對(duì)時(shí)，細(xì)節(jié)點(diǎn)的相對(duì)位置隨指紋的彈性變性而改變，影響比對(duì)的準(zhǔn)確性 。