【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 為特征進(jìn)行匹配，丟失了蘊(yùn)涵在圖像中的其他豐富的結(jié)構(gòu)信息。不難想象，基于這種方法的識(shí)別算法，很難全面適應(yīng)指紋的變化。 設(shè)計(jì)內(nèi)容與要求 ⑴、熟練掌握?qǐng)D像處理原理與模式識(shí)別原理；熟練掌握 MATLAB 軟件及該軟件中的ImageProcessingToolbox 及其編程技巧； ⑵、掌握指紋識(shí)別的概念與實(shí)現(xiàn)過程框圖；熟練掌握指紋圖像的特征、特征提取、指紋 識(shí)別方法； ⑶、構(gòu)建指紋識(shí)別完整模型，包括圖像獲取、圖形預(yù)處理、特征提取、圖像識(shí)別各環(huán)節(jié)的軟件算法；在圖像預(yù)處理過程中，充分考慮圖像去噪、圖像增強(qiáng)等有關(guān)算法；同時(shí)，設(shè)計(jì)基于指紋識(shí)別的用戶管理界面； ⑷、在消化吸收國內(nèi)外研究成果的基礎(chǔ)上，探討指紋識(shí)別模型與算法的快速性、魯棒性。同時(shí)，針對(duì)構(gòu)建的簡(jiǎn)單指紋圖像數(shù)據(jù)庫具有較好的識(shí)別效果，并考慮指紋門禁控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性； ⑸、參照國內(nèi)外同行取得的研究成果，不斷改進(jìn)算法模型。針對(duì)實(shí)際應(yīng)用，探討該模型算法的優(yōu)點(diǎn)；討論指紋圖像數(shù)據(jù)庫的大小、系統(tǒng)容量、訓(xùn)練樣本隨機(jī)變化、以及選 擇不同算法時(shí)對(duì)識(shí)別率的影響；得出具有一般性指導(dǎo)意義的結(jié)論。 五邑大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 第 2 章 指紋識(shí)別的基本理論及應(yīng)用 指紋識(shí)別的原理和方法 指紋的特征與分類 指紋識(shí)別學(xué)是一門古老的學(xué)科，它是基于人體指紋特征的相對(duì)穩(wěn)定與唯一這一統(tǒng)計(jì)學(xué)結(jié)果發(fā)展起來的。實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)需求的不同，可以將人體的指紋特征分為：永久性特征、非永久性特征和生命特征。永久性特征包括細(xì)節(jié)特征（中心點(diǎn)、三角點(diǎn)、端點(diǎn)、叉點(diǎn)、橋接點(diǎn)等）和輔助特征（紋型、紋密度、紋曲率等元素），在人的一生中永不會(huì)改變，在手指前端的典型區(qū)域中最為明顯，分布也最均勻。細(xì)節(jié) 特征是實(shí)現(xiàn)指紋精確比對(duì)的基礎(chǔ)，而紋形特征、紋理特征等則是指紋分類及檢索的重要依據(jù)。人類指紋的紋形特征根據(jù)其形態(tài)的不同通常可以分為“弓型、箕型、斗型”三大類型，以及“孤形、帳形、正箕形、反箕形、環(huán)形、螺形、囊形、雙箕形和雜形”等 9 種形態(tài)。紋理特征則是由平均紋密度、紋密度分布、平均紋曲率、紋曲率分布等紋理參數(shù)構(gòu)成。紋理特征多用于計(jì)算機(jī)指紋識(shí)別算法的多維分類及檢索。非永久性特征由孤立點(diǎn)、短線、褶皺、疤痕以及由此造成的斷點(diǎn)、叉點(diǎn)等元素構(gòu)成的指紋特征，這類指紋有可能產(chǎn)生、愈合、發(fā)展甚至消失。 指紋的生命特征與被測(cè) 對(duì)象的生命存在與否密切相關(guān)。但它與人體生命現(xiàn)象的關(guān)系和規(guī)律仍有待進(jìn)一步認(rèn)識(shí)。目前它已經(jīng)成為現(xiàn)代民用指紋識(shí)別應(yīng)用中越來越受關(guān)注的熱點(diǎn)之一。 指紋識(shí)別的原理和方法 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)。通過指紋讀取設(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為“節(jié)點(diǎn)”（ minutiae）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)，通常稱為模板。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。采集設(shè)備（即取像設(shè)備）分成幾類：光學(xué)、半導(dǎo)體傳感器和其他。 五邑大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 指紋識(shí)別技術(shù)的主要指標(biāo)和測(cè)試方法 算法的精確度 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。為了便于采用量化的方 法表示其性能，引入了下列兩個(gè)指標(biāo)： 拒識(shí)率（ false rejection rate， FRR）：是指將相同的指紋誤認(rèn)為是不同的，而加以拒絕的出錯(cuò)概率。 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）：是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。 FAR=（錯(cuò)判的指紋數(shù)目／考察的指紋總數(shù)目） 100%。 對(duì)于一個(gè)已有的系統(tǒng)而言，通過設(shè)定不同的系統(tǒng)閾值，就可以看出這兩個(gè)指標(biāo)是互為相關(guān)的， FRR 與 FAR 成反比關(guān)系。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。 誤識(shí)率和拒識(shí)率的測(cè)試方法 測(cè)試這兩個(gè)指標(biāo)，通常采用循環(huán)測(cè)試方法。即給定一組圖像，然后依次兩兩組合，提交進(jìn)行比對(duì)，統(tǒng)計(jì)總的提交比對(duì)的次數(shù)以及發(fā)生錯(cuò)誤的次數(shù)，并計(jì)算出出錯(cuò)的比例，就是FRR 和 FAR。針對(duì) FAR=%的指標(biāo)，應(yīng)采用不少于 1415 幅不同的指紋圖像作循環(huán)測(cè)試，總測(cè)試次數(shù)為 1000405 次，如果測(cè)試中發(fā)生一次錯(cuò)誤比對(duì)成功，則 FAR=1/1000405；針對(duì) FRR=%，應(yīng)采用不少于 46 幅屬于同一指紋 的圖像組合配對(duì)進(jìn)行測(cè)試，則總提交測(cè)試的次數(shù)為 1035 次數(shù)，如果發(fā)生一次錯(cuò)誤拒絕，則 FRR=1/1035。測(cè)試所采用的樣本數(shù)越多，結(jié)果越準(zhǔn)確。作為測(cè)試樣本的指紋圖像應(yīng)滿足可登記的條件。 系統(tǒng)參數(shù) 登率（ error registration rate， 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，ERR 過高將會(huì)嚴(yán)重影響設(shè)備的使用范圍，通常要求小于 1%。 登錄時(shí)間：指紋設(shè)備登錄一枚指紋所需的時(shí)間，通常單次登錄的時(shí)間要求不超過 2 s。 比對(duì)時(shí)間：指紋設(shè)備對(duì)兩組指紋特征模版進(jìn)行比對(duì)所耗費(fèi)的時(shí)間，通常要求不超過 1 s。 工作溫度：指紋設(shè)備正常工作時(shí)所允許的溫度變化范圍，一般是 0～ 40 ℃ 。 工作濕度：指紋設(shè)備正常工作時(shí)所允許的相對(duì)濕度變化范圍，一般是 30%～ 95%。 五邑大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 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，除了刑事偵察用之外，在民用方面已非常廣泛，如指紋門禁系統(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)、證券交易指紋系統(tǒng)、指紋槍械管理系統(tǒng)、智能建筑指紋門禁管理系統(tǒng)、駕駛員指紋管理系統(tǒng)等。 指紋門禁系統(tǒng)和指紋考勤系統(tǒng)是開發(fā)和使用得最早的一種出入管理系統(tǒng)，包括對(duì)講指紋門禁、聯(lián)機(jī)指紋門禁、脫機(jī)指紋門禁等等。在入口將個(gè)人的手指按在指紋采集器上，系統(tǒng)將已登錄在指紋庫中的指紋（稱為已經(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，門就自動(dòng)打開。如不匹配，則顯示“不成功”或“沒有這個(gè)指紋”，門就不開。在指紋門禁系統(tǒng)中， 可以是一對(duì)一的比對(duì)（ one to one matching），也可以是一對(duì)幾個(gè)比對(duì) （ one to few matching）。前者可以是一個(gè)公司、部門，后者可以是一個(gè)家庭的成員、銀行的營(yíng)業(yè)廳、金庫、財(cái)務(wù)部門、倉庫等機(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，是目前最有前景的一個(gè)應(yīng)用之一。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)閱讀卡上的信息時(shí)，一并讀入持卡者的指紋，通過比對(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。 近年來，互聯(lián)網(wǎng)帶給人們方便與利益已，也存在著安全問題。指紋特征數(shù)據(jù)可以通過電子郵件或其它傳輸方法在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行傳輸和驗(yàn)證，通過指紋識(shí)別技術(shù)，限定只有指定的人才能訪問相關(guān)的信息，可以極大地提高網(wǎng)上信息的安全性。網(wǎng)上銀行、網(wǎng)上貿(mào)易、電子商務(wù)等一系列網(wǎng)絡(luò)商業(yè)行為就有了安全性保障。 指紋社會(huì)保險(xiǎn)系統(tǒng)的應(yīng)用為養(yǎng)老金的準(zhǔn)確發(fā)放起了非常有效的作用。避免了他人用圖章或身 份證復(fù)印件代領(lǐng)，而發(fā)放人員無法確定該人是故世的問題，要憑本人的活體指紋，才可準(zhǔn)確發(fā)放養(yǎng)老金。 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。自動(dòng)指紋識(shí)別是利用計(jì)算機(jī)來進(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)五邑大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 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，匹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 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。主要包括拒識(shí)率和誤識(shí)率，兩者成反比關(guān)系。根據(jù)不同的用途來調(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)或更多的指紋來達(dá)到不損失易用性的同時(shí)，極大提高系統(tǒng)的安全性。 本章小結(jié) 本章詳細(xì)介紹了指紋識(shí)別的基本理論，是我們對(duì)指紋識(shí)別原理及處理方法有了初步的了解。 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。指紋識(shí)別技術(shù)已經(jīng)成熟，其應(yīng)用日益普遍，除了刑事偵察用之外，在民用方面已非常廣泛，如指紋門禁系統(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)、證券交易指紋系統(tǒng)、指紋槍械管理系統(tǒng)、智能建筑指紋門禁管理系統(tǒng)、駕駛員指紋管理系統(tǒng)等。指紋識(shí)別技術(shù)是成熟的生物識(shí)別技術(shù)，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。 第 3 章 指紋圖像處理及特征提取與實(shí)現(xiàn) 方法概述 基于細(xì)節(jié)點(diǎn)特征 的指紋自動(dòng)識(shí)別技術(shù)是目前這方面研究中的主流，這種系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)有以下一些步驟如圖 31： 五邑大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 后處理細(xì)化指 紋圖 像特 征匹 配預(yù) 處 理特征提取濾波結(jié) 論二值化 圖 31 基于細(xì)節(jié)點(diǎn)特征的指紋自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng) 預(yù)處理是將輸入 的（直接采集進(jìn)來的）低質(zhì)量、有噪音的指紋源圖象處理成已細(xì)化了的清晰的二值圖像 [3]。它的目的是減少低質(zhì)量的圖像對(duì)分類識(shí)別結(jié)果的影響，預(yù)處理中一般包括圖像增強(qiáng)、濾波、二值化、細(xì)化等步驟。 預(yù)處理的方法通常有兩種： 方法一：先求方向圖，后求頻率圖，最后由此得到的 Gabor 濾波器對(duì)圖像進(jìn)行濾波。這種方法計(jì)算量比較大，在求頻率圖容易產(chǎn)生偏差，不利于單片機(jī)的實(shí)現(xiàn)。 方法二：結(jié)合指紋圖像自身的特點(diǎn)以及其源圖像像素來確定該點(diǎn)是否為脊，直接準(zhǔn)確地得到黑白二值的指紋脊圖像。這 種方法對(duì)于從不同渠道獲得的圖像均有不錯(cuò)的效果。 在 以上兩種方法都要用到方向圖，方向圖是一種可直接從原灰度圖像中得到的有用信息，在預(yù)處理、特征提取、指紋分類中有著重要意義。我們總是在準(zhǔn)確求得方向圖的基礎(chǔ)上運(yùn)用各種濾波方法或直接找脊的方法來進(jìn)行預(yù)處理。 方向圖描述了指紋圖像中每一像素點(diǎn)所在脊線或谷線在該點(diǎn)的切線方向，也可看作是指紋源圖像的一種變化表示方法，既用紋線的方向來表示該紋線。方向圖分為兩種：一種是點(diǎn)方向圖，表示源指紋圖像中每一點(diǎn)脊線的方向：另一種是塊方向圖，表示源指紋圖像中每一塊脊線的大致方向。計(jì)算方向圖的基本思想是：在原灰度圖像中每一點(diǎn)（或每一塊在各 個(gè)方向上的某個(gè)統(tǒng)計(jì)量（如灰度差、梯度等），根據(jù)這些統(tǒng)計(jì)量在各個(gè)方向上的差異，確定該點(diǎn)（塊）的方向。 方向圖的計(jì)算 求點(diǎn)方向圖 五邑大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 設(shè) ? ?yxf , 是指紋圖像中點(diǎn) ? ?yx, 的灰度值，要計(jì)算該點(diǎn)的方向 ? ?yxD , ，需要先求出 dS （該點(diǎn)臨域沿 d 方向的灰度變化）。 圖 32 點(diǎn)方向示意圖 dS = ? ? ? ??? ?nk kkd yxfyxf1 ,， d=1， 2， ， N （ ） 其中： ? ?kk yx, 是方向 d 上的第 k 個(gè)點(diǎn)； ? ?kkd yxf , 是該點(diǎn)的灰度值， N 是所取的方向數(shù)， n 為每個(gè)方向上所取的鄰點(diǎn)數(shù)。這兩個(gè)數(shù)的具體取值與圖像的分辨率有關(guān)，一般取 N=16，即取 16 個(gè)方向， n=8，即一個(gè)方向上取 8 個(gè)鄰點(diǎn)。 點(diǎn) ? ?yx, 的方向?yàn)?dS 取值最小的方向。對(duì)圖像中的每一點(diǎn)求取點(diǎn)方向，這樣便形成了指紋點(diǎn)方向圖。 此方向求得的方向特點(diǎn)： 1．方向取值不是 0～ 2? 中的任意值，而是有限的幾個(gè)數(shù)。 2．這種方向計(jì)算出的方向范圍是 0～ 2? ，有利于求取指紋的走勢(shì)。（ 4/? 與 4/5? 認(rèn)為是不同方向） 由點(diǎn)方向圖求塊方向圖的算法 把點(diǎn)方向圖分成 ww? 大小的塊，對(duì)每一塊計(jì)算方向直方圖（橫坐標(biāo)的方向取到的 N個(gè)值，縱坐標(biāo)為取這些方向的象素個(gè)數(shù)），方向直方圖中的峰值所對(duì)應(yīng)的方向，即該塊的方向。 最小均方估計(jì)塊方向算法 ? ?jif , 代表指紋圖像在 ? ?ji, 處的灰度值步驟： 1．將圖像分成大小為 MM? 的塊。這里 M 的大小以包含一脊一谷（即一周期）為宜； 五邑大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)