【文章內(nèi)容簡介】 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，基于這種方法的識別算法，很難全面適應(yīng)指紋的變化。 設(shè)計內(nèi)容與要求 ⑴、熟練掌握圖像處理原理與模式識別原理；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 別方法； ⑶、構(gòu)建指紋識別完整模型，包括圖像獲取、圖形預(yù)處理、特征提取、圖像識別各環(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，設(shè)計基于指紋識別的用戶管理界面； ⑷、在消化吸收國內(nèi)外研究成果的基礎(chǔ)上，探討指紋識別模型與算法的快速性、魯棒性。同時，針對構(gòu)建的簡單指紋圖像數(shù)據(jù)庫具有較好的識別效果，并考慮指紋門禁控制系統(tǒng)的實(shí)時性； 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 不同算法時對識別率的影響；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 3 第 2 章 指紋識別的基本理論及應(yīng)用 指紋識別的原理和方法 指紋的特征與分類 指紋識別學(xué)是一門古老的學(xué)科，它是基于人體指紋特征的相對穩(wěn)定與唯一這一統(tǒng)計學(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?？梢苑譃椤肮?、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。紋理特征多用于計算機(jī)指紋識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對 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。目前它已經(jīng)成為現(xiàn)代民用指紋識別應(yīng)用中越來越受關(guān)注的熱點(diǎn)之一。 指紋識別的原理和方法 指紋識別技術(shù)主要涉及四個功能：讀取指紋圖像、提取特征、保存數(shù)據(jù)和比對。通過指紋讀取設(shè)備讀取到人體指紋的圖像，然后要對原始圖像進(jìn)行初步的處理，使之更清晰，再通過指紋辨識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)同時具有七種以上的唯一性特征。通常手指上平均 具有 70 個節(jié)點(diǎn)，所以這種方法會產(chǎn)生大約 490 個數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)，通常稱為模板。通過計算機(jī)模糊比較的方法，把兩個指紋的模板進(jìn)行比較，計算出它們的相似程度，最終得到兩個指紋的匹配結(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 4 指紋識別技術(shù)的主要指標(biāo)和測試方法 算法的精確度 指紋識別系統(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，引入了下列兩個指標(biāo)： 拒識率（ false rejection rate， FRR）：是指將相同的指紋誤認(rèn)為是不同的，而加以拒絕的出錯概率。 FRR=（拒識的指紋數(shù)目／考察的指紋總數(shù)目） 100%。 誤識率（ false accept rate， FAR）：是指將不同的指紋誤認(rèn)為是相同的指紋，而加以接收的出錯概率。 FAR=（錯判的指紋數(shù)目／考察的指紋總數(shù)目） 100%。 對于一個已有的系統(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)，誤識的可能性就越低，但是拒識的可能 性就越高。 誤識率和拒識率的測試方法 測試這兩個指標(biāo)，通常采用循環(huán)測試方法。即給定一組圖像，然后依次兩兩組合，提交進(jìn)行比對，統(tǒng)計總的提交比對的次數(shù)以及發(fā)生錯誤的次數(shù)，并計算出出錯的比例，就是FRR 和 FAR。針對 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)測試，總測試次數(shù)為 1000405 次，如果測試中發(fā)生一次錯誤比對成功，則 FAR=1/1000405；針對 FRR=%，應(yīng)采用不少于 46 幅屬于同一指紋的 圖像組合配對進(jìn)行測試，則總提交測試的次數(shù)為 1035 次數(shù)，如果發(fā)生一次錯誤拒絕，則 FRR=1/1035。測試所采用的樣本數(shù)越多，結(jié)果越準(zhǔn)確。作為測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 過高將會嚴(yán)重影響設(shè)備的使用范圍，通常要求小于 1%。 登錄時間：指紋設(shè)備登錄一枚指紋所需的時間，通常單次登錄的時間要求不超過 2 s。 比對時間：指紋設(shè)備對兩組指紋特征模版進(jìn)行比對所耗費(fèi)的時間，通常要求不超過 1 s。 工作溫度：指紋設(shè)備正常工作時所允許的溫度變化范圍，一般是 0～ 40 ℃ 。 工作濕度：指紋設(shè)備正常工作時所允許的相對濕度變化范圍，一般是 30%～ 95%。 五邑大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 5 指紋識別技術(shù)的應(yīng)用 指紋識別技術(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)、銀行指紋儲蓄系統(tǒng)、銀行指紋保管箱、指紋醫(yī)療保險系統(tǒng)、計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）進(jìn)行對比，如果兩者相符（即匹配），則顯示比對成功，門就自動打開。如不匹配，則顯示“不成功”或“沒有這個指紋”，門就不開。在指紋門禁系統(tǒng)中，可 以是一對一的比對（ one to one matching），也可以是一對幾個比對 （ one to few matching）。前者可以是一個公司、部門，后者可以是一個家庭的成員、銀行的營業(yè)廳、金庫、財務(wù)部門、倉庫等機(jī)要場所。在這些應(yīng)用中，指紋識別系統(tǒng)將取代或者補(bǔ)充許多大量使用照片和 ID 系統(tǒng)。 把指紋識別技術(shù)同 IC 卡結(jié)合起來，是目前最有前景的一個應(yīng)用之一。該技術(shù)把卡的主人的指紋（加密后）存儲在 IC 卡上，并在 IC 卡的讀卡機(jī)上加裝指紋識別系統(tǒng)，當(dāng)讀卡機(jī)閱讀卡上的信息時，一并讀入持卡者的指紋，通過比對就可以確認(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算機(jī)網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行傳輸和驗(yàn)證，通過指紋識別技術(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。 指紋社會保險系統(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。 指紋識別的可靠性 指紋識別技術(shù)是成熟的生物識別技術(shù)。因?yàn)槊總€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。自動指紋識別是利用計算機(jī)來進(jìn)行指紋識別的一種方法。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 于識別的數(shù)據(jù)量相當(dāng)大，對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行比對是需要進(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)備和速度更快的計五邑大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 6 算機(jī)，提供了在微機(jī)上進(jìn)行指紋比對運(yùn)算的可能。另外，匹配算法可靠性也不斷提高。因此，指紋識別技術(shù)己經(jīng)非常簡單實(shí)用。由于計算機(jī)處理指紋時，只是涉及了一些有限的信息，而且比對算法并不是十分精確匹配，其結(jié)果也不能保證 100%準(zhǔn)確。 指紋識別系統(tǒng)的特定應(yīng)用的重要衡量標(biāo)志是識別率。主要包括拒識率和誤識率，兩者成反比關(guān)系。根據(jù)不同的用途來調(diào)整這兩個值。盡管指紋識別系統(tǒng)存在著可靠性問題， 但其安全性也比相同可靠性級別的“用戶 ID+密碼”方案的安全性要高得多。拒識率實(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)計中，要權(quán)衡易用性和安全性。通常用比對兩個或更多的指紋來達(dá)到不損失易用性的同時，極大提高系統(tǒng)的安全性。 本章小結(jié) 本章詳細(xì)介紹了指紋識別的基本理論，是我們對指紋識別原理及處理方法有了初步的了解。 指紋識別系統(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)、銀行指紋儲蓄系統(tǒng)、銀行指 紋保管箱、指紋醫(yī)療保險系統(tǒng)、計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。指紋識別技術(shù)是成熟的生物識別技術(shù)，指紋識別系統(tǒng)的特定應(yīng)用的重要衡量標(biāo)志是識別率。 五邑大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 7 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)特征的指紋自動識別技術(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： 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 識別系統(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)量的圖像對分類識別結(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 濾波器對圖像進(jìn)行濾波。這種方法計算量比較大，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 種方法對于從不同渠道獲得的 圖像均有不錯的效果。 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)（或每一塊在各個方向上的某個統(tǒng)計量（如灰度差、梯度等），根據(jù)這些統(tǒng)計量在各個方向上的差異，確定該點(diǎn)（塊）的方向。 五邑大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 8 方向圖的計算 求點(diǎn)方向圖 設(shè) ? ?yxf , 是指紋圖像中點(diǎn) ? ?yx, 的灰度值，要計算該點(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 為每個方向上所取的鄰點(diǎn)數(shù)。這兩個數(shù)的具體取值與圖像的分辨率有關(guān)，一般取 N=16，即取 16 個方向， n=8，即一個方向上取 8 個鄰點(diǎn)。 點(diǎn) ? ?yx, 的方向?yàn)?dS 取值最小的方向。對圖像中的每一點(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，而是有限的幾個數(shù)。 2．這種方向計算出的方向范圍是 0～ 2? ，有利于求取指紋的走勢。（ 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，對每一塊計算方向直方圖（橫坐標(biāo)的方向取到的 N個值，縱坐標(biāo)為取這些方向的象素個數(shù)），方向直方圖中的峰值所對應(yīng)的方向，即該塊的方向。 五邑大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 9 最小均方估計塊方向算法 ? ?jif , 代表指紋圖像在 ? ?ji, 處的灰度值步驟： 1．將圖