【文章內(nèi)容簡介】 定義和追溯其身份。這種方式的隨意性很大，防偽性比較差，容易引起管理上的漏洞。在現(xiàn)實(shí)生活中，有些內(nèi)地考生為了取得成績優(yōu)勢，到偏遠(yuǎn)省份重新辦理一套身份系統(tǒng)，包 括戶口、身份證、檔案等。在很多情況下，一個人的真實(shí)身份是很難被分辨的。指紋識別作為一個人基本社會角色定位點(diǎn)，其方便性和準(zhǔn)確性已經(jīng)得到了全世界范圍內(nèi)的認(rèn)可。通過各種各樣的指紋識別系統(tǒng)，社會公共管理的職能得到了強(qiáng)化，效率得到了提高。原來的養(yǎng)老保險系統(tǒng)，冒領(lǐng)保險金現(xiàn)象比較嚴(yán)重。隨著越來越多的地方實(shí)施了指紋養(yǎng)老金發(fā)放系統(tǒng)，這一現(xiàn)象得到了徹底改善，沒有當(dāng)事人的指紋，對應(yīng)的養(yǎng)老金是不可能被領(lǐng)取的。深圳羅湖口岸，指紋出入境系統(tǒng)的實(shí)施大大提高了通關(guān)效率，過關(guān)旅客再也不需要拿著身份證排長隊(duì)等待檢查。 指紋識別承載了很多的社會 意義，從最根本上來講，是可以良好的判斷和定義一個人的真實(shí)生物身份。從而 降低社會活動中的信任成本，從根本上改變經(jīng)濟(jì)和社會交往模式改變，提高效率。指紋識別作為一種生物鑒定技術(shù)，為人類的個體的定義提供了一個到目前為止最為快捷和可信的方法。 殷明：指紋圖像預(yù)處理算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 4 第 2 章 指紋圖像預(yù)處理及其實(shí)現(xiàn) 指紋的概述 我們手掌及其手指、腳、腳趾內(nèi)側(cè)表面的皮膚凸凹不平產(chǎn)生的紋路會形成各種各樣的圖案。人手指的圖案、斷點(diǎn)和交叉點(diǎn)上各不相同的紋路就是指紋。指紋在承痕客體上留下的印痕 叫 指印，它是指 紋的反映再現(xiàn)。 ①特定性 :人人都有指紋，指紋各不相同，即指紋的特定性。指紋的這種特定性，是說在全世界現(xiàn)存的人中不可能找到兩個完全相同的指紋。因而，指紋被公認(rèn)為進(jìn)行個人識別的最可靠的證據(jù)。②穩(wěn)定性 :指紋的形態(tài)結(jié)構(gòu)終身基本不變，即指紋的穩(wěn)定性。一個人隨著年齡的增長，指紋紋線由小變大，由細(xì)變粗，但是，紋線的數(shù)量、結(jié)構(gòu)、位置、細(xì)節(jié)特征、總體布局、乳突線的分布范圍等終生不變。即使在人死之后尸體腐爛以前，除了整個指紋的外形略有變化外，其特征基本穩(wěn)定不變。③可印痕性 :指紋觸物即可留痕，即指紋的可印 痕性。這是因?yàn)槭终泼娓接械暮挂?、油垢、灰塵等物質(zhì)，只要手觸摸到適合承受手印的物體上，就可以形成手印。這一特征使得指紋的痕跡有被發(fā)現(xiàn)、被提取鑒定和進(jìn)行科學(xué)管理的可能，從而可以直接利用它來認(rèn)定人身。④指紋可貯存性 :使用電子計(jì)算機(jī)配置光電指紋采集器可將指紋圖形錄入計(jì)算機(jī)存貯器中備查和使用。 “物證之首” 當(dāng)今世界已有相當(dāng)多的金融組織把指紋奉為“物證之首”及“最可靠的印鑒”。 6個月的嬰兒手指已全部形成花紋。隨著年齡的增長，手指皮膚花紋逐漸擴(kuò)大，線紋變粗，但花紋形狀始終不變。手指皮膚受損。愈后仍可復(fù) 原。即使表皮剝脫，愈后原皮膚花紋亦不變。中外指紋學(xué)者對不同的指紋進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn) :父母及子女的指紋，孿生人的指紋，從未發(fā)現(xiàn)過特征完全相同的花紋。著名人類學(xué)家弗朗西扮 .高爾頓 于 1880 年對指紋進(jìn)行觀察和研究后得出這樣 3個結(jié)論 :第一，指紋終身不變 。第二，指紋可以識別 。第二，指紋可以分類。據(jù)報道，美國已成為當(dāng)今世界上保存指紋數(shù)量最多的國家，聯(lián)邦調(diào)查局內(nèi)就設(shè)有犯罪指紋部和民眾指紋部，存貯的指紋卡已超過兩億。此外，中、英、口、德等國也設(shè)有龐大的指紋鑒定機(jī)構(gòu)。 指紋其實(shí)是比較復(fù) 雜的。與人工處理不同，許多生物識別技術(shù)公司并不直接存儲指紋的圖象。多年來在各個公司及其研究機(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，指紋圖象屬于個人隱私，因此不能直接存儲指紋圖象 )。但指紋識別算法最終都?xì)w結(jié)為在指紋圖象上找到并比對指紋的特征。 我們定義了指紋的兩類特征來進(jìn)行指紋的驗(yàn)證 :總體特征和局部特征。在考慮局部特征的情況下，英國學(xué)者 E. R. Herry 認(rèn)為，只要比對 13 個特征點(diǎn)重合，就可以確認(rèn)為是同一個指紋。 ①總體特征 總體特征是指那些用人眼直接就 可以觀察到的特征，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。僅僅依靠圖案類型來分辨指紋是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，這只是一個粗略的分類，但通安徽工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 過分類使得在大數(shù)據(jù)庫中搜尋指紋更為方便。 環(huán)形 （ loop） 弓型 （ arch） 螺旋型 （ whorl） 圖 環(huán)型、弓型、螺旋型指紋圖像 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哪一種類型的。有的指紋識別算法只使用模式區(qū)的數(shù)據(jù)。 SecureTouch 的指紋識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)行分析和識別，如圖 。 圖 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指紋時作為參考點(diǎn)。許多算法是基于核心點(diǎn)的，既只能處理和識別具有核心點(diǎn)的指紋。核心點(diǎn)對于 SecureTouch 的指紋識別算法很重要，但沒有核心點(diǎn)的指紋它仍然能夠處理，如圖 。 圖 三 角點(diǎn)位 于 從核心點(diǎn)開始的第一個分叉點(diǎn)或者斷點(diǎn)、或者兩條紋路會聚處、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。 殷明：指紋圖像預(yù)處理算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 6 圖 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，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 。 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。指紋上的節(jié)點(diǎn)有四種不同特性 : 有以下幾種類型，最典型的是終結(jié)點(diǎn)和分叉點(diǎn)。 終結(jié)點(diǎn) (Ending)： 一 條紋路在此終結(jié)，如圖 。 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 。 圖 分叉點(diǎn) 安徽工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 分歧點(diǎn) (Ridge Divergence): 一 兩條平行的紋路在此分開，如圖 。 圖 分歧點(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 。 圖 孤立點(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，這樣形成的一個小環(huán)稱為環(huán)點(diǎn)，如圖 所示。 圖 環(huán)點(diǎn) 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，可以是絕對的，也可以是相對于三角點(diǎn)或特征點(diǎn)的。 指紋的表面積相對較小， 日 常生活中手指常常會受到磨損，所以獲得優(yōu)質(zhì)的指紋細(xì)節(jié)圖像是一項(xiàng)十分復(fù)雜的工作。當(dāng)今所使用的主要指紋采集技術(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)是最古老也是目前應(yīng)用 最廣泛的指紋采集技術(shù)，光學(xué)指紋采集設(shè)備始于 1971 年，其原理是光的全反射。光線照到壓有指紋的玻璃表面，反射光線由 CCD去獲得，反射光的量依賴于壓在玻璃表面指紋的脊和谷的深度以及皮膚與玻璃間的油脂和水分。光線經(jīng)玻璃照射到谷的地方后在玻璃與空氣的界面發(fā)生全反射，光線被反射到CCD, 而射向脊的光線不發(fā)生全反射，而是被脊與玻璃的接觸面吸收或者漫反射到別的地方，這樣就在 CCD 上形成了指紋的圖像。如圖 所示。 殷明：指紋圖像預(yù)處理算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 8 圖 光學(xué)指紋圖像采集原理 光學(xué)采集設(shè)備有著許多優(yōu)勢 :它經(jīng)歷了長時間實(shí)際應(yīng)用的考驗(yàn)，能承受一定程度溫度變化，穩(wěn)定性很好，成本相對較低，并能提供分辨率為 500dpi 的圖像。 光學(xué)采集設(shè)備也有不足之處，主要表現(xiàn)在圖像尺寸和潛在指印兩個方面。臺板必須 足夠大才能獲得質(zhì)量較好的圖像。潛在指印是手指在臺板上按完后留下的，這種潛在指印降低了指紋圖像的質(zhì)量。嚴(yán)重的潛在指印會導(dǎo)致兩個指印的重疊。另外臺板上的涂層(膜 )和 CCD 陣列隨著時間的推移會有損耗，精確度會降低。 半導(dǎo)體傳感器是 1998 年在市場上才出現(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。 (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 100,000個電容傳感器，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 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電容值不同，測量并記錄各點(diǎn)的電容值，就可以獲得具有灰度級的指紋圖像。 (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，并進(jìn)一步產(chǎn)生具有灰度級的指紋圖像。 (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控制技術(shù) (AGC 技術(shù) )，能夠自動調(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，一個不清晰 (對比度差 )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 (對比度好 )。由于提供了局部調(diào)整的能力，圖像不清安徽工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 晰 (對比度差 )的區(qū)域也能夠被檢測到 (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，并且指紋采集時不需要象光學(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， 使得傳感器有時會取不到圖像，甚至?xí)粨p壞，手指的汗液中的鹽分或者其他的污物，以及手指磨損都會使半導(dǎo)體傳感器的取像很困難。另外， 它們并不象玻璃一樣耐磨損，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。 Ultrascan 公司首開超聲波指紋圖像采集設(shè)備產(chǎn)品先河。超聲波指紋圖像采集技術(shù)被認(rèn)為是指紋采集技術(shù)中最好的一種，但在指紋識別系統(tǒng)中還不多 見，成本很高，而且還處于實(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，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。 總之，這幾種指紋采集技術(shù)都具有它們各自的優(yōu)勢，也有各自的缺點(diǎn)。超聲波指紋圖像采集技術(shù)由 于 其成本過高，還沒有應(yīng)用到指紋識別系統(tǒng)中。通常半導(dǎo)體傳感器的指紋采集區(qū)域小于 1平方英寸，光學(xué)掃描的指紋采 集區(qū)域等于或大于 1平方英寸，可以根據(jù)實(shí)際需要來選擇采用哪種技術(shù)的指紋采集設(shè)備。 表 三 種主要技術(shù)的比較。 表 三種主要技術(shù)的比較 光學(xué)掃描技術(shù) 半導(dǎo)體傳感技術(shù) 超聲波掃描技術(shù) 成像能力 干手指差，汗多的和膨脹的手指成像模糊，易受皮膚上的贓物和油膩的影響。 干手指好，潮濕、粗糙手指亦可成像。易受皮膚上的贓物和油膩的影響。 非常好 成像區(qū)域 大 小 中 分辨率 低于 500dpi 可高達(dá) 600dpi 可高達(dá) 1000dpi 設(shè)備體積 大 小 中 耐用性 非常耐用 較耐用 一般 功耗 較大 小 較大 成本 較高 低 很高 殷明：指紋圖像預(yù)處理算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 10 圖像平滑 圖像平滑的主要目的是減少圖像噪聲。圖像噪聲來自于多方面，有來自于系統(tǒng)外部的干擾（如電磁波或經(jīng)電源竄進(jìn)系統(tǒng)內(nèi)部的外部噪聲），也有來自于系統(tǒng)內(nèi)部的干擾（如攝像機(jī)的熱噪聲、電器機(jī)械運(yùn)動而產(chǎn)生的抖動噪聲等內(nèi)部噪聲）。實(shí)際獲得的圖像 都因受到干擾而含有噪聲，噪聲產(chǎn)生的原因決定了噪聲分布的特性及與圖像信號的關(guān)系。減少噪聲的方法可以在