【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 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(shuō)在全世界現(xiàn)存的人中不可能找到兩個(gè)完全相同的指紋。因而，指紋被公認(rèn)為進(jìn)行個(gè)人識(shí)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(gè)人隨著年齡的增長(zhǎng)，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(gè)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)槭终泼娓接械暮挂骸⒂凸?、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(lái)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(gè)月的嬰兒手指已全部形成花紋。隨著年齡的增長(zhǎng)，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(duì)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(guò)特征完全相同的花紋。 1880年對(duì)指紋進(jìn)行觀察和研究后得出這樣 3 個(gè)結(jié)論:第一，指紋終身不變。第二，指紋可以識(shí)別。第二，指紋可以分類(lèi)。據(jù)報(bào)道，美國(guó)已成為當(dāng)今世界上保存指紋數(shù)量最多的國(guó)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(guò)兩億。此外，中、英、口、德等國(guó)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(shí)別技術(shù)公司并不直接存儲(chǔ)指紋的圖象。多年來(lái)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(guó)有關(guān)法律認(rèn)為，指紋圖象屬于個(gè)人隱私，因此不能直接存儲(chǔ)指紋圖象)。但指紋識(shí)別算法最終都?xì)w結(jié)為在指紋圖象上找到并比對(duì)指紋的特征。 安徽工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 我們定義了指紋的兩類(lèi)特征來(lái)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(guó)學(xué)者 E. R. Herry 認(rèn)為，只要比對(duì) 13 個(gè)特征點(diǎn)重合，就可以確認(rèn)為是同一個(gè)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 所示。其他的指紋圖案都基于這三種基本圖案。僅僅依靠圖案類(lèi)型來(lái)分辨指紋是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，這只是一個(gè)粗略的分類(lèi)，但通過(guò)分類(lèi)使得在大數(shù)據(jù)庫(kù)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(lèi)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)行分析和識(shí)別，如圖 所示。圖 模式區(qū) 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(méi)有核心點(diǎn)的指紋它仍然能夠處理，如圖 所示。圖 核心點(diǎn)殷明：指紋圖像預(yù)處理算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 6 三角點(diǎn)位于從核心點(diǎn)開(kāi)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(kāi)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(chēng)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(chēng)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(lèi)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 所示。圖 終結(jié)點(diǎn)分叉點(diǎn)(Bifurcation)：一條紋路在此分開(kāi)成為兩條或更多的紋路，如圖 所示。安徽工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 圖 分叉點(diǎn)分歧點(diǎn)(Ridge Divergence): 一兩條平行的紋路在此分開(kāi)，如圖 所示。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 所示。圖 孤立點(diǎn)環(huán)點(diǎn)(Enclosure ): 一條紋路分開(kāi)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(chēng)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(guò)(x,y)坐標(biāo)來(lái)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。指紋的表面積相對(duì)較小，日常生活中手指常常會(huì)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)。殷明：指紋圖像預(yù)處理算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 8 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(lài)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。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(shì):它經(jīng)歷了長(zhǎng)時(shí)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(duì)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(gè)方面。臺(tái)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(tái)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(huì)導(dǎo)致兩個(gè)指印的重疊。另外臺(tái)板上的涂層(膜)和 CCD 陣列隨著時(shí)間的推移會(huì)有損耗，精確度會(huì)降低。 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(guò)多種技術(shù)來(lái)繪制指紋圖像。 (1)硅電容指紋圖像傳感器 這是最常見(jiàn)的半導(dǎo)體指紋傳感器，它通過(guò)電子度量來(lái)捕捉指紋。在半導(dǎo)體金屬陣列上能結(jié)合大約 100,000 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)體壓感式傳感器安徽工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 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(guò)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(jué)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(wú)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(lái)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，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(kāi)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(shí)別系統(tǒng)中還不多見(jiàn)，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(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?？傊?，這幾種指紋采集技術(shù)都具有它們各自的優(yōu)勢(shì)，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(guò)高，還沒(méi)有應(yīng)用到指紋識(shí)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(lái)選擇采用哪種技術(shù)的指紋采集設(shè)備。表 給出三種主要技術(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 一般殷明：指紋圖像預(yù)處理算法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 10 表 三種主要技術(shù)的比較 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(lái)自于多方面，有來(lái)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(lái)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(dòng)而產(chǎn)生的抖動(dòng)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(hào)的關(guān)系。減少噪聲的方法可以在空間域或頻率域處理。在空間域中進(jìn)行時(shí)，基本方法就是求像素的平均值或中值；在頻率域中則運(yùn)用低通濾波技術(shù)。一般圖像處理技術(shù)中常見(jiàn)的噪聲有：加性噪聲，乘性噪聲，量化噪聲， “鹽和胡椒”噪聲。圖像中的噪聲往往是和信號(hào)交織在一起的，尤其是乘性噪聲，如何平滑不當(dāng)，就會(huì)使圖像本身的細(xì)節(jié)如邊緣輪廓、線條等模糊不清，從而使圖像降質(zhì)。圖像平滑總是要以一定細(xì)節(jié)模糊為代價(jià)，因此如何盡量平滑掉圖像的噪聲，又盡量保持圖像細(xì)節(jié)，是圖像平滑研究的主要問(wèn)題之一。將空間域模板用于圖像處理，通常稱(chēng)為空間濾波，而空間域模板稱(chēng)為空間濾波器。空間域?yàn)V波按線性和非線性特點(diǎn)有:線性、非線性平滑濾波器。線性平滑濾波器包括領(lǐng)域平均法（均值濾波器） ，非線性平滑濾波器有中值濾波器。本文將采用中值濾波對(duì)原始圖像進(jìn)行預(yù)處理。中值濾波是一種非線性處理技術(shù)，由于它在實(shí)際運(yùn)算過(guò)程中并不需要知道圖像的統(tǒng)計(jì)特性，所以比較方便。中值濾波最初應(yīng)用在一維信號(hào)處理技術(shù)中，后來(lái)被二維的圖像信號(hào)處理技術(shù)所引用。在一定的條件下，中值濾波可以克服線性濾波器所帶來(lái)的圖像細(xì)節(jié)模糊，而且對(duì)濾除脈沖干擾及圖像掃描噪聲非常有效；但是，對(duì)一些細(xì)節(jié)多，特點(diǎn)是點(diǎn)、線、尖頂細(xì)節(jié)較多的圖像則不宜采用中值濾波的方法。中值濾波的目的是在保護(hù)圖像邊緣的同時(shí)，去除噪聲。1 中值濾波的原理中值濾波實(shí)際上就是用一個(gè)含有奇數(shù)個(gè)像素的滑動(dòng)窗口，將窗口正中點(diǎn)的灰度值用窗口內(nèi)各點(diǎn)的中值代替。例如，若窗口長(zhǎng)度為 5，窗口中像素的灰度值分別為80、90、200、1120，則中值為 110，因?yàn)槿绻磸男〉酱笈帕?，結(jié)果為80、90、11200，其中間位置上的值為 110。于是原來(lái)窗口正中的灰度值 200就由 110 代替。如果 200 是一個(gè)噪聲的尖峰，則將被濾除；如果它是一個(gè)信號(hào)，那么此方法處理的結(jié)果將會(huì)造成信號(hào)的損失。設(shè)有一個(gè)一維序列 f1,f2,…fn，用窗口長(zhǎng)度為 m（m 為奇數(shù)）的窗口對(duì)該序列進(jìn)行中功耗 較大 小 較大成本 較高 低 很高安徽工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 值濾波，就是從輸入序列 f1,f2,…fn 中相繼抽出 m 個(gè)數(shù) fiv，…，f i1，f i，f i+1,…,fi+v,其中fi 為窗口的中心值，