【文章內容簡介】 紋識別技術的成熟，開發(fā)包的公開，這些使得對開發(fā)包進行二次開發(fā)成為可能?；?B/S 的統(tǒng)一查詢和管理的平臺直觀明了，也能使非計算機專業(yè)的管理員老師對系統(tǒng)的上手性變得較為容易 [11]。2．4 開發(fā)目的本系統(tǒng)應該同時能實現(xiàn)基于 B/S 的統(tǒng)一查詢、管理的界面和基于 C/S 的指紋錄入的界面，在指紋錄入后可以成功的把指紋圖像轉化為二進制的數(shù)字進而存入數(shù)據(jù)庫，基于 B/S 平臺的管理程序可以利用這個數(shù)據(jù)庫來進行對來實驗室的學生進行管理簽到。指紋識別程序本身就可以對已經轉化為二進制的指紋圖像進行對比和與學生資料的匹配。所以，在實驗室要實施管理簽到時，還需同時打開指紋錄入對比程序和簽到管理程序 [12]。3 指紋識別系統(tǒng)理論3．1 指紋識別的相關概念及其原理 指紋識別的原理指紋其實是比較復雜的。與人工處理不同，許多生物識別技術公司并不直接存儲指紋的圖像。多年來，在各個公司及其研究機構產生了許多數(shù)字化的算法，指紋識別算法最終歸結為在指紋圖像上找到并比對指紋的特征。指紋的特征定義了指紋的兩類特征以進行指紋的驗證：總體特征和局部特征?？傮w特征是指那些用人眼直接就可以觀察到的特征，包括一下幾方面。(1) 基本紋路圖案基本紋路圖案包括環(huán)型(Loop) 、弓型(Arch)和螺旋型(Whorl)。其他的指紋圖案都基于這 3 種基本圖案。僅依靠圖案類型來分辨指紋是遠遠不夠的，這只是一個粗略的分類，但通過分類使得在大數(shù)據(jù)庫中搜尋指紋更為方便。(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。有的指紋識別算法只使用模式區(qū)的數(shù)據(jù)。Aetex 的指紋識別算法使用了所取得的完整指紋而不僅是模式區(qū)進行分析和識別。(3)核心點(Core Point)核心點位于指紋紋路的漸進中心，它用于讀取指紋和比對指紋時的參考點。(4)三角點(Delta)三角點位于從核心點開始的第一個分叉點或者斷點、或者兩條紋路會聚處、孤立點、折轉處、或者指向這些奇異點。三角點提供了指紋紋路的技術和跟蹤的開始之處。(5)式樣點(Type Lines)式樣線是在指包圍模式區(qū)的紋路線開始平行的地方所出現(xiàn)的交叉紋路，式樣線通常很短就中斷了，但它的外側線開始積蓄延伸。(6)紋數(shù)(Ridge Count)紋數(shù)是指模式區(qū)內指紋紋路的數(shù)量。在計算指紋的紋數(shù)時，一般先連接核心點和三角點，這條線與指紋紋路相交的數(shù)量即可認為是指紋的紋數(shù) [13]。 指紋圖像的獲取和錄入圖像的獲取就是圖像的數(shù)字化過程，也是將圖像采集到計算機中的過程，它主要涉及成像及模數(shù)轉換技術。隨著計算機與微電子特別是固體成像設備即電耦合設備 CCD 的快速發(fā)展，使得圖像獲取設備的成本顯著降低，因而越來越普及，不久的將來也可能將成為高檔微機的內置設備。指紋的錄入設備的作用就是抓取指紋圖像的點位圖，一般來說，每一個點用一個 0~255 之間的灰度值表示。分辨率是每單位長度內的點數(shù)，一般用每英寸的點數(shù)——Dpi 表示，它的范圍在 250~625dpi 之間。分辨率和節(jié)距之間的關系可用公式表示：分辨率=為可以滿足指紋綜合自動識別系統(tǒng)分析指紋和脊和谷的精度要求，分辨率應為 500Dpi。盡管大部分產品都采用這一標準，但這在某些商業(yè)應用中也不是強制的。因為指紋的脊和谷平均寬度為 450μm，所以傳感器的節(jié)距為 255 就夠了，這樣理論上分辨率為 112dpi，為了有個相當?shù)娜哂啵讣y傳感器最小的分辨率應該為 250dpi[14]。取像設備分成兩類：光學、硅晶體傳感器和其他類型。光學取像設備有最悠久的歷史，可以追溯到 20 世紀 70 年代。根據(jù)的是光的全反射（FTIR） 。光線照到壓有指紋的玻璃表面，反射光線由 CCD 去獲得，反射光的數(shù)量依賴于壓在玻璃表面指紋的脊的深度和皮膚與玻璃間的油脂。光線經玻璃射到谷后反射到 CCD，而射到脊后則不反射到 CCD。光學設備的不斷革新，極大地降低了設備的體積。在 20 世紀 90 年代中期，傳感器可以裝在 6*3*6 英寸的盒子里，在不久的將來，傳感器可以裝在 3*1*1 英寸的盒子里。這些進展取決于多種光學技術的發(fā)展而不是 FTIR 的發(fā)展。例如：纖維光被用來捕捉指紋圖像。纖維光速垂直射到指紋的表面，它照亮指紋并探測反射光。另一個方案是把含有一微型三棱鏡矩陣的表面安裝在彈性的平面上，當手指壓在此表面上時，由于脊和谷的壓力不同而改變了微型三棱鏡的表面，這些變化通過三棱鏡光的反射而反射出來 [15]。目前市場上出現(xiàn)了晶體傳感器，這些含有微型晶體的平面通過多種技術來繪制指紋圖像。電容傳感器通過電子度量被設計來捕捉指紋。電容設備能結合大約100000 導體金屬陣列的傳感器，其外面是絕緣的表面，當用戶的手指放在上面時，皮膚組成了電容陣列的另一面。電容器的電容值由于金屬間距離而變化，這里指的是脊（近的）和谷（遠的）之間的距離。壓感式表面的頂層是具有彈性的壓感介質材料，它們依照指紋的外表地形（凹凸）轉化為相應的電子信號。超聲波掃描被認為是指紋取像技術中非常好的一種方式，其過程很像光學掃描中的激光。超聲波先掃描指紋的表面，緊接著，接受設備獲得了其反射信號，測量它的范圍，得到脊的深度。在超聲波掃描中，雞肋在皮膚上的贓物和油脂對超音速獲得的圖像影響不大，所以這樣的圖像是實際脊地形（凹凸）的真實反應 [16]。由于巨大的指紋識別市場，如果想讓指紋識別在商業(yè)上獲得巨大的成功，3個因素中有的兩個因素是非常重要的，它們是低價格和緊湊的體積。90 年代初到后期，取像設備的價格已經劇烈下降，制造商最近又承諾，最近幾年又要進行大幅度降價。至于體積，前面已經提到光學傳感器的體積從 6*6*3 英寸降到 3*1*1英寸。應用晶體的傳感器的體積差不多是這樣或者更小。在晶片商，集成電路的技術越來越高，系統(tǒng)體積將越來越小，晶體傳感器的機體接近于手指大小所需要的體積，其長寬大約是 1*1 英寸，高不到 1 英寸。在晶體傳感器之前，一些沒有用到的機能是局部調整、軟件控制、自動獲取控制（AGC）技術。對于大多數(shù)光學設備，只能通過人工調整來改變圖像的質量。然而，晶體傳感器提供自動調節(jié)像素、行以及局部范圍的敏感程度，從而提高圖像的質量。AGC 在不同的環(huán)境下結合反饋的信息產生高質量的圖像。例如：一個不清晰（對比度差）的圖像，如干燥的指紋能夠被感覺并增強靈敏度，在捕捉的瞬間產生清晰的圖像（對比度好） ；由于提供了局部調整的能力，圖像不清晰（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）并在捕捉的瞬間提高這些像素的靈敏度。光學掃描也有自己的優(yōu)勢，其一就是光學指紋取像區(qū)域較大，而制造較大的應用晶體傳感器的指紋取像區(qū)域是非常昂貴的，所以晶體傳感器的指紋取像區(qū)域應小于 1 平方英寸，而光學掃描的指紋取像區(qū)域等于或大于 1 平方英寸。然而這個對于較小的光學掃描設備并不是優(yōu)勢。較小的光學掃描也意味著較小的指紋取像區(qū)域，這事因為較大的指紋取像區(qū)域需要較長的焦點長度，所以要有較大的包裝，否則如果較大的取像區(qū)域使用較小的包裝，則光學掃描設備會受到圖像邊緣線性扭曲的影響。雖然有報道說光柵和微棱鏡技術應用于指紋取像，有望減少體積和價格，但目前還沒有相應的產品問世。另外，它的使用環(huán)境要求苛刻，存在怕手指脫皮、干燥和非常嚴重的油污等問題，最重要的是，它很容易被光復制等面向圖像的復制方法所欺騙 [17]。晶體傳感器技術最重要的弱點在于，它們容易受到靜電的影響，這使得晶體傳感器有時會取不到圖像，甚至會被損壞，另外，它們并不像玻璃一樣耐磨損，從而影響了使用壽命?？傊?，各種技術都具有它們各自的優(yōu)勢，也有各自的缺點 [8]。 指紋圖像增強圖強增強用于圖像不清晰的部分，依據(jù)某些已知條件，改善這些區(qū)域的質量，以保證后續(xù)處理的可靠性。對于指紋圖像增強，已有很多學者進行了研究，他們主要依舊沿脊線垂直方向的灰度變化呈正弦波形的假設，設計各種具有方向選擇性的濾波器。但實際上，即使是同一幅指紋圖像，脊線的寬度詫異都有可能很大，為了適應不同的頻率，濾波器的頻率也虛不斷的變化，同時，指紋脊線方向的估計也并不是完全可靠，即使圖像質量得到了一定改善，但卻大大增加了計算的復雜度 [18]。 指紋圖像二值化二值化的目的就是為了把灰度指紋圖像變成 01 取值的二值圖像。對一幅圖像進行二值化，傳統(tǒng)的方法是采用閾值法，閾值法又分為固定閾值和浮動閾值，很明顯，由于不同圖像的灰度差異變化很大，甚至同一幅圖像中各部分的明暗也大不相同，所以固定閾值的方法并不可取。有的文獻采用了一種浮動閾值的方法，即根據(jù)圖像中每一塊的明暗度來調整閾值，塊內大于閾值的像素被置為 1，小于閾值的像素被置為 0。這種方法盡管要好于固定閾值法，但處理的結果仍不能令人滿意。這里介紹一種基于脊線方向分析的對指紋圖像進行二值化的方法，并在二值化后進一步使用方向濾波器濾噪。其具體步驟如下。(1)把前面分割出來的所有背景和不可恢復部分置為“0” 。(2)對任一前景圖像塊中的像素，考察其應置“1”還是置“0” 。(3)模板以待處理點為中心，放置方向平行于該圖像塊的方向，統(tǒng)計與塊方向平行的各行所有像素的灰度和，因采用 7*9 模板，應能得到 9 個和的矢量。(4)以包含待處理點的中間一行的像素灰度和乘以 9，將積 mC與所有 9 個和的和 aA進行比較，如果 mC大于 aA，則置該點為“0” ，否則，置該點為“1” 。(5)因二值化的圖像仍帶有灰度濾波不完整及二值化時引入的噪聲，所以需要進一步濾波處理。在這里采用一種方向加權中值濾波的方法。該算法充分運用了指紋方向圖和模糊理論的思想來構造濾波模板，根據(jù)前景點方向的不同選擇不同權值的模板。指紋圖像經方向加權濾波后，紋線上的孔洞、缺口和突出物基本被消除，且紋線流暢清晰，為下一步的細化處理奠定了良好的基礎 [19]。 全套指紋識別系統(tǒng)的一些問題有效的指紋辨識系統(tǒng)不僅依賴于辨識算法，還有其他的一些重要因素，包括注冊和辨識過程、速度和工作學、用戶信息的反饋、排斥欺騙和安全考慮。為了得到較好的識別率，重要的是在注冊時盡量獲得最好的指紋圖像，這是因為一般只進行一次注冊，而以后的辨識是經常的。一個較好的指紋識別系統(tǒng)應要求用戶在登記指紋時多次獲取指紋、然后把最好的指紋或每次獲得指紋的綜合結果作為注冊指紋。設計指紋系統(tǒng)時可以考慮一個方法，即多次取像以至得到一個確定的匹配，但這個過程在降低了拒判率的同時，提高了誤判率。辨識不僅只用一個手指的指紋，而且可以用兩個或更多手指的指紋，這樣可以增強識別率，當然這樣會浪費用戶的許多時間 [20]。系統(tǒng)的工作是很重要的。例如，在個人識別系統(tǒng)中，人們愿意等待時間的極限根據(jù)特定的應用而不同，這依賴于在處理的過程中人們正在做什么。例如刷卡或輸入 ID 號的過程，~ 被認為是可接受的時間；另外，拒判而重復次數(shù)不應超過 3 次。為了盡可能獲得高質量的指紋圖像，可以提示用戶手指該怎樣放置。在驗證和辨識的過程中，正確的反饋信息是非常有用的。在指紋識別系統(tǒng)中，反欺騙措施用來處理人造指紋、死指紋和殘留指紋的情況。殘留指紋是由于皮膚油或其他原因殘留在傳感器上的，傳感器應建立反欺騙對策，使之有能力識別真實的皮膚溫度、阻力或電容 [11]。指紋識別系統(tǒng)是為安全而考慮的，例如節(jié)點模板數(shù)據(jù)庫必須是安全的，以防止一個冒名頂替的人將自己的指紋存進數(shù)據(jù)庫而成為合法的用戶。指紋匹配的結果是“YES”或“NO” ，以此獲得訪問權。如果有人簡單地繞過指紋匹配而可以直接發(fā)送一個“YES” ，那么系統(tǒng)就是不安全的。這個問題的解決方式是確保主機接手的識別結果是來自真正的合法用戶，如通過數(shù)字信號發(fā)送給主機。總之，在一個完整的指紋識別應用系統(tǒng)中有許多問題值得考慮，解決好這些問題有助于成功地簡歷有效的系統(tǒng)，相反，則有可能會使高明的技術被束之高閣，甚至導致應用系統(tǒng)的最后失敗 [21]。4 系統(tǒng)需求分析4．1 功能需求本系統(tǒng)的特點就是能夠實時、準確的實現(xiàn)了學生機房的簽到功能，并在系統(tǒng)中顯示簽到學生的信息。解決了部分機房依舊是刷卡簽到或者手工簽到的效率低，準確率也低的缺點。本系統(tǒng)的簽到管理界面基于 B/S 平臺，所以要求操作系統(tǒng)為Windows XP Professional 且添加了 IIS 組件，還需要 Framework 的軟件安裝。學生每次簽到時，在指紋器上按下拇指，識別器會自動掃描該手指的指紋信息，并與數(shù)據(jù)庫中所有學生的指紋進行圖像對比，符合情況者，即可實現(xiàn)簽到功能，并能顯示出該生姓名、學號、性別以及所在院系的一些字段屬性。在系統(tǒng)打開時，需要有管理員的密碼。4．2 數(shù)據(jù)需求Visual C一個主要特點是支持對數(shù)據(jù)庫的訪問和管理，能夠在以上多種數(shù)據(jù)庫格式的文件中讀取和寫入信息。Visual C使用數(shù)據(jù)庫微軟的 JET 數(shù)據(jù)庫引擎提供了與數(shù)據(jù)庫打交道的途徑，我們是通過它以及 Visual C訪問數(shù)據(jù)庫并對其進行各種操作。 Visual C、Access以及其他微軟的軟件產品都是通過共用 JET 數(shù)據(jù)庫引擎，從而給用戶提供了豐富的數(shù)據(jù)類型。DATA 控件在數(shù)據(jù)庫中的信息與將信息顯示給用戶看的 Visual Basic程序之間架起了一座橋梁。我們可以設置 DATA 控件的各個屬性，告訴它要調用那個數(shù)據(jù)庫的哪個部分。缺省情況下，DATA 控件根據(jù)數(shù)據(jù)庫中的一個或多個數(shù)據(jù)表建立一個 dynasettype（動態(tài)集合）類型的記錄集合。一個記錄集合是動態(tài)的也就意味著，當原來的數(shù)據(jù)表中的容改變了以后，該記錄集合中的記錄也會隨之改變。DATA 控件還提供了用來瀏覽不同記錄的各種跳轉按鈕。將 DA