【文章內(nèi)容簡介】 而基于知識的方法使用 “所知 ”鑒別個人身份，待鑒別者通過私有的知識和信息來證明自己的身份，如密碼和口令等?；跇俗R和基于知識的鑒別技術(shù)已經(jīng)被人們使用了千百年，其主要優(yōu)點是簡單而且成本較低。但最大的問題在于它們是以物識人或以某種知識來識別人，而非以人識人。這些物或知識與人本身 沒有本質(zhì)的聯(lián)系，一定條件下，有可能被別人獲取，因此實際使用時存在很大的安全漏洞，身份證等可能會被盜取、替換、丟失，密碼則易遺忘或被熟悉的人猜中，而且這些傳統(tǒng)的身份鑒別方法是無法區(qū)分授權(quán)人和冒名頂替者的。 正是由于傳統(tǒng)身份識別方法精確性較低，安全漏洞較大，使用越來越受到限制，人們都期待有一種新的身份識別方式來滿足自身的需求，利用人體本身的特征來識別個人身份，確保身份鑒別的精確性、可靠性和安全性。于是，生物特征識別技術(shù)應(yīng)運而生。 電子科技大學碩士學位論文 2 生物特征識別技術(shù) 生物特征識別技術(shù)的特點 所謂生物特征識別技術(shù) 就是利用人體生理特征、行為特征進行身份認證的一種技術(shù)。 生物特征分為兩類 :生理特征和行為特征。其中生理特征有指紋、掌紋、手型、臉型、體型、虹膜、瞳孔、聲音等；行為特征則有筆跡、步態(tài)等。生物特征識別具有以下幾個特點： (1) 廣泛性：即每個人都應(yīng)該具有這種特征； (2) 唯一性：每個人擁有的該項特征各不相同，獨一無二； (3) 穩(wěn)定性：其特征基本不隨時間、外界條件變化； (4) 可采集性：所選擇的特征應(yīng)便于測量。 各種生物識別技術(shù)的比較 不同的生物特征有他們自己的特點，如表 11 所示。如果考慮到永久 性問題的話，那么臉型、體型、筆跡、聲音等識別方式不是很理想的，因為這些生物特征都會隨著時間慢慢變化；如果考慮到硬件成本因素的話，虹膜和瞳孔識別也不是理想的選擇，因為辨識計算量太大，耗費較多硬件資源，如果用在政府機構(gòu)還可以考慮，但是如果應(yīng)用在一般門禁上的話則成本偏高。 表 11 常用生物特征比較 生物特征 獨特性 永久性 精確度 防偽性 采集性 指紋 高 高 高 高 中 人臉 低 低 低 低 高 虹膜 高 高 高 高 中 瞳孔 高 中 高 高 低 筆跡 低 低 低 低 高 聲音 低 低 低 低 中 指紋識別技術(shù)相對于其他識別技術(shù)有許多獨到之處，具有很高的實用性和可行性。同時，它具有獨一無二的個體特征和良好的穩(wěn)定性，并且特征的精確度和復雜度足以滿足高準確的鑒別需求。近年來，由于數(shù)字圖像處理學的迅速發(fā)展 [1,2]使得指紋識別作為最流行、最方 便、最可靠的身份認證方式，己經(jīng)在社會生活的諸多方面得到廣泛應(yīng)用 。第一章 緒 論 3 自動指紋識別技術(shù) 指紋是手指皮膚表面隆起的脊和凹下的谷構(gòu)成的特定紋路，其紋理在嬰兒胚胎時期就已經(jīng)確定?？茖W研究發(fā)現(xiàn)，兩枚指紋完全相同的概率非常小，可以認為世界上沒有兩 個人的指紋完全相同，而且每個人的指紋是保持終生不變，即使磨損，只要不傷及真皮，也能重新長出。依靠這種唯一性和穩(wěn)定性，可以把一個人同他的指紋對應(yīng)起來，通過對他的指紋和預先保存的指紋進行比較，就能驗證他的真實身份，這就是指紋識別技術(shù)。近年來，國內(nèi)外學者對自動指紋識別技術(shù)進行了深入和廣泛的研究，取得了明顯的進展，研究的重點主要集中在如何提高識別的準確率和速度上。 指紋用于身份鑒定的歷史悠久。早在古敘利亞和古代中國指紋鑒別就己經(jīng)開始應(yīng)用。 19 世紀初，科學研究發(fā)現(xiàn)了指紋的兩個重要特征： (1) 不同手指的指紋紋脊的式樣不同 (2) 指紋紋脊的式樣終生不變 這個研究成果至今仍然是被承認的，并使得指紋在犯罪鑒別中得以正式應(yīng)用。早期的指紋識別由人工來完成，由有經(jīng)驗的指紋專家對指紋逐個進行比對、辨別。這種方法耗時長、效率低、準確率也低。隨著人口數(shù)量的急劇增長和應(yīng)用范圍的擴大，這種方法越來越不能滿足實際應(yīng)用的要求。 20 世紀 60 年代，隨著計算機技術(shù)的誕生、發(fā)展與不斷進步，圖像處理與模式識別方法的日益完善，人們開始著手研究利用計算機來處理指紋。之后，自動指紋識別系統(tǒng) (Automatic Fingerprint Identification System， AFIS)在法律實施方面的研究和應(yīng)用在世界許多國家展開。 20世紀 80 年代，光學掃描和個人電腦這兩項技術(shù)的革新，使得它們作為指紋取像的工具成為現(xiàn)實，從而使指紋識別可以在其他領(lǐng)域中得以應(yīng)用，比如代替 IC 卡。 20 世紀 90 年代，隨著低價位取像設(shè)備的引入及其飛速發(fā)展、可靠的比對算法的研究發(fā)現(xiàn)，指紋識別在個人身份識別應(yīng)用得到了進一步的增長。據(jù)統(tǒng)計，到 20 世紀末，全世界的生物識別產(chǎn)品市場約為 億美元，其中指紋識別約為 億美元，這標志著指紋識別是當前最成熟、穩(wěn)定、并且應(yīng)用最廣泛的生物識別技術(shù) [2]。 與人 工處理不同，現(xiàn)代指紋識別技術(shù)并不直接存儲指紋的圖像，而是記錄從圖像中提取到的指紋特征，這樣做主要是考慮到存儲空間限制和隱私問題。指紋識別算法最終都歸結(jié)為在圖像上找到指紋的特征并進行比對。因此，自動指紋識別系統(tǒng)主要涉及五個功能：圖像讀取、圖像處理、特征提取、保存數(shù)據(jù)和特征匹配。首先，通過指紋讀取設(shè)備取得圖像，并對原始圖像進行初步處理，使之更清晰。然后，利用指紋識別軟件建立指紋的數(shù)字表示 ——特征數(shù)據(jù)。這是一種根據(jù)指紋類型、紋線電子科技大學碩士學位論文 4 斷點、交叉點等結(jié)構(gòu)特征得到數(shù)據(jù)的單方向轉(zhuǎn)換（可以從指紋轉(zhuǎn)換成特征數(shù)據(jù)但不能從特征數(shù)據(jù)轉(zhuǎn) 換成指紋），而兩枚不同的指紋不會產(chǎn)生相同的特征數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)通常稱為模板，保存為數(shù)據(jù)庫中的一條記錄。最后，對兩個指紋的模板進行比較，計算出它們的相似程度，最終得到匹配結(jié)果。 指紋識別技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 幾十年來，指紋技術(shù)的研究一直為各國的科學家和政府所關(guān)注。美國、日本以及歐洲諸國相繼投入大量的資金和科研人員加快此項技術(shù)的研究與應(yīng)用。歐美國家憑借其強大的科技力量和經(jīng)濟實力，在該領(lǐng)域的研究和開發(fā)中處于領(lǐng)先位置。在亞洲，日本和韓國在指紋技術(shù)領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。 1998 年年底，時任國家主席的江澤民同志對日本國進行 國事訪問期間，專程參觀了日本國研制的指紋識別以及其他生物識別技術(shù)成果 [3]。 在國外，指紋采集芯片領(lǐng)域的龍頭老大地位首推由美國貝爾實驗室成立的美國Verdi 公司。貝爾實驗室歷經(jīng)數(shù)十年的研究，投資幾十億美金，終于在生物識別技術(shù)方面獲得了突破性的進展，研制成功了半導體指紋傳感芯片，并聯(lián)合 Intel等大機構(gòu)，共同注資成立 Veridi 公司，專業(yè)開發(fā)及生產(chǎn)半導體指紋采集系列產(chǎn)品。目前全球從事指紋采集芯片研發(fā)的著名公司還有：美國 DigitalPerson公司， Authentec公司，美國 BII 公司，美國 IBM 公司， RitronicsBAC 公司，美國 Gateway 公司，法國 ST 公司，日本富通公司，日本電氣株式會社 (NEC Corporation)，日本電氣公司，韓國 Pantech 公司，韓國 HP 公司等 [4]。較早涉足該領(lǐng)域的 Identicator 公司的 IDSafe生物識別產(chǎn)品已經(jīng)得到了較為廣泛的應(yīng)用，已有 5000 多萬人登記使用 IDSafe 系統(tǒng)。 目前，我們國家從事指紋技術(shù)的開發(fā)、應(yīng)用的科研企事業(yè)單位情況如下：部分國內(nèi)各大高校的相關(guān)專業(yè)的研究生在做學術(shù)研究開發(fā)，走向產(chǎn)品化的較少；從事指紋技術(shù)的公司中，比較 有名氣的、有自主開發(fā)實力的公司也有一些：杭州中正生物認證技術(shù)有限公司 (Miaxis Biometrics Co., Ltd.)，北京北大高科指紋技術(shù)有限公司，北京中控科技股份有限公司，北京海鑫科金信息技術(shù)有限公司，北京艾迪沃德科技發(fā)展有限公司，深圳市泰迪科技發(fā)展有限公司，深圳市深安科技發(fā)展有限公司，深圳市派思數(shù)碼科技有限公司，上海安威士生物科技有限公司，上海安安指紋識別系統(tǒng)有限公司，上海眾義電子科技有限公司，南昌安必信信息工程有限公司，中科院長春光機所，長春鴻達光電子與生物識別統(tǒng)計技術(shù)有限公司，南京凹凸軟件 ，西安青松科技有限公司。目前我國在民用指紋領(lǐng)域的公司大多還是依賴進口，國內(nèi)主要是做代理、二次開發(fā)和系統(tǒng)集成等 [4,5]。但是我國臺灣有些公司的指紋識別技術(shù)產(chǎn)品的性能達到國際領(lǐng)先水平，如臺灣祥群科技有限公司，本文使用的就是該公司生產(chǎn)的 滑動 式指紋傳感器，詳細內(nèi)容會在第四章介紹。 第一章 緒 論 5 課題的目的和意義 目前，指紋識別技術(shù)系統(tǒng)常見有兩種應(yīng)用方式：連接 PC 的桌面應(yīng)用系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)。連接 PC 的桌面應(yīng)用系統(tǒng)具有靈活的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并且可以多個系統(tǒng)共享指紋識別設(shè)備，可以建立大型的數(shù)據(jù)庫應(yīng)用，但它造價高、系統(tǒng)復雜、 體積龐大，只能用于固定場所，適用范圍??；嵌入式系統(tǒng)是一個相對獨立的完整系統(tǒng)，它不需要連接其他設(shè)備或計算機就可以獨立完成其設(shè)計的功能，像指紋門鎖、指紋考勤終端就是嵌入式系統(tǒng)，其功能專一，應(yīng)用于完成特定的功能。 上述內(nèi)容是當前自動指紋識別技術(shù)研究實現(xiàn)的重點和難點，同時也是民用指紋識別系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。 CMOS 傳感器的出現(xiàn)，活體掃描 (Live Scan)設(shè)備的體積越來越小巧，用指紋開啟門鎖，登陸網(wǎng)絡(luò)，通過安檢己不再僅僅是科幻電影中的場景。 從指紋識別系統(tǒng)的發(fā)展趨勢來看，當今蓬勃發(fā)展的民用指紋識別市場以普通公司 和大眾為目標，著眼于實現(xiàn)方便快捷高效安全的個人身份認證功能。為了滿足人們對易用性、方便性和舒適性等多方面的追求，指紋識別設(shè)備正朝著小型化、嵌入式和全自動方向發(fā)展，特別是基于 DSP 和嵌入式的便攜式指紋產(chǎn)品是指紋識別設(shè)備發(fā)展的主流方向。 對于便攜式產(chǎn)品的開發(fā)，在實現(xiàn)上要考慮到兩個方面的因素，也是本文研究的主要目的： (1)軟件方面是否具有較小的運算量，是否占有非常少的內(nèi)存； (2)硬件方面，在設(shè)計上需要滿足低功耗、安全穩(wěn)定、輕巧易用的要求。 便攜式指紋識別系統(tǒng)的開發(fā)不僅具有迫切的市場需求和良好的市場前景，而且可以提 高我們的安全防范水平，也可以產(chǎn)生很大的經(jīng)濟效益、社會效益。同時可以帶動計算機、電子、光學、圖像處理、模式識別等相關(guān)學科的發(fā)展，具有很大的理論與現(xiàn)實意義。 本文研究的主要內(nèi)容和結(jié)構(gòu)安排 本文依據(jù)指紋識別技術(shù)的發(fā)展趨勢，采用 滑動 式指紋傳感器 LTTSS500 和 DSP技術(shù)，設(shè)計并實現(xiàn)一個體積小、成本低、功耗低的獨立指紋識別系統(tǒng)。主要研究內(nèi)容如下： 1．閱讀大量的文獻資料，并對指紋圖像預處理、指紋特征提取、指紋特征匹配各環(huán)節(jié)關(guān)鍵算法進行深入的研究，通過仿真實驗，對各種算法的實際效果進行比較，完成本文的算法設(shè) 計。 2．采用了小體積、低功耗的 滑動 式指紋傳感器 LTTSS500 完成指紋采集模塊的設(shè)計，并針對 LTTSS500 采集到的條狀指紋圖像，本文專門提出了一種非常實用電子科技大學碩士學位論文 6 的基于距離判別法的圖像拼接算法，該方法運算簡單、便于實現(xiàn)，在運算速度和精度上都達到了非常理想的效果。 3．根據(jù)系統(tǒng)的實際需求，構(gòu)建了一個包含主控電路 (DSP 芯片和存儲器 )、輸入通路 (指紋圖像采集部分 )、輸出通路 (RS23 USB 接口 )、人機交互設(shè)備 (LED顯示 )、調(diào)試端口 (JTAG )和電源管理及監(jiān)控電路等六大部分綜合而成的既可單機運行又 可嵌入到其它產(chǎn)品中去的指紋識別原型系統(tǒng)。 本文結(jié)構(gòu)安排如下： 第一章 概述了生物識別以及指紋識別技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，并對各種生物特征識別技術(shù)進行了比較。根據(jù)國內(nèi)外指紋識別技術(shù)的發(fā)展趨勢，提出本課題的研究目的和意義。 第二章 系統(tǒng)地闡述了指紋識別的基本原理，并對指紋識別算法進行了總結(jié)和分析，并分別將圖像預處理、特征的提取與對比三部分的算法設(shè)計做了詳細說明。 第三章 根據(jù)系統(tǒng)需求，提出本文總體設(shè)計思想和設(shè)計方案，并對核心器件 DSP的各項特性進行深入研究，為后文的詳細設(shè)計奠定基礎(chǔ)。 第四章 仔細研究了 滑動 式指紋傳感 器 LTTSS500 結(jié)構(gòu)性能，并針對該傳感器提出了一種高效、快速的條狀指紋圖像拼接算法，對基于距離判別法的圖像重組算法進行詳細的論述。 第五章 完成了系統(tǒng)關(guān)鍵模塊的硬件和軟件設(shè)計，進行系統(tǒng)測試，最后對實驗結(jié)果進行了總結(jié)和分析。 第六章 總結(jié)了本文研究所取得的成果及不足之處，提出課題進一步研究的方向。 第二章 自動指紋識別原理與算法設(shè)計 7 第二章 自動指紋識別原理與算法設(shè)計 指紋識別系統(tǒng)的算法結(jié)構(gòu) 指紋識別技術(shù)是指使用取像設(shè)備讀取指紋圖像，通過識別軟件提取出指紋圖像中的特征數(shù)據(jù)，然后根據(jù)匹配算法得到的結(jié)果鑒別指紋所 有人身份的生物特征識別技術(shù)。一個完整的自動指紋識別系統(tǒng)主要工作流程如圖 21 所示： 圖 21 指紋識別系統(tǒng)圖 其工作原理可以簡要描述為： (1) 指紋采集：通過指紋取像設(shè)備讀取指紋的數(shù)字圖像。常用的指紋采集設(shè)備有光學采集器，半導體采集器，超聲波采集器。 (2) 指紋圖像預處理：在實際采集過程中，受各種因素的影響，采集到的指紋圖像不能保證都很清晰，圖像中可能出現(xiàn)紋線粘連、紋線斷裂或?qū)Ρ榷炔痪鶆虻惹樾?，需要對原始的指紋圖像進行預處理。指紋圖像的預處理包括增強、二值化、細化等處理步驟。預處理 算法是指紋識別系統(tǒng)中的重要內(nèi)容之一。因為預處理部分位于指紋識別系統(tǒng)的前端，其處理質(zhì)量將對系統(tǒng)的整體性能產(chǎn)