浅析指纹识别技术应用发展

东华大学研究生课程论文封面教师填写：得分任课教师签名年月日学生填写：姓名学号专业导师课程名称任课教师课程学分上课时间20至20学年第学期星期递交时间年月日本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的课程论文，是本人独立进行研究工作所取得的成果。除文中已明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人承担。论文作者签名：注：本表格作为课程论文的首页递交，请用水笔或钢笔填写。浅析指纹识别技术应用发展摘要：作为生物特征识别技术的一种，指纹识别技术具有快速、可靠、安全、便捷等许多优点。本文简要介绍指纹识别技术的国内外研究现状，并阐述了指纹识别的基本原理及其过程。简单介绍了指纹识别在各领域的应用，并对指纹识别的应用前景做了概括性的展望。关键词：指纹识别技术；研究现状；基本原理；应用前景AnalysistheapplicationdevelopmentoffingerprintrecognitiontechnologyAbstractAsabiometricidentificationtechnology,fingerprintrecognitiontechnologyhasmanyadvantagessuchasfast,reliable,safe,convenient.Thispaperbrieflydescribestheresearchstatus,thebasicprincipleandtheprocessoffingerprintrecognitiontechnology.Brieflyintroducethefingerprintrecognitionapplicationsinvariousfields,andmakethebroadprospectoffingerprintidentification.Keywords:Fingerprintrecognitiontechnology;Theresearchstatus;Thebasicprinciple;Prospect引言生物特征识别技术是一种利用人体独一无二的生物特征进行身份识别的技术。与传统的身份识别方式(如密码、证件、口令等)相比，人体的生物特征具有随身“携带”、防伪性能好、随时随地可用等优点。作为生物特征识别技术的一种，指纹识别是最古老的生物特征识别技术，最早广泛采用指纹作为身份鉴别工具的是古代中国人，中国古代的官方文件、契约上普遍使用指纹作为印章，国内现存最早的带指纹印章的文件来自2300年前[1]。指纹识别即指通过比较不同指纹的细节特征点来进行鉴别。由于每个人的指纹不同，世界上两个拥有完全相同指纹的人的出现概率为640亿分之一，就是同一人的十指之间，指纹也有明显区别，因此指纹可用于身份鉴定[2]。1、国内外研究现状据考古学家证实，公元前7000年-6000年，指纹作为身份鉴别的工具已经在叙利亚和中国开始应用。但是由于缺乏专门性研究，未能将指纹识别技术上升为一门科学。20世纪早期，指纹识别正式成为身份识别的方法并被法律部门用作身份鉴定的依据，并开始在世界范围内建立指纹识别机构和罪犯指纹档案。指纹识别的有关技术，包括指纹采集技术、指纹分类技术和指纹匹配技术都得到了较快发展。例如美国联邦调查局（FBI）在1924年库存样本指纹就达到了81万枚。20世纪80年代，个人电脑、光学扫描等技术革新使得他们作为指纹取像的工具成为现实，从而使指纹识别可以在其他领域中得以应用。随着取像设备的引入及其飞速发展，生物指纹识别技术的逐渐成熟，可靠的比对算法的发现都为指纹识别技术提供了更广阔的舞台[3]。近年来，无论是在国外还是国内都有很多研究机构在开展指纹算法技术的研究与实现，并且在军事、经济、网络应用等各种因素的推动作用下，指纹算法研究正在一步一步地攻克各种技术上的难题。在国际上，指纹研究处于领先地位的主要有美国、日本、意大利、新加坡南洋理工大学信号处理中心等。我国的指纹识别技术落后与美国、日本等将近15年左右。在20世纪90年代初期，我国首次出现了有关指纹识别的产品，2000-2002年主要应用于指纹考勤机；随着指纹算法准确性与处理速度的不断改进，2004年以后主要应用于金融等信息安全方面，目前我国指纹应用的前景十分广泛，其中较稳显著的有指纹支付、网上银行指纹UKEY、指纹智能卡等[4]。2、指纹识别的基本原理及过程指纹识别是从指纹数据库中查找与给定指纹相同的指纹数据，从而达到辨别身份的目的。指纹识别系统是指纹识别技术的核心内容。指纹识别系统由指纹图像采集、指纹图像预处理、指纹特征提取、指纹特征匹配、特征数据库等几部分组成。指纹识别系统从指纹数据库中查找与采集指纹是否匹配的指纹数据，从而达到指纹辨别的目的。指纹识别系统大体上可分为两个内容：指纹注册和指纹比对。指纹注册主要包括指纹采集、指纹图像预处理、特征点提取和特征值存储。指纹比对的前3步操作与指纹注册完全相同，在特征点提取后，生成的指纹特征值将与存储在指纹特征数据库的特征值做特征匹配，最后输出匹配结果[5]。指纹识别系统结构，如图1所示：图1：指纹识别系统框图2.1指纹采集指纹录入设备的作用就是抓取指纹图像的点位图,一般来说,每一点用一个0-255之间的灰度值表示。分辨率是每单位长度内的点数,一般用每英寸—dpi表示,它的范围在250-625dpi之间,500dpi为标准分辨率,指纹图像的范围为0.5”×0.5”(12.7mm)-1.25”(31.75mm),其中1”(25.4mm)为标准尺寸。点与点之间的距离称为节距。取像设备分成两类:光学、硅晶体传感器、超声波扫描和其他类型。2.2指纹图像预处理在自动指纹识别过程中,一个关键步骤就是精确、自动、自适应地从输入指纹图像中提取出指纹的特征数据(在基于点匹配的指纹识别算法中,特征被定义为脊线端点、分叉点的节点信息)。然而特征提取算法对输入图像有相应的要求(如某些特征提取算法只能处理指纹骨架图,有的则可以直接从原始图像中提取特征),并且算法性能在很大程度上依赖于输入指纹图像质量的好坏。为了保证有效地提取出特征数据,需要在特征提取之前对输入指纹图像进行预处理。预处理的目的是:①获取指纹纹理的基本信息,如指纹纹理的方向、指纹脊线的间距等,供给后续处理过程使用；②提取出图像中的指纹区域,并对该区域的图像进行增强；③针对不同的特征提取算法进行相应处理,如某些算法需要对增强后的图像进行二值化和细化,某些算法则什么也不做,直接输出增强后的图像。2.3特征点提取当今的指纹识别技术绝大部分是基于对指纹特征的识别而不是整幅指纹的识别。这样做有很多好处:信息集中无冗余、节省存储空间、运算速度快。常用的特征提取算法有两种:基于二值化的特征提取算法和基于直接灰度图的特征提取算法。（1）基于二值化的特征提取方法:这种算法对于预处理和增强后的图像先进行二值化,然后再提取特征点。在对二值化的图像完成细化后,提取细节特征点就是一项相对较为简单的事情了,如果细化后,脊的值设定为1,谷和背景的值设为0,那么如果一个值为1的像素的八领域中,只有一个值为1的相邻为1的相邻像素,那么这点为端点;如果一个值为1的像素的八领域中,它有且仅有两个互不相邻的值为1的相邻像素,那么这个像素为分叉点。只要针对图像中端点和分叉点的这一特点,就可以通过检查脊骨架图像的每个像素的邻域判断出每个点是否是特征点。（2）基于直接灰度的特征提取方法:这种方法直接从灰度图像出发,通过分析图像的纹理属性和拓扑结构提取出特征点。由于本人论文中指纹特征提取的方法不是这一种,故不多做描述。两种特征提取方法比较,前者基于二值化、细化后的图像,提取速度较快,后者由于要处理的信息较多,故速度慢。在质量方面,前者的好坏要取决于前面的增强等步骤的精确性,会丢失信息和增加伪信息,后者提取出来的特征质量要高得多。2.4指纹比对指纹识别中的一个重要处理过程是指纹的匹配。在匹配过程中,要将待识别指纹的有关数据与保存的指纹数据进行对比,比较二者之间存在的细节特征,寻找最相似的指纹模型作为被识别指纹的匹配模式。一般的指纹识别是基于点模式匹配(细节匹配),而不是基于像素匹配或脊线模式匹配。点匹配算法是假设通过某些变换(如平移变换、旋转变换,伸缩变换)可以把两个相对应的点匹配起来。两枚指纹的匹配,主要是解决旋转、平移和形变等问题。如果能准确地找到中心点,则只需解决旋转和形变等问题。但并不是每个人的指纹都有中心点,其次自动寻找中心点的算法对不清晰的指纹可能找出错误的中心点,这就可能引起下一步匹配产生错误的结果。匹配算法中很多是基于校正匹配算法(字符串模式代替点模式,即将细节特征信息数据转化为极坐标形式,以字符串形式表现它)来匹配两幅指纹图像中细节特征数据。这种方法在理论上简单,具有能够有效地辨别指纹,匹配速度较快等优点[6]。3、指纹识别在各领域的应用3.1民用领域在民用领域方面，指纹识别技术的应用很广泛。现在国外主要有以下几方面的应用：（1）医疗方面：如个人医疗档案管理、献血输血管理等。（2）金融安全方面：如指纹保险箱、指纹终端、指纹储蓄卡、指纹智能卡、交易终端客户身份确认、大额取款客户身份确认、远程交易身份确认等。（3）数据通信领域：加密技术就是研究数据的加密和解密和它的变换技术，它是信息安全传输的必要手段。指纹识别技术作为生物密钥，可以对加密传输数据进行二次加密，以便增加安全性。（4）将指纹识别技术同IC卡结合起来，这种技术是在加密持卡人的指纹信息之后，然后存储在IC卡上，同时将指纹识别系统装在IC卡的读卡机上，当卡上的信息被读卡机读取的时候，那么就会快速地将持卡者的指纹读入，持卡人的身份通过比对后就能够得到有效地鉴别。3.2刑侦领域在刑侦方面，利用指纹识别系统可进行十指查现场、十指查十指、现场查十指及现场查现场。十指查现场就是把已知道的罪犯个人身份的十指指纹和所保存的现场指纹作对比，来此人是否有前科。十指查十指是把待查的十指指纹和数据库中已知指纹作对比，来确定待查指纹的个人身份。现场查十指是把待查的现场指纹和数据库中已知罪犯的十指指纹作对比，来进一步确定犯罪嫌疑人。现场查现场是把还没有确定的现场指纹与其他未确定的现场指纹作对比，来确定它们之间的联系。刑侦用指纹识别系统的特点是：（1）能够高效地进行联网，进而在非常大的范围内进行指纹信息的共享；（2）可以管理几十万乃至上百万人的十指指纹；（3）可以通过和其它信息系统联网，最终形成一个综合的犯罪信息网络系统；（4）能很快的从指纹数据库中查找到按压指纹或现场指纹，从而获得犯罪嫌疑人的信息。这种指纹识别系统在西方国家的刑侦部门中的应用很广泛[7]。4、应用前景展望指纹识别技术在大陆的应用不过短短十余年的时间，作为生物识别技术最为成功的应用之一，近年来已得到快速的发展和普及。指纹识别市场空间巨大。据数据统计，国内一年门禁数量大约是50万门以上，目前指纹识别在门禁的应用大概只有1%左右，按照一般国外比例，大约应为20%以上。业内专家估计，未来5年，国内指纹识别市场尚有近百亿元的空间可开发。指纹识别技术的巨大市场前景，以及巨额的利润空间吸引到的投资将对国际、国内安防产业产生巨大的影响。2010年就有国际指纹锁巨头德国海因德尔公司进驻深圳、珠海，掀起了一轮指纹锁消费热潮。目前，国内从事指纹识别设备的研发、生产和销售的公司超过5000家，未来5年中，其中一些较小的公司将面临新进入的行业大公司的残酷竞争。指纹识别设备进入大陆的前十年间，由于各公司都在广告投入上患得患失，唯恐吃了“前人栽树，后人乘凉”的亏，在一定程度上限制了指纹设备的市场发展，而今，巨鳄已经张开了大口，这些拥有雄厚资金实力的跨国公司在促进行业发展的同时，也严重威胁到了中小企业的生存和发展。现有中小公司竞争力明显不足，行业重新洗牌不可避免，合并与退出可能会成为大部分中小公司的无奈选择。资金实力不容较量，技术取胜或许能抢得部分生机。打赢技术这张牌