（控制理论与控制工程专业论文）指纹识别系统关键技术研究.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得重废由电太堂或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 签字日期：夕和彦年莎月舌日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 重庆由e 电太堂有关保留、使用学位论文的规 定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查 阅和借阅。本人授权 重庞由电太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者繇舌 签字日期： n 名年f 月6 日 导师签名：呜粝蚕熹 签字日期：沙解6 月6 日 重庆邮电大学硕士论文摘要 摘要 进入二十一世纪以来，随着计算机技术的普及和快速发展，越来越多的身份 认证和信息安全需要更加准确、唯一和安全的身份认证手段。生物识别技术在这 方面脱颖而出。 指纹识别技术是生物识别技术的重要内容之一，具有其他生物识别技术所不 及的优点。指纹识别技术是通过计算机，利用人体的指纹生理特征来进行身份鉴 别的技术。由于指纹的终身不变性、唯一性等特点，它和传统的身份鉴定、密码、 钥匙等等手段相比具有更高的安全性、稳定性、准确性和易用性。使之成为可实 现产品化的生物识别技术之一。 文中介绍了指纹识别的过程，主要包括：指纹采集、指纹图像格式转换、图 像分割和图像增强、图像滤波、图像二值化、图像细化、特征点提取和匹配这几 个环节。以及指纹识别技术的一些重要参数。 随着时代的迅猛发展指纹识别系统的应用逐渐走向民用，市场就对指纹识别 系统提出了更高的要求。传统的自动指纹识别系统大多是基于计算机平台的联机 应用，而采集和处理指纹图像是指纹识别的关键所在。鉴于m a t l a b 对于图像处 理方面的强大功能，本课题利用m a t l a b 与c + + 混合编程进行图像处理的方法， 充分的应用了m a t l a b 在图像处理方面的优势。 本课题旨在建立基于v c 和m a t l a b 混合编程搭建平台的联机指纹图像评测 系统。图像采集设备应用较为广泛的电容式传感器和光学式传感器兼容而成，采 用u s b l 1 接口实时存储灰度指纹图像，建立多模式的指纹图库；前处理为灰度均 衡方法进行图像的粗精度增强；滤波实现了二维g a b o r 模式，完成高效的图像增 强和断纹拼接；迭代法实现对指纹图像的二值化处理，最后对本课题实现的算法 模型通过测试平台进行评测验证。 本课题属于应用研究领域，利用v c 和m a t l a b 搭建平台作为鉴别模型的载 体，同时担负和各种传感器的通信。采用支持面向对象技术，串口通信及编程技 术实现计算机串口对m c u 的控制，从而达到数据采集、传输、处理和显示结果的 自动化。 关键字：指纹识别、m a t l a b 图像处理、传感器、g a b o r 滤波 a b s t r a c t w i t l lt h ep o p u l a r i z a t i o na i l df a s td e v e l o p m e n to fc o n l p u t e rt e c h n o l o g yi nt h e2 1 甄 c e n t l l r y ，m o r ea n dr n o r ei d e n t i 丘c a t i o n 锄【dm f o m l a t i o ns e c u r i t yn e e dt ob ea t t e s t e db y a n a c c u r a t e ，u n i q u ea i l d s a f em e t h o d b i o l o g i ci d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g yw i l lb em o s t p r o m i s i n gi nt 1 1 i sf i e l d a so n eo ft h ei m p o n ；a n tc o n t e n to fb i o l o g i ci d e m i f i c a t i o nt e c h n o l o g y ( h e r e i na n d a r e rc a l l e db i t ) ，f i n g e r p r i n ti d e n t i f i c a t i o n7 r e c h n o l o g ym e r e i na n da r e rc a l l e df i t ) i s m o r ee f j f i c i e n tt h a no t h e rb i t b yu s i n gc o 叫) u t e r ，f i tc a na u t h e n t i c a t et h ei da c c o r d i n g t 0h 啪a j l f i n g e 印r i n tp h y s i o l o g i c a l c h a r a c t e r s b e c a u s eo f f i n g e 印r i n t s 吼c h a n g e a b l e n e s sa 1 1 du n i q u e n e s s ，f i ti ss a f e r ，m o r es 切b l e ，m o r ea c c u r a t ea i l dm o r e u s a b l ec o m p a r e dw i t ht r 撕t i o n a lm e t h o d so fi di d e m m c a t i o n ，p a s s w o r do re l e c t r o n i c k e v w l l i c he n 2 l b l e sf i tt ob eo n eo ft h ec o m m e r c i a l i z e db i o l o g i c a li d e n t m c a t i o n t e c t m i q u e s i nt h i sa r t i c l e ，、e 谢um a i l l l yt a l ka b o u th o wf i t 、v o r k sw m c hi n c l u d e st h e p r o c e s s e s o ff i n g e 印r i n tc o l l e c t i n g ， i i i l a g e f o 眦a t c h a n 妒，i m a g es e g m e n t “o n ， e r d l a j l c e m e n t ，f i l t e r i n g ，g r e ym i n i m i z a t i o n & m a ) ( i i l l i z a t i o n ，i m a g em i i l i l i n g ，c h a r a c t e r s c o l l e c t i n g & m a t c l l i n ga n d s o m ei m p o r t a n tp a r 锄e t e r si i lf i t w 油t h er a p i dd e v e l o p m e n to fs o c i e t ) r ，f i ti s 莎a d u a l l ya p p l i e di nh 啪a n sl i f e ， 、h i c hw i l li 扭v es t r i c t e rr e q u i r e m e n to nf i tf o ri t sa p p l i c a t i o ni nm a r k e t t m d i t i o 砌 f i ts y s t e mi s 印p l i e db yc o 彻e c t i n gc o m p u t e rp l a t f o 咖c o l i e c t i n ga l l dt r e a t m e n to f f i n g e 印r i mi m a g ei st h em o s ti m p o r t a n tp o i mi nf i t ，c o n s i d e r i n gt h es u p e r i o r 如n c t i o n o fm a t l a bo ni m a g e 廿e a c m e n t ，w et a k e 如1 1 ya d v 舭g eo fi t ss u p e r i o r i t ) ，a n d t r e a t m ei m a g eb ym i x i n gp r o 伊锄w i m 盯l a ba n dc 抖，i nt h i sc o u r s e ， t i l i sc o u r s ea i m sa te s t a b l i s l l i n go n l i n ei d e n t i f i c a t i o ns y s t e mb a s e do nm a t l a b p l 甜- o 衄i m a g ec o l l e c t i o na i l dc o m p a t i b i l 毋i su s e dw i d e l yb yc 印a c i t o rs e n s o ra i l d o p t i c a ls e n s o r ，u s b1 1i n t e r f a c ei su s e dt om e m o r i z et h e 伊e yf i n g e 印r i n ti m a g ea n d e s t a b l i s hm u l t i m o d ef i n g e 印r i n tg a l l e r y ；p r e t r e a n n e n te n h a n c e si m a g ep r e c i s i o nb y 蓼e y p o i s i n gm e t h o d ；f i l t e r i n ga c t u a l i z e s2 dg a b o rm o d ea n df i n i s h e sl l i 曲e f ! f i c i e n ti m a g e e 1 1 l l a i l c e m e ma n dm p t u i 。e dp r i n ts p l i c i n g ；c h a r a c t e rp o i n t se x t r a c t i n ga i l dm a t c h i n gu s e s e x i s t i n gc o m m e r c i a l i z e da r i m m e t i cm o d et ov a l i d a t em e m o d ea c t u a l i z e di nm i sc o u r s e t h i st o p i cb e l o n g st 0a p p l i c a t i o nr e s e a r c hf i e l d i tu s e sm a t l a b a st h ec a r r i e ro f v e r i f i c a t i o na n du 1 1 d e r t a k e st h ec o m m l 】n i c a t i o nw i 也s e n s o rs i m u l 协n e o u s l y t ba d o p t i i 重庆邮电人学硕士论文 摘要 f a c i n go b j e c tt e c h n o l o g y ，s e r i a l i n t e r f a c ec 0 m m 砌c a t i o na n dp r 0 伊a i i 吼i n gt e c l l i l o l o g y t oc o n 仃o lm c ut i 聃u 曲s e r i a li n t e 嘲c es o勰t 0a u t o m a t i z e d a t ac o l l e c t i o n ， t r a n s m i s s i o n ，m a n i p u l a t i o na i l dd i s p l a yr e s u l t k e yw o r d s ：f i n g e 印r i mi d e n t i f i c a t i o n ，m a t l a bi m a g ep r o c e s s i n g ，s e n s o r ，g a b o rf i l t e r i i i 重庆邮电大学硕士论文目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 研究背景1 1 1 1 生物识别技术概念和发展1 1 1 2 生物识别系统4 1 2 指纹识别技术的难点和面临的问题4 1 2 1 指纹识别技术的难点5 1 2 2 指纹识别技术面临的问题5 1 3 研究的目的和方法6 1 4 本文的框架6 第二章指纹识别技术基本原理8 2 1 指纹的概念和特征8 2 1 1 指纹的概念8 2 1 2 指纹的特征8 2 2 指纹识别流程10 2 2 1 图像获取1 l 2 2 2 图像增强1 2 2 2 3 图像滤波1 3 2 2 4 图像二值化1 4 2 2 6 图像细化1 4 2 2 7 特征点提取1 5 2 2 8 特征匹配15 2 3 指纹识别的评测l5 2 3 1 指纹图像评测相关参数1 6 2 3 2f v c 介绍1 7 2 4 本章小结1 7 第三章系统硬件构成18 3 1 指纹采集设备1 8 3 1 1 光学指纹采集设备1 8 3 1 2 半导体指纹采集设备2 l 3 1 3 不同模式指纹采集模块的比较2 3 3 2 图像转换模块2 4 i v 重庆邮电大学硕士论文目录 3 2 1 传感器兼容性研究2 4 3 2 2u s b 接口技术3 2 3 3 本章小结3 4 第四章系统软件平台3 5 4 1m a t l a b 工具箱3 5 4 1 1 基本处理方法3 5 4 1 2 图像处理工具箱3 6 4 1 3 小波降噪原理3 6 4 2v c 调用m a t l a b 的常用方法3 7 4 3 基于m a t l a b 的指纹图像处理3 8 4 3 1 图像灰度均衡3 8 4 3 2 指纹图像增强3 9 4 - 3 3 指纹图像二值化4 2 4 3 4 实现测试平台4 3 4 4 本章小结4 5 第五章总结与展望4 6 5 1 总结4 6 5 2 本文创新点4 6 5 3 今后工作4 6 5 4 指纹识别技术展望4 7 参考文献4 9 致谢。5l 附蜀专5 2 v 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论弟一早殆t 匕 随着现代科技的日新月异的发展，我们的日常生活、工作甚至娱乐都已经和 信息息息相关。个人信息及个人身份认证是我们生活之中一个重要内容。传统的 密码作为特征的身份识别技术已经开始越来越不能满足现代社会人们的需求，各 种各样的银行卡、门禁系统、电子邮箱甚至聊天工具都需要密码来保证我们的信 息的私密性和唯一性。正是由于密码容易被人们遗忘，容易被破译和伪造，记忆 起来繁琐而且枯燥，携带起来容易丢失，密码已经渐渐的已经不能适应人们更加 丰富和繁忙的生活，因此需要一种具有唯一性，可靠性、稳定性、可采集性、简 便性的工具来适应现代化快节奏的生活。 随着近年来计算机科技的突飞猛进的发展，利用人体生物特征唯一性来鉴别 每个人的身份的生物识别技术无疑成了人们作为身份证明的一种首选方式。指纹 识别技术作为生物识别技术中的一种正日益广泛的被人们使用。 1 1 1 生物识别技术概念和发展 ( 1 ) 生物识别技术的概念 生物特征识别技术( b i o m e t r i ci d e m i f l c a t i o nt e c h n o l o g y ) 是一种通过核对个体 的、具备唯一性的生理( p h y s i o l o g i c a l ) 或行为举止特性来识别个体身份的自动识别 方法。人体的生理特征与生俱来，主要包括指纹、声音、面孔、虹膜、掌纹、人 体气味、人体血管纹理和d n a 等。人体的行为举止特征是后天形成的，主要包括 语音、笔迹、步态等等。由于生物识别技术具备广泛性、唯一性、稳定性、可采 集性这些显著的优点，使用生物识别技术来进行个人身份识别无疑能更好的满足 当前对于身份识别的要求。 生物识别的基本过程简单的来说分为以下几个步骤： 首先捕捉选择好的生物学特征的样本作为生物识别的模版，以后验证时取得 的新样本要以原始模版为参考进行比较，通常要取多份样品已得到有代表性的模 版。取样之后，将其量化，利用数学算法对提取的特征图像进行处理后，最终生 成特征模版，使之与预先保存的人体生物特征数据库的特征数据进行一一对比， 重庆邮电人学硕士论文 第一章绪论 图1 1 生物识别基本过程 最后根据比对结果的相似性来决定是否匹配。用流线图来表示如图1 1 。 ( 2 ) 生物识别技术的种类和比较 人体的生物特征识别技术有很多种，每种生物识别技术都具有其独特的优势。 在实际应用中往往很难找到符合各种条件具备全部优势的生物特征。用于生物识 别的生理特征有指纹、掌纹、面部、虹膜、视网膜、脉搏、耳廓等，行为特征有 签字、声音、按键力度等。基于这些特征，人们己经开发了指纹识别、面部识别、 虹膜识别、视网膜识别、语音识别、签名识别等多种生物识别技术。 目前有三种生物特征被认为最具有固定性和唯一性，即视网膜、虹膜和指纹。 虹膜识别技术是利用虹膜终身不变性和差异性的特点来时识别身份的，是一 种高精度的生物识别技术。眼睛的虹膜是由相当复杂的纤维组织构成，其细部结 构在出生之前就以随机组合的方式决定下来了。虹膜识别技术的优点是它便于用 户使用，用户位于设备之前而无需物理接触。缺点是：它没有进行过任何测试， 当前的虹膜识别系统只是用统计学原理进行小规模的试验，没有进行过现实世界 的唯一性认证的试验；很难将图像获取设备的尺寸小型化，因为聚焦的要求，需 要昂贵的摄像头；镜头可能会使图像畸变导致可靠性大幅度降低；黑色眼睛极难 读取，所以需要一个比较好的光源。 视网膜识别技术的特点是视网膜是一种极其固定的生物特征，不会被老化、 疾病、磨损所影响。使用时使用者无需和设备直接接触，另外由于它的不可见性， 它不会被伪造。但是视网膜技术的缺点是会对用户的健康造成损害，因此用户的 可接受程度很低。 指纹识别技术目前是应用最为广泛的一种生物特征识别技术。因为指纹的采 集简单，设备成本低廉。指纹识别的特点是指纹是独一无二的特征，并且它们的 复杂程度足以提供用于鉴别的足够特征。相信随着科学技术的飞速进步和发展越 来越多地生物识别技术将会应用到我们的实际生活之中。 其他几种生物识别技术在各个不同领域也得到应用但还有待推广和加深。最 终的生物识别技术会向着几种生物特征综合应用的方向发展。下面对几种最常用 2 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 的生物特征的特点做一个优势比较【1 1 。 表1 1 几种常用的生物特征的比较 生物特征普遍性唯一性永久性可采集性准确性可接受性 防伪性 d n a 高 高高低高低低 人脸高低中高低 高高 指纹中高高 中 高中中 手部血管中中中 中中中低 虹膜高高高中 高低低 笔迹低低低高低 高高 步态中 低低高低高中 ( 3 ) 生物识别技术的发展概况和趋势 生物识别技术在我国的应用可追溯到几百年前，古人就学会应用手印作为身 份的代号和凭证。中国是公认的指纹应用发源地，“睡虎地秦简中有勘查盗窃案 件现场“手迹六处 的记载。据现有史料记载，指纹手印的应用是与唐朝，那时 在契约上的红色手印就被作为人的身份认证的重要依据，而到了宋代指纹已经运 用到了刑事诉讼当中了。 在国外，指纹识别技术研究和应用的历史也比较悠久。早在1 8 2 3 年，西欧出 现显微镜之后德国学者普克尼就将指纹划分为9 个类别。1 8 8 9 年，英国自然 科学杂志发表了一篇福尔兹的论文，文中指出“每个人的指纹特征都是唯一的， 而且又是终生不变的 。到了2 0 世纪2 0 年代，随着计算机的广泛应用和模式识别 理论的发展，人们开始研究使用计算机进行指纹的自动识别。研究和实践表明， 指纹识别是最方便、最可靠的个人身份认证方法之一。生物识别技术将成为未来 i t 业的重要变革。 由于人体的生理特征具有不可复制的唯一性，并且生物钥匙没有被失窃或者 被遗忘的特性，因此利用生物识别技术进行身份认定是安全可靠准确的方法。生 物识别技术广泛的应用与政府、军队、银行、电子商务、安 如：美国德克萨斯洲的联合银行的营业部里有这样一组镜头， 他没有带银行卡，也没有使用密码就直接取款，当她取款的 该储户的眼睛扫描，然后迅速准确地完成了用户身份鉴定， 部使用的正是生物识别技术中的“虹膜识别系统 比1 。 自从美国“9 1 1 事件”之后，快速准确进行身份确认的 生物识别技术市场的发展。反恐怖活动成为各国政府的共识 就可以在这些安全防务系统发挥出色的作用。这就向业界提 速度更快而且能够与数据库连接的生物识别仪器的挑战。 重庆邮电大学硕士论文第一章绪论 随着国内生物认证技术水平的不断提高，国内的产业也对这个领域有了浓厚 的兴趣。并且由初期的主要使用国外算法向逐步形成自主知识产权的算法和产品 发展。但是相比来说，国内产品还是与国际水平有很大差距，市场需要进一步完 善，比如核心技术掌握不够，产业规模小，针对生物识别的行业法规及关键技术 的标准没有出台，从而会制约行业的发展。 1 1 2 生物识别系统 根据应用目的不同，生物识别系统可以分为两种，即验证和辨识。 验证，就是通过把现场采集到的生物特征和一个已经注册的模板进行“1 ：1 比对 来确认身份的过程。但是验证一定要有前提条件，他( 她) 的特征必须在模 板数据库中己经注册，以一定的压缩格式存储，并与其姓名或其标识联系起来。 随后在比对现场，先验证其标识，然后利用系统的模板与现场采集的特征比对来 证明它的标识是合法的。验证过程回答了这样一个问题：“他是他所称的这个人 吗? 。辨识，则是把现场采集到的生物特征同数据库中的模板逐一比对，即：l ：n 比对从中找出与现场特征相匹配的模板。辨识过程其实回答了“他是谁”的问题1 。 注册是验证和辨识共同的过程，该步骤要完成的是在系统数据库进行身份的 登记。注册过程中生物特征被采集，并通过质量检测模块确保所注册生物特征的 有效性和完整性，使该身份被正确的表示。采集到的特征通过特征提取环节以一 种压缩的、标准化的格式存入系统数据库并冠以相应的标识，称为模板。验证过 程中，用户标识通过键盘或其他输入设备输入系统，采集器采集用户生物特征并 通过特征提取得到压缩的标准的数据信息，最后送给特征匹配器，达到l ：1 比对的 目的。辨识过程是没有用户标识的，所以在巨大的数据库系统中计算量较大，通 常会采用分类、索引技术限制模板特征的数量，降低计算量。 1 2 指纹识别技术的难点和面临的问题 指纹识别技术是依靠人体的指纹特征来进行身份验证的生物识别技术【4 1 。在所 有生物识别技术中，指纹识别技术已经成为生物识别技术研究的热点。指纹识别 技术是方便、简捷、实用、价格低廉、具有代表性的和具有很大市场应用前景的 一种技术。指纹因为它的唯一性和相对稳定性使得指纹识别技术在社会安全、信 息安全、家庭安全等各个领域有了很广泛的应用。虽然指纹识别产品已经开始为 消费品市场所接受，行业的发展也日趋成熟，但是产品和技术达到用户的预期还 有一定差距。伴随着行业的快速成长的同时也存在许多困难和问题。 4 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 1 2 1 指纹识别技术的难点 目前对于同源指纹的不同输入所得到的指纹图像存在着很大的差异，如何准 确、快速的自动识别指纹图像，确定被测人的身份是比较复杂的问题。 ( 1 ) 由于采集指纹时手指摆放角度的不同，造成待识别的图像相对模板中的图像在 角度上存在旋转或平移。 ( 2 ) 指纹采集时的平移和旋转会导致指纹的部分区域落到传感器之外，会使模板指 纹与待识别的指纹之前的共同前景区域变少。 ( 3 ) 因为手指皮肤的弹性，使得手指在按压传感器时会造成采集到的指纹存在不规 则的变形，这种变形随机性很强，很难用数学模型定量描述。 ( 4 ) 当手指皮肤在干、湿、按压力度过大、汗渍、清洁度差、磨损、伤痕等情况 下会造成采集图像质量下降。 ( 5 ) 指纹采集设备不具备自洁功能，会给采集造成干扰，使前面采集残留的印痕和 后面采集的指纹图像重合。 ( 6 ) 特征提取算法本身的不完善性会造成伪特征点出现，而使真正的特征点缺失。 1 2 2 指纹识别技术面临的问题 ( 1 ) 测试和验证体系不健全。随着指纹识别技术研究和应用的日益深入，国内外在 这个技术领域由于模型建立的百花齐放，因此并没有统一的标准。大多是参照国 外的技术进行研发，没有自己的核心技术。发展也并不规范，配套技术措施不完 全。测试手段各不相同，验证的结果也不具备权威性和通用性。因此，需要有一 套完整的、公正的评价体系来指导后续的研究方向。 ( 2 ) 系统的识别精确度和快速性问题。指纹识别作为身份鉴定的一种手段对准确度 和实时性都有很高的要求。当前的指纹识别算法在指纹质量图像不错的情况下能 有一个相对不错的结果。但是对背景复杂、前景区指纹纹路不清晰的指纹图像就 很难达到满意的精确度。因此，在实际应用中就只能以拒认来确保系统安全。这 样就大大降低了系统的可用性。另外，在拥有较大数据库的指纹辨识中，识别速 度缓慢，虽然采用了一些分类、索引技术，但是指纹图像区域较小、类别不明显 的情况就显得无能为力。 ( 3 ) 指纹图像识别之前的前期处理问题。当前的研究过于局部化，缺乏研究的整体 性和全局性。面对当前指纹识别技术研究存在的问题可以通过一些整体性思路来 开拓，而不仅仅局限于局部的改善。例如：可以建立指纹图像质量的评判体系，对 后面的识别具有较强指导意义。还有可以加强前期指纹图像的处理工作，从而在 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 最开始的时候，后续出现的有些问题就在前面得到解决。 ( 4 ) 由于系统的鲁棒性能不完善，因此如何采取有效的方法提高系统的性能是进一 步要研究解决的问题。对于质量比较低的指纹图像处理问题虽然人们提出了许多 解决办法，但是伴随而生的问题却不能解决。例如：加强图像滤波增强的效果虽 说可以解决低质量的指纹图像，但同时给质量好的指纹图像也带来了增强功能， 从而容易引入一些伪特征，影响识别。 ( 5 ) 系统智能性水平低。由于当前算法处理问题的机械化，和缺乏智能性，因此目 前的指纹识别技术难以应对复杂的背景和环境。 ( 6 ) 产业化步伐很慢。增长潜力最大的地区目前的产品应用却是最少的。由许多用 户对生物识别产品的认识还存在误区。市场不完善，缺乏技术与市场需求的良性 互动。往往是供应商帮助用户选择一种合适的技术之前，对用户的具体使用要求 缺乏充分的理解，从而导致不恰当的应用，从而使用户产生误解。 1 3 研究的目的和方法 当前，自动指纹识别所面临的最大问题就是低质量指纹的准确、快速地识别。 这就需要人们对采集得到的指纹原始图片的质量进行分析评测，以此指导指纹的 采集，以及后续处理环节。 本课题旨在建立基于m a t l a b 与v c + + 混合编程的指纹图像测试平台的联机 识别系统。图像采集兼容应用较为广泛的电容式传感器和光学式传感器，采用 u s b l 1 接口实时存储灰度指纹图像，建立多模式的指纹图库；前处理为灰度均衡 方法进行图像的粗精度增强；图像增强和滤波利用了二维g a b o r 滤波模式，完成 高效的图像增强和断纹拼接；迭代法完成指纹图像的二值化处理，最后对本课题 实现的算法模型通过搭建的软件测试平台进行直观的评测验证。 1 4 本文的框架 本论文的主要框架一共分为五章： 第一章为绪论，介绍生物识别的基础知识以及本课题的研究目的和任务； 第二章介绍指纹识别技术基本原理。首先介绍了指纹的概念和特征，主要介 绍指纹识别图像处理的流程和基本原理；以及指纹图像质量测评的思想和参数。 第三章系统的硬件构成，主要对采集设备兼容性进行研究，通过图像转换模 块纠正了光学采集器的梯形畸变问题。利用u s b 接口实现了采集设备和图像处理 软件平台的连接。 6 重庆邮电大学硕士论文 第一章绪论 第四章系统软件平台。介绍m a t l a b 在图像处理( 指纹图像前处理) 方面的 应用，小波去噪原理。利用分块内插法实现对指纹图像的灰度均衡：利用二维g a b o r 滤波的地址索引算法实现指纹的图像增强和滤波；用迭代法多图像的二值化处理； 最后利用m a t l a b 和v c + + 接口技术，在v c + + 搭建的指纹评测系统软件平台里直 观的显示了处理结果。 第五章总结和展望。 7 重庆邮电大学硕士论文第二章指纹识别技术基本原理 第二章指纹识别技术基本原理 指纹自动识别技术是从2 0 世纪6 0 年代在计算机技术比较发达的国家开始 的，从最早的半自动识别过程发展而来。随着计算机技术的不断发展、图像处理 与模式识别方法的日臻完善，人们开始用计算机来代替当初由人们来完成的复杂、 费时而且准确率低的工作，由此产生的自动指纹识别系统( a u t o m a t i cf i n g e r p r i n t i d e n t i f i c a t i o ns y s t e m 简称a f i s ) 就是利用计算机技术确定两枚指纹是否来自同一个 手指。从而确定不同人的身份。 2 1 指纹的概念和特征 2 1 1 指纹的概念 指纹是手指皮肤上特有的纹路，由皮肤上隆起的线条构成。其中突起的纹线 称为脊，脊之间的部分称为谷，它们的形成依赖于胚胎发育时的环境。这些隆起 的线的起点、终点、分叉、结合等被称为细节特征点。隆起的线条的这种细节特 征有无数种排列，因此，每个人的指纹甚至每个指纹的每条隆起线都是独特的。 指纹有两个突出的特点归。： ( 1 ) 唯一性。 指纹具有明显的唯一性。至今仍找不出两个指纹完全相同的人。皮肤表皮上的 纹路是在胎儿六个月的时候形成的，即使是同卵双胞胎的指纹也是不相同的。因 此不仅人与人之间，即使是同一个人的十指指纹也有明显的区别。根据指纹学理 论，两枚指纹匹配上1 3 个细节特征的几率为0 0 0 0 0 1 。这些特点为指纹用于身份识 别提供了客观依据 ( 2 ) 稳定性。 指纹具有很强的相对稳定性。从胎儿六个月指纹完全形成到尸体腐烂，指纹纹 线类型结构统计特征的总体分布等始终没有明显变化。尽管随着年龄的增大指纹 在外型大小纹线粗细上会产生一些变化，但从总体上看指纹是相对稳定的。 2 1 2 指纹的特征 指纹识别技术并不直接存储指纹图像，而只是记录从指纹图像中提取到的特 8 重庆邮电大学硕士论文第二章指纹识别技术基本原理 征。指纹识别算法最终都归结为在指纹图像上提取并比对指纹的特征。人们定义 了一般情况指纹的可分为两类特征：总体特征和局部特征。 ( 1 ) 总体特征 总体特征是指那些用人眼直接就可以观察到的特征，包括：基本纹路图案、模 式区、中心点、三角点、纹线等。 凰 a ) 螺旋形b ) 左环形c ) 右环形d ) 拱形e ) 帐形 图2 1 指纹的分类 人们经过大量统计发现，虽然纹线的全局结构模式因人而异，但是变化的种 类却是很有限的，由于样本等关系，比例可能略有不同，但基本保持稳定。下面 表示各种形状指纹出现的自然比例嘲，大致的见下表2 1 表2 1 各类型指纹的自然分布 类别螺旋形左环形右环形拱形帐形 自然分布 o 3 2 5 2o 1 7 0 3o 3 6 4 80 0 6 1 60 0 7 7 9 困 中心点 图2 2 奇异点 指纹分类是依据指纹的宏观模式，以奇异点为主要特征是最常用的分类模式。 在人们的长期实践经验中总结分析出来的，奇异点主要有两种：中心点( c o r e ) 和三角 点( d e l 啪。可以根据奇异点的数目、类型、位置等信息来进行分类。在指纹分类计 数中，奇异点是最常用的特征，奇异点的特征可依据定一个指纹的类型。因此找 到可靠的奇异点位置对指纹的分类具有重要的意义。 ( 2 ) 局部特征 局部特征是指指纹上的细节点。两枚指纹经常会具有相同的总体特征，但它 们的局部特征也就是细节点，却完全不可能相同u 。由于指纹纹路并不是连续的， 平滑笔直的，而是经常出现中断、分叉或打折。所以这些断点、分叉点和转折点 9 重庆邮电大学硕士论文第二章指纹识别技术基本原理 就称为“细节点 ( m i n u t i ap o i n t s ) 。就是这些细节点提供了指纹唯一性的确认信息。 根据人们研究指纹的细节特征可以有1 5 0 种之多，但这些特征出现的概率并不相 等，很多特征是极其罕见的。以下几种是经常出现的局部特征类型，如图2 3 所示。 分歧点孤立点 环点 短纹 = 乏- 一 图2 3 指纹的局部特征 ( 1 ) 终结点( e n d i n g ) 一条指纹路在此终结。 ( 2 )分叉点( b i 丘】r c a t i o n )一条纹路在此分成两条或者更多的纹路 ( 3 )分歧点( 鼬d g ed i v e r g e n c e )两条平行的纹路在此分开。 ( 4 ) 孤立点( d o to ri s l a l l d )一条特别短的纹路，甚至成为一点。 ( 5 )环点( e n c l o s u r e )一条纹路分开成为两条之后，立即又合并成一 条，这样形成的一个小环成为环点。 ( 6 ) 短纹( s h o n 黜d g e )一条比较短但不至于成为一点的纹线。 a f i s 的特征提取过程就是通过相应的处理算法自动提取经预处理后的指纹图 像的总体特征和局部特征。特征提取的最终目的是要方便实现指纹的比对，因此 必须在提取特征的同时确定各细节特征的位置，为了给各个细节特征定位，一般 的做法是先到中心点和三角点已确定参考点，然后各细节特征的位置可由参考点 确定。 2 2 指纹识别流程 自动指纹识别系统的工作流程是指活体指纹经过指纹采集设备录入到计算机 内，形成灰度指纹图像，然后通过图像处理，处理后的图像进入验证过程，与库 存的各个指纹匹配后，给出最后结果。如图2 4 所示。 图2 4 指纹识别流程图 l o 贻(燃 点 一 结 i二 重庆邮电大学硕士论文 第二章指纹识别技术基本原理 2 2 1 图像获取 图像的获取是指纹采集的第一步，这个阶段对指纹识别系统来说是很重要的 一个步骤。如果没有高质量的指纹图，就不能可靠的识别。以前人们曾用很多种 方法来获取图像，其中最重要的两种方法就是墨印和活体扫描方法。最古老也是 最常用的获取指纹的方法是墨印技术，它曾经常用于法律的实施过程当中。这种 方法一个最主要的优点就是获取的指纹面积非常大，它的缺点是费时，并且不适 合通常的指纹识别处理。另一种方法就是通过一种扫描设备实时获取指纹图像。 扫描设备有很多种，比如光电式指纹采集器、电容式指纹采集器、压敏式指纹采 集器、热敏式指纹采集器和超声波式。但现在最流行的是光电式指纹采集器和电 容式指纹采集器。 光电式采集器是使用一个光源和一个光学传感器来获取指纹。光电式指纹传 感器工作原理是利用从光源发出的一组光线，经过棱镜后照射在待采集的手指上， 由于指纹的脊和谷对光线的反射不同，所形成的指纹纹路图像被投射到半导体光 敏矩阵器件上，形成随图像明暗变化而改变的电信号。最后经过a d 转换电路转换 为一连串的数字图像信息。随着c m o s 数码阵列光电图像传感器技术的不断成熟， 在光电图像转换的领域中，c m o s 光电器件开始逐步取代传统的c c d 光电器件。用 c m o s 光电器件取代c c d 光电器件而构成的光电式指纹传感器，称之为c m o s 光电 式指纹传感器。与c c d 光电式指纹传感器相比，c m o s 光电式指纹传感器采用数字 信号输出，抗干扰能力较强，与处理器的接口电路十分简单。光电式指纹传感器 的优势在于，产品的成本相对较低，耐用度好，抗静电强度高，能承受一定程度 的温度变化，并能够提供分辨率为5 0 0 d p i 的图像。不足之处主要表现在尺寸过大和 潜在指印两个方面。 半导体电容式指纹传感器是一种非视觉型的全新概念的指纹传感器。电容式 指纹传感器由半导体晶片构成，在半导体晶片的表面，集成了约1 0 0 ，0 0 0 个电容传 感器阵列，其表面是绝缘的。当活体手指放在上面时，皮肤组成了电容阵列，手 指上导电性能良好的真皮层上的脊和谷相对晶片表面的距离不同，与芯片之间产 生不同的电容使电容传感器阵列中相应单元的电压值也不同，继而使这些电信号 转换成一个8 b i t 的灰度数字指纹图像。半导体电容式指纹传感器具有自动增益 ( a g c ) 功能，在不同的环境下结合反馈的信息，可以自动调节行、列、局部范围以 及每一个像素的灵敏度，从而提高图像的质量。其缺点是受半导体大规模集成电 路制造技术水平的限制，其采集的面积不易做大。对特别潮湿的手指，采集效果 不佳。另外，容易受到静电的影响，这使得传感器有时会取不到图像，甚至会被 损坏。 重庆邮电大学硕士论文第二章指纹识别技术基本原理 2 2 2 图像增强 在介绍指纹图像增强之前首先要介绍一下方向图的概念。由于指纹图像是具有 确定纹理的流状模型，具有一定的方向性。因此通过计算方向场作为它的方向图。 方向图反映了指纹图像纹理结构的本质，要使指纹图像预处理后能获得清晰，稳 定的脊线特征图，必须准确的提取指纹图像的方向图。方向图描述了指纹图像中 每一个像素点所在的脊和谷在该点的切线方向。求取指纹方向图是指纹识别系统 中的关键技术。 图像分割是图像增强前端的重要步骤，处理的结果直接影响着后面的细节提 取等环节。图像分割的主要目的是提取出指纹图像的前景，提取出线条清晰的区 域，使后面的处理无需在噪声严重且不可恢复的区域花费时间。正是因为指纹图 像作为纹理图像具有一个显著的特点：灰度在脊线方向上变化很小而在垂直与脊 线的方向上变化很大，对于背景而言，灰度在任意方向上变化都很小。 利用这种特性，可以考虑利用方差确定指纹的有效区域。具体来说即是沿着 与脊线方向垂直的方向上方差最大，沿着脊线的方向方差较小，对于噪声严重的 区域沿任意方向方差都很小。直接利用灰度关系判断有效区域也是一种操作简单、 易于理解的方法。考察图像和由图像划分所得到的子图像的灰度最大值和最小值， 如果最大值与最小值之差小于某个经验阈值则认为这是无效区域，置为背景。否 则二值化，若结果为黑像素( 或白像素) 远大于对方，则也认为其为背景。经图 像采集所取得的图像不一定是高质量的，而低质量的图像会造成伪细节点的引入， 真实细节点被忽视，细节点定位信息如位置、方向等出错等后果。因此，就需要 引入图像增强环节，这是为了保证后续环节特征的正确提取。 指纹图像的