第八章-生物识别-2014

1、自动识别技术武汉理工大学武汉理工大学物流工程学院物流工程学院物流自动化系物流自动化系第八章 生物特征识别 如何准确鉴定一个人的身份，保护信息安全 ？保护信息安全保护信息安全 证件证件 磁卡磁卡IC卡密码密码日常生活中往往会出现日常生活中往往会出现：钥匙丢了，进不了门钥匙丢了，进不了门 密码忘了，无法在密码忘了，无法在ATMATM机上取钱机上取钱 电脑中的重要资料被他人非法复电脑中的重要资料被他人非法复制了制了 手机被他人盗用，打了国际长途手机被他人盗用，打了国际长途 。生物特征识别技术生物特征识别技术 人体生物特征识别技人体生物特征识别技术是依据人类自身所术是依据人类自身所固有的生理或行为特固

2、有的生理或行为特征与计算机信息系统征与计算机信息系统结合对人体进行身份结合对人体进行身份识别的一种高科技技识别的一种高科技技术术 人体生物特征与生俱来，具有先天性、不变性和唯一性的特点，把其生物特征采集下来转换成数学模板存贮到计算机系统中与其生物特征比较，确定其身份人体生物识别技术人体生物识别技术 最大的最大的优势优势生物识别技术原理生物识别技术原理1.1.样本采集样本采集通过某种原理可以测量生物特征，并将其通过某种原理可以测量生物特征，并将其转化成计算机可以处理的数字信号转化成计算机可以处理的数字信号 2.2.预处理预处理 目的主要是去除噪声，加强有用的信息目的主要是去除噪声，加强有用的信息

3、，并对输入测量仪器或其他因素所造成的，并对输入测量仪器或其他因素所造成的退化现象进行复原退化现象进行复原 3.3.特征抽取特征抽取机器通过学习获取生物特征信号中能够凸机器通过学习获取生物特征信号中能够凸现个性化差异的本质特征，从而实现身份现个性化差异的本质特征，从而实现身份的识别的识别 4.4.特征匹配特征匹配计算两个生物特征样本的特征模板计算两个生物特征样本的特征模板之间的相似度之间的相似度人体生物特征识别技术人体生物特征识别技术 虹膜识别虹膜识别指纹识别指纹识别签名识别步态识别步态识别掌纹识别掌纹识别什么是虹膜？什么是虹膜？ 虹 膜 识 别虹膜虹膜 是指眼球中瞳孔和是指眼球中瞳孔和眼白之间

4、的充满了丰富纹眼白之间的充满了丰富纹理信息的环形区域每一个理信息的环形区域每一个虹膜都包含一个独一无二虹膜都包含一个独一无二的基于像冠、水晶体、细的基于像冠、水晶体、细丝、斑点、结构、凹点、丝、斑点、结构、凹点、射线、皱纹和条纹等特征射线、皱纹和条纹等特征的结构。的结构。 捕捉虹膜的数据图像为虹膜的图像分析准备过程从虹膜的纹理或类型创造512字节的iriscode.使用iriscode模板用于确认。虹膜识别技术的工作原理虹膜识别技术的工作原理虹膜识别技术的特点虹膜识别技术的特点惟一性惟一性发育学家通过大量观察发现发育学家通过大量观察发现, ,虹膜上丰虹膜上丰富的纹理图案因人而异。每个人每只眼富

5、的纹理图案因人而异。每个人每只眼睛的虹膜都是唯一的。睛的虹膜都是唯一的。稳定性稳定性 虹膜在人出生八个月后就已经稳定成虹膜在人出生八个月后就已经稳定成型、终身不变型、终身不变 非接触式采集非接触式采集 用户可以在不与采集设备接触的情况下用户可以在不与采集设备接触的情况下成像成像 第一代：纯光学仪器第一代：纯光学仪器采用普通的放大镜，需要由外采用普通的放大镜，需要由外部环境光做光源部环境光做光源 在普及过程中，配备了检测灯在普及过程中，配备了检测灯光光 缺点：环境的光线不足对检测缺点：环境的光线不足对检测的影响很大的影响很大 第二代：光学第二代：光学+ +电子仪器电子仪器 由光学部件组成虹膜仪的

6、镜头由光学部件组成虹膜仪的镜头，由电子元件完成信号采集，由电子元件完成信号采集/ /转转换、甚至临时储存的功能，然换、甚至临时储存的功能，然后通过显示仪器显示出来后通过显示仪器显示出来具备了更多功能，如定格功能具备了更多功能，如定格功能；更换各种倍率的镜头：使虹膜更换各种倍率的镜头：使虹膜仪具备了照相、皮肤检测、头仪具备了照相、皮肤检测、头发检测的功能；发检测的功能；配备小型配备小型LCDLCD显示器的显示器的 便携式便携式仪器仪器虹膜检测仪的发展第三代：光学第三代：光学+ +电子电子+ +计算机技术计算机技术 计算机的出现，使虹膜仪计算机的出现，使虹膜仪进入了智能时代进入了智能时代电脑自动诊

7、察分析，不电脑自动诊察分析，不需要熟记虹谱图；需要熟记虹谱图； 可以储存客户档案、测可以储存客户档案、测试资料，并打印诊察报试资料，并打印诊察报告告 采用采用USBUSB接口与计算机接口与计算机连接，无需外接电源，连接，无需外接电源，可配合手提电脑在各种可配合手提电脑在各种环境下应用环境下应用开放式分析系统让使用开放式分析系统让使用者不断完善升级自己的者不断完善升级自己的系统系统虹膜检测仪虹膜检测仪第四代：光学第四代：光学+ +电子电子+ +计算机技术计算机技术+ +增加像素增加像素 提高了像素，解决了提高了像素，解决了图像失真的问题图像失真的问题 未来的安全控制、海未来的安全控制、海关进出口

8、检验、电子关进出口检验、电子商务等多种领域的应商务等多种领域的应用，也必然的会以虹用，也必然的会以虹膜识别技术为重点膜识别技术为重点 虹膜识别系统虹膜识别系统自动收款机自动收款机虹膜识别门禁系统虹膜识别门禁系统指指 纹纹 识识 别别指纹识别技术指纹识别技术：把一个人同他的指把一个人同他的指纹对应起来，通过纹对应起来，通过将他的指纹和预先将他的指纹和预先保存的指纹数据进保存的指纹数据进行比较，就可以验行比较，就可以验证它的真实身份证它的真实身份 指纹是指人体手指皮肤上的乳突状花纹纹指纹是指人体手指皮肤上的乳突状花纹纹线，其中最为常用的是手指上第一指节的纹线。线，其中最为常用的是手指上第一指节的纹

9、线。在手指皮肤接触过的物体上，会留下与手指指在手指皮肤接触过的物体上，会留下与手指指纹相应的指纹印痕即指印。纹相应的指纹印痕即指印。通常所说的通常所说的“指纹指纹”在非特指的情况下往在非特指的情况下往往包括了手指皮肤上的指纹和遗留在客体上的往包括了手指皮肤上的指纹和遗留在客体上的指印。指印。指纹识别技术指纹识别概述指纹识别技术 指纹具有两类指纹具有两类生理生理特征：特征：总体特征总体特征和和局部特征局部特征。 （1 1）总体特征总体特征：是指那些用人眼直接就可以观察到：是指那些用人眼直接就可以观察到的特征。的特征。 如如纹型纹型：箕（环）型（：箕（环）型（looploop）、弓型（）、弓型（a

10、rcharch）、）、斗（螺旋）型（斗（螺旋）型（whorlwhorl）。）。纹型纹型是指纹的是指纹的基本分类基本分类，是按，是按中心花纹和三角形纹中心花纹和三角形纹线区线区的基本形态划分的。的基本形态划分的。指纹识别概述指纹识别技术人体指纹的生理特征模式区模式区（Pattern AreaPattern Area） 模式区是指指纹上包括了模式区是指指纹上包括了总体总体特征特征的区域，即从模式区就能够的区域，即从模式区就能够分分辨辨出指纹是属于那一种出指纹是属于那一种类型类型的。的。核心点核心点（Core PointCore Point） 核心点位于指纹纹路的渐进中核心点位于指纹纹路的渐进中心，

11、它用于读取指纹和比对指纹时心，它用于读取指纹和比对指纹时的的参考点参考点。 指纹识别技术人体指纹的生理特征三角点三角点（DeltaDelta） 三角点位于从核心点开始的第一三角点位于从核心点开始的第一个分叉点或者断点、或者两条纹路会个分叉点或者断点、或者两条纹路会聚处、孤立点、折转处，或者指向这聚处、孤立点、折转处，或者指向这些奇异点。三角点提供了指纹纹路的些奇异点。三角点提供了指纹纹路的计数和跟踪的计数和跟踪的开始之处开始之处。 式样线式样线（Type LinesType Lines） 式样线是在指包围模式区的纹路式样线是在指包围模式区的纹路线线开始平行的地方开始平行的地方所出现的交叉纹路，

12、所出现的交叉纹路，式样线通常很短就中断了，但它的外式样线通常很短就中断了，但它的外侧线开始连续延伸。侧线开始连续延伸。 指纹识别技术人体指纹的生理特征纹数纹数（Ridge CountRidge Count） 指模式区内指纹纹路指模式区内指纹纹路的的数量数量。在计算指纹的纹。在计算指纹的纹数时，一般先连接核心点数时，一般先连接核心点和三角点，这条连线与指和三角点，这条连线与指纹纹路相交的数量即可认纹纹路相交的数量即可认为是指纹的纹数。为是指纹的纹数。 （2 2）局部特征局部特征节点节点（Minutia PointsMinutia Points） 指纹纹路并不是连续的，平滑笔直的，而是经常出现中断

13、、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。这些断点、分叉点和转折点就称为分叉或打折。这些断点、分叉点和转折点就称为特征点特征点。就是这。就是这些节点提供了指纹些节点提供了指纹唯一性唯一性的确认信息。节点有四种不同特性：的确认信息。节点有四种不同特性：1. 1. 分类分类 2. 2. 方向方向 3. 3. 曲率曲率 4. 4. 位置位置 指纹识别技术人体指纹的生理特征1.1.节点分类节点分类 2. 2. 方向（方向（OrientationOrientation） - - 节点可以朝着一定的方向。节点可以朝着一定的方向。 3. 3. 曲率（曲率（CurvatureCurva

14、ture） - - 描述纹路方向改变的速度。描述纹路方向改变的速度。 4. 4. 位置（位置（PositionPosition） - - 节点的位置通过（节点的位置通过（x,yx,y）坐标来描）坐标来描述，可以是绝对的，也可以是相对于三角点或特征点的。述，可以是绝对的，也可以是相对于三角点或特征点的。 指纹识别技术人体指纹的生理特征 每个特征点都有大约七个特征，人十个手指最少产生4900个独立可测量的特征。每个指头平均有一百个特征点，但是发现5-10个相同即可断定这两枚指纹是出于同一个指头所遗留下的。借着特征点法来鉴定指纹，称之为同定，目前此法广泛的被世界各国所采用。指纹识别技术指纹识别原理指

15、纹识别技术 从生理上看，纹路是手指皮肤的凸起的部分（脊），纹路从生理上看，纹路是手指皮肤的凸起的部分（脊），纹路之间是凹下的部分（谷）。因此，之间是凹下的部分（谷）。因此，理想的指纹图像理想的指纹图像是一幅黑白是一幅黑白相间的相间的二值图像二值图像。但是，由于指纹通常是用按压的方式得到的，。但是，由于指纹通常是用按压的方式得到的，因此油墨不均匀、纸张不均匀、按压的压力不均匀、按压的位因此油墨不均匀、纸张不均匀、按压的压力不均匀、按压的位置和方向不同、手指的状况以及皮肤的变形等等都会导致指纹置和方向不同、手指的状况以及皮肤的变形等等都会导致指纹图像不理想。图像不理想。 通过扫描仪或者摄像机进行数

16、字化的时候，由于光照的影通过扫描仪或者摄像机进行数字化的时候，由于光照的影响，也会响，也会引入各种噪声引入各种噪声。这些因素都使得灰度图像不能直接用。这些因素都使得灰度图像不能直接用来匹配。因此，有必要选择来匹配。因此，有必要选择合适的算法合适的算法来处理这些来处理这些噪声噪声。指纹识别原理指纹识别技术 指纹图像的预处理指纹图像的预处理 指纹图像的预处理过程实际上就是指纹图像的预处理过程实际上就是图像增图像增强强的处理过程。的处理过程。 预处理的目的是为了滤除噪声，增强脊和预处理的目的是为了滤除噪声，增强脊和谷的对比度，提高指纹图像质量，把它变成一谷的对比度，提高指纹图像质量，把它变成一幅清晰

17、的点线图，幅清晰的点线图，便于提取正确的指纹特征。便于提取正确的指纹特征。 指纹识别技术算法 图像增强图像增强为为得到一幅较清晰的由脊线、沟线得到一幅较清晰的由脊线、沟线组成的灰度图像。为了提取由指纹脊线形成的端组成的灰度图像。为了提取由指纹脊线形成的端点、叉点等指纹的特征，必须先对指纹点、叉点等指纹的特征，必须先对指纹灰度图像灰度图像进行进行二值化二值化，把指纹灰度图处理为边缘清晰的，把指纹灰度图处理为边缘清晰的二二值图值图。平滑滤波后二值化后指纹识别技术算法 细化是将脊的宽度降为细化是将脊的宽度降为单个象素单个象素的宽度。一个好的的宽度。一个好的细化方法是保持原有脊的连细化方法是保持原有脊

18、的连续性，降低由于人为因素所续性，降低由于人为因素所造成的影响。造成的影响。指纹识别技术算法细节特征的提取细节特征的提取指纹的原始图像经滤波、增强、二值化和细化后，得到细化指纹的原始图像经滤波、增强、二值化和细化后，得到细化图，然后根据细化图确定出图，然后根据细化图确定出端点和分叉点端点和分叉点这两种特征点，提取出这两种特征点，提取出特征点相应的坐标位置、种类、方向等有用信息。特征点相应的坐标位置、种类、方向等有用信息。指纹细节特征点有多种类型，从其概率分布图来看，以二分指纹细节特征点有多种类型，从其概率分布图来看，以二分叉点和端点最为常见，其他类型的细节点一般较少出现。叉点和端点最为常见，其

19、他类型的细节点一般较少出现。端点端点和和分叉点分叉点是指纹的基本细节特征点，它们的集合构成特征集，用来是指纹的基本细节特征点，它们的集合构成特征集，用来惟一地标识指纹。惟一地标识指纹。特征提取有效的特征点指纹识别技术算法指纹识别技术方向图采集原图细化图预处理图指纹识别技术算法第一代指纹识别系统第一代指纹识别系统属于光学识别系统属于光学识别系统光学指纹识别系统由光学指纹识别系统由于光不能穿透皮肤表于光不能穿透皮肤表层（死性皮肤层），层（死性皮肤层），所以只能够扫描手指所以只能够扫描手指皮肤的表面，或者扫皮肤的表面，或者扫描到死性皮肤层，但描到死性皮肤层，但不能深入真皮层。不能深入真皮层。电容传感

20、器技术是采电容传感器技术是采用了交替命令的并排用了交替命令的并排列和传感器电板列和传感器电板交替板的形式是两个交替板的形式是两个电容板，以及指纹的电容板，以及指纹的山谷和山脊成为板之山谷和山脊成为板之间的电介质间的电介质。两者之间的恒量电介两者之间的恒量电介质的传感器检测变化质的传感器检测变化来生成指纹图像。来生成指纹图像。 第二代电容式传感器第二代电容式传感器第三代生物射频指纹识别技术第三代生物射频指纹识别技术原理原理：通过传感器本身发射出微量射频信号，穿透手指的表皮层去控测里层的纹路，来获得最佳的指纹图像 掌掌 纹纹 识识 别别掌纹含有大量的信掌纹含有大量的信息可用于身份鉴别息可用于身份鉴

21、别 在人们宽阔的手掌皮在人们宽阔的手掌皮肤表面有丰富的纹路肤表面有丰富的纹路结构，包括主线、皱结构，包括主线、皱纹线、脊线、奇异点纹线、脊线、奇异点、纹理等图像特征，、纹理等图像特征，这些特征都是人各有这些特征都是人各有异、和基因无关异、和基因无关 以三维空间测试手掌的形以三维空间测试手掌的形状、状、4指的长度、手掌的指的长度、手掌的宽度及厚度、各手指的两宽度及厚度、各手指的两个关节部分的宽与高等作个关节部分的宽与高等作为辨别的条件为辨别的条件掌纹识别技术特点掌纹识别技术特点对硬件要求低对硬件要求低 识别精度高识别精度高 采集非接触采集非接触 移动身份识别移动身份识别 计算速度快计算速度快 便于二次开发便于二次开发 生物测量手段生物测量手段 在身份识别或确认过程中会有错误。有两个重要在身份识别或确认过程中会有错误。有两个重要的测量因子可以表明任何一种生物测量技术的正的测量因子可以表明任何一种生物测量技术的正确性，可靠性。确性，可靠性。 拒假率（拒假率（FRRFRR）在进行生物测量时，对某对象的某一生物特征进在进行生物测量时，对某对象的某一生物特征进行生物测量所得结果与该对象已经记录在系统中行生物测量所得结果与该对象已经记录在系统中的模板不匹配，这时拒假事件发生。的模板不匹配，这时拒假事件发生。 容假率（容假率（FARFAR）在生物测量