指紋識(shí)別

　　指紋識(shí)別簡(jiǎn)介

　　指紋特征

　　指紋特征并非肉眼可以輕易分辨和記錄，中國(guó)物聯(lián)網(wǎng)校企聯(lián)盟形象得把指紋識(shí)別系統(tǒng)比做機(jī)器“敏銳的洞察力”。指紋，英文名稱：（fingerprint），兩枚指紋經(jīng)常會(huì)具有相同的總體特征，但它們的細(xì)節(jié)特征，卻不可能完全相同。指紋紋路并不是連續(xù)的、平滑筆直的，而是經(jīng)常出現(xiàn)中斷、分叉或轉(zhuǎn)折。這些斷點(diǎn)、分叉點(diǎn)和轉(zhuǎn)折點(diǎn)就稱為"特征點(diǎn)"，就是這些特征點(diǎn)提供了指紋唯一性的確認(rèn)信息，其中最典型的是終結(jié)點(diǎn)和分叉點(diǎn)，其他還包括分歧點(diǎn)、孤立點(diǎn)、環(huán)點(diǎn)、短紋等。特征點(diǎn)的參數(shù)包括：方向（節(jié)點(diǎn)可以朝著一定的方向）、曲率（描述紋路方向改變的速度）、位置（節(jié)點(diǎn)的位置通過(guò)x/y坐標(biāo)來(lái)描述，可以是絕對(duì)的，也可以是相對(duì)于三角點(diǎn)或特征點(diǎn)的）?？傮w特征是指那些用人眼直接就可以觀察到的特征。包括紋形、模式區(qū)、核心點(diǎn)、三角點(diǎn)和紋數(shù)等。

　　紋形，指紋專家在長(zhǎng)期實(shí)踐的基礎(chǔ)上，根據(jù)脊線的走向與分布情況一般將指紋分為三大類——環(huán)型（loop，又稱斗形）、弓形（arch）、螺旋形（whorl）。模式區(qū)即指紋上包括了總體特征的區(qū)域，從此區(qū)域就能夠分辨出指紋是屬于哪一種類型的。有的指紋識(shí)別算法只使用模式區(qū)的數(shù)據(jù)，有的則使用所取得的完整指紋。核心點(diǎn)位于指紋紋路的漸進(jìn)中心，它在讀取指紋和比對(duì)指紋時(shí)作為參考點(diǎn)。許多算法是基于核心點(diǎn)的，即只能處理和識(shí)別具有核心點(diǎn)的指紋。三角點(diǎn)位于從核心點(diǎn)開(kāi)始的第一個(gè)分叉點(diǎn)或者斷點(diǎn)，或者兩條紋路會(huì)聚處、孤立點(diǎn)、折轉(zhuǎn)處，或者指向這些奇異點(diǎn)。三角點(diǎn)提供了指紋紋路的計(jì)數(shù)跟蹤的開(kāi)始之處。紋數(shù)，即模式區(qū)內(nèi)指紋紋路的數(shù)量。在計(jì)算指紋的紋路時(shí)，一般先連接核心點(diǎn)和三角點(diǎn)，這條連線與指紋紋路相交的數(shù)量即可認(rèn)為是指紋的紋數(shù)。

　　指紋識(shí)別原理

　　指紋識(shí)別即指通過(guò)比較不同指紋的細(xì)節(jié)特征點(diǎn)來(lái)進(jìn)行鑒別。由于每個(gè)人的指紋不同，就是同一人的十指之間，指紋也有明顯區(qū)別，因此指紋可用于身份鑒定。1684年，英國(guó)植物形態(tài)學(xué)家Grew發(fā)表了第一篇研究指紋的科學(xué)論文。

　　1809年Bewick把自己的指紋作為商標(biāo)。1823年解剖學(xué)家Purkije將指紋分為九類。1880年，F(xiàn)aulds在《自然》雜志提倡將指紋用于識(shí)別罪犯。1891年Galton提出著名的高爾頓分類系統(tǒng)。之后，英國(guó)、美國(guó)、德國(guó)等的警察部門先后采用指紋鑒別法作為身份鑒定的主要方法。隨著計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的發(fā)展，F(xiàn)BI和法國(guó)巴黎警察局于六十年代開(kāi)始研究開(kāi)發(fā)指紋自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)（AFIS）用于刑事案件偵破。指紋自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)。九十年代，用于個(gè)人身份鑒定的自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)得到開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。

　　由于每次捺印的方位不完全一樣，著力點(diǎn)不同會(huì)帶來(lái)不同程度的變形，又存在大量模糊指紋，如何正確提取特征和實(shí)現(xiàn)正確匹配，是指紋識(shí)別技術(shù)的關(guān)鍵。指紋識(shí)別技術(shù)涉及圖像處理、模式識(shí)別、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)、小波分析等眾多學(xué)科。

　　指紋識(shí)別系統(tǒng)

　　指紋識(shí)別系統(tǒng)是一個(gè)典型的模式識(shí)別系統(tǒng)，包括指紋圖像獲取、處理、特征提取和比對(duì)等模塊。

　　指紋圖像獲?。和ㄟ^(guò)專門的指紋采集儀可以采集指紋圖像。指紋采集儀用到的指紋傳感器按采集方式主要分為劃擦式和按壓式兩種，按信號(hào)采集原理目前有光學(xué)式、壓敏式、電容式、電感式、熱敏式和超聲波式等。另外，也可以通過(guò)掃描儀、數(shù)字相機(jī)等獲取指紋圖像。對(duì)于分辨率和采集面積等技術(shù)指標(biāo)，公安行業(yè)已經(jīng)形成了國(guó)際和國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)，但其他行業(yè)還缺少統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)采集指紋面積大體可以分為滾動(dòng)捺印指紋和平面捺印指紋，公安行業(yè)普遍采用滾動(dòng)捺印指紋。

　　指紋圖像壓縮：大容量的指紋數(shù)據(jù)庫(kù)必須經(jīng)過(guò)壓縮后存儲(chǔ)，以減少存儲(chǔ)空間。主要方法包括JPEG、WSQ、EZW等。

　　指紋圖像處理：包括指紋區(qū)域檢測(cè)、圖像質(zhì)量判斷、方向圖和頻率估計(jì)、圖像增強(qiáng)、指紋圖像二值化和細(xì)化等。

　　指紋特征提?。簭念A(yù)處理后的圖像中提取指紋的特征點(diǎn)信息（終結(jié)點(diǎn)、分叉點(diǎn)...)，信息主要包括類型、坐標(biāo)、方向等參數(shù)。

　　指紋特征匹配：計(jì)算特征提取結(jié)果與已存儲(chǔ)的特征模板的相似程度。

　　指紋分類

　　紋型是指紋的基本分類，是按中心花紋和三角的基本形態(tài)劃分的。紋形從屬于型，以中心線的形狀定名。我國(guó)十指紋分析法將指紋分為三大類型，九種形態(tài)。一般，指紋自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)將指紋分為弓形紋（弧形紋、帳形紋）、箕形紋（左箕、右箕）、斗形紋和雜形紋等。

　　指紋形態(tài)和細(xì)節(jié)特征提?。褐讣y形態(tài)特征包括中心（上、下）和三角點(diǎn)（左、右）等，指紋的細(xì)節(jié)特征點(diǎn)主要包括紋線的起點(diǎn)、終點(diǎn)、結(jié)合點(diǎn)和分叉點(diǎn)。

　　指紋比對(duì)：可以根據(jù)指紋的紋形進(jìn)行粗匹配，進(jìn)而利用指紋形態(tài)和細(xì)節(jié)特征進(jìn)行精確匹配，給出兩枚指紋的相似性得分。根據(jù)應(yīng)用的不同，對(duì)指紋的相似性得分進(jìn)行排序或給出是否為同一指紋的判決結(jié)果。

　　主要應(yīng)用

　　計(jì)算機(jī)中的應(yīng)用

　　指紋識(shí)別技術(shù)是目前最成熟且價(jià)格便宜的生物特征識(shí)別技術(shù)。目前來(lái)說(shuō)指紋識(shí)別的技術(shù)應(yīng)用最為廣泛，我們不僅在門禁、考勤系統(tǒng)中可以看到指紋識(shí)別技術(shù)的身影，市場(chǎng)上有了更多指紋識(shí)別的應(yīng)用：如筆記本電腦、手機(jī)、汽車、銀行支付都可應(yīng)用指紋識(shí)別的技術(shù)。

　　現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)應(yīng)用中，包括許多非常機(jī)密的文件保護(hù)，大都使用“用戶ID+密碼”的方法來(lái)進(jìn)行用戶的身份認(rèn)證和訪問(wèn)控制。但是，如果一旦密碼忘記，或被別人竊取，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)以及文件的安全問(wèn)題就受到了威脅。

　　隨著科技的進(jìn)步，指紋識(shí)別技術(shù)已經(jīng)開(kāi)始慢慢進(jìn)入計(jì)算機(jī)世界中。目前許多公司和研究機(jī)構(gòu)都在指紋識(shí)別技術(shù)領(lǐng)域取得了很大突破性進(jìn)展，推出許多指紋識(shí)別與傳統(tǒng)IT技術(shù)完美結(jié)合的應(yīng)用產(chǎn)品，這些產(chǎn)品已經(jīng)被越來(lái)越多的用戶所認(rèn)可。指紋識(shí)別技術(shù)多用于對(duì)安全性要求比較高的商務(wù)領(lǐng)域，而在商務(wù)移動(dòng)辦公領(lǐng)域頗具建樹(shù)的富士通、三星及IBM等國(guó)際知名品牌都擁有技術(shù)與應(yīng)用較為成熟的指紋識(shí)別系統(tǒng)。

　　第一代指紋識(shí)別系統(tǒng)

　　眾所周知，在兩年前就有部分品牌的筆記本采用指紋識(shí)別技術(shù)用于用戶登錄時(shí)的身份鑒定，但是，當(dāng)時(shí)推出的指紋系統(tǒng)屬于光學(xué)識(shí)別系統(tǒng)，按照現(xiàn)在的說(shuō)法，應(yīng)該屬于第一代指紋識(shí)別技術(shù)。光學(xué)指紋識(shí)別系統(tǒng)由于光不能穿透皮膚表層（死性皮膚層），所以只能夠掃描手指皮膚的表面，或者掃描到死性皮膚層，但不能深入真皮層。

　　在這種情況下，手指表面的干凈程度，直接影響到識(shí)別的效果。如果，用戶手指上粘了較多的灰塵，可能就會(huì)出現(xiàn)識(shí)別出錯(cuò)的情況。并且，如果人們按照手指，做一個(gè)指紋手模，也可能通過(guò)識(shí)別系統(tǒng)，對(duì)于用戶而言，使用起來(lái)不是很安全和穩(wěn)定。

　　第二代電容式傳感器

　　后來(lái)出現(xiàn)了第二代電容式傳感器，電容傳感器技術(shù)是采用了交替命令的并排列和傳感器電板，交替板的形式是兩個(gè)電容板，以及指紋的山谷和山脊成為板之間的電介質(zhì)。兩者之間的恒量電介質(zhì)的傳感器檢測(cè)變化來(lái)生成指紋圖像。但是由于傳感器表面是使用硅材料容易損壞導(dǎo)致使用壽命降低，還有它是通過(guò)指紋的山谷和山脊之間的凹凸來(lái)形成指紋圖像的所以對(duì)臟手指濕手指等困難手指識(shí)別率低。

　　射頻指紋識(shí)別技術(shù)

　　發(fā)展到今天，出現(xiàn)第三代生物射頻指紋識(shí)別技術(shù)（射頻原理真皮指紋核心技術(shù)（線型采集器）），射頻傳感器技術(shù)是通過(guò)傳感器本身發(fā)射出微量射頻信號(hào)，穿透手指的表皮層去控測(cè)里層的紋路，來(lái)獲得最佳的指紋圖像。因此對(duì)干手指，汗手指，臟手指等困難手指通過(guò)可高達(dá)99%，防偽指紋能力強(qiáng)，指紋敏感器的識(shí)別原理只對(duì)人的真皮皮膚有反應(yīng)，從根本上杜絕了人造指紋的問(wèn)題，寬溫區(qū)：適合特別寒冷或特別酷熱的地區(qū)。因?yàn)樯漕l傳感器產(chǎn)生高質(zhì)量的圖像，因此射頻技術(shù)是最可靠，最有力的解決方案。除此之外，高質(zhì)量圖像還允許減小傳感器，無(wú)需犧牲認(rèn)證的可靠性，從而降低成本并使得射頻傳感器思想的應(yīng)用到可移動(dòng)和大小不受拘束的任何領(lǐng)域中。

　　指紋采集設(shè)備

　　目前市場(chǎng)上常用的指紋采集設(shè)備有三種：光學(xué)式、硅芯片式、超聲波式。

　　指紋門禁系統(tǒng)

　　指紋應(yīng)用系統(tǒng)可以分為兩類：驗(yàn)證和辨識(shí)。驗(yàn)證就是把一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)采集到的指紋與一個(gè)己經(jīng)登記的指紋進(jìn)行一對(duì)一的比對(duì)，來(lái)確認(rèn)身份的過(guò)程；辨識(shí)則是把現(xiàn)場(chǎng)采集到的指紋同指紋數(shù)據(jù)庫(kù)中的指紋逐一對(duì)比，從中找出與現(xiàn)場(chǎng)指紋相匹配的指紋。

　　驗(yàn)證和辨識(shí)在比對(duì)算法和系統(tǒng)設(shè)計(jì)上各有特點(diǎn)，例如驗(yàn)證系統(tǒng)一般只考慮對(duì)完整的指紋進(jìn)行比對(duì)，而辨識(shí)系統(tǒng)要考慮殘紋的比對(duì)；驗(yàn)證系統(tǒng)對(duì)比對(duì)算法的速度要求不如辨識(shí)系統(tǒng)高，但更強(qiáng)調(diào)易用性；另外在辨識(shí)系統(tǒng)中，一般要使用分類技術(shù)來(lái)加快查詢的速。指紋門禁系統(tǒng)是指紋應(yīng)用系統(tǒng)中驗(yàn)證的一種。

　　指紋門禁系統(tǒng)以手指取代傳統(tǒng)的鑰匙，使用時(shí)只需將手指平放在指紋采集儀的采集窗口上，即可完成開(kāi)鎖任務(wù)，操作十分簡(jiǎn)便，避免了其它門禁系統(tǒng)（傳統(tǒng)機(jī)械鎖、密碼鎖、識(shí)別卡等）有可能被偽造、盜用、遺忘、破譯等弊端。

　　指紋門禁系統(tǒng)的硬件主要由微處理器、指紋識(shí)別模塊、液晶顯示模塊、鍵盤、實(shí)時(shí)時(shí)鐘/日歷芯片、電控鎖和電源等組成。微處理器作為系統(tǒng)的上位機(jī)，控制整個(gè)系統(tǒng)。指紋識(shí)別模塊主要完成指紋特征的采集、比對(duì)、存儲(chǔ)、刪除等功能。液晶顯示模塊用于顯示開(kāi)門記錄、實(shí)時(shí)時(shí)鐘和操作提示等信息，和鍵盤一起組成人機(jī)界面。

　　按系統(tǒng)功能，軟件主要由指紋處理模塊、液晶顯示模塊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊和鍵盤掃描模塊等組成。指紋處理模塊主要負(fù)責(zé)微處理器與指紋識(shí)別模塊之間命令和返回代碼的信息處理；液晶顯示模塊根據(jù)液晶顯示模塊的時(shí)序，編寫驅(qū)動(dòng)程序，以實(shí)現(xiàn)顯示漢字、字符的目的；實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊根據(jù)時(shí)鐘芯片的時(shí)序，編寫通訊程序．實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)鐘芯片的讀寫操作；鍵盤掃描模塊就是根據(jù)鍵盤的設(shè)計(jì)原理編寫鍵盤程序來(lái)識(shí)別有無(wú)按鍵動(dòng)作和按下鍵的鍵號(hào)。

　　按操作流程，軟件主要由指紋開(kāi)門程序、指紋管理程序、密碼管理程序和系統(tǒng)設(shè)置程序四部分組成。其中指紋管理、密碼管理和系統(tǒng)設(shè)置三部分只有管理員才有此權(quán)限。指紋管理程序由登記指紋模板程序、刪除指紋模板程序、清空指紋模板程序和瀏覽開(kāi)門記錄程序四部分組成；密碼管理程序由密碼修改程序和密碼開(kāi)門程序兩部分組成；系統(tǒng)設(shè)置程序由時(shí)間設(shè)置程序和日期設(shè)置程序兩部分組成。

　　優(yōu)點(diǎn)

　　1、指紋是人體獨(dú)一無(wú)二的特征，并且它們的復(fù)雜度足以提供用于鑒別的足夠特征；

　　2、如果要增加可靠性，只需登記更多的指紋、鑒別更多的手指，最多可以多達(dá)十個(gè)，而每一個(gè)指紋都是獨(dú)一無(wú)二的；

　　3、掃描指紋的速度很快，使用非常方便；

　　4、讀取指紋時(shí)，用戶必需將手指與指紋采集頭相互接觸，與指紋采集頭直接；

　　5、接觸是讀取人體生物特征最可靠的方法；

　　6、指紋采集頭可以更加小型化，并且價(jià)格會(huì)更加的低廉；

　　缺點(diǎn)

　　1、某些人或某些群體的指紋指紋特征少，難成像；

　　2、過(guò)去因?yàn)樵诜缸镉涗浿惺褂弥讣y，使得某些人害怕“將指紋記錄在案”。

　　3、實(shí)際上現(xiàn)在的指紋鑒別技術(shù)都可以不存儲(chǔ)任何含有指紋圖像的數(shù)據(jù)，而只是存儲(chǔ)從指紋中得到的加密的指紋特征數(shù)據(jù)；

　　4、每一次使用指紋時(shí)都會(huì)在指紋采集頭上留下用戶的指紋印痕，而這些指紋痕跡存在被用來(lái)復(fù)制指紋的可能性。

　　5、指紋是用戶的重要個(gè)人信息，某些應(yīng)用場(chǎng)合用戶擔(dān)心信息泄漏。