數(shù)字圖像處理中指紋識(shí)別技術(shù)的分析

秦天倫

（杭州電子科技大學(xué) 信息工程學(xué)院，浙江 杭州 311305）

0 引言

現(xiàn)代是科技飛速發(fā)展的信息化時(shí)代，在這個(gè)日新月異世界之中，計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用得到了空前的發(fā)展，在這個(gè)到處都充斥著數(shù)據(jù)信息的世界中，數(shù)字圖像處理技術(shù)就顯得格外重要，在此技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域中用戶身份認(rèn)證和用戶信息安全最為重要。對(duì)于身份認(rèn)證，人們通常會(huì)設(shè)置一串由字母、數(shù)字、符號(hào)組成的密碼，用來(lái)驗(yàn)證識(shí)別身份，但是密碼體系過(guò)于復(fù)雜會(huì)導(dǎo)致人們?nèi)菀淄浢艽a，從而帶來(lái)嚴(yán)重的后果。圖像處理中的指紋識(shí)別技術(shù)利用了指紋的普遍性、唯一性、持久性，使此技術(shù)成了現(xiàn)階段最合適最安全的身份認(rèn)證技術(shù)。

1 指紋識(shí)別技術(shù)的基本理論

指紋是指人類的手指掌面上凹凸不平的紋路，是由遺傳特性所決定的。人的遺傳特征包含在精子和卵子的遺傳物質(zhì)染色體中。染色體是由基因組成，基因又決定著膚色、毛發(fā)瞳孔的顏色、指紋的特征等。在人還未出生，處于母體中的胚胎時(shí)期時(shí)，指紋就已經(jīng)產(chǎn)生。每個(gè)人的指紋都是獨(dú)一無(wú)二，不可重復(fù)，具有唯一性。只要采集到用戶的指紋并上傳至數(shù)據(jù)庫(kù)保存，再進(jìn)行配對(duì)，就能進(jìn)行身份驗(yàn)證，并知曉此用戶是否是指紋的擁有者。若身份驗(yàn)證成功，可獲得此用戶相關(guān)權(quán)限的使用，若身份驗(yàn)證失敗，則說(shuō)明不是此指紋用戶也不能使用此用戶的相關(guān)權(quán)限。這種利用人的生物特征驗(yàn)證用戶身份的技術(shù)為生物識(shí)別技術(shù)。生物識(shí)別技術(shù)是利用光學(xué)、聲學(xué)、生物學(xué)原理和計(jì)算機(jī)技術(shù)等高科技手段相互結(jié)合，使用個(gè)體行為特征(例如聲音，習(xí)慣性小動(dòng)作，步態(tài)等）和生理特征(例如指紋，虹膜，骨骼等）來(lái)驗(yàn)證用戶身份。而指紋識(shí)別技術(shù)也是在現(xiàn)階段所有生物識(shí)別技術(shù)中較為方便、技術(shù)較成熟的識(shí)別方法［1］。

2 指紋識(shí)別技術(shù)的身份認(rèn)證

現(xiàn)階段使用密碼配用戶名形式的身份驗(yàn)證最為普遍，涉及的領(lǐng)域也十分廣泛，如計(jì)算機(jī)中的用戶登錄，手機(jī)端中程序的用戶驗(yàn)證。使用密碼配用戶名的驗(yàn)證身份形式需要設(shè)置一長(zhǎng)串的密碼字符串，字符串包含著大小寫(xiě)字母、數(shù)字、符號(hào)。密碼設(shè)置的過(guò)短容易被其他人破解并盜用其身份，密碼設(shè)置得太長(zhǎng)不易被記住容易遺忘密碼，會(huì)給用戶帶來(lái)極大的困擾。所以從信息安全的層面上來(lái)說(shuō)用戶名配密碼的身份驗(yàn)證形式是有安全漏洞的。為了提高身份驗(yàn)證的安全性能，指紋識(shí)別身份技術(shù)成了目前最佳的用戶身份驗(yàn)證方式。指紋識(shí)別技術(shù)是生物識(shí)別技術(shù)的方式之一，此技術(shù)利用了指紋的獨(dú)特唯一性、辨識(shí)性、穩(wěn)定性，與其他的生物特征相比，指紋更加便于采集，采集成本也相對(duì)較低，適合保存處理［2］。采集指紋只需要在電子終端添上指紋采集識(shí)別設(shè)備，在采集過(guò)程中不會(huì)對(duì)被采集者造成傷害。所以從安全角度來(lái)說(shuō)，指紋采集的安全系數(shù)高。最初指紋識(shí)別技術(shù)只是在社會(huì)的特殊領(lǐng)域中嶄露頭角，例如公安機(jī)關(guān)、銀行、交通安檢等。如今指紋識(shí)別技術(shù)的應(yīng)用日漸增長(zhǎng)，已經(jīng)進(jìn)入人們的日常生活。

3 指紋識(shí)別技術(shù)的工作原理

指紋識(shí)別系統(tǒng)指采用計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)和模式識(shí)別技術(shù)等技術(shù)，對(duì)指紋圖像進(jìn)行處理、存儲(chǔ)、比對(duì)和輔助鑒定的計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。指紋識(shí)別系統(tǒng)分為幾個(gè)不同的技術(shù)模塊，分別為指紋采集、指紋分類、特征值提取和指紋匹配等技術(shù)模塊。其中圖像采集和圖像匹配是指紋識(shí)別系統(tǒng)中至關(guān)重要的兩個(gè)模塊。圖像采集是指把用戶的指紋特征進(jìn)行采集并上傳存入數(shù)據(jù)庫(kù)成為樣本。圖像匹配是指將采集待識(shí)別的指紋的特征向量和數(shù)據(jù)庫(kù)中的指紋樣本特征向量對(duì)比匹配，匹配出最相像的指紋成為輸出結(jié)果，圖像匹配是指紋識(shí)別技術(shù)的關(guān)鍵，因?yàn)槠ヅ渌惴ǖ臏?zhǔn)確度和其的運(yùn)算量決定了識(shí)別系統(tǒng)的性能。現(xiàn)階段，比較常見(jiàn)的指紋采集技術(shù)有以下幾種。

3.1 光學(xué)式指紋采集

光學(xué)式指紋采集是較為成熟廣泛的一種指紋采集識(shí)別技術(shù)。光學(xué)式指紋采集對(duì)環(huán)境的溫濕度有較大的需求，且只能達(dá)到指尖皮膚的表層，對(duì)手指的干凈要求也十分高。光學(xué)式指紋采集技術(shù)利用光的反射和折射原理，將手指放在光學(xué)鏡片上，手指在內(nèi)置光的照射下，光線在凹凸不平的指紋上進(jìn)行反射和折射，接收器再接收反射的光，數(shù)字化成圖像，再與數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)比，驗(yàn)證用戶的身份。

3.2 電容式指紋采集

此技術(shù)是利用硅晶元與導(dǎo)電的皮下電解液形成電場(chǎng)，當(dāng)手指按在指紋識(shí)別面板時(shí)凹凸不平的指紋會(huì)產(chǎn)生不同的壓差變化形成電場(chǎng)，每個(gè)硅陣列對(duì)應(yīng)指紋的距離不同，可生成不同的電容值，這個(gè)時(shí)候傳感器就可以記錄指紋形狀，硅陣列越多，排列越密，采集指紋的精準(zhǔn)度越高。電容式指紋采集可分為按壓式和劃擦式兩種。劃擦式識(shí)別面板占用體積較小，可是與按壓式相比，劃擦式的識(shí)別率以及便捷性有很大的不足。

3.3 生物射頻指紋采集

此技術(shù)是射頻傳感器通過(guò)傳感器發(fā)射微量的射頻信號(hào)穿透手指皮膚表層的紋路獲取指紋圖像，射頻傳感器適用于各種小型化移動(dòng)設(shè)備。生物射頻指紋采集和光學(xué)式指紋采集、電容式指紋采集相比，射頻傳感器的防偽程度高，對(duì)手指的干凈程度要求不高，而且還能生成質(zhì)量較高的指紋圖像。正因?yàn)槟苌筛哔|(zhì)量指紋圖像，所以此技術(shù)的電容功耗很大，成本相對(duì)較高。

3.4 超聲波指紋采集

超聲波指紋采集技術(shù)利用醫(yī)學(xué)超聲波的原理，以創(chuàng)建指紋的視覺(jué)圖像。采集指紋時(shí)手指無(wú)須直接觸碰指紋模塊就可識(shí)別。和光學(xué)成像不同，超聲波傳感器使用非常高頻率的聲波穿透皮膚表皮層。利用壓電換能器產(chǎn)生聲波，因?yàn)槭种钙つw表層具有大小不一，各不相同的指紋紋路，所以可以使用反射波來(lái)獲取手指紋路的灰度圖像再進(jìn)行圖像處理。此采集技術(shù)是目前所有指紋采集技術(shù)中最好的，由于此技術(shù)成本過(guò)高，所以此技術(shù)的應(yīng)用和其他指紋采集技術(shù)相比并不是特別普及［3］。

4 指紋識(shí)別技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用

指紋識(shí)別技術(shù)得到了空前的發(fā)展與應(yīng)用，在當(dāng)今社會(huì)中此技術(shù)遍布各個(gè)行業(yè)各個(gè)領(lǐng)域，此技術(shù)也讓生活變得更加便捷，讓個(gè)人信息也得到了安全的保障，可以說(shuō)是益處頗多。例如智能手機(jī)上的指紋解鎖，只需把提前錄入指紋的手指放在指紋識(shí)別模塊上就可以開(kāi)機(jī)解鎖，不像以前開(kāi)機(jī)解鎖需要輸入冗長(zhǎng)易忘的密碼串了。還有手機(jī)指紋支付，以前使用手機(jī)買東西付賬時(shí)需要輸入支付密碼，如果密碼遺忘的話，就無(wú)法進(jìn)行購(gòu)買，存在手機(jī)里面的錢，也取不出來(lái)無(wú)法使用，在支付時(shí)還會(huì)冒著被他人偷看的風(fēng)險(xiǎn)，密碼支付有很大的安全隱患，但是指紋支付就很好地解決了這個(gè)問(wèn)題，既可以防止被他人偷看，也不用擔(dān)心會(huì)遺忘支付密碼。人們存放貴重物品的保險(xiǎn)柜，也用到了指紋采集的技術(shù)，使本身就很難破解的保險(xiǎn)柜又多加了一層防護(hù)，安全性也變高。公共方面也用到了指紋識(shí)別技術(shù)，例如海關(guān)出入境，考駕照時(shí)的認(rèn)證，小區(qū)門禁等。這些現(xiàn)象也說(shuō)明指紋識(shí)別有非常大的市場(chǎng)，此技術(shù)也將變得越加成熟，越來(lái)越被人所廣泛使用。