指纹识别系统论文

指纹识别系统论文 - I - 指纹识别系统论文 - II - 指纹识别算法研究 摘要 随着计算机和网络的迅速发展人们对身份认证的准确性、安全性与实用性提出了更高的要求。基于生物特征识别的智能身份认证技术也逐渐受到广泛的关注。在众多的生物识别技术中指纹识别技术是发展最早、应用最广泛的一种。指纹识别技术充分利用了指纹的普遍性、唯一性和永久性的生物特征已逐步取代了传统的基于标志和数字的识别方式目前在网络、银行、金融、医疗和安检等行业均得到了广泛应用。本文对指纹识别系统的原理和基本过程进行了分析研究重点研究了指纹图像预处理算法并且进行了验证。 在指纹图像预处理部分论文对预处理的各个步骤包括规格化、图像分割、中值滤波、二值化、细化等以及各个步骤的方法进行了深入的分析和研究选择了一种图像预处理方案。 在指纹特征提取部分采用基于Matlab实现的指纹细节特征提取方法并给出了去伪算法。指纹特征提取是从细化后的指纹图中得到细节特征点即端点和分叉点此特征点含有大量的伪特征既耗时又影响匹配精度。采用了边缘去伪和距离去伪使得特征点去伪前后减小了近1/3然后提取可靠特征点信息以便实现指纹匹配。 在指纹匹配部分本文采用基于细节点的指纹匹配算法并进行研究。 关键词 指纹识别预处理特征提取匹配 指纹识别系统论文 - III - Fingerprint Recognition Algorithm Abstract With the rapid Progress of computer science and network techniqueAn accuratesecure and practical techno1ogy of Personal identification becomes more and more important. Technology of Personal identification based on Biometrics has received extensive attention. Technology of Fingerprint recognition is the earliest one and is app1ied widely in the all techniques of biometrics recognition then is taking full advantage of the universality uniqueness and permanency of the fingerprint and gradually has taken place of traditional identification method that is based on symbol and number. Nowadays the technology of fingerprint identification is fully used in network bank finance insurance and security. This paper research the basic principles and process of the fingerprint identification systemand focus on the pre-processing algorithms of fingerprint image and finally verify. In the fingerprint image processing section thesis on preprocessing steps including specifications image segmentation median filtering binarization refinement and so on and each step of the way to in-depth analysis and research is an image processing program. Part of the fingerprint feature extraction fingerprint-based Matlab implementation details of feature extraction methods and gives to the pseudo-algorithm. Fingerprint feature extraction is refined to get the details of fingerpri

nt feature points the endpoint and bifurcation points this feature points contain a large number of false features time-consuming and will affect the matching accuracy. Used and the distance to the edge of the false and counterfeit makes the feature points to reduce the false front of nearly 1 / 3 and then extract a reliable feature point information in order to achieve the fingerprint match. Part of the fingerprint match the paper-based fingerprint minutiae matching algorithm and conduct research. Keywords Fingerprint recognition Pretreatment Feature extraction Matching 指纹识别系统论文 - IV - 目录 摘要…… .......................................................................................................... I Abstract ............................................................................................................ II 第1章 绪论 ................................................................................................... 6 1.1 指纹识别技术的背景 ........................................................................... 6 1.2 指纹识别研究的目的和意义 ................................................................ 6 1.3 指纹识别在国内外的研究现状及分析................................................. 7 1.3.1 国外研究现状 ................................................................................ 7 1.3.2 国内研究现状 ................................................................................ 8 1.3.3 研究现状分析 ................................................................................ 8 1.4 本文研究的主要内容及工作安排 ........................................................ 9 1.4.1 研究的主要内容 ............................................................................ 9 1.4.2 工作安排 ........................................................................................ 9 第2章 指纹识别的组成及原理分析 ........................................................... 10 2.1 指纹识别系统的组成 ......................................................................... 10 2.2 指纹识别的基本原理 ......................................................................... 10 2.2.1 指纹的基本特征 .......................................................................... 10 2.2.2 全局特征 ...................................................................................... 10 2.2.3 局部特征 ...................................................................................... 12 2.2.4 指纹识别的一般算法 ................................................................... 14 2.3 本章小结 ............................................................................................. 15 第3章 指纹图像预处理 .............................................................................. 16 3.1 对指纹图像进行分割 .........................................

................................ 16 3.2 对指纹图像进行二值化处理 .............................................................. 17 3.3 对指纹图像进行细化处理 .................................................................. 19 3.4 实验结果 ............................................................................................. 22 3.5 本章小结 ............................................................................................. 23 第4章 指纹图像特征提取与匹配 ............................................................... 24 4.1 指纹图像特征提取 ............................................................................. 24 4.1.1 指纹图像特征提取的方法 ........................................................... 24 4.1.2 特征点的提取 .............................................................................. 24 4.1.3 指纹图像特征的去伪 ................................................................... 25 4.2 指纹图像的匹配 ................................................................................. 27 4.2.1 指纹匹配算法综述....................................................................... 27 4.2.2 指纹匹配过程 .............................................................................. 28 4.3 实验结果 ............................................................................................. 29 4.4 本章小结 ............................................................................................. 31 指纹识别系统论文 - V - 结论 ............................................................................................................... 32 致谢 ............................................................................................................... 33 参考文献 ....................................................................................................... 34 附录 ............................................................................................................... 35 指纹识别系统论文 - 6 - 第1章 绪论 1.1 指纹识别技术的背景 指纹识别是依据人的手指尖表面的脊、谷线分布状态来识别和验证人身份的方法。据考古学家证实公元前7000年到6000年以前指纹作为身份鉴别的工具已经在古叙利亚和中国开始应用。那时一些粘土陶器上留有陶艺匠人的指纹。公元前2700多年前的周代指纹被用于民间契约的签署即画押旨在保持契约的可信度。尽管指纹在我国应用较早但由于长期缺乏专门的系统研究未能上升到一门专门的学科。英国科学家Galton于1892年出版了《指纹学》和《指纹分析法》【1】从此奠定了指纹科学研究的基础。1899年英国学者亨利将指纹的特征及识别原理加以分析归纳科学地提出了人的指纹各不相同并提出了基于指纹特征进行识别的原理和方法以后衍生

出的各种识别方法都是基于该理论。到本世纪初指纹学的研究基本成熟这时的指纹鉴别主要由指纹专家根据指纹知识凭经验判断。世界上许多国家都建立了指纹库仅美国联邦调查局的指纹库中就存有二亿多张指纹卡。然而传统的指纹识别方法面临着从指纹库中人工查找、对比指纹卡速度慢、效率低、对人员要求高等问题。从二十世纪六十年代开始随着计算机技术的发展传统的指纹识别技术发生了重大变化。人们开始利用计算机来建立指纹识别系统。 1.2 指纹识别研究的目的和意义 一直以来传统的验证个人身份的方法都是验证那人是否持有某有效“物”或者某些“信息”而不是验证到底是不是本人。只要“物”或“信息”的有效性得到确认那么这个人就可以进行权利范围内的所有操作。但是这种方法没有考虑到“物”的可伪造性也就是不唯一性和丢失的可能也没有考虑到“信息”的被盗或被破解缺点显而易见。 面对这样的问题生物识别技术的优越性就显示出来了目前已经成为安全技术研究的热点。要把生物特征用于身份识别它就必须符合一定的要求 广泛性每个人都应具有这方面的人体特征 唯一性每个人具有的这方面的人体特征各不相同 稳定性选择的这些人体特征不会随着时间的变化而发生改变 可采集性选择的这些特征要便于提取、测量。 基于以上特征人们发展了语音识别、面部识别、虹膜识别、签名识别、指纹识别等多种生物识别技术。而指纹的独特性、持久性和防卫性能都比较高是众多生物特征中综合性能最高的成为了生物识别技术的首选。同时指纹识别也是目前应用的最为广泛的生物识别技术。指纹识别就是用每个人独特的指纹特征构成口令提高系统的安全性。随着科技的进步个人电脑和光学扫描仪两项技术不断革新指纹识别技术不断发展为指纹识别技术的应用 指纹识别系统论文 - 7 - 提供了更广阔的空间。现在利用指纹来完成身份验证和识别任务的系统己经大规模使用。比如政府机要部门、国家重点实验室、军事要地、高级住宅等重要入口的身份验证关键设备的启动控制银行金库、金融系统等公司、学校等单位的考勤甚至部分家庭已经使用指纹锁。这种安全、方便、高效的身份鉴别方法会带给人们意想不到的便利畅想一下不需要再一记忆繁琐的密码、回家不需要带钥匙等等那将是一种怎样的情景呢指纹识别技术的广泛应用必将开创个人身份鉴别的新时代。 1.3 指纹识别在国内外的研究现状及分析 1.3.1 国外研究现状 人类将指纹作为身份识别的依据和验证身份的方法已有悠久的历史。早在公元前70006000年以前在叙利亚和中国

指纹作为身份鉴别的工具已经开始应用。中国古代就出现了在文契上的“按指为书”—画押。在欧洲1788年Mayer首次著文指出指纹的两个重要特性唯一性和稳定性现代的指纹匹配技术主要是16世纪后期产生。1872年Francis Galton提出了分叉点和端点开发人个指纹识别模式基于这两种特征的指纹识别模式至今都在使用。并且这两种细节特征可以为每一枚指纹构建唯一的信息。Henry Faulds在1880年第一次科学的提出了指纹的两个重要特征一是任何两个不同手指的指纹脊线的式样ridge pattern不同二是指纹脊线的式样在人的一生中不会改变。这一发现奠定了现代指纹识别技术的理论基础也使得指纹识别在罪犯鉴定中得到应用。Francis Galton对指纹进行深入研究并于1888年引入了特征点的分类技术。1899年Edward Henry学习了Galton的指纹科学建立了著名的“Henry System”用于指纹分类。使用精准的指纹索引给专家指纹识别带来极大的便利。早在20世纪初期司法部门己经正式采用指纹作为有效的身份标记一些指纹识别机构建立了世界范围的罪犯指纹档案库。 1923年Purkinje首次对指纹进行了分类19世纪晚期F.Glton开展了关于指纹的广泛研究并引入了指纹中的细节特征作为指纹识别的依据。这些研究成果和方法为现代指纹识别技术奠定了基础至今一些方法仍被广泛使用。1960年美国联邦调查局、英国内务部Home offiee in the UK和法国巴黎警察局联合开始投巨资研发指纹识别系统并于1975年成功推出了第一个商业化系统随后各国研究机构和许多大公司开始指纹识别技术的研究和产品开发工作。国际上著名的指纹识别系统有美国联邦调查局的AFIS系统日本NEC公司的指纹鉴定系统北美英弗公司的指纹鉴别系统等。目前随着数字化、信息化社会对自动身份鉴别技术的要求的不断提高和AFIS在司法领域取得了巨大成功随着计算机硬件性能的飞速提高和价格的不断降低随着普通大众对指纹识别了解的深入和接受指纹识别技术已经突破了司法、侦探领域进入民用领域并取得了快速的发展。传统指纹识别算法主要用于司法、刑侦领域主要考虑降低拒识率一般需要人工协助处理而且存在误识率高、计算 指纹识别系统论文 - 8 - 速度慢、资源消耗大等问题并不适合于民用领域。同时民用市场对指纹识别算法在自动化程度、拒识率和误识率、响应时间、资源消耗等方面也提出了更高的要求。JAIN等人于1998年提出将指纹与人脸识别的结果融合于2000年提出确定每个用户的特定参数的方法将指纹、脸像和手形的识别结果融合并在2001年对多生物特征识别作了概述。2006年初澳大利亚成功发行世界上第一本生物识别护照。2007

年11月美国国土安全部宣布所有入境美国的非美国公民都要接受数字拍照及双手十指指纹扫描。指纹识别即将迎来迅速普及的发展时期。2009年美国成功对指纹识别系统进行了更新的研究【2】。 1.3.2 国内研究现状 我国利用指纹识别身份的历史最早可以追溯到秦朝 1903年中国青岛市警察局首次应用汉堡式指纹法。此后我国相继开展了指纹的应用及研究还曾建立过“指纹学会”。刘紫宛编写的《中华指纹法》一书是我国最早的指纹专著。全国解放后我国对指纹研究一直比较重视。1955年编制了《中华人民共和国十指纹分析法》。这可以说是我国指纹的科学时期。 在国内清华大学在80年代开始指纹识别的研究。中科院自动化所模式识别国家重点实验室自90年代以来一直致力于“基于生物特征的身份鉴别”的研究在指纹、虹膜、脸相识别等方面取得了很多的研究成果。北京大学视觉与听觉信息处理国家重点实验室先后承担了国家“七五”和“八五”科技攻关项目对指纹识别进行了长期的基础性研究提出了一整套独创的理论和高效实用的算法。另外自九十年代初以来我国的北大方正集团、长春鸿达集团、西安青松集团等机构分别以所在地高校为技术依托陆续开展了这方面的研究工作。总的来说国内开展了很多研究而且取得了很多成果。2002年清华大学实现了在海量数据库上的人脸和指纹综合识别系统在识别的过程采用的融合策略是先用人脸特征进行比对得到前n个候选然后在这个范围内用指纹特征再进行比对。迄今为止还没有综合生物特征的识别系统的产品问世综合身份识别系统的研究有待于进一步发展。2009年中北大学信息与通信工程学院提出了一种基于傅立叶变换的指纹图像增强技术大大提高了图像的清晰度。为后来的指纹识别技术作出了较大贡献。 1.3.3 研究现状分析 现在国内外指纹识别大都采用基于细节特征点的指纹识别技术即采用基于图像处理的指纹识别算法其中比较有代表性的有两种。一种是基于方向滤波增强并在指纹细化图上提取特征点的算法另一种是直接从指纹灰度图上提取特征点的算法。指纹识别作为一种热门的生物识别技术受到越来越多人的关注国内外许多机构和学者都采用了很多不同的算法对指纹图像进行预处理和匹配。但有些算法会由于指纹图像的噪音、皮肤弹性引起的非线性形变等多方面因素导致在识别过程中出现误差影响识别率等【3】。 指纹识别系统论文 - 9 - 1.4 本文研究的主要内容及工作安排 1.4.1 研究的主要内容 通过阅读大量的文献资料本文深入研究了指纹识别算法所包含的主要方面 指纹图像预处理全文研究的

重点是指纹图像预处理算法。预处理的目的是改善输入指纹图像的质量以提高特征提取的准确性。本文采用灰度分割法对质问图像进行分割。利用中值滤波进行去噪。通过自适应二值化的方法处理指纹图像最后再对图像进行细化以及去除毛刺断裂等干扰。 指纹图像特征提取对指纹图像的特征点进行提取。由于经过预处理后的细化图像上存在大量的伪特征点所以提取大量的伪特征点这些伪特征点的存在不但使匹配的速度大大降低还使指纹识别性能急剧下降造成识别系统的误拒率和误识率的上升因此在进行指纹匹配之前尽可能将伪特征点去除针对提取出指纹细节特征点含有大量的伪特征这一问题提出了一种边缘信息判别法有效地去除了边界伪特征点再根据脊线结构特性去除其毛刺和短脊等伪特征点显的减少了伪特征点。 指纹匹配对指纹图像的匹配算法进行研究。特征匹配是识别系统的关键环节匹配算法的好坏直接影响识别的性能、速度和效率。为了克服指纹图像非线性形变的影响采用基于结构特征的点匹配算法对校准后的点集进行匹配匹配的特征点个数在两个点集中所占比例大约百分之六十五的范围内就可判为匹配成功。 1.4.2 工作安排 本论文共分四章每章的主要安排如下 第一章为绪论部分第一章绪论。对指纹识别技术及系统的研究目的、意义及国内外发展动态进行了概述。比对其研究现状进行分析。 第二章为指纹识别技术的组成及原理分析。简单介绍了指纹识别的工作流程以及指纹识别的基本原理包括指纹结构特征、分类方式等。 第三章研究了指纹图像预处理的几种技术如指纹图像归一化、图像分割、图像滤波、图像二值化、图像细化等算法并运用Matlab编程软件实现了各阶段的实验结果。 第四章对指纹图像进行特征提取与匹配。是在细化后的指纹图像的基础上进行的。对指纹细节特征提取算法进行了简单的介绍并对提取出的特征点进行匹配。并且得出了结果。 指纹识别系统论文 - 10 - 第2章 指纹识别的组成及原理分析