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Fingerprint-Based Recognition

基于指纹的识别

Sarat C Dass

Universiti Teknologi Petronas, Perak, Malaysia and Michigan State University, East Lansing,MI, USA

E-mail: sdass@stt.msu.edu

总结

生物特征识别、生物识别技术是指以她或他的生物特征为基础来进行个人的身份验证的。在各种生物特征(例如脸、虹膜、指纹和语音)，基于指纹的身份验证有最悠久的历史而且已经成功在取证和民用中采用。指纹采集技术的进步导致了新的大规模民用应用程序(如美国游客和移民身份指示技术方案)。然而，由于出现在操作环境中各种噪声因素，这些系统仍然遇到许多困难。还有一个是在取证方法上普遍缺乏科学发展，包括基于指纹的方法，识别、合并、量化决策过程的可变性来源来的方面。本文的目的是概述当前基于指纹识别的实践，它的挑战和未来的研究领域。

关键词：生物认证；生物多样性；指纹识别；识别；验证。

1介绍

根据他们的生理或行为特征的个人身份验证被称为生物特征识别,或简言之,生物识别技术(Jain等人,1999；Maltoni等人,2003)。在生物识别中使用的固有的人类属性被称为特征,例如包括指纹、虹膜、面孔,签名,声音,手型,视网膜,耳朵（图1示）。基于生物特征的方法的身份验证相对传统的根据PIN号或根据密码的(如身份证)方法有更多优势的，因此它越来越受欢迎；例如,一个特征不能很容易转移,遗忘、丢失、或复制。许多商业基于这些特征识别系统已部署，并且目前正在使用。目前生物识别技术已成为许多政府应用的可行和可靠的替代传统系统的认证系统(如美国访客和移民身份显示技术程序和拟议的电子生物护照，这是能够存储所有者的生物测量信息的在护照内芯片)。随着涉及人机交互应用的不断增加,人们越来越需要可靠且安全的快速认证技术。生物特征识别能很好地满足安全和强大的系统不断增长的需求。本文的目的是给出基于指纹识别的概述以及当前这样的系统面临的问题和挑战。

(a) (b) (c) (d)

(e) (f) (g) (h)

图1 生物特征的一些例子：

(a)指纹 (b)虹膜扫描 (c)人脸扫描 (d)签名 (e)声音 (f)手型 (g)视网膜 (h)耳朵

一个特定的生物特征是否是适于在认证系统中使用的取决于几个不同的标准。这些考虑如下：(ⅰ)普遍性的，这意味着每一个人都应该具备的特定特征；(ⅱ)独特的，这意味着两个不同的人的特征是彼此可以充分辨别出；(ⅲ)持久性，这意味着随着时间的推移,该特征不能够改变，或者稍微改变；以及(iv)可采集性，这意味着该特征可以被测量或使用装置捕获。表1给出了常用的生物特征的在这些要求方面的比较。另外也有其他的实际考虑是很重要，即(ⅰ)系统的性能和认证率是否在可接受的水平，在速度，识别精度和鲁棒性，在不同的操作环境来衡量；(ⅱ)这个生物识别特征是否能在公众的日常生活中使用被广泛接受；和(ⅲ)基于所述特征的系统是否很容易被攻击或欺骗。 综上所述，一个实际有效的生物识别系统的主要要求是它应该有可接受的识别性能率，识别速度和成本。此外，应当保护用户的隐私免受侵犯，并有相对于各种欺骗攻击的鲁棒性。

表1.比较选择的生物识别技术--采用Maltoni等人（2003）

因此，指纹具有中等普遍性，高独特性，高耐久性，中可采集性，高性能，中等可接受性，和中等规避。H，高;M，中等; L，低，分别为; UVSL，普遍性; DSTC，独特性; PMRN，持久性;CLTB，可采集性; PRFM，性能; ACPT，可接受性; CRVN，规避。

在用于身份验证所有的生物特征之中，基于指纹识别具有最长历史（近100年），并不仅是在法医学应用，而且在越来越多的民用应用被成功采用。这一成功的背后的原因是因为指纹通常能满足在前面段落中所讨论生物特征的要求。因为指纹的广泛吸引力，基于指纹的认证系统在当前以生物特征为基础的认证系统中占据多数已经主导了生物市场（Maltoni等人，2003给出了市场占有率为52％）。近年来移动商务和银行（移动商务和移动银行）服务的快速发展已对用户ID技术的有了新重点，并且建立广泛生物识别技术部署在这一领域里面。一些手机制造商已经将指纹，语音和面部生物识别技术进入高端手机（图2）。

图2在高端手机中指纹、声音、人脸基于生物特征的识别

2指纹识别作为一种生物识别特征

虽然已经普遍地认为指纹模式是每个人独有的（还从历史的角度来看），应该指出的是这个假设有一定的道理。指纹形成开始在子宫内，并且在该阶段获得的摩擦脊的特性。这些特性取决于多种因素，遗传和环境，例如，围绕每个指尖的掌垫生长，子宫内的流体的流型，和胎儿的位置和生长。有这么多因素共同决定了摩擦脊的特征以致于不太可能会发生重复指纹。实际上，尽管同卵双胞胎具有相同的DNA信息，他们的指尖图案也彼此不同。现在也有一些研究在建模在子宫这些物理过程以及在调查它们如何引起不同的指尖图案；可参见例如，Kuuml;cken＆纽厄尔（2004年，2005年）和Kuuml;cken（2007）。

持久性是其中生物标识符不随时间最小改变或变化的条件。一个人的指尖图案一模一样然贯穿他的一生。有可能在指尖上结疤，但在愈合过程中，在皮肤上的摩擦脊如出生时相同以完全相同的方式长出。因此，没有办法改变一个人的指纹图案。基于指纹识别系统的成功是由于指纹图案的唯一性和持久性。

(a) (b) (c) (d)

图3使用不同的采集方法得到指纹图像

1. 油墨轧(图像大小512times;512，分辨率500 DPI) (b)光学传感器（尺寸296times;560，分辨率569 DPI） (c)的电容传感器（大小为300times;300，500DPI）(d)热传感器（尺寸400times;500，分辨率512 DPI）。板的相同的纵横比，其原始图象被保存，以证明使用不同的传感器中获取的可变性。

指纹的可采集性标准是指在目前部署在各种各样指纹采集设备基础上可以很容易地保管。这些装置已经根据不同的技术设计和制造，而作为结果，每个都有自己的优点和局限性。广泛地说，指纹采集设备或感应器可分为离线和现场采集。一种离线采集通常是一个按压的印象，指尖蘸墨然后按压在一张纸上。离线采集的另一个重要的一类是潜指纹，从犯罪现场采集。现场采集一般是指尖放置在感测装置（或传感器）然后就得到了一个“图象”。各种各样的传感器可以根据采集指纹的使用技术选择。一些主要类型的传感器包括光学，热，和电容式传感器，用于指纹采集的主要技术分别是基于光波，热，和电容电压差（图3）。新型、小型和能够被嵌入在移动电话中的指纹传感器已被开发，以满足移动电子商务和移动银行应用的需求。相比于传统的二维阵列传感器，这些新的一维线扫描传感器需要的手指滑动以便获得用于识别指纹图像（例如图2）。最近高分辨率传感器已被开发，其能够检测更精细的特征（称为第3级的功能），如汗毛孔，初期脊，和指纹图像中的点。使用这些高分辨率传感器采集能增加识别系统的准确度，也提高了系统的安全性，例如进行活泼检测（以避免伪指纹）进行识别（参见例如，Jain等人（2007）、Zhao等人（2010））。

3指纹图像及特点

图4是由一个典型的传感器采集的指纹图像。指纹图像的显著特征是在整个指纹域，交替暗线和亮线（称为脊和谷）形成平滑畅通的图案。图4是标准技术数据库的国家研究所中公众可用的集合中两个指纹图像。偶尔脊突然结束或分叉，并且

(a) (b)

图4 两个用于身份验证指纹图像例子的显示特征(级别1和2)

这些异常的终端和分岔构成指纹特征，称之为细节。细节信息包括脊异常的位置和方向，方向是指脊流的方向、相对于在细节位置水平轴测量角度。细节和特点形成所谓的2级特征。2级特征被定义为形成在山脊和山谷的细节特征，其他2级特征包括在细节位置脊的长度，脊间的距离，脊流动的方向等等。2级特征是当前用于个人验证识别系统的主要功能。指纹的其它较低级特征通常的目的是用于分类，这些功能被称为1级功能，例如包括类指纹（如螺纹、右环或左循环、拱亨利（见亨利，1900年）的分类系统；奇异点（核心和三角）的类型和数量图像；它们之间的相对位置，参见图4）。

3.1指纹匹配

指纹匹配是确定一对指纹图像之间相似度的处理。匹配处理可以基于各种指纹特征；如果我们考虑第2级的功能，例如，指纹匹配可以基于细节的位置和方向的信息。细枝末节地点采取了指纹传感域值，S；在图4的情况下，S = [0 512]times;[0 512],

相反脊流是等效的，因此，细节方向的域值是。细节信息s=(x,w),其中x和w分别是位置信息和方向信息。一个细节匹配定义为一组细节，，其中j=1,2，一个是这组的第一幅图像，另一个是第二个，它们满足：

对于对于一些固定阈值和，欧几里得距离在和角距离在。

可能手指放在传感器不同位置而造成了全部的旋转和平移，但从同一手指上的采集的指纹是具有相同的细节信息。基于指纹的认证的过程首先是对于每一个指纹，提取出所有的细节信息来产生一个细节列。一个细节列然后通过仿射变换（即通过旋转和平移）以最佳匹配另一个细节列，在另一种意义上说，产生了符合细节数最多。细节匹配数高（低）为正确匹配（冒名顶替者）提供了支持。正确意味着相同的手指进行两次指纹，而冒名顶替指两个不同手指进行两次指纹。此外，如果手指是在一对一对应到个人，匹配过程决出了真正身份，冒名顶替者身份。

在这里强调的是，细节特点是他们所代表的指纹图像的一个总结。因此，对于匹配设置的功能，可以比只有细节位置和方向要丰富得多。对于较高分辨率的传感器，例如，可以得到指纹图像的汗毛孔的位置。这些汗毛孔位置可以额外地添加到特征集合，并在匹配阶段使用，从而导致更高的准确度。

4基于指纹识别系统

指纹匹配后的目标是确定的指纹图像是否从同一个手指或不同手指出现，称为真正的匹配和冒名顶替的匹配。由系统进行匹配以及认证的过程，称为基于

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