包冬梅（呼倫貝爾學(xué)院　計算機學(xué)院，內(nèi)蒙古　呼倫貝爾　021008）

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ios平臺下的指紋識別技術(shù)研究

包冬梅
（呼倫貝爾學(xué)院計算機學(xué)院，內(nèi)蒙古呼倫貝爾021008）

摘要：隨著信息技術(shù)的逐步普及和電子商務(wù)的高度發(fā)展，人們對手機這一重要生活工具的信息安全性與隱私性要求日漸提高.因此蘋果公司在其開發(fā)的ios系統(tǒng)中嘗試應(yīng)用了穩(wěn)定性較強的高度隱私保護措施——指紋識別技術(shù).文章就指紋識別技術(shù)進行了技術(shù)性分析，并設(shè)計了基于ios平臺的指紋識別系統(tǒng).

關(guān)鍵詞：ios平臺；指紋識別系統(tǒng)；指紋識別技術(shù)

隨著智能移動設(shè)備的全面普及，智能操作系統(tǒng)的重要性日漸突出，智能手機、手持電腦等被賦予了更豐富的功能與更強大的安全管控程序.當(dāng)今電子商務(wù)、網(wǎng)上銀行等都已經(jīng)實現(xiàn)了與手持智能設(shè)備的直接綁定，因此，人們在對琳瑯滿目的手持智能設(shè)備進行選擇時除考慮設(shè)備良好的用戶交互界面外，更進一步的是考慮該設(shè)備的安全指數(shù).蘋果公司在2013年9月推出了自帶指紋識別系統(tǒng)的i-Phone5s，宣告著ios平臺下的指紋識別技術(shù)正式面世.指紋識別屬于生物識別范疇，其涉及的圖像采集、處理、計算等都是復(fù)雜而浩大的工程.

1　指紋識別系統(tǒng)優(yōu)勢

指紋識別是生物識別的一類，其應(yīng)用前景廣闊，應(yīng)用價值較高.因當(dāng)前身需要份驗證的場合較多，而身份驗證的手段較少，傳統(tǒng)身份驗證方法準(zhǔn)確率低等，指紋識別系統(tǒng)在當(dāng)下得到了廣泛推廣，包括偵訊、門禁、電腦、手機、考勤、支付等領(lǐng)域，指紋識別系統(tǒng)以其特有的優(yōu)勢備受各界研究人士熱捧.指紋識別系統(tǒng)的優(yōu)勢主要包括：第一，指紋是每個人類個體都具有的普遍生理特征，因此指紋識別系統(tǒng)具有明顯的普遍性.第二，世界上沒有兩枚完全一樣的指紋，任何兩枚指紋都存在細節(jié)差異，因此，指紋識別系統(tǒng)又具有唯一性.第三，指紋作為人類生理特征與皮膚骨骼形狀等不同，不會隨年齡環(huán)境等產(chǎn)生變化，指紋識別系統(tǒng)具有突出的穩(wěn)定性.第四，指紋特征明顯，經(jīng)特殊方法可進行采集，即可采集性.第五，指紋采集難度較低，采集的環(huán)境途徑也較為簡單，操作準(zhǔn)確率和可行性高，說明指紋識別系統(tǒng)又具有可行性.第六，易接受性.指紋采集牽涉部位為手指，被采集者提供采集的方法簡便而輕松，易于廣大群眾接受，因此，指紋識別系統(tǒng)具有易接受性.第七，防偽性.指紋因其第一無二的生理特性而具備了高度防偽功能，加之要偽造盜用他人指紋的難度相當(dāng)高，指紋識別系統(tǒng)防偽性相當(dāng)好.指紋識別系統(tǒng)的這些優(yōu)勢必將使其廣泛應(yīng)用到各種身份認證領(lǐng)域，當(dāng)前手機客戶端的發(fā)展催生了大量的移動APP，其賬號與安全管理也必將逐步引進具有絕對優(yōu)勢的指紋識別系統(tǒng).

2　指紋識別原理與應(yīng)用技術(shù)分析

2.1指紋識別原理

指紋識別的主要原理是通過對指紋整體和局部進行分析的方式，從較為直觀的指紋總體特征紋路形狀、紋路模式、紋路核心點、紋路總數(shù)、紋路三角點等開始區(qū)分，當(dāng)整體符合后再分析局部特征，通過局部細節(jié)的分叉、末端、轉(zhuǎn)折等形成的節(jié)點等關(guān)鍵點進行細分，通常指紋局部特征有13項關(guān)鍵點重合即可進行同一認定，指紋識別系統(tǒng)的流程如圖1所示.

圖1　指紋識別流程圖

2.2指紋讀取技術(shù)分析

對指紋進行讀取是指紋識別的重要步驟.指紋讀取應(yīng)用的是光學(xué)反射原理，光學(xué)取象設(shè)備通過玻璃表面反射給CCD指紋樣本進行指紋采集.玻璃表面感應(yīng)到的指紋溝壑猶如山巒的脊和谷一般，脊指指紋突出與玻璃表面產(chǎn)生強烈接觸的部分，谷為指紋凹陷部分.指紋脊部與玻璃產(chǎn)生了陰影面不會反射光線給CCD，而谷部則將反射完全的光線給CCD，從而促使CCD完成指紋圖像采集.為給指紋識別算法提供精確的素材，指紋提取時需注重指紋特征提取.指紋特征提取的精確度是后期指紋比對的關(guān)鍵之所在，關(guān)系著整個指紋識別系統(tǒng)的優(yōu)劣.因此，指紋提取必須講究特征提取的方法和特征提取的代表性以及所提取特征的樣式與細節(jié).

2.3指紋識別算法分析

指紋識別系統(tǒng)最核心的技術(shù)是指紋識別算法，可以說指紋識別算法的優(yōu)劣直接關(guān)系著指紋識別的精確度和準(zhǔn)確率，更是識別速度的決定因素.指紋識別算法通常有兩種，即1:N、1:1.1：N指紋識別計算法是將需對比的指紋與參照指紋進行N此對比，其優(yōu)點在于精確度高，缺陷則在于計算速度較慢.而1:1指紋識別計算法則只對參照指紋與需比對指紋進行一次比對，其優(yōu)勢在于計算度快，缺陷則在于精確度相比1:N計算犯法要低，由于指紋本身就具備鮮明的唯一性和具有較高準(zhǔn)確性，因此1: 1計算方法使用更為普遍.1:1算法的依據(jù)是指紋脊線細節(jié)特征，基于此建立的指紋識別算法流程較適宜ios平臺運作.而衡量指紋識別系統(tǒng)性能優(yōu)劣的主要指標(biāo)指紋匹配時間.匹配時間的公式為：t=i+f+cu，其中i為圖像處理時間;f為提取時間;c為比較時間;u為總的用戶個數(shù).在合理的平臺上進行1:1的全旋轉(zhuǎn)匹配需耗時[3]:t=558+64+42× 1=664ms，該算法提供指紋輸入較強健的全旋轉(zhuǎn)和匹配時間較短但指紋輸入受限±45°的1/4旋轉(zhuǎn)兩種選擇.

2.4指紋匹配技術(shù)分析

指紋匹配結(jié)果的正確與否是AFIS是否成功的最后一個關(guān)鍵點.指紋匹配關(guān)系著指紋識別系統(tǒng)的成敗，其算法的優(yōu)劣更是指紋識別系統(tǒng)識別性能和識別速度以及識別效率的決定性環(huán)節(jié)，因此指紋匹配必須具有絕對優(yōu)勢的匹配算法，所謂指紋匹配是指對當(dāng)前需比對指紋與系統(tǒng)保存的參照指紋進行對比，以確認指紋是否屬于同一人.指紋匹配存在著模糊匹配過程，因為指紋識別系統(tǒng)對采集到的同一手指的兩個不同指紋圖像也難以輕易獲取完全一致的指紋特征信息.指紋匹配的方法隨指紋識別的方法而改變，當(dāng)前使用較普遍的指紋匹配方法有基于點模式匹配算法和基于子模式的匹配方法兩種，點模式匹配算法是通過平移、伸縮、旋轉(zhuǎn)等變換假設(shè)將兩個指紋中兩個點的集中對應(yīng)點進行匹配.指紋匹配事實上是對對比指紋與系統(tǒng)儲存的參照指紋進行細節(jié)特征對比匹配，通過預(yù)先設(shè)定的閉值算出比對結(jié)果.基于子模式這一指紋匹配方式實際上是對指紋圖像特征點所構(gòu)成的模式中，針對轉(zhuǎn)位不敏感（旋轉(zhuǎn)、平移）的特征點構(gòu)成子模式，在另一幅圖像中根據(jù)特定的映射關(guān)系重新搜尋匹配的指紋子模式，將找到的相吻合的子模式的特征點作為匹配對應(yīng)點，以這些對應(yīng)點為基礎(chǔ)對兩幅指紋圖像的相似度進行分析判斷，最后得出指紋匹配結(jié)果.

3　系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

3.1硬件設(shè)計

本設(shè)計中指紋識別系統(tǒng)的硬件主要有一個先進的指紋采集模塊和一個強大的數(shù)據(jù)存儲模塊以及系統(tǒng)核心模塊、輸出顯示模塊等.而本設(shè)計中系統(tǒng)的硬件部分主要包括以下幾方面：

第一，指紋采集器.本設(shè)計主要采用主動式垂直射頻指紋感測器.主動式垂射頻感測器將接收到的指紋溝壑影像以3D模式反應(yīng)，便于辨識.這種新型指紋感測器能清晰的讀取人體皮膚活體底層紋路，采集到清晰而真實的人體指紋，大大降低了指紋被硅膠、模具等手段假冒的風(fēng)險，防偽功能十分強大.為防止該感測器受環(huán)境與溫度的干擾造成工作失準(zhǔn)和保證其受用壽命可在其表面鍍膜.第二，微處理器.設(shè)計的微處理使用了INTEL公司運行于416MHz的XSCALE PXA270.第三，電源管理.系統(tǒng)電源管理模塊筆者選擇了經(jīng)過優(yōu)化的電源管理IC-MAX8588，MAX8588性能較高，非常適合便攜式互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備使用.第四，傳感器.本設(shè)計傳感器選用三維成像且具有活體采集功能和體積小、性優(yōu)價廉特性的FPS200.第五，傳感器接口.指紋識別系統(tǒng)的傳感器接口，筆者應(yīng)用了SPI接口，其特點為軟件、硬件簡單.本方案中，傳感器操作只需將SCS，SCK，MOSI，MISO連接至PXA270的GPIO，F(xiàn)PS200中斷腳EXTINT和PXA270中斷連接即可.設(shè)計中系統(tǒng)的核心模塊是在蘋果PC操作系統(tǒng)實現(xiàn)的.第六，數(shù)據(jù)存儲模塊.而數(shù)據(jù)存儲模塊設(shè)計臨時采用M-SYS公司的DiskOnChipG4是具有1Gbit的FLASHMemory，內(nèi)建了控制器，可方便作為程序存儲器，并可用于大容量文件存儲.

3.2 ios程序運行原理

因當(dāng)前具有指紋識別功能的手機以蘋果5s為代表，本設(shè)計以蘋果公司的ios平臺為基礎(chǔ)，以運行在蘋果PC操作系統(tǒng)Mac os X上的Xcode 4.2為開發(fā)環(huán)境，以虛擬PC”軟件VMware Workstation 6.0進行虛擬機搭建.

3.3 ios平臺下指紋識別系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于本設(shè)計為基于ios平臺的指紋識別系統(tǒng)，因此本設(shè)計中的系統(tǒng)采用iPhone模擬器為調(diào)試平臺.基于當(dāng)前智能手機的觸屏主流操作形式，本設(shè)計的軟件設(shè)計方面較注重操作簡易性與友好性.本設(shè)計的主要流程為指紋圖像采集、指紋圖像預(yù)處理、指紋特征提取、指紋特征匹配、指紋識別、指紋庫6大部分，其整體架構(gòu)如圖2所示.

圖2　指紋識別系統(tǒng)

3.4軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件準(zhǔn)備程序為：加載異常中斷向量表→程序復(fù)位→應(yīng)屏蔽中斷→檢查啟動方式→設(shè)置相關(guān)寄存器→重定位存儲器→確定FLASH的起始地址→加載各初始化功能模塊.本設(shè)計以多線程為主在提高系統(tǒng)運行效率的同時大大增強了系統(tǒng)的可擴展性.當(dāng)系統(tǒng)啟動時即開始線程ThreadMain(),線程ThreadMain()主要負責(zé)按鍵響應(yīng)和接收控制信息并同時分析和執(zhí)行硬件類控制指令或功能類控制指令.FPS200的工作方式分中斷和查詢兩種，而筆者應(yīng)用了FPS200的中斷工作方式.其工作流程為：FPS200各寄存器進入初始化→給相應(yīng)的寄存器錄入控制字→為采集指紋設(shè)置參數(shù)→FPS200自動采集進入數(shù)據(jù)寄存器→在制定存儲位置儲存指紋數(shù)據(jù)→產(chǎn)生中斷→進入中斷服務(wù)程序→中斷子程序進行指紋讀取和識別.FPS200工作至這一步，已經(jīng)得出匹配結(jié)果，當(dāng)指紋匹配結(jié)果為是時，操作者可進入用戶界面，當(dāng)指紋比對不匹配時，手機無法解鎖，并始終保持待機狀態(tài).

4　結(jié)語

隨著手持智能設(shè)備的全面普及與快速更新?lián)Q代，移動互聯(lián)網(wǎng)也得到了空前的發(fā)展.各手持智能設(shè)備與各APP運營機構(gòu)要把握住互聯(lián)網(wǎng)商務(wù)、互聯(lián)網(wǎng)金融等快速滲透的黃金時代，開發(fā)一套高度保密而又行之有效的身份驗證系統(tǒng)是必行之路.指紋識別這一高度精準(zhǔn)而又具有唯一特性的身份驗證技術(shù)，以便攜式、嵌入式形態(tài)已經(jīng)被應(yīng)用于一些大型實力手持設(shè)備開發(fā)公司.本文對指紋識別系統(tǒng)的應(yīng)用技術(shù)進行了簡要分析，并嘗試設(shè)計了一套可行的基于ios平臺的指紋識別系統(tǒng)，筆者有理由相信，指紋識別系統(tǒng)必將廣泛應(yīng)用于手機、平板、APP、P2P、互聯(lián)網(wǎng)金融、網(wǎng)上銀行等眾多領(lǐng)域，成為互聯(lián)網(wǎng)時代身份識別的主流手段.

參考文獻：

〔1〕畢雪芹,蘇艷娟,王琪.嵌入式指紋識別系統(tǒng)的設(shè)計及試驗研究[J].國外電子測量技術(shù),2015（02）: 50-53+81.

〔2〕樓京京.智能手機指紋識別系統(tǒng)的設(shè)計[J].信息系統(tǒng)工程,2015（03）:29+24.

〔3〕黃軒.基于移動指紋識別的身份認證系統(tǒng)[J].南昌大學(xué)學(xué)報(理科版),2011（02）:189-192.

〔4〕馬彥平.指紋識別的未來[J].中國質(zhì)量萬里行，2013（12）:90.

收稿日期：2015-12-30

中圖分類號：TP391

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1673-260X（2016）04-0011-03