摘 要 本文對(duì)指紋識(shí)別技術(shù)的背景、應(yīng)用歷史、識(shí)別方法及原理進(jìn)行了簡單闡述，并簡單介紹了自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)（AFIS）和指紋圖像的歸一化處理算法。第三部分對(duì)指紋識(shí)別技術(shù)的局限性、發(fā)展方向進(jìn)行了探討。

【關(guān)鍵詞】指紋識(shí)別 AFIS

1 指紋識(shí)別技術(shù)的應(yīng)用歷史及發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 指紋識(shí)別的應(yīng)用歷史

現(xiàn)代指紋識(shí)別起源于16世紀(jì)末期。早在1880年，亨利·福茲提出犯罪可用指紋識(shí)別系統(tǒng)識(shí)別的觀點(diǎn)。

20世紀(jì)70年代，人們對(duì)于指紋自動(dòng)識(shí)別的研究開始使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行，加上模式識(shí)別理論的迅速發(fā)展，一些實(shí)用系統(tǒng)逐漸面世。70年代末，在加拿大，激光技術(shù)已經(jīng)首次應(yīng)用于指紋檢驗(yàn)，取得了不錯(cuò)的效果。

20世紀(jì)80年代，指紋核對(duì)機(jī)在日本面世；1982年，NEC首次向警方提供了自動(dòng)指紋識(shí)別技術(shù)；同時(shí)，在比利時(shí)刑事鑒定局、日本蝶理株式會(huì)社、英國政府的一些重要部門以及澳大利亞的ATM機(jī)、美國五角大樓和大多數(shù)商業(yè)部門，指紋識(shí)別技術(shù)都得到了初步應(yīng)用。

中國的手印（指紋）應(yīng)用起源于唐朝以前。唐朝時(shí)期，已有記錄用指紋確定個(gè)人身份的典籍。我國現(xiàn)代較早使用現(xiàn)代指紋技術(shù)的是青島，警方可以將指紋識(shí)別系統(tǒng)用于刑事偵查。到了90年代時(shí)指紋識(shí)別應(yīng)用系統(tǒng)發(fā)展迅速，出現(xiàn)了一些指紋識(shí)別技術(shù)領(lǐng)域的優(yōu)秀研究成果。當(dāng)時(shí)，活體指紋身份識(shí)別系統(tǒng)已在深圳現(xiàn)世，自動(dòng)指紋識(shí)別監(jiān)控器也逐漸進(jìn)入人們的視野；我國各大高校也相繼推出指紋自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)，并組織相關(guān)研究；深圳推出的指紋密碼識(shí)別系統(tǒng)達(dá)到了一定的水平，可對(duì)指紋、手指三維、手指血管造影同時(shí)控制。

1.2 指紋自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

指紋識(shí)別系統(tǒng)集計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)為一體，又融合包含了光電技術(shù)、圖像處理等技術(shù)，是一門綜合性高技術(shù)。其特點(diǎn)包括可靠、快捷、靈活、安全、方便、兼容性、實(shí)時(shí)性。指紋識(shí)別具有一定的容錯(cuò)性，采用了一些容錯(cuò)技術(shù)，即使指紋稍微改變也能對(duì)指紋圖像進(jìn)行正確識(shí)別。指紋識(shí)別所需的時(shí)間較短，快捷又方便。指紋信息僅包含一些特征信息，占用空間小，節(jié)約流量。所有的指紋信息都轉(zhuǎn)換為個(gè)人代碼進(jìn)行嚴(yán)格加密，盜取與破解困難，復(fù)原性低，安全性高。指紋識(shí)別技術(shù)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，具有廣泛的應(yīng)用前景。

1.3 指紋識(shí)別技術(shù)的應(yīng)用舉例

身份認(rèn)證：指紋識(shí)別廣泛應(yīng)用于刑事偵查和罪犯鑒別、個(gè)人儲(chǔ)蓄業(yè)務(wù)、教育考試系統(tǒng)。指紋身份證、指紋支付（手機(jī)購物）、證券交易、社保系統(tǒng)等。

門禁管理：指紋識(shí)別還可用于防盜門、金庫大門、保險(xiǎn)柜等門禁系統(tǒng)。在計(jì)算機(jī)自動(dòng)化辦公系統(tǒng)、金融保險(xiǎn)、電子商務(wù)、防偽等行業(yè)的應(yīng)用也非常廣泛。

2 指紋識(shí)別技術(shù)原理及方法

2.1 指紋特性與識(shí)別原理的關(guān)系

指紋具有唯一性。人的指紋特征是由人本身的基因與環(huán)境因素的影響共同決定的。每個(gè)人的基因都有或多或少的差異，從理論上講，除同卵雙生的雙胞胎外，世界上沒有兩個(gè)人的指紋是完全相同的。

指紋具有復(fù)雜性。指紋的細(xì)節(jié)特征包括細(xì)微紋點(diǎn)和紋脊的起點(diǎn)、終點(diǎn)、分叉、結(jié)合等特征。對(duì)于某一指紋圖像來說，其特征定義有許多種，美國國家標(biāo)準(zhǔn)局所采用的用于指紋匹配細(xì)節(jié)的四種特征為脊終點(diǎn)、分叉點(diǎn)、復(fù)合特征（三分叉或交叉點(diǎn)）和未定義。

指紋具有終身不變性（穩(wěn)定性）。指紋之所以被稱為“活的身份證”，是因?yàn)樗殡S人的一生幾乎不會(huì)變化，而且不會(huì)與我們分開，是我們身上自帶的“身份證”。

2.2 AFIS（自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)）系統(tǒng)簡介

2.2.1 指紋圖像的獲取

光學(xué)掃描采集采用的是FTIR（全反射技術(shù)），通過激光照射棱鏡并在棱鏡和手指的接觸面上發(fā)生生全反射，從而區(qū)分脊線和谷線，在CCD陣列上獲得指紋圖像。

固體傳感器采集是利用電壓變化采集指紋圖像的方法。當(dāng)手指對(duì)傳感器產(chǎn)生壓力時(shí)，傳感器與手指的接觸點(diǎn)會(huì)發(fā)生感應(yīng)導(dǎo)致電容器電壓變化，獲得指紋圖像。

超聲波傳感器采集法是利用了超聲波的反射原理，其原理與聲吶類似。

2.2.2 指紋圖像增強(qiáng)

指紋圖像增強(qiáng)是指通過各種圖像處理的方法來提高指紋圖像的脊信息清晰度，清除不可恢復(fù)區(qū)域。

影響指紋圖像質(zhì)量的因素：接觸的不一致性、接觸的不均勻性、接觸的不可再現(xiàn)性、設(shè)備的系統(tǒng)噪聲干擾。手指指紋本是三維圖形，通過與接觸面接觸從而形成二維圖像，由于壓力差異，每次指紋獲取時(shí)難免會(huì)產(chǎn)生一定的變形；而對(duì)于不同狀態(tài)的手指，所采集的指紋圖像又會(huì)產(chǎn)生偏差，造成部分細(xì)節(jié)信息錯(cuò)誤，如手指過于干燥會(huì)導(dǎo)致圖像部分失真、手指受傷會(huì)導(dǎo)致細(xì)節(jié)信息改變；另外，系統(tǒng)設(shè)備本身的干擾也會(huì)對(duì)采集質(zhì)量造成影響。

增強(qiáng)方法：一般可采用平滑、細(xì)化、濾波、二值化等數(shù)字圖像處理方法進(jìn)行。第一步，規(guī)格化，就是將圖像的均值和方差限制在一定的閾值內(nèi)，降低灰度圖像方差。第二步，方向圖估計(jì)和頻率圖估計(jì)。第三步，依照各個(gè)區(qū)域的不同方向，使用不同的濾波器增強(qiáng)圖像。

2.2.3 指紋圖像特征提取

指紋的細(xì)節(jié)特征共一百多種，但可用于特征提取的常見細(xì)節(jié)特征卻不多。常用的指紋圖像特征提取可分為細(xì)節(jié)特征的提取和單獨(dú)點(diǎn)的提取，細(xì)節(jié)點(diǎn)包括脊中點(diǎn)和分叉點(diǎn)，單獨(dú)點(diǎn)包括中心點(diǎn)和三角點(diǎn)。一般在自動(dòng)識(shí)別中作為鑒別特征的細(xì)節(jié)特征是紋線端點(diǎn)（紋線突然消失的位置）和分叉點(diǎn)（紋線一分為二的位置）。通過方向信息提取、紋線提取、圖像分割、圖像細(xì)化、細(xì)節(jié)特征提取等算法步驟可完成對(duì)一個(gè)指紋的特征提取。

2.2.4 指紋圖像匹配

指紋圖像匹配指的是對(duì)兩個(gè)指紋圖像進(jìn)行特征分析，判斷指紋是否同源。指紋匹配算法有圖像匹配、點(diǎn)模式匹配、圖形匹配、脊模式匹配等。

點(diǎn)模式匹配：從指紋圖像中提取出特征點(diǎn)，再輸入待匹配的指紋圖像，將兩者的特征點(diǎn)集通過一些變換（如旋轉(zhuǎn)、拉伸、平移等）進(jìn)行匹配。其中經(jīng)典算法有松弛算法、模擬退火算法、遺傳算法、Hough變換等。

2.3 指紋圖像分割算法

2.3.1 算法簡介

算法原理：每個(gè)指紋圖像具有其穩(wěn)定、特有的方向性，在某一區(qū)域內(nèi)，圖像的灰度變化特點(diǎn)是具有方向性的。在指紋圖像中，沿脊線方向灰度差小，沿垂直于脊線方向上灰度差相對(duì)來說就很大了。通過計(jì)算指圖像上某點(diǎn)沿各方向上的灰度變化情況，可確定某點(diǎn)是否屬于原指紋圖像，從而將指紋圖像與污染區(qū)域分割開。

算法分類：利用圖像灰度變化特性對(duì)圖像進(jìn)行分割判定的方法稱為方差法；利用圖像含有的方向信息對(duì)圖像進(jìn)行分割判定的方法稱為方向法；結(jié)合方向信息與灰度變化兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行判定的圖像分割稱為歸一化處理法。

2.3.2 歸一化處理法的算法步驟

第一步，輸入灰度指紋圖像，首先在像素矩陣內(nèi)計(jì)算指紋圖像上每點(diǎn)的方向信息。

第二步，取分塊尺寸較小的正方形像素塊，并將圖像平均劃分，準(zhǔn)確計(jì)算每個(gè)塊方向。

第三步，用公式對(duì)每個(gè)分塊進(jìn)行灰度分析，分別計(jì)算沿平行塊方向和垂直于塊方向的灰度差（即灰度變化）。平行塊方向上取四對(duì)對(duì)稱點(diǎn)，垂直于塊方向上取兩對(duì)對(duì)稱點(diǎn)進(jìn)行灰度差計(jì)算，并取平均值，得到平均灰度變化。

第四步，運(yùn)用歸一化算法對(duì)上一步驟中的灰度差進(jìn)行歸一化處理，可降低不同指紋圖像對(duì)比度不同所帶來的影響，達(dá)到歸一化的目的。這里我們可以規(guī)定歸一化區(qū)間的期望值，然后分別沿兩個(gè)方向進(jìn)行歸一化處理。

第五步，分別確定兩個(gè)方向上的規(guī)定閾值上界A和下界B，并根據(jù)歸一化后的灰度平均變化值進(jìn)行判定，判定該塊屬于指紋圖像還是背景區(qū)域。

第六步，處理孤立塊。

3 指紋識(shí)別的優(yōu)點(diǎn)及其局限性

3.1 指紋識(shí)別技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

指紋識(shí)別具有一定的可靠性，其容錯(cuò)技術(shù)較為先進(jìn)，一般不會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤；指紋識(shí)別速度快，方便人們工作與生活；指紋信息占用空間小，一個(gè)指紋細(xì)節(jié)的有關(guān)信息儲(chǔ)存量只有幾十個(gè)字節(jié)；指紋信息的識(shí)別系統(tǒng)可以與各種系統(tǒng)兼容，具有很好的兼容性，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

3.2 指紋識(shí)別技術(shù)的局限性

指紋采集環(huán)境會(huì)帶來影響。對(duì)于處于不同環(huán)境、狀態(tài)不同的指紋，識(shí)別系統(tǒng)還不能將獲取的低質(zhì)量指紋圖像處理的很到位。如手指過于干燥或沾有水分、手指上有油污、手指劃傷等情況會(huì)影響指紋圖像的質(zhì)量。

指紋采集時(shí)出現(xiàn)變形。同一個(gè)三維的指紋圖形印在二維平面上會(huì)出現(xiàn)或多或少的差異，會(huì)給指紋的圖像分析帶來干擾。

指紋分類法有待突破。根據(jù)現(xiàn)有的指紋分類、分析方法，指紋識(shí)別的精確度雖然已經(jīng)很高，但還無法達(dá)到完全準(zhǔn)確、無誤的程度。指紋的劃分不夠細(xì)致精確、不夠系統(tǒng)化。

指紋識(shí)別缺乏只能評(píng)價(jià)比對(duì)體系。一般的，各個(gè)指紋系統(tǒng)的測評(píng)都由開發(fā)者自己完成，缺乏一個(gè)專業(yè)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臏y評(píng)系統(tǒng)與測評(píng)機(jī)構(gòu)。

3.3 針對(duì)指紋識(shí)別技術(shù)發(fā)展方向的思考

改進(jìn)針對(duì)指紋圖像的算法。

改進(jìn)指紋的采集方法。通過特殊方法，可在真皮層采集到穩(wěn)定、完整的指紋圖像。也就是說，針對(duì)三維指紋圖像的變形問題，我們可以通過研究非接觸式采集的方法來解決。

多種識(shí)別技術(shù)結(jié)合。生物識(shí)別技術(shù)體系具有綜合性的特點(diǎn)，綜合各種識(shí)別方法提高識(shí)別精確度與速度。

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作者簡介

毋俊，就讀于運(yùn)城市運(yùn)城中學(xué)。在校期間積極參加校內(nèi)活動(dòng)，包括恰同學(xué)少年詩詞大會(huì)、參加合唱隊(duì)、各種社團(tuán)活動(dòng)及志愿服務(wù)，也在學(xué)生會(huì)擔(dān)任重要職務(wù)。曾連續(xù)兩年榮獲校年度三好學(xué)生標(biāo)兵、三好學(xué)生，參加過生物學(xué)、化學(xué)學(xué)科聯(lián)賽，多次在各種學(xué)科能力競賽中獲獎(jiǎng)。

作者單位

運(yùn)城市運(yùn)城中學(xué) 山西省運(yùn)城市 044000