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|列兵
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手指上的指紋表征了一個人的身份特征。1788年Mayer首次提出沒有兩個人的指紋完全相同,1823年Purkinie首次把指紋紋形分成9類,1889年Henry提出了指紋細節(jié)特征識別理論,奠定了現(xiàn)代指紋學的基礎。但采用人工比對的方法,效率低、速度慢。20世紀60年代,開始用計算機圖像處理和模式識別方法進行指紋分析,這就是自動指紋識別系統(tǒng)(簡稱AFIS)[1]。20世紀70年代末80年代初,刑事偵察用自動指紋識別系統(tǒng)(police?AFIS,P?AFIS)投入實際運用。20世紀90年代,AFIS進入民用,稱為民用自動指紋識別系統(tǒng)(civil?AFIS,C?AFIS)。本文試圖從指紋特征分析著手,闡述指紋作為人體身份識別的原理方法、指紋識別的主要技術指標和測試方法,以及實際應用的現(xiàn)實性與可靠性[2-4]。
1 指紋識別的原理和方法
1.1 指紋的特征與分類
指紋識別學是一門古老的學科,它是基于人體指紋特征的相對穩(wěn)定與唯一這一統(tǒng)計學結果發(fā)展起來的。實際應用中,根據需求的不同,可以將人體的指紋特征分為:永久性特征、非永久性特征和生命特征[5]。
永久性特征包括細節(jié)特征(中心點、三角點、端點、叉點、橋接點等)和輔助特征(紋型、紋密度、紋曲率等元素),在人的一生中永不會改變,在手指前端的典型區(qū)域中最為明顯,分布也最均勻[1]。細節(jié)特征是實現(xiàn)指紋精確比對的基礎,而紋形特征、紋理特征等則是指紋分類及檢索的重要依據。人類指紋的紋形特征根據其形態(tài)的不同通常可以分為“弓型、箕型、斗型”三大類型,以及“孤形、帳形、正箕形、反箕形、環(huán)形、螺形、囊形、雙箕形和雜形”等9種形態(tài)[1]。紋理特征則是由平均紋密度、紋密度分布、平均紋曲率、紋曲率分布等紋理參數構成。紋理特征多用于計算機指紋識別算法的多維分類及檢索。
非永久性特征由孤立點、短線、褶皺、疤痕以及由此造成的斷點、叉點等元素構成的指紋特征,這類指紋有可能產生、愈合、發(fā)展甚至消失[1]。
指紋的生命特征與被測對象的生命存在與否密切相關。但它與人體生命現(xiàn)象的關系和規(guī)律仍有待進一步認識。目前它已經成為現(xiàn)代民用指紋識別應用中越來越受關注的熱點之一。
1.2 指紋識別的原理和方法
指紋識別技術主要涉及四個功能:讀取指紋圖像、提取特征、保存數據和比對。通過指紋讀取設備讀取到人體指紋的圖像,然后要對原始圖像進行初步的處理,使之更清晰,再通過指紋辨識軟件建立指紋的特征數據。軟件從指紋上找到被稱為“節(jié)點”(minutiae)的數據點,即指紋紋路的分叉、終止或打圈處的坐標位置,這些點同時具有七種以上的唯一性特征。通常手指上平均具有70個節(jié)點,所以這種方法會產生大約490個數據。這些數據,通常稱為模板。通過計算機模糊比較的方法,把兩個指紋的模板進行比較,計算出它們的相似程度,最終得到兩個指紋的匹配結果[5-6]。采集設備(即取像設備)分成幾類:光學、半導體傳感器和其他。
2 指紋識別技術的主要指標和測試方法
2.1 算法的精確度
指紋識別系統(tǒng)性能指標在很大程度上取決于所采用算法性能。為了便于采用量化的方法表示其性能,引入了下列兩個指標。
拒識率(false rejection rate,F(xiàn)RR):是指將相同的指紋誤認為是不同的,而加以拒絕的出錯概率。FRR=(拒識的指紋數目/考察的指紋總數目)×100%。
誤識率(false accept rate,F(xiàn)AR):是指將不同的指紋誤認為是相同的指紋,而加以接收的出錯概率。FAR=(錯判的指紋數目/考察的指紋總數目)×100%。
對于一個已有的系統(tǒng)而言,通過設定不同的系統(tǒng)閾值,就可以看出這兩個指標是互為相關的,F(xiàn)RR與FAR成反比關系。這很容易理解,“把關”越嚴,誤識的可能性就越低,但是拒識的可能性就越高。
2.2 誤識率和拒識率的測試方法
測試這兩個指標,通常采用循環(huán)測試方法[7]。即給定一組圖像,然后依次兩兩組合,提交進行比對,統(tǒng)計總的提交比對的次數以及發(fā)生錯誤的次數,并計算出出錯的比例,就是FRR和FAR。針對FAR=0.0001%的指標,應采用不少于1 415幅不同的指紋圖像作循環(huán)測試,總測試次數為1 000 405次,如果測試中發(fā)生一次錯誤比對成功,則FAR=1/1 000 405;針對FRR=0.1%,應采用不少于46幅屬于同一指紋的圖像組合配對進行測試,則總提交測試的次數為1 035次數,如果發(fā)生一次錯誤拒絕,則FRR=1/1 035。測試所采用的樣本數越多,結果越準確。作為測試樣本的指紋圖像應滿足可登記的條件。
2.3 系統(tǒng)參數
拒登率(error registration rate,ERR):指的是指紋設備出現(xiàn)不能登錄及處理的指紋的概率,ERR過高將會嚴重影響設備的使用范圍,通常要求小于1%。
登錄時間:指紋設備登錄一枚指紋所需的時間,通常單次登錄的時間要求不超過2 s。
比對時間:指紋設備對兩組指紋特征模版進行比對所耗費的時間,通常要求不超過1 s。
工作溫度:指紋設備正常工作時所允許的溫度變化范圍,一般是0~40 ℃。
工作濕度:指紋設備正常工作時所允許的相對濕度變化范圍,一般是30%~95%。
3 指紋識別技術的應用
指紋識別技術已經成熟,其應用日益普遍,除了刑事偵察用之外,在民用方面已非常廣泛,如指紋門禁系統(tǒng)、指紋考勤系統(tǒng)、銀行指紋儲蓄系統(tǒng)、銀行指紋保管箱、指紋醫(yī)療保險系統(tǒng)、計劃生育指紋管理系統(tǒng)、幼兒接送指紋管理系統(tǒng)、指紋獻血管理系統(tǒng)、證券交易指紋系統(tǒng)、指紋槍械管理系統(tǒng)、智能建筑指紋門禁管理系統(tǒng)、駕駛員指紋管理系統(tǒng)等。
指紋門禁系統(tǒng)和指紋考勤系統(tǒng)是開發(fā)和使用得最早的一種出入管理系統(tǒng),包括對講指紋門禁、聯(lián)機指紋門禁、脫機指紋門禁等等。在入口將個人的手指按在指紋采集器上,系統(tǒng)將已登錄在指紋庫中的指紋(稱為已經注冊)進行對比,如果兩者相符(即匹配),則顯示比對成功,門就自動打開。如不匹配,則顯示“不成功”或“沒有這個指紋”,門就不開。在指紋門禁系統(tǒng)中,可以是一對一的比對(one?to?one matching),也可以是一對幾個比對(one?to?few matching)。前者可以是一個公司、部門,后者可以是一個家庭的成員、銀行的營業(yè)廳、金庫、財務部門、倉庫等機要場所。在這些應用中,指紋識別系統(tǒng)將取代或者補充許多大量使用照片和ID系統(tǒng)。
把指紋識別技術同IC卡結合起來,是目前最有前景的一個應用之一。該技術把卡的主人的指紋(加密后)存儲在IC卡上,并在IC卡的讀卡機上加裝指紋識別系統(tǒng),當讀卡機閱讀卡上的信息時,一并讀入持卡者的指紋,通過比對就可以確認持卡者是否是卡的真正主人,從而進行下一步的交易。指紋IC卡可取代現(xiàn)行的ATM卡、制造防偽證件等。ATM卡持卡人可不用密碼,避免老人和孩子記憶密碼的困難。
近年來,互聯(lián)網帶給人們方便與利益已,也存在著安全問題。指紋特征數據可以通過電子郵件或其它傳輸方法在計算機網絡上進行傳輸和驗證,通過指紋識別技術,限定只有指定的人才能訪問相關的信息,可以極大地提高網上信息的安全性。網上銀行、網上貿易、電子商務等一系列網絡商業(yè)行為就有了安全性保障。
指紋社會保險系統(tǒng)的應用為養(yǎng)老金的準確發(fā)放起了非常有效的作用。避免了他人用圖章或身份證復印件代領,而發(fā)放人員無法確定該人是故世的問題,要憑本人的活體指紋,才可準確發(fā)放養(yǎng)老金。
4 指紋識別的可靠性
指紋識別技術是成熟的生物識別技術。因為每個人包括指紋在內的皮膚紋路在圖案、斷點和交叉點上各不相同,是唯一的,并且終生不變。通過他的指紋和預先保存的指紋進行比較,就可以驗證他的真實身份。自動指紋識別是利用計算機來進行指紋識別的一種方法。它得益于現(xiàn)代電子集成制造技術和快速而可靠的算法理論研究。盡管指紋只是人體皮膚的一小部分,但用于識別的數據量相當大,對這些數據進行比對是需要進行大量運算的模糊匹配算法。利用現(xiàn)代電子集成制造技術生產的小型指紋圖像讀取設備和速度更快的計算機,提供了在微機上進行指紋比對運算的可能。另外,匹配算法可靠性也不斷提高。因此,指紋識別技術己經非常簡單實用。由于計算機處理指紋時,只是涉及了一些有限的信息,而且比對算法并不是十分精確匹配,其結果也不能保證100%準確。
指紋識別系統(tǒng)的特定應用的重要衡量標志是識別率。主要包括拒識率和誤識率,兩者成反比關系。根據不同的用途來調整這兩個值。盡管指紋識別系統(tǒng)存在著可靠性問題,但其安全性也比相同可靠性級別的“用戶ID+密碼”方案的安全性要高得多。拒識率實際上也是系統(tǒng)易用性的重要指標。在應用系統(tǒng)的設計中,要權衡易用性和安全性。通常用比對兩個或更多的指紋來達到不損失易用性的同時,極大提高系統(tǒng)的安全性。
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