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　　手指上的指紋表征了一個(gè)人的身份特征。1788年Mayer首次提出沒有兩個(gè)人的指紋完全相同，1823年P(guān)urkinie首次把指紋紋形分成9類，1889年Henry提出了指紋細(xì)節(jié)特征識(shí)別理論，奠定了現(xiàn)代指紋學(xué)的基礎(chǔ)。但采用人工比對(duì)的方法，效率低、速度慢。20世紀(jì)60年代，開始用計(jì)算機(jī)圖像處理和模式識(shí)別方法進(jìn)行指紋分析，這就是自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱AFIS）[1]。20世紀(jì)70年代末80年代初，刑事偵察用自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)（police?AFIS，P?AFIS）投入實(shí)際運(yùn)用。20世紀(jì)90年代，AFIS進(jìn)入民用，稱為民用自動(dòng)指紋識(shí)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(shí)別的原理方法、指紋識(shí)別的主要技術(shù)指標(biāo)和測(cè)試方法，以及實(shí)際應(yīng)用的現(xiàn)實(shí)性與可靠性[2-4]。
　　1 指紋識(shí)別的原理和方法
　　1.1 指紋的特征與分類
　　指紋識(shí)別學(xué)是一門古老的學(xué)科，它是基于人體指紋特征的相對(duì)穩(wěn)定與唯一這一統(tǒng)計(jì)學(xué)結(jié)果發(fā)展起來的。實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)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(xì)節(jié)特征（中心點(diǎn)、三角點(diǎn)、端點(diǎn)、叉點(diǎn)、橋接點(diǎn)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(huì)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(xì)節(jié)特征是實(shí)現(xiàn)指紋精確比對(duì)的基礎(chǔ)，而紋形特征、紋理特征等則是指紋分類及檢索的重要依據(jù)。人類指紋的紋形特征根據(jù)其形態(tài)的不同通?？梢苑譃椤肮?、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(shù)構(gòu)成。紋理特征多用于計(jì)算機(jī)指紋識(shí)別算法的多維分類及檢索。
　　非永久性特征由孤立點(diǎn)、短線、褶皺、疤痕以及由此造成的斷點(diǎn)、叉點(diǎn)等元素構(gòu)成的指紋特征，這類指紋有可能產(chǎn)生、愈合、發(fā)展甚至消失[1]。
　　指紋的生命特征與被測(cè)對(duì)象的生命存在與否密切相關(guān)。但它與人體生命現(xiàn)象的關(guān)系和規(guī)律仍有待進(jìn)一步認(rèn)識(shí)。目前它已經(jīng)成為現(xiàn)代民用指紋識(shí)別應(yīng)用中越來越受關(guān)注的熱點(diǎn)之一。
　　1.2 指紋識(shí)別的原理和方法
　　指紋識(shí)別技術(shù)主要涉及四個(gè)功能：讀取指紋圖像、提取特征、保存數(shù)據(jù)和比對(duì)。通過指紋讀取設(shè)備讀取到人體指紋的圖像，然后要對(duì)原始圖像進(jìn)行初步的處理，使之更清晰，再通過指紋辨識(shí)軟件建立指紋的特征數(shù)據(jù)。軟件從指紋上找到被稱為“節(jié)點(diǎn)”（minutiae）的數(shù)據(jù)點(diǎn)，即指紋紋路的分叉、終止或打圈處的坐標(biāo)位置，這些點(diǎn)同時(shí)具有七種以上的唯一性特征。通常手指上平均具有70個(gè)節(jié)點(diǎn)，所以這種方法會(huì)產(chǎn)生大約490個(gè)數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)，通常稱為模板。通過計(jì)算機(jī)模糊比較的方法，把兩個(gè)指紋的模板進(jìn)行比較，計(jì)算出它們的相似程度，最終得到兩個(gè)指紋的匹配結(jié)果[5-6]。采集設(shè)備（即取像設(shè)備）分成幾類：光學(xué)、半導(dǎo)體傳感器和其他。
　　2 指紋識(shí)別技術(shù)的主要指標(biāo)和測(cè)試方法
　　2.1 算法的精確度
　　指紋識(shí)別系統(tǒng)性能指標(biāo)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(gè)指標(biāo)。
　　拒識(shí)率（false rejection rate，F(xiàn)RR）：是指將相同的指紋誤認(rèn)為是不同的，而加以拒絕的出錯(cuò)概率。FRR=（拒識(shí)的指紋數(shù)目／考察的指紋總數(shù)目）×100%。
　　誤識(shí)率（false accept rate，F(xiàn)AR）：是指將不同的指紋誤認(rèn)為是相同的指紋，而加以接收的出錯(cuò)概率。FAR=（錯(cuò)判的指紋數(shù)目／考察的指紋總數(shù)目）×100%。
　　對(duì)于一個(gè)已有的系統(tǒng)而言，通過設(shè)定不同的系統(tǒng)閾值，就可以看出這兩個(gè)指標(biāo)是互為相關(guān)的，F(xiàn)RR與FAR成反比關(guān)系。這很容易理解，“把關(guān)”越嚴(yán)，誤識(shí)的可能性就越低，但是拒識(shí)的可能性就越高。
　　2.2 誤識(shí)率和拒識(shí)率的測(cè)試方法
　　測(cè)試這兩個(gè)指標(biāo)，通常采用循環(huán)測(cè)試方法[7]。即給定一組圖像，然后依次兩兩組合，提交進(jìn)行比對(duì)，統(tǒng)計(jì)總的提交比對(duì)的次數(shù)以及發(fā)生錯(cuò)誤的次數(shù)，并計(jì)算出出錯(cuò)的比例，就是FRR和FAR。針對(duì)FAR=0.0001%的指標(biāo)，應(yīng)采用不少于1 415幅不同的指紋圖像作循環(huán)測(cè)試，總測(cè)試次數(shù)為1 000 405次，如果測(cè)試中發(fā)生一次錯(cuò)誤比對(duì)成功，則FAR=1/1 000 405；針對(duì)FRR=0.1%，應(yīng)采用不少于46幅屬于同一指紋的圖像組合配對(duì)進(jìn)行測(cè)試，則總提交測(cè)試的次數(shù)為1 035次數(shù)，如果發(fā)生一次錯(cuò)誤拒絕，則FRR=1/1 035。測(cè)試所采用的樣本數(shù)越多，結(jié)果越準(zhǔn)確。作為測(cè)試樣本的指紋圖像應(yīng)滿足可登記的條件。
　　2.3 系統(tǒng)參數(shù)
　　拒登率（error registration rate，ERR）：指的是指紋設(shè)備出現(xiàn)不能登錄及處理的指紋的概率，ERR過高將會(huì)嚴(yán)重影響設(shè)備的使用范圍，通常要求小于1%。
　　登錄時(shí)間：指紋設(shè)備登錄一枚指紋所需的時(shí)間，通常單次登錄的時(shí)間要求不超過2 s。
　　比對(duì)時(shí)間：指紋設(shè)備對(duì)兩組指紋特征模版進(jìn)行比對(duì)所耗費(fèi)的時(shí)間，通常要求不超過1 s。
　　工作溫度：指紋設(shè)備正常工作時(shí)所允許的溫度變化范圍，一般是0～40 ℃。
　　工作濕度：指紋設(shè)備正常工作時(shí)所允許的相對(duì)濕度變化范圍，一般是30%～95%。
　　3 指紋識(shí)別技術(shù)的應(yīng)用
　　指紋識(shí)別技術(shù)已經(jīng)成熟，其應(yīng)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(chǔ)蓄系統(tǒng)、銀行指紋保管箱、指紋醫(yī)療保險(xiǎn)系統(tǒng)、計(jì)劃生育指紋管理系統(tǒng)、幼兒接送指紋管理系統(tǒng)、指紋獻(xiàn)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(duì)講指紋門禁、聯(lián)機(jī)指紋門禁、脫機(jī)指紋門禁等等。在入口將個(gè)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(jīng)注冊(cè)）進(jìn)行對(duì)比，如果兩者相符（即匹配），則顯示比對(duì)成功，門就自動(dòng)打開。如不匹配，則顯示“不成功”或“沒有這個(gè)指紋”，門就不開。在指紋門禁系統(tǒng)中，可以是一對(duì)一的比對(duì)（one?to?one matching），也可以是一對(duì)幾個(gè)比對(duì)（one?to?few matching）。前者可以是一個(gè)公司、部門，后者可以是一個(gè)家庭的成員、銀行的營業(yè)廳、金庫、財(cái)務(wù)部門、倉庫等機(jī)要場(chǎng)所。在這些應(yīng)用中，指紋識(shí)別系統(tǒng)將取代或者補(bǔ)充許多大量使用照片和ID系統(tǒng)。
　　把指紋識(shí)別技術(shù)同IC卡結(jié)合起來，是目前最有前景的一個(gè)應(yīng)用之一。該技術(shù)把卡的主人的指紋（加密后）存儲(chǔ)在IC卡上，并在IC卡的讀卡機(jī)上加裝指紋識(shí)別系統(tǒng)，當(dāng)讀卡機(jī)閱讀卡上的信息時(shí)，一并讀入持卡者的指紋，通過比對(duì)就可以確認(rèn)持卡者是否是卡的真正主人，從而進(jìn)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(wǎng)帶給人們方便與利益已，也存在著安全問題。指紋特征數(shù)據(jù)可以通過電子郵件或其它傳輸方法在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行傳輸和驗(yàn)證，通過指紋識(shí)別技術(shù)，限定只有指定的人才能訪問相關(guān)的信息，可以極大地提高網(wǎng)上信息的安全性。網(wǎng)上銀行、網(wǎng)上貿(mào)易、電子商務(wù)等一系列網(wǎng)絡(luò)商業(yè)行為就有了安全性保障。
　　指紋社會(huì)保險(xiǎn)系統(tǒng)的應(yīng)用為養(yǎng)老金的準(zhǔn)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(fù)印件代領(lǐng)，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(zhǔn)確發(fā)放養(yǎng)老金。
　　4 指紋識(shí)別的可靠性
　　指紋識(shí)別技術(shù)是成熟的生物識(shí)別技術(shù)。因?yàn)槊總€(gè)人包括指紋在內(nèi)的皮膚紋路在圖案、斷點(diǎn)和交叉點(diǎn)上各不相同，是唯一的，并且終生不變。通過他的指紋和預(yù)先保存的指紋進(jìn)行比較，就可以驗(yàn)證他的真實(shí)身份。自動(dòng)指紋識(shí)別是利用計(jì)算機(jī)來進(jìn)行指紋識(shí)別的一種方法。它得益于現(xiàn)代電子集成制造技術(shù)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(shí)別的數(shù)據(jù)量相當(dāng)大，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)是需要進(jìn)行大量運(yùn)算的模糊匹配算法。利用現(xiàn)代電子集成制造技術(shù)生產(chǎn)的小型指紋圖像讀取設(shè)備和速度更快的計(jì)算機(jī)，提供了在微機(jī)上進(jìn)行指紋比對(duì)運(yùn)算的可能。另外，匹配算法可靠性也不斷提高。因此，指紋識(shí)別技術(shù)己經(jīng)非常簡(jiǎn)單實(shí)用。由于計(jì)算機(jī)處理指紋時(shí)，只是涉及了一些有限的信息，而且比對(duì)算法并不是十分精確匹配，其結(jié)果也不能保證100%準(zhǔn)確。
　　指紋識(shí)別系統(tǒng)的特定應(yīng)用的重要衡量標(biāo)志是識(shí)別率。主要包括拒識(shí)率和誤識(shí)率，兩者成反比關(guān)系。根據(jù)不同的用途來調(diào)整這兩個(gè)值。盡管指紋識(shí)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(jí)別的“用戶ID+密碼”方案的安全性要高得多。拒識(shí)率實(shí)際上也是系統(tǒng)易用性的重要指標(biāo)。在應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，要權(quán)衡易用性和安全性。通常用比對(duì)兩個(gè)或更多的指紋來達(dá)到不損失易用性的同時(shí)，極大提高系統(tǒng)的安全性。