“指纹识别与验证系统” 技术研究报告

　　1. 问题概述

　　人工智能已成为计算机的新兴领域，其主要标志便是生物识别技术，这项技术使利用人的生理特征来识别身份变成现实，生物识别技术是目前最方便、最安全的识别技术，指纹识别与验证技术在可利用的识别技术中是目前应用最为广泛的技术之一。

　　生物识别技术，就是利用人体固有的生理特征或行为动作来进行身份识别或验证，要把人体的特征用于身份识别，这些特征必须具有唯一性和稳定性。之所以采用指纹识别与验证技术，是由于人的手指端皮肤的纹路绝少有两个人完全相同，指纹可以说人还没有出生就已定型，而且不会随着年龄的增长而发生改变，指纹会便随人的一生。指纹识别技术主要包括读取指纹图像、指纹图像预处理、指纹图像特征提取、保存和比对等几个步骤。

　　指纹识别与验证系统是指利用计算机的辅助和管理功能把指纹识别和身份注册认证管理融合在一起，指纹具有的唯一性和不可复制性将有效的约束违法乱纪等问题的发生，指纹识别与验证系统的主要工作是身份注册和身份识别验证，在实施过程中具体执行身份登记、认证和管理等功能，可以和身份管理系统相结合形成一套智能的身份注册管理系统。

　　2. 技术方案

　　2.1 指纹图像的获取

　　利用具有特殊功能的电容传感器和数字图像处理器来实现指纹图像的获取。电容传感器捕获的是灰度图像，再通过标准接口将视频输入到数字图像处理器。在光线较暗的环境下，指纹获取有一定难度并难以精确，这时需要一个图像质量控制的组件，可以使传感器捕获高质量的图像，这对指纹图像特征的提取、指纹匹配的后续步骤十分有利。

　　2.2 指纹图像的预处理

　　指纹图像在一般情况下脊线会比较清晰，所以脊线是整个指纹识别过程的处理目标，因此，要先计算出指纹的脊线方向，根据脊线方向再对指纹进行增强、滤波和二值化，最后再细化直至完成预处理过程。

　　(1)计算脊线方向

　　捕获的指纹图像具有方向性特征，指在一个足够小的区域内手指末端纹理会近似于平行线，这个特征以最简化、最直观的形式反映出指纹图像的基本形态，是指纹图像中最为明显的特征之一，在指纹图像的分类、增强、特征提取等方面得到广泛的应用。

　　(2)基于傅立叶变换和方向滤波的图像增强

　　指纹图像的增强是采用传统的傅立叶变换来实现的，在经过傅立叶变换增强之后，再使用方向滤波器对指纹的纹线进一步修补。方向滤波器分为平均滤波器和分离滤波器两部分，工作原理是根据图像块的方向来决定对这一块滤波使用那部分滤波器。平均滤波器的功能是对脊线出现的断裂进行连接，分离滤波器的主要功能是将图像中脊线的叉连除去。经过傅立叶变换和方向滤波图像增强后，指纹图像纹路清晰、饱满，对比度高，不仅完成图像的增强，还有效滤除了各种干扰点和噪点，这将对后续的处理十分有利。

　　(3)基于脊线方向的指纹图像二值化

　　二值化的作用是把灰度图像转为0-1的黑白图像。指纹图像不同其他，由于手指压力不同而导致同一幅图像的局部明暗程度就会不同，一般图像的阈值法不适合指纹图像处理，而基于脊线方向分析的二值化方法则是充分利用了指纹的脊线指向而做出分析计算，与传统的阈值方法相比二值化后的纹路更清晰。

　　(4)基于脊线方向的加权中值滤波

　　二值化图像时会引入的新的噪声，这是由于图像灰度滤波不完整造成的，而基于脊线方向的加权滤波的中值滤波方法能够基本消除二值化图像纹路上的孔洞、缺口和突点，使纹线更加流畅清晰，为后续的细化处理步骤提供了强有力的铺垫。

　　(5)指纹图像细化改进

　　指纹图像的细化在消除模板和保留模板中统一进行。二值化后的指纹图像经过加权中值滤波处理后，纹路成为点线结构，在一般细化过程中产生的毛刺和伪分歧点已经消除，准确保留了指纹真正的分歧点和纹路端点，对指纹特征的提取做出支撑。

　　2.3 提取指纹图像特征

　　基于细节点坐标模型来做细节匹配是目前提取指纹图像特征最常用的方法。所谓细节特征是指指纹脊线的突变，如端点、分歧点、交叉、桥形和口形等。从纹路的角度分析，交叉、桥形和口形都是端点或分歧点的细节特征，然后采取图形匹配或者模式匹配的方法进行识别。

　　对细化后的指纹图像我们利用一个模板提取端点和分歧点的特征，对指纹图像进行遍历，找到指纹图像的特征点，记录它们的类型和位置，对最终检测出来的每一个细节点，采用合适的预处理方法进行匹配。

　　3. 本人研究设想

　　指纹识别与验证系统可以应用于生活的各个方面，在教育领域中，可以应用于“考试管理系统”、“图书借阅系统”、“学生考勤系统”、“校园一卡通”等，在系统中加入指纹识别与验证系统这样的信息化识别技术，能够完善校园各环节的管理。

　　考试管理系统中当注册的考生再次把指纹放到采集器上时，可以对该考生进行身份验证，将指纹识别与验证技术应用于考试管理系统中，对于确认学生身份，防止考试作弊起到了积极作用。图书借阅系统应用这一技术会节省借阅卡制作方面的繁琐环节，避免学生借阅卡丢失、损坏、相互串用等弊端，也减少了制作借阅卡中一系列工作流程，改善传统借阅方式，融入科技含量较高的生物特征识别技术。学生考勤系统不仅在校园里广泛使用，很多非教育领域的企事业单位也在逐渐使用。就高校来讲，该系统能够方便、快捷的识别出每个学生的身份，使指纹或与学号相匹配，或与学生身份证号相匹配，有效防止学生迟到、早退、旷课、替人上课等不良行为，指纹识别与验证系统在期末考勤成绩评定中起到了客观、公正评价考生表现的作用。校园一卡通是指基于校园网，采用成熟、先进的非接触式IC卡使用过程中用户名和密码丢失、忘记、被人破译等不安全因素。

　　4. 实验

　　以“考试管理系统”为例，将指纹识别与验证系统列入实验当中，系统分为三部分：

　　4.1 系统设计

　　系统设计目标是利用指纹识别与验证方便、快捷的完成复杂的统计工作及身份验证过程，从而实现考试管理的现代化、信息化和 自动化，系统主要完成身份验证、考试信息管理、使用权限设计三个功能。

　　4.2 数据库设计

　　针对一般指纹识别与验证系统的需求，数据库主要包括以下数据项，姓名、性别、年龄、家庭电话、考试类别、报考等级、准考证号、报考编号、身份证号、地址、工作单位、指纹码等。

　　4.3 识别系统设计

　　(1)主窗体的创建

　　(2)公用模块的创建

　　(3)系统用户管理模块的设计

　　(4)指纹模块的设计

　　(5)资料管理模块的设计

　　5. 结论与展望

　　通过对指纹识别与验证系统的研究，不难发现该系统有如下特点：指纹图像采集简单，管理方便，身份验证可靠、快速;系统管理易于配置，功能易于扩展，操作方便、维护简单、便于推广;在具体实验中对参加考试人员的信息可以方便的进行分析和统计;系统将身份验证和行为管理融为一体，有效减轻了工作人员的工作强度。

　　当然，指纹识别与验证系统还存在一些不可避免的问题，比如在指纹获取过程中，由于各种原因导致手指被弄脏、手指皮肤有疤痕，手指过于湿润或干燥，用力过大、过轻或不均，都有可能造成指纹畸变，这样在指纹捕获后会产生很多噪声，导致指纹图像分割不准确，加大指纹图像预处理的工作难度，甚至导致以后的指纹图像匹配出现问题。这些问题的解决期待更优的算法去实现。

　　参考文献

　　[1]吴健辉,许磊,杨坤涛,蒋冰莉.改进的指纹图像预处理在指纹识别中的应用[J].计算机工程与设计.2008.4(8).

　　[2]荆淑霞,斯庆巴拉.“一卡通”工程中指纹识别系统的应用[J]福建电脑.2008(7).

　　[3]赵晴,李慧鹏.考试管理系统中的指纹识别与验证系统设计[J].河北工程技术高等专科学校学报.2008.6月(2).