[科普中国]-指纹识别

指纹识别是将识别对象的指纹进行分类比对从而进行判别。指纹识别技术作为生物体特征识别技术之一在新世纪逐渐成熟，进入了人类的生产生活领域。1

指纹简介指纹模式指纹是人类手指末端由凹凸的皮肤所形成的纹路，在人类出生之前指纹就已经形成并且随着个体的成长指纹的形状不会发生改变，只是明显程度的变化，而且每个人的指纹都是不同的，在众多细节描述 中能进行良好的区分，指纹纹路有三种基本的形状：斗型（whorl）、 弓型（arch）和箕型（loop）。在指纹中有许多特征点，特征点提供了指纹唯一性的确认信息，这是进行指纹识别的基础，分为总体特征和局部特征，总体特征又包括了核心点（位于指纹纹路的渐进中心）、 三角点（位于从核心点开始的第一个分叉点或者断点，或者两条纹路会聚处、孤立点、折转处，或者指向这些奇异点）、纹数（指纹纹路的数量）；局部特征是指纹的细节特征，在特征点处的方向、曲率、 节点的位置，这都是区分不同指纹的重要指标。1

指纹特征特征点

指纹，英文名称为fingerprint，两枚指纹经常会具有相同的总体特征，但它们的细节特征，却不可能完全相同。指纹纹路并不是连续的、平滑笔直的，而是经常出现中断、分叉或转折。这些断点、分叉点和转折点就称为"特征点"。

特征点提供了指纹唯一性的确认信息，其中最典型的是终结点和分叉点，其他还包括分歧点、孤立点、环点、短纹等。特征点的参数包括方向（节点可以朝着一定的方向）、曲率（描述纹路方向改变的速度）、位置（节点的位置通过x/y坐标来描述，可以是绝对的，也可以是相对于三角点或特征点的）。

总体特征

总体特征是指那些用人眼直接就可以观察到的特征。包括纹形、模式区、核心点、三角点和纹数等。

纹形，指纹专家在长期实践的基础上，根据脊线的走向与分布情况一般将指纹分为三大类——环型（loop，又称斗形）、弓形（arch）、螺旋形（whorl）。

模式区即指纹上包括了总体特征的区域，从此区域就能够分辨出指纹是属于哪一种类型的。有的指纹识别算法只使用模式区的数据，有的则使用所取得的完整指纹。

核心点位于指纹纹路的渐进中心，它在读取指纹和比对指纹时作为参考点。许多算法是基于核心点的，即只能处理和识别具有核心点的指纹。

三角点位于从核心点开始的第一个分叉点或者断点，或者两条纹路会聚处、孤立点、折转处，或者指向这些奇异点。三角点提供了指纹纹路的计数跟踪的开始之处。

纹数，即模式区内指纹纹路的数量。在计算指纹的纹路时，一般先连接核心点和三角点，这条连线与指纹纹路相交的数量即可认为是指纹的纹数。

局部特征

局部特征指纹节点的特征。指纹的纹路并不是连续、平滑笔直的，经常会出现分叉、折

转或中断。这些交叉点、折转点或断点称为"特征点"，它们提供了指纹唯一性的确认信

息。特征点的主要参数包括：

方向：相对于核心点，特征点所处的方向。

曲率：纹路方向改变的速度。

位置：节点的位置坐标，通过x/y坐标来描述。它可以是绝对坐标，也可以是与三角点（或特征点）的相对坐标。

指纹识别技术背景指纹识别技术是众多生物特征识别技术中的一种，所谓生物特征识别技术(biometrics )，系指利用人体所固有的 生理特征或行为特征来进行个人身份鉴定，由于生物识别所具有的便捷与安全等优点使得生物识别技术在身份认证识别和网络安全领域拥有广阔的应用前景，可用的生物特征识别技术有指纹、人脸、声纹、虹膜等，指纹是其中应用最为广泛的一种。从20世纪60年代起新型的电子计算机技术进人指纹鉴定领域，为指纹鉴定自动化开辟了新的途径。近几年， 指纹识别技术应用到智能手机上，成为支持手机解锁、在线支付的重要基础技术。在未来，基于FIDO等协议，指纹识别等生物特征识别技术将全面取代现有的密码体系。在指纹识别算法上，最初是对指纹分类技术的研究，以提高指纹档案检索的效率。目前主流的指纹识别算法则基于指纹纹线的端点、分叉点等细节特征。随着指纹识别技术在移动设备的应用，指纹采集芯片的尺寸日益小型化，基于汗孔、纹线形状等3级特征的识别算法受到日益重视。在指纹采集技术上， 首先出现的是油墨捺印方法。油墨捺印的指纹卡片通过扫描方式数字化后进行存储和后续处理。20世纪70年代以后，光学式指纹采集技术的出现和普及促进了指纹的现场快速采集和验证。移动设备上的应用则促进了小尺寸超薄指纹采集技术的快速发展。2

过程指纹识别过程分为两个次要过程，分为四个部分。两个次要的过程是指纹记录和交叉核对过程。指纹记录过程由四个部分组成：指纹采集、指纹预处理、指纹检查和指纹模板采集。指纹比对过程还包括四个部分：指纹采集、指纹预处理、指纹特征比对和匹配。在这两个过程中，指纹图像的前处理都存在，但指纹图像的取值和指纹 特征的值似乎有相同的名称，但它们的内在算法和性质是完全不同的。在引入指纹的过程中，更频繁地获得指纹图像，而单值提取部分的算法更多地关注一些特征值的辨析和获取过程。3

指纹识别的第一步是指纹图像的获取，目前已经有多种指纹图像的获取方式，主要有光学指纹采集技术、电容式传感器指纹采集、温度传感指纹获取技术、超声波指纹采集技术、电磁波指纹采集技术，获得图像后进行预处理加工，要实现图像的灰度变换、分割、均衡化、增强、 细化等预处理步骤。首先要把指纹从整个图案上分割出来， 背景图和指纹分布图的灰度是不同的，这就确定了两者强度的区别， 利用梯度这个概念就能将指纹从背景图中很好的分离开；均衡化是预 处理中的重要一步，在提取时根据环境的不同得到的指纹图像不同区域的像素分布点是不同的，均衡化就是将不同区域分布的像素进行均值划分得到亮度分布均衡的图像；为了便于特征的提取，在几步加工后的图像还要智能化增强，Daugmann实现了利用Gabor小波逼近的方法使指纹图像的纹路线条更加清晰，即白的部分更白，黑的部分更黑，线条的边缘分布更加平滑。1

对于处理好的指纹图像，指纹的纹路已经十分清晰，要进行指纹识别必须要进行特征提取，分离出那些具体的特征点来代替不同的纹路，首先提取指纹的特征端点和叉点，将端点叉点图像进行九宫格分割，利用指纹特征分布的灰度值是不同的这个特性，将指纹图像的端点和叉点分离出来，对于奇异点的提取利用Poincare公式，利用这个公式提取方向场周围剧烈变化的点，我们在计算机中使用不同的算法分别实现各个特征点的提取过程。1

最后将识别的指纹分类操作，指纹的分类是用采集的指纹特征与数据库中保存的指纹特征相比较，判断是否属于同一指纹，首先根据指纹的纹形进行粗匹配，进而利用指纹形态和细节特征进行精确匹配给出相比较指纹的相似性程度。根据应用的不同，对指纹的相似性得分进行排序或给出是否为同一指纹的判决结果，指纹对比有两种方式： 一对一比对是根据用户从数据库中检索出待对比的用户指纹，再与新采集的指纹比对；一对多比对是新采集的指纹和数据库中的所有指纹逐一比对。1

一个典型的指纹识别系统的工作流程如下：

1． 通过指纹采集设备获取所需识别指纹的图像。

2． 对采集的指纹图像进行如下预处理。

图像质量判断

图像增强

指纹区域检测

指纹方向图和频率估算

图像二值化（将指纹图像中各像素点的灰度值设置为0或255）

图像细化

3． 从预处理后的图像中，获取指纹的脊线数据。

4． 从指纹的脊线数据中，提取指纹识别所需的特征点。

5． 将提取指纹特征（特征点的信息）与数据库中保存的指纹特征逐一匹配，判断是否为相同指纹。

6． 完成指纹匹配处理后，输出指纹识别的处理结果。

技术特点指纹识别技术的主要优点为：

1、指纹是人体独一无二的特征，并且它们的复杂度足以提供用于鉴别的足够特征；

2、如果要增加可靠性，只需登记更多的指纹、鉴别更多的手指，最多可以多达十个，而每一个指纹都是独一无二的；

3、扫描指纹的速度很快，使用非常方便；

4、读取指纹时，用户必需将手指与指纹采集头相互接触，与指纹采集头直接；

5、接触是读取人体生物特征最可靠的方法；

6、指纹采集头可以更加小型化，并且价格会更加的低廉；

指纹识别技术的主要缺点为：

1、某些人或某些群体的指纹指纹特征少，难成像；

2、过去因为在犯罪记录中使用指纹，使得某些人害怕“将指纹记录在案”。

3、实际上指纹鉴别技术可以不存储任何含有指纹图像的数据，而只是存储从指纹中得到的加密的指纹特征数据；

4、每一次使用指纹时都会在指纹采集头上留下用户的指纹印痕，而这些指纹痕迹存在被用来复制指纹的可能性。

5、指纹是用户的重要个人信息，某些应用场合用户担心信息泄漏。

应用领域近几年指纹识别技术快速发展，在众多生物体识别技术中属于比较成熟的一种识别方式，而且随着智能手机热潮的袭来，指纹识别已 经广泛应用在智能手机领域：手机解锁、支付信息、消息确认等。1

门禁技术将指纹提前录入数据库中，在对使用者进行指纹认定时，首先提取使用者的指纹，门禁系统进行指纹识别过程处理，得到分类信息， 进行已录入指纹的对比验证，符合数据库中指纹信息则系统执行开门操作；基于门禁系统，对于如今学生使用门卡开门的操作，学生容易丢卡和携带不便的问题，在宿舍管理使用指纹识别能很大程度解决存在的问题。1

指纹门禁系统以手指取代传统的钥匙，使用时只需将手指平放在指纹采集仪的采集窗口上，即可完成开锁任务，操作十分简便，避免了其它门禁系统（传统机械锁、密码锁、识别卡等）有可能被伪造、盗用、遗忘、破译等弊端。

指纹门禁系统的硬件主要由微处理器、指纹识别模块、液晶显示模块、键盘、实时时钟/日历芯片、电控锁和电源等组成。微处理器作为系统的上位机，控制整个系统。指纹识别模块主要完成指纹特征的采集、比对、存储、删除等功能。液晶显示模块用于显示开门记录、实时时钟和操作提示等信息，和键盘一起组成人机界面。

按系统功能，软件主要由指纹处理模块、液晶显示模块、实时时钟模块和键盘扫描模块等组成。指纹处理模块主要负责微处理器与指纹识别模块之间命令和返回代码的信息处理；液晶显示模块根据液晶显示模块的时序，编写驱动程序，以实现显示汉字、字符的目的；实时时钟模块根据时钟芯片的时序，编写通讯程序，实现对时钟芯片的读写操作；键盘扫描模块就是根据键盘的设计原理编写键盘程序来识别有无按键动作和按下键的键号。

银行技术如今自助银行取钱时，只进行密码验证容易被不法分子识别，所以在部分地区已经开始银行卡与指纹信息匹配的记录，取钱验证密码和银行卡的同时要对指纹信息进行比较，首先获取用户指纹信息，取款机自动将指纹信息传递后台，后台进行录入指纹与验证指纹的比对识别，若符合要求，则成功取钱，这进一步的环节能为使用用 户的安全给予更多的保障。1

运算系统指纹识别技术是目前最成熟且价格便宜的生物特征识别技术。目前来说指纹识别的技术应用最为广泛，我们不仅在门禁、考勤系统中可以看到指纹识别技术的身影，市场上有了更多指纹识别的应用：如笔记本电脑、手机、汽车、银行支付都可应用指纹识别的技术。

计算机应用中，包括许多非常机密的文件保护，大都使用“用户ID+密码”的方法来进行用户的身份认证和访问控制。但是，如果一旦密码忘记，或被别人窃取，计算机系统以及文件的安全问题就受到了威胁。

随着科技的进步，指纹识别技术已经开始慢慢进入计算机世界中。许多公司和研究机构都在指纹识别技术领域取得了很大突破性进展，推出许多指纹识别与传统IT技术完美结合的应用产品，这些产品已经被越来越多的用户所认可。指纹识别技术多用于对安全性要求比较高的商务领域，而在商务移动办公领域颇具建树的富士通、三星及IBM等国际知名品牌都拥有技术与应用较为成熟的指纹识别系统。

其他指纹支付：通过把指纹与银行卡绑定的方式，用指纹轻轻一点来完成消费支付。汽车指纹防盗：通过指纹控制车门开关，或者控制引擎点火是指纹技术在汽车指纹防盗方面的典型应用。指纹UKEY：是网上银行业务用于 进行身份验证的终端，它比目前的账号密码的验证以及普通UKEY验证要更加安全(4)指纹考勤：可以帮助企业、高校等提高人事化管理部门及相关人员的考勤工作效率，实现人 事化管理工作的自动化、规范化以及系统化。指纹锁： 指纹可用于高端楼宇、别墅的门禁管制，以及政府机要部门等，用于电脑开机设置，保证个人以及政府国家的安全。指纹鉴定：用于司法部分有效的身份坚定手段，有效进 行罪犯以及嫌疑人身份的识别。3

不足与展望不足指纹识别的应用仍存在一些问题，鉴于亲属之间指纹存在相似性， 算法的精度不高容易导致识别错误，而且在接触东西时遗留的指纹信息容易被他人引用，安全性不高，这就要求我们模式识别过程中提升算法的精度，并且综合除指纹外其它方面信息综合识别。1

发展展望活体检测与指纹识别结合，避免遗留指纹被窃取而造成的不良后果，包括人脸识别、虹膜识别等多种识别技 术的综合性生物特征识别，提高识别结果的准确性；将指纹识别与信息登记一体化，建立庞大的数据库，经过指纹就可以查询登记信息， 包括学生信息、公民信息、获奖信息等，进行开锁操作，包括门锁、 车锁、手机锁等，这样的一体化信息会极大的方便人们的生产生活。1

由于指纹容易伪造，其被盗用的概率不可忽视，指纹识别设备对于活体识别的需求将显著提升。并且指纹识别技术因其易获得性造成指纹被盗用，指纹识别技术在应用过程中的安全性和可靠性有待进一步提高，因此，结合其他生物特征（如虹膜、声纹、静脉等），克服单一生物是被技术的不足，将会是指纹识别技术发展的重要方向。此外，随着可穿戴式设备与互联网的迅猛发展，指纹识别技术在可穿戴设备的应用将更为广泛。3

本词条内容贡献者为:

徐恒山 - 讲师 - 西北农林科技大学