[科普中国]-指纹自动识别系统

定义

指纹识别系统是指运用科学技术对人的指纹进行自动识别的技术构成。人的指纹只有五十亿分之一的重复概率，因此，指纹专家称其为“证据之王”。1

由于计算机和信息技术的发展，FBI和法国巴黎警察局于六十年代开始研究开发指纹自动识别系统（AFIS）用于刑事案件侦破。世界各地的警察局已经广泛采用了指纹自动识别系统。九十年代，用于个人身份鉴定的自动指纹识别系统得到开发和应用。

19世纪70年代早期，美国联邦调查局联合美国国家标准局对建立一套自动指纹鉴定程序进行了可行性研究，研究获得了成功，伴随计算机的市场化使用，指纹自动识别系统在20世纪成为现实。2

我国违法犯罪人员的指纹管理工作经历了手工管理、计算机半自动管理和全自动管理三个发展阶段。全自动管理阶段即应用计算机指纹自动识别系统对指纹进行管理的阶段，该阶段以其存储量大、比对速度快、效率高、质量好、便于网络应用等诸多优越性，使指纹管理工作发生了质的飞跃。3

我国的指纹自动识别系统应用属于发展阶段，同世界先进国家相比，还有一定的差距。在指纹识别技术上，我国的研究水平属于世界一流。美国、日本等国家早在220世纪70年代末就开始了指纹自动识别系统的研究，指纹自动识别系统已经普及，整体应用水平和破案效益都很高。目前，国际上成熟的指纹自动识别系统主要有日本的NEC、美国的COGENT和法国的Morpho。4

指纹特性人的皮肤由表皮、真皮和皮下组织三部分组成。指纹就是表皮上突起的纹线。由于人的遗传特性。虽然指纹人人皆有，但各不相同。伸出你的手，仔细观察，就可以发现小小的指纹也分好几种类型：有同心圆或螺旋纹线，看上去像水中漩涡的，叫斗形纹；有的纹线是一边开口的，就像簸箕似的，叫箕形纹；有的纹形像弓一样，叫弓线纹。各人的指纹除形状不同之外，纹形的多少、长短、不同。据说，全世界的五十多亿人中，还没有发现两个指纹完全相同的人呢。更有趣的是，指纹在胎儿第三四个月便开始产生，到六个月左右就形成了。当婴儿长大成人，指纹也只不过放大增粗，它的形状特征却固定不变。

分类纹型是指纹的基本分类，是按中心花纹和三角的基本形态划分的。纹形从属于型，以中心线的形状定名。我国十指纹分析法将指纹分为三大类型，九种形态。一般，指纹自动识别系统将指纹分为弓形纹（弧形纹、帐形纹）、箕形纹（左箕、右箕）、斗形纹和杂形纹等。

用途你可别小看指纹，它的用途可大啦！指纹由皮肤上许多小颗粒排列组成，这些小颗粒感觉非常敏锐，只要用手触摸物体，就会立即把感觉到的冷、热、软、硬等各种“情报”通报拾大脑这个司令部，然后，大脑根据这些“情报”，发号施令，指挥动作。指纹还具有增强皮肤摩擦的作用，使手指能紧紧地握住东西，不易滑掉。我们平时画图、写字、拿工具、做手工，所以能够那么得心应手，运用自如，这里面就有指纹的功劳。

指纹识别技术由于每次捺印的方位不完全一样，着力点不同会带来不同程度的变形，又存在大量模糊指纹，如何正确提取特征和实现正确匹配，是指纹识别技术的关键。

指纹识别技术涉及图像处理、模式识别、机器学习、计算机视觉、数学形态学、小波分析等众多学科。

常用技术1.指纹图像压缩。大容量的指纹数据库必须经过压缩后存储，以减少存储空间。主要方法包括JPEG、WSQ、EZW等。

2.指纹图像处理。包括指纹区域检测、图像质量判断、方向图和频率估计、图像增强、指纹图像二值化和细化等。

3.指纹提取。指纹形态特征包括中心（上、下）和三角点（左、右）等，指纹的细节特征点主要包括纹线的起点、终点、结合点和分叉点。

4.指纹比对。可以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，给出两枚指纹的相似性得分。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。

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。从而大大提高了系统的安全性。

发展历程随着科技的进步，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，下面就对指纹识别系统在笔记本电脑中的应用进行简单介绍。

众所周知，在两年前就有部分品牌的笔记本采用指纹识别技术用于用户登录时的身份鉴定，但是，当时推出的指纹系统属于光学识别系统，按照说法，应该属于第一代指纹识别技术。光学指纹识别系统由于光不能穿透皮肤表层（死性皮肤层），所以只能够扫描手指皮肤的表面，或者扫描到死性皮肤层，但不能深入真皮层。

在这种情况下，手指表面的干净程度，直接影响到识别的效果。如果，用户手指上粘了较多的灰尘，可能就会出现识别出错的情况。并且，如果人们按照手指，做一个指纹手模，也可能通过识别系统，对于用户而言，使用起来不是很安全和稳定。

发展到今天，富士通和IBM等国际领先品牌的笔记本电脑开始采用第二代指纹识别系统，改变以前指纹识别容易出错和不稳定的缺点。新一代的指纹系统采用了电容传感器技术，并采用了小信号来创建山脉状指纹图像的半导体设备。指纹识别器的电容传感器发出电子信号，电子信号将穿过手指的表面和死性皮肤层，而达到手指皮肤的活体层（真皮层），直接读取指纹图案。

指纹自动识别系统特点指纹自动识别系统是采用计算机技术、模式识别技术和网络技术等高科技手段，对指纹图像以及相关信息进行处理、存储、比对和辅助鉴定的计算机应用系统。系统的内核包括指纹自动分类、定位、形态特征提取、细节特征提取和指纹比对等一整套高效算法，以及指纹输入、图像处理、数据库管理和指纹查询等功能齐全的配套子系统。指纹自动识别系统具有以下一些特征。3

1.高效、准确。

指纹自动识别系统的核心是高效、准确的指纹自动处理与识别的算法。特征提取与比对的准确性决定了整套系统的品质，高效的处理和查询决定了系统的性能。3

2.实用性和易用性。

系统的实用性体现在系统的工作流程与实际的业务需求以及用户的管理经验是否密切结合。系统的易用性体现为系统的自动化程度以及交互操作上是否友好方便。简洁、实用、功能齐全是一个好的指纹自动识别系统必须具有的特性。3

3.优化的系统结构。

灵活高效的系统结构应能满足不断增长的业务需求，如库容量、处理和比对速度、网络互联、与其他业务系统的互联及工作模式的变化等。同时，优化的系统结构具有安全性、可扩展性和良好的性能价格比，可以有效地降低成本，最大限度地保护用户投资。系统结构优化的主要技术包括：面向对象的技术、分部处理、并行处理、客户机/服务器结构等。3

4.网络化和大库容量

网络化和大库容量是信息技术飞速发展的今天，指纹自动识别系统的发展方向，是实现系统之间、地区之间、国家之间、国家之间数据共享，提高系统效率，改变工作模式，充分发挥指纹自动识别系统作用的一条必经之路。3

基本构成指纹自动识别系统主要由硬件和软件两大部分构成。硬件主要包括服务器、比对器、磁盘阵列、工作站以及其他外设设备；软件主要包括操作系统软件以及指纹应用软件。3

1.指纹自动识别系统的硬件结构及其功能

**（1）主系统服务。**主系统服务由服务器、存储设备（如磁盘阵列、大容量磁盘等）、备份设备（如磁带机）、比对设备（如加速对比器）等组成，其功能是完成所有指纹数据的存储、指纹查找及整个服务的分配与控制等。3

**（2）终端系统。**它主要由输入（如扫描仪摄像机、活体指纹采集仪）、输出（如打印机）及查询设备（如PC工作站）等组成，所有十指指纹、现场指纹的输入、输出、编辑、修改、查询、检视鉴定以及操作员对系统的管理都在此系统上执行。3

**（3）网络系统。**它主要由一些网络设备组成，如集线器HUB、交换机、路由器、网卡、拨号服务器及通信线路等，该系统主要用于提供网络连接。3

**（4）供电系统。**它主要由UPS、蓄电池等组成，可提供连续稳定的220伏交流电源。3

2.指纹自动识别系统的软件构成及功能

**（1）指纹图像输入子系统。**它通过扫描仪、摄像机、活体指纹采集仪或其它指纹图案采集设备把捺印指纹和现场指纹录入到计算机系统，以二进制图像方式保存，以便系统自动提取特征和图像数据压缩。根据我国《指纹图像数据转换的技术条件》的规定，指纹图像的每个像素量化成256灰度级；获取指纹图像的最低分辨率为500DPI；图像采取面积为32mm*32mm。3

**（2）指纹图像处理子系统。**它采用多种图像处理技术，充分借鉴人工处理指纹的经验和方法，有计算机自动识别指纹的图像质量，自动抽取指纹特征等信息。指纹图像处理是AFIS对捺印指纹（或现场指纹）的特征进行自动提取的过程。这些特征通常包括指纹的纹型分类、中心（和中心方向）、下中心（也叫副中心）、三角和细节特征。有的AFIS还提取了指纹中心和三角之间的纹线数、细节特征之间的纹线数等信息。这些特征都是指纹自动比对的依据。3

**（3）指纹图像压缩子系统。**为节省数据库空间，增加指纹存储量，指纹图像存储一般采用数据压缩技术，对指纹图像及特征点进行压缩，为保证压缩图像的质量，图像压缩一般不超过20倍。小波变换压缩方式是经常使用的方法。3

**（4）指纹比对子系统。**它采取先进的计算机方法，充分借鉴指纹专家的理论和经验，根据计算机自动提取或人工标点的指纹特征，对特定指纹与指纹数据库中指纹进行筛选和特征匹配、逐一进行对比鉴别，提供候选名单，以便专业人员确认。3

**（5）人机交换子系统。**主要包括：指纹输入、指纹处理、指纹压缩、人工编辑、指纹提交比对、指纹认定、指纹数据远程上报和比对结果输出。人工编辑系统是人机交互系统中一个十分重要的子系统。3

**（6）数据库管理子系统。**它应具备数据存储和备份的功能，数据库的增删、修改的功能和数据库查询和维护的功能。3

**（7）后台作业管理子系统。**它包括系统管理子系统、作业管理子系统。系统管理子系统应可进行系统和网络的设置，资源分配，进行系统状态监控，故障处理，用户管理，功能权限管理，软件许可管理以及系统日志管理。作业管理子系统应进行捺印指纹和现场指纹建库流程的管理，进行比对任务管理，动态均衡分配任务，以及系统作业定时和时间表管理。3

基本功能指纹自动识别系统的基本功能为：指纹图像输入——指纹图像处理——入库；指纹图像输入——指纹图像处理——比对。对任何指纹自动识别系统而言，捺印指纹自动建库、指纹比对都是必不可少的基本功能。3

应用据指纹专家介绍，人的指纹有50亿分之一的重复概率，几乎为零。用指纹来认定罪犯，最有说服力，指纹因此被称为“证据之王”。

作为重要的证据之一，在以前的破案工作中，技术人员需要举着放大镜，把现场提取的指纹在几十万份指纹档案中一一核对，有时需要十几个人连着干两个月，才有可能找出相同的指纹。20世纪90年代初，北京市公安局刑事科学技术研究所(以下简称刑科所)研制成功了具有国际先进水平、符合我国刑侦部门实际需要的指纹自动识别系统，彻底结束了这种繁重的体力劳动。

用指纹自动识别系统来做同样的工作，最多只要5分钟。警方从案发现场提取的指纹，不论模糊、残缺、变形甚至故意破坏的指纹，经扫描输入计算机后，可以几分钟内对比出同样的指纹以及这枚指纹的主人情况，或者告知用户在数据库中没有同样的指纹。在侦破鹿宪洲抢劫运钞车系列案等重大刑事案件过程中，这套系统立下了汗马功劳。

这套系统已在全国公安机关中推广使用，并建立起庞大的前科指纹档案数据库，大部分已实现了远程比对。运用这一系统，北京市在1999年破获刑事案件117 起，已破案近百起。这套系统在全国推广以来，已破案1万余起，挽回经济损失达亿元以上。