指纹识别技术的特点

2.2.1　指纹识别技术的特点

1.指纹的固有特性

(1)确定性:每幅指纹的结构是恒定的，从胎儿4个月大左右形成指纹后就终身不变。

(2)唯一性:两个完全一致的指纹出现的概率非常小，不超过2^－36。

(3)可分类性:可以按指纹的纹线走向进行分类。

2.指纹特征识别

指纹是手指末端正面皮肤上凸凹不平的纹路，如图2-2所示。皮肤的纹路包含了大量的信息，它们构成的图案、断点、交叉点因人而异，各不相同。对每个人来说，指纹是唯一的，与生俱来的、终身不变的。正是这种唯一性和稳定性，构成了指纹识别原理，即通过将某人的指纹和预先保存的指纹进行对比就可以识别或验证其真实身份。

图2-2　手指末端皮肤的纹路

(1)指纹总体特征是指那些人眼直接可以观察到的特征，如纹形、模式区、核心点、三角点、纹数等。

①纹形。指纹专家根据研究脊线的走向和分布情况归纳出的基本纹路图案，如环形又称斗形(loop)、弓形(arch)、螺旋形(whorl)，如图2-3所示。

其他的指纹图案都基于这三种基本图案。仅仅依靠图案类型来分辨指纹是远远不够的，这只是一个粗略的分类，但通过分类使得在大数据库中搜寻指纹更为方便。

图2-3　指纹分类

②模式区。模式区(Pattern Area)是指指纹上包括了总体特征的区域，即从模式区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。Aetex的指纹识别算法使用了所取得的完整指纹而不仅仅是模式区进行分析和识别。

③核心点。核心点(Core Point)位于指纹纹路的渐进中心，它是读取指纹和比对指纹时的核心参考点。

④三角点。三角点(Delta)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和跟踪的开始之处。

⑤式样线。式样线(Type Lines)是在指包围模式区的纹路线开始平行的地方所出现的交叉纹路，式样线通常很短就中断了，但它的外侧线开始连续延伸。

⑥纹数。纹数(Ridge Count)是模式区内指纹纹路的数量。在计算指纹纹数时，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。

(2)指纹的局部特征如图2-4所示，是指指纹上的节点。两枚指纹经常会具有相同的总体特征，但它们的局部特征——节点，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、分叉或打折。这些断点、分叉点和转折点就称为“节点”。就是这些节点提供了指纹唯一性的确认信息。

指纹上的节点有四种不同特性。

①分类:节点有以下几种类型，如图2-5所示，最典型的是终结点和分叉点。

图2-4　指纹局部特征示意图

图2-5　指纹节点典型特征的类型说明

·　终结点(Ending):一条纹路在此终结。

·　分叉点(Bifurcation):一条纹路在此分开成为两条或更多的纹路。

·　分歧点(Ridge Ivergence):两条平行的纹路在此分开。

·　孤立点(Dot or Island):一条特别短的纹路，以至于成为一点。

·　环点(Enclosure):一条纹路分开成为两条之后，立即又合并成为一条，这样形成的一个小环称为环点。

·　短纹(Short Ridge):一端较短但不至于成为一点的纹路。

②方向(Orientation):节点可以朝着一定的方向。

③曲率(Curvature):描述纹路方向改变的速度。

④位置(Position):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。

平均每个指纹都有几个独一无二可测量的特征点，每个特征点都有大约7个特征，因此，十个手指最少能产生4 900个独立可测量的特征。

3.指纹识别特征的模板建立

指纹识别技术主要涉及四个功能:读取指纹图像、提取特征、保存数据和比对。在一开始，通过指纹读取设备读取到人体指纹的图像，取到指纹图像之后，要对原始图像进行初步处理，使之更清晰。采集到的指纹图像输入到计算机的工作，一般由扫描仪或摄像输入设备完成，它们将一枚指纹转化为一幅数字图像，通常用灰色函数来表示。图像分辨率以每英寸像素数来衡量，分辨率越高，人们在计算机上看到的每英寸的细节就越清楚，图像越精细，质量越好，数据量越大。自动指纹识别系统通过特殊的光电转换设备和计算机图像处理技术，对活体指纹进行采集、分析和对比，可以自动、迅速而准确地鉴别出个人身份。接下来，指纹辨识软件建立指纹的数字表示——特征数据，一种单方向的转换，可以从指纹转换成为特征数据但不能从特征数据转换成为指纹，而两枚不同的指纹不会产生相同的特征数据。有的算法把节点和方向信息组合产生了更多的数据，这些方向信息表明了各个节点之间的关系，也有的算法还处理整幅指纹图像。总之，这些数据，通常称为模板，保存为1K大小的记录。无论它们是怎样组成的，至今仍然没有一种模板的标准，也没有一种公布的抽象算法，而是各个厂商自行决定。最后，通过计算机模糊比较的方法，把两个指纹的模板进行比较，计算出它们的相似程度，最终得到两个指纹的匹配结果。

一般可以分成离线部分和在线部分。其中，离线部分包括用指纹采集仪采集指纹、提取细节点、将细节点保存到数据库中形成指纹模板库；在线部分包括用指纹采集仪采集指纹、提取细节点，然后将这些细节点与保存在数据库中的模板细节点进行匹配，判断输入细节点与模板细节点是否来自同一个手指的指纹。