圖書館讀者指紋管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

魏建新 魏 超 于江利 杜春暉

（1.河北建筑工程學(xué)院，河北 張家口075000；2.張家口市城建開發(fā)總公司，河北 張家口075000）

目前，在圖書館借閱流通部門，為確保讀者持本人的借閱證借閱文獻(xiàn)，工作人員在辦理借出手續(xù)時(shí)，必須核對證件上的照片是否與持證人相符，由于受像片質(zhì)量、拍攝時(shí)間等因素的影響；加之高校學(xué)生數(shù)量的急增，使得讀者身份識別工作變得越來越困難；因證件被改動、證件未及時(shí)掛失而被盜用等原因所引起的文獻(xiàn)丟失而拒絕賠償?shù)拿軙r(shí)常困擾著管理人員，冒用他人的借閱證借書的事件時(shí)有發(fā)生.為了防止這種情況的發(fā)生，需要由圖書館的工作人員核對借書證上的照片和到館借閱者是否一致，如有懷疑，可以要求讀者出示身份證或其他有效證件，只有核對無誤后方可借閱圖書館的書刊資料.這種方法增加了工作人員的負(fù)擔(dān)，降低了工作效率.而當(dāng)出現(xiàn)矛盾時(shí)，工作人員往往把責(zé)任推到讀者身上，要求讀者賠償.讀者利益受損的同時(shí)，圖書館的信譽(yù)也急劇下降.

在圖書館計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)中嵌入指紋自動識別技術(shù)，是借閱手續(xù)變得十分簡單.讀者不用帶任何證件，只需在指紋識別儀上按下指紋，即可借閱書刊，既方便了讀者，減輕了工作人員的工作量，又從根本上杜絕了盜用和誤用他人借書證的現(xiàn)象.而且指紋識別系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)并不是遙不可及，其指紋識別系統(tǒng)的硬件投資并不大，一般的圖書館都可以接受.其關(guān)鍵技術(shù)是識別系統(tǒng)軟件的開發(fā)以及識別系統(tǒng)軟件與圖書館管理系統(tǒng)軟件的集成.

1 指紋識別技術(shù)原理

指紋的采集與分類：這是自動指紋識別系統(tǒng)（AFIS）運(yùn)作的第一個(gè)環(huán)節(jié).通過光學(xué)或CMOS指紋采集儀將活體指紋的圖像錄入系統(tǒng)，對圖像進(jìn)行分割處理，在保持有用指紋信息基本完整的前提下，剪去一些多余的圖像信息，產(chǎn)生一個(gè)相對較小的指紋圖，對該圖進(jìn)行增強(qiáng)處理減弱噪音，增強(qiáng)脊和谷的對比度，提高圖像質(zhì)量.然后提取圖像的特征，生成方向數(shù)組，在通過指紋分析器，根據(jù)指紋的脊和谷流向，將其分為尖拱類、拱類、左環(huán)類、右環(huán)類、旋渦類等五種或更小的種屬類別.指紋分類的主要目的是方便大容量指紋庫德管理，減少搜索空間，加速指紋匹配過程.

指紋的壓縮和存儲：為了節(jié)省存儲空間和便于在互聯(lián)網(wǎng)上進(jìn)行異地指紋識別，必須對指紋圖進(jìn)行壓縮.目前有很多壓縮算法，但是他們都必須保持指紋的細(xì)節(jié)匹配特征.系統(tǒng)采用Biokey-WSQ基于小波變換的圖象壓縮算法，這種算法提供了更好的壓縮能力，WSQ編碼是其中性能較好的一類算法.壓縮比為1∶20或1∶15，即一個(gè)指紋圖象可以壓縮到6-10K，解壓縮后不影響模板特征點(diǎn)的提取，我們將其用于指紋圖象壓縮，并考慮到指紋圖象識別的需要，從盡量保持關(guān)鍵點(diǎn)信息的角度改進(jìn)了該算法.

指紋的細(xì)節(jié)匹配：這是自動指紋識別系統(tǒng)得核心.在本系統(tǒng)中采用的是Biokey算法，此算法是一種快速、準(zhǔn)確的1∶1和1∶N指紋識別算法，在使用Biokey進(jìn)行指紋識別時(shí)（2000-6000枚指紋），不需要對指紋通過姓名、PIN等預(yù)先分類就可以在1-5秒（以下測試都在Pentium III 900MHz+128MB內(nèi)存環(huán)境下進(jìn)行）內(nèi)輕松完成.Biokey算法通過自適應(yīng)的、適合匹配的濾鏡和恰當(dāng)?shù)拈y值，減弱噪音，增強(qiáng)脊和谷的對比度，甚至能夠從質(zhì)量很差的指紋（臟、刀傷、疤、痕、干燥、濕潤或撕破）中獲取適當(dāng)?shù)娜趾途植刻卣鼽c(diǎn).Biokey算法比對時(shí)支持指紋平移（＞＝指紋面積35%）和360度旋轉(zhuǎn).通過使用特殊技術(shù)實(shí)現(xiàn)在指紋平移和360度旋轉(zhuǎn)時(shí)的快速比對（平均速度3000枚／秒），即使指紋特征點(diǎn)很少時(shí)（＜＝10，一般手指的特征點(diǎn)）＝15），也可以實(shí)現(xiàn)上述功能.Biokey通過分類算法（指紋被分成五大類型：拱類、左環(huán)類、右環(huán)類、尖拱類、旋渦類 “斗”），預(yù)先使用全局特征排序，從而大大的加速指紋匹配過程.

圖1 系統(tǒng)用例圖

2 圖書館讀者指紋管理系統(tǒng)的功能

經(jīng)過深入分析和對目前圖書館管理的調(diào)研，圖書館指紋識別系統(tǒng)的系統(tǒng)用例圖如圖1所示，根據(jù)系統(tǒng)用例圖，設(shè)計(jì)了圖書館讀者指紋管理系統(tǒng)的功能模塊如圖2所示.

本系統(tǒng)劃分為三大模塊：即系統(tǒng)操作模塊、系統(tǒng)管理模塊、數(shù)據(jù)管理模塊.在系統(tǒng)操作模塊中設(shè)計(jì)了指紋儀初始化模塊，使計(jì)算機(jī)識別到指紋儀，正常工作時(shí)進(jìn)行指紋錄入、指文編輯、指紋識別、關(guān)閉設(shè)備等操作；在系統(tǒng)管理模塊中設(shè)計(jì)了用戶管理、窗口隱藏的功能；在數(shù)據(jù)管理模塊中設(shè)計(jì)了讀者指紋庫的備份和恢復(fù)功能；并設(shè)計(jì)了在線幫助功能.

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

采用Delphi5.0實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)并實(shí)現(xiàn)了對整個(gè)系統(tǒng)的集成.SQL Server2000為數(shù)據(jù)庫支撐.系統(tǒng)采用C／S模式.可以支持多用戶同時(shí)操作，與現(xiàn)有的圖書館管理系統(tǒng)做到無縫連接.

（1）采用了DLL技術(shù)，將數(shù)據(jù)庫連接內(nèi)容進(jìn)行了合理有效的封裝.系統(tǒng)如果是初次運(yùn)行，會調(diào)用數(shù)據(jù)庫的自動連接向?qū)В梢砸徊揭徊降闹笇?dǎo)操作人員進(jìn)行正確的數(shù)據(jù)庫設(shè)定.數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建，是在系統(tǒng)運(yùn)行之前在服務(wù)器端創(chuàng)建支撐系統(tǒng)運(yùn)行的初始化數(shù)據(jù)庫，程序運(yùn)行需要的各類信息都將在創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫時(shí)自動完成.

圖2 功能結(jié)構(gòu)圖

（2）讀者指紋信息的采集、識別過程實(shí)現(xiàn)語音提示，當(dāng)讀者的指紋被采集之后如果質(zhì)量不合格，系統(tǒng)將提示登記失?。ㄕZ音），并在窗體的狀態(tài)欄顯示登記信息 .如果登記成功，系統(tǒng)則提示登記成功（語音），并自動轉(zhuǎn)入指紋的識別狀態(tài)，同時(shí)在狀態(tài)欄中給出提示信息.這種操作方式，可以方便有效的提示操作人員和讀者的行為.指紋的采集是將用戶的指紋信息采集到數(shù)據(jù)庫中以便日后進(jìn)行識別、編輯等維護(hù).

（3）實(shí)現(xiàn)了讀者指紋采集的嚴(yán)格控制，在對讀者的指紋進(jìn)行初次采集之后，會調(diào)用系統(tǒng)的指紋采集函數(shù)，判斷所采集的指紋的質(zhì)量，如果質(zhì)量不好會給出相應(yīng)的提示，如果質(zhì)量良好，則系統(tǒng)會進(jìn)入比對狀態(tài)，用用戶已登記的指紋模板和用戶第二次的指紋進(jìn)行1∶1的比對，如果比對成功則將讀者指紋模板加入到比對空間，并保存到數(shù)據(jù)庫中.

（4）指紋采集時(shí)實(shí)現(xiàn)了圖形方式顯示，用戶每次采集的當(dāng)前指紋都會以放大圖片的形式顯示在指紋的圖片區(qū).

（5）在指紋識別方面，采用目前國際上領(lǐng)先的Biokey指紋識別技術(shù)自動根據(jù)指紋情況，采取最有效的識別方案，效果明顯，可以達(dá)到2000-5000枚／秒.誤判率低于0.01%.

圖3 指紋識別模塊

4 主要功能介紹

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能模塊有：指紋儀初始化模塊，使計(jì)算機(jī)識別到指紋儀，進(jìn)入正常工作狀態(tài)；指紋錄入模塊，對初次使用的讀者需進(jìn)行指紋錄入采集；指文編輯模塊，對已錄入指紋進(jìn)行編輯、添加、刪除等；指紋識別模塊，每次讀者進(jìn)行借閱書籍時(shí)，在指紋儀按下指紋，系統(tǒng)會自動到指紋庫中比對指紋，比對正確進(jìn)入借閱系統(tǒng)；用戶管理模塊，對用戶信息進(jìn)行管理；數(shù)據(jù)管理模塊中設(shè)計(jì)了讀者指紋庫的備份和恢復(fù)功能；并設(shè)計(jì)了在線幫助功能、窗口隱藏、關(guān)閉設(shè)備等操作.如指紋識別模塊詳見圖3.

5 系統(tǒng)開發(fā)過程

（1）在需求階段通過反復(fù)不斷的與業(yè)務(wù)單位有關(guān)人員溝通交流，建立了系統(tǒng)的業(yè)務(wù)模型和功能模型.

（2）在分析階段，主要是進(jìn)一步深入分析和描述需求，即通過分析用況和分析類等活動建立了系統(tǒng)的分析模型.

（3）在設(shè)計(jì)階段，主要是在分析模型的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對象到關(guān)系數(shù)據(jù)庫的映射和各子系統(tǒng)的設(shè)計(jì).并在各子系統(tǒng)的內(nèi)部保持高內(nèi)聚，在子系統(tǒng)之間降低偶合.

（4）在實(shí)現(xiàn)階段，主要采用Delphi5.0軟件編程和SQL Server2000數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)階段的各子系統(tǒng)并實(shí)現(xiàn)了對整個(gè)系統(tǒng)的集成.系統(tǒng)采用C／S模式.可以支持多用戶同時(shí)操作，與現(xiàn)有的各種圖書館管理系統(tǒng)做到無縫連接.

該系統(tǒng)經(jīng)河北建筑工程學(xué)院圖書館借閱部門測試、使用后，對指紋采集、指紋編輯和指紋識別重要過程及環(huán)節(jié)進(jìn)行特別控制、監(jiān)督，避免了因指紋質(zhì)量不好或是指紋不合格而導(dǎo)致的程序運(yùn)行緩慢，比對結(jié)果不準(zhǔn)確等異常情況的發(fā)生.使用后，大大減輕了圖書館操作人員的工作量，提高了工作效率，規(guī)范了讀者借閱的流程，效果明顯.

6 結(jié) 論

該系統(tǒng)推廣后，可以使高校的圖書管理水平邁上一個(gè)新的臺階，在圖書館身份識別方面真正達(dá)到了領(lǐng)先，不僅可以大大節(jié)約成本而且也規(guī)范了圖書館圖書借閱的工作流程充分發(fā)揮了圖書館現(xiàn)有的人力物力資源，以達(dá)到資源有效使用最大化，人員工作效率最大化的滿意結(jié)果.使操作人員從繁重勞動中解脫出來，利用計(jì)算機(jī)計(jì)算準(zhǔn)確、速度快、存儲容量大的特點(diǎn)，自動高效的完成借閱者的身份識別.為各圖書館提高管理水平，準(zhǔn)確掌握讀者情況，提高工作效率起到良好作用，有著廣泛的應(yīng)用前景.

［1］馮嘉禮.一種思維建構(gòu)與模擬的數(shù)學(xué)理論與方法——屬性論簡介.廣西師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），1999，17（02）：1～7

［2］杜占江.圖書館無證化管理模式的創(chuàng)建.數(shù)字化圖書館論壇，2007，8