基于指紋和人臉識(shí)別技術(shù)的身份認(rèn)證系統(tǒng)

摘 要：本文描述了一套基于指紋和人臉識(shí)別技術(shù)的身份認(rèn)證系統(tǒng)，在指紋識(shí)別的基礎(chǔ)上增加了人臉識(shí)別技術(shù)，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的安全性。該系統(tǒng)分為指紋特征信息服務(wù)器、人臉特征信息服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器和設(shè)備終端四部分，通過(guò)終端設(shè)備獲取指紋和人臉的特征信息，分別與指紋特征數(shù)據(jù)庫(kù)和人臉特征數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的特征信息進(jìn)行匹配，進(jìn)而完成對(duì)對(duì)用戶身份的驗(yàn)證。通過(guò)對(duì)考生身份的認(rèn)證實(shí)驗(yàn)證明了該系統(tǒng)的可靠性。

關(guān)鍵詞：指紋識(shí)別；身份認(rèn)證；人臉識(shí)別

中圖分類號(hào)：TP391.41

目前社會(huì)上絕大部份的身份認(rèn)證方式是通過(guò)相關(guān)證件和密碼進(jìn)行驗(yàn)證，其弊端顯而易見(jiàn)。比如證件上的照片對(duì)于相貌極其相似的雙胞胎就難以發(fā)揮作用。而且照片也會(huì)由于時(shí)間的變化而導(dǎo)致與本人的相貌有一定的差別，不利于比對(duì)。另外，市場(chǎng)上偽造證件的橫行也給作假者以可乘之機(jī)，作假者輕易就能夠在市場(chǎng)上買到自己需要的偽造證件。而密碼易于被竊取和破解，因此目前的身份驗(yàn)證的方式是極不可靠的。

要解決以上提出的這些問(wèn)題，最有效的方法是使用可以明確標(biāo)識(shí)一個(gè)人的身份并且不易發(fā)生改變和被偽造的生物特征進(jìn)行身份認(rèn)證。生物特征需要有“與生俱來(lái)、獨(dú)一無(wú)二、長(zhǎng)期不變”三個(gè)特征，如人臉、指紋、虹膜、手型和DNA等。而最明顯的生物特征就是人臉和指紋。

指紋是在胎兒時(shí)期就開(kāi)始產(chǎn)生，到六個(gè)月左右基本形成。在人整個(gè)生命當(dāng)中，他的指紋只會(huì)隨著年齡放大增粗，而指紋的基本特征不會(huì)發(fā)生改變。有統(tǒng)計(jì)顯示，在地球上幾十億人口中，還從來(lái)未發(fā)現(xiàn)有兩個(gè)人的指紋特征完全相同[1]。因此指紋可作為一個(gè)生物表示來(lái)永久性地標(biāo)識(shí)一個(gè)人。但是指紋識(shí)別也存在明顯的缺陷，比如部分人群的指紋存有缺陷，不足以進(jìn)行身份識(shí)別；指紋可以被輕易復(fù)制或者受創(chuàng)，影響指紋識(shí)別的可信度。

而人臉特征雖然不是最穩(wěn)定的生物特征，其在人的生長(zhǎng)過(guò)程中會(huì)發(fā)生部分變化，如褶皺、傷疤等，但是人臉的基本特征不會(huì)改變。而且人臉識(shí)別不需要進(jìn)行接觸性檢測(cè)，易于被人們所接受。

在指紋識(shí)別的基礎(chǔ)上增加人臉識(shí)別，可以大幅度提高身份認(rèn)證的可信度，彌補(bǔ)指紋識(shí)別的缺陷，可應(yīng)用于一些對(duì)安全等級(jí)要求相對(duì)較高的地方。

在指紋和人臉標(biāo)示特性的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了基于指紋和人臉基本特征的識(shí)別用戶身份的認(rèn)證系統(tǒng)，并且通過(guò)對(duì)考生身份的認(rèn)證驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可靠性。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)基于C/S架構(gòu)設(shè)計(jì)，由指紋特征信息服務(wù)器、人臉特征信息服務(wù)器、應(yīng)用程序服務(wù)器和終端設(shè)備三部分組成。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖

應(yīng)用程序服務(wù)器是系統(tǒng)的中樞，負(fù)責(zé)該系統(tǒng)一切邏輯功能，指紋特征信息服務(wù)器、人臉特征信息服務(wù)器和設(shè)備終端相互獨(dú)立，均只與應(yīng)用程序服務(wù)器進(jìn)行通信。指紋特征信息服務(wù)器用于存放認(rèn)證的指紋庫(kù)，人臉特征信息服務(wù)器用于存放認(rèn)證的人臉信息庫(kù)，對(duì)相關(guān)信息庫(kù)的維護(hù)和運(yùn)行都由相應(yīng)服務(wù)器來(lái)完成。建立單獨(dú)的信息庫(kù)服務(wù)器的目的，一方面是為了安全性考慮，若是一個(gè)信息庫(kù)出現(xiàn)問(wèn)題，另外一個(gè)庫(kù)還可以正常運(yùn)行，同時(shí)便于對(duì)單獨(dú)的信息庫(kù)服務(wù)器進(jìn)行維護(hù)和管理；另外一方面原因是為了便于信息的共享?？蓪⑿畔?kù)可以作為一種公共的資源，提供給其他應(yīng)用程序使用。設(shè)備終端配有攝像頭和指紋錄入儀，被放置到驗(yàn)證現(xiàn)場(chǎng)中提取用戶的人臉信息和指紋信息，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與應(yīng)用程序服務(wù)器進(jìn)行通信。

由于該系統(tǒng)提供人臉和指紋兩種驗(yàn)證方式，而每種驗(yàn)證方式都不能完全確定驗(yàn)證結(jié)果的完全正確。因此在應(yīng)用程序服務(wù)器為系統(tǒng)添加了決定策略模塊，用于根據(jù)安全要求來(lái)決定當(dāng)某種驗(yàn)證不通過(guò)時(shí)，如何對(duì)驗(yàn)證結(jié)果進(jìn)行認(rèn)定。例如，在安全等級(jí)要求不是很高的情況下，可確定安全策略為兩種驗(yàn)證中的任意一種通過(guò)即認(rèn)為驗(yàn)證成功；在安全等級(jí)要求較高的情況下，確定安全策略為必須兩種認(rèn)證都通過(guò)才認(rèn)為驗(yàn)證成功。

2 系統(tǒng)工作流程

該系統(tǒng)工作流程示意圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)工作流程示意圖

系統(tǒng)工作流程描述如下：

（1）用戶在設(shè)備終端處輸入指紋信息，同時(shí)由終端的攝像頭獲取用戶的人臉信息，并將信息傳輸給應(yīng)用程序服務(wù)器。

（2）應(yīng)用服務(wù)器獲取到人臉和指紋信息后，進(jìn)行初步處理并提取特征碼，然后將人臉特征碼發(fā)送到人臉庫(kù)服務(wù)器進(jìn)行驗(yàn)證，指紋特征碼發(fā)送到指紋庫(kù)服務(wù)器進(jìn)行驗(yàn)證。

（3）人臉庫(kù)服務(wù)器和指紋庫(kù)服務(wù)器接收到特征碼后，分別進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)檢索，查找符合條件的信息，并將查找結(jié)果返回給應(yīng)用程序服務(wù)器。

（4）應(yīng)用程序服務(wù)器接收人臉庫(kù)服務(wù)器和指紋庫(kù)服務(wù)器的返回信息，并進(jìn)行比對(duì)。若兩個(gè)服務(wù)器都查詢成功，則確認(rèn)用戶身份，將結(jié)果返回給設(shè)備終端。若某一種驗(yàn)證不成功，則根據(jù)安全策略來(lái)確定驗(yàn)證結(jié)果。

3 指紋匹配

系統(tǒng)采用的指紋匹配流程如圖3所示。

圖3 指紋匹配過(guò)程

指紋是指在手指表面突起的紋路形成的圖像，如圖4所示。指紋由“嵴線”和“峪”組成[2]。嵴線指指紋的突起部分，嵴線與嵴線之間的凹陷稱為“峪”。指紋特征指的是嵴線與嵴線的交叉點(diǎn)，而且是指指紋在一個(gè)平面上的幾何特征，一般不考慮指紋在三維空間的形狀。

圖4 指紋特征

進(jìn)行指紋比對(duì)的前提條件是完成對(duì)指紋的采集。目前存在兩種常用的指紋采集方式[3]。一種采用光反射方式，即由指紋采集器向手指發(fā)出信號(hào)，然后通過(guò)采集并分析反射信號(hào)以取得手指的指紋圖像；第二種是通過(guò)壓力方式獲取指紋，即由手指向指紋采集儀器的感應(yīng)器施加壓力，感應(yīng)器根據(jù)嵴與峪壓力的不同生成相應(yīng)圖像。第二種方式的采集成本相對(duì)較低，本系統(tǒng)采用的是第二種采集方式。

指紋圖像不便于直接使用，而且需要較大的存儲(chǔ)空間，因此保存指紋圖像的意義不大。目前通用的方法是在指紋信息庫(kù)中保存指紋的特征點(diǎn)，這樣能夠減少存儲(chǔ)量，去除冗余信息，提高系統(tǒng)的運(yùn)行速度。指紋圖像需要通過(guò)二值化、去噪等圖像預(yù)處理工作后[4]，才可以進(jìn)行特征點(diǎn)的提取。

在一般的使用條件下，若兩個(gè)指紋圖像能獲取到七個(gè)匹配的特征點(diǎn)，就可以確定兩個(gè)指紋匹配。而對(duì)于一些要求相對(duì)較高的應(yīng)用，比如警察在確認(rèn)嫌疑犯時(shí)，需要匹配多一些特征點(diǎn)，一般為十二個(gè)以上[5]。

將所得到的特征點(diǎn)與指紋庫(kù)中的信息進(jìn)行匹配，便可完成指紋信息的驗(yàn)證。

4 人臉驗(yàn)證

人臉匹配流程如圖5所示。

圖5 人臉匹配流程

人臉識(shí)別的技術(shù)比較復(fù)雜，受光照等周圍環(huán)境的影響比較大，識(shí)別率受到限制。美國(guó)已經(jīng)進(jìn)行了多年研究，目前有一些人臉識(shí)別庫(kù)可供借鑒。鑒于在本系統(tǒng)中，人臉驗(yàn)證主要是對(duì)指紋驗(yàn)證的補(bǔ)充，因此不需要很細(xì)致的人臉識(shí)別技術(shù)，僅需對(duì)人臉基本框架進(jìn)行特征提取即可。借助于AAM模型[6]，可完成對(duì)人臉特征的提取工作，效果如圖6所示。

圖6 人臉特征提取

5 結(jié)論

為驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性，將該系統(tǒng)應(yīng)用于考生的身份驗(yàn)證。經(jīng)過(guò)測(cè)試運(yùn)行，檢測(cè)1500個(gè)樣本，效果良好。

參考文獻(xiàn)：

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作者單位：沈陽(yáng)電視臺(tái)，沈陽(yáng) 110000