殘缺指紋識(shí)別中若干關(guān)鍵技術(shù)

趙 強(qiáng) 姜 永

靈璧縣公安局刑事科學(xué)技術(shù)室，安徽 靈璧 234200

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殘缺指紋識(shí)別中若干關(guān)鍵技術(shù)

趙 強(qiáng) 姜 永

靈璧縣公安局刑事科學(xué)技術(shù)室，安徽 靈璧 234200

隨著社會(huì)的科技快速發(fā)展，需要驗(yàn)證身份的地方也逐漸增多，這就使得生物特征識(shí)別技術(shù)在社會(huì)各個(gè)方面的應(yīng)用逐漸增加。指紋識(shí)別作為生物特征識(shí)別中最顯著的身份識(shí)別方式，因?yàn)橹讣y不會(huì)隨著歲月的流逝而改變，同時(shí)每個(gè)人的指紋也是不同的，具有獨(dú)特性。為了更好的識(shí)別人們的身份，應(yīng)提高指紋圖像的質(zhì)量，根據(jù)我國(guó)指紋庫(kù)的情況來(lái)看，大部分指紋達(dá)到了高質(zhì)量的目標(biāo)，但還有一部分指紋圖像由于傷疤、污痕等原因，造成其質(zhì)量低。本文通過(guò)分析殘缺指紋產(chǎn)生的原因，并對(duì)殘缺指紋進(jìn)行深入探究。

殘缺指紋；指紋識(shí)別；關(guān)鍵技術(shù)

為了促進(jìn)國(guó)家安全穩(wěn)定的發(fā)展，并對(duì)社會(huì)秩序進(jìn)行有效維持，生物特征識(shí)別技術(shù)在社會(huì)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。指紋識(shí)別眾多的生物特征中更實(shí)用和可靠，其穩(wěn)定性、唯一性、易采集和易存儲(chǔ)的特點(diǎn)為其普遍應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

一、殘缺指紋識(shí)別

所謂的指紋識(shí)別就是根據(jù)每個(gè)人的指紋紋理不同而進(jìn)行區(qū)別，將個(gè)人的指紋與之前預(yù)留的指紋進(jìn)行比對(duì)，通過(guò)比對(duì)來(lái)確定個(gè)人身份。指紋識(shí)別的流程一般分為指紋圖像采集、指紋圖像增強(qiáng)、特征提取及指紋匹配。然而在一些事例中存在的指紋并不是完整清晰的指紋，而是殘缺指紋。殘缺指紋丟失了部分特征，同時(shí)也容易引入一些錯(cuò)誤的特征，這就造成了市場(chǎng)上一些指紋識(shí)別設(shè)備不能對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別。除此以外，殘缺指紋識(shí)別方面仍存在著一些問(wèn)題。

二、殘缺指紋的形成原因

圖像質(zhì)量差的指紋在指紋識(shí)別中經(jīng)常遇到。由于對(duì)指紋圖像的丟失，造成了有效特征的丟失，從而導(dǎo)致指紋識(shí)別過(guò)程中的準(zhǔn)確度降低。殘缺指紋的形成原因大概分為以下三個(gè)方面。

(一)采集設(shè)備缺陷

當(dāng)指紋收集設(shè)備上存在一些污漬或者設(shè)備未達(dá)到相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，都會(huì)導(dǎo)致所收集到的指紋的圖像質(zhì)量變差，從而使得不能在指紋識(shí)別方面準(zhǔn)確識(shí)別個(gè)人身份。當(dāng)采集設(shè)備出現(xiàn)缺陷的時(shí)候，可以將污漬擦去，重新設(shè)置采集設(shè)備參數(shù)等形式來(lái)確保所采集指紋的準(zhǔn)確性。采集設(shè)備缺陷所引起的殘缺指紋一般都可以進(jìn)行修復(fù)。

(二)手指狀態(tài)不佳

手指狀態(tài)不佳也會(huì)導(dǎo)致殘缺指紋的出現(xiàn)。當(dāng)手指有污漬、傷疤、脫皮等情況的時(shí)候，就會(huì)造成手指狀態(tài)不佳，使收集到的指紋圖像質(zhì)量降低，造成指紋識(shí)別過(guò)程中不能準(zhǔn)確對(duì)身份進(jìn)行識(shí)別。手指狀態(tài)不佳會(huì)影響指紋殘缺的形成，同時(shí)該情況一般都不容易恢復(fù)。

(三)按壓方式不當(dāng)

在采集指紋的時(shí)候，當(dāng)事人如果沒(méi)有將手指按壓在采集設(shè)備正中間，就會(huì)造成所采集的指紋只是部分，從而影響指紋圖像的采集。當(dāng)按壓力度過(guò)大，就會(huì)造成采集出來(lái)的指紋圖像中指紋的脊線積壓在一起的情況；當(dāng)按壓力度過(guò)小，就會(huì)造成所收集的指紋不完整，部分地方出現(xiàn)殘缺的現(xiàn)象。因此在采集指紋的時(shí)候，應(yīng)當(dāng)有相關(guān)的人員對(duì)當(dāng)事人進(jìn)行指導(dǎo)，并對(duì)不合格的指紋進(jìn)行刪除，讓其重新按壓，便于指紋圖像質(zhì)量的提高。

三、殘缺指紋識(shí)別的關(guān)鍵技術(shù)

為了從殘缺指紋中獲取更多的特征，便于個(gè)人身份識(shí)別，就會(huì)采用相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)對(duì)其進(jìn)行處理，增強(qiáng)指紋的準(zhǔn)確性。通過(guò)對(duì)殘缺指紋識(shí)別中的圖像增強(qiáng)、特征提取、指紋匹配和指紋索引四個(gè)方面進(jìn)行研究其關(guān)鍵技術(shù)。大致是基于信息熵的指紋殘缺區(qū)域修復(fù)與重建算法、基于融合特征與模式熵的指紋匹配算法、基于改進(jìn)型GA-PSO算法的指紋匹配算法以及基于BMHASH算法的指紋索引算法。

(一)基于信息熵的指紋殘缺區(qū)域修復(fù)與重建

指紋識(shí)別圖像是采集指紋時(shí)的原始數(shù)據(jù)，其質(zhì)量對(duì)指紋特征的精確度起著局定性作用，同時(shí)也影響指紋識(shí)別的準(zhǔn)確性。在實(shí)際采集的過(guò)程中，會(huì)因?yàn)楫?dāng)事人的手指狀態(tài)、采集設(shè)備等原因，造成指紋圖像質(zhì)量較低。為了解決該問(wèn)題，一般采用的是對(duì)指紋殘缺的地方進(jìn)行修復(fù)與重建的方法。在使用該方法之前，應(yīng)當(dāng)對(duì)殘缺區(qū)附近的指紋紋理進(jìn)行分析，通過(guò)分析得到殘缺區(qū)的指紋紋理大致方向場(chǎng)，同時(shí)為后面的修復(fù)與重建工作打下基礎(chǔ)。當(dāng)對(duì)殘缺區(qū)的指紋紋理方向場(chǎng)進(jìn)行估計(jì)的時(shí)候，一般都會(huì)采用模板庫(kù)中的指紋細(xì)節(jié)點(diǎn)特征模板，通過(guò)參考模板，不能夠更方便地得出殘缺區(qū)指紋紋理的方向場(chǎng)。但是該參考模板庫(kù)這種方法具有局限性，當(dāng)殘缺指紋中存在缺失、斷裂等現(xiàn)象時(shí)，在通過(guò)細(xì)節(jié)點(diǎn)對(duì)殘缺區(qū)指紋紋理方向場(chǎng)進(jìn)行估計(jì)的同時(shí)，還應(yīng)根據(jù)殘缺區(qū)附近的方向場(chǎng)進(jìn)行估計(jì)，因?yàn)闅埲眳^(qū)附近的方向場(chǎng)是連續(xù)且可靠的。通過(guò)上面兩個(gè)方法分別對(duì)殘缺區(qū)指紋紋理方向場(chǎng)進(jìn)行估計(jì)，并將得到的結(jié)果進(jìn)行結(jié)合，當(dāng)結(jié)合的過(guò)程中應(yīng)當(dāng)按照相關(guān)的準(zhǔn)則對(duì)殘缺區(qū)指紋紋理進(jìn)行估計(jì)。

對(duì)殘缺區(qū)指紋紋理的修復(fù)和重建一般采用的是對(duì)細(xì)化指紋圖像的斷裂脊線修復(fù)的方法。該方法大致流程是先對(duì)斷裂點(diǎn)進(jìn)行配對(duì)，并對(duì)斷裂點(diǎn)進(jìn)行初步重連，對(duì)斷裂脊線進(jìn)行擬合，最后根據(jù)先驗(yàn)知識(shí)對(duì)所有的重連脊線進(jìn)行篩選。以上方法是根據(jù)先驗(yàn)知識(shí)對(duì)其進(jìn)行計(jì)算所得出的重連脊線，所得到的結(jié)果是理想狀態(tài)下的，但在實(shí)際中會(huì)出現(xiàn)很多方面的問(wèn)題影響殘缺區(qū)指紋紋理的方向場(chǎng)，為了使其結(jié)果更符合實(shí)際，最終都會(huì)才用信息熵來(lái)對(duì)殘缺區(qū)修復(fù)的結(jié)果進(jìn)行評(píng)估。

(二)基于融合特征與模式熵的指紋匹配

在對(duì)指紋進(jìn)行匹配的時(shí)候，一般都是先進(jìn)行特征提取，再做相似度量。對(duì)指紋特征的提取結(jié)果對(duì)指紋識(shí)別結(jié)果起著決定性作用。在對(duì)指紋進(jìn)行提取的時(shí)候，一般采用的都是提取細(xì)節(jié)點(diǎn)特征的方法和提取方向場(chǎng)特征的方法。通過(guò)將以上兩個(gè)方法所提取的特征信息進(jìn)行有效融合，從而達(dá)到提高指紋識(shí)別準(zhǔn)確度的目的。再對(duì)相似度量的時(shí)候，應(yīng)當(dāng)結(jié)合高斯加權(quán)函數(shù)與模式熵進(jìn)行相似度量，并對(duì)其特征進(jìn)行正確匹配。采用模式熵的相似度量法能夠避免圖像發(fā)生尺度、旋轉(zhuǎn)等問(wèn)題所產(chǎn)生的誤差，同時(shí)其計(jì)算方法相對(duì)簡(jiǎn)單，使匹配更快捷。

(三)基于改進(jìn)型GA-PSO算法的殘缺指紋匹配

遺傳算法(GA)在生物遺傳與進(jìn)化的機(jī)理上，并采用生物學(xué)中的染色體和基因等概念來(lái)進(jìn)行操作，從而達(dá)到求解的目的。該方法具有高效性，能夠同時(shí)對(duì)多個(gè)搜索點(diǎn)進(jìn)行尋找信息，從尋找結(jié)果中找出合適的結(jié)果。粒子群優(yōu)化算法(PSO)，在該方法中，將每個(gè)優(yōu)化問(wèn)題的解比作搜索空間中的一只鳥(niǎo)，并將其稱作“粒子”。每個(gè)粒子以一定的速度飛翔，然后粒子們就追隨當(dāng)前的最優(yōu)粒子在解的空間中搜索。將以上兩個(gè)方法進(jìn)行有效結(jié)合，并形成改進(jìn)型GA-PSO算法，結(jié)合兩個(gè)算法的優(yōu)點(diǎn)，從而找出殘缺指紋的最佳匹配結(jié)果。

(四)基于BMHASH算法的指紋索引

提取指紋索引一般采用的是聚類算法與BMHASH算法。聚類算法在指紋識(shí)別系統(tǒng)中得到很好的應(yīng)用，因?yàn)樵撍惴ú捎眉?xì)節(jié)點(diǎn)三元組結(jié)構(gòu)，相對(duì)來(lái)說(shuō)較為容易，同時(shí)索引特征的來(lái)源也相對(duì)簡(jiǎn)單，但當(dāng)細(xì)節(jié)點(diǎn)三元組較多的時(shí)候，就會(huì)采用x-means聚類算法來(lái)構(gòu)建索引空間。與聚類算法相比，BMHASH算法的應(yīng)用更多廣泛，已經(jīng)涉及到社會(huì)中的各個(gè)領(lǐng)域。該方法使指紋識(shí)別的效率得到了提升，該方法大致是將規(guī)模比較大的指紋數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行劃分，將其劃分為很多小的指紋數(shù)據(jù)庫(kù)，并對(duì)其中的某個(gè)指紋數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行匹配，這樣的方法能夠使搜索范圍變小，從而使搜索的速度加快。但是在指紋數(shù)據(jù)庫(kù)中，這些指紋圖像都是壓縮狀態(tài)，極其容易造成丟失的現(xiàn)象。為了減少該現(xiàn)象的造成的損失，應(yīng)當(dāng)在用評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)對(duì)指紋圖像丟失的問(wèn)題做出修正。指紋索引能夠短時(shí)間內(nèi)對(duì)篩選出相似指紋，然后對(duì)其進(jìn)行精確比對(duì)，大大提高了匹配效率。該方法在規(guī)模比較大的指紋數(shù)據(jù)庫(kù)中發(fā)揮著重要作用，能夠節(jié)省大量的時(shí)間，同時(shí)還提高了指紋識(shí)別的效率。BMHASH算法與之前的算法相比，其更具有高效性，同時(shí)魯棒性在殘缺指紋索引方面表現(xiàn)更為明顯。

四、總結(jié)

如今指紋識(shí)別技術(shù)不斷發(fā)展，并在社會(huì)中各個(gè)領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用，并發(fā)揮著極其重要的作用。指紋識(shí)別技術(shù)相對(duì)人臉、視網(wǎng)膜等識(shí)別技術(shù)來(lái)說(shuō)更具有唯一性。但有時(shí)候得到的是殘缺指紋，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對(duì)殘缺指紋識(shí)別技術(shù)的培養(yǎng)，從而可靠有效的對(duì)其指紋進(jìn)行識(shí)別。

[1]鄭智強(qiáng)，鄭建德，高媛等.基于自適應(yīng)遺傳算法的殘缺指紋識(shí)別[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013(10)：83-86.

[2]陸明星，劉政怡，劉鋒等.一種基于指紋生物特征識(shí)別系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2014(10)：225-228.

TP

A

2095-4379-(2016)36-0129-02

趙強(qiáng)(1978-)，安徽靈璧人，靈璧縣公安局刑事科學(xué)技術(shù)室，痕檢助理工程師，研究方向：痕跡檢測(cè)。