基于指紋識(shí)別的考生身份認(rèn)證系統(tǒng)

梅曉晴

摘要：設(shè)計(jì)了一套基于指紋識(shí)別的考生身份認(rèn)證系統(tǒng)，論述了系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路和軟件設(shè)計(jì)流程，包括獲取考生指紋信息，對(duì)指紋信息進(jìn)行提取，與指紋數(shù)據(jù)庫(kù)中的特征進(jìn)行比對(duì)，進(jìn)而完成對(duì)考生身份的驗(yàn)證，杜絕考試中的替考現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞：指紋特征提取；指紋識(shí)別；身份認(rèn)證

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2018）07-0088-02

目前許多考試過(guò)程中，監(jiān)考人員只通過(guò)比對(duì)考生身份證上的照片和準(zhǔn)考證上的照片進(jìn)行考生身份識(shí)別，這種傳統(tǒng)的認(rèn)證方式有很多弊端，比如因技術(shù)處理或時(shí)間變化，照片與考試者的相貌會(huì)有所差別；紙質(zhì)證件易于偽造，監(jiān)考人員難以辨認(rèn)，也會(huì)給作弊者以可乘之機(jī)。這些便利使代考舞弊現(xiàn)象屢見(jiàn)不鮮，必須尋求使用個(gè)人身上不易偽造的唯一標(biāo)識(shí)來(lái)辨別考生。

生物識(shí)別技術(shù)是一種利用人體自身特征進(jìn)行身份識(shí)別的技術(shù)，目前常用于身份識(shí)別的生物特征有：指紋、虹膜、掌紋、人臉等[1]，生物識(shí)別技術(shù)具有不易遺忘、防偽性能好、隨時(shí)隨地可用等優(yōu)點(diǎn)，這其中指紋識(shí)別技術(shù)應(yīng)用最為廣泛，因此本文結(jié)合實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了一種基于指紋識(shí)別的考生身份認(rèn)證系統(tǒng)，并且通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性。

1 指紋識(shí)別認(rèn)證原理

基于指紋識(shí)別的考生身份認(rèn)證原理是在考生報(bào)名階段將考生指紋等相關(guān)信息錄入到數(shù)據(jù)庫(kù)中；考生入場(chǎng)時(shí)，對(duì)輸入的指紋與存儲(chǔ)的指紋進(jìn)行比對(duì)，比對(duì)成功則視為合法考生，因此通過(guò)計(jì)算機(jī)辨別兩枚指紋是否來(lái)自于同一手指是本系統(tǒng)的主要解決的問(wèn)題[2]。系統(tǒng)流程圖如圖1所示。

2 指紋身份驗(yàn)證系統(tǒng)

本系統(tǒng)包括指紋采集、預(yù)處理、特征提取和特征匹配等模塊，各模塊功能如下：

2.1 指紋采集

指紋匹配的前提是指紋的采集，具體流程為手指向指紋采集儀的感應(yīng)器施加壓力，感應(yīng)器根據(jù)指紋中嵴與峪的壓力不同生成相應(yīng)的圖像。

2.2 預(yù)處理

對(duì)于采集到的指紋圖像進(jìn)行圖像增強(qiáng)預(yù)處理，預(yù)處理過(guò)程如圖2所示。首先需要對(duì)圖像進(jìn)行平滑處理，從而去除噪聲，并對(duì)圖像斷續(xù)處進(jìn)行拼接。其主要方法包括時(shí)域?yàn)V波法和頻域?yàn)V波法，時(shí)域?yàn)V波速度快，能濾除大部分系統(tǒng)噪聲，但是邊界提取效果差；頻域?yàn)V波邊界提取效果好，但處理時(shí)間相對(duì)時(shí)域?yàn)V波較慢。然后進(jìn)行指紋圖像二值化，其目的在于分離圖像前景和背景，將指紋圖像從灰度圖像轉(zhuǎn)換為二值圖像，常用方法為閾值法。完成圖像二值化后，還需要對(duì)指紋圖像進(jìn)行細(xì)化[3]，即將指紋紋線變?yōu)閱蜗袼貙挼那€。

預(yù)處理過(guò)程不僅可以減小手指表面異物、破損等引起的噪聲干擾，還能增強(qiáng)指紋嵴與峪的對(duì)比度。指紋識(shí)別技術(shù)中有90% 的能量[4]消耗于圖像處理，指紋圖像增強(qiáng)是指紋特征提取的基礎(chǔ)，對(duì)指紋圖像的識(shí)別有重大的影響。

2.3 特征提取

特征提取有多種處理方式，可以直接保存指紋完整圖像，在處理的時(shí)候從圖像提取指紋特征，這種方式的優(yōu)點(diǎn)是可以比較完整地保存指紋的全部信息，缺點(diǎn)是占用較多的存儲(chǔ)空間，圖像處理時(shí)間也會(huì)增加。對(duì)于本文這種認(rèn)證系統(tǒng)，考慮到參加考試的人數(shù)，且沒(méi)有足夠大的存儲(chǔ)空間，而進(jìn)行考生指紋匹配時(shí)所需要的指紋特征也不是很多，綜合以上實(shí)際情況，本系統(tǒng)所采用的方法是：首先對(duì)采集到的指紋圖像進(jìn)行特征提取，然后將特征數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到指紋庫(kù)，這樣能夠提高系統(tǒng)的運(yùn)行速度，并且不影響使用效果。

指紋特征指的是用于區(qū)分不同指紋的特征，如指紋的端點(diǎn)、分叉點(diǎn)、交叉點(diǎn)、嵴的走向、嵴和嵴之間的寬度等。因此只要從指紋圖像中提取出相應(yīng)的特征，就可以作為指紋匹配的依據(jù)。一般情況下，7個(gè)特征點(diǎn)就可以基本確定兩個(gè)指紋是否來(lái)自同一個(gè)手指。

在分叉點(diǎn)和端點(diǎn)這兩種特征基礎(chǔ)之上，有5種新的特征模型，可以利用3×3的濾波算子對(duì)預(yù)處理后的指紋骨架進(jìn)行特征點(diǎn)提取，利用式（1）以及表1進(jìn)行篩選。該方法的優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)閡值篩選可以查看特征點(diǎn)分布區(qū)域，去除偽特征點(diǎn)，進(jìn)一步提取有效、特征點(diǎn)。以特征點(diǎn)的坐標(biāo)（x，y）及特征點(diǎn)的方向d構(gòu)成特征向量；將所有的特征向量進(jìn)行篩選后留下7個(gè)最好的細(xì)節(jié)特征點(diǎn)的特征向量，構(gòu)成指紋的特征模板。

2.4 特征匹配

指紋匹配是將指紋庫(kù)中保存的特征點(diǎn)集 P 和現(xiàn)場(chǎng)采集的指紋的特征點(diǎn)集Q[5]進(jìn)行匹配，從而返回一個(gè)匹配級(jí)數(shù)，通過(guò)這個(gè)級(jí)數(shù)可以判定兩枚指紋是否來(lái)自同一手指。

本系統(tǒng)將入場(chǎng)驗(yàn)證時(shí)所得到的考生指紋特征點(diǎn)與數(shù)據(jù)庫(kù)中該考生的特征點(diǎn)進(jìn)行匹配。若匹配成功則顯示該考生的姓名、準(zhǔn)考證號(hào)等相關(guān)信息，否則顯示匹配失敗。在匹配失敗的情況下監(jiān)考人員可以在系統(tǒng)上做標(biāo)記，如疑似替考、重點(diǎn)關(guān)注等。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.1 系統(tǒng)介紹

本文討論的考生身份認(rèn)證系統(tǒng)采用分布式體系結(jié)構(gòu)，包括用戶層、應(yīng)用服務(wù)層和數(shù)據(jù)庫(kù)層。考生報(bào)名確認(rèn)時(shí)，系統(tǒng)將考生的基本信息和指紋特征信息等儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中，考生進(jìn)入考場(chǎng)時(shí)，根據(jù)準(zhǔn)考證號(hào)提取出數(shù)據(jù)庫(kù)中指紋數(shù)據(jù)，將該數(shù)據(jù)與現(xiàn)場(chǎng)采集并處理后的指紋數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，從而得到驗(yàn)證結(jié)果。

3.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要包括五個(gè)功能模塊，如圖3所示。

（1） 考生信息管理。對(duì)考生的姓名、身份證號(hào)、考號(hào)、照片等信息進(jìn)行查詢、修改和刪除等。（2）二代身份證識(shí)別。通過(guò)二代身份證識(shí)別儀讀出身份證芯片內(nèi)的信息并解碼成文字和照片，與存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，從而進(jìn)行考生身份的初步辨別。（3）指紋采集與處理。采集考生指紋并對(duì)指紋進(jìn)行預(yù)處理和特征提取，將提取到的指紋特征數(shù)據(jù)及考生相關(guān)信息存入后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)。（4）考生身份驗(yàn)證?？忌雸?chǎng)時(shí)采集考生指紋，提取特征數(shù)據(jù)，與數(shù)據(jù)庫(kù)中相應(yīng)特征數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，驗(yàn)證考生身份。（5）系統(tǒng)管理。對(duì)登錄用戶進(jìn)行權(quán)限管理，完成系統(tǒng)的備份、初始化等功能。

4 軟件設(shè)計(jì)流程

本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵內(nèi)容為考生身份認(rèn)證過(guò)程。具體設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

系統(tǒng)的驗(yàn)證界面如圖5所示。

以1000名考生做測(cè)試，經(jīng)過(guò)多次測(cè)試，識(shí)別一次指紋，從采集、預(yù)處理到傳輸、識(shí)別，平均耗費(fèi)時(shí)間5.1s，識(shí)別率為89.7%。由于人工輸入準(zhǔn)考證號(hào)耗時(shí)較長(zhǎng)，因此以條形碼的形式將考號(hào)印制在準(zhǔn)考證上，利用條形碼識(shí)別器掃描條碼，能提高系統(tǒng)的識(shí)別速度。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)指紋識(shí)別和二代身份證識(shí)別不僅直接排查了替考考生，還可以間接威懾準(zhǔn)備替考的考生，使其主動(dòng)放棄替考；監(jiān)考教師核查考生身份由高強(qiáng)度人工核查變?yōu)闄C(jī)器自動(dòng)識(shí)別，減少了工作量，減輕了監(jiān)考教師的壓力，方便監(jiān)考教師順利完成考務(wù)工作；對(duì)可疑考生進(jìn)行拍照和指紋采集，方便對(duì)考生身份進(jìn)一步復(fù)核，可疑考生數(shù)據(jù)還可以保存?zhèn)洳椤?/p>

總之，將指紋識(shí)別技術(shù)運(yùn)用到考試管理中是必然趨勢(shì)，可以有效地杜絕替考現(xiàn)象，保證考試的公平公正。

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