基于指纹识别技术的门禁系统设计与应用.docx
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本科毕业设计(论文)
题目:
基于指纹识别技术的门禁系统设计与应用
基于指纹识别技术的门禁系统设计与应用
摘要
随着时代的迅速发展,人们对身份认证[1-2]的准确性、安全性与实用性提出了更高的要求。
基于生物特征识别的智能身份认证技术也逐渐受到广泛的关注。
在众多的生物识别技术中,指纹识别技术是发展最早、应用最广泛的一种。
指纹识别技术充分利用了指纹的普遍性、唯一性和永久性的生物特征,已逐步取代了传统的基于标志和数字的识别方式[3],目前在网络、银行、金融、医疗和安检等行业均得到了广泛应用。
指纹门禁系统是将计算机控制技术、指纹识别技术、智能卡技术和电子门锁技术有机结合的新科技产物,随着各行各业对进出安全性要求的提高,指纹门禁系统的应用更加广泛。
然而由于指纹识别技术等因素的制约,对于大型指纹门禁系统而言,出于对匹配的精度和实时性的考虑,大多采用“ID+指纹[4]”(一对一)的识别模式[5],完全依靠指纹作为识别模式(一对多)的门禁系统依然是重点研究任务,论文提供“一对多”门禁系统的一种解决思路。
论文对指纹识别系统的原理和基本过程进行了分析研究,重点研究了指纹识别的应用,连接数据库,进行身份验证[6]。
论文主要包括指纹图像预处理、特征提取、指纹的识别等。
论文对预处理各步骤进行了深入的分析,以及特征提取的方法进行了研究,然后链接数据库进行指纹验证;过程中有很多新的问题,提供了理论解决方案。
关键字:
指纹识别;二值化;细化;特征点;指纹识别
I
Fingerprintrecognitiontechnologybasedonthedesignand
applicationofaccesscontrolsystem
Abstract
Withtherapiddevelopmentofthetimes,itistheaccuracyofidentityauthentication,securityandpracticalityofahigherrequirement.Biometrics-basedauthenticationtechnologyisalsosmartgraduallybeenwidespreadconcern.Amongthemanybiometrictechnologies,fingerprintrecognitiontechnologyisthedevelopmentoftheearliestandmostwidelyusedone.Fingerprintrecognitiontechnologytakesfulladvantageoftheuniversalityofthefingerprint,uniqueandpermanentbiologicalcharacteristics,hasgraduallyreplacedthetraditionalsignsandfiguresbasedonmeansofidentification,atpresentinthenetwork,banking,finance,medicalandsecurityindustrieshavebeenawiderangeofapplications.
Fingerprintaccesscontrolsystemiscomputer-controlledtechnology,fingerprintidentificationtechnology,smartcardtechnologyandelectronicdoorlocktechnologycombinationofnewtechnologyproducts,withtherequirementsofvariousindustriesontheimprovementofaccesssecurity,fingerprintaccesscontrolsystemmorewidely.
However,duetofingerprintidentificationtechnologyandotherfactors,fingerprintaccesscontrolsystemsforlarge,outofthematchingaccuracyandreal-timeconsiderations,theyuse"ID+fingerprint"(onetoone)therecognition
mode,completelyrelyingonthefingerprintasidentificationmode(onetomany)oftheaccesscontrolsystemisstillthefocusonthetask,thepaperprovides"onetomany"ASolutiontotheaccesscontrolsystem.
Thesisonthefingerprintidentificationsystemandthebasicprincipleoftheprocesswereanalyzed,focusingonthefingerprintrecognitionapplications,connecttothedatabase,forauthentication.
Thesis,includingfingerprintimagepreprocessing,featureextraction,fingerprintrecognition.
Thestepsofpre-thesisconductedin-depthanalysis,andfeatureextractionmethodswerestudied,andthenlinkthedatabasefingerprintverification;havingalotofnewproblems,providesatheoreticalsolution.
Keywords:
Fingerprintrecognition;binary;refinement;featurepoint;fingerprintidentification
II
目录
摘要 I
Abstract II
1绪论 1
1.1生物识别技术简介 1
1.2指纹识别简介 3
1.2.1指纹 3
1.2.2指纹识别的历史 3
1.2.3指纹识别现状与技术难题 4
1.3门禁系统 5
1.3.1传统的门禁系统及其局限性 6
1.3.2指纹门禁系统的现状及发展瓶颈 7
1.4论文的主要工作 7
2指纹识别 8
2.1指纹识别基础 8
2.1.1指纹特征 8
2.2特征提取 10
2.2.1指纹输入 10
2.2.2预处理 10
2.2.3提取特征点 12
2.2.4特征匹配 13
3门禁系统 15
3.1门禁系统基础 15
3.1.1基本功能 15
3.1.2实时监控功能 16
3.1.3异常报警功能 16
3.2门禁系统的实现 17
4基于指纹识别的门禁系统的实现 19
4.1基本思路 19
4.2使用现有的指纹识别系统 19
4.3建立数据库 20
4.4软件模拟实现 20
5总结及展望 26
总结 26
展望 26
参考文献 28
1.绪论
1绪论
1.1生物识别技术简介
随着网络与通信技术的飞速发展和人类物理与虚拟活动空间不断扩大,个人身份的确认和权限的认定已经是生活中一个非常重要的环节,尤其是随着网络化时代的来临,人们对于安全性的要求越来越高。
为了实现较高的安全性,使用更复杂和更不方便的密码是目前流行的选择,但是遗忘密码和密码被盗也会成为个人信息安全的隐患。
现代社会对于人类自身身份识别的准确性、安全性与实用性提出更高要求。
传统的身份识别方法已经远远不能满足这种要求,人类必须寻求更为安全可靠、使用方便的身份识别新途径。
于是,生物特征识别悄然兴起,并成为新一类的身份识别技术。
生物识别(Biometrics)[7-10],简单来讲,就是利用人体生物特征进行人的身份辨别的过程。
生物识别的过程是一个模式识别的过程。
模式识别定义为:
对表征事物或现象的各种方式的(数值的、文字的或逻辑关系的)信息进行处理和分析,以对事物或现象进行描述、辨认、分类和解释的过程,是信息科学和人工智能的重要组成部分。
众所周知,人类具有很强的模式识别能力。
通过视觉信息识别文字、图片和周围的环境,通过听觉信息识别与理解语言。
模式识别能力是人类智能的重要组成部分。
生物识别遵循模式识别的原则规律,它通过判定相似度来确认生物特征相不相同。
通过筛选的方式,即事先设定一个相似度阈值,在阈值以上的确认通过筛选,以下的拒绝通过,筛选通过的就是符合匹配条件的对象。
生物识别的对象是人,生物识别的主体是机器系统或者计算机系统。
生物识别有两大基石。
一是它必须基于“人的生物特征是各不相同”这一基本规律,否则无法根据人的生物特征来辨识不同对象。
二是人的生物特征可以被外化,并表示为机器系统可读的形式,可以理解的“语言”。
外化表示通过专门的电子化、自动化的生物特征采集设备,直接获得生物特征数据,输送给计算机系统进行辨识。
当生物特征满足下列要求时,可以用来鉴别个人身份:
(1)统一性:
每个人都拥有这种生物特征。
7
(2)唯一性:
每个人的这种生物特征各不相同。
(3)持久性:
这些生物特征正常情况下保持不变。
(4)可采集性:
这些生物特征可以采集到。
(5)接受度:
人们对这些生物特征的接受程度。
生物识别是建立在对人的生物特征辨别的基础上的。
人的生物特征包括生理特性和行为方式。
生理特征有手形、指纹、脸形、声音、虹膜、视网膜、静脉图案、身体气味、足印、脑电波、脉搏、耳廓、DNA等,行为特征有签字、按键力度、步态等。
如图1.1.1所示为部分生物特征。
耳廓 脸型 脸部热效应 掌纹
指纹 虹膜 签字 声纹
图1.1.1部分生物识别技术
然而各种不同的识别方法,从成本,通用,效率,防伪等方面,各有优缺。
生物特征有各自的特点,它们之间的比较见表:
表1.1.2各种生物特征比较
生物特征
独特性
通用性
持久性
可采集性
可接受性
精确性
防伪性
指纹
高
中
高
中
中
高
高
步态
低
中
低
高
高
低
中
虹膜
高
高
高
中
低
高
高
脸像
低
高
中
高
高
低
低
声音
低
低
低
中
高
低
低
笔记
低
低
低
高
高
低
低
从表中我们可以看出基于指纹的生物特征识别技术在持久性、独特性、防伪性和采集性等多方面都具有很强的优势。
它成为目前接受程度较高、应用最为广泛的一种生物特征识别方式。
因此,本文将针对指纹识别技术进行研究。
指纹以其终生性、唯一性和可接受度高的特点成为了生物特征识别的重要方
法。
指纹识别经历了近十年缓慢的增长后,近年来已得到快速的发展和普及。
包括保险箱、储藏柜、指纹考勤机、指纹门禁控制器、指纹一体化锁、指纹保险柜、手机和笔记本电脑等已经被大部数人所接受和喜爱。
此外,指纹识别技术产品均借助于现代计算机技术实现,很容易与电脑和安全、监控、管理系统整合,实现自动化管理。
据专家们保守估计,未来几年,我国将有近百亿元的市场等待着企业去开拓。
指纹识别技术将对国际,国内安防事业产生巨大的影响。
1.2指纹识别简介
1.2.1指纹
指纹[11]是手指皮肤表面隆起的脊和凹下的谷构成的特定纹路。
这些纹路在人体胚胎发育的第3至4个月开始生长,第6个月就完全形成了。
随着年龄增长,尽管指纹在外形大小、纹线粗细上会有变化,但同一手指的指纹纹线类型、细节特征始终无明显变化,即使手指皮肤受伤,只要不伤及真皮,当伤愈合后,也能重新长出。
任何手指指纹都独一无二,而且不同人的指纹特征相同的可能性几乎为零。
指纹纹线的形态终生不变,及其唯一性,所以使用指纹来鉴别身份,指纹识别也是最安全最可靠的识别方法[12-13]。
1.2.2指纹识别的历史
据考古学家证实:
公元前7000年至6000年,中国和古叙利亚已经开始用指纹来鉴别身份。
在那时,中国的一些文件上印有起草者的拇指指纹,一些陶瓷匠人将自己的指纹留在其作品上。
由此可见,指纹作为鉴别身份的依据在当时已经被人们认识和接受。
19世纪初,科学家发现了指纹的两个重要特征:
一是两个不同手指的指纹纹脊[14]的样式不同,二是指纹纹脊的样式终生不变。
简化成为指纹的唯一性和终生性。
这个研究成果使得指纹鉴别正式应用于犯罪事件取证。
20世纪60年代,由于计算机可以有效的处理图形和图像,人们开始用计算机来处理指纹。
从那时起,世界许多国家开始将自动指纹识别系统AFIS应用于法律领域。
20世纪80年代,随着光学扫描和个人计算机技术的革新,指纹取像变得更
加简单,从而使得指纹识别可以在其他领域中得以应用。
现在,由于取像设备的引入及其飞速发展,指纹识别技术的逐渐成熟和可靠对比算法的发现,指纹识别进入了更广阔的天地。
九十年代后期,低价位取像设备的出现,为个人身份识别技术的发展提供了舞台。
尽管指纹只是人体皮肤的一小部分,但用于识别的数据量相当大,对这些数据进行比对也不是简单的相等与不相等的问题,而是使用需要进行大量运算的模糊匹配算法。
现代电子集成制造技术使得我们可以制造相当小的指纹图形读取设备,同时飞速发展的个人计算机运算速度提供了在微机甚至是单片机上可以进行两个指纹的比对运算的可能。
另外,匹配算法可靠性也不断提高,指纹识别技术己非常实用。
到目前为止,人们己经对自动指纹识别技术作了广泛、深入的研究,国内外有很多科研机构从事自动指纹识别技术的研究。
在国外从事指纹识别研究和开发的公司、科研机构、学校比较多,其中较为著名的公司有:
IBM、NEC、UNISYS、BiometricAccess、Identicator等。
科研机构有美国国家标准局视觉处理研究组、IBM沃特森研究中心等。
学校有加州理工学院、华盛顿大学圣路易斯分校、得克萨斯理工大学、圣琼斯州立大学等。
国内如北京大学信息中心、清华大学自动化系、北京邮电大学、中科院长春光机所以及中科院自动化研究所等都在此领域做出了卓有成效的工作。
长春鸿达集团以吉林大学为依托,是国内自主开发自动指纹识别产品的主要单位之一。
由该公司开发的公安用半自动指纹识别产品有一定特色,已经在山东威海、荣城等地的公安部门试用。
与国外相比,我国在自动指纹识别技术的研究水平上还存在一定的差距。
主要表现在:
(1)指纹录入设备[15-16]的质量还不太过关;
(2)自动指纹识别算法研究水平还有待提高,在应用上的表现为产品适应性和易用性较差,对干、湿一些的指纹往往不能正确区别,对指纹录入时的旋转、平移比较敏感。
1.2.3指纹识别现状与技术难题
随着时代的发展,社会越来越需要高效、可靠的身份识别系统。
传统的个人身份鉴别手段如钥匙、口令、身份证件甚至磁卡、IC卡等识别方式,它们具有可假冒、伪造、盗用、破译的弱点,出于消除人为的不安全因素的目的,只有不易被他人代替、仿制、甚至其本人也无法转让的身份识别凭证才能胜任[17]。
因此,基于人体生理特征的身份识别系统逐渐为社会所瞩目。
按照匹配方式不同可以将自动指纹识别系统分为两类,即身份验证(Verification)系统和身份辨识(Identification)系统。
身份验证就是通过把一个现场采集到的指纹与一个己登记的指纹进行一对一的比对(one-to-One
Matching),来确认身份的过程。
身份辨识则是把现场采集到的指纹同指纹数据库中的指纹逐一对比,从中找出与现场指纹相匹配的指纹,也称为“一对多匹配(One-to-ManyMatching)”。
现行的指纹门禁系统[18-20]一般采用“用户ID(磁卡或口令)+指纹”的匹配方式,即一对一匹配。
用户先输入自己的ID,系统根据ID从建立的指纹数据库中找到此ID对应的指纹,然后用户输入指纹,系统将采集到得指纹图像与模板相比对,通过匹配结果来控制人员的进出,一般适用于小型指纹门禁系统(例如实验室门禁系统)。
此类门禁系统还是存在一定的问题,即仍然无法脱离用户ID的束缚,一旦用户ID遭到窃取或遗失,那么用户可能无法进出。
而“一对多匹配”则可以克服用户ID的限制,但是如果指纹库数量较大,那么对比所需时间较长,而对于大型指纹数据库而言,提高其精度和实时性则成了研究的主要难题。
1.3门禁系统
门禁系统顾名思义就是对出入口通道进行管制的系统,它是在传统的门锁基础上发展而来的。
门禁系统指的是管制非特定人员进出某通道所使用的软硬件系统。
例如一般公寓大厦必须是住在该公寓的人员才可以进入此公寓大门、社区地下室停车场等等。
门禁系统通常被使用在:
办公室大门、电梯、工厂以及仓库,或是捷运入口、机场特定入口、医院特定地区等。
门禁系统普遍的被使用于任何场所及地方。
随着电子芯片的高度集成化,门禁系统的功能也变得越来越完善和强大,而且越来越容易操作。
以下是门禁系统的发展过程[21-22]:
第一代门禁:
单一的键盘输入密码方式。
第二代门禁:
接触卡式门禁系统,例如:
磁码卡,铁码卡。
第三代门禁:
感应卡即非接触式IC卡门禁,一般指无源IC卡。
以上几代门禁系统都存在着一个共同的缺点,即不能从根本上杜绝密码遗失、盗用、破解或冒名顶替等现象的出现。
第四代门禁:
生物辨识系统。
它包括指纹机,掌纹机[23],视网膜辨识机和声音识别装置等。
视网膜辨识机和声音辨识装置在正常情况下安全性极高,但若视网膜充血或病变以及感冒等疾病会影响使用。
指纹和掌纹辨别用于安全性较高的出入口控制系统。
与传统的身份鉴别手段相比,基于生物特征的身份鉴别技术具有以下优点:
(1)不会遗忘或丢失。
(2)防伪性能好,不易伪造或被盗。
(3)随身携带,随时随地可用。
由于生物识别技术特有的这些优点,很快受到人们的普遍欢迎,得到了迅速地发展[24]。
1.3.1传统的门禁系统及其局限性
传统的机械门锁仅仅是单纯的机械装置,即使结构设计合理,材料坚固,人们还是能通过各种手段把它打开。
在出入人很多的通道(办公室,酒店客房)钥匙的管理很麻烦,钥匙丢失或人员更换都要把锁和钥匙一起更换。
为了解决这些问题,就出现了电子磁卡锁,电子密码锁,这两种锁的出现从一定程度上提高了人们对出入口通道的管理程度,使通道管理进入了电子时代,但随着这两种电子锁的不断应用,它们本身的缺陷就逐渐暴露,磁卡锁的问题是信息容易复制,卡片与读卡机具之间磨损大,故障率高,安全系数低。
密码锁的问题是密码容易泄露,又无从查起,安全系数很低。
门禁系统的安全性是许多系统要首先考虑的问题,尽管使用者一向都相当讨厌安全检查机制介入他们的工作中,但管理者仍然需要这样的一种检查访问与使用情形的手续与方法。
如果没有办法清楚明确的辨认使用者身分的话,那么你也将无法确认是那位使用者,以及他究竟操作了什么行动。
现行的许多计算机系统中,包括许多非常机密的系统,都是使用“用户ID+密码”的方法来进行用户的身份认证和访问控制的。
实际上,这种方案隐含着一些问题。
例如,密码容易被忘记,也容易被别人窃取。
而且,如果用户忘记了他的密码,就不能进入系统,当然可以通过系统管理员重新设定密码来重新开始工作,但是一旦系统管理员忘记了自己的密码,整个系统也许只有重新安装后才能工作。
密码被别人盗取是一件可怕的事情,可能会进一步窃取公司机密数据、可能会盗用别人的名义做不正当的事情、甚至从银行、ATM终端上提取别人的巨额存款。
实际上,密码的盗取比较容易,别人只要留意你在计算机终端前输入口令时的击键动作就可以知道你的密码,甚至可以通过你的生日、年龄、姓名或者其他一些信息猜出你的密码,密码还可以被破解。
众所周知,高度机密的美国一些军事机构计算机网络曾不止一次被黑客侵入,黑客们实际上就是破解了这些计算机网络的某一合法用户的密码来开始的。
尽管现行系统通过要求用户及时改变他们的口令来防止盗用口令行为,但这种方法不但增加了用户的记忆负担,也不能从根本上解决问题。
除了计算机网络及其应用系统外,一些传统的需要进行身份验证的场合,也存在着类似的安全性问题。
例如证件的伪造和盗用、不正当的转借等。
一些犯罪通过伪造证件进入机密场所以窃取机密信息。
另一个例子是考勤机,它的使用方便了企业进行职工的考勤管理,但使领导头疼的是经常有人弄虚作假,代别人打卡。
这些问题都说明,现行的系统安全性技术己经遭遇严峻的挑战!
随着科技的进步,指纹识别技术已经开始走入了我们的日常生活之中。
目前在世界上许多公司和研究机构都在指纹识别技术的研究中取得一些突破性技术,从而推出了许多新产品,这些产品己经开始在更多领域得以运用[24]。
指纹门禁系统通过将用户的指纹特征与指纹特征数据库中的数据进行比对
实现用户身份的鉴别,并不直接保存和使用用户的指纹图像信息,不会侵犯到用户的隐私信息[25],是当前技术最先进、应用最广泛的门禁系统。
1.3.2指纹门禁系统的现状及发展瓶颈
指纹作为身份鉴别的手段己有着悠久的历史。
据相关资料显示,我国古代最早的指纹应用可追溯至秦朝。
唐朝时代,以“按指为书”为代表的指纹捺印己经在文书、契约等民用场合被广泛采用。
自宋朝起,指纹则开始被用做刑事诉讼的物证,利用指纹作为个人标识得到法律上的认可。
同一时期的古代印度,指纹也被用于人身标识[26]。
纵观国内外现有的指纹门禁系统技术,存在着两个方面的问题:
一方面,现有的指纹门禁系统一般采用身份验证的匹配方式,即“ID+指纹”
——“一对一”的方式进行指纹识别,效率很高。
但是一旦ID遗失或被盗取,依然无法完全保证门禁系统的安全性。
另一方面,如果直接以纯指纹——“一对多”的方式进行指纹识别,门禁系统的准确性和实时性要求很高,指纹识别无法满足大型数据库这一缺点,将是最大的难题[27-28]。
要解决这个问题可以采取指纹分类的方法,把大型指纹库分为若干小型指纹库,将采集到的指纹图像与同类指纹分库进行对比,而无需与整个指纹数据库中的指纹图像逐一对比,缩短了处理时间,提高了指纹识别系统的实时性。
1.4论文的主要工作
本文在经过阅读大量指纹识别方面的文献资料,在他人设计开发的基础上,进行了指纹识别细化算法、指纹征提取、及指纹的匹配几个部分的应用。
本文的所有算法都在Windows7平台上用VS2010及C#实现。
本文的具体工作主要包括以下内容:
(1)全文研究的重点是指纹图像预处理算法,采用OPTA细化算法,有效的解决了细化不全和毛刺较多的问题,得到一幅比较光滑的细化图像。
(2)提取特征点包括中心点,末梢和分叉点。
(3)连接数据库,遍历数据库中所有指纹图像,进行特征点比对。
(4)查找用户资料,输
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