指紋識別中的圖像處理研究------背景與基礎名詞解釋?zhuān)ㄒ唬?/h1>
1.1傳統安全技術(shù)的弊端及其所面臨的挑戰
本文引用地址:http://dyxdggzs.com/article/265698.htm 以信息技術(shù)為代表的現代科學(xué)技術(shù)大大地推動(dòng)了現代社會(huì )的進(jìn)步和發(fā)展,為人類(lèi)提供了更為快捷與便利的交流手段,同時(shí)它也給各個(gè)國家和社會(huì )的管理者帶來(lái)一個(gè)全新的重要課題:如何及時(shí)、準確地驗證每個(gè)社會(huì )成員的身份。
傳統的身份驗證方法是驗證該人是否持有有效的證明文件或信物。從本質(zhì)上來(lái)說(shuō),這種方法驗證的是該人持有的某種“物”,而不是驗證其本人。只要“物”的有效性得到確認,則持有該“物”的人的身份也就隨之得到確認。這種以“物”認人的辦法明顯存在以下漏洞:
?、?。合法的人如果遺失驗證其身份的“物”(如密碼、鑰匙等),則合法的人本身得不到合法的驗證。
?、?。各種偽造證件、信物以及密碼被破譯或盜用又使非法的人得到合法的驗證。例如一些罪犯通過(guò)偽造證件進(jìn)入機密場(chǎng)所竊取機密信息;另一個(gè)例子是考勤機,它的使用方便了企業(yè)進(jìn)行職工的考勤管理,但使領(lǐng)導頭疼的是經(jīng)常有人弄虛作假,代別人打卡,代替別人打考勤
?、?。如果丟了需要驗證的“物”,例如鑰匙,則不僅打不開(kāi)門(mén),還要當心壞人拾到你的鑰匙盜取你的家財,其他使用鑰匙的場(chǎng)合同樣也有如此的問(wèn)題。
現行的許多計算機系統中,包括許多非常機密的系統,都是使用"用戶(hù)ID+密碼"的方法來(lái)進(jìn)行用戶(hù)的身份認證和訪(fǎng)問(wèn)控制的。實(shí)際上,這種方案隱含著(zhù)一些問(wèn)題。例如,密碼容易被忘記,也容易被別人竊取。而且,如果用戶(hù)忘記了他的密碼,他就不能進(jìn)入系統。調查表明,因為忘記密碼而產(chǎn)生的問(wèn)題已經(jīng)成為IT廠(chǎng)商售后服務(wù)的最常見(jiàn)問(wèn)題之一;密碼被別人盜取則是一件更可怕的事情,因為用心不良的人可能會(huì )進(jìn)一步竊取公司機密數據、可能會(huì )盜用別人的名義做不正當的事情、甚至從銀行、ATM終端上提取別人的巨額存款。實(shí)際上,密碼的盜取比較容易,別人只要留意你在計算機終端前輸入口令時(shí)的擊鍵動(dòng)作就可以知道你的密碼,甚至可以通過(guò)你的生日、姓名、電話(huà)號碼或者其他一些信息猜出你的密碼,這就顯得極不安全。眾所周知,高度機密的美國一些軍事機構計算機網(wǎng)絡(luò )(包括五角大樓和國防部)曾不止一次被黑客侵入,黒客們實(shí)際上就從是破解這些計算機網(wǎng)絡(luò )的某一合法用戶(hù)的密碼而入侵的。盡管現行系統可以通過(guò)要求用戶(hù)定時(shí)改變他們的口令來(lái)防止盜用口令行為,但這種方法不但增加了用戶(hù)的記憶負擔,也不能從根本上解決問(wèn)題。表1.1給出了美國在1996年因為身份驗證引起的欺詐損失。
上述這些問(wèn)題表明,傳統的依賴(lài)于信物或口令的系統安全性技術(shù)已經(jīng)面臨嚴峻的挑戰。盡管它們具有簡(jiǎn)單、方便集成的優(yōu)點(diǎn),但隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )社會(huì )的到來(lái),電子商務(wù)的日趨普及,人們更想通過(guò)一些更為安全可靠的信息,來(lái)確認在網(wǎng)絡(luò )的另一端與其交易的人是他宣稱(chēng)的那個(gè)人。而正是由于人體特征具有不可復制的優(yōu)點(diǎn),目前已經(jīng)成為安全技術(shù)研究的熱點(diǎn)。

1.2生物識別系統簡(jiǎn)介
所謂生物識別,就是利用人體的生理特征或行為動(dòng)作來(lái)認證人的身份。因為這些特征是每個(gè)人所獨有的,其它人無(wú)法復制取代,用它們來(lái)識別人的身份,顯然比使用口令或信物的方式要安全得多。用于驗證個(gè)人身份的生物特征要求具有下列性質(zhì)。
(1)特征的普遍性,即是說(shuō)要人人都具有,比如只有一部分人才有的胎記或疤痕,就無(wú)法用于大范圍的身份識別;
(2)特征的唯一性,即每個(gè)人所具有的特征都應與其他人不一樣;
(3)特征的穩定性,即特征或行為應在一個(gè)相當長(cháng)的時(shí)間內保持不變,經(jīng)常變化的特征是無(wú)法保證識別系統的魯棒性的;
(4)可采集性,即是否可以方便地獲取并量化這些特征或行為。
然而,在實(shí)際操作中,僅僅滿(mǎn)足上述四個(gè)性質(zhì)還是不夠的,還需要考慮到以下問(wèn)題:
(1)系統整體的性能,也就是說(shuō)采用這種特征來(lái)識別人的身份,其速度、精度以及系統的魯棒性是否能夠達到規定的指標要求;
(2)采用這種生物特征人們是不是可以接受,是否干涉了人的隱私或對人體有傷害,以及是否操作方便等等。
綜上所述,對于一個(gè)實(shí)用的生物識別系統而言,應具備以下特征:
(1)用于識別的生物特征可以被人們所接受;
(2)可以方便地獲取這些生物特征;
(3)系統的識別精度和速度能夠滿(mǎn)足應用需要;
(4)對于各種欺騙手段,系統應有足夠的適應性。
圖1.1所示的是一個(gè)通用的生物識別系統的框圖。從圖上我們可以看出,生物識別系統就是一個(gè)通過(guò)驗證人的生理特征或行為動(dòng)作來(lái)識別人的身份的模式識別系統。從體系上來(lái)說(shuō),該系統可以分為登記和認證兩大模塊。登記模塊的作用是把人體的生物特征存入識別系統,在這個(gè)階段,首先利用生物特征采集器獲取人體特征產(chǎn)生特征的原始信息,為了減少生物特征信息的存儲量、節省存儲介質(zhì)、方便后續的特征模式匹配過(guò)程,這些原始信息一般需要進(jìn)行進(jìn)一步處理,壓縮信息量,提取最有效的特征信息(一般稱(chēng)之為模板Template),最后根據不同的應用工程的需要,將特征信息存入用戶(hù)數據庫或用戶(hù)IC卡上;生物特征認證模塊用于在訪(fǎng)問(wèn)控制中驗證人的身份。在這個(gè)階段,同樣需要用采集器來(lái)獲取人體的生物特征,然后使用類(lèi)似于登記模塊中的處理方法,用一種更緊湊的形式來(lái)描述獲取的信息。最后匹配子模塊使用模板數據庫中的模板與獲取的壓縮生物特征信息進(jìn)行比較,并且給出判斷結果。

如圖1.1所示的生物識別系統,根據其應用目的的不同,可以分為兩大類(lèi),即驗證(Verification)和辨識(Identification)。驗證就是通過(guò)把現場(chǎng)采集到的生物特征與一個(gè)己經(jīng)登記的模板進(jìn)行“一對一的比對(one-to-one matching)”來(lái)確認身份的過(guò)程。這種一對一的驗證回答了這樣一個(gè)問(wèn)題:他是他自稱(chēng)的這個(gè)人嗎?。辨識則是把現場(chǎng)采集到的生物特征同數據庫中的模板逐一對比,從中找出與現場(chǎng)特征相匹配的模板。這也叫“一對多匹配(one-to-many matching)”,記作“1:N”比對。辨識這種比對方式回答了這樣一個(gè)問(wèn)題:他是誰(shuí)?驗證和辨識在比對算法和系統設計上各具特點(diǎn)。例如:驗證系統對比對算法的速度要求不如辨識系統高,但更強調易用性;另外在辨識系統中,一般要使用分類(lèi)技術(shù)來(lái)加快查詢(xún)的速度或采用快速的比對算法。
基于信物或口令的系統,由于人為的造假或者驗證人的疏忽,會(huì )引起驗證的錯誤,這些錯誤主要表現在誤識別上面。生物識別系統作為一種典型的模式識別系統,它的判斷結果是一個(gè)有一定置信度的結果,這個(gè)有一定置信度的結果有可能出現兩種錯誤判斷,一是把正確的匹配當成錯誤的而拒絕(拒真率False Reject Rate, FRR),又叫拒識率;另一種則是把原本不匹配的當成正確的而接納(誤識率False Accept Rate, FAR),又叫誤識率。對于一個(gè)實(shí)際的應用系統,如果系統的拒識率FRR較大,就會(huì )造成用戶(hù)多次輸入而無(wú)法確認其身份,使用戶(hù)感到不便,進(jìn)而對該系統產(chǎn)生不信任和厭惡感;如果系統的誤識率FAR較大,就會(huì )降低系統的安全性,對合法的用戶(hù)造成損失。在一個(gè)生物識別系統中,系統的拒識率和誤識率是一對相互矛盾的參數,不可能使兩個(gè)參數同時(shí)達到最低。一個(gè)參數的減少必然會(huì )導致另外一個(gè)參數的增加。因此在實(shí)際的應用工程中,我們只能根據用途的不同,調整系統的參數,使其滿(mǎn)足不同目的的需求。對于高度機密的訪(fǎng)問(wèn)控制,則可適當提高拒識率,把誤識率降到最小;反之,一般安全等級用途的用戶(hù),適當的降低拒識率。

對于一個(gè)生物識別系統,我們一般用ROC(Receiver Operating Curve)曲線(xiàn)來(lái)描述系統的整體性能。曲線(xiàn)上的每一點(diǎn),都對應了一定安全閾值下系統的FRR和FAR.圖1.2給出了ROC曲線(xiàn)的一個(gè)實(shí)例。在實(shí)際應用中,因為各廠(chǎng)商和研究機構實(shí)際只是給出了最好的FRR和FAR,而這兩個(gè)參數并不是對應同一個(gè)安全閾值,所以,一個(gè)更為科學(xué)的評估參數———等錯誤率(ERR)被廣泛應用,所謂等錯誤率,是指FRR與FAR相等時(shí)的FRR和FAR的取值(如圖1.2所示)。很顯然,ERR越小,系統的整體安全性越高。另外,系統的匹配速度也是系統性能的一個(gè)重要指標,該指標通常是能夠影響ROC曲線(xiàn)的。特別是對于辨識系統,由于做“一對多”的指紋匹配,速度就顯得格外重要。
1.1傳統安全技術(shù)的弊端及其所面臨的挑戰
本文引用地址:http://dyxdggzs.com/article/265698.htm以信息技術(shù)為代表的現代科學(xué)技術(shù)大大地推動(dòng)了現代社會(huì )的進(jìn)步和發(fā)展,為人類(lèi)提供了更為快捷與便利的交流手段,同時(shí)它也給各個(gè)國家和社會(huì )的管理者帶來(lái)一個(gè)全新的重要課題:如何及時(shí)、準確地驗證每個(gè)社會(huì )成員的身份。
傳統的身份驗證方法是驗證該人是否持有有效的證明文件或信物。從本質(zhì)上來(lái)說(shuō),這種方法驗證的是該人持有的某種“物”,而不是驗證其本人。只要“物”的有效性得到確認,則持有該“物”的人的身份也就隨之得到確認。這種以“物”認人的辦法明顯存在以下漏洞:
?、?。合法的人如果遺失驗證其身份的“物”(如密碼、鑰匙等),則合法的人本身得不到合法的驗證。
?、?。各種偽造證件、信物以及密碼被破譯或盜用又使非法的人得到合法的驗證。例如一些罪犯通過(guò)偽造證件進(jìn)入機密場(chǎng)所竊取機密信息;另一個(gè)例子是考勤機,它的使用方便了企業(yè)進(jìn)行職工的考勤管理,但使領(lǐng)導頭疼的是經(jīng)常有人弄虛作假,代別人打卡,代替別人打考勤
?、?。如果丟了需要驗證的“物”,例如鑰匙,則不僅打不開(kāi)門(mén),還要當心壞人拾到你的鑰匙盜取你的家財,其他使用鑰匙的場(chǎng)合同樣也有如此的問(wèn)題。
現行的許多計算機系統中,包括許多非常機密的系統,都是使用"用戶(hù)ID+密碼"的方法來(lái)進(jìn)行用戶(hù)的身份認證和訪(fǎng)問(wèn)控制的。實(shí)際上,這種方案隱含著(zhù)一些問(wèn)題。例如,密碼容易被忘記,也容易被別人竊取。而且,如果用戶(hù)忘記了他的密碼,他就不能進(jìn)入系統。調查表明,因為忘記密碼而產(chǎn)生的問(wèn)題已經(jīng)成為IT廠(chǎng)商售后服務(wù)的最常見(jiàn)問(wèn)題之一;密碼被別人盜取則是一件更可怕的事情,因為用心不良的人可能會(huì )進(jìn)一步竊取公司機密數據、可能會(huì )盜用別人的名義做不正當的事情、甚至從銀行、ATM終端上提取別人的巨額存款。實(shí)際上,密碼的盜取比較容易,別人只要留意你在計算機終端前輸入口令時(shí)的擊鍵動(dòng)作就可以知道你的密碼,甚至可以通過(guò)你的生日、姓名、電話(huà)號碼或者其他一些信息猜出你的密碼,這就顯得極不安全。眾所周知,高度機密的美國一些軍事機構計算機網(wǎng)絡(luò )(包括五角大樓和國防部)曾不止一次被黑客侵入,黒客們實(shí)際上就從是破解這些計算機網(wǎng)絡(luò )的某一合法用戶(hù)的密碼而入侵的。盡管現行系統可以通過(guò)要求用戶(hù)定時(shí)改變他們的口令來(lái)防止盜用口令行為,但這種方法不但增加了用戶(hù)的記憶負擔,也不能從根本上解決問(wèn)題。表1.1給出了美國在1996年因為身份驗證引起的欺詐損失。
上述這些問(wèn)題表明,傳統的依賴(lài)于信物或口令的系統安全性技術(shù)已經(jīng)面臨嚴峻的挑戰。盡管它們具有簡(jiǎn)單、方便集成的優(yōu)點(diǎn),但隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )社會(huì )的到來(lái),電子商務(wù)的日趨普及,人們更想通過(guò)一些更為安全可靠的信息,來(lái)確認在網(wǎng)絡(luò )的另一端與其交易的人是他宣稱(chēng)的那個(gè)人。而正是由于人體特征具有不可復制的優(yōu)點(diǎn),目前已經(jīng)成為安全技術(shù)研究的熱點(diǎn)。

1.2生物識別系統簡(jiǎn)介
所謂生物識別,就是利用人體的生理特征或行為動(dòng)作來(lái)認證人的身份。因為這些特征是每個(gè)人所獨有的,其它人無(wú)法復制取代,用它們來(lái)識別人的身份,顯然比使用口令或信物的方式要安全得多。用于驗證個(gè)人身份的生物特征要求具有下列性質(zhì)。
(1)特征的普遍性,即是說(shuō)要人人都具有,比如只有一部分人才有的胎記或疤痕,就無(wú)法用于大范圍的身份識別;
(2)特征的唯一性,即每個(gè)人所具有的特征都應與其他人不一樣;
(3)特征的穩定性,即特征或行為應在一個(gè)相當長(cháng)的時(shí)間內保持不變,經(jīng)常變化的特征是無(wú)法保證識別系統的魯棒性的;
(4)可采集性,即是否可以方便地獲取并量化這些特征或行為。
然而,在實(shí)際操作中,僅僅滿(mǎn)足上述四個(gè)性質(zhì)還是不夠的,還需要考慮到以下問(wèn)題:
(1)系統整體的性能,也就是說(shuō)采用這種特征來(lái)識別人的身份,其速度、精度以及系統的魯棒性是否能夠達到規定的指標要求;
(2)采用這種生物特征人們是不是可以接受,是否干涉了人的隱私或對人體有傷害,以及是否操作方便等等。
綜上所述,對于一個(gè)實(shí)用的生物識別系統而言,應具備以下特征:
(1)用于識別的生物特征可以被人們所接受;
(2)可以方便地獲取這些生物特征;
(3)系統的識別精度和速度能夠滿(mǎn)足應用需要;
(4)對于各種欺騙手段,系統應有足夠的適應性。
圖1.1所示的是一個(gè)通用的生物識別系統的框圖。從圖上我們可以看出,生物識別系統就是一個(gè)通過(guò)驗證人的生理特征或行為動(dòng)作來(lái)識別人的身份的模式識別系統。從體系上來(lái)說(shuō),該系統可以分為登記和認證兩大模塊。登記模塊的作用是把人體的生物特征存入識別系統,在這個(gè)階段,首先利用生物特征采集器獲取人體特征產(chǎn)生特征的原始信息,為了減少生物特征信息的存儲量、節省存儲介質(zhì)、方便后續的特征模式匹配過(guò)程,這些原始信息一般需要進(jìn)行進(jìn)一步處理,壓縮信息量,提取最有效的特征信息(一般稱(chēng)之為模板Template),最后根據不同的應用工程的需要,將特征信息存入用戶(hù)數據庫或用戶(hù)IC卡上;生物特征認證模塊用于在訪(fǎng)問(wèn)控制中驗證人的身份。在這個(gè)階段,同樣需要用采集器來(lái)獲取人體的生物特征,然后使用類(lèi)似于登記模塊中的處理方法,用一種更緊湊的形式來(lái)描述獲取的信息。最后匹配子模塊使用模板數據庫中的模板與獲取的壓縮生物特征信息進(jìn)行比較,并且給出判斷結果。

如圖1.1所示的生物識別系統,根據其應用目的的不同,可以分為兩大類(lèi),即驗證(Verification)和辨識(Identification)。驗證就是通過(guò)把現場(chǎng)采集到的生物特征與一個(gè)己經(jīng)登記的模板進(jìn)行“一對一的比對(one-to-one matching)”來(lái)確認身份的過(guò)程。這種一對一的驗證回答了這樣一個(gè)問(wèn)題:他是他自稱(chēng)的這個(gè)人嗎?。辨識則是把現場(chǎng)采集到的生物特征同數據庫中的模板逐一對比,從中找出與現場(chǎng)特征相匹配的模板。這也叫“一對多匹配(one-to-many matching)”,記作“1:N”比對。辨識這種比對方式回答了這樣一個(gè)問(wèn)題:他是誰(shuí)?驗證和辨識在比對算法和系統設計上各具特點(diǎn)。例如:驗證系統對比對算法的速度要求不如辨識系統高,但更強調易用性;另外在辨識系統中,一般要使用分類(lèi)技術(shù)來(lái)加快查詢(xún)的速度或采用快速的比對算法。
基于信物或口令的系統,由于人為的造假或者驗證人的疏忽,會(huì )引起驗證的錯誤,這些錯誤主要表現在誤識別上面。生物識別系統作為一種典型的模式識別系統,它的判斷結果是一個(gè)有一定置信度的結果,這個(gè)有一定置信度的結果有可能出現兩種錯誤判斷,一是把正確的匹配當成錯誤的而拒絕(拒真率False Reject Rate, FRR),又叫拒識率;另一種則是把原本不匹配的當成正確的而接納(誤識率False Accept Rate, FAR),又叫誤識率。對于一個(gè)實(shí)際的應用系統,如果系統的拒識率FRR較大,就會(huì )造成用戶(hù)多次輸入而無(wú)法確認其身份,使用戶(hù)感到不便,進(jìn)而對該系統產(chǎn)生不信任和厭惡感;如果系統的誤識率FAR較大,就會(huì )降低系統的安全性,對合法的用戶(hù)造成損失。在一個(gè)生物識別系統中,系統的拒識率和誤識率是一對相互矛盾的參數,不可能使兩個(gè)參數同時(shí)達到最低。一個(gè)參數的減少必然會(huì )導致另外一個(gè)參數的增加。因此在實(shí)際的應用工程中,我們只能根據用途的不同,調整系統的參數,使其滿(mǎn)足不同目的的需求。對于高度機密的訪(fǎng)問(wèn)控制,則可適當提高拒識率,把誤識率降到最小;反之,一般安全等級用途的用戶(hù),適當的降低拒識率。

對于一個(gè)生物識別系統,我們一般用ROC(Receiver Operating Curve)曲線(xiàn)來(lái)描述系統的整體性能。曲線(xiàn)上的每一點(diǎn),都對應了一定安全閾值下系統的FRR和FAR.圖1.2給出了ROC曲線(xiàn)的一個(gè)實(shí)例。在實(shí)際應用中,因為各廠(chǎng)商和研究機構實(shí)際只是給出了最好的FRR和FAR,而這兩個(gè)參數并不是對應同一個(gè)安全閾值,所以,一個(gè)更為科學(xué)的評估參數———等錯誤率(ERR)被廣泛應用,所謂等錯誤率,是指FRR與FAR相等時(shí)的FRR和FAR的取值(如圖1.2所示)。很顯然,ERR越小,系統的整體安全性越高。另外,系統的匹配速度也是系統性能的一個(gè)重要指標,該指標通常是能夠影響ROC曲線(xiàn)的。特別是對于辨識系統,由于做“一對多”的指紋匹配,速度就顯得格外重要。
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