基于指纹识别的证件防伪技术研究
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第一章 绪 论
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第一章 绪 论
§1.1 研究背景及意义
随着人类社会的发展，在高度信息化、网络化的信息社会中，如何准确鉴定
一个人的身份、保护信息安全是当今待解决的关键社会问题。作为证件来讲，每
个人需要不止一个证件，证明个人身份的有：身份证、护照、驾驶证、出入证等；
证明某种能力的有：各种学历证书、资格证书等。而在证件中一般又以照片来识
别个人身份，这样容易产生证件伪造和证件丢失后被他人所用的缺点。在以往，
通常将防伪纸张，防伪油墨，防伪印刷等技术应用于证件上，以防止其伪造，但
传统的许多防伪技术，都存在技术含量不高、技术更新慢、随机性差等弊端。
而生物特征识别技术可以很好的解决上面两个缺点。所谓生物特征识别技术
(Biometric Identification Technology)就是利用人体生物特征进行身份认证的
一种技术。生物特征识别具有以下几个特点[1]：
(1) 广泛性 即每个人都应该具有这种特征。
(2) 惟一性 每个人拥有的该项特征各不相同，独一无二。
(3) 稳定性 该特征不随时间、外界条件变化。
(4) 可采集性 所选择的特征应便于测量。
由于生物特征识别技术的特性，可以给证件的使用带来良好的补充。若将某种生
物特征信息嵌入到证件中，并将其加密后作为标识用于识别，传统方式带来的缺
陷将迎刃而解：一方面，由于生物特征与加密算法的结合使用，伪造证件的难度
将大大增加；另一方面，由于生物特征的惟一性，人们再也不用怕因为证件遗失
或被盗而造成损失。
目前 ，研究和使用的生物特征包括脸部、虹膜、视网膜、指纹、掌纹、手形
等与生俱来的生理特征和语音、签名、步态等后天习惯使然的行为特征。而其中，
指纹识别是生物识别中研究最深入，应用最广泛，发展最成熟的技术。指纹识别
主要是根据人体指纹的纹路、细节特征等信息对操作或被操作者进行身份鉴定，
它具有独一无二的个体特征，良好的稳定性，并且特征的精确度和复杂度足以满
足高准确的鉴别需求，且读取可靠，可在相当长的时间内维持不变:指纹的采集方
式属于非损伤性和非敏感性的采集，易于为操作者接受;指纹采集的速度也较快，
使用方便;指纹采集设备也较为简单，小型化。
正是由于指纹识别技术有如此多的优点，正在被广泛的应用于个人身份鉴定，
例如PC登录认证、私人数据安全、电子商务安全、考勤、门禁系统、网络数据、
刑事侦破与罪犯缉捕等。
本文研究的是指纹一对一的比对认证。主要将指纹识别技术应用于证件的印
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刷防伪和识别中。解决了传统证件，容易伪造，且被人盗用后为他人所用等问题。
提高了证件在使用中的方便性及安全性。
§1.2 生物识别技术概述及指纹识别技术的特点
生物识别技术是利用人体生物特征进行身份认证的一种技术。生物特征是唯
一的，可以测量或可自动识别和验证的生理特性或行为方式，分为生理特征和行
为特征。生物识别系统对生物特征进行取样，提取其唯一的特征并且转换成数字
代码，并进一步将这些代码组成特征模板，人们同识别系统交互进行身份认证时，
识别系统获取其特征并与数据库中或单一的特征模板进行比对，以确定是否匹配，
从而接受或拒绝该人。
生物特征包括脸部、虹膜、视网膜、指纹、声音等，以下将介绍一些重要特征
在识别系统中的优缺点。
1、人脸
人脸识别技术通过对人脸特征和它们之间的关系来进行识别,早期主要采用
特征脸、神经网络等方法，需要人工智能和机器知识学习系统，用于捕捉面部图
像的两项技术是标准视频和热成像技术。标准视频技术通过一个标准的摄像头摄
取面部的图像或者一系列图像，在面部被捕捉之后，一些核心点被记录。例如，
眼睛，鼻子和嘴的位置以及它们之间的相对位置被记录下来然后形成模板；热成
像技术通过分析由面部的毛细血管的血液产生的热线来产生面部图像，与视频摄
像头不同，热成像技术并不需要在较好的光源条件下，因此即使在黑暗情况下也
可以使用。
人脸识别的优点是：非接触的，安全、稳定、便利；且拥有巨大的监控优势。
缺点是：被测者面部的位置与周围的光环境都可能影响系统的精确性；面部识别
具有不准确性的,容易被欺骗；人脸识别技术的改进依赖于提取特征与比对技术的
提高，并且采集图像的设备会比其技术昂贵得多；由于人面部如头发、饰物、变
老以及其他的变化,对于图像的采集可能需要通过人工智能来补偿，以改进核心数
据和弥补微小的差别。
2、声音
声音识别是一种行为识别技术，声音识别设备不断地测量、记录声音的波形
和变化，并进行频谱分析，经数字化处理之后做成声音模板加以存储，使用时将
现场采集到的声音同登记过的声音模板进行精确的匹配，以识别该人的身份。
声音识别优点是：非接触的识别技术，容易接受。缺点是：声音因为变化的
范围太大,很难进行一些精确的匹配；声音会随着音量、速度和音质的变化(例如
当你感冒时)而影响到采集与比对的结果；容易用录在磁带上的声音来欺骗声音识
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别系统；高保真的麦克风价格昂贵。
3、虹膜
虹膜是一种在眼睛中瞳孔内的织物状的各色环状物,每一个虹膜都包含一个
独一无二的基于像冠、水晶体、细丝、斑点、结构、凹点、射线、皱纹和条纹等
特征的结构,科学研究表明,没有任何两个虹膜是一样的。虹膜识别是与眼睛有关
的生物识别中对人产生较少干扰的技术。它使用相当普通的照相机元件，而且不
需要用户与机器发生接触。
虹膜识别优点是：便于使用；是最可靠的生物识别技术；无需物理的接触。
缺点是：当前的虹膜识别系统只是用统计学原理进行小规模的试验;图像获取设备
的尺寸难于小型化；聚焦需要昂贵的摄像头；镜头可能导致图像畸变，大大降低
可靠性；黑眼睛极难读取；需要一个比较好的光源。
4、视网膜
视网膜识别技术是利用激光照射眼球的背面，扫描摄取几百个视网膜的特征
点,经数字化处理后形成记忆模板存储于数据库中，供以后的比对验证。视网膜是
一种极其稳定的生物特征,作为身份认证是精确度较高的识别技术。但使用困难，
不适用于直接数字签名和网络传输。
视网膜识别优点是：视网膜是一种极其固定的生物特征，因为它是“隐藏”
的，故而不可能磨损、老化或是为疾病影响；使用者不需要和设备进行直接的接
触；很难被欺骗的系统。缺点是：视网膜技术未经过任何测试；视网膜技术可能
会给使用者带来健康的损坏，这需要进一步的研究；对于消费者，视网膜技术没
有吸引力；很难进一步降低它的成本。
5、指纹
指纹识别技术通过分析指纹的全局特征和指纹的局部特征，特征点如脊、谷
和终点、分叉点或分歧点，从指纹中抽取的特征值。平均每个指纹都有几个独一
无二可测量的特征点,每个特征点都有大约七个特征，十个手指产生最少4900个独
立可测量的特征，这说明指纹识别是一个足够可靠的鉴别方式。
指纹识别优点是：指纹具有独一无二性，并且其复杂度足以提供用于鉴别的
足够特征；扫描指纹的速度快，使用方便；指纹采集方便、可靠；指纹采集器小
巧，并且价格低廉。缺点是：某些人或群体的指纹由于一些原因，特征很少，故
而很难成像。
由上所述，相对于其它身份识别技术，自动指纹识别技术是一种更为理想、
更加成熟的身份确认技术，主要是因为：
(1) 便于获取指纹样本，易于开发识别系统，实用性强。识别系统中完成指
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纹采样功能的硬件部分较易实现。
(2) 一个人的十个手指指纹皆不相同，可以方便地利用多个指纹构成多重口
令，提高系统的安全性，而且不会增加系统的设计负担。
(3) 指纹识别中使用的模板并非最初的指纹图像，而是由指纹图像中提取的
关键特征，系统模板库的存储量较小。另外，对输入的指纹图提取关键特征后，
可以大大减少网络传输的负担，便于实现异地确认，支持计算机的网络功能。
§1.3 指纹识别技术简介、现状及发展情况
§1.3.1 指纹识别技术
日常称呼的指纹识别技术其实包括“指纹采集技术”和“指纹识别技术”，后
者即人们常说的“指纹算法技术”。
指纹采集技术的发展经过了较长的历史时期，其过程也随传感技术的发展而
影响和推动。第一代指纹采集技术采用“按压留痕”的方式来采集指纹，利用的
是指纹“触物留痕”的特性，这一时期主要通过“ 油墨－ 指纹卡”的方式采集。
第二代指纹采集技术采用自动化、数字化的采集方式，指纹数据以数字信息表示
和存储。现有的光学指纹采集仪、半导体压感指纹采集仪、温感指纹采集仪和电
容式采集指纹采集仪都是数字化自动指纹采集技术。指纹采集的过程本质上是指
纹成像的过程，其原理是根据脊与谷的几何特性、物理特征和生物特性的不同，
以得到不同的反馈信号，根据反馈信号的量值来绘成指纹图像。
指纹识别技术属于模式识别的范畴。指纹识别实际上是通过特定的数学算法
来分析指纹特征，并判定两枚指纹特征的相似度，包括指纹特征分析和匹配两大
过程。指纹特征分析是对指纹图案的整体特征和细节特征进行提取、鉴别的过程。
指纹特征值匹配是对指纹图案的整体特征和细节特征按模式识别的原理进行比对
匹配，匹配是在已注册的指纹和当前待验证的指纹之间进行的，匹配运算不是对
两个指纹图像进行比较，而是对已形成数字模板的指纹特征值进行匹配。指纹特
征值匹配从整体特征和局部特征两个方面进行。整体特征的匹配包括对指纹纹形
的分类和判断，指纹脊密度的判断等。局部匹配包括每个细节点的类型匹配、坐
标匹配、质量匹配、方向匹配等，甚至还包括由一组特征值之间形成的拓扑关系
的匹配。
§1.3.2 现代指纹技术发展史
现代指纹人身标识技术起始于十六世纪晚期。1684年，英国的植物形态学者
N.Grew对指纹作出了系统的研究并发表了一篇论文，文中详细分析了指纹的犁沟、
脊线、汗腺孔的结构，这篇文章被认为是有关指纹技术的第一篇科学文献[2] 。1788
年，Mayer对指纹的构造原理和指纹脊线犁沟分布特点做出了详细的描述，给出了
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解剖学形式的详细报告[3]。1823年，Purkinje提出了最早的指纹分类策略[4]。
H .Fauld在1880年科学地指出指纹的个人唯一性和终身不变性，这使得指纹在犯
罪鉴别中得以正式应用(1896年阿根廷首次应用)，与此同时，Herschel声称，他
将指纹作为身份验证的依据已有近20年的历史了。这些发现建立了现代指纹身份
验证技术的基础。十九世纪末，F.Galton对指纹进行了更为深入的研究，并在1888
年提出利用细节特征点进行单个指纹分类的方法[5]。1899年E.Henry建立了著名的
Henry指纹分类系统，提高了指纹验证效率，为指纹用于人身标识起了重要的推动
作用及成为科学的鉴别标准[6]。
到二十世纪早期，结合解剖学观点，人们对指纹的构成己经有了很好的了解，
指纹鉴别被司法部门正式规定为合法的人身辨识方法，指纹鉴别己经成为司法调
查的一道标准程序，指纹鉴别机构在世界范围内开始建立，构造出大量的罪犯指
纹库。六十年代，随着计算机的出现，人们开始了对自动指纹鉴别技术的研究。
美国联邦调查局(FBI)巴黎警部首先开发了自动指纹鉴别系统(AFIS)大大提高了
法律相关部门的效率。在司法部门取得的成功，也大大推进了自动指纹鉴别系统
向其他民用领域的转化。
目前，利用计算机进行指纹识别的技术在国外己很成熟，并且己经开始大规
模推广。许多大公司有专门的机构从事该项技术的研究、开发、应用，包括IBM，
Intel，Microsoft，Digitalpersona， Identix，Motorola-韩国现代、朝鲜培富
士、法国THOMSON一CSF、台湾Aetex公司、Veridicom，等，其中Identix公司在生
物识别技术领域独树一帜，韩国现代、朝鲜培富士在识别算法上都达到世界先进
水平。从指纹的采集到图像的处理、识别、比对技术都很成熟。指纹采集器多采
用光学采集器，识别算法的速度得到提高。多是基于DSP的指纹识别独立模块，可
以脱机工作，也可通过接口进行二次开发，从而方便快捷地整合到其它系统中去。
整个模块具有体积小、成本低、开发简单、应用灵活等优点。
§1.3.3 国内指纹识别的应用状况
第一，以指纹模块为应用核心的锁具考勤机、门禁、锁具类市场。这三类指
纹产品是嵌入式指纹产品的主力市场。其中指纹考勤机产品经过了至少7年的发展
改进，产品性能已经非常成熟。在市场方面，这两类产品的价格已经降到几百元
人民币的区间。众多的办公用品厂商已经开始转型到指纹考勤市场，这方面的渠
道商参与也非常活跃。指纹门锁目前的主要消费群有高档楼盘、办公室等集体消
费者。相信经过2-3年发展，指纹门锁将逐步进入普通老百姓的家中。第二，以指
纹认证平台为应用核心的软件信息化系统市场。这包括在OA/CRM/ERP/会员管理/
远程接入等信息化系统中，使用指纹技术作为信息化系统的身份认证平台。随着
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信息安全问题的日益严重，信息安全事件中因为账户密码引起的信息泄漏占到了
总事件的70%以上。也就是说，大部分的信息安全事故都是由于采用了不太安全的
账号密码机制，因为账号密码机制的天生缺陷易被盗用、易被窃取、易被破解、
易被复制和传递，导致了整个信息安全体系的隐患。所以，指纹认证是所有信息
安全系统的最先进最安全的认证体系。因此，这一部分市场，将随着对信息安全
问题的重视而不断拓展开来。第三，以PC周边为应用核心的指纹数码、存储产品。
这些产品如指纹U盘、指纹移动硬盘、指纹笔记本电脑、指纹手机、指纹键盘和指
纹鼠标等，都在2005年就开始纷纷上市，成为各大媒体和消费者聚焦的对象。单
就指纹U盘来讲，2005年的大陆市场就出现了13种20多款；指纹移动硬盘有5种5款；
指纹鼠标有7种7款； 指纹键盘至少由3家国内公司推出。到2006年底，相当多的
移动存储品牌厂商、PC厂商都推出了自己的指纹产品，如SANDISK、威刚、爱国者
的指纹U盘、联想指纹识别笔记本、清华同方商用PC、清华紫光的指纹鼠标和指纹
键盘等。
目前，我国指纹识别技术在许多新领域也有了应用。指纹支付：通过把指纹
与银行卡绑定的方式，用指纹轻轻一点来完成消费支付。指纹UKEY：网上银行业
务用于进行身份验证的终端，它比目前的账号密码验证以及普通UKEY验证要更为
安全些。它完全不需要密码，使得病毒软件无可乘之机，也杜绝了网银账号盗用
的可能。指纹IC卡：通过在IC卡中存入持卡人指纹信息，可以大大提高IC卡的安
全性。
而随着指纹识别技术的不断发展，必将在其它领域得到广泛应用，比如智能
卡。智能卡是目前全国范围内使用量最大的个人身份信物，已经被应用于各种各
样的业务系统中。但智能卡存在以下缺点：容易丢失，并且不能真正的确认持卡
人是否为真正的主人。如果把智能卡与指纹技术结合，在智能卡中存储个人指纹
数据，可以把个人身份与个人信物有机统一起来。在使用时，通过指纹认证确认
持卡人身份后，再从卡上读取业务交易所需数据，从而保证了业务交易的安全，
又不影响使用的方便性。指纹识别技术一旦与智能卡结合使用，就可以把各类政
府发放的智能卡，如身份证、社保卡、医疗卡、通行证、驾驶证等统一为一个指
纹智能卡。这将大大方便民众的使用。
§1.4 本文的研究内容与组织结构
本文分析了指纹识别技术应用的现状和发展趋势，研究了指纹识别系统中大
部分指纹识别算法，并在前人的基础上优化和改进了一部分算法，同时提出了一
些新的算法，而对当前一些常见问题与算法，采用了通用的处理做法。然后将指
纹识别与证件的印刷防伪相结合，建立了加密指纹模板与输入指纹进行比对的软
摘要：
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第一章绪论1第一章绪论§1.1研究背景及意义随着人类社会的发展，在高度信息化、网络化的信息社会中，如何准确鉴定一个人的身份、保护信息安全是当今待解决的关键社会问题。作为证件来讲，每个人需要不止一个证件，证明个人身份的有：身份证、护照、驾驶证、出入证等；证明某种能力的有：各种学历证书、资格证书等。而在证件中一般又以照片来识别个人身份，这样容易产生证件伪造和证件丢失后被他人所用的缺点。在以往，通常将防伪纸张，防伪油墨，防伪印刷等技术应用于证件上，以防止其伪造，但传统的许多防伪技术，都存在技术含量不高、技术更新慢、随机性差等弊端。而生物特征识别技术可以很好的解决上面两个缺点。所谓生物特征识别技术(B...
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