三維掌紋特征提取與識(shí)別.pdf

1、當(dāng)今社會(huì)，信息安全已成為世界各國(guó)廣泛關(guān)注的重要問(wèn)題。隨著通信技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，人類(lèi)物理和虛擬活動(dòng)空間不斷擴(kuò)大，社會(huì)對(duì)于人類(lèi)自身身份認(rèn)證的準(zhǔn)確性、安全性和實(shí)用性提出更高要求。由于目前廣為使用的身份證和IC卡、密碼等傳統(tǒng)的身份認(rèn)證方法存在失密和易受攻擊的缺陷，易造成重大的安全隱患和經(jīng)濟(jì)損失。人們開(kāi)始把目光轉(zhuǎn)向生物特征識(shí)別技術(shù)，希望籍此來(lái)構(gòu)筑更加健壯可靠的信息安全系統(tǒng)。
　　 理論上，任何一種具有“人人擁有，人各不同，長(zhǎng)期不變”

2、等特點(diǎn)，并且可以利用現(xiàn)有的傳感器技術(shù)進(jìn)行測(cè)量的生理或行為特征都可以認(rèn)為是一種人體生物特征。目前常用的生物特征識(shí)別技術(shù)主要有指紋、手形、虹膜、人臉、掌紋、簽名、語(yǔ)音、步態(tài)等。掌紋以其可區(qū)分度高、采集方便、易于被人接受等優(yōu)點(diǎn)在生物特征識(shí)別領(lǐng)域受到越來(lái)越多的關(guān)注與研究。傳統(tǒng)的二維掌紋識(shí)別主要是基于二維圖像的，從二維圖像中提取有用信息進(jìn)行身份鑒別。二維掌紋是一種快速有效的生物特征鑒別方法，目前在中等規(guī)模（包含用戶(hù)數(shù)量400左右，樣本數(shù)量8000

3、左右）的掌紋庫(kù)上的等誤率(Equal Error Rate)已經(jīng)降到0.1％以下，但要想進(jìn)一步提高識(shí)別率，單依賴(lài)二維圖像顯得非常困難。而且二維掌紋比較容易復(fù)制，一旦通過(guò)某種手段得到相關(guān)人員的一定精度的二維掌紋圖像，就會(huì)使得相關(guān)設(shè)備的安全性受到威脅。除了良好的防偽能力，在對(duì)應(yīng)光照變化、姿態(tài)變化等方面，三維掌紋比二維掌紋更是具有先天性的優(yōu)勢(shì)。隨著三維獲取設(shè)備以及三維測(cè)量方法的不斷改進(jìn)，快速即時(shí)的獲取三維掌紋信息已經(jīng)成為可能。目前，三維信息在

4、生物特征識(shí)別的其他某些領(lǐng)域，如人臉識(shí)別、耳朵識(shí)別等方面的研究方興未艾，而且初步顯示了三維信息和三維特征的許多優(yōu)越性。三維掌紋識(shí)別的研究開(kāi)辟了掌紋識(shí)別的新的途徑，不僅彌補(bǔ)了二維掌紋識(shí)別的一些不足，而且對(duì)其他三維生物特征識(shí)別也會(huì)在方法層面上做出其相應(yīng)的貢獻(xiàn)，共同促進(jìn)三維生物特征識(shí)別的研究與發(fā)展。
　　 本文首次對(duì)三維掌紋特征提取與識(shí)別進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，其研究?jī)?nèi)容主要包括：
　　 1．三維掌紋采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與搭建。目前，常用的

5、光學(xué)三維成像技術(shù)主要包括多視角三維成像技術(shù)、激光掃描三維成像技術(shù)、結(jié)構(gòu)光三維成像技術(shù)等等。綜合考慮成像精度、成像速度、設(shè)備成本等方面因素，采用基于結(jié)構(gòu)光三維成像技術(shù)，設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)了三維掌紋采集系統(tǒng)。在此三維掌紋采集系統(tǒng)的平臺(tái)上，采集并建立了世界上首個(gè)三維掌紋樣本公開(kāi)庫(kù)。三維掌紋樣本庫(kù)的建立是進(jìn)行三維掌紋識(shí)別研究的前提與基礎(chǔ)，對(duì)三維掌紋識(shí)別具有重要的意義和貢獻(xiàn)。
　　 2．三維掌紋局部特征提取與識(shí)別。提取的局部特征主要包括掌紋的線(xiàn)特

6、征、局部形狀特征以及方向特征。直接從三維數(shù)據(jù)中提取線(xiàn)和方向等特征是比較困難的，因?yàn)榧词故钦萍y信息中最突出的主線(xiàn)，在三維數(shù)據(jù)中其深度變化也是非常微小的。為此，提出了基于曲率的均值曲率圖(MCI)和高斯曲率圖(GCI)，然后在這兩種曲率圖的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提取線(xiàn)特征、局部形狀特征以及方向特征，并用這些特征進(jìn)行身份驗(yàn)證與識(shí)別。
　　 3．三維掌紋全局特征提取與分類(lèi)。三維掌紋全局特征是三維掌紋特有的，和線(xiàn)特征以及其他局部特征完全不相關(guān)的全新

7、的特征。本文定義了三種全局特征：最大掌深(MD)，水平橫截面積(HCA)，射線(xiàn)長(zhǎng)度(RLL)。把這些全局特征看成一個(gè)列向量，然后用正交線(xiàn)性判別分析(OLDA)的方法將列向量降維到合適的低維空間，最后用這些低維空間的向量對(duì)掌紋樣本進(jìn)行粗分類(lèi)和索引，從而提高掌紋識(shí)別的效率。
　　 4．三維掌紋的配準(zhǔn)與融合。配準(zhǔn)是生物特征識(shí)別不可忽略的步驟，配準(zhǔn)的好壞直接影響最后匹配算法的精度與效率。傳統(tǒng)的掌紋定位通常是在手指之間搜尋幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，然后