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《電子測(cè)試雜志》2015年第四期

1指紋采集和處理

目前指紋光學(xué)采集技術(shù)已十分成熟且使用廣泛，其具有使用時(shí)間長(zhǎng)、溫度變化適應(yīng)能力強(qiáng)、分辨率高和價(jià)格便宜等特點(diǎn)。企業(yè)大部分購(gòu)置筆記本電腦辦公，且多數(shù)配備指紋識(shí)別器。對(duì)于未配置指紋識(shí)別器或臺(tái)式電腦也可通過(guò)配置外置USB指紋識(shí)別器（或指紋采集儀）來(lái)實(shí)現(xiàn)指紋數(shù)據(jù)采集和識(shí)別。在首次登錄訪問(wèn)受保護(hù)的信息系統(tǒng)時(shí)需要完成用戶注冊(cè)，注冊(cè)過(guò)程需采集用戶指紋樣本信息，并將用戶帳號(hào)和指紋樣本信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)保存到指紋數(shù)據(jù)庫(kù)中，以便身份鑒別匹配時(shí)提取指紋樣本。為了提高方案的可用性，避免因個(gè)別手指損傷而導(dǎo)致不能正常通過(guò)鑒別登錄信息系統(tǒng)，一個(gè)用戶帳號(hào)可同時(shí)綁定多個(gè)手指指紋樣本信息。在注冊(cè)和登錄時(shí)通過(guò)指紋識(shí)別設(shè)備采集的指紋為指紋原始圖像，需經(jīng)過(guò)專業(yè)的指紋圖像處理技術(shù)處理以提高指紋圖像質(zhì)量和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。目前國(guó)內(nèi)外主要的指紋圖像技術(shù)處理包括指紋圖像增強(qiáng)、指紋圖像平滑處理、二值化處理和細(xì)化處理等步驟。

1.1指紋圖像增強(qiáng)處理指紋圖像增強(qiáng)處理是指紋識(shí)別非常重要的過(guò)程，其效果的好壞直接影響指紋特征提取的正確性。該過(guò)程目的主要針對(duì)因手指損傷引起的脊線中斷和汗、水漬等引起的脊線谷線不明顯、脊線粘連、污跡等問(wèn)題，利用指紋圖像增強(qiáng)算法消除脊線中斷，增強(qiáng)指紋脊谷對(duì)比度，使得指紋圖像更加清晰，提高指紋特征值提取的準(zhǔn)確性。

1.2指紋圖像平滑處理指紋圖像平滑處理是從指根據(jù)紋圖像的紋形特征,分析指紋圖像的灰度分布規(guī)律,通過(guò)基于方向均值濾波的指紋圖像平滑算法處理，讓采集到的指紋圖像脊谷線灰度級(jí)變得均勻一致。

1.3指紋圖像二值化處理通過(guò)指紋識(shí)別器采集到的指紋圖像中，各象素的灰度是不同的，并按一定的梯度分布。指紋圖像二值化處理是指通過(guò)設(shè)定灰度級(jí)閾值，判定指紋圖像上的像素是不是嵴線上的點(diǎn)，將灰度指紋圖像變換為由0和1表示的黑白圖像。指紋圖像二值化后，可大大減少數(shù)據(jù)量，并可簡(jiǎn)化指紋圖像細(xì)化處理。

1.4指紋圖像細(xì)化處理指紋圖像細(xì)化處理是將指紋嵴線的圖像寬度降為單個(gè)像素的寬度，得到指紋嵴線的骨架紋形圖像的過(guò)程。這個(gè)過(guò)程進(jìn)一步減少了指紋圖像數(shù)據(jù)量，清晰化了嵴線形態(tài)，方便對(duì)指紋特征提取，并提高特征提取的準(zhǔn)確性。

2指紋特征的提取和匹配

指紋圖像經(jīng)過(guò)技術(shù)處理后下一步進(jìn)行指紋特征提取，指紋的驗(yàn)證匹配過(guò)程是通過(guò)對(duì)比指紋特征來(lái)完成，本方案核心就是通過(guò)指紋的驗(yàn)證匹配過(guò)程完成用戶身份的鑒別。指紋識(shí)別技術(shù)定義了指紋的兩類特征來(lái)進(jìn)行指紋的驗(yàn)證：總體特征和局部特征。在考慮局部特征的情況下,只要滿足13個(gè)指紋特征點(diǎn)重合,就可以認(rèn)定為同一個(gè)指紋。指紋的總體特征包括:紋形（環(huán)型,弓型,螺旋型）、模式區(qū)、核心點(diǎn)、三角點(diǎn)、式樣線、紋數(shù)。指紋的局部特征是指指紋上的節(jié)點(diǎn)的特征，這些具有某種特征的節(jié)點(diǎn)稱為特征點(diǎn),包括:特征點(diǎn)的類型（脊端點(diǎn)、分叉點(diǎn)、歧點(diǎn)、孤立點(diǎn)、環(huán)點(diǎn)、短紋）、方向、曲率、位置?；谥讣y識(shí)別技術(shù)的身份鑒別系統(tǒng)核心為指紋圖像特征提取，在所有指紋的局部特征中脊端點(diǎn)及分叉點(diǎn)(圖3(b))是指紋細(xì)化圖像的主要特征，本文利用這兩種主要特征創(chuàng)建指紋特征向量。經(jīng)過(guò)二值化后的指紋圖像像素點(diǎn)的灰度值只有（0表示背景點(diǎn)灰度）和（1表示紋線點(diǎn)灰度），假設(shè)被檢點(diǎn)為P，其相鄰的點(diǎn)分別由P1，P2…,P（8圖3(a)）表示，則可通過(guò)3×3的向量組記錄被檢點(diǎn)P的8個(gè)相鄰點(diǎn)灰度值，設(shè)Cn(P)為交叉數(shù)，Sn(P)為像素8相鄰紋線點(diǎn)數(shù)，根據(jù)3×3的向量組計(jì)算交叉數(shù)的公式為。具體的算法為：(1)以被檢測(cè)點(diǎn)P為起點(diǎn)，對(duì)P的8個(gè)相鄰點(diǎn)沿指紋脊線進(jìn)行搜索，當(dāng)公式計(jì)算結(jié)果滿足脊端點(diǎn)與分叉點(diǎn)判定時(shí)（圖4）分別進(jìn)行標(biāo)記；(2)以同樣的方法對(duì)步驟（1）中已標(biāo)記的點(diǎn)的8個(gè)相鄰點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算標(biāo)記，直到所有的指紋像素點(diǎn)完成標(biāo)記或無(wú)法再組成8個(gè)相鄰點(diǎn)向量組。系統(tǒng)終端在采集到指紋圖像后處理并提取指紋特征，根據(jù)指紋特征分類分析并記錄相應(yīng)的特征數(shù)據(jù)，指紋特征數(shù)據(jù)在注冊(cè)過(guò)程中將作為指紋樣本保存到指紋數(shù)據(jù)庫(kù)。在用戶登錄受保護(hù)的信息系統(tǒng)時(shí)，采集的指紋經(jīng)過(guò)特征提取后和保存在指紋數(shù)據(jù)庫(kù)中的指紋特征樣本進(jìn)行逐項(xiàng)對(duì)比，通過(guò)用戶身份鑒別的方可訪問(wèn)信息系統(tǒng)。

3指紋信息加密傳輸和存儲(chǔ)

系統(tǒng)終端采集到的指紋信息在經(jīng)過(guò)提取指紋特征后，指紋特征信息需經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸和指紋樣本保存完成注冊(cè)和指紋身份鑒別。在指紋特征信息傳輸和存儲(chǔ)過(guò)程中存在一定的安全隱患，為了防止指紋信息被竊取或惡意篡改，本文增加了加密解密模塊加強(qiáng)用戶指紋信息的安全性和保密性。本方案中采用RSA非對(duì)稱公鑰加密技術(shù)，該方式不需要進(jìn)行密鑰傳遞，極大的保證了密鑰的安全。所有經(jīng)過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)闹讣y信息都經(jīng)過(guò)了RSA加密技術(shù)加密，且指紋數(shù)據(jù)庫(kù)中保存的也是經(jīng)過(guò)加密后的指紋信息。

4雙重身份鑒別流程

本文提出的基于指紋識(shí)別技術(shù)的雙重身份鑒別方案中對(duì)于指紋的使用主要分為2個(gè)場(chǎng)景，用戶指紋信息注冊(cè)和用戶登錄系統(tǒng)指紋鑒別。因用戶指紋信息注冊(cè)較用戶登錄指紋鑒別流程簡(jiǎn)單，固不再闡述。用戶登錄系統(tǒng)指紋鑒別流見下圖：(1)用戶在終端輸入用戶信息：用戶賬號(hào)、靜態(tài)密碼和指紋信息；(2)指紋被采集后經(jīng)過(guò)指紋圖像處理，然后分析指紋特征信息并完成指紋特征信息提取,最后對(duì)指紋特征信息進(jìn)行加密；(3)系統(tǒng)客戶端向應(yīng)用服務(wù)器發(fā)出登錄信息請(qǐng)求，攜帶經(jīng)過(guò)加密后的用戶信息和指紋信息；(4)應(yīng)用服務(wù)器收到登錄請(qǐng)求后直接向指紋鑒別服務(wù)器發(fā)出鑒別請(qǐng)求，攜帶加密的用戶信息和指紋信息；(5)鑒別服務(wù)器收到請(qǐng)求后對(duì)用戶信息進(jìn)行解密，根據(jù)用戶賬號(hào)查詢指紋數(shù)據(jù)庫(kù)和用戶賬號(hào)綁定的指紋注冊(cè)樣本。首先對(duì)用戶賬號(hào)和靜態(tài)密碼進(jìn)行驗(yàn)證，完成第一次鑒別。然后解密用戶注冊(cè)的指紋樣本并逐一和請(qǐng)求的指紋特征信息進(jìn)行匹配，完成第二次鑒別。兩次身份鑒別通過(guò)后響應(yīng)應(yīng)用服務(wù)器通過(guò)身份鑒別，同時(shí)保存用戶登錄日志到數(shù)據(jù)庫(kù)；(6)應(yīng)用服務(wù)器收到身份鑒別通過(guò)響應(yīng)后通知系統(tǒng)終端并允許登錄。

5安全性分析

在未具備雙重身份鑒別能力的系統(tǒng)中，使用靜態(tài)密碼登錄存在密碼被竊取或泄露的風(fēng)險(xiǎn)，系統(tǒng)會(huì)被惡意操作或信息泄露。本文提出的雙重身份鑒別采用了生物識(shí)別技術(shù)，利用了指紋識(shí)別的方式完成用身份鑒別。因人體指紋的生物特征具有穩(wěn)定、唯一和準(zhǔn)確等特性,以及指紋具有易攜帶、易采集、不易丟失、不可復(fù)制等特點(diǎn)，可百分之百的對(duì)用戶身份進(jìn)行鑒別，同時(shí)保存的用戶登錄指紋日志可作為不可抵賴證據(jù)。所有用戶指紋信息的傳輸和存儲(chǔ)都經(jīng)過(guò)加密處理，確保了用戶指紋信息不被泄露和竊取。

6結(jié)論

本文提出的雙重身份鑒別方案通過(guò)指紋識(shí)別技術(shù)和靜態(tài)密碼認(rèn)證方式進(jìn)行兩次身份鑒別，確保了系統(tǒng)身份認(rèn)證的準(zhǔn)確和不可抵賴性。目前指紋識(shí)別技術(shù)的成熟和指紋采集設(shè)備的普及程度，完全滿足本方案需求。本文雙重身份鑒別方案具有較高的安全性和百分之百的準(zhǔn)確性，且操作使用方便，實(shí)現(xiàn)和改造成本低，可替代傳統(tǒng)的單一身份鑒別用戶認(rèn)證方式，從而滿足信息安全等級(jí)保護(hù)的要求。

作者：袁小凱蒙家曉關(guān)澤武單位：南方電網(wǎng)科學(xué)研究院信息技術(shù)與信息安全實(shí)驗(yàn)室