CN102413148B - 基于可视密码的生物特征远程认证方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于可视密码的生物特征远程认证方法，用于解决传统生物特征远程认证系统中数据存储和传输的安全隐患。其实现步骤是：首先对用户进行注册；然后通过一般存取结构上的可视密码方法将注册生物特征图像分存为多张份额，定义份额图像的许可集，并确保仅许可集中的份额组合能够恢复出注册生物特征图像；接着将许可集中的任意份额组合相叠加，进行逻辑或运算，从而解密出注册生物特征图像；最后利用解密的注册生物特征图像对访问用户进行认证。本发明能够保证在任意份额图像遭破坏时，秘密生物特征图像仍可恢复，同时保证即使部分份额被窃取，也不会泄露秘密生物特征图像的信息，提高了生物特征远程认证过程中数据存储和传输的安全性。

Description

基于可视密码的生物特征远程认证方法

技术领域

本发明属于网络安全技术领域，涉及到远程认证过程中生物特征隐私保护的安全技术，具体是一种基于一般存取结构上的可视密码的生物特征，如指纹、虹膜、人脸等，远程认证方法，用于对数据库中的生物特征采用一般存取结构上的可视密码方法进行秘密分存，从而保证生物特征数据在传输和存储过程中的安全性。 

背景技术

在生物特征远程认证过程中，为了保证生物特征数据不被恶意破坏和窃取，需要安全保护技术作为支持。在现有大多数方案中，通常采用将密钥和生物特征模板数据有机融合的方法来保证生物特征数据在存储和传输过程中的安全性，而其中较常用的模板保护方法为基于辅助数据的理论和方法，但这些保护方法本身也存在一定缺陷，如方法复杂、不同生物特征所需方法不同、无法同时满足所有安全级别要求等。 

文献“Visual Cryptography for Biometric Privacy.IEEE Transactions on Information Forensics and Security，vol.6，no.1，pp.70-81，Mar.2011.”公开了一种基于门限可视密码方法的生物特征加密方法。该方法的主要思想是：在注册过程中，对生物特征图像进行二值化处理，转换成二值生物特征图像；然后通过最基本的二对二门限可视密码方法将生物特征图像分存为两张无意义的二值份额图像，并保存到两个独立的数据库中；在认证过程中，首先将两个独立数据库中的对应份额图像相互叠加，并通过逆变换恢复出原始的秘密生物特征图像；然后将新提取的生物特征图像与恢复的秘密生物特征图像相匹配。但是该方法存在以下缺陷： 

首先，二对二门限可视密码方法必须在同时拥有全部份额的情况下才能恢复秘密生物特征图像，所以存储于服务器的任意份额一旦遭到破坏便无法再恢复出秘密生物 特征图像； 

其次，由于生物特征匹配一般在客户端进行，因此份额图像必须传送到客户端，而二对二门限可视密码方法构造简单，只产生两张份额，在传输过程中，一旦两张份额同时丢失，秘密生物特征图像被窃取的几率便大大提高。 

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种基于一般存取结构上的可视密码的生物特征远程认证方法，以保证在任意份额遭破坏的情况下，秘密生物特征图像仍可恢复，同时保证即使部分份额被窃取，也不会泄露秘密生物特征图像的信息，提高生物特征远程认证过程中数据存储和传输的安全性。 

为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下步骤： 

1)对生物特征远程认证系统中的用户U进行注册，获取注册生物特征图像SI； 

2)利用一般存取结构上的可视密码方法对所得注册生物特征图像SI进行加密： 

2a)对注册生物特征图像SI进行二值化预处理，获得注册二值生物特征图像BS； 

2b)将二值生物特征图像BS分存为n张份额图像S₁，S₂，L，S_n，n为正整数； 

2c)从所得n张份额图像S₁，S₂，L，S_n中，选取属于禁止集组合Γ_forb的任意k张份额 

L， 

存储于客户端存储器中，k＜n，i₁，i₂，L，i_k为小于n的k个不相同的正整数； 

2d)将剩余n-k张份额 L， 

分存于n-k个相互独立的远程服务器 

D₁，D₂，L，D_n-k中，j₁，j₂，...，j_n-k为小于n的n-k个不相同的正整数； 

3)根据用户U在客户端所申明的身份，恢复与申明身份相对应的注册二值生物特征图像BI： 

3a)将n-k个独立远程服务器D₁，D₂，L，D_n-k中对应的n-k张份额图像 L， 传送到客户端； 

3b)从客户端存储器中抽取另外k张对应份额图像 

L， 

3c)从所有n张份额图像中选取许可集Г_qual中的任意份额组合 

{S′₁，S′₂，...，S′_P}，将该组合中的份额图像S′₁，S′₂，...，S′_P相互叠加，进行逻辑或运算，恢复出人眼可辨的二值生物特征图像BI’，p＜n； 

3d)对恢复出的二值生物特征图像BI’进行去除噪声处理，还原出准确的注册二值生物特征图像BI； 

4)在客户端现场获取用户U的生物特征图像SI’，并将生物特征图像SI’与还原的注册二值生物特征图像BI进行匹配认证，若匹配成功，则认证成功，判定用户U的真实身份与所申明的身份相符；反之，判定用户U的真实身份与所申明的身份不符。 

与现有技术相比较，本发明具有如下优点： 

1、本发明由于一般存取结构上的可视密码方法生成了多张份额图像，因此在数据存储和远程认证的数据传输过程中，即使部分份额被恶意篡改和破坏，该发明也能够保证注册生物特征图像的可恢复性，从而保证了生物特征远程认证系统的稳定性； 

2、本发明由于选用一般存取结构上的可视密码方法对生物特征图像进行加密，在所有可能的份额组合中只有特定的份额组合能够恢复出注册生物特征图像，因此在数据存储和远程认证的数据传输过程中，即使部分份额被窃取，该发明也能够保证从被窃取的份额图像中恢复出注册生物特征图像的可能性最小，从而保证了生物特征远程认证系统的安全性； 

3、本发明由于用可视密码方法生成的份额图像是杂乱无章的二值图像，从单张份额图像中无法获得任何关于注册生物特征图像的有用信息，因此在远程认证的数据传输过程中份额图像可以明文传输，无需再加密。 

附图说明

图1本发明基于可视密码方法的生物特征远程认证方法总流程图； 

图2本发明中对生物特征远程认证的注册及加密子流程图； 

图3本发明中对生物特征远程认证的解密及认证子流程图。 

具体实施方式

在具体实施方式中结合附图，将详细描述一个完整的基于可视密码的生物特征远程认证方法的具体流程。 

参照图1，本发明的基于可视密码的生物特征远程认证方法，包括注册、加密、解密及认证几个步骤，其中注册与加密过程如图2所示，解密与认证过程如图3所示，具体步骤如下： 

步骤1：对生物特征远程认证系统中的用户U进行注册，通过传感器获取用户U的注册生物特征图像SI。 

步骤2：利用一般存取结构上的可视密码方法对所得注册生物特征图像SI进行加密： 

2a)对所得注册生物特征图像SI进行二值化预处理，如果注册生物特征图像SI为指纹图像或虹膜图像，则进行阈值二值化预处理，即设定一个像素阈值，对指纹和虹膜图像进行二值化；如果注册生物特征图像SI为人脸图像，则采用抖动技术进行二值化预处理，详细步骤参见文献“Visual cryptography for gray-level images by dithering techniques.Pattern Recognition Letters，vol.24，issue 1-3，pp.349-358，2003”，经二值化预处理后，注册生物特征图像SI转变成注册二值生物特征图像BS； 

2b)将注册二值生物特征图像BS分存为n张份额图像S₁，S₂，L，S_n，列出所有的份额组合情况，定义许可集集合为Г_q，保证许可集集合Г_q中的份额组合能够恢复出注册二值生物特征图像BS，其余所有不能恢复出注册二值生物特征图像BS的份额组合构成禁止集Г_f，例如，取n＝3，从而将二值生物特征图像BS分存为3张份额图像S₁，S₂，S₃，并定义许可集Г_q为{{S₁，S₂}，{S₁，S₃}}，本步骤的具体操作参见文献“Visual Cryptography for General Access Structures.Information and Computation，vol.129，issue2，pp.86-106，1996”； 

2c)从所得n张份额图像S₁，S₂，L，S_n中，选取属于禁止集组合Г_f的任意k张份额 

L， 存储于客户端存储器中，k＜n，i₁，i₂，L，i_k为小于n的k个不相同的正整数，例如，取k＝1，从而将属于禁止集Г_f的份额S₁存储于客户端存储器中； 

2d)将剩余n-k张份额 

L， 

分存于n-k个相互独立的远程服务器D₁，D₂，L，D_n-k中，j₁，j₂，...，j_n-k为小于n的n-k个不相同的正整数，例如，将除份额S₁外的剩余的两张份额S₂和S₃分别存储于两个相互独立的远程服务器D₁和D₂上。 

步骤3：根据访问生物特征远程认证系统的用户U在客户端所申明的身份，恢复与申明身份相对应的注册二值生物特征图像BI： 

3a)用户U在生物特征远程认证系统的客户端申明自己的身份； 

3b)根据用户U的身份申明，从生物特征远程认证系统的客户端存储器中抽取k张与用户U的身份申明相对应份额 

L， 

例如，从生物特征远程认证系统的客户端存储器中抽取与用户U的身份申明相对应的份额S’₁，并将用户U的身份申明传送给n-k个独立的远程服务器D₁，D₂，L，D_n-k； 

3c)根据用户U的身份申明，n-k个独立的远程服务器D₁，D₂，L，D_n-k将与用户U的身份申明相对应的n-k张份额图像 

L， 传送到客户端，例如，将两个相互独立的远程服务器D₁和D₂中的份额图像S’₂和S’₃传送到客户端； 

3d)从所有n张份额图像 

L， 

和 

L， 

中选取许可集Г_q中的任意份额组合{S′₁，S′₂，...，S′_P}，将该组合中的p张份额图像S′₁，S′₂，...，S′_P相互叠加，逐像素点进行逻辑或运算，恢复出人眼可辨识的二值生物特征图像BI’，p＜n，例如，由于许可集Г_q为{{S₁，S₂}，{S₁，S₃}}，从而将份额图像S₁和S₂或S₁和S₃相互叠加，逐像素点进行逻辑或运算，恢复出人眼可辨识的秘密生物特征图像BI’； 

3e)对恢复出的二值生物特征图像BI’进行去除噪声处理，还原出准确的注册二值生物特征图像BI，其具体步骤如下： 

3e1)将二值生物特征图像BI’分成大小为m的小块，m为一般存取结构上的可视密码方法的像素膨胀系数，m取值为正整数； 

3e2)计算二值生物特征图像BI’每个小块中所有像素取值的和S_t； 

3e3)将二值生物特征图像BI’中每个小块的大小变为1，并赋以每个小块所对应的像素取值的和S_t，从而将二值生物特征图像BI转换成图像GI’； 

3e4)对图像GI’进行二值化，还原出准确的注册二值生物特征图像BI。 

步骤4：在生物特征远程认证系统的客户端现场获取用户U的生物特征图像SI’，将生物特征图像SI’与还原的注册二值生物特征图像BI进行匹配认证。 

本步骤的实现参见专著“D.Maltoni，AK Jain，and S.Prabhakar.Handbook of fingerprint recognition.Springer，2009.”，具体描述如下： 

4a)通过传感器，在生物特征远程认证系统的客户端现场获取用户U的生物特征图像SI’； 

4b)对现场获取的生物特征图像SI’进行二值化，并从中提取生物特征模板数据M’，同时，从还原的注册二值生物特征图像BI中提取生物特征模板数据M； 

4c)将生物特征图像SI’的生物特征模板数据M’和注册二值生物特征图像BI的生物特征模板数据M进行比对，并计算两者之间的匹配分数，若匹配分数大于等于0.9，则认证成功，判定用户U的真实身份与所申明的身份相符；反之，判定用户U的真实身份与所申明的身份不符。 

通过以上四个步骤，实现了基于可视密码的生物特征远程认证方法的注册、加密、解密及认证流程。 

本发明所述的基于可视密码的生物特征远程认证方法并不仅限于说明书和实施方式中的描述。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、同等替换、改进等，均包含在本发明的权利要求范围之内。 

名词解释： 

U：已授权的注册用户 

SI：注册用户的生物特征图像 

BS：对生物特征图像SI进行二值化预处理后所得的二值生物特征图像 

Г_q：预先定义的许可集，其中的任意份额组合都能够恢复出秘密生物特征图像，参见文献“Visual Cryptography for General Access Structures，Information and Computation，vol.129，issue 2，pp.86-106，1996” 

Г_f：禁止集，由份额图像的所有可能组合与许可集的补集构成，禁止集中的任意份额组合都无法恢复出秘密生物特征图像，参见文献“Visual Cryptography for General Access Structures，Information and Computation，vol.129，issue 2，pp.86-106，1996” 

n：份额总数，n取值为正整数 

S₁，S₂，L，S_n：经可视密码方法生成的n张份额图像 

k：存储于客户端的份额数量，k＜n，k取值为正整数 

i₁，i₂，L，i_k：小于n的k个不相同的正整数 

L， 

存储于客户端的k张份额 

D₁，D₂，L，D_n-k：n-k个独立远程服务器 

j₁，j₂，...，j_n-k：小于n的n-k个不相同的正整数 

L， 

存储于n-k个独立远程服务器的n-k张份额 

L， 

根据用户U所申明的身份，从客户端中取出的与申明的身份相对应的k张份额 

L， 

根据用户U所申明的身份，从服务器中传送到客户端的与申明的身份相对应的n-k张份额 

p：p＜n，p取值为正整数 

S′₁，S′₂，...，S′_P：许可集Г_qual中的一组能够恢复出秘密生物特征图像的份额组合 

BI’：将许可集中的份额组合S′₁，S′₂，...，S′_P相互叠加进行逻辑或运算，所恢复出的人眼可辨的二值生物特征图像 

m：一般存取结构上的可视密码方法的像素膨胀系数，m取值为正整数 

S_t：将二值生物特征图像BI’分成大小为m的小块，每个小块中所有像素取值的和 

GI’：将二值生物特征图像BI’中每个小块的大小变为1，并赋以每个小块所对应的像素取值的和S_t后所得的图像 

BI：对图像GI’进行二值化，还原出的准确的注册二值生物特征图像 

SI’：在生物特征远程认证系统的客户端现场获取的用户U的生物特征图像 

M’：从现场获取的用户U的生物特征图像中提取的生物特征模板数据 

M：从恢复的注册二值生物特征图像BI中提取的生物特征模板数据。 

Claims (3)

1.一种基于可视密码的生物特征远程认证方法，包括如下步骤：

1)对生物特征远程认证系统中的用户U进行注册，获取注册生物特征图像SI；

2)利用一般存取结构上的可视密码方法对所得注册生物特征图像SI进行加密：

2a）对注册生物特征图像SI进行二值化预处理，获得注册二值生物特征图像BS；

2b）将二值生物特征图像BS分存为n张份额图像S₁,S₂,…，S_n，n为正整数;

2c)从所得n张份额图像S₁，S₂，…，S_n中，选取属于禁止集组合Γ_f的任意k张份额

存储于客户端存储器中，k＜n，i₁，i₂，…，i_k为小于n的k个不相同的正整数;

2d)将剩余n-k张份额

分存于n-k个相互独立的远程服务器D₁，D₂，…，D_n-k中，j₁，j₂，…，j_n-k为小于n的n-k个不相同的正整数;

3)根据用户U在客户端所申明的身份，恢复与申明身份相对应的注册二值生物特征图像BI:

3a)将n-k个独立远程服务器D₁，D₂，…，D_n-k中对应的n-k张份额图像

传送到客户端;

3b)从客户端存储器中抽取另外k张对应份额图像

;

3c)从所有n张份额图像中选取许可集Γ_q中的任意份额组合{S′₁，S′₂，…，S′_P}，将该组合中的份额图像S′₁，S′₂，...，S′_P相互叠加，进行逻辑或运算，恢复出人眼可辨的二值生物特征图像BI'，p＜n;

3d)对恢复出的二值生物特征图像BI'进行去除噪声处理，还原出准确的注册二值生物特征图像BI；

4)在客户端现场获取用户U的生物特征图像SI'，并将生物特征图像SI'与还原的注册二值生物特征图像BI进行匹配认证，若匹配成功，则认证成功，判定用户U的真实身份与所申明的身份相符;反之，判定用户U的真实身份与所申明的身份不符。

2.根据权利要求1所述的基于可视密码的生物特征远程认证方法，其中步骤3d)所述的对恢复出的二值生物特征图像BI’进行去除噪声处理，按如下步骤进行：

3d1）将二值生物特征图像BI’分成大小为m的小块，m为一般存取结构上的可视密码方法的像素膨胀系数，m取值为正整数；

3d2）计算二值生物特征图像BI’每个小块中所有像素取值的和S_t；

3d3）将二值生物特征图像BI’中每个小块的大小变为1，并赋以每个小块所对应的像素取值的和S_t，从而将二值生物特征图像BI’转换成图像GI’；

3d4）对图像GI’进行二值化，还原出准确的注册二值生物特征图像BI。

3.根据权利要求1所述的基于可视密码的生物特征远程认证方法，其中步骤4)所述在客户端现场获取用户U的生物特征图像SI’，并将生物特征图像SI’与还原的注册二值生物特征图像BI进行匹配认证，按如下步骤进行：

4a）通过传感器，在生物特征远程认证系统的客户端现场获取用户U的生物特征图像SI’；

4b）对现场获取的生物特征图像SI’进行二值化，并从中提取生物特征模板数据M’，同时，从还原的注册二值生物特征图像BI中提取生物特征模板数据M；

4c）将生物特征图像SI’的生物特征模板数据M’和注册二值生物特征图像BI的生物特征模板数据M进行比对，并计算两者之间的匹配分数，若匹配分数大于等于0.9，则认证成功，判定用户U的真实身份与所申明的身份相符；反之，判定用户U的真实身份与所申明的身份不符。

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