CN104598870A - 基于智能移动信息设备的指纹活体检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及安全和生物识别领域，基于智能移动信息设备的指纹活体检测方法，包括：在预定距离范围内，开启摄像头进行非接触式地手指图像信息的采集；一定的预设时间段内连续拍摄至少两次，获得至少两幅图像；对图像进行预处理，同时进行活体检测，如果是活体则进入下一步，反之结束；提取指纹特征；将指纹特征与预先存储的模板进行匹配，如果匹配成功，则执行设定的相应功能，反之结束。本发明利用手机端采集指纹图像时不需要接触到采集器端面，减少了致病菌传播的可能性，同时通过活体检测，实现了手机端的最高级别的安全指纹识别，防止假体的出现，大大提高了手机上指纹登录、支付等各方面的安全性。

Description

基于智能移动信息设备的指纹活体检测方法

技术领域

本发明涉及通信安全和生物识别技术领域，具体地，涉及一种基于智能移动信息设备的指纹活体检测方法。

背景技术

苹果公司开启了触摸屏的时代，触摸屏手机已成为人们的新宠。手机发展的终端是“一机在手，走遍天下”。例如可以通过手机远程打开家里的热水器、可以通过手机进行银行转账业务、可以通过手机进行身份识别等。这小小的手机里存储了庞大的信息量，极大地方便和简化了人们的生活。但隐患问题便随之而来，那就是安全性问题。现在的手机大多采用多点触控解锁或者是简单的数字设定解密，这种手机加密功能极易被破解，不能保证机主信息的安全性。

指纹特征是人终生不变的特征之一，而且不同人的指纹特征相同的可能性几乎为零。人体指纹含有天然的密码信息，其具有作为密码信息必须具备的三个重要性质：广泛性，指每一个正常人都有指纹；唯一性， 指每一个人的指纹都不同；终生不变性， 指非意外事故指纹终身不变。因此，指纹识别技术，作为一种可靠的生物识别技术，受到了人们的重视。

现有的指纹识别都是以指纹采集器所获得的图像为基础来进行识别的，也就是说必须要有一个指纹采集器，包括各类图像、CIS、电容、电感等类型，并且是接触采集，这样现有的指纹识别技术有两个不足：一是成本较高，必须要有单独的硬件采集设备；二是接触采集手指信息，必须需要接触到采集器端面，增加病毒、细菌等致病菌的接触传播的可能性。

然而人造假指纹的出现，使指纹识别系统自身的安全可靠性受到了极大的挑战和威胁。至今已有不少用假指纹成功入侵指纹识别系统的案例。假指纹的制作方法有两种：利用真实手指按压的模具复制和采用物体表面残留的指纹痕迹复原，制作材料有橡胶、明胶、硅胶等。针对不同类型指纹采集仪的大量攻击性实验都证明了假指纹对现有的自动指纹识别系统安全性的严重挑战。只有解决了活体指纹的实时检测问题，指纹识别技术才能在需要高安全和高可靠识别的领域真正得到广泛应用。电容式或超声波式传感器采集到的指纹是活体的指纹，虽然可以避免橡胶指模和复印指模进入系统。但现有的电容式、电感式指纹传感器，是通过发射电信号或超声波到手指上，这样，就会伤害人体手指，长期使用会引发皮肤脱皮，影响人们的健康。

现有技术中对被检测对象是否真为对象本身活体还没有特别有效的方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于智能移动信息设备的指纹活体检测方法，可通过手机端实现非接触式指纹识别功能，解决现有指纹识别装置硬件成本过高、需要接触采集指纹图像的问题。

本发明的另一个目的是在上述非接触式采集手指图像后，解决指纹识别对象是否为活体的问题。

本发明的目的是通过下面的技术方案来实现的：

基于智能移动信息设备的指纹活体检测方法，所述智能移动信息设备具有摄像头，所述方法包括：

步骤（1）、在预定距离范围内，开启所述摄像头进行非接触式地手指图像信息的采集；

步骤（2）、拍摄时在一定的预设时间段内连续拍摄至少两次，获得至少两幅图像；

步骤（3）、对所获取的手指图像进行预处理，同时进行活体检测，如果是活体则进入下一步，反之结束；

步骤（4）、提取出指纹特征；

步骤（5）、将所获取的指纹特征与预先存储的模板进行匹配，如果匹配成功，则执行设定的相应功能，反之结束。

优选的，所述步骤（3）中活体检测的方法具体包括：

对步骤（2）中所拍摄的两张图像的局部进行检测，判断前后两次拍摄的图像在一个预定的手指局部是否完全相同，如果完全相同则判断不是活体，如果有不同则判断为活体。

更进一步的，所述判断是基于所拍摄的两幅手指图像中的手指局部的微小相对位移。

更进一步的，所述相对位移是手指与背景图像之间的相对位移。

更进一步的，所述相对位移是手指之间的间距和相对位置。

更进一步的，所述相对位移包括两个方面：一是与背景之间的相对位移，二是手指之间的间距和相对位置。

优选的，所述步骤（4）中的指纹特征提取包括以下步骤：

步骤（41）、所述预处理后的指纹图像的细化；

步骤（42）、所述细化图像的特征点提取。

更进一步的，所述特征点提取之后还包括去除伪特征点。

优选的，所述预定距离由所述智能移动信息设备预先设置或者用户自定义，以保证拍摄的指纹完整性和可识别度。

优选的，所述设定的相应功能包括解锁、登录、移动支付中任意一种或者其组合功能。

这样，通过上述的技术方案，就可以达到这样的效果：利用手机端就可以实现非接触式地指纹识别，采集指纹图像时不需要接触到采集器端面，减少了致病菌传播的可能性，并且不需要额外的成本较高的硬件采集设备，同时通过检测连续拍摄的两幅手指图像之间的细微差别可以判断出拍摄对象的真假，在手机端就可以实现高级别的安全指纹识别，防止假体出现。

附图说明

图1是本发明所提出的基于智能移动信息设备的指纹活体检测方法流程示意图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合附图参考实施例的描述，对本发明的方法和系统进行进一步的说明。 

为了全面理解本发明，在以下详细描述中提到了众多具体细节。但是本领域技术人员应该理解，本发明可以无需这些具体细节而实现。在其他实施例中，不详细描述公知的方法、过程、组件和电路，以免不必要地使实施例繁琐。

如图1所示，本发明的目的是通过下面的技术方案来实现的：

基于智能移动信息设备的指纹活体检测方法，所述智能移动信息设备具有摄像头，所述方法包括：

步骤S101：摄像头非接触式采集手指图像信息，具体地，在预定距离范围内，开启所述智能移动信息设备（在本发明中具体采用智能手机尤其是电容式触摸屏的智能手机来示例说明）的摄像头，特别是利用所述智能手机的前置摄像头进行非接触式地手指图像信息的采集；

本实施例优选地，所述预定距离由所述智能移动信息设备预先设置或者用户自定义。因为所述距离的远近会影响到手指图像的大小和清晰度，以及周围背景噪声的引入，所述预定距离可以根据具体的智能手机前置摄像头像素高低以及识别算法精度来进行自动调整或者用户手动设置，只要其满足可以清晰采集手指图像并能进行识别即可。

可选地，本发明在采集手指图像之前，还需要对所述智能手机本地是否预先存储有手指特征模板进行判断，如果有则直接进行待识别手指图像的采集，如果没有，则将当前采集到的手指图像通过特征提取后或者直接对该图像进行手机本地存储，当然，现在也可以进行云端的识别，那么相应的手指模板也存储在云端。其次，该手指模板也可以是外部设备传输而来的。

步骤S102：预设时间段内连续拍摄两幅手指图像，具体的，拍摄时在一定的预设时间段内连续拍摄至少两次，获得至少两幅图像；

所述预设时间段可以由所述手机用户自主设置或者由所述指纹识别系统自动设置，例如0.1s内连续的拍摄两张同一手指的图像。

这里所说的两幅只是一个最小可以实现的方案，也可以是三幅或者更多幅图像的对比。

步骤S103：图像预处理同时进行活体检测，具体的，对所获取的手指图像进行预处理，同时进行活体检测，如果是活体则进入下一步，反之结束；

基于带有摄像头的所述智能手机进行拍摄手指图像并识别，特别是利用手机的前置摄像头，在适当距离下，自动开启摄像头进行手指图像信息获取和分析，获得指纹信息，并与预先获得的模板进行特征对比，判断是否具有相同的指纹特征，同时，在摄像信息的同时，进行活体检测，即检测出当前所拍摄的对象是否是真的“人”的手指，而不是假体。

本实施例中优选的，所述步骤S103中活体检测的方法具体包括：

对步骤S102中所拍摄的两张图像的局部进行检测，判断前后两次拍摄的图像在一个预定的手指局部是否完全相同，如果完全相同则判断不是活体，如果有不同则判断为活体。

本实施例中优选的，所述判断是基于所拍摄的两幅手指图像中的手指局部的微小相对位移。

本实施例中优选的，所述相对位移是手指与背景图像之间的相对位移。具体的，可采用方差均值法来检测手指区和背景区。所述方差均值法是基于背景区灰度方差小，而指纹去方差大的思想。将前后两幅图像在某一个特定划块中的变化进行对比，这里所述的特定划块中指的是既包括部分手指图像又包括部分背景图像的图像块，如果当前拍摄的是活体的手指图像，在两个不同时间点总是会有微小的不同。计算该特定图像块的方差，如果该块的某一部分方差小于阈值为背景，否则为手指，对比前后两次的计算结果即可得到是否变化的判断结果。

本实施例中优选的，所述相对位移是手指之间的间距和相对位置。具体举例为，前后两幅图像中食指和中指之间的间距的相对变化，或者检测食指和中指上指节之间的相对位置的变化。

本实施例中优选的，所述相对位移包括两个方面：一是与背景之间的相对位移，二是手指之间的间距和相对位置。

本实施例中优选地，所述预处理包括光照预处理。

本发明实施例中可选地，还可以包括一光照预处理过程，用于去除不同光照强度对图像灰度值的影响。在实际的手机拍摄头像中，光照影响较大，由于强光等因素影响，需要增加一个光照预处理步骤。图片的灰度值主要受到光照和局部表面反射系数的影响，通过分立光照可以减小它的影响。经过光照预处理基本上去除了阴影以及不同光照强度对图像灰度值的影响，同时保留了识别中有用的信息。

本实施例中优选地，所述预处理包括图像增强。

在实际应用中，有相当一部分要处理的指纹图像的质量是比较差的。本实施例中优选地，所述步骤中预处理包括图像增强。对于质量很差的图像，如果不经过特殊的增强处理，是很难正确地进行特征提取的。

本发明实施例中可选地，指纹图像分割是所述图像预处理的一部分。指纹分割的最基本的依据是图像某些特征和特征集合。图像特征是指纹图像的固有属性,如灰度值,邻域关系,纹线的扭曲程度等。特征集合则是几种的结合。通过提取图像特征,可将原始图像映射到特征空间,使图像特征在特征空间中呈现一定的分布。因此根据以上的的灰度值领域关系，纹线的扭曲程度，指纹图像分割大致分为三类：基于像素的图像分割，基于块特征的图像分割以及基于全局的图像分割。

所述基于块特征的指纹图像分割为多种块基本特征如灰度均值、块灰度方差、块方向图等综合运用和重新定义块特征。其中块指的是将图像分个成一个个小的图像块。图像均值就是对每一个单位块的灰度值取均值，方差则反映该块中各点与均值的偏差性，这可以很好的反映纹理的变化趋势。它是利用正交坐标系下，原点到它们组成的坐标点的有向线段与X的正半轴的夹角可来表示该子块的块方向。这种方法最大的优点是易实现，很好体现出纹理。此方法的实现是利用方向滤波器。

所述基于全局的图像分割则是根据情况特别是某些特殊场合的利用，如残缺指纹。全局的图像分割可以是人工选定几个特定点后再根据全局的特点来处理，此法也可运用于指纹匹配。

本实施例中优选地，还包括对待识别手指进行自动切分和背景剥离。

本实施例中优选地，所述预处理还包括对所获取的图像进行缩放，以保证与预先存储的模板大小比例一致。

本实施例中优选地，所述图像缩放过程是采用参照物为基准来确定缩放比例的。

本实施例中优选地，所述参照物为两指节之间的长度。例如，中指的指尖与第一节之间的长度。

本实施例中优选地，所述参照物为手指的纹路特征。

在另一实施例中可选地，所述参照物为手指的宽度。

在另一实施例中可选地，所述参照物可以是任意可以确定所拍取的图像中手指所占面积在整个显示屏总面积的比例的任意参照物。因为预先存储的模板大小是一个确定的值，只要将该面积比值缩放到同一值即可。

上述对所获取的手指图像进行缩放，可以保证待识别手指与模板的大小比例一致，从而保证了识别结构的一致性。

步骤S104：判断当前拍摄的对象是否为活体，如果是活体则进入下一步，反之结束，跳转到步骤S109；

具体的活体判断方法如上所述。

步骤S105：提取指纹特征；

本实施例中优选的，所述步骤S105中的指纹特征提取包括以下步骤：

步骤（1）、所述预处理后的指纹图像的细化；

步骤（2）、所述细化图像的特征点提取。

本实施例中可选地，所述特征点提取之后还包括去除伪特征点。

本实施例中优选的，在提取指纹特征之前还包括将所述手指图像的角度旋转至合适的位置。

所述特征提取就是对细化后的指纹图像提取表示其特征的信息的操作。前述指纹图像预处理目的就是为指纹的特征提取和最终识别建立一个良好的基础，以保证整个系统识别率比较高。

对于特征点提取的常用算法很多，如：

(1)基于二值化的特征提取方法：这种算法对于预处理和增强后得指纹图像进行二值化，然后再提取特征点。

(2)基于直接灰度的特征提取方法：这种方法直接从灰度图像出发，通过分析图像的纹理属性和拓扑结构提取特征点。

(3)基于细化图像的特征提取方法：这种方法是将指纹图像处理后得到细化图像，通过细化图像提取特征点。

本实施例中优选地，所述步骤中提取出指纹特征具体包括：对所述预处理后的手指图像进行细化，通过细化图像提取特征点，所述指纹特征是指纹细节点。

为了比较两个指纹是否相同，需要从指纹图像中提取出能表示指纹唯一性的特征。所述指纹细节点是人工指纹匹配中最常用的特征。指纹由脊线和谷线交替构成，在大多数地方纹线连续且相互平行，而某些局部不连续的地方构成了细节点。所述指纹细节点具有唯一性，可以用于指纹匹配。

本实施例中优选地，所述指纹细节点包括分叉点、端点、环、岛，或者是端点和分叉点的组合。

本实施例中更进一步可选地，提取出的特征点还经过伪特征点的去除，去除掉细化处理过程引入的伪特征点。提取出的特征点还必须经过伪特征点的去除，尽可能地去除掉由于二值化、细化处理等过程引入的伪特征点。最后确定出特征点的类型、位置、方向。

步骤S106：指纹匹配，具体地，将上述获取的指纹特征与预先存储的模板进行匹配；

所述指纹匹配要解决的是对两幅给定指纹图像的特征模式进行比对，判断这两幅图像是否来自同一个人的同一手指。

具体的，所述指纹图像匹配方面，主要有基于图像，脊线结构和特征点的方法。基于特征点的匹配算法具有简单、快速、鲁棒性等优点。目前最为常用的方法是细节点坐标模型来做细节匹配。它利用脊线上的端点和分叉点这两种关键点来鉴定指纹。通过将细节点表示为点模式，一个指纹识别问题可以转化为一个点模式匹配问题。点匹配算法是通过某些变换，如平移变换、旋转变化、伸缩变换，可以把两个点集中的对应点匹配起来。从模板指纹和输入指纹中选取一个节点作为参考节点对，在进行节点匹配时先利用基准点将指纹对齐，然后再评估其它节点的匹配程度。

本实施例优选地，所述步骤中的指纹匹配是将采集到的指纹细节点与模板中的细节点进行比对，完成指纹匹配。

本发明实施例中优选地，选用图片的中心点。能获得参考点表明从被识别图像中获得的任意比特流与登记图像中获得的比特流相近，则有可能得出两图像相同的结果；没有参考点表明被识别图像完全是另一不同图像。当它们满足一定条件时即为匹配成功，不满足视为不匹配。匹配与否用success值返回。返回1说明匹配成功，返回0则匹配失败。

上述点判断条件本身就是一个人为的容错估计值，很小的出错不会影响最终的匹配结果。该方法处理信息少，虽然要一定的预处理，但快捷高效，出错小，适合本发明中的应用场景，即一对一匹配。

步骤S107：判断是否匹配成功，如果成功，则进入下一步；反之跳转到步骤S109；

本实施例中优选地，所述步骤S107中还包括设置预设匹配次数，当在预定时间段内达到预设匹配次数还未匹配成功时，则默认当前手指的用户不是该智能移动信息设备的所有者，在一定时间内关闭该手指识别操作过程，例如，如果在半小时内同一用户手指进行5次登录识别均失败，则该智能手机系统默认该用户不是机主，从而自动在后台关闭该手指识别登录，除非该用户有进一步的认证或者是24小时后解除锁定。

步骤S108：执行设定的相应功能；

本实施例中优选地，所述设定的相应功能包括解锁、登录、移动支付中任意一种或者其组合功能。

步骤S109：结束本次检测过程。

在上述方法的具体实施例中，虽然是按照顺序给出步骤的执行，但在实际实现过程中，这种顺序是可以任意变动和组合的，只要其符合图像采集、图像处理、活体检测、特征提取、指纹匹配即可，具体其中的顺序先后并不影响本发明目的的实现。

本发明可以通过硬件、软件或者硬件软件的组合来实现，也可以是手机、平板电脑中预先安装的一个APP来实现。

根据上述方法的示例，一个具体的应用场景可以是这样的：智能手机用户预先在手机存储其任一手指的图像或者是其手指图像经过特征提取后的指纹特征，比如，可以是大拇指。在所述智能手机锁屏的情况下，该用户伸出手掌，放在离该智能手机的前置摄像头下大概20cm的地方，自动拍摄或者用户手指触发某一按钮比如电源键即手动触发该拍摄操作，其后该手机处理器获得该用户的手指图像，在摄像手指图像信息的同时，进行活体检测，检测的办法是：在拍摄时，间隔一定时间段拍摄两个图像，对图像的局部进行检测，对比两次拍摄的是否完全相同，因为人的手指的拍摄时总有微小相对位移，相对位移包括两个方面，一是与背景之间的相对位移，二是几个手指之间的间距和相对位置，总是有所变化，如果完全相同即不是活体，如果略有不同，即判断为活体。根据参照物（这里是大拇指指尖至第一节两指节之间的长度）为基准确定好缩放比例后，对所获取的图像进行缩放至与预先存储的大拇指模板大小比例一致，从而保证了识别结构的一致性。因为此时初始获得的手指图像中会有多根手指和非用户手指的背景噪声，需要对不需要识别的手指进行自动切分和背景图像的分割，留取待识别的大拇指图像，对该待识别的大拇指图像进行二值化和细化，并自动将该大拇指图像旋转至一合适的位置，其旋转可以根据坐标系的中心点来确定，然后提取细化图像中的指纹细节点，将所述指纹细节点与预先存储的指纹模板进行匹配，如果匹配成功，则返回一响应信号，屏幕自动解锁。当然，在这里，如果因为某些原因，例如光照、拍摄角度、用户的手抖动等原因导致手指图像识别失败，可以预设一定时间内的识别次数，在该预设时间段内进行预设次数的拍摄和重新识别，例如5次没有匹配成功，则可以自动关闭该识别功能一定时长，默认该用户不是该智能手机的机主。这样，可以保护机主的隐私。

这样，通过上述的技术方案，就可以达到这样的效果：利用现有智能手机的标配摄像头，在不需要添加高成本硬件采集设备的情况下，本发明提出的基于智能移动信息设备的指纹识别方法实现了在手机端非接触式指纹识别，在实现手指识别作为身份识别、安全认证的同时，降低了成本且同时大大减少了致病菌的传播可能性，同时通过在摄取手指图像的同时进行活体检测，实现了手机端的最高级别的安全指纹识别，防止假体的出现，大大提高了手机上指纹登录、支付等各方面的安全性。

这里只说明了本发明的优选实施例，但其意并非限制本发明的范围、适用性和配置。相反，对实施例的详细说明可使本领域技术人员得以实施。应能理解，在不偏离所附权利要求书确定的本发明精神和范围情况下，可对一些细节做适当变更和修改。

Claims (10)

1.基于智能移动信息设备的指纹活体检测方法，所述智能移动信息设备具有摄像头，所述方法包括：

步骤（1）、在预定距离范围内，开启所述摄像头进行非接触式地手指图像信息的采集；

步骤（2）、拍摄时在一定的预设时间段内连续拍摄至少两次，获得至少两幅图像；

步骤（3）、对所获取的手指图像进行预处理，同时进行活体检测，如果是活体则进入下一步，反之结束；

步骤（4）、提取出指纹特征；

步骤（5）、将所获取的指纹特征与预先存储的模板进行匹配，如果匹配成功，则执行设定的相应功能，反之结束。

2.如权利要求1所述的基于智能移动信息设备的指纹识别方法，其特征在于：所述步骤（3）中活体检测的方法具体包括：

对步骤（2）中所拍摄的两张图像的局部进行检测，判断前后两次拍摄的图像在一个预定的手指局部是否完全相同，如果完全相同则判断不是活体，如果有不同则判断为活体。

3.如权利要求2所述的基于智能移动信息设备的指纹识别方法，其特征在于：所述判断是基于所拍摄的两幅手指图像中的手指局部的微小相对位移。

4.如权利要求3所述的基于智能移动信息设备的指纹识别方法，其特征在于：所述相对位移是手指与背景图像之间的相对位移。

5.如权利要求3所述的基于智能移动信息设备的指纹识别方法，其特征在于：所述相对位移是手指之间的间距和相对位置。

6.如权利要求3所述的基于智能移动信息设备的指纹识别方法，其特征在于：所述相对位移包括两个方面：一是与背景之间的相对位移，二是手指之间的间距和相对位置。

7.如权利要求1所述的基于智能移动信息设备的指纹识别方法，其特征在于：所述步骤（4）中的指纹特征提取包括以下步骤：

步骤（41）、所述预处理后的指纹图像的细化；

步骤（42）、所述细化图像的特征点提取。

8.如权利要求7所述的基于智能移动信息设备的指纹识别方法，其特征在于：所述特征点提取之后还包括去除伪特征点。

9.如权利要求1所述的基于智能移动信息设备的指纹识别方法，其特征在于：所述预定距离由所述智能移动信息设备预先设置或者用户自定义，以保证拍摄的指纹完整性和可识别度。

10.如权利要求1所述的基于智能移动信息设备的指纹识别方法，其特征在于：所述设定的相应功能包括解锁、登录、移动支付中任意一种或者其组合功能。