CN109726673B - 实时指纹识别方法、系统及计算机可读存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种实时指纹识别方法，通过比较实时采集指纹图像与前次采集指纹图像的几何位置，判断实时采集指纹图像是否为前次采集指纹图像的残留指纹图像；并在确定实时采集指纹图像不是残留指纹图像的情况下，将实时采集指纹图像与预先存贮的指纹特征数据进行比对。本发明消除了残留指纹对实时指纹识别系统所构成的安全隐患。

Description

实时指纹识别方法、系统及计算机可读存储介质

技术领域

本发明涉及图像识别，具体而言，涉及一种实时指纹识别方法、系统以及计算机可读存储介质。

背景技术

指纹识别是图像识别中的一种技术，它利用人手指指纹的唯一性、不变性及便捷性进行个人的身份识别。要实现指纹识别，首先需使用指纹采集器采集下某人的指纹图像，然后通过软件方法进行图像识别。为了区别于捺印指纹，人们常将从个人手指上直接采集的指纹称为实时采集指纹。诸如指纹锁、指纹考勤机、指纹授权系统等指纹识别系统，就是将实时采集指纹与系统指纹数据库中的指纹特征数据进行比对，从而识别个人身份。

实时指纹采集器多种多样，光学指纹采集器是其中较为常用的一种。这种采集器工作时，手指按在一个采集棱镜的采集面上，由于棱镜的全反射原理，手指会在采集面上形成清晰的指纹图像；再通过光学拍照的方法，拍下这幅指纹图像，由此完成指纹图像的采集。

指纹图像这一采集过程中，不可避免地，会在采集器上留存残留指纹。众所周知，手指按在绝大多数光滑物体上都会留下指纹，只是由于手指接触的物体不同，这种指纹的清晰度会不一样。同样地，手指按在采集器的采集面上也会留下指纹，并且，这枚指纹并不随着手指的移开而消失。这枚残留指纹在采集器内部或外部灯光的照射下，会变得足够清晰。采集器的指纹拍照装置照样可以拍下这枚指纹的图像。

而且，若采集棱镜的采集面上涂有某种特殊半流体状物质，按压手指则可在采集面上形成捺印指纹。捺印指纹比上述残留指纹更为清晰，更容易长期保留，因而也更易被系统采集。捺印指纹还可以固化在采集器上，即便轻轻按压手指，或垫一片薄膜再按上手指，也不会破坏指纹图像。本申请中，捺印指纹也归类为残留指纹。

由于残留指纹的存在，实时指纹识别系统就存有非常严重的安全隐患。这是因为，系统可以在没有手指按压的情况下，将残留指纹图像采集下来进行指纹比对。而这枚残留指纹的比对结果，可能会与实时采集的该指纹的比对结果高度相近。这就使得其他用户，能够利用合法用户遗留下来的残留指纹获得实时指纹识别系统的授权，从而达到开锁、开门、通关等目的。

假若残留指纹为指纹验证成功后在采集器上所遗留，那么实时指纹识别系统采集这枚残留指纹进行比对，就可以让系统出现指纹比对成功的误操作。此外，由于残留指纹不会发生变化，一次指纹比对成功，再次采集这枚指纹，还是会比对成功。这种情况如发生在门锁上，则相当于随时可以打开门锁。

值得庆幸的是，如果不做特殊的处理，实时指纹识别系统中的残留指纹一般目视不易被发现，也不容易被系统采集。所以，这种导致误操作的安全隐患暂时还没有引起人们的注意，更未被社会大众所重视。然而，随着实时指纹识别类产品的广泛应用，特别是指纹智能锁行业的暴发式增长，这种产品的安全漏洞，总有一天会被不法之徒掌握。这将会给用户的安全带来极大的危害。因而，我们迫切需要一项技术，来消除指纹识别类产品的这一安全隐患。

现有技术中，有一类采用手指感应技术的光学指纹采集器。手指不按压在这类采集器上，系统不会工作；而若手指按压在采集器上，又会破坏上面的残留指纹。这类采集器在一定程度上消除了残留指纹的影响。不过，仍会存在两种不利情形。一种情形是，若手指靠近采集器的某一区域，就可既让采集器感应到手指的存在，又可不破坏采集器上的残留指纹。另一种情形是，在采用捺印方式形成固化在采集器上残留指纹的情况下，如轻轻按压手指，或者垫一片薄膜再按手指，就不会破坏这枚捺印残留指纹。可以看出，手指感应技术并未从根本上消除残留指纹带来的安全隐患。

现有的实时指纹识别系统中，不具有针对残留指纹的处理环节。参照图1，图1为现有实时指纹识别系统的软件工作流程图。启动程序之后，在步骤S12，系统采集指纹。在步骤S13，对指纹图像进行预处理。在步骤S14，判断指纹采集是否成功。如果采集成功，则执行步骤S15的指纹比对；否则返回步骤S12，重新采集指纹。可以看出，整个流程中，系统并未考虑所采集下来的指纹是否为残留指纹。如果采集下来的是残留指纹，那么就达不到个人身份识别的目的。

特别地，采集器上如存有油污、尘埃或其它人为涂抹的半流体状异物，残留指纹就会与实时按压手指所产生的指纹一样清晰可见。现有实时指纹识别系统则可轻易采集下这种残留指纹来进行指纹比对，这是当前系统中存在的非常严重的潜在安全隐患。

发明内容

本发明的目的在于，对于现有技术的上述缺陷，提出一种可靠的实时指纹识别机制，消除利用残留指纹进行指纹比对所带来的安全隐患。

根据本发明的第一方面，提供一种实时指纹识别方法，用于将实时采集指纹图像与预先存贮的指纹特征数据比对以识别个人身份，所述实时指纹识别方法包括以下步骤：1)通过指纹采集器实时采集指纹图像；2)对所述指纹图像进行预处理，以获取其指纹特征数据；3)通过比较实时采集指纹图像与前次采集指纹图像的几何位置，判断实时采集指纹图像是否为前次采集指纹图像的残留指纹图像；以及4)在确定实时采集指纹图像不是所述残留指纹图像的情况下，将实时采集指纹图像的指纹特征数据与预先存贮指纹特征数据进行比对。

在第一方面中，优选的是，所述方法还包括：在确定实时采集指纹图像是所述残留指纹图像的情况下，按照指纹采集失败处理。

优选的是，所述步骤3)包括，基于实时采集指纹图像与前次采集指纹图像中各特征点的二维坐标，比较实时采集指纹图像与前次采集指纹图像的几何位置。

优选的是，所述步骤3)包括，如实时采集指纹图像与前次采集指纹图像中相应特征点之间距离小于第一阈值的特征点数量大于第二阈值，则确定实时采集指纹图像是前次采集指纹图像的残留指纹图像。

优选的是，所述步骤4)包括，如实时采集指纹图像与预先存贮指纹特征数据比对成功，则以实时采集指纹图像的指纹特征数据替换前次采集指纹图像的指纹特征数据。

根据第二方面，提供一种实时指纹识别系统，用于将实时采集指纹图像与预先存贮的指纹特征数据比对以识别个人身份，所述系统包括：指纹采集器，用于实时采集指纹图像；预处理装置，用于对所述指纹图像进行预处理，以获取其指纹特征数据；残留指纹判断装置，用于通过比较实时采集指纹图像与前次采集指纹图像的几何位置，判断实时采集指纹图像是否为前次采集指纹图像的残留指纹图像；以及指纹比对装置，用于在确定实时采集指纹图像不是所述残留指纹图像的情况下，将实时采集指纹图像的指纹特征数据与预先存贮指纹特征数据进行比对。

在第二方面中，优选的是，所述残留指纹判断装置用于，基于实时采集指纹图像与前次采集指纹图像中各特征点的二维坐标，比较实时采集指纹图像与前次采集指纹图像的几何位置。

优选的是，所述残留指纹判断装置用于，如实时采集指纹图像与前次采集指纹图像中相应特征点之间距离小于第一阈值的特征点数量大于第二阈值，则确定实时采集指纹图像是前次采集指纹图像的残留指纹图像。

优选的是，所述指纹比对装置用于，如实时采集指纹图像与预先存贮指纹特征数据比对成功，则以实时采集指纹图像的指纹特征数据替换前次采集指纹图像的指纹特征数据。

根据第三方面，提供一种计算机可读存储介质，所述存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述第一方面中实时指纹识别方法的步骤。

按照本发明，在实时指纹识别系统中增加针对残留指纹的识别处理过程，能够准确无误地识别出当前采集的指纹是否为残留指纹，从而杜绝在实时指纹识别系统中利用残留指纹进行开锁、通关或获取系统授权等操作，消除了残留指纹对实时指纹识别系统所构成的安全隐患。

附图说明

为更好地理解本发明，下文以实施例结合附图对本发明作进一步说明。附图中：

图1示出现有实时指纹识别系统的软件工作流程；

图2a示出试验中实时采集下来的指纹图像；

图2b示出试验中采集器上所留下的残留指纹；

图2c示出试验中采集下来的残留指纹图像；

图2d示出试验中24小时后采集下来的残留指纹图像；

图2e示出试验中24小时后加垫透明薄膜，再按压手指所采集下来的残留指纹图像；

图3示出本发明残留指纹判断方法的示例性流程；

图4示出本发明实时指纹识别方法的示例性流程。

具体实施方式

发明人发现并证实残留指纹对实时指纹识别系统构成安全隐患的过程如下。通过试验，发明人发现，如果指纹考勤机采集器上存在残留指纹，则可以导致采集器不断地采集指纹，并播报指纹验证成功。为了进一步研究残留指纹的影响，发明人又进行如下试验：在一把带有滑盖的指纹锁的光学指纹采集棱镜上，涂上少许半透明状竹盐牙膏。然后，用登录过的手指进行开锁操作。开锁成功之后，发明人发现，接下来只需推开滑盖，不用按压手指即可完成指纹采集与指纹验证。并且，指纹验证的成功率相当高。更为严重的是，经过一定的时间后，这枚捺印指纹就固化在了采集器上。即便轻轻按上手指，也不会破坏它的形状，而仍然可以推开滑盖，启动系统，并打开门锁。

为验证在指纹锁上的这一发现，发明人做了另一个试验。在一个windows系统光学指纹采集器上涂少许半透明状竹盐牙膏，然后在采集器上按压手指，采集指纹图像。实时采集下来的指纹图像如图2a所示。移开手指后，采集器上留下较为清晰的残留指纹，如图2b所示。接下来，启动指纹采集系统，采集这枚残留指纹，所采集下来的指纹图像如图2c所示。由图2c可见，残留指纹已清晰到足以获得指纹验证成功的程度。时隔24小时之后，残留指纹已经固化到采集器上，图2d为此时采集到的残留指纹图像。比较图2c与图2d所示图像，可以看出，两枚残留指纹图像的差别不大。

为检验手指感应对残留指纹采集的影响，发明人在固化后的残留指纹上，放上一张0.1mm左右厚度的透明塑料薄膜，然后将手指按压在薄膜上，这时采集器感应到手指的按压而点亮照明灯；此时再次采集指纹图像，采集结果如图2e所示。由此可见，手指感应并不能完全妨碍系统对残留指纹的采集。

在上述试验的基础上，发明人考虑，在现有实时指纹识别系统中增加对于残留指纹的判断流程。本发明的基本构思是，当重复两次在采集器上按压手指采集指纹时，两次按压手指的位置总会存在一定的差异；但是，如果一枚指纹是另一枚指纹在采集器上留下的残留指纹，两枚指纹的几何位置则应完全吻合。基于此种残留指纹与实时采集指纹的差异性，通过测量前后两次指纹采集图像的几何位置变化，就可以判断出后次采集指纹是否为前次采集指纹的残留指纹。

根据中华人民共和国公共安全行业标准(GA 1012-2012)《居民身份证指纹采集和比对技术规范》，描述指纹特征的指纹特征数据由指纹中心点与多个指纹细节特征点组成。其中，指纹中心点数据由横坐标、纵坐标构成；指纹细节特征点数据由横坐标、纵坐标及方向构成。本申请中，将指纹中心点、指纹细节特征点统一称为特征点。为了测量这些特征点的位置变化，发明人只对特征点数据中的二维坐标进行研究。因此，可使用以下特征点集合来描述指纹特征点数据：

temp{(x₀，y₀)，(x₁，y₁)，(x₂，y₂)，......，(x_i，y_i)，......，(x_n，y_n)}

上式中，x_i表示第i个特征点横坐标；y_i表示第i个特征点纵坐标，i＝{0，1，2，......，n}；n表示特征点数量。

这里，就采集时间点而言，假定tempa表示较早前采集的指纹，tempb表示后采集的指纹。

设这两枚指纹图像特征点集合分别为：

tempa{(xa₀，ya₀)，(xa₁，ya₁)，(xa₂，ya₂)，......，(xa_na，ya_na)}

tempb{(xb₀，yb₀)，(xb₁，yb₁)，(xb₂，yb₂)，......，(xb_nb，yb_nb)}

理论上，如果tempb是tempa的残留指纹，则应满足以下条件：一是特征点数量相同，即，na＝nb；二是对应特征点位置坐标相同，即，xa_i＝xb_j，ya_i＝yb_j，i＝{0，1，2，......，na}，j＝{0，1，2，......，nb}。这里，tempa中第i个特征点坐标，与tempb中第j个特征点坐标对应手指指纹上的同一个特征点。

实践中，实时采集指纹图像与残留指纹图像在不同的时间点采集，由于环境光线等各种因素的影响，两枚指纹图像的数据不可能完全相同，特征点数量na与nb也不一定相等，同一个特征点在图像中的位置坐标也会有误差。根据模糊数学原理，两枚指纹的几何位置只可能近似相同。因此，可按以下方法来判断tempb是否为tempa的残留指纹：在以指纹采集平面为平面的同一个二维坐标系中，设d_k为tempa中特征点ta(xa_i，ya_i)，i＝{0，1，2，......，na}，与tempb中特征点tb(xb_j，yb_j)，j＝{0，1，2，......，nb}之间的距离；如果d_k小于某一阈值D_k，则确定上述特征点ta(xa_i，ya_i)与特征点tb(xb_j，yb_j)的几何位置近似相同。而且，如果tempa中与tempb中几何位置近似相同的特征点数量N大于某一阈值N_k，则确定tempb为tempa的残留指纹。

按照以上方法，即可完成残留指纹的判断。这里，阈值D_k，N_k应根据经验与大量指纹数据的测试结果来确定。图3示出本发明残留指纹判断方法的示例性流程。

参照图4，图4示出本发明实时指纹识别方法的示例性流程。在步骤S21，启动程序，并向指纹采集器发出指纹采集指令。不同的产品，会有不同的启动方式。例如，有的指纹锁用滑盖来启动，有的指纹锁用手指感应来接通电源；指纹柜员系统则由软件发出指令。在步骤S22，实时采集指纹。收到指纹采集指令后，指纹采集器实时采集指纹图像。在步骤S23，对所采集指纹图像进行去噪声、使图像清晰等预处理操作，以获取指纹特征数据。在步骤S24，根据预处理结果，判断指纹采集是否成功。如果采集不成功，返回步骤S22，重新采集指纹；如果采集成功，则执行S31、S32等残留指纹判断步骤。这里，所获取的指纹特征数据集合即为上文所述tempb。而系统中存贮有前次采集指纹图像的指纹特征数据集合，即，上文所述tempa。

在步骤S31，将tempb与tempa进行比对，以判断tempb是否为残留指纹。比对方法按上文及图3所示流程进行。在步骤S32，根据步骤S31的比对结果，判断tempb是否为tempa的残留指纹。如果tempb是tempa的残留指纹，则按指纹采集失败模式处理，例如可返回步骤S22，重新采集指纹；如果tempb不是tempa的残留指纹，则执行步骤S25。

在步骤S25，采用常规指纹识别算法，将tempb与预先存贮在系统指纹库或指纹卡中的指纹特征数据进行比对，以识别个人身份。在步骤S26，判断指纹比对是否成功。如果比对不成功，则执行步骤S28，进行比对失败相关操作；如果比对成功，优选地，执行步骤S33，用tempb替换tempa中的指纹特征数据，并予以保存。这里，将指纹比对成功后的指纹特征数据加以保存，会更有效地消除残留指纹所带来的安全隐患。接下来，执行步骤S27的比对成功相关操作，如开锁等操作。

在上述实时指纹识别方法中，发明人增加了如步骤S31、S32、S33所述的残留指纹判断过程，并创新出通过比较前后两次指纹采集图像几何位置的方法来判断残留指纹。本发明能够准确无误地判断出当前采集的指纹是否为残留指纹，从根本上消除了残留指纹对实时指纹识别系统所构成的安全隐患。

显而易见，在此描述的本发明可以有许多变化，这种变化不能认为偏离本发明的精神和范围。因此，所有对本领域技术人员显而易见的改变，都包括在所附权利要求书的涵盖范围之内。

Claims (5)

1.一种实时指纹识别方法，用于将实时采集指纹图像与预先存贮的指纹特征数据比对以识别个人身份，所述实时指纹识别方法包括以下步骤：

1)通过指纹采集器实时采集指纹图像，启动方式包括用滑盖来启动或用手指感应来接通电源；

2)对所述指纹图像进行预处理，以获取其指纹特征数据；

3)在以指纹采集平面为平面的二维坐标系中，通过比较实时采集指纹图像与前次采集指纹图像的几何位置，判断实时采集指纹图像是否为前次采集指纹图像的残留指纹图像；以及

4)在确定实时采集指纹图像不是所述残留指纹图像的情况下，将实时采集指纹图像的指纹特征数据与预先存贮指纹特征数据进行比对；

所述方法还包括：在确定实时采集指纹图像是所述残留指纹图像的情况下，按照指纹采集失败处理，返回步骤1)，重新采集指纹；

所述步骤2)包括，根据预处理结果，判断指纹采集是否成功；如果采集不成功，返回步骤1)，重新采集指纹；

所述步骤3)包括，基于实时采集指纹图像与前次采集指纹图像中各特征点的二维坐标，比较实时采集指纹图像与前次采集指纹图像的几何位置；如实时采集指纹图像与前次采集指纹图像中相应特征点之间距离小于第一阈值的特征点数量大于第二阈值，则确定实时采集指纹图像是前次采集指纹图像的残留指纹图像。

2.如权利要求1所述的实时指纹识别方法，其特征在于，所述步骤4)包括，如实时采集指纹图像与预先存贮指纹特征数据比对成功，则以实时采集指纹图像的指纹特征数据替换前次采集指纹图像的指纹特征数据，用作下次识别残留指纹的前次采集指纹图像特征点数据。

3.一种实时指纹识别系统，用于将实时采集指纹图像与预先存贮的指纹特征数据比对以识别个人身份，所述系统包括：指纹采集器，用于实时采集指纹图像；预处理装置，用于对所述指纹图像进行预处理，以获取其指纹特征数据；残留指纹判断装置，用于通过比较实时采集指纹图像与前次采集指纹图像的几何位置，判断实时采集指纹图像是否为前次采集指纹图像的残留指纹图像；以及指纹比对装置，用于在确定实时采集指纹图像不是所述残留指纹图像的情况下，将实时采集指纹图像的指纹特征数据与预先存贮指纹特征数据进行比对；所述残留指纹判断装置用于，基于实时采集指纹图像与前次采集指纹图像中各特征点的二维坐标，比较实时采集指纹图像与前次采集指纹图像的几何位置；所述残留指纹判断装置用于，如实时采集指纹图像与前次采集指纹图像中相应特征点之间距离小于第一阈值的特征点数量大于第二阈值，则确定实时采集指纹图像是前次采集指纹图像的残留指纹图像。

4.如权利要求3所述的实时指纹识别系统，其特征在于，所述指纹比对装置用于，如实时采集指纹图像与预先存贮指纹特征数据比对成功，则以实时采集指纹图像的指纹特征数据替换前次采集指纹图像的指纹特征数据，用作下次识别残留指纹的前次采集指纹图像特征点数据。

5.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至2中任一项所述实时指纹识别方法的步骤。

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