CN1258735C - 通过用户的指纹图的特征点来鉴别用户的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

在一种通过用户指纹图的特征点来鉴别用户的装置中，一指纹图输入电路扫描要登记用户的指纹，于是提供了一个指纹图，并且扫描待鉴别用户的一个指纹，于是提供了第二个指纹图。一主电路提供对应于第一指纹图的已登记的特征点数据和对应于第二指纹图的目标特征点数据。一安全权标电路估测已登记的特征点和目标特征点之间的位置差值和方向差值，并根据这个位置差值和方向差值来校正这两个特征点，从而提供鉴别结果数据。

Description

通过用户的指纹图的特征点来鉴别用户的装置和方法
技术领域
本发明涉及通过用户指纹图的特征点来鉴别用户的一种装置和方法；特别涉及这样一种装置和方法，它通过如下方式来鉴别用户：在智能卡、通用串行总线(USB)权标等硬件资源有限的环境下，将已登记的指纹图的状态校正为与目标指纹图——即待鉴别的指纹图——的状态相同，然后比较上述的两个指纹图的特征点以便估测已登记的指纹图和目标指纹图之间的相似性。
背景技术
在传统的指纹鉴别系统中，用户的指纹图首先登记在诸如智能卡、通用串行总线(USB)权标等的安全权标中，然后，在没有用户已登记的指纹图数据信息外流的情况下，比较已登记的指纹图和目标指纹图，即待鉴别的指纹图。在上述传统用户鉴别装置中获得的比较结果被发送到外部。本装置保证比那些靠中央处理器管理指纹图数据的系统或将已登记的指纹图数据发送到外部的一个鉴别执行电路的系统具有更高的安全性。而且，这种装置可以切断活体数据的外流以便保护活体数据的安全性。
在通过比较已登记的指纹图和目标指纹图的传统鉴别方法中，估测已登记的指纹图和目标指纹图的特征点之间的相似性的方法正在获得普遍使用。例如，在传统的鉴别方法中，从两个指纹图提取的所有特征点的位置和方向被检查，然后估测出已登记的指纹图和目标指纹图的特征点之间的相似性。所估测的相似性与一个预定的阈值相比较。这种方法基于如下的假设：指纹图的输入在相同的位置和相同的方向上执行。在这种假设下，比较特征点的状态。因此，这种方法要求两个指纹图应当被校正和修改为具有相同的位置和方向。
上述方法的示例如下。即，1996年8月的关于模式分析和机器智能的IEEE学报第18卷第8号的题目为“用于大型指纹数据库的实时匹配系统”(Areal-time matching system for large fingerprint database)的文章；题目为“不受旋转和转移影响的指纹图比较方法”(Fingerprint image comparison method freefrom influence of the rotation and transition)的韩国专利登记第10-0267263号；题目为“使用用户的指纹图和IC卡的通过管理装置”(Passing managementapparatus by employing fingerprint image and an IC card of a user)的韩国专利登记第10-0198108号。
详细而言，在题目为“用于大型指纹数据库的实时匹配系统”的文章中描述的方法中，从已登记的指纹图和目标指纹图中分别提取第一和第二特征点。然后，校正所提取的第一和第二特征点。当通过比较第一和第二特征点来估测两个指纹图的相似性的时候，若这两个指纹图是从相同的位置和方向获得时，估测准确性较高。
但是，由于不同的指纹图一般彼此具有不同的位置和方向，应当在估测相似性之前加入对于位置和方向的校正程序。所谓的霍夫变换技术可以应用到校正程序中以获得在位置和方向上的差值。
详细而言，在一个存储器中分配了一个三维区域，包括表示位置和方向差值的存储块(bin)。每对特征点的位置和方向的差值被获得后都累积在一个区域内的一个相应的存储块中。先获得所有特征点对的累积，然后获得具有最大值的存储块来作为一个最大存储块值。然后，参照这个最大存储块值执行两个特征点的位置和方向的校正。但是，用这种方法，存储器的负担大大增加，因为需要大量的存储容量来分配用于累积位置和方向差值的三维区域。因此，这种方法不能应用于诸如智能卡或USB权标那样的具有有限硬件资源的安全权标上。
另外，韩国专利登记第10-0267263号说明了不受旋转和转移影响的指纹图比较方法。这种方法涉及一种指纹图比较方法，利用预先从指纹图提取的特征点数据和检测含有指纹图的旋转和转移信息的相应的点，从而迅速估测是否一对指纹图是相同的。
在一种传统的指纹图比较方法中，查看所有提取的特征点的坐标，因此必须有大量的运算以便查看在空间中具有相同位置的所有侯选特征点。在上述的专利中，所有的特征点被分为三组，每组具有一个圆周半径，这个半径数据被存储和使用在数据库中。在这个专利中，当比较两个指纹图的时候，可以通过选择仅仅包括具有相似的半径的特征点的一组并迅速查看是否存在相同的指纹图来检验由于旋转和转换而导致变形的指纹图之间的识别。但是，在这个专利中，还需要存储特征点组信息的存储器。作为结果，这种方法不能实质地用于安全权标上。
还有，韩国专利登记第10-0198108号涉及一种装置，用于通过指纹图和IC卡来识别用户。在该专利中，使用卡的用户首先登记或存储他或她自己的指纹图。然后，当用户要识别他或她自己的时候，即刻输入到卡读取器的一个指纹图与在安全系统中的一个IC卡中预先已登记的指纹图相比较。但是，这个比较过程在安全系统外比较，有指纹图数据外流的可能性。
考虑到上述情况，在上述的传统鉴别方法中，存在诸如存储器负担加大和用户的关键识别数据——如作为用户活体数据的指纹数据——可能外流的问题。
发明内容
因此，本发明的一个目的在于提供一种用于鉴别用户的装置和方法，它是通过在智能卡、通用串行总线(USB)权标等硬件资源有限的环境下，将已登记的指纹图的状态校正为与目标指纹图——即待鉴别的指纹图——的状态相同，然后比较这两个指纹图的特征点以便估测在已登记的指纹图和目标指纹图之间的相似性。
按照本发明的一个方面，提供了一种用于通过用户的指纹图的特征点来鉴别用户的装置，包括：
一指纹图输入电路，用于扫描要登记的用户的指纹，于是提供了一个指纹图，并且扫描待鉴别的用户的一个指纹图，于是提供了第二个指纹图；
一主电路，用于提供已经登记的第一指纹图的特征点的数据，作为对应于第一指纹图的已登记的特征点数据，并提供待鉴别的第二指纹图的特征点的数据，作为对应于第二指纹图的目标特征点数据；
一安全权标电路，用于估测已登记的特征点和目标特征点对之间的位置差值和方向差值，根据这个位置差值和方向差值来校正这两个特征点，估测被校正的特征点之间的相似性，并基于所估测的相似性产生鉴别结果数据，以便向主电路提供鉴别结果数据；和
一输入/输出接口电路，用于在指纹图输入电路和主电路之间执行传递指纹图和在主电路和安全权标电路之间传递特征点数据和鉴别结果数据，
其中，如果相似性大于预定的阈值，则鉴别结果数据指示两个指纹图被确定为相同；否则，鉴别结果数据指示两个指纹图被确定为彼此不同。
按照本发明的另一个方面，一种通过这用户的指纹图的特征点鉴别用户的方法，用于包括指纹图输入电路、主电路和安全权标电路的系统中，这个方法包括如下步骤：
(a)向安全权标电路登记这个用户的指纹图特征点数据作为已登记的特征点数据；
(b)向指纹图输入电路输入待鉴别用户的指纹；
(c)扫描这个用户的指纹来向主电路提供所扫描的指纹图数据；
(d)接收所扫描的指纹图数据并从所扫描的指纹图数据中提取特征点，然后以预定的方式从提取的特征点中选择所期望的特征点以便向安全权标电路提供所期望的特征点数据作为目标特征点数据；
(e)在安全权标电路中，估测已登记的特征点数据和目标特征点数据，获得每对特征点的位置差值和方向差值，然后所有特征点对的差值被累积在存储区域中相应的存储块中，然后获取具有最大值的存储块作为最大存储块值，并通过改变存储块的单位值、从大的初始值开始向小的值变化，然后设置一个新的区域并重复这个过程直到存储块的单位值达到一个最小的值，其后，当存储块的单位值达到对应新区域中最小值的时候，获得每对特征点的位置和方向的最后差值；和
根据所获得的差值来校正两个指纹图的特征点；和
估测在被校正的特征点之间的相似性；
基于所估测的相似性产生鉴别结果数据；
然后，向主电路提供鉴别结果数据，
其中，如果相似性大于预定的阈值，则鉴别结果数据指示两个指纹图被确定为相同；否则，鉴别结果数据指示两个指纹图被确定为彼此不同。
附图说明
通过结合附图对优选实施例的描述，本发明上述的和其他的目的和特点将会变得更加清楚，其中：
图1示出了通过用户的指纹图的特征点来鉴别用户的装置的方框图；
图2是表示安全权标电路中用户指纹图登记过程的流程图；
图3说明了一种用于通过用户的指纹图的特征点来鉴别用户的方法的整个过程的详细流程图；和
图4A和4B提供了按照在图3中示出的存储块累积过程而获得两维存储块的示例。
具体实施方式
参见图1到4，现在详细说明本发明的优选实施例。
图1示出了按照本发明，利用用户指纹图特征点来鉴别用户的装置100的方框图。装置100包括指纹图输入电路10、输入/输出(I/O)接口20、主电路30和安全权标电路40。
指纹图输入电路10扫描要登记的用户指纹以便通过I/O接口20向主电路30提供第一张指纹图。这个指纹图输入电路10也扫描待鉴别用户的指纹以便通过I/O接口20向主电路30提供第二张指纹图。输入/输出(I/O)接口20执行在指纹图输入电路10和主电路30之间的接口功能，并执行主电路30和安全权标电路40之间特征点数据和鉴别结果数据的传递。
主电路30提供已经登记的第一张指纹图的特征点数据作为对应于第一张指纹图的已登记的特征点数据，并提供对应于第二张指纹图的待鉴别的第二张指纹图的特征点数据。
主电路30可以具有CPU 32和存储器34。CPU 32从用户的指纹图输入电路10接收第一张指纹图，并从第一张指纹图提取特征点。CPU 32以预定的方式从提取的特征点中选择所期望的特征点，然后通过输入/输出(I/O)接口20向存储器34和安全权标电路40提供已登记的指纹图特征点数据(以下称为已登记特征点数据)。
其后，CPU 32从用户的指纹图输入电路10接收第二张指纹图，并从第二张指纹图提取特征点。CPU 32以预定的方式从提取的特征点中选择所期望的特征点，然后通过输入/输出(I/O)接口20向存储器34和MICOM 42提供待鉴别的指纹图的特征点数据(以下称为目标特征点数据)。存储器34存储已登记的特征点数据和目标特征点数据。可以使用智能卡或通用串行总线(USB)权标作为安全权标电路40。
安全权标电路40估测两个特征点——即已登记的特征点和目标特征点——之间的位置差值和方向差值，并根据位置差值和方向差值来校正这两个特征点以便向主电路30提供鉴别结果数据。
安全权标电路40可以具有存储单元44、微型计算机(MICOM)42和处理存储器46。MICOM 42向存储单元44提供从主电路30接收的已登记的特征点数据，并从主电路30接收目标特征点数据。MICOM 42检索预先存储在存储单元44中已登记的特征点数据，并在处理存储器46中装入已登记的特征点数据。然后，MICOM 42将处理存储器46中装入的已登记的特征点数据与目标特征点数据相比较从而产生鉴别结果数据。
详细而言，这个鉴别结果数据可以按如下方式获得。例如通过使用所谓的霍夫变换技术来获得每对特征点的位置差值和方向差值，然后这些差值被累积在存储区域中相应的存储块中。所有特征点对的累积被获得，然后具有最大值的存储块被获得作为最大存储块值。
存储块的单位值从大的初始值到小的值变化，然后设置一个新的区域。此处理被重复直到存储块的单位值达到一个最小值。然后，当存储块的单位值达到在相应新区域中的最小值时，获得每对特征点的最终位置差值和方向差值。其后，根据所获得的差值来校正两个指纹图的特征点。此时估测所校正的特征点之间的相似性。如果这个相似性超过预定的阈值，则确定这两个指纹图是相同的。在这种情况下，一个对应的用户被识别为正确的用户。
存储单元44存储来自MICOM 42的特征点数据。作为缓冲存储器的处理存储器46执行装入已登记的特征点数据以响应来自MICOM 42的装入控制信号。处理存储器46进一步暂时存储、通过比较已登记的特征点数据与目标特征点数据而获得的、两个指纹图的对应的特征点之间的位置差值和方向差值。处理存储器46可以是随机访问存储器，其存储容量从4k到60k。
图2是表示如安全权标电路40那样的安全权标电路中的用户指纹图登记过程流程图。首先，在步骤S201，用户向指纹图输入电路10输入他或她的指纹以登记他或她自己的指纹图。
然后，在步骤S202，指纹图输入电路10扫描用户的指纹以便通过输入/输出(I/O)接口20向主电路30中的CPU 32提供扫描的指纹图数据。
在步骤S203，主电路30中的CPU 32从指纹图输入电路10接收扫描的指纹图数据，并从扫描的指纹图数据提取特征点。然后，CPU 32以预定的方式从所提取的特征点中选择所期望的特征点，然后在存储器34中存储所期望的特征点数据、并通过输入/输出(I/O)接口20向安全权标电路40中的MICOM 42提供所期望的特征点数据。然后，在步骤S204，安全权标电路40中的MICOM 42在存储单元44中存储所期望的特征点数据作为已登记的特征点数据。然后，结束用户指纹图的登记过程。
图3说明了一种遵照本发明的优选事例、通过用户指纹图特征点来鉴别用户的方法的整个过程的详细流程图。
在如上所述参照图2的指纹图登记过程结束后，在步骤S301，用户输入智能卡或通用串行总线(USB)权标，并且同时向指纹图输入电路10输入他或她的指纹以鉴别他或她自己的指纹图。
然后，在步骤S302，指纹图输入电路10扫描用户的指纹以便通过输入/输出(I/O)接口20向主电路30中的CPU 32提供扫描的指纹图数据。
在步骤S303，主电路30中的CPU 32从指纹图输入电路10接收扫描的指纹图数据并从扫描的指纹图数据中提取特征点。然后，CPU 32以预定的方式从所提取的特征点中选择所期望的特征点，然后在存储器34中存储所期望的特征点数据并通过输入/输出(I/O)接口20向安全权标电路40提供所期望的特征点数据作为目标特征点数据。
然后，在步骤S304，安全权标电路40中的MICOM 42检索在存储单元44中先前存储的已登记的特征点数据，并装入已登记的特征点数据以评估其特征点。
然后，在步骤S305，MICOM 42为了提取两个特征点——即已登记的特征点和相应的目标特征点——的位置差值和方向差值，设置了一个区域用于累积如图4A所示的两个特征点的位置差值和方向差值，然后确定每个存储块位置(bx1，by1)和方向(在图4A和4B上未示出)的单位值。图4A和4B提供了按照图3所示的存储块累积过程而获得的两维存储块的示例。
在这种情况下，存储块的量值从大的初始值到小的值变化。在图4A和4B中，“Rang_X1”表示一个初始的(第一个)X-轴区域，它涉及对应于检测X-轴方向的位移；“Rang_Y1”表示一个初始的(第一个)Y-轴区域，它涉及对应于检测Y-轴方向的位移；“Rang_X2”表示一个围绕最大存储块区域(表示为“B”)的初始x-轴区域中设置的第二个X-轴区域；“Rang_Y2”表示围绕最大存储块区域的初始Y-轴区域中设置的第二个Y-轴区域。在图4A和4B中，bx1表示一个初始的X-方向单位；bx2表示小于bx1的第二X-方向单位；by1表示一个初始的Y-方向单位；by2表示小于by1的第二Y-方向单位。
下面在步骤S306，查看是否考虑了所有的特征点(即所有的特征点对)。如果考虑了所有的特征点(即所有的特征点对)，那么处理进入步骤S313；如果没有考虑到所有的特征点，那么处理进入步骤S307。
在步骤S307，产生一个特征点对，即已登记的特征点和目标特征点，然后，在步骤S308，估测这两个特征点之间的方向差值。
在步骤S309，如果方向差值不大于阈值(TH)，则处理进入步骤S310；否则，处理返回步骤S306。在步骤S310，估测两个特征点之间的位置差值。
在步骤S311，如果位置差值不大于阈值(TH)，那么处理进入步骤S312；否则，处理返回步骤S306。在步骤S312，在一个区域中对应于每个位置差值和方向差值的存储块的等级被提升或累积，其中的区域是预定的，如在处理存储器46中。
同时，在步骤S313，获得具有最大等级的存储块。然后，在步骤S314，查看是否存储块的单位值是最小的。如果存储块的单位值不是最小的，则处理进入步骤S315。在步骤S315，存储块的单位值从大的初始值向小的值变化，然后设置了小于具有初始值的区域的一个新的区域。然后在步骤S316，重新设置每个位置差值和方向差值存储块的单位值。然后，处理返回步骤S306。
在步骤S314，如果存储块的单位值是最小的，则处理进入步骤S317，如图3所示。在步骤S317，提取对应于最大存储块值的位置差值和方向差值，如对应于图4B中的“B”的位置差值和方向差值。
在步骤S318，MICOM 42根据所提取的位置差值和方向差值校正已登记的特征点数据和目标特征点数据。然后，在步骤S319，MICOM 42估测在被校正的两个特征点之间的相似性。最后，在步骤S320，执行一个鉴别操作。即，如果该相似性大于预定的阈值，则两个指纹图被确定为相同；否则，两个指纹图被确定为彼此不同。然后，处理结束。
上述初始设置的存储块区域涉及位置的移动和方向的旋转。一般，对于位置移动的存储块涉及指纹图的尺寸，例如，按照本发明的另一个实施例，如果使用约300x300像素的指纹图并且可以跟踪约100像素的位置移动，则每个“Rang_X1”和“Rang_Y1”应当被设置为约200像素。这表示在上/下和左/右方向上的约100像素的位置跟踪是可能的。对于旋转区域，60度的旋转(对于右和左方向各30度)应当是可能的。
对于用于位置的存储块，每个bx1和by1可以被初始设置为8，然后下降为4，2；用于方向的存储块单位值可以被初始设置为4并然后下降到2，1。在这种情况下，位置区域应当从约200像素的区域降为约100像素、约50像素；并且方向的区域应当从60度降为30度、15度。利用这种配置，每个步骤所必需的存储器可以是相同的，因此，可以降低所需要的最大存储容量。
同时，按照本发明的另一个实施例，提高存储块等级的一个单位值可以是“1”或其他值。在对应的存储块之外，它的相邻存储块也可以累积。在这种情况下，可以利用所谓的高斯分布技术。
按照本发明，提供了一种用于鉴别用户的装置和方法，它是在智能卡、通用串行总线(USB)权标等硬件资源有限的环境下，将已登记的指纹图的状态校正为与目标指纹图——即待鉴别的指纹图——的状态相同，然后比较这两个指纹图的特征点来估测已登记的指纹图和目标指纹图之间的相似性。在这种情况下，由于已登记的指纹图被存储在一个安全权标中的存储器中，并且已登记的指纹图和目标指纹图之间的鉴别在安全权标中执行，因此防止了用户指纹数据的外流，增进了安全性。
虽然仅仅参照本发明的特定优选实施例而说明了本发明，在不脱离所附权利要求书中所公开的本发明的范围的情况下，可以做出各种改进和变化。

Claims (10)

1.一种通过用户指纹图特征点来鉴别用户的装置，包括：
一指纹图输入电路，用于扫描要登记用户的指纹，然后提供一个指纹图，并且扫描待鉴别用户的一个指纹，然后提供第二个指纹图；
一主电路，用于提供已经登记的第一指纹图的特征点数据，作为对应于已登记的第一指纹图的特征点数据，并提供待鉴别的第二指纹图的特征点数据，作为对应于第二指纹图的目标特征点数据；
一安全权标电路，用于估测已登记的特征点和目标特征点之间的位置差值和方向差值，根据这个位置差值和方向差值来校正这两个特征点，估测被校正的特征点之间的相似性，并基于所估测的相似性产生鉴别结果数据，然后向主电路提供鉴别结果数据；和
一输入/输出接口电路，用于在指纹图输入电路和主电路之间执行传递指纹图和在主电路和安全权标电路之间传递特征点数据和鉴别结果数据，
其中，如果相似性大于预定的阈值，则鉴别结果数据指示两个指纹图被确定为相同；否则，鉴别结果数据指示两个指纹图被确定为彼此不同。
2.如权利要求1所述的装置，其中的安全权标电路根据所提取的位置差值和方向差值校正已登记的特征点数据，然后估测被校正的两个特征点之间的相似性；如果相似性大于预定的阈值，则确定两个指纹图是相同的，执行对用户的正常鉴别过程。
3.如权利要求1所述的装置，其中的安全权标电路包括：
一微型计算机，用于提供已登记的特征点数据并且从主电路接收目标特征点数据后，检索预先存储的已登记的特征点数据并装入已登记的特征点数据，然后将已登记的特征点数据与目标特征点相比较，然后通过使用所谓的霍夫变换技术产生每对特征点的位置差值和方向差值，并在一个存储区域中的一个对应的存储块中累积这些差值，其中与累积相关的存储块的单位值从大的初始值向小的值变化，以便降低存储量，其后，当存储块的单位值达到在对应的新区域中的最小值的时候，获得每对特征点的最终位置和方向差值并根据所获得的差值校正两个指纹图的特征点；
一存储单元，用于存储来自微型计算机的特征点数据；和
一处理存储器，用于响应来自微型计算机的装入控制信号并装入已登记的特征点数据，并进一步暂时存储与两个指纹图对应的特征点之间的位置和方向差值。
4.如权利要求3所述的装置，其中处理存储器是一个随机访问存储器，它的存储容量从4k到60k。
5.如权利要求1所述的装置，其中主电路进一步包括一个存储器，用于存储已登记的特征点数据和目标特征点数据。
6.一种通过这用户的指纹图的特征点鉴别用户的方法，用于包括指纹图输入电路、主电路和安全权标电路的系统中，这个方法包括如下步骤：
(a)向安全权标电路登记这个用户的指纹图的特征点数据作为已登记的特征点数据；
(b)向指纹图输入电路输入待鉴别用户的指纹；
(c)扫描这个用户的指纹向主电路提供所扫描的指纹图数据；
(d)接收所扫描的指纹图数据并从所扫描的指纹图数据中提取特征点，然后以预定的方式从提取的特征点中选择所期望的特征点，然后向安全权标电路提供所期望的特征点数据作为目标特征点数据；
(e)在安全权标电路中，估测已登记的特征点数据和目标特征点数据，获得每对特征点的位置差值和方向差值，然后所有特征点对的差值被累积在存储区域中相应的存储块中，然后获取具有最大值的存储块作为最大存储块值，并改变存储块的单位值、从大的初始值开始向小的值变化，然后设置一个新的区域并重复这个过程直到存储块的单位值达到一个最小值，其后，当存储块的单位值达到在对应新区域中的最小值时，获得每对特征点的位置和方向的最后差值；
根据所获得的差值来校正两个指纹图的特征点；
估测被校正的特征点之间的相似性；
基于所估测的相似性产生鉴别结果数据；和
向主电路提供鉴别结果数据，
其中，如果相似性大于预定的阈值，则鉴别结果数据指示两个指纹图被确定为相同；否则，鉴别结果数据指示两个指纹图被确定为彼此不同。
7.如权利要求6所述的方法，其中安全权标电路包括：
一存储单元，用于存储来自微型计算机的特征点数据；和
一处理存储器，用于响应来自微型计算机的装入控制信号并装入已登记的特征点数据，并进一步暂时存储与两个指纹图对应的特征点之间的位置和方向差值。
8.如权利要求7所述的方法，其中处理存储器是一个随机访问存储器，它的存储容量从4k到60k。
9.如权利要求6所述的方法，其中在主电路中的CPU从指纹图输入电路接收所扫描的指纹图数据，并从所扫描的指纹图数据中提取特征点，然后以预定的方式从提取的特征点中选择所期望的特征点，然后在一个存储器中存储所期望的特征点数据，并通过一个输入/输出接口向安全权标电路提供所期望的特征点数据作为目标特征点数据。
10.如权利要求6所述的方法，其中主电路进一步包括一个存储器，用于存储从CPU接收的已登记的特征点数据和目标特征点数据。
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