1、ISSN 100020054CN 1122223 N 清華大學學報(自然科學版J T singhua U niv (Sci &Tech ,1999年第39卷第1期1999,V o l .39,N o .125 339597利用掌紋進行身份自動鑒別方法的研究束為,榮鋼,邊肇祺,張大鵬0清華大學自動化系,北京100084;0香港城市大學電腦科學系,香港九龍 收稿日期:1998204223第一作者:男,1967年生,講師文摘利用掌紋進行身份鑒別是一項開拓性的工作,是對基于指紋和掌型的身份鑒別技術的重要補充。在分析掌紋特點的基礎上,提出了利用掌紋進行身份自動鑒別的方法:基于掌紋幾何和結構特征的身份驗證

2、方法和基于掌紋細節特征的身份識別方法。通過實驗,論證了上述方法的可行性和有效性,從而為基于掌紋的身份自動鑒別技術的研究積累了有益的經驗。關鍵詞掌紋;身份鑒別;生物統計;模式識別;圖像處理分類號T P 75在基于生物統計的自動身份鑒別技術中,指紋自動鑒別是最為成熟的,使用也最為廣泛1。由于目前的指紋自動鑒別技術主要是基于指紋細節特征2,指紋自動驗證系統的應用往往就局限于指紋質量較好的人3。同樣也是利用人手信息的基于人手三維幾何尺寸的自動身份驗證系統又存在兩個致命的弱點:唯一性沒有得到充分證明;可以仿造具有相同參數的假手。可見,選擇一種既能像指紋和手型那樣取樣方便,又能克服上述弱點的生理特征用來進

3、行身份驗證是極有意義的,掌紋恰恰符合這種要求。另外,公安司法部門也急需基于掌紋的自動身份識別系統作為指紋自動識別系統的補充用來幫助刑事偵查4。因此,利用掌紋進行身份鑒別是對基于生物統計的身份鑒別技術的重要補充。1掌紋特點不失一般性,令手掌的方位為:指尖方向為上,腕部方向為下,拇指側為內,小指側為外。掌紋由乳突紋、皺紋和屈肌線三種紋線組成4。乳突紋是手掌皮膚組織的凸凹結構顯示在表面上的細小凹凸紋路,其具有唯一性和終身基本不變性。皺紋是皮膚松馳活動形成的細小溝紋。其雖然橫壓在乳突紋上,但不損壞乳突紋的結構。屈肌線是手掌關節長期的屈伸運動在一定部位上形成的固有的溝紋。該紋線主干的分布和形態是終身不易

4、改變。一個手掌可能有多條屈肌線,但占80%以上的人的手掌有三條主要屈肌線,分別命名為第一、第二和第三屈肌線(如圖1所示。1,2,3分別為第一、第二和第三屈肌線;為指根部, 為內側部, 外側部圖1手掌的主要屈肌線和分區屈肌線的穩定使得第一、第三屈肌線的起點也有良好的穩定性和旋轉不變性,因此,定義這兩個起點為掌紋的基準點,它們的中點為掌紋中心。由于基準點穩定,我們采用基準點連線和它的中垂線把手掌分為三個區域:指根部(又稱上部、內側部和外側部。該劃分方法如圖1所示。掌紋中的乳突紋可以在局部形成與指紋一樣的三角。在指根部,每個手指的根部均有一組凸向掌心的橫行弧線,常與來自兩側指間的紋線匯成三角。在外側

5、部,腕部屈肌線上方有一組橫行的乳突紋,紋線內側承托著內側部向內流的紋線,外側承托著外側部向外流的紋線,二者常在靠近腕部中央匯合成三角。它們具有終身基本不變性。綜上所述,掌紋具有以下特點:1掌紋和指紋的最基本構成一樣,因此具有唯一性和終生基本不變性,并且不易仿造;2利用基準點和中心對掌紋進行定義具有旋轉不變性和唯一性;3掌紋的區域較指紋大得多,可以比較容易獲取掌紋質量較好的掌紋塊用來提取細節特征;4除細節特征具有唯一性和穩定性外,掌紋的其它特征(如屈肌線、三角點也具有此特性;5在獲取掌紋的同時往往也能獲得手掌的一些幾何特征。這些為基于掌紋的身份鑒別提供了可能。2基于掌紋的身份鑒別基于生物統計的身

6、份鑒別習慣上分為身份驗證和身份識別1。基于掌紋的身份驗證要確定兩個掌紋樣本是否來自同一個人。驗證過程是對兩個掌紋樣本中的有效生理特征進行比對獲得身份驗證參數,再比較驗證參數與給定的閾值的大小從而判定兩個掌紋樣本的關系。身份驗證要求利用的掌紋生理特征具有唯一性、穩定性,以及不易仿照和提取方便的特點,因此,手掌的幾何尺寸、掌紋三角點和屈肌線等特征可以用來進行身份驗證。原因是幾何尺寸吸收了掌型的可分類性和獲取簡捷的優點;掌紋三角點利用了乳突紋穩定和不易仿造的特點,同時又優于細節特征,因為三角點可以從掌紋方向圖上獲得2,所以對掌紋圖像質量的要求相對較低;屈肌線是掌紋特有的,不僅具有唯一、穩定和不易仿造

7、的特點,而且可以在低分辨率和低質量的掌紋圖上提取。基于掌紋的身份識別是用一個掌紋樣本從掌紋庫中查找具有相同或相似生理特征的掌紋,從而判定掌紋的主人。身份識別主要應用于刑事偵查,一般庫存的掌紋樣本是完整的,所以如果從現場獲得的掌紋樣本也是完整的,用于身份驗證的特征顯然也可以用來進行身份識別。但實際中往往只能獲得部分的掌紋,所以除了能夠利用細節特征外,我們對其它特征的利用就比較困難。因此,基于掌紋的身份識別近似于指紋識別,都以細節特征為識別依據。由于掌紋的區域遠遠大于指紋,殘缺掌紋的自動定位將極其困難,鑒于這種情況,目前可行的方法是專家人工定位后的基于細節特征的掌紋身份識別方法。這種方法首先人工確

8、定掌紋塊在手掌中的大致位置,然后自動與所有庫存掌紋在該位置的掌紋塊比較,最后根據排隊情況確認身份。3實驗與結果3.1基于掌紋的身份驗證在實驗中,13人的30個掌紋(其中11個人捺印2次,1個人捺印3次,還有1個人是5次被用來進行測試,每個掌紋與其它29個掌紋比較。身份驗證參數定義如下:r ij=1n6nk=1f k i-f k jf k i+f k j,式中:n是驗證特征的數目,f k i和f k i是樣本i和j 的第k個特征參數。如果驗證參數r ij小于等于閾值T,則表示兩樣本為同一掌紋,否則為不同掌紋。實驗所采用的特征如圖2所示, 手掌的寬是基準點間x和y為基準點,m為中心,u,v和w為三

9、角點,a,b,c, d,e,f,g,和h為屈肌線上的點,線p q是線xy的中垂線圖2部分掌紋特征的歐氏距離,長是基準點連線的中垂線在手掌中的長度;三角點則是取最接近手腕的一個和食指、小指下各一個,共選取3個三角點;屈肌線上的點則在第一、第三屈肌線上各取4個點,每條線上的點到該線起點的歐氏距離分別是50,100,150,和200。驗證特征參數如表1所示。采用誤識率(F ar和拒識率(F rr這對參數來評價驗證結果。實驗結果如圖3所示,E r為錯誤率,當閾值T在0.550.6間時,錯誤拒絕和錯誤接受的掌紋數均為0。表1用于身份驗證的特征及其參數序號(k特征(f k1,2手掌長、寬35三角點到中心歐

10、氏距離68三角點間歐氏距離916屈肌線上點到中心歐氏距離17點x至點d的歐氏距離18點y至點h的歐氏距離19點d至點h的歐氏距離3.2基于掌紋的身份識別顯然,指紋自動識別技術中無中心點細節特征比對方法2,5可以用于基于掌紋的身份識別,所以能否有效地從掌紋圖中提取細節特征就成為了論證上69清華大學學報(自然科學版1999,39(1 圖3身份驗證實驗結果:不同閾值下的誤識率(F ar 和(F rr 述身份識別方法的有效性的關鍵。采用與指紋識別相似的方法來對掌紋圖像進行預處理和提取細節特征,即對掌紋圖像二值化、 細化、后修復,最后提取細節特征2。實驗中,利用文6中提出的預處理和后修復算法對25625

11、6的掌紋塊(256個灰度,157.5c m -1個像素進行處理,細節特征提取的結果如圖4所示。圖4掌紋塊原圖和提取的細節特征4結束語實驗結果表明,本文提出的基于掌紋幾何和結構特征的身份驗證方法及基于掌紋細節特征的身份識別方法是有效的,利用掌紋進行身份自動鑒別是可行的。同時可以發現,在身份驗證實驗中僅僅選取了掌紋眾多具有唯一性和終身基本不變性特征中的一小部分,而且很多的掌紋特征(如屈肌線、基準點、部分皺紋等均可以在低分辨率(39.4c m -1個像素的掌紋圖像中提取,因此,當一幅掌紋圖像的數據基本等于一個指紋圖像的數據時,在身份驗證中利用更多的掌紋特征既保證了身份的唯一和不可仿造,又不用像指紋驗

12、證系統那樣對圖像質量要求過于苛刻。總之,作為一項基于生物統計的新技術,基于掌紋的身份鑒別系統將會有廣闊的應有前景。參考文獻1M iller B.V ital signs of identity .IEEE Spectrum ,1994,31(2:22302Jain A ,Hong L ,Bo lle R.O n 2line fingerp rintverificati on .IEEE T ran sacti ons on Pattern A nalysisand M ach ine Intelligence,1997,19(4:3023133Coetzee L ,Bo tha E C.F i

13、ngerp rint recogniti on in lowquality i m age .Pattern R ecogniti on,1993,26(10:束為.用于保安系統的多級指紋驗證方法的研究:碩士學位論文.北京:清華大學自動化系,1994New approach to automa ted persona liden tif ica tion by pa l m pr i n tS HU W e i ,RONG G a ng ,B I A N Zha oq i ,ZHANG D a pe ngD epartm en t of A utom ati on,T singhua U ni

14、versity,Beijing 100084,Ch ina;0D epartm en t of Computer Science,C ity U niversity ofHong Kong,Kow loon,Hong KongAbstract A u tom ated personal identificati on by pal mp rint is a new app roach w h ich comp lem ents som e in sufficiencies in bo th fingerp rint and hand geom etry iden tificati on .T he app roach w h ich geom etrical and structu ral characteristics are adop ted to identify verificati on and m inu tiae are emp loyed to iden tify recogniti on is p resented fo llow ing the no ti on s and definiti ons about pal m p r