基于手部特征的多模態(tài)生物識別技術(shù)研究-I-基于手部特征的生物多模態(tài)技術(shù)研究摘 要隨著科學技術(shù)與時俱進的腳步，人們對于安全問題的關(guān)注性也越來越高，生物識別的技術(shù)優(yōu)勢越加突出了其重要性，生物特征識別就是指進行身份的判斷時利用人類所特有的生理特征和行為特征。但同時基于單模態(tài)的身份識別技術(shù)卻有著一些缺點，比如防偽性能差，易被竊取等，本文就這一問題而提出了多模態(tài)生物識別技術(shù)，它就是通過利用多種生物特征的融合技術(shù)進行身份識別和身份驗證，主要優(yōu)勢在提高識別效率，抗噪性、普適性等方面都有所改善。雖然近年來多模態(tài)生物識別技術(shù)已經(jīng)得到了多方面各個層次的關(guān)注和重視。但是，目前該技術(shù)仍然不是十分成熟，需要我們在以后的工作中進一步研究和探討。我們將具有豐富特征的人體手部作為本論文的研究重點，本文研究的手部的生物特征主要是基于掌紋特征和手形特征的，他們作為生物識別特征具有穩(wěn)定性和唯一性，本文主要基于小波變換對生物特征進行分析，基于小波變換的生物特征提取方式，接著運用了改進后的典型相關(guān)分析方法，對所提取的手形和掌紋兩種生物特征的特征向量在特征層的融合方法，此種方法主要是通過引入矯正系數(shù)，通過對投影方向上的特征矢量的調(diào)整，使準則函數(shù)值達到最大的要求。本文主要利用人手部的生物特征識別技術(shù)，分析不同種方式下的掌紋特征的提取，使掌紋和手形的這兩種生物特征模態(tài)在特征層進行融合，經(jīng)過實驗數(shù)據(jù)得出多模態(tài)生物特征的識別率要高于任一模態(tài)下的生物識別率，實現(xiàn)了多模態(tài)生物融合的初步探索和嘗試，為我們后續(xù)的研究和發(fā)展提供了一定的了理論依據(jù)。關(guān)鍵詞 多模態(tài)生物識別；矯正系數(shù)；特征層融合；小波變換-II-Based on the biological characteristic of hand multi-modal technology researchAbstractWith the pace of science and technology advancing with the times, people are more and more concerned about security issues. Biological recognition technology advantages more prominent its importance, biological feature identification is to identify the physiological characteristics and behavior characteristics of human beings when they are used for identification. But at the same time, there are some disadvantages in the single mode based identification technology, for example, poor security performance, easy to be stolen, etc. In this paper, we put forward a multi modal biometric technology. It is through the use of a variety of biological features of the fusion technology for identification and authentication, major advantages in improving the recognition efficiency, noise immunity, universality and other aspects have been improved. Although in recent years the modal biometric technology has been more and more attention of all levels. However, the technology is still not very mature, we need further research and discussion in future work.We will have rich characteristics of the human hand as the focus of this paper, The hand biometric is mainly based on Palmprint and hand geometry, they are as a biometric characteristic with stability and uniqueness, this paper is mainly based on wavelet transform analysis on biological characteristics of proposed biometric ,The extraction method of biological features is based on Wavelet Transform, then puts forward the improved method of canonical correlation analysis, Two kinds of fusion method of feature vector and palmprint features in the hand shape biological feature level, this method is mainly by introducing the correction coefficient, to adjust the projection direction of the feature vector, the criterion function value reached the maximum.In this paper, The use of biometric identification technology of the hand,We put -III-forward the two modes of the palmprint and hand shape in feature level fusion, through experimental data obtained, multi-modal biometric recognition rate is higher than either mode of biological recognition rate, achieve and attempt the multimodal biometric melting of preliminary exploration ,to provide certain theoretical basis for our further research and development.Keywords multimodal biometric recognition；correction coefficient；feature fusion；wavelet transform- IV -目 錄摘 要 .IAbstract .II第 1 章 緒 論.11.1 研究的背景及意義.11.2 生物識別技術(shù)概述.21.2.1 各種生物特征的分類和比較.21.2.2 多模態(tài)生物特征識別.41.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀.51.4 論文研究的主要內(nèi)容.6第 2 章 多模態(tài)生物識別中信息融合理論與方法.72.1 信息融合概述.72.2 多模態(tài)生物特征識別研究.72.2.1 模式源的選擇.82.2.2 多模態(tài)識別中信息融合層次.82.3 多融合方案確定.132.4 本章小結(jié).15第 3 章 手部圖像特征提取.163.1 手部特征識別現(xiàn)狀分析.163.2 手形輪廓特征提取與掌紋預處理.173.2.1 手形輪廓特征提取.173.2.2 掌紋預處理.203.3 基于小波變換圖像特征提取.213.3.1 小波變換.213.3.2 依據(jù)小波分解原理處理圖像.243.3.3 構(gòu)造小波能量特征.263.3.4 特征匹配.273.4 基于 2DPCA 的特征提取.273.5 本章小結(jié).28第 4 章 基于改進的多模融合識別.294.1 典型相關(guān)分析的基本思想.29- V -4.2 特征組合原理與算法.294.3 改進的典型相關(guān)分析方法.304.4 特征融合算法流程.314.5 結(jié)果分析.324.5.1 基于小波特征能量結(jié)果分析.324.5.2 基于改進典型相關(guān)結(jié)果分析.344.6 本章小結(jié).36結(jié)論.37參考文獻.38- 1 -第 1 章 緒 論1.1 研究的背景及意義伴隨著社會的不斷發(fā)展和進步，信息技術(shù)發(fā)展和網(wǎng)絡(luò)覆蓋也更加全面，人們對于信息的安全性要求也越來越高。在日常生活中，比如，網(wǎng)絡(luò)，金融和國防安全等方面都需要精確的識別技術(shù)來保障人們信息的安全性并維護社會的穩(wěn)定。目前，進行身份驗證技術(shù)主要有兩個方面，其一是通過使用實物，主要有身份證件，鑰匙和卡片等，還有一種是通過虛擬手段來進行身份驗證，如密碼，暗號等。但是上述方法仍然存在很多不足，容易丟失、偽造和被盜用等風險。當前基于生物特征的身份認證技術(shù)的使用價值就越發(fā)明顯。近年來生物識別技術(shù)做為人們研究的熱點問題并被廣泛的應(yīng)用于各個領(lǐng)域。生物識別系統(tǒng)之所以能夠如此迅速有效地完成整個生物識別過程，其中的處理過程主要包括采集圖像、解碼、比對和特征比配等方面。生物識別技術(shù)（Biometric Identifcation Technology）主要是通過生物統(tǒng)計學、計算機與生物傳感器、光學等各種科學技術(shù)手段有機的結(jié)合起來，且利用人類固有的生理特點和行為特點進行身份識別和驗證的技術(shù)。人體的生物特征的特點有唯一性、遺傳性或終身不變等，因此在身份驗證方面生物識別技術(shù)相比于傳統(tǒng)的身份驗證方法有著一定的優(yōu)勢，例如在安全性、保密性和方便性等方面，但這主要是借助于外物，如果被丟失，其身份就容易被他人冒充，在信息安全上面無法得到保證。這就是生物識別技術(shù)主要應(yīng)用于商業(yè)，政府和司法三大領(lǐng)域方面的前提條件 1。生物特征識別的含義比較大，可以分為兩個方面：1）生理特征：如掌紋，手型，人臉，手背靜脈，虹膜和視網(wǎng)膜等方面。2）行為特征：步態(tài)，簽名和聲音等方面。而我國的生物特征技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀并不是很樂觀，核心技術(shù)和基礎(chǔ)性技術(shù)還尚缺乏。要提高我國識別技術(shù)的競爭力，就要加大政府的支持力度和投資規(guī)模。從上個世紀 90 年代以來，雖然我國生物識別技術(shù)有了很大幅度的發(fā)展，但相對于發(fā)達國家而言，我國仍處于落后地位，未來的生物識別產(chǎn)業(yè)擁有廣闊的市場前景，以引起各個國家的高度重視。我國已將生物識別作為一個重點研究項目，并且已對相關(guān)課題開展了討論研究。- 2 -1.2 生物識別技術(shù)概述1.2.1 各種生物特征的分類和比較生物識別技術(shù)涉及到很多相關(guān)領(lǐng)域和學科，例如圖像采集、圖像處理、信息融合、模式識別等多方面。下圖是生物識別的一般過程。圖 1-1 生物特征識別的一般過程Pig1-1 General process of biometric identification一直以來人們一直有一個疑問，到底什么樣的生物特征才能進行生物測定呢？用于身份識別應(yīng)該滿足怎樣的條件：普遍性：大家都有的生物特征，是普遍存在的。獨特性：每個人都各不相同，而且任意兩個人之間存在著比較大的差異。持久性：特征相對來說比較穩(wěn)定，不會隨著時間位移等方面的改變而發(fā)生改變?？刹杉裕禾卣魇欠褚妆徊杉蛘呤欠衲芡ㄟ^輔助設(shè)備測量采集得到。對一個生物識別系統(tǒng)是否具有實用性，主要是依靠下面幾個性能來進行判斷：1）接受程度: 在人們的日常生活和工作中，用戶愿意或希望其進行身份識別的程度。2）性能：系統(tǒng)的識別精度和識別速度是否足夠高，是否會受到環(huán)境等其他因素的影響等。3）抗欺騙性：系統(tǒng)被偽造的特征欺騙的難易程度 2?？偠灾粋€生物識別系統(tǒng)有高的精確度和識別速度，對人們無危害，對各種偽造信息具有足夠魯棒性，易被廣大用戶所接受。上述性能雖然滿足生物識別的基本條件，但是在實際應(yīng)用中，必須同時考慮系統(tǒng)的性能、人們對身份識別的接受性和系統(tǒng)的抗欺騙性等因素。從生物學角度，遺傳 DNA 在信息鑒別方面是最可靠的，但是其有無法實時采集和獲取的高成本這兩方面的局限性。接下來對幾種常見的基于各種生物特征的生物識別預處理檢測與定位 特征提取 模式匹配 決策生物特征模型- 3 -技術(shù)進行介紹：1. 聲音：聲音即是人體的生理特征也是行為特征，它是由多方面因素決定的（如聲帶、嘴型等的形狀）。人的聲音也會隨著年齡大小、健康狀況、情緒壓力等原因而發(fā)生變化。聲音的區(qū)分性不強，而在現(xiàn)實生活中，環(huán)境的噪音也是無法忽略的。所以通常情況下，基于聲音的識別系統(tǒng)并不適合對其進行身份驗證。聲音識別技術(shù)是指通過采集到原始的聲音信號，通過一系列的技術(shù)手段，對其特征因素進行提取和相互匹配的身份識別技術(shù)。但它同時也受到了多方面的制約如環(huán)境噪聲和個體聲音偽裝等。2. 掌紋：掌紋是指從各個手指末端到手腕之間的手掌圖像，掌紋面積較大，蘊含的紋理特征比較豐富。理論上應(yīng)該比手指等更具區(qū)分性，其中很多特征可以用來進行身份驗證：比如主線、皺紋、脊、谷、分叉點等，如果用高分辨的儀器進行掃描采集，那么就可以組成一種高度精確的識別系統(tǒng)。采集設(shè)備體積更大，對于成本要求較高。3. 簽名：每個人的手寫簽名都有其特定的方式，簽名在政府、銀行、法律等方面作為一種普遍的身份認證手段。但它是一種行為特征，會隨時間的變化而變化，會受到環(huán)境、情緒等多方面因素的影響。而有些仿冒者也可以復制或偽造簽名進行欺騙。4. 體味每個人身上不同的體味，反映出其不同的化學組成成分，所以一般情況下可以用于身份識別，主要原理是包含氣味的空氣通過化學傳感器陣列，每一傳感器對于特定化合物敏感，但是由于空氣中也會包含除臭劑等化學成分，從而對其產(chǎn)生一定的影響。 5. 手形手形是指人手的幾何形狀特征即手的輪廓形狀，手指各個位置的寬度、長度等，手形不會因為環(huán)境因素如濕潤或者干燥，皮膚因素等而有影響，但是手形的唯一性并不理想，尤其是手形信息在孩子的成長過程中不斷得變化，這也是手形識別的主要弊端之一。根據(jù)上面部分的闡述和介紹，可以了解到不論是何種生