基于带选择性傅里叶谱的指纹活性检测

基于带选择性傅里叶谱的指纹活性检测

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Changlong Jin,Hakil Kim,and Stephen Elliott

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生物识别技术工程研究中心，

信息与通信工程学院，仁荷大学，韩国

{cljin,hikim}@vision.inha.ac.kr,

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生物识别标准性能和保证实验室，普渡大学，美国

elliott@

摘要：本文提出了一种基于带选择性傅里叶谱的指纹活性检测新方法。一

个指纹图像的二维频谱反映了脊线的空间频率分布和强度。脊谷的指纹纹

理在傅立叶光谱影像的中心形成环状图案，在随后的环中形成谐波环状图

案。活体手指和假手指都形成这些环，但在不同的空间频段有不同幅值。

通常情况下，活体指纹显示出强于假指纹的傅立叶频谱。该方法通过分析

两个环状区域带选择性的傅立叶谱能量对活体和假体指纹进行分类。实验

结果表明这种方法是是一种非常有前途的技术，它将构建更加强劲的指纹

识别系统以修复基于假手指的欺骗技术漏洞。

关键词：指纹识别,活性检测,带选择性,傅里叶谱,脊谷纹理

1引言

传统安全工具，例如，钥匙和密码，已经暴露出易被偷窃及遗忘等缺点。相反，生物识别系统利用人体的信息，因此，拥有更高的安全感和便利性。但是，最近的研究表明，生物识别系统要面对各种威胁。在自动指纹识别系统中，使用硅胶或]2,1[

明胶制成的假手指就可以欺骗各种指纹传感器（即胶状手指接触）。检测所提供的生物识别样本指纹是来自一个活体手指还是假手指这一艰巨任务，正成为一个活跃的研究课题。

本文的重点在于提出一种检测指纹活性的新方法。硅胶，明胶，橡胶都是一些可以用来制造假手指的材料。人们基于生理上的特点，如血压，温度，气味，硬度和汗水，提出了多种区分活体手指和假手指的方法。

活性检测有两种主要实施方法。首先是基于硬件的方法包括：1）血压检测，]3[

基于带选择性傅里叶谱的指纹活性检测

2）温度检测，3）皮肤电阻或电容检测，以及4）气味检测。这些方法有生]4[]4[]5[理特征明确的优势，，但价格昂贵且笨重。另一种是基于软件的方法，虽然比较复杂，但并不像基于硬件的方法那样需要额外的配件。现有的指纹传感器仅需要修改软件便可以方便地使用基于软件的方法。有三种类型的方法：

1）基于汗渍的方法]

10,9,8,7,6[只有活体手指能出汗，因此可以通过图像分析检测汗水。此方法非常有价值，已被许多学者研究。此方法容易受到一系列特征因素的影响包括手指压力敏感，环境，使用者和时间间隔等。

2)基于皮肤变形的方法]

12,11[这种方法基于硬度（或弹性）的不同。当手指在指纹传感器上按压并旋转时，不同的硬度会产生不同的变形。可以通过比较这些扭曲检测手指的活性。该方法的关键在于材料硬度的差别。因此，当假材料的硬度类似于活体皮肤时该方法表现不佳，用户需要一个训练过程。

3)基于影像质量的方法]

13[事实上，很难伪造比活体指纹图像具有相同或更好质量的指纹图像。一般来说，假冒的指纹图像质量并不像活体指纹图像一样好。Moon 等通过利用小波变换计算]13[指纹图像的标准差来检测指纹的活性。这种方法的优点是速度快，使用方便。尽管Moon 等的工作只是概念性的，但它给了我们一个重要的提示，我们可以通过检测图像质量检测指纹的的活性。

本文提出了一种基于带选择性傅里叶频谱能量的真假指纹分类方法供指纹活性检测。指纹是脊谷交错的纹理。当把指纹图像转换到频域时，将主要产生两个环状区域（参见图.1）。第一个环的半径反映了指纹图像脊的间距d =N/r ，其中d,N,r 依次代表]14[在空间域脊的间距、指纹影像的宽度以及第一个环的半径。换句话说，该幅值的大小（所谓的频谱能量）反映了脊谷纹理的强度。

当我们利用明胶和硅胶制造假手指时，很难复制的与活体指纹完全相符。对于不]2[同材料和形状的假手指，活体指纹和假手指的指纹图像有所不同，即假指纹与活体指纹看起来非常像，可以通过分析频谱的能量差别检测指纹活性。

本文包括四个章节：第二部分详细介本文提出的方法；第三部分给出实验结果；第四进行总结和工作展望。

C.Jin,H.Kim,and S.Elliott

2提出方法

在本篇论文中，我们提出了一种基于带选择性傅里叶频谱能量检测假手指的新方法。指纹是一种脊谷交错的纹理。当把指纹图像转换到频域时，将产生环状区域，本文称为“内环纹理”。在500DPI 的指纹图像上，内环跨越7—10个像素，在光谱影]16,14[像上对应内环半径在28—46个像素之间变化（传感器A ：280x320）。活体指纹和]14[假体指纹的清晰度有所差别，这使得内外环能量强度产生差异。因此，内环能量的集聚是活性检测时的一个特征。在本文中，计算了25-59像素区间内的能量。

内环的谐波产生于60至100像素之间，即所谓的“外环”。外环的能量也取决于脊谷纹理，并由活体和假体的不同而定。集聚值的应用为本方法的第二个特征。

活体和假体指纹的光谱影像在总体频谱能量上有差异。这些差异是由这些因素造成的：指纹图像前处理的大小、直方图分布、以及传感器的性能。因此，总体的能量在1至100像素之间为本方法的第三个特征。图1描述了在内圈和外圈计算出的光谱能量。

图.1.指纹的频谱图像,两个环状图形及带选择能量的计算

图2描述了3个区域能量的计算步骤。首先，使用快速傅里叶变换将指纹图像转换到频域空间，为了避免过大的比值，对转换后的图像进行取对数操作；然后将结果图像数据正态化；随后，用Daugman 提出的均匀橡胶板模型将频谱图像的上半圈转化到矩形坐标系上，映射到频率轴。最后，使用公式1，2和3计算出积聚在三个区间上的能量：25〜59，60〜100，1〜100。