ios平台下的指纹识别技术研究

包冬梅（呼伦贝尔学院　计算机学院，内蒙古　呼伦贝尔　021008）



ios平台下的指纹识别技术研究

包冬梅
（呼伦贝尔学院计算机学院，内蒙古呼伦贝尔021008）

摘要：随着信息技术的逐步普及和电子商务的高度发展，人们对手机这一重要生活工具的信息安全性与隐私性要求日渐提高.因此苹果公司在其开发的ios系统中尝试应用了稳定性较强的高度隐私保护措施——指纹识别技术.文章就指纹识别技术进行了技术性分析，并设计了基于ios平台的指纹识别系统.

关键词：ios平台；指纹识别系统；指纹识别技术

随着智能移动设备的全面普及，智能操作系统的重要性日渐突出，智能手机、手持电脑等被赋予了更丰富的功能与更强大的安全管控程序.当今电子商务、网上银行等都已经实现了与手持智能设备的直接绑定，因此，人们在对琳琅满目的手持智能设备进行选择时除考虑设备良好的用户交互界面外，更进一步的是考虑该设备的安全指数.苹果公司在2013年9月推出了自带指纹识别系统的i-Phone5s，宣告着ios平台下的指纹识别技术正式面世.指纹识别属于生物识别范畴，其涉及的图像采集、处理、计算等都是复杂而浩大的工程.

1　指纹识别系统优势

指纹识别是生物识别的一类，其应用前景广阔，应用价值较高.因当前身需要份验证的场合较多，而身份验证的手段较少，传统身份验证方法准确率低等，指纹识别系统在当下得到了广泛推广，包括侦讯、门禁、电脑、手机、考勤、支付等领域，指纹识别系统以其特有的优势备受各界研究人士热捧.指纹识别系统的优势主要包括：第一，指纹是每个人类个体都具有的普遍生理特征，因此指纹识别系统具有明显的普遍性.第二，世界上没有两枚完全一样的指纹，任何两枚指纹都存在细节差异，因此，指纹识别系统又具有唯一性.第三，指纹作为人类生理特征与皮肤骨骼形状等不同，不会随年龄环境等产生变化，指纹识别系统具有突出的稳定性.第四，指纹特征明显，经特殊方法可进行采集，即可采集性.第五，指纹采集难度较低，采集的环境途径也较为简单，操作准确率和可行性高，说明指纹识别系统又具有可行性.第六，易接受性.指纹采集牵涉部位为手指，被采集者提供采集的方法简便而轻松，易于广大群众接受，因此，指纹识别系统具有易接受性.第七，防伪性.指纹因其第一无二的生理特性而具备了高度防伪功能，加之要伪造盗用他人指纹的难度相当高，指纹识别系统防伪性相当好.指纹识别系统的这些优势必将使其广泛应用到各种身份认证领域，当前手机客户端的发展催生了大量的移动APP，其账号与安全管理也必将逐步引进具有绝对优势的指纹识别系统.

2　指纹识别原理与应用技术分析

2.1指纹识别原理

指纹识别的主要原理是通过对指纹整体和局部进行分析的方式，从较为直观的指纹总体特征纹路形状、纹路模式、纹路核心点、纹路总数、纹路三角点等开始区分，当整体符合后再分析局部特征，通过局部细节的分叉、末端、转折等形成的节点等关键点进行细分，通常指纹局部特征有13项关键点重合即可进行同一认定，指纹识别系统的流程如图1所示.

图1　指纹识别流程图

2.2指纹读取技术分析

对指纹进行读取是指纹识别的重要步骤.指纹读取应用的是光学反射原理，光学取象设备通过玻璃表面反射给CCD指纹样本进行指纹采集.玻璃表面感应到的指纹沟壑犹如山峦的脊和谷一般，脊指指纹突出与玻璃表面产生强烈接触的部分，谷为指纹凹陷部分.指纹脊部与玻璃产生了阴影面不会反射光线给CCD，而谷部则将反射完全的光线给CCD，从而促使CCD完成指纹图像采集.为给指纹识别算法提供精确的素材，指纹提取时需注重指纹特征提取.指纹特征提取的精确度是后期指纹比对的关键之所在，关系着整个指纹识别系统的优劣.因此，指纹提取必须讲究特征提取的方法和特征提取的代表性以及所提取特征的样式与细节.

2.3指纹识别算法分析

指纹识别系统最核心的技术是指纹识别算法，可以说指纹识别算法的优劣直接关系着指纹识别的精确度和准确率，更是识别速度的决定因素.指纹识别算法通常有两种，即1:N、1:1.1：N指纹识别计算法是将需对比的指纹与参照指纹进行N此对比，其优点在于精确度高，缺陷则在于计算速度较慢.而1:1指纹识别计算法则只对参照指纹与需比对指纹进行一次比对，其优势在于计算度快，缺陷则在于精确度相比1:N计算犯法要低，由于指纹本身就具备鲜明的唯一性和具有较高准确性，因此1: 1计算方法使用更为普遍.1:1算法的依据是指纹脊线细节特征，基于此建立的指纹识别算法流程较适宜ios平台运作.而衡量指纹识别系统性能优劣的主要指标指纹匹配时间.匹配时间的公式为：t=i+f+cu，其中i为图像处理时间;f为提取时间;c为比较时间;u为总的用户个数.在合理的平台上进行1:1的全旋转匹配需耗时[3]:t=558+64+42× 1=664ms，该算法提供指纹输入较强健的全旋转和匹配时间较短但指纹输入受限±45°的1/4旋转两种选择.

2.4指纹匹配技术分析

指纹匹配结果的正确与否是AFIS是否成功的最后一个关键点.指纹匹配关系着指纹识别系统的成败，其算法的优劣更是指纹识别系统识别性能和识别速度以及识别效率的决定性环节，因此指纹匹配必须具有绝对优势的匹配算法，所谓指纹匹配是指对当前需比对指纹与系统保存的参照指纹进行对比，以确认指纹是否属于同一人.指纹匹配存在着模糊匹配过程，因为指纹识别系统对采集到的同一手指的两个不同指纹图像也难以轻易获取完全一致的指纹特征信息.指纹匹配的方法随指纹识别的方法而改变，当前使用较普遍的指纹匹配方法有基于点模式匹配算法和基于子模式的匹配方法两种，点模式匹配算法是通过平移、伸缩、旋转等变换假设将两个指纹中两个点的集中对应点进行匹配.指纹匹配事实上是对对比指纹与系统储存的参照指纹进行细节特征对比匹配，通过预先设定的闭值算出比对结果.基于子模式这一指纹匹配方式实际上是对指纹图像特征点所构成的模式中，针对转位不敏感（旋转、平移）的特征点构成子模式，在另一幅图像中根据特定的映射关系重新搜寻匹配的指纹子模式，将找到的相吻合的子模式的特征点作为匹配对应点，以这些对应点为基础对两幅指纹图像的相似度进行分析判断，最后得出指纹匹配结果.

3　系统设计与实现

3.1硬件设计

本设计中指纹识别系统的硬件主要有一个先进的指纹采集模块和一个强大的数据存储模块以及系统核心模块、输出显示模块等.而本设计中系统的硬件部分主要包括以下几方面：

第一，指纹采集器.本设计主要采用主动式垂直射频指纹感测器.主动式垂射频感测器将接收到的指纹沟壑影像以3D模式反应，便于辨识.这种新型指纹感测器能清晰的读取人体皮肤活体底层纹路，采集到清晰而真实的人体指纹，大大降低了指纹被硅胶、模具等手段假冒的风险，防伪功能十分强大.为防止该感测器受环境与温度的干扰造成工作失准和保证其受用寿命可在其表面镀膜.第二，微处理器.设计的微处理使用了INTEL公司运行于416MHz的XSCALE PXA270.第三，电源管理.系统电源管理模块笔者选择了经过优化的电源管理IC-MAX8588，MAX8588性能较高，非常适合便携式互联网设备使用.第四，传感器.本设计传感器选用三维成像且具有活体采集功能和体积小、性优价廉特性的FPS200.第五，传感器接口.指纹识别系统的传感器接口，笔者应用了SPI接口，其特点为软件、硬件简单.本方案中，传感器操作只需将SCS，SCK，MOSI，MISO连接至PXA270的GPIO，FPS200中断脚EXTINT和PXA270中断连接即可.设计中系统的核心模块是在苹果PC操作系统实现的.第六，数据存储模块.而数据存储模块设计临时采用M-SYS公司的DiskOnChipG4是具有1Gbit的FLASHMemory，内建了控制器，可方便作为程序存储器，并可用于大容量文件存储.

3.2 ios程序运行原理

因当前具有指纹识别功能的手机以苹果5s为代表，本设计以苹果公司的ios平台为基础，以运行在苹果PC操作系统Mac os X上的Xcode 4.2为开发环境，以虚拟PC”软件VMware Workstation 6.0进行虚拟机搭建.

3.3 ios平台下指纹识别系统结构设计

由于本设计为基于ios平台的指纹识别系统，因此本设计中的系统采用iPhone模拟器为调试平台.基于当前智能手机的触屏主流操作形式，本设计的软件设计方面较注重操作简易性与友好性.本设计的主要流程为指纹图像采集、指纹图像预处理、指纹特征提取、指纹特征匹配、指纹识别、指纹库6大部分，其整体架构如图2所示.

图2　指纹识别系统

3.4软件设计

系统软件准备程序为：加载异常中断向量表→程序复位→应屏蔽中断→检查启动方式→设置相关寄存器→重定位存储器→确定FLASH的起始地址→加载各初始化功能模块.本设计以多线程为主在提高系统运行效率的同时大大增强了系统的可扩展性.当系统启动时即开始线程ThreadMain(),线程ThreadMain()主要负责按键响应和接收控制信息并同时分析和执行硬件类控制指令或功能类控制指令.FPS200的工作方式分中断和查询两种，而笔者应用了FPS200的中断工作方式.其工作流程为：FPS200各寄存器进入初始化→给相应的寄存器录入控制字→为采集指纹设置参数→FPS200自动采集进入数据寄存器→在制定存储位置储存指纹数据→产生中断→进入中断服务程序→中断子程序进行指纹读取和识别.FPS200工作至这一步，已经得出匹配结果，当指纹匹配结果为是时，操作者可进入用户界面，当指纹比对不匹配时，手机无法解锁，并始终保持待机状态.

4　结语

随着手持智能设备的全面普及与快速更新换代，移动互联网也得到了空前的发展.各手持智能设备与各APP运营机构要把握住互联网商务、互联网金融等快速渗透的黄金时代，开发一套高度保密而又行之有效的身份验证系统是必行之路.指纹识别这一高度精准而又具有唯一特性的身份验证技术，以便携式、嵌入式形态已经被应用于一些大型实力手持设备开发公司.本文对指纹识别系统的应用技术进行了简要分析，并尝试设计了一套可行的基于ios平台的指纹识别系统，笔者有理由相信，指纹识别系统必将广泛应用于手机、平板、APP、P2P、互联网金融、网上银行等众多领域，成为互联网时代身份识别的主流手段.

参考文献：

〔1〕毕雪芹,苏艳娟,王琪.嵌入式指纹识别系统的设计及试验研究[J].国外电子测量技术,2015（02）: 50-53+81.

〔2〕楼京京.智能手机指纹识别系统的设计[J].信息系统工程,2015（03）:29+24.

〔3〕黄轩.基于移动指纹识别的身份认证系统[J].南昌大学学报(理科版),2011（02）:189-192.

〔4〕马彦平.指纹识别的未来[J].中国质量万里行，2013（12）:90.

收稿日期：2015-12-30

中图分类号：TP391

文献标识码：A

文章编号：1673-260X（2016）04-0011-03