指纹识别系统在继续教育证书管理中的应用方案.docx
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指纹识别系统在继续教育证书管理中的应用方案
指纹识别系统在继续教育证书管理系统中的应用方案
一、项目分析2
二、指纹认证技术介绍2
1、指纹认证技术2
2、指纹认证原理3
3、术语4
4、活体指纹采集技术5
5、指纹处理技术6
6、继续教育证书指纹管理系统6
三、继续教育证书指纹识别系统7
1、指纹采集7
2、指纹识别8
3、数据库系统8
4、系统软件8
4.1指纹采集、指纹识别系统的嵌入式运行程序8
4.2管理工作站实时监控程序和后台管理程序8
四、继续教育证书指纹识别系统的设计10
1、系统设计的指导思想10
2、系统的工作方式10
2.1脱机工作方式11
2.2联机工作方式11
3、系统的拓朴结构11
3.1独立结构12
3.2分布式结构12
五、应用方案12
六成本分析16
一、项目分析
专业技术人员继续教育是我国专业技术人员的终身教育。
专业技术人员的个人信息，继续教育学时信息以及继续教育证书信息的安全性要求都较高。
如何避免违规操作?
如何避免专业技术人员的相关信息泄露?
如何使专业技术人员继续教育管理工作更加规范?
采用指纹认证、识别技术应该就是最有效的手段之一。
指纹识别技术是生物特征识别技术的一个领域，是最早通过计算机实现身份识别的手段。
它在今天已经成为应用最为广泛的生物特征识别技术。
近几年来，这种新技术逐渐从最早使用它的公安刑事侦察系统走向更为广泛的民用市场，在管理、门禁、金融、公安、网络等方面广泛应用，已经成为一门较为成熟的科学应用技术。
通过对指纹技术和证书管理相结合的再开发，完全可以，也一定可以将指纹技术运用到继续教育证书管理中去。
二、指纹认证技术介绍
1、指纹认证技术
早在公元前7000-6000年，古代的亚述人和中国人就意识到了指纹的特点，并使用指纹作为个人身份的象征。
19世纪中叶开始了对指纹在科学意义上的研究，并产生了两个重要的结论：
没有任何两个手指指纹的纹线形态一致；指纹纹线的形态终生不变。
由于人体的身体特征具有不可复制的特点，人们把目光转向了生物识别技术（Biometric），希望可以籍此技术来应付现行系统安全所面临的的挑战。
要把人体的特证用于身份识别，这些特征必须具有唯一性和稳定性。
研究和经验表明，人的指纹、掌纹、面孔、发音、虹膜、视网膜、骨架等都具有唯一性和稳定性的特征，即每个人的这些特征都与别人不同、且终生不变，因此就可以据此识别出人的身份。
基于这些特征，人们发展了指纹识别、面部识别、发音识别等多种生物识别技术，目前许多技术都己经成熟并得以应用，其中的指纹识别技术更是生物识别技术的热点。
指纹识别技术的发展得益于现代电子技术的发展和快速可靠的算法的研究。
尽管指纹只是人体皮肤的一小部分，但用于识别的数据量相当大，对这些数据进行比对也不是简单的相等与不相等的问题，而是使用需要进行大量运算的模糊匹配算法。
随着计算机技术的飞速发展，自动指纹分类识别技术取得了很大进步。
大约在20世纪70年代，美、日等发达国家先后开始研究自动指纹识别系统（AutomatedFingerprintIdentificationSystem简称AFIS），美、日等发达国家凭借其强大的科技力量和经济实力，在该领域的研究和开发中处于领先地位，并推出了许多有实用价值的新产品，这些产品在诸如管理、门禁、金融、公安和网络安全等许多领域中得到广泛的应用,使用指纹来取代计算机应用程序的密码就是最为典型的实例。
随着现代电子技术的发展，采集图像分辨率越来越高、体积越来越小的指纹图像读取设备不断更新换代，同时随着计算机电子技术的发展，更为复杂的图像识别算法已经可以在微机，甚至嵌入式计算机上实现。
另外，图像匹配算法的可靠性也不断提高，使指纹识别技术己经非常实用。
指纹识别技术的应用系统大致可以分为两类，即验证（Verification）和辨识（Identification）。
验证就是通过把一个现场采集到的指纹与一个己经登记的指纹进行一对一的比对（one-to-onematching），来确认身份的过程。
作为验证的前提条件，他或她的指纹必须在指纹库中已经注册。
指纹以一定的压缩格式存贮，并与其姓名或其标识（ID，PIN）联系起来。
随后在比对现场，先验证其标识，然后，利用系统的指纹与现场采集的指纹比对来证明其标识是合法的。
辨识则是把现场采集到的指纹同指纹数据厍中的指纹逐一对比，从中找出与现场指纹相匹配的指纹。
这也叫“一对多匹配（one-to-manymatching）”。
验证和辨识在比对算法和系统设计上各具技术特点。
例如验证系统一般只考虑对完整的指纹进行比对，而辨识系统要考虑残纹的比对；验证系统对比对算法的速度要求不如辨识系统高，但更强调易用性；另外在辨识系统中，一般要使用分类技术来加快查询的速度。
除了验证的一对一和辨识的一对多比对方法，在实际应用中还有“一对几个匹配（one-to-fewmatching）”。
2、指纹认证原理
指纹识别的原理是根据指纹具有唯一性和稳定性识别出人的身份。
在现代的科学研究领域，指纹的识别属于“模式识别”，是通过指纹提取仪获得指纹图像，通过计算机完成指纹特征的提取，再通过一系列复杂的指纹识别算法，在短时间内完成身份识别、认证。
近几年来，生物认证作为一门新兴的认证技术和手段日趋成熟，逐步开始进入市场。
指纹作为一种重要的人体特征，具有以下一些特点：
•唯一性：
（人各不同、指指相异），指纹具有很明显的特定性。
据指纹学理论，两枚指纹匹配上12个特征的几率为10-50。
至今尚找不出两个指纹完全相同的人，即使是相貌酷似的孪生兄弟姐妹，他们的指纹也各不相同。
不仅人与人之间，就是同一个人的十指之间，指纹也有明显的区别。
•不变性：
（终生基本不变），指纹具有很强的相对稳定性。
自胎儿六个月指纹完全形成到人体死亡腐败之前，尽管随着年龄的增大，指纹在外型大小，纹线粗细上会有变化，局部纹线之间也可能出现新的细线特征，但从总体上看，同一指的指纹纹线类型、细节特征的总体布局等始终无明显变化
•再生性：
只要不伤及真皮，伤愈后，纹线仍能恢复原状；如果伤及真皮，伤愈后形成伤疤。
伤疤破坏了纹线，但伤疤本身为指纹增添了新的稳定的特征。
•便捷性：
活体指纹具有无法伪造、随身携带、不需记忆等特点；
自动指纹识别技术的发展得益于现代电子集成制造技术和快速而可靠的算法研究。
尽管指纹只是人体皮肤的一小部分，但用于识别的数据量相当大，对这些数据进行比对也不是简单的相等与不相等的问题，而是使用需要进行大量运算的模糊匹配算法。
现代电子集成制造技术使得我们可以制造相当小的指纹图像读取设备，同时飞速发展的个人计算机运算速度提供了在微机甚至单片机上可以进行两个指纹的比对运算的可能。
运用指纹作为身份认证的方式是目前最安全、最可靠的身份识别、鉴定办法之一，它已经广泛应用于公安、金融、社保等许多领域，是极具法律效力的验证手段，同时也是目前技术最为成熟、实现最为简单的身份认定方法。
如果生物鉴别技术是身份识别技术的未来，那么指纹鉴别仪就是最可靠、最安全的生物鉴别仪器。
随着采集技术和识别技术的发展，指纹身份鉴别技术已经非常成熟，并从原来的警用行业走向民用市场。
3、术语
•活体指纹：
直接通过指纹采集设备取得的指纹，取得的指纹是根据手指的反射光的强度、温度、湿度、电容差产生，具有不可仿制、伪造等特点。
•指纹识别：
将一枚指纹与另一枚指纹匹配识别，确定两枚指纹是否是一个手指的指纹。
•指纹特征：
指纹图像自身具有的一些特点，一般有纹型、中心、三角和细节特征等。
正常情况下终生保持，彼此不同，可作为身份认定的依据。
•拒识率（FRR）：
在不同时刻采集同一指纹识别比对失败的概率或正确指纹被误判而拒绝接受的比率。
FRR可视为系统好不好用的一个指标，其值越低，说明性能越好，但FRR值与指纹机本身的阈值（Threshold）的设定有关，如果阈值设定越低，FRR值自然降低（容易进入），但FAR相应升高。
•误识率（FAR）：
在指纹识别过程中，不同的指纹比对成功的概率，或者是错误指纹输入而被接受为正确的比率。
FAR可视为安全性指标，其值越低，说明性能越好，但FAR值与指纹机本身的阈值（Threshold）的设定有关。
如果阈值设定越高，FAR值自然降低（不易进入），但FRR值相应升高。
•验证时间（VerificationTime）（1:
1）：
两枚指纹比较判断是与不是的所耗费的时间。
•识别速度（IdentifySpeed）（1:
N）：
对一枚指纹在指纹数据库中查找与之相对应的指纹时的速度。
•特征长度（（TemplateSize）：
一枚指纹经过系统处理后，特征数据的字节数。
4、活体指纹采集技术
继续教育证书指纹系统采用活体指纹采集技术，能够自动检测手指，并要求被检测的手指必须是活体才能得到指纹图像，该技术具有如下优点：
•防伪性高：
采用国际上目前最先进的芯片采集技术，指纹扫描信号透过指纹表皮，直接对手指真皮层进行电场感应而获得指纹图像，真正有效的杜绝指纹的伪造。
•抗干扰性强：
由于是对真皮层进行采集，对手指的污染、干燥、潮湿等情况有较强的自适应性，抗干扰能力较强；
•采集速度快：
可以达到每秒15幅图像的采集速度；
5、指纹处理技术
指纹处理技术包括指纹图像的获取、指纹图像预处理、指纹特征的提取、指纹的识别等技术。
指纹图像的预处理包括指纹图像的分割、滤波、图像增强、图像恢复、二值化等处理技术。
指纹特征提取是指在指纹图像中提取出能够唯一反映输入对象本质的数据量，该数据量应具有保持指纹的独特性、易于进行匹配、对噪声具有一定的鲁棒性，对旋转、平移和非线性形变具有不变性和对不完整指纹具有鲁棒性等性质。
指纹识别是指利用高效、鲁棒的指纹识别算法实现指纹的特征提取、加密、存储和比对等过程。
6、继续教育证书指纹管理系统
传统的指纹专家人工查找的方法，已不适应现代生活的需要。
人们迫切要求能有一套自动指纹分类、识别系统来帮助人们管理、处理和识别指纹。
继续教育证书指纹管理系统集计算机技术、网络技术、数据库技术、计算机图形学、图像处理、模式识别、嵌入式技术、信息安全技术为一体，多种学科并存的综合性信息处理系统，是生物识别技术，特别是指纹识别技术的具体应用，采用指纹身份认证的手段，利用指纹的唯一性、专有性、方便、保密、不易丢失和遗忘、能够再生等优点，运用指纹识别技术，来确认继续教育管理人员身份的合法性，这对于继续教育信息的安全性具有现实意义。
三、继续教育证书指纹识别系统
指纹识别系统由指纹采集与识别系统、指纹数据库管理系统组成。
该系统对身份进行认证。
1、指纹采集
指纹采集是指用指纹取像设备如光学取像设备、晶体传感器和超声波扫描仪采集用户的指络图像的特征数据的过程，包括指纹取像、光电转换、A/D转换、图像预处理、指纹特征提取、指纹数据压缩存储等。
指纹特征是指在指纹识别系统中能够唯一反映输入对象本质的数据量。
为了使指纹能够用于身份鉴别系统，指纹特征应具有保持指纹的独特性、易于进行匹配、对噪声具有一定的鲁棒性，对旋转、平移和非线性形变具有不变性和对不完整指纹具有鲁棒性等性质。
2、指纹识别
指纹识别的核心问题是指纹匹配的过程，即是通过对两枚指纹的比较来确定它们是否同源的过程，也就是说两枚指纹是否来源于同一个手指。
传统的指纹匹配有两种方式：
一是基于纹理信息的匹配模式，通过纹理特征模型将图像匹配转化成模式识别的纹理匹配问题；二是基于点模式匹配，通过细节点表示为点模式，一个自动指纹识别问题就转化为点模式的匹配问题，这种方法利用指纹脊线的端点和分叉点来鉴定指纹。
3、数据库系统
本系统的数据库设计包括数据库本身的结构设计和信息编码的设计。
数据可分为基础数据、识别特征数据、运行数据几大类。
基础数据包括人员的基本资料、指纹采集与指纹识系统的运行参数、系统参数、职务、部门信息码的维护、人员时间与区域的进出权限等，需要对这些数据进行建立和维护，满足系统的配置和身份验证用。
识别特征数据指人员的指纹特征码、照片及其模板数据，满足系统运行时的身份验证用。
运行数据指验证识别时产生的面像、验证记录等数据，满足事后查询用。
4、系统软件
系统软件由指纹采集、指纹识别系统的嵌入式运行程序和管理工作站实时监控程序和后台管理程序两个部分组成。
4.1指纹采集、指纹识别系统的嵌入式运行程序
输入正确的ID号，采集指纹；
根据采集到的指纹与系统数据库或指纹识别系统中保存的指纹数据进行识别，并显示识别结果；
输入/输出指纹数据；
4.2管理工作站实时监控程序和后台管理程序
查询：
数据库的查询是指通过输入指纹、身份证ID或其它数据，对数据库进行查询，获得被查对象的信息的过程；
通信：
通信是指继续教育管理中心服务器与指纹采集设备、指纹识别设备进行通信，包括接收指纹采集、指纹识别系统传来的ID号、指纹数据，指纹采集设备、指纹识别设备查询数据库中的指纹数据等。
通信的方式包括TCP/IP的方式、串行通信的方式进行。
系统权根管理：
设置有关参数和用户进出权限的管理；
数据的输入输出：
指纹数据的输入输出是指纹特征数据的导入数据库和指纹数据导出数据库。
指纹数据可以以文件和形式通过USB等输入/输出接口的指纹采集、指纹识别系统进行数据交换；
数据库管理、维护：
数据库的管理、维护包括用户的基本信息资料维护；指纹数据维护，匹配模板建立，系统参数设置、指数据库备份等管理过程。
四、继续教育证书指纹识别系统的设计
1、系统设计的指导思想
先进性：
系统在满足建设方要求的同时，在系统配置、产品选型等技术性能、指标上应具有一定的先进性，应选用高质量设备并有一定的冗余度，充分考虑信息社会的发展趋势，力求在相当长的时期内系统仍然具有先进性；
实用性：
系统应具有实用性，操作简单、维护方便，所开发的功能简明实用；
可靠性：
系统应有良好的可靠性，系统设备配置一般应为品牌成熟产品，能适应长时间连续工作；
兼容性：
系统的控制主机应便于扩充和升级；各系统之间应能实现通讯与联动，以提高系统整体的使用效果；
经济性：
系统应有最好的经济性，在保证上述性能的前提下，优化系统设计、提高系统的性价比。
2、系统的工作方式
继续教育指纹指纹识别系统脱机工作方式和联机工作方式两种工作方式。
2.1脱机工作方式
脱机工作是指指纹采集与指纹识别系统独立工作。
在指纹采集时，每个指纹采集系统完成指纹图像的采集，指纹特征数据生成，在一次采集任务完成之后，将保存在指纹采集系统中的指纹特征数据通过USB接口保存在移动存储设备中，计算机工作站通过USB接口将移动存储设备中的指纹数据保存在数据中。
在指纹识别时，先将采集到的指纹数据通过指纹识别系统的USB接口保存在指纹识别系统中，当用户登录系统时，采集用户的指纹信息，与事先保存在指纹识别系统中的指纹数据进行匹配识别并显示指纹识别的结果和用户信息。
2.2联机工作方式
联机工作是指纹采集与指纹识别系统与计算机工作站联机工作。
在指纹采集时，由指纹采集系统采集用户指纹图像，生成对应的指纹特征码，再通过网络传送给计算机工作站，完成指纹数据的存储。
在指纹识别时，指纹采集与识别系统采集用户的指纹，同时通过网络读取数据库的指纹数据，进行识别，并显示识别结果和用户信息。
两种工作方式都包含了验证和辨识，即“一对一”、“一对多”两种识别模式。
验证就是通过把一个现场采集到的指纹与一个己经登记的指纹进行一对一的比对来确认身份，“一对一”识别模式要求用户输入ID号，采集了指纹后，处理生成的特征码和模板与该ID号的对应数据一对一比对和综合评判，精确判断是否其本人。
“一对多”识别模式不要求输入ID号，在采集了指纹后，处理生成的特征码和模板与已保存的所有人员特征数据逐一比对，缩小比对范围后，再找出是否有与被识别人相似度很高的人员，以判断该被验证人是否是合法人员，这种模式无需输入ID号，减少了操作，方便了使用者。
3、系统的拓朴结构
与系统的工作方式相对应，系统的拓朴结构也分为独立结构和分布式结构两种结构。
3.1独立结构
在脱机工作模式下，系统的结构很简单，数据库工作站和指纹采集和指纹识别系统独立工作，通过USB接口交换数据。
3.2分布式结构
继续教育证书指纹系统的分布式拓朴结构识意图如图1所示。
图1网络分布式结构
分布式结构有两种组网方式，一种是基于TCP/IP通讯方式的网络结构，另一种是通过RS485串行能通信的分布式网络结构。
独立结构的优点是结构简单，所需的资源少，但操作不方便。
分布式结构所需的资源多，系统开发难度大，但用户使用方便。
五、应用方案
1、具体需求
⏹每个继续教育管理人员的电脑上安装一台指纹认证终端
⏹设置一台后台数据服务器
2、网络结构
根据需求，选择网络分布式结构，有两种组网方式，一通过RS485串行能通信的分布式网络结构，二是基于TCP/IP通讯方式的网络结构，可根据具体需求选择：
基于RS485串行能通信的分布式网络结构
基于TCP/IP通讯方式的网络结构
3、应用说明
事先将继续教育管理人员指纹数据采集。
在指纹采集时，由指纹采集系统采集继续教育管理人员的指纹图像，生成对应的指纹特征码，存储到后台数据服务器。
继续教育管理人员在自己的指纹采集终端按压指纹进行身份确认。
在指纹识别时，指纹采集与识别系统采集继续教育管理人员的指纹，同时通过网络读取数据库的指纹数据，进行识别。
对于有问题的用户，终端会进行提示。
4、设备终端
如图所示，指纹采集与指纹识别系统是集指纹的采集和指纹识别为一体，既可以用来完成用户指纹信息的采集，又可以用来完成用户指纹的识别。
做为指纹图像采集器使用时，设置为采集方式。
在每个用户终端，采集每一位用户的指纹信息，指纹图像根据用户ID压缩存储。
做为指纹识别系统使用时，
系统设置为识别方式。
当用户将指头按到指
纹采集窗口时，屏幕上显示识别的情况。
性能、指标：
•误识率<=0.0001%
•拒真率<=0.01%
•指纹存储容量：
1500/3000枚
•识别响应时间：
每秒查询5000枚指纹
•通信接口USB/RS232/485/TCP/IP网络接口（可选）
•显示方式：
汉字
•采集时间<0.1S
•比对方式1：
1，1：
N
•图像采集参数调整：
自动调节各种参数，获得最佳图像；
•工作电源:
直流12V
•安装方式：
直接连接到用户电脑上
此外，安装、使用简便，抗干扰性强，外型设计美观，用户操作方便，稳定性好，支持24小时连续运行。
六成本分析
1、指纹仪终端
每台500至1000元不等。
2、指纹管理系统
1）硬件：
需要在省厅部署一台指纹仪数据库服务器，价格在2万元左右。
2）软件系统：
指纹管理系统（1至2万元）
3、指纹仪接口程序开发
需要一周左右开发时间，成本在5000至1万元左右。
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