基本信息
- 项目名称：
- 超大规模警用指掌纹检索平台
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本项目将指纹和掌纹这两类特征融合在一起，建立一个基于雪崩理论的高精度高效率检索平台。主要内容如下：1）基于频域分析的联指图实时预览和切割；2）基于椭圆模型的滚动指纹图像序列无缝拼接；3）基于偏微分方程的低质量图像局部区域特征提取；4）基于雪崩理论的多级匹配算法；5）基于模糊神经网络的指掌纹信息融合；6）超大规模警用指掌纹检索平台设计与实现。经浙江公安物证鉴定中心试用，平台运行稳定，已达到实用要求。
- 详细介绍：
- 目的： 9.11事件发生以后，生物特征识别日益广泛应用于各行各业，指纹识别是其中最具代表性的技术之一，不仅已在司法领域取得巨大成功，而且开始应用于众多的民用领域，诸如指纹门锁已开始进入普通百姓家。作为对现有指纹特征识别技术的重要补充，掌纹有易于获取和主特征明显又稳定等特点。指纹以细节特征点、中心点及三角点等通过系统进行查找比对；掌纹具有面积大、流程长、形态复杂且随区域明显变化的特点，并且也具有和指纹相同的细节特征点，因此可以用现有的指纹系统进行掌纹比对。因此，这两类特征之间的融合，相比其他生物特征时间的融合，更加的方便和深入。 随着全球人口的过快增长，联合国人口司和众多学者预测今年世界人口将突破70亿大关。在国内，第六次全国人口普查正在举行，很多专家预测中国的人口总数将超过14亿。最近几年，随着全世界范围内恐怖暴力事件的不断升级，警用指纹识别更是引起了各国的重视，已在侦破案件中发挥了重要作用，警用掌纹识别也日渐受到关注。人口越多，指纹和掌纹数据库也变得越来越庞大。当从案发现场提取到指纹或掌纹，跟公安系统的数据库进行比对所花费的时间也越来越长。 基于上述原因，针对越来越庞大的指掌纹数据库，本项目将指纹和掌纹这两类特征融合在一起，建立一个基于雪崩理论的高精度高效率检索平台，为刑侦破案提供更强更好的技术保障。 基本思路： 针对越来越庞大的指纹和掌纹数据库，实现快速又高效的检索，为刑侦破案提供更强更好的技术保障。一方面，为了提高指纹库中图像的质量，实现了基于频域分析的联指图实时预览和自动切割算法，以及基于椭圆模型的滚动指纹图像序列无缝拼接算法；另一方面，为了提高检索速度，实现了基于雪崩理论的多级匹配算法；再则，为了提高检索的精度，实现了多指指纹的融合和指掌纹的融合。 创新点： 1）基于频域分析的联指图实时预览与切割：活体采集的联指图和拇指图，以及由十指指纹信息卡扫描得到的联指图，通过基于三阶累积量的前后背景分离、基于最小转动惯量的主方向估计、基于最小代价函数的指节线监测、基于椭圆形状描述子和置信度的标定等算法，实现实时预览和自动切割。 2）基于椭圆模型的滚动指纹图像序列无缝拼接：首先估计相邻两帧图像之间的偏移量，同时计算当前帧与拼接所得图像的累积旋转角度，利用椭圆模型拼接当前帧，去除拼接缝隙，实现无缝拼接。 3）基于雪崩理论的多级匹配：根据当前待匹配图像的特性，在特征提取阶段提取多维可区分特征向量，在超大规模数据库中检索时，一次性大幅度缩小匹配范围，然后采用多级匹配，从而迅速找到与其相似的图像。 技术关键： 1） 联指图切割中的噪声去除：联指图特别是由十指指纹卡片扫描得到的图像，往往含有很多噪声，比如文字噪声；即使是活体采集得到的联指图，也会有采集噪声，比如残留在采集仪上的图像；本项目通过对图像的时频域特征分析，有效去除图像中的噪声，提高切割的精度。 2） 滚动指纹图像的拼接痕迹去除：如果只考虑相邻两帧图像之间的平移，拼接所得图像往往有拼接痕迹。本项目通过估计累计旋转角度，根据旋转角度，选择相应的椭圆模型，实现拼接痕迹和缝隙的有效去除。 3） 低质量图像的可区分局部区域特征提取：如何正确评估图像质量，如果是低质量图像，采用基于偏微分方程的图像增强算法，除了提取正常的特征以外，再提取具有可分性的局部纹理特征。 4） 基于雪崩理论匹配算法的风险评估：基于雪崩理论的多级匹配算法，能大大提高系统的检索速度，因此有必要来评估相应的风险。当风险值达到一定的阈值时，应根据一定的准则函数，重新检索，降低漏检率。 5） 融合权重系数的训练方法设计：指纹图像的特征数目往往比掌纹图像的特征数目少很多，而可以利用的指纹数目又有10枚，而掌纹就左右2枚。根据相应的质量，来训练对应的融合权重系数。 主要技术指标： 1） 实时拼接每秒48帧采集率的滚动图像序列； 2） 联指图切割实时预览和自动切割； 3） 低质量图像特征提取的误差控制在10%以内； 4）800万级指纹数据库，精度在95%以上； 5) 100万级掌纹数据库，精度在96%以上； 6）800万级指纹数据库和100万的掌纹数据库，精度为98%。
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 目的： 针对越来越庞大的指掌纹数据库，本项目将指纹和掌纹这两类特征融合在一起，建立一个基于雪崩理论的高精度高效率检索平台，为刑侦破案提供更强更好的技术保障。 针对越来越庞大的指纹和掌纹数据库，实现快速又高效的检索，为刑侦破案提供更强更好的技术保障。一方面，为了提高指纹库中图像的质量，实现了基于频域分析的联指图实时预览和自动切割算法，以及基于椭圆模型的滚动指纹图像序列无缝拼接算法；另一方面，为了提高检索速度，实现了基于雪崩理论的多级匹配算法；再则，为了提高检索的精度，实现了多指指纹的融合和指掌纹的融合 创新点： 1）基于频域分析的联指图实时预览与切割。2）基于椭圆模型的滚动指纹图像序列无缝拼接。 3）基于雪崩理论的多级匹配。 技术关键： 1） 联指图切割中的噪声去除。 2） 滚动指纹图像的拼接痕迹去除。 3） 低质量图像的可区分局部区域特征提取。 4） 基于雪崩理论匹配算法的风险评估。 5） 融合权重系数的训练方法设计。 主要技术指标： 1） 实时拼接每秒48帧采集率的滚动图像序列； 2） 联指图切割实时预览和自动切割； 3） 低质量图像特征提取的误差控制在10%以内； 4）800万级指纹数据库，精度在95%以上； 5) 100万级掌纹数据库，精度在96%以上； 6）800万级指纹数据库和100万的掌纹数据库，精度为98%。
科学性、先进性
- 根据现有技术的不同的缺点，本项目对如下3种技术提出了改进。 1）基于频域分析的联指图实时预览与切割：活体采集的联指图和拇指图，以及由十指指纹信息卡扫描得到的联指图，通过基于三阶累积量的前后背景分离、基于最小转动惯量的主方向估计、基于最小代价函数的指节线监测、基于椭圆形状描述子和置信度的标定等算法，实现实时预览和自动切割。 2）基于椭圆模型的滚动指纹图像序列无缝拼接：首先估计相邻两帧图像之间的偏移量，同时计算当前帧与拼接所得图像的累积旋转角度，利用椭圆模型拼接当前帧，去除拼接缝隙，实现无缝拼接。 3）基于雪崩理论的多级匹配：根据当前待匹配图像的特性，在特征提取阶段提取多维可区分特征向量，在超大规模数据库中检索时，一次性大幅度缩小匹配范围，然后采用多级匹配，从而迅速找到与其相似的图像。
获奖情况及鉴定结果
- 论文情况： [1]李鹏，张永良，李焱淼，李骏康。基于频域统计量的联指图噪声监测和去除。 计算机应用，已录用。 [2]方珊珊，张永良，姚晓敏，刘超凡，屠倩溪，黄亚平。Design and implementation of e-commerce communication system based on fingerprint authentication. ICEE 2011, 已录用。 [3]李焱淼，张永良，陆佳炜，刘超凡，方珊珊。Robust rotation estimation of slap fingerprint image for e-commerce authentication. ICITIS 2010, 66-69.（EI检索） 受资助情况： [1] 林璟，李鹏，刘超凡，黄凯，林正楷，“警用联指图快速切割算法研究”（项目编号：2009R403010），2009年浙江省大学生科技创新活动计划（新苗人才计划）项目。 获奖情况： [1] 郑诚，李鹏，林璟，“警用联指图快速切割算法研究”，2010年校第22届“运河杯”学生课外科技作品竞赛2等奖。 [2] 刘超凡，刘昆，陈庆祥，“基于B2B平台的电子商务的指纹安全认证”，2010年浙江省第五届大学生电子商务竞赛，2等奖。 已受理软件著作权： [1] 张永良，黄亚平，陆佳炜，肖刚，卢赟，“基于滚动指纹拼接和识别的考勤系统”，申请时间2010-12-30。 [2] 张永良，陆佳炜，肖刚，刘超凡，王荣斌，“电子商务指纹安全认证系统”，申请时间2010-12-30。
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 软件著作权
作品可展示的形式
- 实物 现场演示
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 使用说明： 1）快速地对千万级指纹数据库进行检索； 2）快速地对百万级掌纹库进行检索； 3）自动对联指图进行切割； 4）自动拼接滚动指纹图像序列； 5）实现掌纹和指纹的融合，提高检索精度； 6）实现多级匹配，提高检索速度。 技术特点和优势： 本项目提出的超大规模指掌纹检索平台的有益效果主要表现在： 1）提高了图像质量。 2）提高了检索速度。 3）提高了检索的精确度。 适应范围： 先期将主要针对省市级公安系统，中期将尝试在全国范围内推广使用，后期将力争使其在其他国家和地区发挥作用。 推广前景： 对已有检索平台的公安系统进行升级，对没有检索平台的各级公安部门进行推广使用，市场很大。
同类课题研究水平概述
- 针对本项目重点研究五个主题分别详细阐述这五个主题的国内外同类课题的研究现状。 （一）联指图切割 通过近几年的努力，现有的联指图切割算法性能上有了很大的改进，但是公开发表的论文很少，大多数的技术仍处于商业机密阶段。在理论和实用性能这两个方面，仍存在不少可以提升性能的地方，主要包括以下几个方面：1）左手右手的判别性能不够高；2）指位的判别不够精确；3）缺指和多指的情况无法精确识别；4）抗噪的鲁棒性不够。 （二）滚动指纹拼接 相对于平面指纹，滚动指纹的有效面积较大，相应地能够获得更多的特征点信息。当前的滚动指纹拼接算法存在的问题可以归纳为三个方面：1）拼接得到的图像有缝隙，导致伪特征点产生；2）拼接得到的图像不完整，有帧丢失的情况，导致信息不完整；3）无法正确评估拼接得到图像的质量，导致很多时候仍需专家进行监督。 （三）低质量指掌纹图像的特征提取 低质量的指纹图像给识别带来的困难主要是低质量图像的特征难以正确提取，用于识别的特征信息的丢失以及在特征信息中存在较大杂音使得难以正确计算纹路方向、难以正确分割图像、难以提取纹路等。同样，掌纹识别系统的性能很大程度上取决于获得的掌纹图像的质量，而采集的图像特别是现场采集到的掌纹图像往往质量较低，因此需要进行图像预处理以达到实用要求。目前，对低质量指纹图像的研究比较深入，但是对低质量掌纹的研究还不是很成熟。如何从低质量图像中提取有用的特征信息，有待进一步的深入研究。 （四）超大规模指掌纹库的快速检索 随着人口的增长，犯罪数量的持续增长，不光是十指指纹库的增长速度惊人，现场指纹库也增长迅速。同样，随着掌纹采集仪成本的降低，掌纹库也在快速增长。对大型指掌纹库的研究，就变得越来越重要。当前，众多的指纹识别系统，都是针对民用的，所面对的数据库规模不大，因此针对超大规模警用数据库的研究还不是很深入。 （五）指掌纹信息的融合 一个警用指掌纹识别系统里面，每个人有10枚平面指纹，还有2枚掌纹图像。多指指纹之间的融合，指纹和掌纹之间的融合，是当前提高系统检索精度的有效手段，已被大家所认可。当前人脸和指纹之间的融合，人脸和虹膜之间的融合，类似这样的多模态融合，已有不少的文献。但是如何有效的融合多枚指纹图像，还不是很成熟；如何有效的融合指纹和掌纹，也有待继续深入研究。
