指紋識(shí)別的重要概念
分類：指紋識(shí)別
指紋識(shí)別技術(shù)作為一個(gè)新的IT技術(shù)領(lǐng)域，自身具有許多新的概念。了解指紋識(shí)別技術(shù)的概念有助于準(zhǔn)確的理解指紋識(shí)別技術(shù)。識(shí)別與驗(yàn)證并不是指紋識(shí)別算法領(lǐng)域的問題，而是指紋識(shí)別系統(tǒng)的問題。指紋識(shí)別是指在1：N模式下匹配指紋特征值。它是從多個(gè)指紋模板中識(shí)別出一個(gè)特定指紋的過程。
其結(jié)果是，“有”或者“沒有”。有時(shí)會(huì)給出“是誰(shuí)”的信息。指紋驗(yàn)證是指在1：1模式下匹配指紋特征值。它是拿待比對(duì)的指紋特征模板與事先存在的另一個(gè)指紋特征模板進(jìn)行一次匹配的過程。其結(jié)果是“是不是”。在一個(gè)系統(tǒng)中既可以采用1：1模式也可以采用1：N模式，這是取決于應(yīng)用系統(tǒng)的特點(diǎn)和要求。
有時(shí)候還可以業(yè)務(wù)模式的需要，把1:N模式轉(zhuǎn)化為1:1模式以提高系統(tǒng)安全性和比對(duì)速度。優(yōu)點(diǎn)：1.指紋是人體獨(dú)一無二的特征，并且它們的復(fù)雜度足以提供用于鑒別的足夠特征；2.如果要增加可靠性，只需登記更多的指紋、鑒別更多的手指，最多可以多達(dá)十個(gè)，而每一個(gè)指紋都是獨(dú)一無二的；3.掃描指紋的速度很快，使用非常方便；4.讀取指紋時(shí)，用戶必需將手指與指紋采集頭相互接觸，與指紋采集頭直接；5.接觸是讀取人體生物特征最可靠的方法；6.指紋采集頭可以更加小型化，并且價(jià)格會(huì)更加的低廉；缺點(diǎn)：1.某些人或某些群體的指紋特征少，難成像；2.過去因?yàn)樵诜缸镉涗浿惺褂弥讣y，使得某些人害怕“將指紋記錄在案”。3.實(shí)際上指紋鑒別技術(shù)都可以不存儲(chǔ)任何含有指紋圖像的數(shù)據(jù)，而只是存儲(chǔ)從指紋中得到的加密的指紋特征數(shù)據(jù)；4.每一次使用指紋時(shí)都會(huì)在指紋采集頭上留下用戶的指紋印痕，而這些指紋痕跡存在被用來復(fù)制指紋的可能性。
FRR（FalseRejectionRate）和FAR（FalseAcceptanceRate）是用來評(píng)估指紋識(shí)別算法性能的兩個(gè)主要參數(shù)。FRR和FAR有時(shí)被用來評(píng)價(jià)一個(gè)指紋識(shí)別系統(tǒng)的性能，其實(shí)這并不貼切。指紋識(shí)別系統(tǒng)的性能除了受指紋算法的影響外，指紋采集設(shè)備的性能對(duì)FRR和FAR的影響也是不能忽視的。FRR通俗叫法是拒真率的意思，標(biāo)準(zhǔn)稱謂是FNMR（FalseNon-MatchRate不匹配率）。可以通俗的理解為“把應(yīng)該相互匹配成功的指紋當(dāng)成不能匹配的指紋”的概率。對(duì)指紋算法的性能測(cè)量是在給定指紋庫(kù)的情況下進(jìn)行測(cè)量的。用于測(cè)量的指紋庫(kù)一般由FVC（國(guó)際指紋識(shí)別算法大賽）組織者給定。
FVC在作指紋識(shí)別算法性能測(cè)試時(shí)，并無外界指紋輸入，是使用標(biāo)準(zhǔn)的指紋圖像庫(kù)來測(cè)試的。所以FNMR是在沒有連接指紋采集設(shè)備的情況下得出的測(cè)試值。本節(jié)的其它參數(shù)也都是在這一前提下得出的。假定指紋庫(kù)中有100個(gè)不同ID的手指，每個(gè)手指注冊(cè)有3枚指紋，則該指紋庫(kù)中共有300枚指紋。假定P1表示手指1的ID，則其三次注冊(cè)的指紋用P1-F1,P1-F2,P1-F3來表示。FNMR是指把指紋庫(kù)中的同一個(gè)手指的3枚指紋兩兩比較，即P1-F1與P1-F2匹配，P1-F1與P1-F3匹配，P1-F2與P1-F3匹配，P1-F2與P1-F1匹配，P1-F3與P1-F1匹配，P1-F3與P1-F2匹配，共有6種匹配方式。把所有100個(gè)手指在其內(nèi)部均作6種匹配，共6x100=600次匹配。理論情況下，600次匹配均能正確匹配，匹配的成功率為100%。實(shí)際上因?yàn)橥皇种傅?枚指紋圖像不可能完全一樣，所以有一個(gè)匹配相似度問題。假定我們把匹配成功的相似度設(shè)為>90%，就是說當(dāng)相似度大于90%時(shí)，表示匹配成功。然后我們從600次匹配中，找出多少次相似度在90%以上的，這個(gè)數(shù)值就表示匹配成功的次數(shù)，假定為570次。600次中其余的表示沒有匹配成功的次數(shù)，為600-570=30次。則匹配失敗率，就是30/600=5%。對(duì)于指紋識(shí)別算法來講，在指紋庫(kù)確定的情況下，其匹配失敗率FNMR是一定的。當(dāng)指紋庫(kù)發(fā)生變化，其FNMR也會(huì)有變化。所以國(guó)際上是以FVC公布的指紋庫(kù)為統(tǒng)一的測(cè)試庫(kù)，在該測(cè)試庫(kù)中測(cè)試出來的FNMR結(jié)果作為衡量指紋算法性能的標(biāo)準(zhǔn)參考。FAR一般稱為認(rèn)假率，其標(biāo)準(zhǔn)稱謂是FMR（FalseMatchRate錯(cuò)誤匹配率）。
FMR是用來評(píng)估指紋識(shí)別算法性能的最重要參數(shù)。可以通俗的理解為“把不應(yīng)該匹配的指紋當(dāng)成匹配的指紋”的概率。同樣以前段中的指紋庫(kù)為例。把庫(kù)中的每個(gè)指紋，與除自己之外的其它所有指紋進(jìn)行匹配，匹配的總次數(shù)，即300×（300-1）=89700次。理論情況下，匹配成功次數(shù)為6x100=600次，匹配失敗次數(shù)應(yīng)為89700-600=89100次。假定由于指紋算法性能的原因，把本應(yīng)該匹配失敗的判為匹配成功，若假定這種錯(cuò)誤次數(shù)為100次。則錯(cuò)誤接受率FAR為100/89100=0.11%。匹配失敗次數(shù)是因判定相似的條件嚴(yán)格程度而變化的。當(dāng)匹配成功的篩選條件，即門限值提高時(shí)，F(xiàn)AR會(huì)降低。FAR也與指紋庫(kù)相關(guān)。在FVC大賽中，有4個(gè)指紋庫(kù)用于測(cè)試，并取平均值。其中有一個(gè)指紋庫(kù)是人工生成的，以排除采集設(shè)備不同導(dǎo)致的指紋圖像質(zhì)量不同對(duì)算法效能的影響。在同一個(gè)指紋庫(kù)中，對(duì)同一個(gè)算法來講，需要設(shè)定一個(gè)閾值，作為判定相似的標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)相似度大于這個(gè)閾值時(shí)，表示匹配成功，否則表示匹配失敗。FNMR是隨閾值增大而增大的，即判定相似的門檻值越高，則真的指紋判定為假的機(jī)率越大。反之，F(xiàn)MR是隨閾值增大而減小的，即隨著判定相似度的門檻值越高，把假的指紋判定為真的概率會(huì)越小。FAR與FRR成反比。
根據(jù)2004年FVC大賽測(cè)試結(jié)果，一般當(dāng)FMR是1/1000量級(jí)時(shí)，F(xiàn)NMR是5/100左右。也就是100個(gè)手指的指紋庫(kù)中，進(jìn)行1000次匹配，有可能發(fā)生一次匹配錯(cuò)誤，即認(rèn)錯(cuò)。進(jìn)行100次匹配，有可能出現(xiàn)5次匹配失敗，即不認(rèn)。EER（EqualErrorRate）是相等錯(cuò)誤率的意思。這個(gè)參數(shù)一般在普通場(chǎng)合不大使用。EER主要用于評(píng)價(jià)指紋算法整體效能的指標(biāo)。也就是把FAR、FRR兩個(gè)參數(shù)統(tǒng)一為一個(gè)參數(shù)，來衡量指紋算法的整體性能。FAR和FRR是同一個(gè)算法系統(tǒng)的兩個(gè)參數(shù)，把它放在同一個(gè)坐標(biāo)中，如圖30所示。FAR是隨閾值增大而減小的，F(xiàn)RR是隨閾值增大而增大的。因此它們一定有交點(diǎn)。這個(gè)點(diǎn)是在某個(gè)閾值下的FAR與FRR等值的點(diǎn)。習(xí)慣上用這一點(diǎn)的值來衡量算法的綜合性能。
對(duì)于一個(gè)更優(yōu)的指紋算法，希望在相同閾值情況下，F(xiàn)AR和FRR都越小越好。把FAR和FRR曲線都向下平移。同時(shí)相交點(diǎn)ERR也向下平移。EER值越小的時(shí)候，表示算法的整體性能越高。由于當(dāng)FRR與FAR相交時(shí)對(duì)應(yīng)的閾值都很小，也就是說此時(shí)的相似度閾值連30%都不到。實(shí)際使用中的閾值至少設(shè)在80%以上，故EER值并不被用在大眾化場(chǎng)合來描述指紋算法的性能，只是在競(jìng)賽排名中使用。FRR實(shí)際上也是系統(tǒng)易用性的重要指標(biāo)。由于FRR和FAR是相互矛盾的，這就使得在應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，要權(quán)衡易用性和安全性。一個(gè)有效的辦法是比對(duì)兩個(gè)或更多的指紋，從而在不損失易用性的同時(shí)，極大地提高了系統(tǒng)安全性。拒登率一般使用較少，在指紋識(shí)別術(shù)語(yǔ)中，它是一個(gè)意思相對(duì)比較含糊的詞。在世界指紋算法大賽中，有個(gè)參數(shù)叫拒絕注冊(cè)率，有時(shí)被稱為拒登率，用來衡量指紋識(shí)別算法對(duì)指紋圖像質(zhì)量的挑剔程度，用REJENROLL。表示。在給定的指紋數(shù)量，如100枚指紋圖像中，可以成功注冊(cè)或稱為建檔的指紋，如果是99，則REJENROLL=1%。對(duì)FVC大賽給出的標(biāo)準(zhǔn)指紋庫(kù)來講，絕大多數(shù)的指紋算法都可以建檔成功，即REJENROLL為0.00%。在另外一種場(chǎng)合，拒登率通常被解釋為指紋識(shí)別系統(tǒng)（包含指紋采集設(shè)備）不接受指紋注冊(cè)的概率。這種情況下，拒絕注冊(cè)的因素，除了算法本身的原因外，更多的受指紋采集設(shè)備的成像能力的影響。指紋采集設(shè)備輸出的指紋圖像質(zhì)量越好，指紋識(shí)別系統(tǒng)的拒登率越低，指紋采集設(shè)備輸出的指紋圖像質(zhì)量越低，其拒登率越高。
注冊(cè)時(shí)間是用來衡量指紋算法性能的另一個(gè)指標(biāo)。它是指從輸入指紋圖像到指紋建檔成功（注冊(cè)成功）的時(shí)間。根據(jù)FVC大賽的結(jié)果，一般的指紋算法注冊(cè)時(shí)間在0.5秒以內(nèi)，這也是FVC以參加LIGHT組比賽的算法提出的參賽資格之一。匹配時(shí)間有時(shí)稱為比對(duì)速度，是用來指示指紋識(shí)別算法完成一次匹配所需的時(shí)間。它是從指紋圖像輸入算起到匹配結(jié)果輸出為止的時(shí)間。參加算法大賽的絕大多數(shù)算法的匹配時(shí)間在0.3秒以內(nèi)，這個(gè)參數(shù)與注冊(cè)時(shí)間最小值一起構(gòu)成LIGHT組的參賽條件。由于這些時(shí)間都是受待測(cè)的指紋圖像的質(zhì)量影響，故一般取多個(gè)指紋庫(kù)的平均值，一般拿平均注冊(cè)時(shí)間和平均匹配時(shí)間作為衡量依據(jù)。
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