基于指纹识别的考生身份认证系统的设计

摘要:目前,各种考试中代考成风,传统的考生身份确认方式已经不能满足现代考试的需要。针对这一问题,结合嵌入式技术、模式识别技术以及分布式技术,提出了一种基于指纹识别的考生身份认证系统的设计方案。

关键词:指纹识别;身份认证;分布式

中图分类号:TP391文献标识码:A文章编号:1009-3044(2009)20-0000-00

0 引言

由于我国人口众多,面对日益严峻的学习机会和就业竞争,现代教育体制不得不采用形式各样的考试进行选拔,如果无法有效识别考生身份,将影响考试的公平性和成绩的真实性,势必造成在人才选拔上的不公平,因此现代考试迫切需要从根本上遏制代考现象的发生。

传统的考生身份认证方式采用将考生身份证件与考生真人相比对的方式,在准确识别考生身份上存在着多种漏洞:1) 若考生的身份证件是伪造的,一般的监考人员由于不具备专业的辨识能力,无法发觉其代考行为;2) 人的相貌在一生中会发生变化,身份证件上的考生照片可能是以前的,而是不是考生本人,也只能由监考人员判定,主观色彩较浓。3) 若是代考考生与被代考考生相貌相似,即使使用真实的被代考考生的身份证件,监考人员也不能确定其身份,特别是双胞胎这种特殊情形。④若考生的身份证件丢失,则无法参加考试,从而影响考生的成绩。

由于指纹具有“唯一性”、“稳定性”和“随身携带”等特征,所以不用担心丢失,其他人也无法复制或取代,用它来识别人的身份,显然比使用身份证件的方式安全得多。本文将设计一个基于指纹识别的考生身份认证系统,用以快速、准确、高效地完成考生的身份认证,彻底解决代考现象无法准确及时地发现的问题 [1]。

1 系统结构及工作过程

本系统采用分布式(Client/Middleware/Server,C/M/S)体系结构,由考生身份认证终端、考生身份认证应用服务器和考生信息数据库服务器三部分构成。整个系统的工作过程可以分为以下四个阶段:1.在学生入学阶段或考试报名阶段,采集考生的基本信息(包括其指纹特征信息),统一存入考生信息数据库服务器中。2.在考试准备阶段,由专门的考试管理人员将各个考生身份认证终端(一种嵌入式便携移动手持设备,下面简称终端)通过考生身份认证应用服务器与考生信息数据库服务器的交互来下载对应考场考生信息库,再由监考人员在领取试卷的同时领取该考场对应的考生身份认证终端。3.在监考人员到达考场后并在考试开始之前,监考人员只要通过终端的键盘输入考生的考号,并让考生用手指在终端的指纹采集区域上按一下,该设备就会将采集到的活体指纹与保存在终端数据库中的该考生报名时的指纹信息进行比对,最后在该设备上显示比对结果并将此结果保存在终端的数据库中,这样,监考人员就可以很方便地确定考生的身份。4.在考试结束后,所有监考人员将试卷和考生身份认证终端交由考试管理人员,并由其将各个考生身份认证终端中的比对结果上载至考生身份认证应用服务器中,进行汇总,得到本次考试的总的统计信息,包括:实际考生人数、缺考考生人数及名单、代考考生人数及名单、缺考率、代考率等。

1.2 系统设计

本系统采用模块化的设计思路,包括6大功能模块,如图1所示。

1) 指纹采集与处理。利用光学采集仪,在考生报名时现场采集考生指纹,并对指纹进行预处理及特征提取工作,将提取到的指纹特征数据及考生相关信息写入后台数据库。

2) 考生指纹信息管理。对考生的指纹信息进行管理,如对已采集指纹的考生进行统计、考生指纹重新采集、考生指纹数据库遍历等功能。

3) 考生信息管理。对考生档案进行管理,如考生信息的查询、修改和删除等。

4) 考生身份验证。利用考生身份认证终端采集考生指纹,提取指纹特征数据,与终端内部数据库中相应特征数据进行匹配,验证考生身份。

5) 用户权限管理。对登录该系统的用户进行权限管理。

6) 系统维护。该模块完成考生身份认证终端的初始化、系统资料的备份及恢复、系统使用帮助等功能。

2 指纹身份认证原理

2.1 原理

指纹身份认证需要解决的问题是辨认两枚指纹是否来自于同一手指,从而确认身份。一个典型的自动指纹识别系统(AFIS)的处理流程如图2所示。

2.2 指纹身份验证过程

本系统中通过所设计的考生身份认证终端(一种嵌入式便携移动手持设备,下面简称为终端)来完成指纹身份验证。它包括指纹采集、预处理、特征提取和特征匹配等几个处理过程:

1) 指纹采集,利用终端上的温差感应指纹采集芯片和CPLD采样控制芯片采样指纹,得到指纹图像;

2) 预处理,将指纹原始图像转变为宽度为1的指纹细化图像。处理过程包括滤波、二值化、二值图像滤波和细化4部分;

3) 特征提取,对预处理后的指纹图像提取断点和分叉点等特征;

4) 特征匹配,指纹匹配的对象是终端中的指纹模板库征点集P和现场采集的指纹的特征点集Q,对两组特征点集进行匹配,返回一个匹配级数,从这个级数可以判定这两枚指纹是否来自同一手指。

3 考生身份认证终端的软硬件结构设计

考生身份认证终端是本系统的重要组成部分,其设计的好坏直接关系到整个系统的效率。其硬件结构图如图3所示:

32位ARM嵌入式微处理器具有高性能、低功耗的特性,已被广泛应用于消费电子产品、无线通信和网络通信等领域,极其适合于对成本和功耗要求较苛刻的应用场合[2]。因此,本系统采用Samsung公司的基于ARM7TDMI核的16/32位RISC嵌入式微处理器S3C44B0X。并以此为中心,设计了其它功能模块:一个4M的FLASH、一个8M的SDRAM、一个10M以太网接口、一个USB模块(采用Philips PDIUSBD12芯片)

、一个温差感应指纹采集芯片FCD4B14和一个CPLD采样控制芯片XCR3256XL以及其它辅助电路模块诸如时钟电路、复位电路、电源模块、键盘模块等。

另外,考生身份认证终端作为一个嵌入式手持设备,从软件层面上来看,它是由设备驱动程序、嵌入式操作系统、嵌入式数据库与考生身份认证应用程序四个部分所组成。设备驱动程序是操作系统与硬件设备之间的桥梁,这样操作系统在设备驱动程序的支持下是就能正常支配硬件设备行为。嵌入式操作系统选用uClinux,它是专为没有存储管理单元MMU的微处理器设计的嵌入式Linux操作系统,它秉承了标准Linux的优良特性,是经过各个方面的小型化改造后所形成的一个高度优化的、代码紧凑的嵌入式Linux;目前国内外采用ARM-uClinux作为嵌入式系统非常普遍。嵌入式数据库选用Sqlite,在它之中存储着一个考场内所有考生的信息(包括指纹模版)以及身份识别结果。而考生身份认证应用程序则主要与应用程序服务器进行交互,包括:在考试开始前完成对应考场的考生信息库下载到考生身份认证终端上以及在考试结束后将考生身份认证终端中保存的身份识别结果信息上载至考生身份认证应用服务器中,由应用服务器进行汇总以便得到本次考试的总的统计信息。

4 软件关键内容及其设计流程

本系统的软件设计中关键内容为:指纹采集与处理、考生身份验证。

4.1 考生指纹信息采集

在考生报名时现场采集考生指纹并录入考生报考相关信息。考生指纹采集与特征信息保存过程如图4所示。

4.2 考生指纹身份认证

在考生进入考场后,通过输入该考生的考号,从终端数据库中提取报名时的指纹信息,再结合现场采集的考生指纹进行比对,来确认考生是否其本人。具体设计流程如图5所示。

5 结束语

本文设计的基于指纹识别的考生身份认证系统,只要在服务器端有专人管理即可,普通的监考人员不需要具备专业知识,只要在考试现场对每位考生进行输入考号和采集考生指纹即可,查看终端就可以确定考生身份,因此整个系统可操作性好,易于普及,验证身份快速、准确。以100位考生作测试,平均每位考生现场验证身份时间为4.52s。

随着硬件技术的提高和指纹识别产品成本的下降,运用指纹识别技术进行考生身份认证是今后考试管理发展的必然趋势,将来的考试也一定会越来越公平和公正。

参考文献:

[1] 李鑫,惠晓威,张全贵.基于智能卡和指纹识别的校园综合系统[J].微计算机信息,2004,20(9):110-111.

[2] 田泽.嵌入式系统开发与应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2005.

[3] 黄智伟,王彦.指纹传感器芯片FCD4B14的原理及应用[J].传感器世界,2002,8(11):32-35.