一种基于双旋转特征描述子的指纹模板加密方法技术

本发明专利技术属于模式识别中指纹识别与加密融合技术领域，公开了一种基于双旋转特征描述子的指纹模板加密方法，结合指纹细节点的频率场信息构建对细节点描述子进行了数据扩充，提高了细节点对的匹配个数。不仅可以提高指纹匹配的精度，而且可以结合更长的密钥，提高安全强度。本发明专利技术的双旋转特征描述子，可以实现免赔准的加密域指纹识别问题，避免了传统因配准不精确带来的误差，提高了指纹模板加密技术的匹配精度。本发明专利技术的新型脊线计数，在传统基础上加入了弹性形变量δ，允许指纹脊线有一定的形变范围，能有效防止因指纹弹性形变带来的脊线计数错误的情况，克服了指纹弹性形变对结果的影响。

【技术实现步骤摘要】
一种基于双旋转特征描述子的指纹模板加密方法
本专利技术属于模式识别中指纹识别与加密融合
，尤其涉及一种基于双旋转特征描述子的指纹模板加密方法。
技术介绍
目前，业内常用的现有技术是这样的：生物特征加密是近几年来兴起的热门研究领域，旨在将现有的生物特征识别和密码技术有机结合，发挥各自优势，减轻密钥管理的压力，并对敏感信息提供更强大的安全保护和控制。指纹特征是人体固有特征，具有唯一性和终身不变性，一旦识别系统中的用户指纹模板丢失，将会是永久性的。而且指纹特征信息也包含个人遗传、健康、种族等多种信息。如果指纹被泄露，将会给用户带来极大的困扰。目前指纹的匹配与识别均是在指纹传感器内部的芯片中进行的，传感器的内部芯片仅输出指纹匹配结果，而不提供访问内部数据的接口，以此来确保用户原始指纹信息的安全。这使得指纹的应用限制在固定的传感器中，而不敢将用户指纹信息上传到相对不安全的网络服务器端，在网络端进行指纹的匹配与识别工作。由于不能严格保证用户指纹信息的安全性，所以目前指纹识别的应用需要依托用户自己特有设备(手机、笔记本)上的指纹传感器，这已经成为指纹识别技术进一步大规模推广的阻碍。因而指纹模板加密技术应运而生,它属于可撤销生物特征方法，指纹模板加密的核心思想是不存储用户原始指纹信息，而代以存储形变后的指纹模板。该形变后的指纹模板不能反推回原始指纹信息。当进行验证时，将查询指纹模板进行相同的变换，然后在加密域(变换域)中进行匹配。整个认证过程没有存储用户原始指纹信息，从而保护用户原始指纹信息安全。并且存储的指纹模板要满足以下性质：不可逆性。攻击者不能通过加密后指纹模板反退回用户原始指纹信息；可撤销性。如果发现指纹模板被盗，用户可以随时撤销原加密指纹模板，生成新的指纹加密模板；准确性。加密后指纹模板间的匹配精度，不应该远低于加密前指纹间的匹配。目前，国内外很多著名学术研究机构正在对这个新兴领域进行深入的研究。采用高斯核函数作为变换函数，将指纹细节点从原始空间中利用高斯核函数不可逆的映射到另一个空间，如同将一张白纸揉皱，之后将细节点散落在产生褶皱的白纸上面，并将该揉皱的白纸存储为变换模板，将变换细节点特征模板存进系统数据库中。如果变换后的模板受到攻击或者变换参数丢失，可以立即生成新的变换参数进行重新发布，撤销之前发布的模板，实现了可撤销性。一种适用于细节点模板的对称哈希函数方法，可以用于构造可撤销生物特征模板。作者提出了一种对细节点模板进行对称哈希变换并且在哈希空间内进行匹配的方法，由于模板中细节点的无序性，所以哈希函数的输入也不依赖于顺序(即对称)。另一种免配准变换方法。该方法基于对指纹图像中细节点三角结构的二进制串表示，注册指纹和查询指纹分别生成二进制串后，对二进制串进行给定条件下的互反、随机化、加密等变换，然后使用变换后的二进制串进行匹配分数的计算。上述等传统的指纹模板加密方案，虽然一定程度上解决了指纹模板加密的问题，但是在识别精度以及安全强度等方面仍存在较大不足。在识别精度方面，上述传统方法仅是将经典的指纹识别中的方法简单的应用在指纹模板加密领域，所提取的指纹特征算子没有针对指纹模板问题进行适配，并不具备较好的抗形变能力，无法有效解决指纹二次采集过程中出现的形变问题。而且指纹能够精确配准也会给最终匹配精度带来极大不利影响。在安全强度方面，上述传统方法用户原始生物特征的保护能力稍有欠缺，所设计的不可逆加密函数安全等级较低，而构造的特征算子直接利用用户指纹信息，一旦被破解将直接丢失用户生物特征信息。这类方法很难防止管理人员监守自盗，同时窃取到用户密钥与加密模板从而破解出用户指纹生物特征信息的情况。综上所述，现有技术存在的问题是：对于用户原始生物特征的保护能力稍有欠缺，很难防止管理人员监守自盗，同时窃取到用户密钥与加密模板的情况。解决上述技术问题的难度和意义：为解决以上问题，需要在确保识别精度的情况下对用户生物特征进行不可逆变换加以保护。但不可逆变换加密函数对输入具有较强的抗修改性，即使输入仅进行了微小的变化都会对输出产生较大影响，造成输出结果截然不同的情况。而指纹生物特征信息在二次采集的过程中，由于系统形变以及采集过程中出现的指纹弹性形变等，一定会产生不同程度的指纹形变问题。因此如何平衡好生物特征的模糊性与密码学精确性之间的矛盾是本问题的技术难点。作者通过提取了抗形变能力更强的双旋转特征描述子，改描述子不仅具有旋转平移不变性(即免赔准识别)而且对指纹特征进行变换重构，没有直接利用指纹原始特征信息。最后结合不可逆变换加密函数，实现了一种具有较高识别精度与安全强度的指纹模板加密方法，可以在确保用户指纹识别的前提下保护用户指纹信息安全。在确保用户原始指纹信息安全的前提下，基于指纹识别的身份认证将会得到更加广泛的应用。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种基于双旋转特征描述子的指纹模板加密方法。本专利技术是这样实现的，一种基于双旋转特征描述子的指纹模板加密方法，所述基于双旋转特征描述子的指纹模板加密方法包括以下步骤：步骤一，基于双旋转特征描述子的指纹不可逆加密方法；步骤二，利用用户注册指纹，提取细节点周围方向场描述子与频率场描述子，生成细节点复合场描述子F；步骤三，将细节点进行三三配对，组成三角形结构描述子，并利用三角形中心点与三角点的空间关系进行旋转平移，确保旋转平移不变性，提取边长、角度等三胞特征信息H；步骤四，对增强后得到的指纹细化图，从左到右，从上到下，通过细节特征8邻域逐像素追踪脊线信息，并对该追踪到的脊线进行编号；计算三胞细节点间的脊线个数N，并设计弹性形变δ允许细节点间的脊线具有一定弹性形变，避免指纹弹性形变的干扰；步骤五，通过上述细节点符合描述子F、三胞特征信息H、三胞脊线个数N，生成具有旋转平移不变性的双旋转特征描述子，并代入不可逆加密函数，生成指纹加密模板；步骤六，当用户需要进行验证时，将查询指纹与注册指纹一样重复上述步骤，生成查询指纹加密模板，与注册指纹加密模板进行加密域匹配，完成指纹模板加密流程。进一步，所述步骤二具体包括：(1)根据注册指纹图像的预处理结果，得到指纹细节点信息、方向场信息与频率场信息；(2)以每个细节点为中心构造L个半径为r同心圆，每个圆上包含Kl个采样点pk,l；以细节点的方向作为初始方向，沿逆时针由内而外对采样点依次进行编号，并计算采样点的方向场与频率场与细节点方向与频率的差值，生成细节点复合场描述子F。进一步，所述步骤三具体包括：(1)根据局细节点坐标信息，按照欧氏距离度量关系进行三三配对，生成三角形结构描述子；(2)计算三胞中三个细节点到中心点连线生成的三个夹角θab、θbc、θac，并按照上述三个角度的大小关系进行旋转平移，保证三胞描述子的旋转平移不变性；(3)计算三胞特征的三边长L1、L2、L3，以及细节点角度和细节点与中心点连线逆时针方向的夹角生成三胞特征信息H。进一步，所述步骤四具体包括：(1)根据注册指纹图像的预处理结果得到指纹细化图，并通过细节特征8邻域逐像素追踪脊线信息，从左到右，从上到下追踪到的脊线进行编号，当遇到交叉点时，等同于将该脊线断开，按顺序置于新的编号；(2)将三胞中两两细节点进行连线，生成的线段按照垂直方向上下移动δ个像素本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于双旋转特征描述子的指纹模板加密方法，其特征在于，所述基于双旋转特征描述子的指纹模板加密方法包括以下步骤：步骤一，基于双旋转特征描述子的指纹不可逆加密方法；步骤二人，利用用户注册指纹，提取细节点周围方向场描述子与频率场描述子，生成细节点复合场描述子F；步骤三，将细节点进行三三配对，组成三角形结构描述子，并利用三角形中心点与三角点的空间关系进行旋转平移，确保旋转平移不变性，提取边长、角度等三胞特征信息H；步骤四，对增强后得到的指纹细化图，从左到右，从上到下，通过细节特征8邻域逐像素追踪脊线信息，并对该追踪到的脊线进行编号；计算三胞细节点间的脊线个数N，并设计弹性形变δ允许细节点间的脊线具有一定弹性形变，避免指纹弹性形变的干扰；步骤五，通过上述细节点符合描述子F、三胞特征信息H、三胞脊线个数N，生成具有旋转平移不变性的双旋转特征描述子，并代入不可逆加密函数，生成指纹加密模板；步骤六，当用户需要进行验证时，将查询指纹与注册指纹一样重复上述步骤，生成查询指纹加密模板，与注册指纹加密模板进行加密域匹配，完成指纹模板加密流程。

【技术特征摘要】
1.一种基于双旋转特征描述子的指纹模板加密方法，其特征在于，所述基于双旋转特征描述子的指纹模板加密方法包括以下步骤：步骤一，基于双旋转特征描述子的指纹不可逆加密方法；步骤二人，利用用户注册指纹，提取细节点周围方向场描述子与频率场描述子，生成细节点复合场描述子F；步骤三，将细节点进行三三配对，组成三角形结构描述子，并利用三角形中心点与三角点的空间关系进行旋转平移，确保旋转平移不变性，提取边长、角度等三胞特征信息H；步骤四，对增强后得到的指纹细化图，从左到右，从上到下，通过细节特征8邻域逐像素追踪脊线信息，并对该追踪到的脊线进行编号；计算三胞细节点间的脊线个数N，并设计弹性形变δ允许细节点间的脊线具有一定弹性形变，避免指纹弹性形变的干扰；步骤五，通过上述细节点符合描述子F、三胞特征信息H、三胞脊线个数N，生成具有旋转平移不变性的双旋转特征描述子，并代入不可逆加密函数，生成指纹加密模板；步骤六，当用户需要进行验证时，将查询指纹与注册指纹一样重复上述步骤，生成查询指纹加密模板，与注册指纹加密模板进行加密域匹配，完成指纹模板加密流程。2.如权利要求1所述的基于双旋转特征描述子的指纹模板加密方法，其特征在于，所述步骤二具体包括：(1)根据注册指纹图像的预处理结果，得到指纹细节点信息、方向场信息与频率场信息；(2)以每个细节点为中心构造L个半径为r同心圆，每个圆上包含Kl个采样点pk,l；以细节点的方向作为初始方向，沿逆时针由内而外对采样点依次进行编号，并计算采样点的方向场与频率场与细节点方向与频率的差值，生成细节点复合场描述子F。3.如权利要求1所述的基于双旋转特征描述子的指纹模板加密方法，其特征在于，所述步骤三具体包括：(1)根据局细节点坐标信息，按照欧氏距离度量关系进行三三配对，生成三角形结构描述子；(2)计算三胞中三个细节点到中心点连线生成的三个夹角θab、θbc、θac，并按照上述三个角度的大小关系进行旋转平移，保证三胞描述子的旋转平移不变性；(3)计算三胞特征的三边长L1、L2、L3，以及细节点角度和细节点与中...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵恒，孙宝林，李玉兴，庞辽军，丁洪霞，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61