生物识别技术在汽车安全领域应用的研究

论文摘要

本文综合了国内外有关汽车安全性研究的发展动态，就汽车安全性的研究状况、存在的问题、法规以及研究方法等进行了深入的探讨；分析了国内外汽车主、被动安全性情况，并提出将生物识别技术应用于汽车中来解决汽车安全性问题。在网络和信息技术高速发展的现代社会中，出于安全、保密和保护合法权限等原因人们必须面对各种各样的身份验证，如金融交易、进入权限数据库、员工登记、进入私人电脑等等。传统身份认证的是基于密码体系或者基于令牌的，存在着丢失、被盗用、伪造、遗忘等安全隐患。生物验证技术是使用人的生理特征或行为特征来进行验证的，克服了传统身份验证技术的缺点。目前，有很多的生物识别技术可用于身份认证。包括：虹膜识别技术、视网膜识别技术、面部识别、签名识别、声音识别技术、指纹识别系统。作为生物验证技术的代表，指纹验证技术因其唯一性、随时间不变性、采集方便等特点受到了最为广泛的关注。其中指纹因具有终生不变性及稳定性，是目前应用前景较好的生物识别系统。可广泛应用于公安、保安、机要部门、商业等领域。正是基于实际应用的需要，本文对自动指纹验证系统进行了研究，在详细的叙述了指纹验证的理论基础的前提下，本文做了下面几个方面的工作：提出了一种结合密码和模板自适应的指纹系统，对指纹验证系统的安全性和速度作了改进。指纹验证过程是个提取输入指纹的特征并将它们和系统保存的特征模板进行比较的过程。为了快速地实现指纹验证，通常根据指纹的结构特点将指纹分为几类，验证的时候只和相同类别的特征模板进行比较，对于一个大型的系统来讲，每类中的指纹模板数目仍然是非常巨大的，在每类中的比较过程仍然运算量大，非常消耗时间。这限制了指纹验证系统在用户数量庞大场合的使用，本文提出了一种新的指纹分类的系统结构，通过分类能够减小比对指纹数目，这样大大提高了指纹比对的速度；另外系统保存的指纹特征模板会根据输入的指纹图像自适应的改变，来逐步逼近使用者的指纹，采用这种方法可以适应部分指纹磨损、受伤带来的影响。另外，根据实际中传感器获得的指纹图像质量不好的问题，本文也对指纹图像的增强算法进行了改进。在指纹识别算法上，本文综合了细节匹配和纹理特征技术，提出了新的指纹匹配算法，主要由以下几种方法组成：采用小波框架理论用于指纹图像的纹理分析和边缘提取；基于遗传算法的指纹图像算法初匹配；采用了一个大小可变的限界盒对指纹脊线进行细节点匹配，选取了基于图像校准的点模式匹配法和局部向量特征匹配法进行指纹的特征匹配。在基于图像校准的点模式匹配法中采用了可变大小的界限盒，改变了固定大小的界限盒的不足。在局部向量特征匹配法中加入了中心点与邻近特征点的纹线数、方向角差、中心点的方向角等特征信息，提高了特征匹配的准确性。指纹技术的应用方面，本文建立了一种密码和指纹结合的系统，基于生物识别技术的公钥管理体系PKI，运用指纹识别、动态DES、RSA、可验证秘密共享等密码技术提出了一种新的简单有效的自适应安全的数字签名协议，实现了文件加密、数字证书的制作、SSL安全通讯、加解密操作等功能，并且给出了安全性证明。它采用密码作为指纹库的索引，索引到密码对应的特征模板，再和输入指纹进行验证，能克服密码容易被伪造和单独使用指纹验证耗时长的缺点；同时系统的指纹特征模板能自动更新，以反映使用者指纹的变化并完善原注册的特征模板，采用这种方法，能够对使用者身份进行动态确认，保证数据传送的可靠性。不但解决了通信双方的双向认证问题，而且解决了用户活体指纹特征等认证信息通过网络传输的机密性和完整性问题。把以指纹特征为代表的生物识别技术与基于密码体制的身份认证协议有机结合，向最终用户提供一种更加安全、可靠、便捷的身份认证手段，将是成功地实现网络安全和信息系统安全的有效途径。并采用指纹和IC卡结合方式对指纹进行采集和存储。指纹与IC卡的身份识别就是将指纹的特征信息和其他个人信息存储到IC卡中作为身份识别的依据，身份识别以一对一或一对几的指纹识别为主，还可通过IC卡中的其它个人信息进行辅助的身份识别。本文也实现了在嵌入式环境下指纹识别以及非对称加密算法的硬件实现，针对嵌入式下算法的特点选定了Arm系列SOC芯片作为核心处理芯片，接着对此芯片的结构组成及功能进行了具体分析。指纹识别模块采用双CPU结构，主识别芯片采用三星ARM9 S3C2500，辅助芯片采用ATMEGAl6L 8AI进行采集图像，通讯处理等功能。嵌入式系统主要由指纹图像的录入，分析比对、验证比较、以及与串口LCD通讯，数据保存等功能步骤组成。包括嵌入式操作系统的选择及定制，计算机控制单元的软件及硬件设计包括：指纹并口采集板设计及初始化程序，前台指纹建档、比对程序，局域网通讯程序，数据处理程序等。并实现了一种具备指纹识别功能的联网系统的开发过程，介绍了指纹识别的基本原理及嵌入式TCP／IP协议在网络通信中的数据传输技术，采用网卡芯片NS32490C实现了单片机在局域网内和通过局域网在英特网上的数据传输，用户终端以单片机系统为媒介，通过网络与远程进行指纹身份验证。最后结合汽车电子信息处理系统—汽车行驶记录及导航仪和陕西省GPS记录仪管理平台的具体实施规范，阐述了生物识别技术在汽车电子信息处理系统—汽车行驶记录及导航仪的应用，主要包括了汽车行驶记录仪后台数据分析软件和嵌入式USB主机的设计两个部分。文中首先介绍了项目的总体概况，对记录仪的系统设计和结构功能作了简要描述。并在此基础上，结合项目中的工作经验，着重详述了后台数据分析软件的设计和实现过程，并对生物识别技术在管理平台和汽车辅助驾驶系统上的应用作了进一步的探讨。汽车行驶记录仪经过试验测试，工作正常，性能稳定，达到国家标准要求。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 研究的目的和意义
• 1.1.1 汽车安全技术的基本概念
• 1.1.2 汽车安全技术的研究现状及存在问题
• 1.1.3 生物识别技术在汽车安全技术中的应用
• 1.2 本论文所作具体工作及研究方法概述
• 1.3 小结
• 第二章 生物识别技术国内外发展概述
• 2.1 生物识别方法概述
• 2.2 基于生理特征的生物识别技术
• 2.2.1 指纹识别
• 2.2.2 人脸识别
• 2.2.3 人脸温谱图识别
• 2.2.4 虹膜识别
• 2.2.5 视网膜识别
• 2.2.6 手型识别
• 2.3 基于行为特征的生物识别技术
• 2.3.1 语音识别
• 2.3.2 签名识别
• 2.4 多生物特征识别技术
• 2.5 人体生物特征识别技术发展方向
• 2.5.1 基于多种生物特征的身份识别
• 2.5.2 实时性要求
• 2.6 小结
• 第三章 生物识别算法的研究
• 3.1 指纹识别算法概述
• 3.1.1 概述
• 3.1.2 指纹的结构特点
• 3.1.3 获取指纹图像方法
• 3.2 指纹识别的基本原理
• 3.2.1 指纹识别方法概述
• 3.2.2 指纹图像预处理
• 3.2.2.1 预处理方法介绍
• 3.2.2.2 图像增强
• 3.2.2.3 小波多尺度边缘提取在图像增强中的应用
• 3.2.3 指纹图匹配算法
• 3.2.3.1 常见指纹图匹配算法
• 3.2.3.2 细节点匹配方法
• 3.2.3.3 基于遗传算法的指纹图匹配算法
• 3.3 其他生物识别算法研究
• 3.4 小结
• 第四章 生物识别算法的硬件研究
• 4.1 嵌入式指纹识别系统硬件实现概述
• 4.2 指纹识别硬件电路实现方法
• 4.2.1 指纹获取实现方法
• 4.2.2 USB型指纹采集仪的设计与实现
• 4.2.3 识别工控机模块
• 4.2.4 指纹识别模块
• 4.2.5 网络流程及认证模块
• 4.2.6 软件及驱动编写
• 4.2.7 联网指纹识别网络配置程序
• 4.3 指纹IC卡识别系统
• 4.3.1 概述
• 4.3.2 卡识别流程
• 4.3.3 主要技术要求
• 4.3.4 卡上指纹识别方案
• 4.4 车载生物识别系统试验结果
• 4.4.1 指纹可靠性验证
• 4.4.2 硬件环境实验
• 4.4.3 应用实验
• 4.5 小结
• 第五章 生物识别技术在安全认证系统中的应用
• 5.1 常见加密算法分类
• 5.2 加密算法实现方法
• 5.2.1 RSA密码算法
• 5.2.2 椭圆曲线密码算法
• 5.2.3 密码学中的椭圆曲线
• 5.2.4 椭圆曲线密码体制
• 5.3 基于生物识别的非对称加密算法实现流程
• 5.4 系统的特点及优点
• 5.5 小结
• 第六章 生物认证技术在汽车安全中的应用
• 6.1 多功能汽车行驶记录仪介绍
• 6.1.1 背景介绍
• 6.1.2 实现方案
• 6.1.2.1 记录仪工作流程
• 6.1.2.2 外围设备
• 6.1.2.3 后台数据分析软件
• 6.2 生物识别技术在汽车行驶记录仪中的应用
• 6.2.1 汽车生物识别锁
• 6.2.2 动态驾驶员行为监控及身份确认系统
• 6.3 陕西省GPS及汽车行驶记录仪管理平台
• 6.3.1 概述
• 6.3.2 技术实现方案
• 6.4 生物识别技术在陕西省GPS及汽车行驶记录仪管理平台中的应用
• 6.5 小结
• 第七章 分析与总结
• 7.1 总结
• 7.2 项目进展情况介绍
• 7.3 本文后续工作及展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的学术论文