摘要：近年來(lái)，隨著產(chǎn)業(yè)數(shù)字化的實(shí)施與升級(jí)，電力行業(yè)建設(shè)了適配性較高的電力信息管理系統(tǒng)。目前，正值電力行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展之際，應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)身份認(rèn)證的管理，解決用戶名加密碼認(rèn)證方式應(yīng)用中的不足。該文概述了指紋識(shí)別技術(shù)，并在剖析該技術(shù)在電力信息管理身份認(rèn)證中的應(yīng)用價(jià)值的基礎(chǔ)上，分別從背景技術(shù)、硬件設(shè)計(jì)、識(shí)別程序、其他措施四個(gè)方面，對(duì)其應(yīng)用情況進(jìn)行了具體探討。

關(guān)鍵詞：指紋識(shí)別；電力信息管理；身份認(rèn)證

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.07.046

中圖分類(lèi)號(hào)：TN 915.08；TM 7 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編碼：1672-7274（2024）07-0-04

Application of Fingerprint Recognition in Identity Authentication of Power Information Management

SUN Yi， SUN Jie， MA Guanglin， YIN Xiao， LIANG Shuang

（State Grid Heilongjiang Electric Power Co.， Ltd. Qiqihar Power Supply Company， Qiqihar 161000， China）

Abstract： In recent years， with the implementation and upgrading of industrial digitization， the power industry has built a highly adaptable power information management system. At present， as the power industry is developing with high quality， it is necessary to further strengthen the management of identity authentication and address the shortcomings in the application of username and password authentication methods. Starting from this， the article provides an overview of fingerprint recognition technology and analyzes its application value in power information management identity authentication. Based on this， the article specifically explores its application from four aspects： background technology， hardware design， recognition program， and other measures.

Keywords： fingerprint recognition; power information management; identity authentication

1 指紋識(shí)別概述

指紋識(shí)別是一種與虹膜識(shí)別、聲紋識(shí)別、行為識(shí)別、掌紋識(shí)別無(wú)本質(zhì)差別的生物識(shí)別技術(shù)，主要借助比對(duì)個(gè)體指紋模式實(shí)現(xiàn)身份驗(yàn)證，特點(diǎn)集中表現(xiàn)在唯一性、穩(wěn)定性、安全性、實(shí)用性等方面。其應(yīng)用原理分為三個(gè)部分：指紋采集原理；指紋特征提取原理；指紋特征匹配原理。指紋識(shí)別流程包括指紋注冊(cè)與指紋比兩大環(huán)節(jié)，前一個(gè)環(huán)節(jié)包括指紋采集→圖像增強(qiáng)→提取特征值→特征值模板入→比對(duì)匹配，后一個(gè)環(huán)節(jié)包括指紋采集→圖像增強(qiáng)→提取特征值→比對(duì)匹配，兩大環(huán)節(jié)相輔相承，不可分割，需要通過(guò)協(xié)同應(yīng)用才能實(shí)現(xiàn)識(shí)別目的。其中，指紋注冊(cè)時(shí)要求實(shí)踐主體在用戶界面中完成用戶指紋采樣、提取特征值并建立用戶特征模板，將其錄入所用系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)等[1]。

2 指紋識(shí)別在電力信息管理身份認(rèn)證

中的應(yīng)用價(jià)值

2.1 從系統(tǒng)優(yōu)化角度分析

電力行業(yè)自2018年全面實(shí)施“互聯(lián)網(wǎng)+”改革以來(lái)，已初步完成現(xiàn)代電力信息管理系統(tǒng)的建設(shè)，既實(shí)現(xiàn)了“線上+線下”混合管理，也大幅度提升了電力系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)成效。然而，此類(lèi)系統(tǒng)應(yīng)用時(shí)，身份認(rèn)證采用常規(guī)用戶名注冊(cè)及密碼驗(yàn)證登錄方式安全性差，加上新時(shí)期電力信息化技術(shù)不斷發(fā)展，同一用戶具有多個(gè)系統(tǒng)使用權(quán)限且一段時(shí)間內(nèi)頻繁輸入密碼的現(xiàn)象將越來(lái)越多，給用戶記憶、存儲(chǔ)以及使用密碼登錄平臺(tái)造成一定的困難。在這一前提下，應(yīng)用指紋識(shí)別技術(shù)既可以一次性解決密碼數(shù)量多、密碼記不住的問(wèn)題，也能夠輔助電力信息管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)身份認(rèn)證方式的轉(zhuǎn)變，為其系統(tǒng)升級(jí)優(yōu)化提供技術(shù)支撐[2]。

2.2 從安全管理角度分析

進(jìn)入新時(shí)代后，國(guó)內(nèi)外信息安全形勢(shì)日益嚴(yán)峻。我國(guó)為保障電力信息安全，出臺(tái)了《電力監(jiān)控系統(tǒng)安全防護(hù)規(guī)定》（發(fā)改委〔2014〕14號(hào)令）和《電力監(jiān)控系統(tǒng)安全防護(hù)方案》（國(guó)能安全〔2015〕36號(hào)文）等文件，強(qiáng)調(diào)了電力信息管理系統(tǒng)安全防護(hù)的重要性。身份認(rèn)證作為此類(lèi)系統(tǒng)的第一道安全防線，引入指紋識(shí)別技術(shù)，既能夠輔助其完善電力信息管理系統(tǒng)密碼保障體系建設(shè)，也能夠憑借基于指紋識(shí)別的電力信息管理身份認(rèn)證方式，為用戶的安全使用保駕護(hù)航，規(guī)避非授權(quán)登錄引發(fā)的電力信息泄漏、篡改、竊取、毀壞等風(fēng)險(xiǎn)。

3 指紋識(shí)別在電力信息管理身份認(rèn)證中的應(yīng)用分析

電力信息管理系統(tǒng)中的經(jīng)典身份認(rèn)證，一般采用“身份認(rèn)證+訪問(wèn)控制”方案，如Kerberos、Passport之類(lèi)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全訪問(wèn)控制方案。就目前而言，在量子計(jì)算機(jī)未推廣應(yīng)用之前，上述任何一種身份認(rèn)證方案均不能達(dá)到100%的本質(zhì)安全管理目標(biāo)。應(yīng)用指紋識(shí)別技術(shù)雖然不能從根本上解決該方面的問(wèn)題，但是可以借助其獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)提升身份認(rèn)證方案安全等級(jí)，使其更上一層樓。筆者通過(guò)查閱文獻(xiàn)資料，與同行開(kāi)展技術(shù)交流及總結(jié)日常電力信息管理工作經(jīng)驗(yàn)，確認(rèn)我國(guó)電力信息管理系統(tǒng)應(yīng)用的“用戶名+密碼”身份認(rèn)證方案，主要是在“大平臺(tái)+小系統(tǒng)”基本框架下設(shè)計(jì)所需的身份認(rèn)證系統(tǒng)。本次研究以此為基礎(chǔ)提出了一種基于指紋識(shí)別的電力信息管理身份認(rèn)證系統(tǒng)。下面分別從背景技術(shù)、硬件設(shè)計(jì)、識(shí)別程序、其他措施四個(gè)方面展開(kāi)討論[3]。

3.1 背景技術(shù)

指紋是個(gè)體唯一性生物特征。根據(jù)現(xiàn)階段的研究認(rèn)為在60億人口條件下，300年內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)一樣的指紋。從國(guó)際研究現(xiàn)狀看，歐美、日本、韓國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家在多個(gè)領(lǐng)域已應(yīng)用了指紋識(shí)別。國(guó)內(nèi)的指紋識(shí)別技術(shù)應(yīng)用具有起步晚、發(fā)展速度快等基本特點(diǎn)。近年來(lái)，在產(chǎn)學(xué)研一體化發(fā)展過(guò)程中，指紋識(shí)別應(yīng)用相關(guān)的傳感器、算法、模型等有了長(zhǎng)足進(jìn)步，無(wú)論是光學(xué)類(lèi)，還是硅晶體類(lèi)的傳感器及其他取像設(shè)備，均可以輔助指紋識(shí)別技術(shù)在不同領(lǐng)域的應(yīng)用。但是，此類(lèi)技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中算法相對(duì)滯后，而且在電力行業(yè)尚未獲得有效應(yīng)用。在這種背景下，本次研究提出一種基于指紋識(shí)別的電力信息管理身份認(rèn)證系統(tǒng)，將設(shè)計(jì)目標(biāo)定位為實(shí)現(xiàn)指紋算法，以指紋信息形式補(bǔ)充身份認(rèn)證信息，確保本地密碼管理服務(wù)器的安全訪問(wèn)。系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的功能包括：用戶注冊(cè)；信息上傳；用戶身份認(rèn)證；權(quán)限分配；用戶信息查詢等。

3.2 硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)在模塊化設(shè)計(jì)思路下將硬件設(shè)置為一個(gè)指紋采集模塊，結(jié)構(gòu)包括客戶端PC機(jī)、和指紋采集儀兩大部分，其中后者包括USB接口、通信模塊、指紋收集模塊、指紋傳感器。比較光學(xué)傳感器、半導(dǎo)體傳感器、超聲波傳感器、晶體傳感器的性能可知，在體積、耐用性、成像能力、成本方面，當(dāng)前市售的晶體傳感器綜合性價(jià)比較高，因而選擇了基于STM32F205RC單片機(jī)的TFS-S72高精度光學(xué)傳感器。計(jì)算機(jī)接口方面旨在實(shí)現(xiàn)CPU與硬件設(shè)備的匹配。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)緩沖、信號(hào)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)交互、CPU命令處理、中斷管理等，本次綜合考慮其接口功能將指紋采集模塊與其外圍硬件電路通過(guò)菊花鏈形式的USB進(jìn)行連接，通信方式方面使用C#程序中SerialPort控件的串口通信，通信流程包括“開(kāi)始→打開(kāi)串行通信端口→端口初始化及控件屬性設(shè)置→數(shù)據(jù)發(fā)送與接收→關(guān)閉串行通信接口→結(jié)束”。操作時(shí)，設(shè)計(jì)人員在Visual studio 2016中通過(guò)“新建項(xiàng)目→創(chuàng)建Windows窗體應(yīng)用程序→Foml窗體→添加Button控件”等步驟完成，其中，打開(kāi)、關(guān)閉串口按鈕等均通過(guò)函數(shù)處理工具進(jìn)行編碼[4]。

3.3 識(shí)別程序

上述指紋識(shí)別模塊需要完成指紋采集、圖像預(yù)處理、特征提取、特征匹配，為了滿足其識(shí)別要求需要為其提供相應(yīng)的算法。具體如下：

首先，在指紋采集時(shí)，該模塊供電后進(jìn)入工作狀態(tài)，通過(guò)“開(kāi)始登錄→選擇通信端口→通信連接成功（若否返回上一層）→通信連接成功→采集指紋圖像→指紋采集成功（若連接超時(shí)返回上一層）→存入內(nèi)存→結(jié)束”流程完成采集，整個(gè)流程由傳感器和串口通信完成。

其次，指紋圖像在采集過(guò)程中受到按壓力度、皮膚干濕程度、傳感器質(zhì)量三種因素影響會(huì)導(dǎo)致灰度明暗差異，影響其圖像精度，給識(shí)別造成阻礙。本次研究使用的晶體傳感器，可以自動(dòng)調(diào)節(jié)像素，借助局部調(diào)整、軟件控制、自動(dòng)獲取控制（AGC）技術(shù)，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用光學(xué)傳感器時(shí)配套應(yīng)用指紋圖像場(chǎng)計(jì)算（包括分割、增強(qiáng)、二值化、細(xì)化處理等步驟）的效果，解決圖像對(duì)比度差的問(wèn)題，在捕捉瞬間提升局部像素采集靈敏度。

第三，目前的指紋局部特征分類(lèi)共計(jì)30多種，其中端點(diǎn)、分叉點(diǎn)、交叉點(diǎn)、橋型、環(huán)型屬于常見(jiàn)特征，占比分別為70.1%、19.9%、4.6%、3.9%、1.5%。晶體傳感器提供的圖像為黑色、白色兩個(gè)像素，可以按照“0”和“1”及“紋線”確認(rèn)其特征點(diǎn)。由于此類(lèi)特征點(diǎn)周?chē)?個(gè)鄰域且構(gòu)成“九宮格模塊”，形成端點(diǎn)“P”的模板、分叉點(diǎn)“P”的兩種模塊后，對(duì)其進(jìn)行提取時(shí)，只需要設(shè)P點(diǎn)周?chē)袼刈兓螖?shù)為Sn（P），然后對(duì)其端點(diǎn)P和分叉點(diǎn)P進(jìn)行計(jì)算。公式如下：

（1）

按照式（1），當(dāng)Sn（P）為2和6時(shí)，P對(duì)應(yīng)于實(shí)際指紋圖像的端點(diǎn)、分叉點(diǎn)。但是，在提取指紋奇異點(diǎn)時(shí)（包括中心點(diǎn)與三角點(diǎn)），設(shè)計(jì)人員根據(jù)“某點(diǎn)周?chē)较驁?chǎng)變化越劇烈，成為奇異點(diǎn)的可能性越大”的方向場(chǎng)原理進(jìn)行計(jì)算。操作時(shí)，只需根據(jù)方Poincare公式，設(shè)方向場(chǎng)中給定的奇異點(diǎn)Poincare索引定義并用公式表示為

（2）

根據(jù)式（2），在5×5和3×3方格內(nèi)，可以先沿順時(shí)針做閉合曲線，再計(jì)算其周?chē)骄较驁?chǎng)差，當(dāng)兩圈（內(nèi)圈、外圈）值一樣時(shí)可確認(rèn)其為所求奇異點(diǎn)。以5×5格為例，順時(shí)針?lè)较蛐纬傻拈]合曲線為R1～R12，如圖1所示。

圖1 方5×5方格內(nèi)嵌3×3方格示意圖

其中，內(nèi)嵌的3×3格沿順時(shí)針形成的閉合曲線為r1～r8。此時(shí)，可以按照方向場(chǎng)差值公式對(duì)其進(jìn)行計(jì)算。具體如下：

（3）

（4）

需要注意的是，在完成指紋圖像特征點(diǎn)提取后，需要剔除其中的偽特征點(diǎn)，操作時(shí)可以使用常比較簡(jiǎn)單位的分割模板法進(jìn)行處理。例如，當(dāng)閾值為10時(shí)，可以按照“開(kāi)始→遍歷特征表→該細(xì)節(jié)特征點(diǎn)是否位于邊緣（若是去除）→距離去偽→是否小于紋線距離最小值（若是去除）→利用相關(guān)結(jié)構(gòu)信息去偽→是否存在偽特征結(jié)構(gòu)（若是去除）→是否遍歷結(jié)束（若否返回第二步）→保存指紋特征→結(jié)束”的流程，完成兩個(gè)端點(diǎn)間距離小于該值且在同一紋線方向下的偽端點(diǎn)[5]。

第四，進(jìn)行指紋圖像比對(duì)，包括指紋圖像配準(zhǔn)、比對(duì)，操作時(shí)，設(shè)計(jì)人員采用點(diǎn)模式的一對(duì)一匹配進(jìn)行操作。具體而言，晶體傳感器采集的指紋圖像經(jīng)處理后精度相對(duì)較高，僅需要選擇一個(gè)特征點(diǎn)，為其為圓心畫(huà)半徑作圓后選取三點(diǎn)組成的等邊三角形之和，再將取點(diǎn)范圍內(nèi)的樣本和模板圖像進(jìn)行配準(zhǔn)即可，比對(duì)時(shí)則按照相似度計(jì)算公式完成兩幅指紋圖像的比對(duì)。假定特征點(diǎn)分值、最大相似數(shù)、總數(shù)分別為A、M、N，此時(shí)就可以按式（5）進(jìn)行計(jì)算。

（5）

其操作流程為：開(kāi)始→遍歷特征點(diǎn)→特征點(diǎn)是否匹配（若否返回上一步）→累加分值→計(jì)算相似度→大于合格閾（若是比對(duì)成功）→是否遍歷結(jié)束（若否返回第二步）→比對(duì)失敗→結(jié)束。

3.4 其他措施

該系統(tǒng)屬于子系統(tǒng)，主要用于電力信息管理系統(tǒng)。設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)好硬件與識(shí)別程序后，選擇Client（客戶端）/Server（服務(wù)器）架構(gòu)，應(yīng)用時(shí)以電力信息管理系統(tǒng)常用局域網(wǎng)應(yīng)用條件，可以通過(guò)客戶端完成數(shù)據(jù)處理，借助服務(wù)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)管理等功能。其中的數(shù)據(jù)庫(kù)為Mysql數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)庫(kù)連接時(shí)，選擇能夠提供API函數(shù)的ODBC訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)方式，進(jìn)而把SQL語(yǔ)句直接發(fā)送給ODBC，操作時(shí)只需為其注冊(cè)的一個(gè)數(shù)據(jù)源即可完成ODBC管理器與數(shù)據(jù)庫(kù)的聯(lián)系。另外，客戶端的、注冊(cè)界面的設(shè)計(jì)均在Visual studio 2016中采用C#編程實(shí)現(xiàn)。應(yīng)用時(shí)，用戶僅需要在登錄注冊(cè)界面注冊(cè)后，輸入指紋信息，然后經(jīng)識(shí)別程序完成識(shí)別與登錄等。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，指紋識(shí)別技術(shù)構(gòu)成要素較少，原理相對(duì)簡(jiǎn)單，在新時(shí)期電力信息管理身份認(rèn)證中的應(yīng)用具有重大價(jià)值，既可以促進(jìn)系統(tǒng)優(yōu)化，又能夠提升安全管理水平。建議電力企業(yè)在實(shí)踐中盡可能遵循思路決定出路的基本原則，一方面在“大平臺(tái)+小系統(tǒng)”基本框架下設(shè)計(jì)適配的系統(tǒng)架構(gòu)，另一方面在設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)一體化實(shí)踐模式下按部就班完成對(duì)其硬件資源的優(yōu)化配置與軟件程序的設(shè)計(jì)，尤其要突出圖像處理與算法的重要性，確保技術(shù)方案應(yīng)用后能夠?yàn)檎麄€(gè)電力信息管理身份認(rèn)證方式保駕護(hù)航。

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