基于生物特征信息隐藏与身份认证及其应用研究

摘要

随着计算机网络的蓬勃发展，越来越多的资源和应用都是利用网络远程获取和得到授权的服务，如何确保特定的资源只能被合法、授权的用户访问和使用，即如何正确地鉴别用户的身份是保证通信网和系统数据安全的首要条件。而且，在网络环境下，如何验证生物特征图像的完整性、如何安全可靠地实现远程身份认证、如何确保生物特征的隐私性和秘密数据的安全性、如何确保数字媒体数据的版权等成为开放网络环境下的研究热点。
　　本论文主要研究基于生物特征信息隐藏与身份认证方案，该方案是充分利用生物特征识别技术、密码技术和信息隐藏技术来实现远程身份认证，并获得服务器提供的授权服务，而且还能有效地提高秘密数据的安全性和生物特征数据的隐私性。本文所做的主要贡献如下：
　　1、提出了基于SVD和脆弱水印的生物特征图像的完整性认证算法。针对奇异值分解理论与脆弱水印的特性，提出了如何在网络环境下对远程用户传输的生物特征图像完整性的认证方法。实验结果表明：基于SVD和脆弱水印的生物特征图像完整性认证方法是行之有效的，可用于生物特征图像完整性认证系统。该认证算法可用于远程身份认证系统中的用户端的用户只负责生物特征图像采集和认证的水印嵌入，而在具有较大运算处理能力的服务器端进行认证水印的提取与认证、特征的提取与匹配，从而确认远端用户的身份。
　　2、提出了基于Radon变换和奇异值分解的手指静脉识别算法。该识别算法首先利用Radon变换来提取手指静脉图像的方向信息，并构成投影矩阵；其次，利用奇异值分解来提取投影矩阵的奇异值作为手指静脉模式的特征向量；最后，利用归一化距离来计算其相似度。实验结果表明：提出的识别算法对手指静脉具有不错的识别效果。
　　3、提出了基于指纹的远程身份认证与密钥协商。该研究主要采用现有的指纹识别算法与密码技术相结合的方式，实现基于指纹的自认证后释放对存有秘密信息的智能卡的控制权，通过密码协议实现与远端服务器之间的相互认证，克服了集中存放用户指纹特征信息的安全风险。同时，为了对用户指纹特征数据的安全性与隐私性保护，用户的指纹特征数据都是通过密钥加密传输，克服了传统的身份认证和生物特征识别系统的安全问题，提升了在安全威胁的情况下的整个认证体系的安全性和隐私性。
　　4、提出了基于双线性对和手指静脉的远程双向认证与密钥协商。该研究主要利用超椭圆曲线上的双线性对性质（计算速度快和安全效率高、密钥大小和带宽要求低）与手指静脉识别算法，构建了在分布式网络环境下的身份认证与密钥协商协议。通过安全分析表明，提出的身份认证协议是合理的、安全的，提升了在安全威胁的情况下的整个认证系统的安全性和隐私性。
　　5、提出了基于生物特征信息隐藏与识别的多因子身份认证与密钥协商。首先构造了生物特征信息隐藏的基本模型；然后提出了基于双正交样条小波（bior4.4）的生物特征信息隐藏算法，并用实验验证提出的基于小波域的双正交样条小波对生物特征信息隐藏算法对攻击的有效性和鲁棒性；接着我们还构造了基于生物特征信息隐藏与识别的远程身份认证系统，该系统相比于传统的生物特征认证系统具有更高的安全性，即使攻击者窃取了该隐密的载体图像，也很难判断是否存在隐密特征与提取得到生物特征，体现了对用户生物特征数据的隐私保护；最后给出了基于生物特征信息隐藏与识别的多因子身份认证与密钥协商，该协议充分利用生物特征识别技术、信息隐藏技术、密码技术及智能卡技术来安全实现远程身份认证，并通过安全性分析与功能分析表明，提出的认证协议不但具有高度安全性，而且保护了用户的隐私。
　　6、提出了基于人脸图像与虹膜特征的双重水印技术在版权保护中的应用。首先介绍了可见人脸图像水印和不可见虹膜特征水印的产生；接着介绍了双重生物特征水印的算法；最后通过实验验证了提出的双重生物特征水印算法的稳健性与有效性，其中以人脸图像为可见水印起到明显地标示数字媒体图像的所有者，以虹膜特征为不可见水印可以在版权纠纷时起到提供法律依据和确保对数字媒体图像的版权，这对数字媒体数据提供双重保护，从而更加有效地遏制非法复制和篡改。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本论文研究内容和主要贡献

1.4 论文结构

第二章 基于SVD和脆弱水印的生物特征图像完整性认证算法研究

2.1 生物特征图像完整性研究现状

2.2 相关基本理论

2.3 一种基于SVD和脆弱水印的虹膜特征图像完整性认证算法

2.4 一种基于SVD和Arnold变换及脆弱水印的指纹特征图像完整性

2.5 本章小结

第三章 基于Radon变换和奇异值分解的手指静脉识别算法

3.1 Radon变换

3.2 奇异值分解

3.3 手指静脉图像获取与预处理

3.4 特征提取

3.5 手指静脉识别系统

3.6 实验结果与性能评估

3.7 本章小结

第四章 基于指纹的远程身份认证与密钥协商

4.1 身份认证方案研究现状

4.2 Khan方案描述与分析

4.3 一种新的基于指纹和智能卡口令的远程身份互认证方案

4.4 一种新的基于指纹和混沌hash的远程身份认证方案

4.5 一种鲁棒的基于指纹和智能卡口令的身份认证与密钥协商

4.6 本章小结

第五章 基于双线性对和手指静脉的远程双向身份认证与密钥协商

5.1 基于双线性对的身份认证研究

5.2 双线性对的定义及相关困难问题假设

5.3 Goriparthi认证方案描述与分析

5.4 基于双线性对的远程身份认证方案

5.5 一种鲁棒的基于双线性对和智能卡口令的身份认证与密钥协商

5.6 一种基于双线性对的手指静脉与智能卡口令的身份认证与密钥协

5.7 本章小结

第六章 生物特征信息隐藏与识别的多因子身份认证与密钥协商

6.1 一种基于小波变换的生物特征信息隐藏算法

6.2 基于生物特征信息隐藏与识别的身份认证系统模型

6.3 基于生物特征信息隐藏与识别的多因子身份认证与密钥协商

6.4 本章小结

第七章 基于人脸图像与虹膜特征的双重水印技术在版权保护中的应用研究

7.1 人脸图像与虹膜特征水印的产生

7.2 水印算法

7.3 实验结果与分析

7.4 本章小结

第八章 总结和展望

8.1 论文总结

8.2 展望

致谢

参考文献

攻博期间取得的研究成果