生物特征識別技術概述

生物特征識別技術概述生物特征辨認技術概述【摘要】生物特征辨認技術是利用人的生理特征或行為特征，來進行個人身份的鑒定。文章論述了現有的各種生物特征辨認技術的原理、特征、應用的優(yōu)缺點，介紹了生物特征辨認技術的規(guī)范化工作和開展趨勢。

【關鍵詞】身份鑒別；生物特征辨認；規(guī)范化

網絡信息化時代的一大特征就是個人身份的數字化和隱性化。如何準確鑒定一個人的身份，愛護信息平安是當今信息化時代必須解決的一個關鍵性社會問題。目前，我國的各種管理大局部使用證件、磁卡、IC卡和密碼，這些伎倆無法防止偽造或遺失，密碼也很容易被竊取或遺忘。這些都給管理者和使用者帶來很大不方便。生物特征身份鑒別辦法可以防止這些麻煩。因此，這一技術已成為身份鑒別領域的研究熱點。

所謂生物特征辨認技術就是，通過計算機與各種傳感器和生物統(tǒng)計學原理等高科技伎倆密切結合，利用人體固有的生理特性和行為特征，來進行個人身份的鑒定。生理特征與生俱來，多為先天性的；行為特征那么是習慣使然，多為后天性的。將生理和行為特征統(tǒng)稱為生物特征。

并非所有的生物特征都可用于個人的身份鑒別。身份鑒別可利用的生物特征必須滿足下列幾個條件：第一，普遍性：即必須每個人都具備這種特征。第二，唯一性：即任何兩個人的特征是不一樣的。第三，可測量性：即特征可測量。第四，穩(wěn)定性：即特征在一段時間內不改變。當然，在應用過程中，還要考慮其他的實際因素，比方：辨認精度、辨認速度、對人體無傷害、被辨認者的接受性等等?，F在常用的生物特征有：人臉辨認、虹膜辨認、手形辨認、指紋辨認、掌紋辨認、簽名辨認、聲音辨認等。下面將分別介紹各種生物特征辨認技術：

一、生物辨認技術介紹

常用的生理特征有臉像、指紋、虹膜等；常用的行為特征有步態(tài)、簽名等。聲紋兼具生理和行為的特點，介于兩者之間。

〔一〕基于生理特征的辨認技術

1.指紋辨認。指紋辨認技術是通過取像設備讀取指紋圖像，然后用計算機辨認軟件分析指紋的全局特征和指紋的部分特征，特征點如嵴、谷、終點、分叉點和分歧點等，從指紋中抽取特征值，可以非?？煽康赝ㄟ^指紋來確認一個人的身份。

指紋辨認的優(yōu)點表現在：研究歷史較長，技術相對成熟；指紋圖像提取設備小巧；同類產品中，指紋辨認的本錢較低。其缺點表現在：指紋辨認是物理接觸式的，具有侵犯性；指紋易磨損，手指太干或太濕都不易提取圖像。

2.虹膜辨認。虹膜辨認技術是利用虹膜終身不變性和差別性的特點來辨認身份的，虹膜是一種在眼睛中瞳孔內的織物狀的各色環(huán)狀物，每個虹膜都包含一個獨一無二的基于水晶體、細絲、斑點、凹點、皺紋和條紋等特征的結構。虹膜在眼睛的內部，用外科手術很難改變其結構；由于瞳孔隨光線的強弱變化，想用偽造的虹膜代替活的虹膜是不可能的。目前世界上還沒有發(fā)現虹膜特征重復的案例，就是同一個人的左右眼虹膜也有很大區(qū)別。除了白內障等原因外，即使是接受了角膜移植手術，虹膜也不會改變。虹膜辨認技術與相應的算法結合后，可以達到十分優(yōu)異的準確度，即使全人類的虹膜信息都錄入到一個數據中，出現認假和拒假的可能性也相當小。

和常用的指紋辨認相比，虹膜辨認技術操作更簡便，檢驗的精確度也更高。統(tǒng)計說明，到目前為止，虹膜辨認的錯誤率是各種生物特征辨認中最低的，并且具有很強的實用性，386以上計算機CCD攝像機即可滿足對硬件的需求。

3.視網膜辨認。人體的血管紋路也是具有獨特性的，人的視網膜上面血管的圖樣可以利用光學辦法透過人眼晶體來測定。用于生物辨認的血管分布在神經視網膜周圍，即視網膜四層細胞的最遠處。如果視網膜不被損傷，從三歲起就會終身不變。同虹膜辨認技術一樣，視網膜掃描可能具有最可靠、最值得信賴的生物辨認技術，但它運用起來的難度較大。視網膜辨認技術要求激光照射眼球的反面以獲得視網膜特征的唯一性。

視網膜技術的優(yōu)點:視網膜是一種極其固定的生物特征，因為它是“隱藏〞的，故而不易磨損，老化或是為疾病影響；非接觸性的；視網膜是不可見的，故而不會被偽造。缺點是:視網膜技術未經過任何測試，可能會給使用者帶來健康的損壞，這需要進一步的研究；對于消費者，視網膜技術沒有吸引力；很難進一步降低它的本錢。

4.面部辨認。面部辨認技術通過對面部特征和它們之間的關系〔眼睛，鼻子和嘴的位置以及它們之間的相對位置〕來進行辨認，用于撲捉面部圖像的兩項技術為規(guī)范視頻和熱成像技術：規(guī)范視頻技術通過視頻攝像頭攝取面部的圖像，熱成像技術通過分析由面部的毛細血管的血液產生的熱線來產生面部圖像，與視頻攝像頭不同，熱成像技術并不需要在較好的光源，即使在黑暗情況下也可以使用。

面部辨認技術優(yōu)點是：非接觸性的。缺點是：要比擬高級的攝像頭才可有效高速地撲捉面部圖像；使用者面部的位置與周圍的光環(huán)境都可能影響系統(tǒng)的精確性，而且面部辨認也是最容易被欺騙的；另外，對于因人體面部的如頭發(fā)，飾物，變老以及其他的變化可能需要通過人工智能技術來得到補償；對于采集圖像的設備會比其他技術昂貴得多。這些因素限制了面部辨認技術廣泛地運用。

5.掌紋辨認。掌紋與指紋一樣也具有穩(wěn)定性和唯一性，利用掌紋的線特征、點特征、紋理特征、幾何特征等完全可以確定一個人的身份，因此掌紋辨認是基于生物特征身份認證技術的重要內容。目前采用的掌紋圖象主要分脫機掌紋和在線掌紋兩大類。脫機掌紋圖象，是指在手掌上涂上油墨，然后在一張白紙上按印，然后通過掃描儀進行掃描而得到數字化的圖象。在線掌紋那么是用專用的掌紋采樣設備直接獲取，圖象質量相比照較穩(wěn)定。隨著網絡、通信技術的開展，在線身份認證將變得更加重要。

掌紋辨認一般用作整體別離后的同一認定。有將其用做批量商品的防偽，以避免成箱的商品內有局部被“調包〞，以局部贗品充真。也有將其用于通道口平安防備系統(tǒng)。

6.手形辨認。手形指的是手的外部輪廓所構成的幾何圖形．手形辨認技術中，可利用的手形幾何信息包括手指不同部位的寬度、手掌寬度和厚度、手指的長度等。經過生物學家大量實驗證明，人的手形在一段時期具有穩(wěn)定性，且兩個不同人手形是不同的，即手形作為人的生物特征具有唯一性，手形作為生物特征也具有穩(wěn)定性，且手形也比擬容易采集，故可以利用手形對人的身份進行辨認和認證．

手形辨認是速度最快的一種生物特征辨認技術，它對設備的要求較低，圖像處理簡單，且可接受程度較高。由于手形特征不像指紋和掌紋特征那樣具有高度的唯一性，因此，手形特征只用于認證，滿足中/低級的平安要求。

7.紅外溫譜圖。人的身體各個部位都在向外散發(fā)熱量，而這種散發(fā)熱量的模式就是一種每人都不同的生物特征。通過紅外設備可以獲得反映身體各個部位的發(fā)熱強度的圖像，這種圖像稱為溫譜圖。拍攝溫譜圖的辦法和拍攝普通照片的辦法類似，因此，可以用人體的各個部位來進行鑒別，比方可對面部或手背靜脈結構進行鑒別來辨別不同的身份。

溫譜圖的數據采集方式決定了利用溫譜圖的辦法可以用于隱蔽的身份鑒定。除了用來進行身份鑒別外，溫譜圖的另一個應用是吸毒檢測，因為人體服用某種毒品后，其溫譜圖會顯示特定的結構。

溫譜圖的辦法具有可接受性，因為數據的獲取是非接觸式的，具有非侵犯性。但是，人體的溫譜值受外界環(huán)境影響很大，對于每個人來說不是完全固定的。目前，已經有溫譜圖身份鑒別的產品，但是由于紅外測溫設備的昂貴價格，使得該技術不能得到廣泛的應用。

8.人耳辨認。人耳辨認技術是20世紀90年代末開始興起的一種生物特征辨認技術。人耳具有獨特的生理特征和觀測角度的優(yōu)勢，使人耳辨認技術具有相當的理論研究價值和實際應用前景。從生理解剖學上，人的外耳分耳廓和外耳道。人耳辨認的對象實際上是外耳裸露在外的耳廓，也就是人們習慣上所說的“耳朵〞。一套完整的人耳自動辨認系統(tǒng)一般包括下列幾個過程：人耳圖像采集、圖像的預處理、人耳圖像的邊緣檢測與分割、特征提取、人耳圖像的辨認。目前的人耳辨認技術是在特定的人耳圖像庫上實現的，一般通過攝像機或數碼相機采集一定數量的人耳圖像，建立人耳圖像庫，動態(tài)的人耳圖像檢測與獲取尚未實現。

與其它生物特征辨認技術比擬人耳辨認具有下列幾個特點：〔1〕與人臉辨認辦法比擬，耳辨認辦法不受面部表情、化裝品和胡須變化的影響，同時保存了面部辨認圖象采集方便的優(yōu)點，與人臉相比，整個人耳的顏色更加一致、圖像尺寸更小，數據處理量也更小?！?〕與指紋辨認辦法比擬，耳圖象的獲取是非接觸的，其信息獲取方式容易被人接受?！?〕與虹膜辨認辦法比擬，耳圖像采集更為方便。并且，虹膜采集裝置的本錢要高于耳采集裝置。

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9.味紋辨認。人的身體是一種味源，人類的氣味，雖然會受到飲食、情緒、環(huán)境、時間等因素的影響和干擾，其成分和含量會發(fā)生一定的變化，但作為由基因決定的那一局部氣味——味紋卻始終存在，而且終生不變，可以作為辨認任何一個人的標記。

由于氣味的性質相當穩(wěn)定，如果將其密封在試管里制成氣味檔案，足足可以保留3年，即使是在露天空氣中也能保留18小時?？茖W家告訴我們，人的味紋從手掌中可以輕易獲得。首先將手掌握過的物品，用一塊經過特殊處理的棉布包裹住，放進一個密封的容器，然后通入氮氣，讓氣流慢慢地把氣味分子轉移到棉布上，這塊棉布就成了保持人類味紋的檔案?？梢岳糜柧氂兴氐木螂娮颖莵肀嬲J不同的氣味。

10.基因〔DNA〕辨認。DNA〔脫氧核糖核酸〕存在于一切有核的動〔植〕物中，生物的全部遺傳信息都貯存在DNA分子里。DNA辨認是利用不同的人體的細胞中具有不同的DNA分子結構。人體內的DNA在整個人類范圍內具有唯一性和永久性。因此，除了對雙胞胎個體的鑒別可能失去它應有的功能外，這種辦法具有絕對的權威性和準確性。不象指紋必須從手指上提取，DNA模式在身體的每一個細胞和組織都一樣。這種辦法的準確性優(yōu)于其他任何生物特征辨認辦法，它廣泛應用于辨認罪犯。它的主要問題是使用者的倫理問題和實際的可接受性，DNA模式辨認必須在實驗室中進行，不能到達實時以及抗干擾，耗時長是另一個問題。這就限制了DNA辨認技術的使用;另外，某些特殊疾病可能改變人體DNA的結構，系統(tǒng)無法對這類人群進行辨認。

〔二〕基于行為特征的生物辨認技術

1.步態(tài)辨認。步態(tài)是指人們行走時的方式，這是一種復雜的行為特征。步態(tài)辨認主要提取的特征是人體每個關節(jié)的運動。盡管步態(tài)不是每個人都不相同的，但是它也提供了充足的信息來辨認人的身份。步態(tài)辨認的輸入是一段行走的視頻圖像序列，因此其數據采集與臉相辨認類似，具有非侵犯性和可接受性。但是，由于序列圖像的數據量較大，因此步態(tài)辨認的計算復雜性比擬高，處理起來也比擬困難。盡管生物力學中對于步態(tài)進行了大量的研究工作，基于步態(tài)的身份鑒別的研究工作卻是剛才開始。到目前為止，還沒有商業(yè)化的基于步態(tài)的身份鑒別系統(tǒng)。

2.擊鍵辨認。這是基于人擊鍵時的特性如:擊鍵的持續(xù)時間、擊不同鍵之間的時間、出錯的頻率以及力度大小等而到達進行身份辨認的目的。上世紀80年代初期，美國國家科學基金和國家規(guī)范局研究證實，擊鍵方式是一種可以被辨認的動態(tài)特征。

3.簽名辨認。簽名作為身份認證的伎倆已經用了幾百年了，而且我們都很熟悉在銀行的格式表單中簽名作為我們身份的標志。將簽名數字化是這樣一個過程：測量圖像本身以及整個簽名的動作——在每個字母以及字母之間的不同的速度、順序和壓力。簽名辨認易被群眾接受，是一種公認的身份辨認的技術。但事實說明人們的簽名在不同的時期和不同的精神狀態(tài)下是不一樣的。這就降低了簽名辨認系統(tǒng)的可靠性。

〔三〕兼具生理特征和行為特征的聲紋辨認

聲音辨認本質上是一個模式辨認問題。辨認時需要說話人講一句或幾句試驗短句，對它們進行某些測量，然后計算量度矢量與存儲的參考矢量之間的一個(或多個)距離函數。語音信號獲取方便，并且可以通過進行鑒別。語音辨認系統(tǒng)對人們在感冒時變得嘶啞的聲音比擬敏感；另外，同一個人的磁帶錄音也能欺騙語音辨認系統(tǒng)。

〔四〕不同生物特征辨認技術的比擬

各種生物特征辨認技術各有其優(yōu)缺點，在下表中，將各種生物特征辨認技術的性能進行了一個簡單的比擬。

二、生物特征辨認技術的規(guī)范化工作

隨著IT的開展，人們獲取生物特征的辦法也越來越多，而且可獲取的生物特征種類也在不斷增加。但不論生物特征辨認的伎倆如何、獲取何種生物特征，對于某一個具體的人，其相應的生物特征是確定的，因此通過多種伎倆獲取的生物特征之間應該存在信息的共享和交換。為到達信息交互，采用統(tǒng)一的準那么評價生物特征辨認和特征信息，需要制定生物特征辨認規(guī)范。

目前，生物特征辨認的國際規(guī)范化工作主要由ISO/IECJTC1負責，而近期對此項工作的關注主要源于9．11恐怖襲擊事件。美國為首的興旺國家為避免和打擊恐怖活動，提出了基于生物特征辨認的國防土平安，并提出在SC17和SC27的根底上建立，在JTC1下面組建生物特征辨認規(guī)范化分技術委員會，即SC37。SC37自2022年6月成立以來，一直保持著快速的規(guī)范制定速度。從當前SC37的規(guī)范制定情況可以看出在生物特征辨認領域，當前最急需的是用于信息共享和信息交換的數據格式規(guī)范，其他接口、測試、輪廓類規(guī)范現在的重點還處于概念性規(guī)范研制階段。

三、生物特征辨認技術的開展趨勢

〔一〕多生物特征辨認融合

各種生物特征辨認技術都有其一定的適用范圍和要求，單一的生物特征辨認系統(tǒng)在實際應用中顯現出各自的局限性，如有些人的指紋無法提取特征，患白內障的人虹膜會發(fā)生變化等等，統(tǒng)計顯示迄今為止，還沒有一個單生物特征能到達完美無錯的要求。因此，生物特征辨認領域出現了一種新方向，即多種生物特征辨認技術結合使用。將數據融合辦法用于身份鑒別，結合多種生理和行為特征進行身份鑒別具有低錯誤拒絕率、特征變化的適應性強，平安可靠性高等優(yōu)點，進一步精化了辨認率，提高鑒別系統(tǒng)的可靠性。

〔二〕實時性要求

生物特征辨認系統(tǒng)要求大量的計算，這其中包括圖像的預處理、特征提取與辨認分類等。具有實時的快速計算能力是到達系統(tǒng)特定性能要求的關鍵。實現的辦法根本上有兩