淺談生物特征識(shí)別的身份認(rèn)證技術(shù)

劉懷北

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淺談生物特征識(shí)別的身份認(rèn)證技術(shù)

劉懷北

福建省科學(xué)技術(shù)信息研究所

由于人的生物特征具有穩(wěn)定性和唯一性，目前最安全的身份認(rèn)證技術(shù)是生物特征識(shí)別，傳統(tǒng)的身份識(shí)別手段將被生物特征識(shí)別技術(shù)所超越和替代。該文從生物特征角度介紹了幾種生物特征識(shí)別的身份認(rèn)證技術(shù)，由于每一種生物特征識(shí)別身份認(rèn)證技術(shù)都有局限性，采用數(shù)據(jù)融合方法進(jìn)行身份鑒別，將人的多種生理特征和行為特征結(jié)合起來進(jìn)行身份識(shí)別，以提高生物特征識(shí)別系統(tǒng)的可靠性和識(shí)別的精確率，將是今后發(fā)展的必然趨勢(shì)。

生物特征 指紋 虹膜 人臉 聲音 簽名

0 引言

隨著電子、計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)和通訊技術(shù)日新月異的發(fā)展，電子信息的安全性也變得越來越突出，人們注冊(cè)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、網(wǎng)上購(gòu)物、銀行取錢、消費(fèi)刷卡等都需要進(jìn)行身份的識(shí)別。傳統(tǒng)的身份識(shí)別使用的密碼、口令、智能卡、證件等，其安全性受到限制，存在丟失、被盜用和復(fù)制等諸多問題。由于人的生物特征具有唯一性和穩(wěn)定性的特點(diǎn)，并且可隨身攜帶、不易被盜、不易被偽造、不易丟失，所以生物特征識(shí)別成為目前最安全的身份認(rèn)證技術(shù)，傳統(tǒng)的身份識(shí)別手段將被它所超越和替代。

生物特征識(shí)別技術(shù)是使用計(jì)算機(jī)及相關(guān)設(shè)備，利用人體本身特有的行為特征和(或)生理特征，通過模式識(shí)別和圖像處理的方法進(jìn)行身份識(shí)別。生物特征分為生理特征和行為特征，生理特征為先天性的，行為特征則為后天性的。生理特征是人體器官本身固有的特征，不隨主觀意愿和客觀條件發(fā)生改變。目前，利用人體生理特征的識(shí)別技術(shù)主要有人臉識(shí)別、人耳識(shí)別、虹膜識(shí)別、指紋識(shí)別、手掌識(shí)別、視網(wǎng)膜識(shí)別等。行為特征是人的動(dòng)作特征，是人們?cè)陂L(zhǎng)期生活過程中養(yǎng)成的行為習(xí)慣，利用人體行為特征的主要識(shí)別技術(shù)包括聲音識(shí)別、筆跡識(shí)別、步態(tài)識(shí)別、擊鍵識(shí)別和節(jié)奏識(shí)別等。

1 常用的人體生物特征識(shí)別技術(shù)

1.1 生理特征生物識(shí)別

1.1.1人臉識(shí)別

人臉識(shí)別是通過采集人的臉部圖像，由計(jì)算機(jī)從臉部圖像中提取其面部特征信息，并與數(shù)據(jù)庫(kù)中的特征進(jìn)行比對(duì)匹配。人臉識(shí)別主要過程：人臉檢測(cè)定位→提取面部特征→將待識(shí)別人臉特征與人臉數(shù)據(jù)庫(kù)中特征進(jìn)行比對(duì)匹配。

人臉檢測(cè)定位是將圖像分為人臉區(qū)域和非人臉區(qū)域兩部分，從中分離出人臉的圖像。檢測(cè)的圖像分為靜態(tài)圖像(人體和場(chǎng)景都是靜止)和動(dòng)態(tài)圖像(人體在運(yùn)動(dòng)過程中)，人臉檢測(cè)定位分為靜態(tài)圖像的人臉檢測(cè)定位和動(dòng)態(tài)圖像的人臉檢測(cè)定位。

提取面部特征是對(duì)人臉的大小、輪廓線、位置等提取其特征信息。最常見的方法是先找出兩只眼睛的中心位置，再對(duì)人臉進(jìn)行歸一化處理，最后提取特征信息。

人臉識(shí)別是將待識(shí)別人臉的特征或圖像與數(shù)據(jù)庫(kù)中人臉有關(guān)的特征值或圖像進(jìn)行比對(duì)匹配。

1.1.2 人耳識(shí)別

人們習(xí)慣上所說的耳朵，就是外耳的耳廓，是人耳識(shí)別的對(duì)象。人耳識(shí)別主要過程：人耳圖像采集→對(duì)采集的圖像進(jìn)行預(yù)處理→對(duì)圖像中人耳的邊緣進(jìn)行檢測(cè)和分割→提取外耳輪廓和特征點(diǎn)信息→將待識(shí)別人耳圖像與數(shù)據(jù)庫(kù)中人耳圖像比對(duì)匹配等。

人耳識(shí)別類似于人臉識(shí)別，但不因表情變化而受影響，因此穩(wěn)定性好于人臉識(shí)別。

1.1.3 虹膜識(shí)別

虹膜是一個(gè)位于眼睛瞳孔和鞏膜之間的環(huán)狀區(qū)域，人眼圖像中虹膜區(qū)域的冠狀物、環(huán)狀物、斑點(diǎn)、皺紋形成了特有的紋理，是人眼的典型特征，具有穩(wěn)定性、唯一性、非侵犯性、可采集性、高獨(dú)特性、高準(zhǔn)確性、防偽性好、易使用性等優(yōu)點(diǎn)。人的一生中虹膜幾乎不發(fā)生變化，并且每個(gè)人的虹膜結(jié)構(gòu)各不相同。虹膜識(shí)別在錯(cuò)誤率和識(shí)別率等方面與其他的生物特征識(shí)別相比，其性能指標(biāo)都優(yōu)于其他的生物特征識(shí)別技術(shù)。

虹膜識(shí)別主要過程：采集虹膜圖像→對(duì)虹膜進(jìn)行定位、歸一化和增強(qiáng)等預(yù)處理→提取特征信息→進(jìn)行特征編碼→將數(shù)據(jù)庫(kù)中虹膜模板的特征向量與待識(shí)別的虹膜特征向量進(jìn)行匹配（也就是將數(shù)據(jù)庫(kù)中虹膜模板與待識(shí)別的虹膜進(jìn)行相似性比對(duì)，如果相似性達(dá)到某一程度時(shí)，便認(rèn)為這兩個(gè)虹膜圖像是來自同一只眼睛）。

1.1.4 指紋識(shí)別

指紋是手指末梢紋路的圖案，指紋中的谷、脊和紋路的起終點(diǎn)、分叉點(diǎn)、中斷處、轉(zhuǎn)折點(diǎn)、匯合點(diǎn)等特征點(diǎn)提供了指紋識(shí)別的信息，在指紋中有非常詳盡的特征值，可以用來辨別人的身份。指紋識(shí)別是最古老、最成熟的生物特征識(shí)別。指紋鑒定已經(jīng)被官方所接受，目前，全球范圍內(nèi)都建立了罪犯指紋數(shù)據(jù)庫(kù)和指紋鑒定機(jī)構(gòu)，指紋識(shí)別已經(jīng)是司法部門進(jìn)行鑒定身份的有效手段。指紋識(shí)別技術(shù)通過分析指紋圖像的局部特征和全局特征進(jìn)行身份識(shí)別認(rèn)證。

指紋識(shí)別主要過程：指紋圖像采集→將采集的圖像進(jìn)行預(yù)處理→提取特征信息→將待識(shí)別指紋特征值與數(shù)據(jù)庫(kù)中的指紋特征值進(jìn)行匹配比對(duì)。

指紋識(shí)別與其他生物特征識(shí)別相比，識(shí)別精度高，具有穩(wěn)定性、唯一性等優(yōu)點(diǎn)。據(jù)介紹，每一個(gè)人的指紋都不一樣，人的指紋通常在出生9個(gè)月后成型而且終身不變。缺點(diǎn)是采集或識(shí)別有些群體或有些人的指紋較難，且指紋存在被盜取復(fù)制的可能。

1.1.5 手形識(shí)別

手形識(shí)別是利用手指的長(zhǎng)度和不同部位的寬度、手掌厚度和寬度等手的外部輪廓所構(gòu)成的幾何圖形進(jìn)行識(shí)別。掌紋的特征信息多于手形，手形識(shí)別可以結(jié)合掌紋特征，手掌紋理特征的引入，可以取得更高的識(shí)別率和可靠性。手形識(shí)別系統(tǒng)也可將指紋特征信息引入，構(gòu)成多生物特征識(shí)別技術(shù)的融合系統(tǒng)，識(shí)別結(jié)果將更為可靠的。

1.1.6 視網(wǎng)膜識(shí)別

眼球后部細(xì)小的神經(jīng)就是視網(wǎng)膜，因?yàn)槊總€(gè)人的視神經(jīng)分散程度不一樣，所以身份識(shí)別可以使用視神經(jīng)作為特征。由于視網(wǎng)膜不可能偽造，人的視網(wǎng)膜從三歲起就終身不變，并且在外部不可見，因此作為身份識(shí)別特征具有極大的準(zhǔn)確性。同虹膜識(shí)別技術(shù)一樣，視網(wǎng)膜識(shí)別技術(shù)具有很高的可靠性。

視網(wǎng)膜識(shí)別主要過程：采集視網(wǎng)膜上的視神經(jīng)分布情況→提取特征信息→將待識(shí)別的視神經(jīng)特征信息與數(shù)據(jù)庫(kù)中視神經(jīng)的特征數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)匹配。

1.2 行為特征生物識(shí)別

1.2.1 聲音識(shí)別

聲音識(shí)別也稱聲紋識(shí)別，聲紋是反映說話人的行為、心理和生理特征聲音波形的聲音參數(shù)。由于每個(gè)人發(fā)聲器官（鼻腔、牙齒、舌、喉頭、肺）的尺寸和形態(tài)方面各不一樣，所以每個(gè)人的聲紋圖譜也都不一樣，因此，身份識(shí)別可以使用聲紋識(shí)別技術(shù)。聲音識(shí)別分為依賴特定文字識(shí)別和不依賴特定文字識(shí)別兩類。

聲音識(shí)別技術(shù)主要過程：提取聲音的特征參數(shù)和對(duì)特征參數(shù)進(jìn)行匹配。提取特征參數(shù)常用的方法是通過隔離周期脈沖和聲道得到聲音參數(shù)，也稱為倒譜法。聲音特征參數(shù)匹配目前常用模板匹配等方法。

1.2.2 筆跡識(shí)別

筆跡識(shí)別也稱簽名識(shí)別。筆跡識(shí)別分為：離線筆跡識(shí)別和實(shí)時(shí)在線筆跡識(shí)別。離線筆跡識(shí)別的對(duì)象是簽名圖像，將簽名圖像由掃描儀轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息。實(shí)時(shí)在線筆跡識(shí)別的對(duì)象是簽名的筆跡序列，將實(shí)時(shí)采集的手寫板簽名筆跡序列轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息。書寫過程的速度、握筆傾斜度和運(yùn)筆壓力等動(dòng)態(tài)信息，可以作為筆跡識(shí)別的特征信息，從而提高筆跡識(shí)別的準(zhǔn)確性。

1.2.3 步態(tài)識(shí)別

步態(tài)就是人行走的姿態(tài)，人的步態(tài)是幾百個(gè)關(guān)節(jié)和肌肉的合成運(yùn)動(dòng)，每個(gè)人的走路姿態(tài)各有差異，因此身份識(shí)別可以使用具有幾百個(gè)特征參數(shù)的步態(tài)特征。步態(tài)識(shí)別是對(duì)攝像機(jī)拍攝的一段行走的視頻圖像序列進(jìn)行識(shí)別，涉及到圖像處理、模式識(shí)別、計(jì)算機(jī)視覺等領(lǐng)域，其特征提取和分析的難度都很大。步態(tài)識(shí)別對(duì)影像的要求不高，具有非侵犯性，步態(tài)識(shí)別技術(shù)剛剛起步，仍處于理論研究階段，還有相當(dāng)長(zhǎng)的路要走才能真正實(shí)用。目前步態(tài)識(shí)別常用的人體模型有整體模型和簡(jiǎn)化模型兩種。整體模型是從視頻圖像人的行走序列中提取人體輪廓，分析識(shí)別輪廓的運(yùn)動(dòng)特征。簡(jiǎn)化模型是根據(jù)人體解剖學(xué)原理建立人體三維運(yùn)動(dòng)模型進(jìn)行特征分析。

1.2.4 擊鍵、節(jié)奏識(shí)別

擊鍵和節(jié)奏識(shí)別是根據(jù)人的擊鍵特性，如擊鍵的持續(xù)時(shí)間、擊不同鍵之間的間隔時(shí)間、擊鍵的出錯(cuò)頻率和擊鍵的力度大小等進(jìn)行身份識(shí)別。擊鍵的力度和節(jié)奏，每個(gè)人會(huì)有較明顯的差異，可以用來區(qū)別不同的人，我們最常見到的是影視中對(duì)報(bào)務(wù)人員的識(shí)別。

1.3 其它生物特征識(shí)別技術(shù)

1.3.1 DNA識(shí)別

一切有核的生物中都有DNA(脫氧核糖核酸)存在，DNA分子里貯存著生物的全部遺傳信息。每個(gè)人的DNA分子結(jié)構(gòu)各不相同，DNA分子結(jié)構(gòu)在人體細(xì)胞中的具有永久性和唯一性，可以用來區(qū)別不同人的身份，這種識(shí)別方法精度極高，準(zhǔn)確性高于任何其它生物特征識(shí)別技術(shù)。其缺點(diǎn)是必須在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行DNA識(shí)別，不能實(shí)時(shí)處理，費(fèi)用高，耗時(shí)長(zhǎng)，需專業(yè)技術(shù)人員才能進(jìn)行，因此應(yīng)用受到限制。目前，DNA識(shí)別技術(shù)在識(shí)別罪犯和親屬關(guān)系認(rèn)定方面使用較多。

1.3.2人體溫譜識(shí)別

人的身體向外散發(fā)著熱量，通過紅外設(shè)備可以獲得身體各個(gè)部位不同發(fā)熱程度圖像的人體溫譜圖，人體的溫譜分布情況因人而異，是一種具有獨(dú)特性的生物特征，可以用來進(jìn)行身份識(shí)別。目前，溫譜圖常用于吸毒檢測(cè)，因?yàn)槿梭w溫譜圖在人服用某種毒品后，會(huì)顯示出特定的結(jié)構(gòu)。發(fā)熱癥狀的流行病狀檢測(cè)也常用到溫譜圖。目前，由于人體溫譜識(shí)別的紅外測(cè)溫設(shè)備價(jià)格昂貴，使人體溫譜識(shí)別的應(yīng)用和推廣受到限制。

1.3.3 體味識(shí)別

由于每個(gè)人具有不同的免疫基因，使得每個(gè)人的體味不同，因此身份識(shí)別可以使用這種體味特征。在許多刑事偵察中，經(jīng)常根據(jù)氣味利用警犬識(shí)別協(xié)助破案，今后這種識(shí)別將由人造電子鼻子來完成。現(xiàn)在已經(jīng)研制出了一些如煤氣、瓦斯等特殊氣體的傳感器，實(shí)現(xiàn)了這些對(duì)氣體分類和自動(dòng)檢測(cè)的系統(tǒng)，理論上采用體味進(jìn)行個(gè)人身份識(shí)別是可行的，但是實(shí)際難度很大。

1.3.4 腳印識(shí)別

腳印在刑事偵察中也具有重要的作用，有經(jīng)驗(yàn)的公安人員，根據(jù)腳印的深淺和大小，就可以對(duì)嫌疑人的職業(yè)、身高作出判斷，這種方法量化很難，所以用計(jì)算機(jī)來自動(dòng)識(shí)別很難。

2 結(jié)論與展望

迄今為止，還沒有哪一種生物特征識(shí)別技術(shù)能達(dá)到完美無缺的要求，例如，指紋識(shí)別可能出現(xiàn)無法提取到某些人的指紋；白內(nèi)障人的虹膜會(huì)發(fā)生變化，不宜用虹膜識(shí)別對(duì)這些人進(jìn)行身份認(rèn)證。因此，應(yīng)該科學(xué)合理地綜合利用人的各個(gè)生物特征，將多種生物特征識(shí)別技術(shù)融合使用。多生物特征融合識(shí)別技術(shù)就是利用多種生理特征和（或）行為特征進(jìn)行身份識(shí)別的方法。采用數(shù)據(jù)融合方法進(jìn)行身份鑒別，將人的多種生理特征和行為特征結(jié)合起來進(jìn)行身份識(shí)別。多生物特征融合識(shí)別利用多生物特征信息，結(jié)合數(shù)據(jù)融合技術(shù)，可以進(jìn)一步提高生物特征識(shí)別系統(tǒng)的準(zhǔn)確率，減少單生物特征識(shí)別帶來的問題。提高生物特征識(shí)別系統(tǒng)的可靠性和識(shí)別的精確率，將是今后發(fā)展的必然趨勢(shì)。

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