指靜脈識別技術應用研究

邱建華 徐 偉,2,3 王亞菲

1(北京智慧眼科技股份有限公司 北京 100097)2(全國安防標委會人體生物特征識別應用分技術委員會 北京 100097)3(中國金融學會金融信息化專業委員會 北京 100097) (qjh@a-eye.cn)

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指靜脈識別技術應用研究

邱建華1徐 偉1,2,3王亞菲1

1(北京智慧眼科技股份有限公司 北京 100097)2(全國安防標委會人體生物特征識別應用分技術委員會 北京 100097)3(中國金融學會金融信息化專業委員會 北京 100097) (qjh@a-eye.cn)

隨著各國對公共安全、信息安全等的重視，生物識別技術已逐漸融入人們工作與生活的各個方面，其中，指靜脈識別技術憑借天然活體、極難被盜與被仿制等優點成為各研究機構、企業關注的焦點.基于在指靜脈識別多年的研究成果，詳細闡述指靜脈識別的原理、優勢、系統與終端設備、發展現狀以及未來應用方向.

生物識別；指靜脈識別；生物特征；信息安全；防欺騙性

2014年3月8日凌晨2點40分，馬來西亞航空公司MH370失聯，直到現在都無下落.新聞曝光了馬航消失的飛機上冒用護照的2人機場安檢的視頻，過程十分順利并且迅速，8 s即完成全身檢查，安檢人員毫無置疑.

據國際刑警組織披露，其丟失旅行文件(SLTD)數據庫里有4 000萬余條記錄，每年被搜索超過8億次.也就是說，全球被盜的護照至少有4 000萬本.截止2013年,有超過6萬份旅行證件被偷.國際刑警組織秘書長羅納德·諾布爾先前一直認為，假護照是全球最大安全威脅之一.然而，“系統查詢”這套數據庫的成員國仍然屈指可數，去年未經數據庫護照核對而登機的旅客超過10億人次.

這是一組令人震驚的數據，我們應該關注如何去避免此類問題的發生——引入生物特征識別技術，做到科學的驗證“人證合一”.其中，手指靜脈技術在這方面是具有較大優勢的.這種系統可以在人員辦理護照的同時將本人指靜脈信息存儲在電子護照中或后臺系統中，當進行登機檢查時，利用現場的靜脈采集裝置與存儲的靜脈信息進行比對，有效避免他人冒用護照的現象；全自動控制的生物特征識別電子安檢更加方便，大大節省人力成本.

1 指靜脈識別技術

1.1 指靜脈識別的原理與系統組成

指靜脈識別技術是根據血液中的血紅素有吸收紅外線光的特質來進行身份識別，將只感紅外的相機對近紅外照射的手指進行拍照，即可采集到手指內部的血管脈絡灰度圖，然后對血管脈絡灰度圖進行增強、濾波、歸一化、二值化和特征提取等多個處理過程，獲得可以反映靜脈空間拓撲結構的特征，從而可靠準確地確定一個人的身份[1-2].

一個完整的指靜脈身份識別系統是由指靜脈圖像采集、質量判斷、預處理、特征提取、特征比對5個部分組成的[3]，如圖1所示：

圖1 指靜脈系統組成

1.2 指靜脈識別的優勢及研究的瓶頸

1.2.1 指靜脈識別的優勢

在眾多生物特征識別技術中，指靜脈識別技術相比于其他生物特征識別方式具有以下的優勢(相關比較見圖2)：

1) 更高的普遍性.適用群體廣泛，幾乎所有人都可以使用指靜脈識別進行身份認證.

2) 更好的獨特性.根據醫學證明，不同人之間的手指靜脈分布完全不同，左手和右手的靜脈分布也不同，就算是雙胞胎的相同手指，其中的靜脈分布也是不同的，而且手指靜脈的紋路分布在成年后是不會變化的.對于未成年人，當他們手指靜脈隨著年齡的增長變化后，只需要30 s就可以完成新的注冊登記.

3) 更高的穩定性.指靜脈識別是利用人身體末端的生物特征(靜脈血管的圖形)來識別人員的身份，該特征也很少受到人體生理狀況、病變等因素的影響.

4) 更高的可采集性.指靜脈信息采集方便、快捷、準確，只有在人體血液正常流動的情況下才能進行識別，不受皮膚表面的褶皺、紋理、粗糙度、干濕度等任何缺陷和瑕疵的影響.

5) 更優異的性能.因為采樣樣本是在人體內部，所以匹配過程中受到外界的干擾非常小.手指靜脈的準確性很高，認假率(FAR)為0.0001%；拒真率(FRR)為0.01%；注冊失敗率(ETER)為0.03%.

6) 更高的接受程度.采用非接觸成像技術.非接觸方式容易被大眾接受.

7) 更高的防欺騙性.指靜脈認證是利用人體內部的生物特征，人們在使用時不會留下任何痕跡，且靜脈血管的圖像不利用特有的技術和設備是無法獲取的，認證時只有在人體血液正常流動的情況下才能進行，因此即便是獲取到了一個人的靜脈血管圖形，利用目前的技術也完全不能進行活體復制，是真正的活體識別.靜脈特征無法被他人獲取，更無法復制.

圖2 手指靜脈識別與其他生物特征的比較

8) 對人體健康無危害.由于指靜脈識別是采用近紅外線穿透人體的手指來獲取靜脈血管的圖像.對人的身體是沒有任何影響的.太陽光中就含有大量該波長的近紅外線.

9) 更小的特征.靜脈圖像的特征一般都小于1 KB，相比人臉的特征小很多.

1.2.2 指靜脈識別研究的瓶頸

手指靜脈識別技術作為生物特征識別家族中的新成員，近幾年隨著研究的深入取得了很多研究成果，但也面臨著一些問題和局限：

1) 盡管手指靜脈識別具有高安全性、高準確率等優點，但因手指靜脈采集時無法像人臉或步態那樣可以以一種隱蔽的方式獲取，使其在特定領域的應用受到一定的限制.

2) 手指靜脈采集技術有待提高.低質量和形變的手指靜脈圖像是導致識別性能降低的一個主要因素.

2 指靜脈識別技術在國內外的發展情況

由于每個人的每根手指的手指靜脈圖像都不相同，所以，基于手指靜脈圖像原理的識別技術就有可能成為現實.直到1992年，日本北海道大學生物工程系的Shimizu[4]認為可以利用人體手血管紅外成像作為身份識別依據，此文被認為是日本和韓國進行手靜脈識別技術研究的源頭.

手指靜脈識別技術作為一種新的生物特征識別技術得到研究人員的青睞，1997年，韓國的BK System公司發布了亞洲第1個商用手背靜脈識別產品BK-100，日立公司推出了系列手指靜脈識別產品，發表了相關論文[5]和手指靜脈認證白皮書*源自日立公司〈www.hitachi.com〉官方發布的白皮書(http://www.hitachi.eu/veinid/documents/veinidwhitepaper.pdf).，從此，手指靜脈技術逐步從實驗室走向商用市場，并逐漸成為生物特征識別中的新寵.

中國對靜脈識別技術的研究起步較晚.2003年，《清華大學學報》報道了該校利用自行設計的近紅外血管圖像采集儀提取血管的原始圖像及識別結果.近年來，我國越來越多的研究團體加入到手指靜脈識別技術研究隊伍中[6-7].

哈爾濱工程大學王科俊課題組[8]、山東大學、中國民航大學天津市智能信號與圖像處理重點實驗室的Yang科研團隊[9-11]、吉林大學Ma課題組[12-13]、重慶理工大學Yu課題組等在該領域做出了很多創造性的工作[14-15].北京大學將相關研究成果應用于學生考勤，并在2010年3月公開了第1版PKU手指靜脈數據庫.

2011年3月“生物特征識別數據交換格式第9部分：血管圖像數據”標準在國家標準評審會上順利通過評審.此舉對我國生物特征識別領域基于血管圖像的身份識別技術的規范化以及產業發展將產生重要影響.

2012年1月，國防科技大學謝劍斌團隊正式宣布，該校經過近10年的攻關，成功研制出一種手指靜脈特征識別認證系統，經測試“識假率”可低至十萬分之一，并已取得5項國家發明專利授權，打破了日、韓等國的技術壟斷[16].

2012年11月，由中國科學院自動化研究所發起的國家生物特征識別產業技術創新戰略聯盟成立，為產學研合作和產業發展帶來了良機，包括靜脈識別在內的生物特征識別技術領域，各自為戰、缺乏合作的局面得到緩解.

目前，手指靜脈識別作為生物特征識別家族中的重要成員，已在國際上得到公認，并因其是利用外部看不到的生物內部特征進行認證的技術，所以作為具有高防偽性的第2代生物認證技術備受矚目.

值得一提的是，2015年由國際模式識別聯合會(IAPR)生物特征識別技術委員會(TC4)舉辦的世界級的指靜脈識別競賽(The ICB-2015 Competition on Finger Vein Recognition, ICFVR2015)，國內外廠商及科研機構積極參與.本次比賽共有12個參賽單位，北京智慧眼科技股份有限公司以絕對優勢獲得大賽第1名(見圖3)，這標志著中國的指靜脈識別算法已經達到國際一流水平[17].

圖3 ICFVR2015指靜脈挑戰賽測試報告截圖

3 指靜脈識別技術在國內外的應用

目前，指靜脈核心技術廠商主要是以日立為代表的日系品牌廠商及其在中國的代理銷售商或者是其借殼公司，都是日立核心保密技術分散形成的公司.日立是世界上較早掌握相關技術的廠商，2011年前才推出了成熟的產品，價格動輒幾萬元的指靜脈門禁終端，甚至是幾十萬至上百萬的指靜脈門禁系統，在國內的目標客戶僅限于銀行金庫、監獄等高安全需求的場所，而這些高保密、高機密等場所又礙于日立是日本企業，擁有的是國外技術而不敢應用.

日系的產品自我體系較封閉，接口開放程度不高，軟件漢化過程不完整，使用不太適合國內習慣，市場反應不靈活，產品中規中矩，行業下游產品二次開發的范圍小，產品的價格極為昂貴，加之主要技術人員都在國外，如果遇到技術上的問題都必須通過其駐地辦事處或者自己通過英語或日語文件發送Email至國外，等待他國的技術支持才能得到幫助.另一方面，在生物特征身份識別這種涉及國民基礎數據和隱私秘密的特殊領域，國內安全的等級要求越來越高，斯諾登事件以及不斷發生的國外竊取機密間諜事件提醒我們，對于安保產品采用國外技術開始變得越來越不再保險和安全，反倒成為安全的隱患.

國外核心技術在國內安防領域的應用存在涉密的根本問題，這也是日立的技術在國內并未被廣泛應用的一大原因.國內一些沒有核心技術而簡單包裝日系模塊的廠商在國內高安全高機密市場推廣時也存在著同樣的問題.

國外技術價格高、應用難，可喜的是國內有些研發企業擁有了自主的指靜脈核心技術.國內從2005年就開始了手指靜脈技術的研發及實驗.自2014年開始，以北京智慧眼科技股份有限公司為首的國內指靜脈產品生產廠商，不僅在靜脈識別算法上達到了國際頂尖水平，還投入了大量的研發資源降低設備成本，嘗試改變國內指靜脈價格居高不下的尷尬局面.目前該產品已經得到大面積的落地應用，且價格能做到日系產品的三分之一，產品性能和使用體驗也更中國化，在某些方面還有明顯優勢.更重要的是國內正在積極通過應用案例來完善從模塊到一體化門禁考勤、門鎖等全系列產品的應用升級，預示著指靜脈識別技術有望掀起一場生物識別領域的新高潮.

4 指靜脈識別技術未來的發展前景及發展方向

現在，國家相關機構也在制訂并計劃實施相關的產品技術標準，例如《安防指靜脈識別應用系統設備通用技術要求》、《安防指靜脈識別應用系統圖像技術要求》等.

指靜脈識別設備也逐步走向微型化， 2010年全球最小的指靜脈采集裝置被開發出來(厚度為3 mm)，如圖4所示.未來可望應用至手機等設備上.

圖4 3 mm指靜脈采集裝置

先前的指靜脈技術主要使用單一鏡頭拍攝手指靜脈進行識別，因鏡頭厚度存在，使得鏡頭與手指間需要一定距離，限制微型化的指靜脈技術發展，因此先前指靜脈識別設備多需通過外接方式連上電腦，或是內建于門禁系統、保險箱等較大設備[18].

新的微型化指靜脈識別技術使用新開發的接觸式平面感應器，配置多個短焦距鏡頭，以此縮短手指與感應器間距，開發出厚度只有3 mm的薄型指靜脈識別設備.另外，微型識別設備狹小區域拍攝靜脈影像容易歪斜，以及環境光對識別正確性的影響較大，但經過算法改進，微型采集技術的錯誤識別率與現有技術相同.

新的微型化技術推出后，未來將進行技術產品化并開始量產，期望1年能銷售數百萬臺.同時，微型化技術有望將指靜脈識別技術從需要身份識別的大型設備、系統轉移至小型便攜式設備上，例如需要更高安全保護的手機或筆記本.

目前指靜脈技術在國內逐步普及，應用領域也逐步增加.例如用于銀行ATM，用指靜脈特征取代銀行卡或密碼，或是在自動販賣機上嵌入指靜脈識別模塊，用戶無需再用信用卡或零錢，而是刷手指靜脈來購買飲料.圖5為北京智慧眼科技股份有限公司推出的一款帶指靜脈識別的便攜式認證終端，具有脫機和聯機認證功能，適用于上門和移動身份認證服務，比如醫院、社區等需要指靜脈身份認證的場所.

圖5 便攜式指靜脈認證終端

我們可以預見，在未來指靜脈可以被廣泛地應用到各行各業[19]：

1) 指靜脈監獄通道管理系統.

手指靜脈識別技術可以實現電子化身份和物理身份的高度統一，從而可以有力支持利用現代化計算機技術實現對監獄的全方位數字化管理.手指靜脈識別技術可以應用于監獄管理的方方面面，從而真正幫助監獄實現管理智能化.

2) 指靜脈教育考試管理系統.

防止考生冒名替考現象；防止監考人員弄虛作假，數據批量處理、高安全、高效率、高精準；節省人力成本與各類證件費用的支出，確保考試的公正與公平.

3) 指靜脈社保管理系統.

有效杜絕養老金冒領現象，社會經濟效益顯著，受到全國社保機構的普遍關注，在此基礎上可實現符合省級應用的省、市、縣3級體系結構的全面解決方案，以及面向全國的整體方案規劃，以期徹底解決冒領等問題，防止財政流失.

4) 指靜脈金融銀行門禁系統.

金融行業是貨幣集中流通的行業，屬于高風險行業，對安全防范系統的防護等不能等同于普通單位.出入人員控制智能門禁系統是安防系統中的一個很重要的組成部分，而在銀行、金庫等金融行業的應用場所，網絡門禁系統更是金融行業的“守護神”，其作用至關重要.指靜脈識別技術的安全優勢和特點，為這種高安全需求提供了更好的解決方案.

自助銀行門禁系統：將個人指靜脈數據存入銀行客戶數據中，每次取款不再輸入數字密碼，從根本上限制了被仿制的危險.

銀行金庫：指靜脈的不可復制性，可以完全杜絕人為手段非法進出庫區.

收銀營業網點：可以通過指靜脈技術對員工出入進行監控和考勤統計.

數據處理安全：金融系統除了存儲大量的現金和非常貴重的物品外，同時保存了大量的資料信息.使用指靜脈識別系統，則不存在U盤或者權限卡被盜用和仿制的風險.

5) 指靜脈監獄門禁系統.

使用指靜脈識別技術可建設一個完整、可靠、高效、安全、易操作的監獄安防門禁系統.

6) 電子護照和第2代身份認證.

7) 公安和司法，如逃犯追蹤、司法刑偵等方面的應用.

8) 電子商務行業支付.

9) 信息安全如文件加密、密碼學和指靜脈識別技術的結合.

5 結 論

綜上所述，手指靜脈識別技術幾乎可以應用于所有需要個人信息識別的領域，其讓身份識別、信息保密和管理工作提升到一個新境界.相信通過國內有實力的核心技術廠商及上下游伙伴通力合作，中國指靜脈識別技術及產品發展的前景必定十分廣闊.同時在國家大力推動產業升級、科技創新的背景下，指靜脈識別技術的國產化必將推動相關產業的升級.

[1]Huang Beining, Liu Shilei, Li Wenxin, A finger posture change correction method for finger-vein recognition[C]//Proc of IEEE Symp on Computational Intelligence for Security and Defence Applications. Piscataway, NJ: IEEE, 2012

[2]Miura N. Feature extraction of finger-vein patterns based on repeated line tracking and its application to personal identification[J]. Machine Vision and Applications, 2004 (25): 194-203

[3]Li Yang, Yang Gongping, Yin Yilong. Finger vein image quality evaluation using support vector machines[J].Optical Engineering, 2013, 52(2): 027003-1-027003-9

[4]Shimizu K. Optical trans-body imaging—Feasibility of optical CT and functional imaging of living body[J]. Medicinal Philosophica, 1992 (11): 620-629

[5]Miura N, Nagasaka A, Miyatake T. Extraction of finger-vein patterns using maximum curvature points in image profiles[J]. IEICE Trans on Information and Systems, 2007, 90(8): 1185-1194

[6]Lee H C, Kang B J, Lee E C, et al. Finger vein recognition using weighted local binary pattern code based on a support vector machine[J].Journal of Zhejiang University: Science Computers & Electronics, 2010, 11(7): 514-524

[7]Lee E C, Jung H, Kim D. New finger biometric method using near infrared imaging[J].Sensors, 2011, 11(3): 2319-2333

[8]王科俊, 袁智. 基于小波矩融合PCA變換的手指靜脈識別[J]. 模式識別與人工智能, 2007, 20(5): 692-697

[9]Yang Jinfeng, Shi Yihua. Finger-vein ROI localization and vein ridge enhancement[J]. Pattern Recognition Letters, 2012, 33(12): 1569-1579

[10]Yang Jinfeng, Zhang X. Feature-level fusion of fingerprint and finger-vein for personal identification[J]. Pattern Recognition Letters, 2012, 33(5): 623-628

[11]Yang Jinfeng, Li Xu. Efficient finger vein localization and recognition[C]//Proc of the 20th Int Conf on Pattern Recognition(ICPR2010). Piscataway, NJ: IEEE, 2010: 1148-1151

[12]Zhang Zhongbo, Ma Siliang, Han Xiao. Multiscale feature extraction of finger-vein patterns based on curvelets and local interconnection structure neural network[C]//Proc of the 18th Int Conf on Pattern Recognition (ICPR 2006). Piscataway, NJ: IEEE, 2006: 145-148

[13]Zhang Zhongbo, Wu Danyang, Ma Siliang, et al. Multiscale feature extraction of finger-vein patterns based on wavelet and local interconnection structure neural network[C]//Proc of Int Conf on Neural Networks and Brain. Piscataway, NJ: IEEE, 2005: 1081-1084

[14]Yu Chengbo, Qing Huafeng, Zhang Lian. A research on extracting low quality human finger vein pattern characteristics[C]//Proc of the 2nd Int Conf on Bioinformatics and Biomedical Engineering. Piscataway, NJ: IEEE, 2008: 1876-1879

[15]Zhang Lian, Zhang Rui, Yu Chengbo. Study on the identity authentication system on finger vein[C]//Proc of the 2nd Int Conf on Bioinformatics and Biomedical Engineering. Piscataway, NJ: IEEE, 2008: 1905-1907[16]Li Peiqin, Xie Jianbin, Liu Tong, et al. Finger vein recognition algorithm based on optimized GHT[J]. Optik-International Journal for Light and Electron Optics, 2014, 125(6): 1780-1783

[17]Xian Ran, Ni Liao, Li Wenxin. The result of the ICB-2015 competition on finger vein recogniton[C] //Proc of ICB-2015 Competition on Finger Vein Recogniton. Beijing: Peking University, 2015

[18]Qin Bin, Du Geguo, Cao Guangzhou, et al. The finger vein image acquisition device: China, 200910109915[P]. 2011-01-26

[19]邱建華, 馮敬, 郭偉, 等. 生物特征識別——身份認證的革命[M]. 北京: 清華大學出版社, 2015

邱建華

北京智慧眼科技股份有限公司創始人、董事長，主要研究方向為計算機視覺技術的研究與應用.

qjh@a-eye.cn

徐 偉

北京智慧眼科技股份有限公司副總經理，全國安防標委會人體生物特征識別應用分技術委員會委員、全國金融學會金融信息化專業委員會理事.主要研究方向為靜脈識別、人臉識別、指紋識別等生物特征識別的研究與應用.

xw@a-eye.cn

王亞菲

北京智慧眼科技股份有限公司研發部經理，主要研究方向為圖像處理與生物識別.

wangyafei@a-eye.cn

Study of Finger Vein Recognition Application

Qiu Jianhua1, Xu Wei1,2,3, and Wang Yafei1

1(BeijingAthenaEyesScience&TechnologyCo.,LTD,Beijing100097)2(BiometricsApplicationBranchofStandardizationTechnicCommitteeforSecurity&ProtectionAlarmSystemsofChina,Beijing100097)3(FinancialInformationizationProfessionalCommitteeofChinaSocietyforFinaceandBanking,Beijing100097)

With the national attention on public safety and information security, biometric technology has been gradually integrated into every aspect of people’s work and life. Based on the lots of advantages, such as natural living, difficult theft, difficult imitation and etc., fingervein recognition technology becomes the research focus for the research institutions and enterprises. With the development of technology, China’s finger vein recognition technology has reached the world first-class level.Based on the research resultsr on finger vein recognition for years, the paper has described the theory, advantage, system and terminal equipment of finger vein recognition, compared current development of the domestic and foreign finger vein recognition technology, and pointed out the future application direction of finger vein recognition. It can be predicted that the finger vein recognition can be more applied to people’s work and life.

biological recognition; finger vein recognition; biological feature; information security; anti-deceptive

2015-12-10

徐偉(xw@a-eye.cn)

TP391