生物識別技術的類別及應用

(華北水利水電大學，河南 鄭州 450045)

0 引言

生物識別技術，簡單來說就是通過生物統計學方法，將復雜的生物信息利用計算機進行數字化，建立并保存生物特征的模板數據庫，識別過程就是先提取生物樣本特征，輸入預先保存的人體生物特征數據庫，與數據庫中的人體固有生物特征模板進行匹配比較，根據相似度的大小，達到鑒別個人身份目的。20世紀90年代初出現了生物識別技術，其發(fā)展大致可分為3個階段，第一階段為1990-1997年在國外的指紋識別開始進入消費市場；第二階段為1998-2002年，通過學習和引進國外技術，逐漸攻克一些技術難題，但是相比國外仍有很大差距。2001年911事件后，美國在115座機場和14個主要港口設立的“美國訪客和移民身份顯示技術”系統；第三階段為2003年至今，得益于計算機、人工智能的發(fā)展，生物識別技術不斷突破，成本不斷降低，使其更加普遍化。總之，經過30多年的發(fā)展，技術日趨成熟，從最早的人工指紋鑒別，到借助計算機處理指紋，以及取像設備成本的降低，使其得到廣泛的應用。同時，一些新的生物識別技術不斷出現。人臉識別、虹膜識別、聲紋識別等已經應用到了人們生活的方方面面[1]。

1 生物識別技術的分類及原理

按照所提取的生物特征可以劃分為兩大類：物理特征和行為特征。

物理特征：包括指紋、掌形、視網膜和虹膜、臉型、手腕、手的血管紋理等；行為特征：包括簽名、語音、行走的步態(tài)等[2]。

1.1 基于物理特征的生物識別原理

1.1.1 指紋別技術原理

指紋的形狀是很多不可控因素共同作用的結果，所以世界上沒有兩個相同的指紋，它具有惟一性和不變性，常見的指紋形狀有斗型、弓型和箕型，雖然每個人基本都是這種類型，但相似卻絕不相同，通過計算機技術，可以發(fā)現人眼無法辨識的差異。使用指紋的總體紋形特征，從獲取的圖像上找‘特征點’(minutiae)，然后利用計算機進行數字化處理，建立并保存?zhèn)€體的指紋特征數據庫，由于每個指紋都會產生其獨有的特征數據，可以將采集到的指紋轉化為特征數據，與數據庫中的特征數據進行比較，其結果相同的即為用戶身份[3]。圖1為指紋識別技術原理圖。

圖1指紋識別技術原理

1.1.2 人臉識別技術原理

每個人都有不同的面孔，雙胞胎也不例外。早在20世紀70年代，就已經有了人臉識別的概念，主流技術是基于人臉的幾何特征，計算機的出現，使其成為可能，而今的人臉識別技術就是基于人五官獨特的幾何特征，如眼睛大小、兩眼間距、鼻子高度和兩耳間距等，通過圖像處理、人臉檢測等步驟，將這些信息數據化保存，并依據這些信息，進一步提取臉中蘊涵的身份特征，與已知的人臉的模板庫對比，從而識別每個人臉的身份[4]。圖2為人臉識別原理圖。

圖2 人臉識別技術原理

1.1.3 虹膜識別技術原理

人的虹膜具有唯一性，穩(wěn)定性，防偽性，它位于鞏膜和瞳孔之間，其外部可見，屬于內部器官，不能更改，目前虹膜識別可以做到僅1%的錯誤率，因它包含了最豐富的紋理信息，甚至同卵雙胞胎或同一人的左右眼虹膜都不一樣。采用低密度的紅外線捕捉虹膜的獨特紋理特征，將其通過計算機處理，便能建立個人的虹膜數據，同一個人的虹膜被再次掃描時，通過數據庫對比就能將其識別出來。圖3為虹膜識別原理圖。

圖3 虹膜識別技術原理

1.2 基于行為特征的生物識別原理

1.2.1 聲紋識別技術原理

聲紋(Voiceprint)就是利用電聲學儀器，顯示出的攜帶言語信息的聲波頻譜。人類聲音的產生是一個復雜的生理物理現象，每個人的發(fā)聲器官如舌、喉頭、肺等在尺寸和形態(tài)方面都有很大差異。因此任何2個人的聲紋圖譜都有差異。在一般情況下，人們可以區(qū)別同一人或不同人的聲音。通過提取輸入的語音特征，與建立的聲紋庫進行比較，就可以識別出用戶身份。圖4為聲紋識別原理圖。

圖4 聲紋識別技術原理

1.2.2 步態(tài)識別技術原理

步態(tài)，即指人們行走時的方式，涉及到很多方面，如步距、擺手幅度等。由于每個人生活習慣，身體狀況等都不相同，人走路時有一些獨特的特征，將這些特征提取出來，數據化，建立數據庫，通過視頻等方式可以在遠距離非接觸狀態(tài)下提取人們的步態(tài)特征，進而識別個人。它是一種新興的生物特征識別技術，與其它的生物識別技術相比，在智能視頻監(jiān)控領域，比圖像識別更具優(yōu)勢。圖5為步態(tài)識別原理圖。

圖5 步態(tài)識別技術原理

2 應用領域

2.1 指紋識別技術的應用

指紋識別技術在考勤設備和系統中廣泛應用，傳統的考勤市場幾乎是指紋識別技術一統天下。目前由于智能手機的普及，指紋識別又多了一個應用領域，大部分手機都支持指紋解鎖功能，相比于圖形解鎖和密碼解鎖，它具有簡單可靠、不易破解、不用擔心忘記解鎖圖像和密碼的情況，因此被大多數手機用戶所喜愛。

2.2 人臉識別技術的應用

由于深度學習等智能算法的出現，與人臉圖像大數據相結合，廣泛的應用于安防、金融、教育、交通等各個領域。目前中國各地的火車站、飛機場等都有人臉識別系統，憑票、證、人實現5s內刷臉進站，極大地提高了進站效率。另外，在金融領域，有阿里巴巴的“刷臉支付”、招商銀行的 “ATM刷臉取款”業(yè)務等。

2.3 虹膜識別技術應用

虹膜識別在各種生物特征識別方法中錯誤率最低，可達百萬分之一的錯誤率。因此，虹膜識別系統在重點防范區(qū)域、通道、口岸等應用廣泛，通過對已認證人員授予不同的權限，無權限的人無法進入限定區(qū)域并進行任何操作，可以保障安全、防范風險[5]。

2.4 聲紋識別技術應用

目前，聲紋識別在公安領域應用具有獨特的優(yōu)勢，某些情況下效果很好，例如可以建立在押違法犯罪人員聲紋樣本數據庫，進一步豐富現有違法犯罪人員信息數據，加強對此類人員動態(tài)信息的掌控。在綁架案件中，通過有線電話提取犯罪嫌疑人聲音信息，遠程身份快速檢索、核實、鎖定犯罪嫌疑人，有助于快速破案。通過對語音痕跡的鑒定，提高案件偵破速度，保障人民生命財產安全。

2.5 步態(tài)識別技術應用

步態(tài)識別是近年來識別技術的一個研究熱點，與其他生物識別技術相比，它具有遠距離、非接觸和不易偽裝等優(yōu)點，引起了世界上很多研究機構的關注。目前，中國的銀河水滴已經達到了96%，處于全球領先水平。在智能視頻監(jiān)控領域，可以通過步態(tài)識別身份，即使犯罪分子遮擋了面目，但步態(tài)很難偽裝，幫助公安更快識別犯罪分子。在戶外特殊領域，如油田，可以防范外部人員侵入，有效加強油田的安防系統，及時發(fā)現隱患[6]。

3 結語

本文介紹了生物識別技術及其發(fā)展歷程，簡述了這幾種技術原理及其應用領域，隨著科技的進步，生物識別技術將更加成熟。未來的發(fā)展方向是多種生物識別技術的綜合，即多重生物識別技術，結合各生物識別技術的優(yōu)點，取長補短，進一步提高生物識別的準確性，為保障人們的信息安全做出更多貢獻，為人們提供更安全、更便捷的服務。