淺談生物特征識別的身份認證技術(shù)

劉懷北

?

淺談生物特征識別的身份認證技術(shù)

劉懷北

福建省科學技術(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證技術(shù)是生物特征識別，傳統(tǒng)的身份識別手段將被生物特征識別技術(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別的身份認證技術(shù)，由于每一種生物特征識別身份認證技術(shù)都有局限性，采用數(shù)據(jù)融合方法進行身份鑒別，將人的多種生理特征和行為特征結(jié)合起來進行身份識別，以提高生物特征識別系統(tǒng)的可靠性和識別的精確率，將是今后發(fā)展的必然趨勢。

生物特征 指紋 虹膜 人臉 聲音 簽名

0 引言

隨著電子、計算機、網(wǎng)絡和通訊技術(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，人們注冊網(wǎng)絡服務、網(wǎng)上購物、銀行取錢、消費刷卡等都需要進行身份的識別。傳統(tǒng)的身份識別使用的密碼、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，并且可隨身攜帶、不易被盜、不易被偽造、不易丟失，所以生物特征識別成為目前最安全的身份認證技術(shù)，傳統(tǒng)的身份識別手段將被它所超越和替代。

生物特征識別技術(shù)是使用計算機及相關(guān)設(shè)備，利用人體本身特有的行為特征和(或)生理特征，通過模式識別和圖像處理的方法進行身份識別。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別技術(shù)主要有人臉識別、人耳識別、虹膜識別、指紋識別、手掌識別、視網(wǎng)膜識別等。行為特征是人的動作特征，是人們在長期生活過程中養(yǎng)成的行為習慣，利用人體行為特征的主要識別技術(shù)包括聲音識別、筆跡識別、步態(tài)識別、擊鍵識別和節(jié)奏識別等。

1 常用的人體生物特征識別技術(shù)

1.1 生理特征生物識別

1.1.1人臉識別

人臉識別是通過采集人的臉部圖像，由計算機從臉部圖像中提取其面部特征信息，并與數(shù)據(jù)庫中的特征進行比對匹配。人臉識別主要過程：人臉檢測定位→提取面部特征→將待識別人臉特征與人臉數(shù)據(jù)庫中特征進行比對匹配。

人臉檢測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。檢測的圖像分為靜態(tài)圖像(人體和場景都是靜止)和動態(tài)圖像(人體在運動過程中)，人臉檢測定位分為靜態(tài)圖像的人臉檢測定位和動態(tài)圖像的人臉檢測定位。

提取面部特征是對人臉的大小、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，再對人臉進行歸一化處理，最后提取特征信息。

人臉識別是將待識別人臉的特征或圖像與數(shù)據(jù)庫中人臉有關(guān)的特征值或圖像進行比對匹配。

1.1.2 人耳識別

人們習慣上所說的耳朵，就是外耳的耳廓，是人耳識別的對象。人耳識別主要過程：人耳圖像采集→對采集的圖像進行預處理→對圖像中人耳的邊緣進行檢測和分割→提取外耳輪廓和特征點信息→將待識別人耳圖像與數(shù)據(jù)庫中人耳圖像比對匹配等。

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

1.1.3 虹膜識別

虹膜是一個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、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、高獨特性、高準確性、防偽性好、易使用性等優(yōu)點。人的一生中虹膜幾乎不發(fā)生變化，并且每個人的虹膜結(jié)構(gòu)各不相同。虹膜識別在錯誤率和識別率等方面與其他的生物特征識別相比，其性能指標都優(yōu)于其他的生物特征識別技術(shù)。

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

1.1.4 指紋識別

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、分叉點、中斷處、轉(zhuǎn)折點、匯合點等特征點提供了指紋識別的信息，在指紋中有非常詳盡的特征值，可以用來辨別人的身份。指紋識別是最古老、最成熟的生物特征識別。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)庫和指紋鑒定機構(gòu)，指紋識別已經(jīng)是司法部門進行鑒定身份的有效手段。指紋識別技術(shù)通過分析指紋圖像的局部特征和全局特征進行身份識別認證。

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

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

1.1.5 手形識別

手形識別是利用手指的長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)成的幾何圖形進行識別。掌紋的特征信息多于手形，手形識別可以結(jié)合掌紋特征，手掌紋理特征的引入，可以取得更高的識別率和可靠性。手形識別系統(tǒng)也可將指紋特征信息引入，構(gòu)成多生物特征識別技術(shù)的融合系統(tǒng)，識別結(jié)果將更為可靠的。

1.1.6 視網(wǎng)膜識別

眼球后部細小的神經(jīng)就是視網(wǎng)膜，因為每個人的視神經(jīng)分散程度不一樣，所以身份識別可以使用視神經(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，因此作為身份識別特征具有極大的準確性。同虹膜識別技術(shù)一樣，視網(wǎng)膜識別技術(shù)具有很高的可靠性。

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

1.2 行為特征生物識別

1.2.1 聲音識別

聲音識別也稱聲紋識別，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，所以每個人的聲紋圖譜也都不一樣，因此，身份識別可以使用聲紋識別技術(shù)。聲音識別分為依賴特定文字識別和不依賴特定文字識別兩類。

聲音識別技術(shù)主要過程：提取聲音的特征參數(shù)和對特征參數(shù)進行匹配。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 筆跡識別

筆跡識別也稱簽名識別。筆跡識別分為：離線筆跡識別和實時在線筆跡識別。離線筆跡識別的對象是簽名圖像，將簽名圖像由掃描儀轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息。實時在線筆跡識別的對象是簽名的筆跡序列，將實時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、握筆傾斜度和運筆壓力等動態(tài)信息，可以作為筆跡識別的特征信息，從而提高筆跡識別的準確性。

1.2.3 步態(tài)識別

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

1.2.4 擊鍵、節(jié)奏識別

擊鍵和節(jié)奏識別是根據(jù)人的擊鍵特性，如擊鍵的持續(xù)時間、擊不同鍵之間的間隔時間、擊鍵的出錯頻率和擊鍵的力度大小等進行身份識別。擊鍵的力度和節(jié)奏，每個人會有較明顯的差異，可以用來區(qū)別不同的人，我們最常見到的是影視中對報務人員的識別。

1.3 其它生物特征識別技術(shù)

1.3.1 DNA識別

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。每個人的DNA分子結(jié)構(gòu)各不相同，DNA分子結(jié)構(gòu)在人體細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，這種識別方法精度極高，準確性高于任何其它生物特征識別技術(shù)。其缺點是必須在實驗室中進行DNA識別，不能實時處理，費用高，耗時長，需專業(yè)技術(shù)人員才能進行，因此應用受到限制。目前，DNA識別技術(shù)在識別罪犯和親屬關(guān)系認定方面使用較多。

1.3.2人體溫譜識別

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，是一種具有獨特性的生物特征，可以用來進行身份識別。目前，溫譜圖常用于吸毒檢測，因為人體溫譜圖在人服用某種毒品后，會顯示出特定的結(jié)構(gòu)。發(fā)熱癥狀的流行病狀檢測也常用到溫譜圖。目前，由于人體溫譜識別的紅外測溫設(shè)備價格昂貴，使人體溫譜識別的應用和推廣受到限制。

1.3.3 體味識別

由于每個人具有不同的免疫基因，使得每個人的體味不同，因此身份識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)氣味利用警犬識別協(xié)助破案，今后這種識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，實現(xiàn)了這些對氣體分類和自動檢測的系統(tǒng)，理論上采用體味進行個人身份識別是可行的，但是實際難度很大。

1.3.4 腳印識別

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

2 結(jié)論與展望

迄今為止，還沒有哪一種生物特征識別技術(shù)能達到完美無缺的要求，例如，指紋識別可能出現(xiàn)無法提取到某些人的指紋；白內(nèi)障人的虹膜會發(fā)生變化，不宜用虹膜識別對這些人進行身份認證。因此，應該科學合理地綜合利用人的各個生物特征，將多種生物特征識別技術(shù)融合使用。多生物特征融合識別技術(shù)就是利用多種生理特征和（或）行為特征進行身份識別的方法。采用數(shù)據(jù)融合方法進行身份鑒別，將人的多種生理特征和行為特征結(jié)合起來進行身份識別。多生物特征融合識別利用多生物特征信息，結(jié)合數(shù)據(jù)融合技術(shù)，可以進一步提高生物特征識別系統(tǒng)的準確率，減少單生物特征識別帶來的問題。提高生物特征識別系統(tǒng)的可靠性和識別的精確率，將是今后發(fā)展的必然趨勢。

[1] 張明慧，張明超，張堯禹. 生物識別技術(shù)方法研究[J]. 電腦編程技巧與維護, 2011(10): 106.

[2] 田啟川，張潤生. 生物特征識別綜述[J]. 計算機應用研究, 2009(12): 4401- 4406.

[3] 趙秀萍生物特征識別技術(shù)發(fā)展綜述[J]. 刑事技術(shù), 2011(6): 44-48.