門禁控制系統(tǒng)中常用的幾種生物特征識別技術(shù)之比較

□文/呂立波

出入控制（門禁控制）是安全防范系統(tǒng)的重要組成部分，也是應(yīng)用非常普遍的系統(tǒng)，它包含了安全防范系統(tǒng)所有的要素，是一個大型、綜合系統(tǒng)不可缺少的部分，并可以獨(dú)立地構(gòu)成各種實(shí)用的安全防范系統(tǒng)。出入口控制系統(tǒng)的核心技術(shù)是特征識別，是在數(shù)字技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是現(xiàn)代信息技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，是數(shù)字化社會的特征。廣義上講，出入口控制系統(tǒng)是對人員、物品、信息流動和狀態(tài)的管理，它所涉及的應(yīng)用領(lǐng)域和產(chǎn)品種類非常廣泛。安全防范系統(tǒng)中的出入口控制則是指：采用現(xiàn)代電子與信息技術(shù)，在出入口對人或物這兩類目標(biāo)的進(jìn)、出進(jìn)行放行、拒絕、記錄和報警等操作的控制系統(tǒng)。目前最先進(jìn)的門禁控制系統(tǒng)是生物特征識別系統(tǒng)。

生物特征識別技術(shù)所依據(jù)的不是傳統(tǒng)的標(biāo)示物或標(biāo)示知識（鑰匙、卡片、密碼），而是依靠人體生物特征進(jìn)行身份認(rèn)證的一種技術(shù)，即通過計(jì)算機(jī)將人體所固有的生理特征或行為特征收集進(jìn)行處理，來進(jìn)行個人身份鑒定的技術(shù)。生物特征識別方法的依據(jù)是人體本身所擁有的東西，是個體特性。生物特征分為基于身體特性(生理特征)和基于行為特點(diǎn)兩類。生理特征與生俱來，多為先天性的；行為特征則是習(xí)慣使然，多為后天形成。生物特征識別技術(shù)是目前最為方便與安全的識別系統(tǒng)，無須記住身份證號碼或密碼，也不需要隨身攜帶像智能卡之類的東西?！拌€匙”就是你自己，沒有什么能比這更安全和更方便。目前，一些用于門禁領(lǐng)域中的身份鑒別的生物統(tǒng)計(jì)特征主要有指紋、掌紋、虹膜、人臉等。

指紋識別系統(tǒng)

指紋是手指皮膚上特有的花紋，由皮膚上的隆起線構(gòu)成。這些隆起線的起點(diǎn)、終點(diǎn)、分叉、結(jié)合稱為細(xì)節(jié)特征。隆起線的這種細(xì)節(jié)特征有無數(shù)種排列，因此，每個人的指紋甚至一個指紋的每條隆起線都是獨(dú)特的，并且一生都不會改變。人體指紋的獨(dú)特性和穩(wěn)定性使其在鑒定罪犯、識別個人身份和出入口控制（門禁系統(tǒng)）等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

技術(shù)簡介

指紋識別技術(shù)是最早的通過計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的身份識別手段，過去，它主要應(yīng)用于刑偵系統(tǒng)。近幾年來，它逐漸走向市場更為廣泛的民用市場。指紋門禁系統(tǒng)的硬件主要由微處理器、指紋識別模塊、液晶顯示模塊、鍵盤、實(shí)時時鐘/日歷芯片、電控鎖和電源等組成。微處理器作為系統(tǒng)的上位機(jī)，控制整個系統(tǒng)。指紋識別模塊主要完成指紋特征的采集、比對、存儲、刪除等功能。液晶顯示模塊用于顯示開門記錄、實(shí)時時鐘和操作提示等信息，和鍵盤一起組成人機(jī)界面。

指紋讀取裝置（采集器）采用光電技術(shù)或電容技術(shù)將指紋信息采集下來、然后進(jìn)行特征提取、并與已存儲的特征信息比對，完成識別過程。這一過程可全部在讀取裝置中完成，也可以是讀取裝置僅進(jìn)行指紋采集，然后將其傳送到后臺設(shè)備（如PC）完成特征提取和識別。單獨(dú)進(jìn)行指紋采集的裝置易于小型化，使用方便，系統(tǒng)識別速度也較快。進(jìn)行指紋特征采集要求在操作時人的手指與采集器建立規(guī)定的關(guān)系，所以系統(tǒng)友好性稍差。

指紋識別的優(yōu)點(diǎn)

生物統(tǒng)計(jì)學(xué)證明：指紋具有很高的唯一性，人之間出現(xiàn)相同指紋的概率很低，因此安全性較高，但仍存在被仿制的風(fēng)險。所以、最近出現(xiàn)了具有活體指紋采集功能的產(chǎn)品，主要是增加對溫度，彈性、微血管的探測來確認(rèn)采集指紋的真實(shí)性。在高安全要求的場所，除指紋識別外，還可增加其它特征識別手段，如密碼等來提高系統(tǒng)的安全性。指紋識別具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢：

識別速度快，應(yīng)用方便；

推廣容易、應(yīng)用最為廣泛、適應(yīng)能力強(qiáng)；

誤識率低；

穩(wěn)定性和可靠性強(qiáng)；

易操作，無需特殊培訓(xùn)既可使用；

安全性強(qiáng)，系統(tǒng)掃描對身體無害。

指紋識別的缺點(diǎn)

但在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，指紋識別也存在一些問題。當(dāng)要進(jìn)入辦公室時，手指在指紋門禁系統(tǒng)上按了很多次，卻總是打不開門鎖；指紋紋路淺的人及體力工作者指紋難以識別；識別率不高等等。由于指紋識別技術(shù)對環(huán)境的要求很高，對手指的濕度、清潔度等很敏感，這些都會影響到識別的結(jié)果。

指紋識別技術(shù)的評價標(biāo)準(zhǔn)主要是拒登率(FTE)、拒識率(FRR)、誤識率(FAR)、相等錯誤率(EER)。盡管不少指紋驗(yàn)證技術(shù)的提供廠商，通常宣稱他們的產(chǎn)品可以達(dá)到的指標(biāo)為FRR＜0.01%，F(xiàn)AR＜0.001%。但從公開發(fā)表的學(xué)術(shù)論文和權(quán)威性的測試看，這樣的指標(biāo)很難達(dá)到。

指紋識別的不足還體現(xiàn)在幾個方面：

對環(huán)境的要求很高，對手指的濕度、清潔度等都很敏感，臟、油、水都會造成識別不了或影響到識別的結(jié)果。

某些人或某些群體的指紋特征少，甚至無指紋，所以難以成像。

對于脫皮、有傷痕等低質(zhì)量指紋存在識別困難、識別率低的問題,對于一些手上老繭較多的體力勞動者等部分特殊人群的注冊和識別困難較大。

每一次使用指紋時都會在指紋采集頭上留下用戶的指紋印痕，而這些指紋痕跡存在被用來復(fù)制指紋的可能性。

指紋識別時的操作規(guī)范要求較高。

掌紋識別系統(tǒng)

掌紋是指手腕與手指之間的手掌表面上的各種紋線。掌紋的形態(tài)由遺傳基因控制，即使由于某種原因表皮剝落，新生的掌紋紋線仍保持著原來的結(jié)構(gòu)。每個人的掌紋紋線都不一樣，即使是孿生同胞，他們的掌紋也只是比較相似，而不會完全一樣。

掌紋中最重要的特征是紋線特征，而且這些紋線特征中最清晰的幾條紋線基本上是伴隨人的一生不發(fā)生變化的。并且在低分辨率和低質(zhì)量的圖像中仍能夠清晰的辨認(rèn)。點(diǎn)特征主要是指手掌上所具有的和指紋類似的皮膚表面特征，如掌紋乳突紋在局部形成的奇異點(diǎn)及紋形。點(diǎn)特征需要在高分辨率和高質(zhì)量的圖像中獲取，因此對圖像的質(zhì)量要求較高；紋理特征，主要是指比紋線更短、更細(xì)的一些紋線，但其在手掌上分布是毫無規(guī)律的。掌紋的特征還包括幾何特征：如手掌的寬度、長度和幾何形狀，以及手掌不同區(qū)域的分布。

掌紋中所包含的信息豐富，利用掌紋的紋線特征、點(diǎn)特征、紋理特征、幾何特征完全可以確定一個人的身份。

技術(shù)簡介

掌紋識別技術(shù)的基礎(chǔ)就是手掌幾何學(xué)識別，手掌幾何學(xué)識別是通過測量使用者的手掌和手指的物理特征來進(jìn)行識別，高級的產(chǎn)品還可以識別三維圖象。作為一種已經(jīng)確立的方法，手掌幾何學(xué)識別不僅性能好，而且使用比較方便。它適用的場合是用戶人數(shù)比較多，或者用戶雖然不經(jīng)常使用，但使用時很容易接受。如果需要，這種技術(shù)的準(zhǔn)確性可以非常高，同時可以靈活地調(diào)整性能以適應(yīng)相當(dāng)廣泛的使用要求。手形讀取器使用的范圍很廣，且很容易集成到其他系統(tǒng)中，因此應(yīng)用較為廣泛。

美國英格索蘭旗下的全資子公司——識別系統(tǒng)公司(Recognition Systems Inc.簡稱 RSI)率先開發(fā)生產(chǎn)了掌紋識別產(chǎn)品，目前其產(chǎn)品的主要型號有Handkey Ⅱ，Handkey CR。

Handkey 掌形儀采用現(xiàn)場認(rèn)證的方式，在低于1秒的時間內(nèi)，通過檢測使用者獨(dú)一無二的手掌的大小、形狀、表面積等三維特征來確認(rèn)用戶的身份,以確保只有被授權(quán)的人員才能進(jìn)入特定的區(qū)域，從而達(dá)到門禁控制的目的。作為磁卡及鑰匙門禁系統(tǒng)的替代品 ,Handkey 掌形儀使用戶節(jié)省了使用與管理卡或鑰匙的成本。同時， Handkey 掌形儀也可與第三方門禁系統(tǒng)結(jié)合使用以增強(qiáng)安全性與便利性。Handkey掌形儀己在全球范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用 , 是實(shí)踐證明的可靠的生物識別系統(tǒng)。

掌紋識別的優(yōu)點(diǎn)

與指紋識別系統(tǒng)相比，掌形識別系統(tǒng)具有污物和傷疤不影響測量，手很容易放入掃描器的正確位置等，使用者很容易接受。其主要優(yōu)點(diǎn)為∶拒識率低和使用方便。

掌紋識別的缺點(diǎn)

其主要缺點(diǎn)是由于手的相似性不是太容易區(qū)分，掌型識別技術(shù)不能像指紋、虹膜掃描技術(shù)那樣容易獲得內(nèi)容豐富的數(shù)據(jù)，其可靠性稍差，另外掌形識別系統(tǒng)的使用者必須與識別設(shè)備直接接觸，可能會帶來衛(wèi)生方面的問題。

人眼睛的外觀圖由鞏膜、虹膜、瞳孔三部分構(gòu)成。鞏膜即眼球外圍的白色部分，約占總面積的30%；眼睛中心為瞳孔部分，約占5%；虹膜位于鞏膜和瞳孔之間，包含了最豐富的紋理信息，占據(jù)65%。

外觀上看，虹膜由許多腺窩、皺褶、色素斑等構(gòu)成，是人體中最獨(dú)特的結(jié)構(gòu)之一。虹膜的形成由遺傳基因決定，人體基因表達(dá)決定了虹膜的形態(tài)、生理、顏色和總的外觀。人發(fā)育到八個月左右，虹膜就基本上發(fā)育到了足夠尺寸，進(jìn)入了相對穩(wěn)定的時期。除非極少見的反常狀況、身體或精神上大的創(chuàng)傷才可能造成虹膜外觀上的改變外，虹膜形貌可以保持?jǐn)?shù)十年沒有多少變化。另一方面，虹膜是外部可見的，但同時又屬于內(nèi)部組織，位于角膜后面。要改變虹膜外觀，需要非常精細(xì)的外科手術(shù)，而且要冒著視力損傷的危險。虹膜的高度獨(dú)特性、穩(wěn)定性及不可更改的特點(diǎn)，是虹膜可用作身份鑒別的物質(zhì)基礎(chǔ)。

虹膜識別就是通過對比虹膜圖像特征之間的相似性來確定人們的身份。虹膜識別技術(shù)的過程一般來說包含如下四個步驟：

虹膜圖像獲?。菏褂锰囟ǖ臄z像器材對人的整個眼部進(jìn)行拍攝，并將拍攝到的圖像傳輸給虹膜識別系統(tǒng)的圖像預(yù)處理軟件。

圖像預(yù)處理：對獲取到的虹膜圖像進(jìn)行如下處理，使其滿足提取虹膜特征的需求。

虹膜定位：確定內(nèi)圓、外圓和二次曲線在圖像中的位置。其中，內(nèi)圓為虹膜與瞳孔的邊界，外圓為虹膜與鞏膜的邊界，二次曲線為虹膜與上下眼皮的邊界。

虹膜圖像歸一化：將圖像中的虹膜大小，調(diào)整到識別系統(tǒng)設(shè)置的固定尺寸。

圖像增強(qiáng)：針對歸一化后的圖像，進(jìn)行亮度、對比度和平滑度等處理，提高圖像中虹膜信息的識別率。

特征提?。翰捎锰囟ǖ乃惴◤暮缒D像中提取出虹膜識別所需的特征點(diǎn)，并對其進(jìn)行編碼。

特征匹配：將特征提取得到的特征編碼與數(shù)據(jù)庫中的虹膜圖像特征編碼逐一匹配，判斷是否為相同虹膜，從而達(dá)到身份識別的目的。虹膜識別研究機(jī)構(gòu)主要有美國的Iridian，Iriteck，韓國的Jiris公司、北京中科虹霸、北京虹安翔宇，日本松下。Iridian公司掌握虹膜識別核心算法，是目前全球最大的專業(yè)虹膜識別技術(shù)和產(chǎn)品提供商，它和LG、松下、OKI、NEC等企業(yè)進(jìn)行合作，以授權(quán)方式提供虹膜識別核心算法，支持合作伙伴生產(chǎn)虹膜識別系統(tǒng)。

人臉識別系統(tǒng)

人臉與人體的其它生物特征（指紋、虹膜等）一樣與生俱來，它的唯一性和不易被復(fù)制的良好特性為身份鑒別提供了必要的前提。

人臉識別系統(tǒng)的研究始于20世紀(jì)60年代，80年代后隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和光學(xué)成像技術(shù)的發(fā)展得到提高，而真正進(jìn)入初級的應(yīng)用階段則在90年后期，并且以美國、德國和日本的技術(shù)實(shí)現(xiàn)為主；人臉識別系統(tǒng)成功的關(guān)鍵在于是否擁有尖端的核心算法，并使識別結(jié)果具有實(shí)用化的識別率和識別速度；“人臉識別系統(tǒng)”集成了人工智能、機(jī)器識別、機(jī)器學(xué)習(xí)、模型理論、專家系統(tǒng)、視頻圖像處理等多種專業(yè)技術(shù)，同時需結(jié)合中間值處理的理論與實(shí)現(xiàn)，是生物特征識別的最新應(yīng)用，其核心技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，展現(xiàn)了弱人工智能向強(qiáng)人工智能的轉(zhuǎn)化。

技術(shù)特點(diǎn)

傳統(tǒng)的人臉識別技術(shù)主要是基于可見光圖像的人臉識別，這也是人們熟悉的識別方式，已有30多年的研發(fā)歷史。但這種方式有著難以克服的缺陷，尤其在環(huán)境光照發(fā)生變化時，識別效果會急劇下降，無法滿足實(shí)際系統(tǒng)的需要。解決光照問題的方案有三維圖像人臉識別，和熱成像人臉識別。但這兩種技術(shù)還遠(yuǎn)不成熟，識別效果不盡人意。

迅速發(fā)展起來的一種解決方案是基于主動近紅外圖像的多光源人臉識別技術(shù)。它可以克服光線變化的影響，已經(jīng)取得了卓越的識別性能，在精度、穩(wěn)定性和速度方面的整體系統(tǒng)性能超過三維圖像人臉識別。這項(xiàng)技術(shù)在近兩三年發(fā)展迅速，使人臉識別技術(shù)逐漸走向?qū)嵱没?/p>

與其它類型的生物識別比較人臉識別具有如下特點(diǎn)：

非強(qiáng)制性：用戶不需要專門配合人臉采集設(shè)備，幾乎可以在無意識的狀態(tài)下就可獲取人臉圖像，這樣的取樣方式?jīng)]有“強(qiáng)制性”。

非接觸性：用戶不需要和設(shè)備直接接觸就能獲取人臉圖像。

并發(fā)性：在實(shí)際應(yīng)用場景下可以進(jìn)行多個人臉的分揀、判斷及識別。

除此之外，還符合視覺特性：“以貌識人”的特性，以及操作簡單、結(jié)果直觀、隱蔽性好等特點(diǎn)。

技術(shù)流程

人臉識別系統(tǒng)主要包括四個組成部分，分別為：人臉圖像采集及檢測、人臉圖像預(yù)處理、人臉圖像特征提取以及匹配與識別。

人臉圖像采集：不同的人臉圖像都能通過攝像鏡頭采集下來，比如靜態(tài)圖像、動態(tài)圖像、不同的位置、不同表情等方面都可以得到很好的采集。當(dāng)用戶在采集設(shè)備的拍攝范圍內(nèi)時，采集設(shè)備會自動搜索并拍攝用戶的人臉圖像。

人臉檢測：人臉檢測在實(shí)際中主要用于人臉識別的預(yù)處理，即在圖像中準(zhǔn)確標(biāo)定出人臉的位置和大小。人臉圖像中包含的模式特征十分豐富，如直方圖特征、顏色特征、模板特征、結(jié)構(gòu)特征及Haar特征等。人臉檢測就是把這其中有用的信息挑出來，并利用這些特征實(shí)現(xiàn)人臉檢測。

人臉圖像預(yù)處理：對于人臉的圖像預(yù)處理是基于人臉檢測結(jié)果，對圖像進(jìn)行處理并最終服務(wù)于特征提取的過程。系統(tǒng)獲取的原始圖像由于受到各種條件的限制和隨機(jī)干擾，往往不能直接使用，必須在圖像處理的早期階段對它進(jìn)行灰度校正、噪聲過濾等圖像預(yù)處理。對于人臉圖像而言，其預(yù)處理過程主要包括人臉圖像的光線補(bǔ)償、灰度變換、直方圖均衡化、歸一化、幾何校正、濾波以及銳化等。

人臉圖像特征提取：人臉識別系統(tǒng)可使用的特征通常分為視覺特征、像素統(tǒng)計(jì)特征、人臉圖像變換系數(shù)特征、人臉圖像代數(shù)特征等。人臉特征提取就是針對人臉的某些特征進(jìn)行的。人臉特征提取，也稱人臉表征，它是對人臉進(jìn)行特征建模的過程。

人臉圖像匹配與識別：提取的人臉圖像的特征數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫中存儲的特征模板進(jìn)行搜索匹配，通過設(shè)定一個閾值，當(dāng)相似度超過這一閾值，則把匹配得到的結(jié)果輸出。人臉識別就是將待識別的人臉特征與已得到的人臉特征模板進(jìn)行比較，根據(jù)相似程度對人臉的身份信息進(jìn)行判斷。這一過程又分為兩類：一類是確認(rèn)，是一對一進(jìn)行圖像比較的過程，另一類是辨認(rèn)，是一對多進(jìn)行圖像匹配對比的過程。

人臉識別技術(shù)的優(yōu)勢

人臉識別的優(yōu)勢在于其自然性和不被被測個體察覺的特點(diǎn)。所謂自然性，是指該識別方式同人類（甚至其他生物）進(jìn)行個體識別時所利用的生物特征相同。例如人臉識別，人類也是通過觀察比較人臉區(qū)分和確認(rèn)身份的，另外具有自然性的識別還有語音識別、體形識別等，而指紋識別、虹膜識別等都不具有自然性，因?yàn)槿祟惢蛘咂渌锊⒉煌ㄟ^此類生物特征區(qū)別個體。不被察覺的特點(diǎn)對于一種識別方法也很重要，這會使該識別方法不令人反感，并且因?yàn)椴蝗菀滓鹑说淖⒁舛蝗菀妆黄垓_。人臉識別具有這方面的特點(diǎn)，它完全利用可見光獲取人臉圖像信息，而不同于指紋識別或者虹膜識別，需要利用電子壓力傳感器采集指紋，或者利用紅外線采集虹膜圖像，這些特殊的采集方式很容易被人察覺，從而更有可能被偽裝欺騙。

人臉識別技術(shù)的困難

人臉識別被認(rèn)為是生物特征識別領(lǐng)域甚至人工智能領(lǐng)域最困難的研究課題之一。人臉識別的困難主要是人臉作為生物特征的特點(diǎn)所帶來的。

相似性：不同個體之間的區(qū)別不大，所有的人臉的結(jié)構(gòu)都相似，甚至人臉器官的結(jié)構(gòu)外形都很相似。這樣的特點(diǎn)對于利用人臉進(jìn)行定位是有利的，但是對于利用人臉區(qū)分人類個體是不利的。

易變性：人臉的外形很不穩(wěn)定，人可以通過臉部的變化產(chǎn)生很多表情，而在不同觀察角度，人臉的視覺圖像也相差很大，另外，人臉識別還受光照條件（例如白天和夜晚，室內(nèi)和室外等）、人臉的很多遮蓋物（例如口罩、墨鏡、頭發(fā)、胡須等）、年齡等多方面因素的影響。

在人臉識別中，第一類的變化是應(yīng)該放大而作為區(qū)分個體的標(biāo)準(zhǔn)的，而第二類的變化應(yīng)該消除，因?yàn)樗鼈兛梢源硗粋€個體。通常稱第一類變化為類間變化（inter-class difference），而稱第二類變化為類內(nèi)變化（intra-class difference）。對于人臉，類內(nèi)變化往往大于類間變化，從而使在受類內(nèi)變化干擾的情況下利用類間變化區(qū)分個體變得異常困難。