一種事件驅(qū)動(dòng)的生物特征識(shí)別框架服務(wù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

蔣林軒，余 杰，劉曉東，吳慶波，孔金珠

(1.國(guó)防科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410073；2.天津麒麟信息技術(shù)有限公司，天津 300300)

0 引言

生物特征識(shí)別是指利用人的部分身體部位所具備的生理學(xué)特性進(jìn)行認(rèn)證的一種技術(shù)。隨著近些年來(lái)移動(dòng)終端的普及、用于生物特征采集與識(shí)別的傳感器越來(lái)越小，生物特征識(shí)別技術(shù)已經(jīng)普及到人們的日常生活中。

生物特征識(shí)別主要分為特征采集和特征認(rèn)證。特征采集是利用生物統(tǒng)計(jì)學(xué)原理和計(jì)算機(jī)算法，將傳感器從人體特征部位收集到的光學(xué)、聲學(xué)、力學(xué)等信息進(jìn)行特征提取并編碼，轉(zhuǎn)換為唯一的數(shù)字編碼，并將這些編碼通過(guò)各種方式合成一個(gè)對(duì)應(yīng)個(gè)體身體部位的特征模板。特征認(rèn)證是將當(dāng)前采集到的生物特征碼與數(shù)據(jù)庫(kù)中的指定歷史特征模板比對(duì)，如果比對(duì)匹配，則代表認(rèn)證通過(guò)，比對(duì)不匹配則認(rèn)證不通過(guò)。

在主流的操作系統(tǒng)中，幾乎都支持了生物特征識(shí)別。大多數(shù)操作系統(tǒng)都是以服務(wù)的形式提供生物特征的統(tǒng)一采集和比對(duì)識(shí)別，少數(shù)操作系統(tǒng)只提供算法庫(kù)和設(shè)備驅(qū)動(dòng)，不提供統(tǒng)一的服務(wù)。

1 相關(guān)工作

對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)，生物特征識(shí)別是一個(gè)新的、快速、高效以及安全的認(rèn)證方式，因此在操作系統(tǒng)層面使用生物特征識(shí)別認(rèn)證是很有必要的。本節(jié)將描述當(dāng)前流行的通用操作系統(tǒng)上的生物特征識(shí)別框架，并對(duì)比其優(yōu)缺點(diǎn)。

1.1 Windows平臺(tái)上的生物特征識(shí)別服務(wù)

Windows中的生物特征識(shí)別服務(wù)各組件間集成度比較高，總的來(lái)說(shuō)可以分為三層[1]：認(rèn)證服務(wù)層、核心層和驅(qū)動(dòng)層。

認(rèn)證服務(wù)層定義應(yīng)用接口，使用核心層各個(gè)模塊的功能為上層的前端應(yīng)用提供統(tǒng)一的接口。核心層為服務(wù)層提供功能性接口，為驅(qū)動(dòng)層定義驅(qū)動(dòng)接口并提供存儲(chǔ)服務(wù)。驅(qū)動(dòng)層負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)核心層的功能接口，并操控硬件完成接口功能。

Windows的生物特征識(shí)別服務(wù)結(jié)構(gòu)如圖1所示，認(rèn)證服務(wù)層由生物特征識(shí)別框架應(yīng)用接口和Windows生物特征認(rèn)證服務(wù)組成；核心層由生物特征認(rèn)證服務(wù)提供者及其三個(gè)模塊、生物特征識(shí)別驅(qū)動(dòng)接口組成；驅(qū)動(dòng)層由各種傳感器組成[2]。各組成部分完成如下功能。

圖1 Windows生物特征識(shí)別服務(wù)結(jié)構(gòu)

生物特征識(shí)別框架應(yīng)用接口(Windows Biometric Framework API)：Windows生物特征識(shí)別框架提供的面向應(yīng)用的統(tǒng)一管理接口。

Windows生物特征認(rèn)證服務(wù)(Windows Biometric Service)：一個(gè)特權(quán)服務(wù)，通過(guò)使用兼容Windows生物識(shí)別驅(qū)動(dòng)程序接口(WBDI)的驅(qū)動(dòng)程序來(lái)管理所有生物識(shí)別設(shè)備。

生物特征認(rèn)證服務(wù)提供者(Windows Biometric Service Provider,WBSP)：Windows生物識(shí)別服務(wù)的一個(gè)組件，用于管理特定類別的生物識(shí)別技術(shù)，如指紋識(shí)別技術(shù)。WBSP內(nèi)置在Windows生物識(shí)別服務(wù)中，并且它們不是插件，不支持第三方BSP。

傳感器模塊(Sensor Adapter)：一個(gè)生物特征識(shí)別的插件式組件，提供了配置傳感器、捕獲樣本，并且控制生物特征數(shù)據(jù)輸入到引擎模塊。

引擎模塊(Engine Adapter)：一個(gè)生物特征識(shí)別的插件式組件，通過(guò)規(guī)范化數(shù)據(jù)、提取數(shù)據(jù)特征、匹配樣本數(shù)據(jù)與現(xiàn)有模板等操作來(lái)處理樣本。

存儲(chǔ)模塊(Storage Adapter)：一個(gè)生物特征識(shí)別的插件式組件，用于存儲(chǔ)、管理和檢索模板。

模板數(shù)據(jù)庫(kù)(Template Database)：一個(gè)小型的數(shù)據(jù)庫(kù)，存放生物特征的模板數(shù)據(jù)。

生物特征識(shí)別驅(qū)動(dòng)接口(Windows Biometric Driver Interface)：一套用于驅(qū)動(dòng)和管理指紋傳感器的標(biāo)準(zhǔn)抽象接口。

設(shè)備驅(qū)動(dòng)(Device Driver)：管理特定指紋傳感器，對(duì)生物特征識(shí)別驅(qū)動(dòng)接口的一種特定實(shí)現(xiàn)。

1.2 Android平臺(tái)上的生物特征識(shí)別服務(wù)

Android的生物特征識(shí)別服務(wù)分為兩層：后端服務(wù)層和生物特征識(shí)別的可信執(zhí)行環(huán)境(Trusted Execution Environment,TEE)[3]。

Android的特征識(shí)別服務(wù)結(jié)構(gòu)如圖2所示，后端服務(wù)層定義應(yīng)用程序調(diào)用的特征識(shí)別接口，提供訪問(wèn)TEE中的特征數(shù)據(jù)的Keystore服務(wù)和API，并通過(guò)HAL層使用傳感器驅(qū)動(dòng)。生物特征識(shí)別的TEE由硬件供應(yīng)商提供的傳感器驅(qū)動(dòng)庫(kù)和Keymaster硬件加密組件組成。各個(gè)組成部分完成如下功能[4]。

圖2 Android生物特征識(shí)別結(jié)構(gòu)

生物識(shí)別接口：Android生物特征識(shí)別框架提供面向應(yīng)用的統(tǒng)一管理接口。Android 9及更高的版本可以直接調(diào)用，而Android 8.0及更低的版本需要中間兼容庫(kù)來(lái)調(diào)用特征識(shí)別接口。

生物特征認(rèn)證服務(wù)：系統(tǒng)中的一個(gè)單例進(jìn)程，它負(fù)責(zé)與進(jìn)行生物特征認(rèn)證的守護(hù)進(jìn)程通信。

生物特征認(rèn)證守護(hù)進(jìn)程：一個(gè)binder接口的實(shí)例，封裝了生物特征HAL廠商給定的傳感器驅(qū)動(dòng)庫(kù)。

Keystore API和Keymaster：為可信執(zhí)行環(huán)境(TEE)中的安全密鑰存儲(chǔ)提供硬件加密支持的組件。

生物識(shí)別HAL：硬件供應(yīng)商對(duì)生物特征HAL層的實(shí)現(xiàn)。其中HAL包含運(yùn)行在TEE中的傳感器驅(qū)動(dòng)庫(kù)。特定供應(yīng)商的驅(qū)動(dòng)庫(kù)只和指定的硬件通信。

1.3 Linux平臺(tái)上的生物特征識(shí)別方案

Linux下的生物特征識(shí)別目前只有指紋識(shí)別這一種，并且不是以服務(wù)的形式存在，而是以指紋識(shí)別庫(kù)的形式存在。

Linux的指紋識(shí)別是由libfprint[5]庫(kù)來(lái)完成的。libfprint庫(kù)提供了部分指紋掃描儀的驅(qū)動(dòng)，并提供應(yīng)用指紋識(shí)別接口完成指紋的采樣和比對(duì)。

libfprint庫(kù)主要分為三個(gè)部分[6]：指紋識(shí)別接口、指紋識(shí)別算法庫(kù)和圖像傳感器驅(qū)動(dòng)，如圖3所示。

圖3 Linux生物特征識(shí)別結(jié)構(gòu)

指紋識(shí)別接口提供應(yīng)用程序使用指紋識(shí)別硬件的應(yīng)用級(jí)接口。指紋識(shí)別算法庫(kù)提供指紋識(shí)別算法，從圖像傳感器拿到指紋硬件采樣的指紋圖片，通過(guò)算法轉(zhuǎn)換為指紋特征值和指紋模板[5]。圖像傳感器驅(qū)動(dòng)用于控制硬件采集指紋圖像。

libfprint只是一個(gè)收集指紋圖像、生成指紋模板、比對(duì)指紋是否匹配的運(yùn)行時(shí)庫(kù)，對(duì)于指紋的存儲(chǔ)由應(yīng)用來(lái)定義。在目前的Linux系統(tǒng)上，默認(rèn)的指紋數(shù)據(jù)都是明文存儲(chǔ)在用戶的home目錄中，無(wú)特殊權(quán)限，用戶執(zhí)行的任意程序都能隨意訪問(wèn)、修改指紋數(shù)據(jù)。并且，由于libfprint不提供統(tǒng)一存儲(chǔ)功能，各個(gè)應(yīng)用程序可以自己獲取指紋信息，自己定義存儲(chǔ)，導(dǎo)致應(yīng)用間的指紋數(shù)據(jù)無(wú)法通用，使得用戶需要在每一個(gè)使用指紋識(shí)別的應(yīng)用中都錄入自己的指紋，這種交互邏輯重復(fù)低效，用戶體驗(yàn)非常差。

1.4 各平臺(tái)生物特征識(shí)別方案對(duì)比

Windows、Android、Linux三個(gè)平臺(tái)上，生物特征識(shí)別的方案各不相同。下面將從支持場(chǎng)景、認(rèn)證架構(gòu)、假面方式、存儲(chǔ)位置、存儲(chǔ)方式、安全性和支持的特征類型7個(gè)方面對(duì)比分析各個(gè)方案的優(yōu)缺點(diǎn)。對(duì)比項(xiàng)及結(jié)果參見(jiàn)表1。

在支持的場(chǎng)景上，三個(gè)平臺(tái)的方案都支持系統(tǒng)的登錄、鎖屏以及應(yīng)用程序使用生物特征完成功能。

在認(rèn)證架構(gòu)上，Windows平臺(tái)和Android平臺(tái)都是后端服務(wù)的形式，為上層應(yīng)用提供生物特征服務(wù)。而Linux平臺(tái)上是以動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)的形式存在，需要應(yīng)用程序在使用功能的時(shí)候重新探測(cè)并初始化設(shè)備，也需要應(yīng)用程序自己釋放設(shè)備資源。

在加密方式上，Windows平臺(tái)使用軟件加密算法來(lái)加密特征，Android平臺(tái)使用硬件芯片中的Key加密，Linux平臺(tái)下則直接將特征明文存儲(chǔ)在系統(tǒng)中。

表1 各平臺(tái)生物特征識(shí)別方案對(duì)比

在特征存儲(chǔ)的位置上，Windwos平臺(tái)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中，Android平臺(tái)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在可行執(zhí)行環(huán)境(TEE)中，Linux平臺(tái)下則是直接存儲(chǔ)在用戶目錄下的文本文件中。

在存儲(chǔ)方式上，Windwos平臺(tái)和Android平臺(tái)都是統(tǒng)一管理統(tǒng)一存儲(chǔ)，所有應(yīng)用共用特征。而Linux平臺(tái)下，特征是由應(yīng)用各自存儲(chǔ)，如需共用特征則需要應(yīng)用自己協(xié)調(diào)。

在安全性上，Windwos平臺(tái)由于使用加密的系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，因此安全性高；Android平臺(tái)由于使用硬件芯片中的Key加密特征，并存儲(chǔ)在TEE中，因此安全性非常高；Linux平臺(tái)由于特征未加密，并隨意存儲(chǔ)在用戶目錄下，導(dǎo)致應(yīng)用可以隨意讀取修改特征信息，因此安全性低。

在支持的特征類型上，Windwos平臺(tái)支持指紋、人臉識(shí)別，并且可以擴(kuò)展虹膜、指靜脈、聲紋等不同的生物特征類型的識(shí)別；Android平臺(tái)支持指紋、人臉、虹膜識(shí)別，并且可以擴(kuò)展指靜脈、聲紋等生物特征類型的識(shí)別；Linux平臺(tái)只支持指紋識(shí)別，并且不能擴(kuò)展其他生物特征類型。

2 基于多種生物特征識(shí)別技術(shù)和事件驅(qū)動(dòng)的生物特征識(shí)別框架服務(wù)(BFS)

與Windows、Android相對(duì)比，目前Linux上的生物特征識(shí)別庫(kù)存在以下不足：

(1)無(wú)服務(wù)，無(wú)守護(hù)進(jìn)程：libfprint是一個(gè)運(yùn)行時(shí)庫(kù)，無(wú)法提供持續(xù)性服務(wù)。并且在多個(gè)應(yīng)用同時(shí)使用libfprint來(lái)操作同一個(gè)應(yīng)用的時(shí)候，會(huì)出現(xiàn)硬件資源的爭(zhēng)用，而libfprint不提供鎖機(jī)制，從而導(dǎo)致libfprint庫(kù)和應(yīng)用程序的崩潰。

(2)安全性低：默認(rèn)的指紋數(shù)據(jù)以明文的形式存放在用戶home目錄中，任意程序都可隨意訪問(wèn)、修改指紋數(shù)據(jù)，導(dǎo)致認(rèn)證極不安全。

(3)無(wú)統(tǒng)一存儲(chǔ)：libfprint不提供統(tǒng)一存儲(chǔ)服務(wù)，各個(gè)應(yīng)用只能自己存儲(chǔ)和使用自己錄入的特征，導(dǎo)致用戶在使用應(yīng)用的時(shí)候需要重復(fù)錄入自己的特征。

(4)支持的生物特征類型少：由于libfprint庫(kù)方案只適用于指紋，因此Linux上沒(méi)有統(tǒng)一的指靜脈、虹膜、聲紋等認(rèn)證服務(wù)。

由于Linux平臺(tái)下生物特征識(shí)別方案只有l(wèi)ibfprint庫(kù)這一種，這些不足與缺點(diǎn)暫無(wú)其他解決方法，因此本文為L(zhǎng)inux上生物特征識(shí)別設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)新的底層服務(wù)：生物特征識(shí)別框架服務(wù)(Biometric Framework Service,BFS)，用于提供統(tǒng)一的生物特征識(shí)別認(rèn)證，進(jìn)行統(tǒng)一的加密存儲(chǔ)。

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)的生物特征識(shí)別框架服務(wù)(BFS)支持多種生物特征識(shí)別。BFS為應(yīng)用層定義了生物特征識(shí)別的應(yīng)用接口，為設(shè)備提供商定義了生物特征識(shí)別的驅(qū)動(dòng)接口，提供統(tǒng)一的生物特征服務(wù)，提供統(tǒng)一的存儲(chǔ)管理，提供統(tǒng)一的驅(qū)動(dòng)配置管理。

BFS分為三層：服務(wù)層、核心層和驅(qū)動(dòng)層(如圖4所示)。服務(wù)層定義了生物特征識(shí)別的應(yīng)用接口，提供了驅(qū)動(dòng)管理、設(shè)備管理、事件管理、狀態(tài)反饋機(jī)制。核心層定義了生物特征識(shí)別的驅(qū)動(dòng)接口，定義了設(shè)備驅(qū)動(dòng)的實(shí)體，提供了生物特征模板的統(tǒng)一存儲(chǔ)與加密方式。驅(qū)動(dòng)層主要由設(shè)備提供商完成驅(qū)動(dòng)編寫(xiě)，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)生物特征識(shí)別驅(qū)動(dòng)接口，操作硬件設(shè)備。

圖4 生物特征識(shí)別框架服務(wù)(BFS)結(jié)構(gòu)

2.1 基于事件驅(qū)動(dòng)的BFS服務(wù)層

由于生物特征識(shí)別的交互行為具有使用頻率低、交互時(shí)間長(zhǎng)、交互方式多樣化的特點(diǎn)，BFS的服務(wù)層使用事件驅(qū)動(dòng)的方式為上層應(yīng)用提供服務(wù)，并提供狀態(tài)和交互提示變更的通知。

BFS服務(wù)層是一個(gè)基于事件驅(qū)動(dòng)的服務(wù)，使用DBus總線為上層應(yīng)用提供生物特征識(shí)別的應(yīng)用接口。生物特征識(shí)別應(yīng)用接口是事件接口，每當(dāng)應(yīng)用程序調(diào)用應(yīng)用接口時(shí)，都會(huì)發(fā)出一個(gè)事件，BFS服務(wù)收到事件后開(kāi)始事件處理。在處理過(guò)程中，服務(wù)層會(huì)檢測(cè)設(shè)備狀態(tài)和交互狀態(tài)的變更，并通過(guò)DBus信號(hào)通知應(yīng)用程序。

服務(wù)層的處理分為兩個(gè)階段：初始化階段、事件處理和消息反饋階段。

初始化階段主要完成驅(qū)動(dòng)的加載與初始化，設(shè)備預(yù)初始化，已連接設(shè)備的探測(cè)，USB熱插拔事件處理函數(shù)和狀態(tài)變更處理函數(shù)的注冊(cè)，DBus服務(wù)的注冊(cè)和時(shí)間循環(huán)，流程如圖5所示。

圖5 生物特征識(shí)別框架服務(wù)結(jié)構(gòu)

完成初始化部分后，服務(wù)開(kāi)始事件循環(huán)，等待應(yīng)用程序的服務(wù)請(qǐng)求事件。

當(dāng)應(yīng)用程序調(diào)用應(yīng)用接口后，服務(wù)層檢測(cè)到事件，開(kāi)始處理事件。服務(wù)層首先檢測(cè)應(yīng)用是否有調(diào)用該接口的權(quán)限，權(quán)限通過(guò)后通過(guò)核心層調(diào)用設(shè)備開(kāi)始進(jìn)行生物特征交互。在交互過(guò)程中，設(shè)備的狀態(tài)和用戶的交互會(huì)隨時(shí)變化，流程如圖6所示。

圖6 事件處理及消息反饋流程

例如在指紋或指靜脈特征錄入過(guò)程中，會(huì)需要用戶按下或者抬起手指，交互狀態(tài)會(huì)在按下手指和抬起手指間變更。此時(shí)驅(qū)動(dòng)會(huì)設(shè)置不同的交互狀態(tài)碼，服務(wù)層通過(guò)核心層檢測(cè)到交互狀態(tài)變更后，會(huì)發(fā)送DBus事件通知信號(hào)，通知應(yīng)用底層已更新交互狀態(tài)。應(yīng)用調(diào)用服務(wù)層的輔助接口，將交互碼翻譯成交互字符串，完成人機(jī)交互的信息更新。

2.2 基于多生物特征的BFS核心層

由于可用于生物特征識(shí)別的生理特征部位種類很多，各類特征的采樣形式和交互方式都不一致，因此對(duì)于一個(gè)支持多種生物特征的識(shí)別服務(wù)來(lái)說(shuō)需要一個(gè)足夠廣泛的抽象模型與結(jié)構(gòu)，才能支持多種生物特征。

BFS核心層基于對(duì)指紋、指靜脈、虹膜和聲紋的交互行為的分析，總結(jié)并抽象了設(shè)備與驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)，定義了設(shè)備操作的基本接口、擴(kuò)展接口和輔助接口，梳理了系統(tǒng)賬戶、人與硬件特征采樣值的關(guān)系，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式。

并且BFS的核心層沿用Linux/UNIX的接口設(shè)計(jì)哲學(xué)：“提供機(jī)制而不是策略”，分離出了具體生物特征識(shí)別算法，只提供算法與服務(wù)連接的機(jī)制，提高核心層兼容性與魯棒性。具體的生物特征識(shí)別算法由驅(qū)動(dòng)層完成。

通過(guò)以上方式，BFS核心層目前支持指紋、指靜脈、虹膜、聲紋四種生物特征的識(shí)別。并且BFS具備強(qiáng)擴(kuò)展性，能夠快速地?cái)U(kuò)展掌紋、人臉等識(shí)別算法[7]。

BFS核心層定義的設(shè)備及其驅(qū)動(dòng)的結(jié)構(gòu)如圖7所示，包含了設(shè)備和驅(qū)動(dòng)的各種分類信息、核心層需要的輔助狀態(tài)和設(shè)備的操作集合。

圖7 設(shè)備及其驅(qū)動(dòng)抽象與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

BFS核心層對(duì)各類生物特征采集設(shè)備操作的抽象與拓展分為三個(gè)部分：基本接口、擴(kuò)展接口和輔助接口?；窘涌谕瓿苫A(chǔ)的硬件操作；擴(kuò)展接口完成用戶使用時(shí)常用的硬件操作；輔助接口用于管理硬件設(shè)備和對(duì)接驅(qū)動(dòng)層。結(jié)構(gòu)如圖8所示。

傳統(tǒng)Linux上libfprint的實(shí)體映射關(guān)系是：系統(tǒng)賬戶-人- 個(gè)人的十個(gè)手指。這種映射關(guān)系固定了系統(tǒng)賬戶和人之間是一一映射的關(guān)系，然而現(xiàn)實(shí)生活中，常常有單系統(tǒng)賬戶對(duì)應(yīng)多人的映射關(guān)系，例如家庭用戶和系統(tǒng)管理員。并且這種映射關(guān)系限定死了只能使用十個(gè)手指，也就是只能錄入十個(gè)指紋，從而導(dǎo)致對(duì)指紋采集和認(rèn)證時(shí)手指的角度、力度、干濕程度要求都很高。

BFS核心層綜合其他各種生物特征，將系統(tǒng)實(shí)體的對(duì)應(yīng)關(guān)系延伸拓展，使用某個(gè)部位的特征信息作為判斷依據(jù)，使用采樣信息作為最終的存儲(chǔ)單位建立映射關(guān)系，并且不再限定采樣或者特征的數(shù)量。系統(tǒng)E-R圖如圖9所示。

圖9 設(shè)備操作接口的抽象與拓展結(jié)構(gòu)

圖10 聲紋、指靜脈特征錄入過(guò)程

圖11 特征搜索過(guò)程

在進(jìn)行生物特征識(shí)別的時(shí)候，生物特征的采樣信息質(zhì)量會(huì)影響到識(shí)別的通過(guò)率。例如，在指紋識(shí)別的時(shí)候，手指放在指紋儀的角度、手指與指紋儀的重合程度、手指的干濕程度都會(huì)影響到指紋比對(duì)的結(jié)果。

BFS核心層將特征識(shí)別的粒度減小到特征的某次采樣上，并且不再限定采樣的次數(shù)和特征信息的個(gè)數(shù)，通過(guò)增加樣本集數(shù)據(jù)量可以換取更高的識(shí)別通過(guò)率。

2.3 BFS驅(qū)動(dòng)層

BFS核心層抽象出來(lái)的接口在具體硬件上的實(shí)現(xiàn)構(gòu)成了BFS的驅(qū)動(dòng)層。在驅(qū)動(dòng)層中，每一款硬件對(duì)應(yīng)一個(gè)驅(qū)動(dòng)。

驅(qū)動(dòng)層負(fù)責(zé)完成對(duì)核心層定義的驅(qū)動(dòng)接口的實(shí)現(xiàn)，并提供生物特征識(shí)別的算法(策略)。目前，BFS底層使用開(kāi)源項(xiàng)目libfprint提供指紋識(shí)別算法，使用govpr提供基于GMM-UBM的聲紋識(shí)別算法。

3 實(shí)現(xiàn)與評(píng)估

3.1 實(shí)現(xiàn)

本框架服務(wù)在Ubuntu Kylin 16.04開(kāi)發(fā)，并在Ubuntu Kylin 18.04、Ubuntu Kylin 18.10平臺(tái)上完成適配。采用C/C++語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，代碼約為15 000行，主要包括服務(wù)程序、核心庫(kù)、框架驅(qū)動(dòng)與命令行管理工具。

生物特征和指靜脈特征的錄入操作運(yùn)行圖如圖10所示。

靜脈的查找過(guò)程及查找結(jié)果圖如圖11所示。

3.2 評(píng)估

本文將在指紋通過(guò)率和生物特征識(shí)別方案的功能點(diǎn)兩個(gè)維度上與libfprint方案進(jìn)行對(duì)比與評(píng)估。

3.2.1通過(guò)率對(duì)比

指紋通過(guò)率測(cè)試將在通用的臺(tái)式機(jī)上進(jìn)行。測(cè)試系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)如表2所示。

表2 測(cè)試機(jī)的關(guān)鍵參數(shù)

指紋通過(guò)率的測(cè)試分成4個(gè)場(chǎng)景，分別從多用戶單系統(tǒng)賬戶手指中心放置、單用戶多手指左右偏移放置、單用戶單手指旋轉(zhuǎn)放置、單用戶單手指隨機(jī)偏移放置四個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比。

另外，由于傳統(tǒng)的libfprint指紋識(shí)別方案最大指紋錄入數(shù)量為10個(gè)指紋，因此在以下場(chǎng)景的libfprint指紋方案的錄入步驟中，都是以10個(gè)指紋為指紋錄入的最大數(shù)量。

(1)場(chǎng)景1：?jiǎn)蜗到y(tǒng)賬戶中心放置

錄入方式：兩個(gè)用戶使用同一個(gè)系統(tǒng)賬戶，每個(gè)用戶以標(biāo)準(zhǔn)姿勢(shì)(手指放入指紋儀中心，手指與指紋儀夾角為0°)錄入右手指紋，共計(jì)錄入10個(gè)指紋。

認(rèn)證方式：每個(gè)人每個(gè)手指以標(biāo)注姿勢(shì)進(jìn)行10次認(rèn)證，共計(jì)100次。

場(chǎng)景1進(jìn)行了3輪測(cè)試，測(cè)試認(rèn)證結(jié)果如表3所示

表3 單系統(tǒng)賬戶中心放置測(cè)試結(jié)果

結(jié)論：在手指標(biāo)準(zhǔn)放置情況下，BFS方案與libfprint方案通過(guò)率相差不到1%。由于共測(cè)試3輪，每輪100次，共計(jì)300次，因此1%的差距可以看作測(cè)試誤差，因此BFS方案和傳統(tǒng)libfprint方案在通過(guò)率上是一致的。

(2)場(chǎng)景2：?jiǎn)斡脩舳嗍种缸笥移品胖?/p>

錄入方式：一個(gè)用戶使用一個(gè)系統(tǒng)賬戶，使用食指和中指錄入特征。在libfprint的方案中，每個(gè)手指左側(cè)邊沿錄入2次，右側(cè)邊沿錄入2次，中心錄入1次，共計(jì)10次。BFS方案中，每個(gè)手指在左側(cè)邊沿錄入10次，右側(cè)邊沿錄入10次，中心錄入2次，共計(jì)22次。

認(rèn)證方式：每個(gè)手指以左側(cè)邊沿認(rèn)證40次，右側(cè)邊沿認(rèn)證40次，標(biāo)準(zhǔn)姿勢(shì)認(rèn)證20次，共計(jì)100次。

場(chǎng)景2進(jìn)行了3輪測(cè)試，測(cè)試認(rèn)證結(jié)果如表4所示：

表4 單用戶多手指左右偏移放置測(cè)試結(jié)果

結(jié)論：在手指左右偏移的放置情況下，BFS方案和libfprint方案的通過(guò)率都下降了，其中l(wèi)ibfprint方案通過(guò)率比BFS下降得更多。

(3)場(chǎng)景3：?jiǎn)斡脩魡问种感D(zhuǎn)放置

錄入方式：一個(gè)用戶使用一個(gè)系統(tǒng)賬戶，使用食指錄入特征。在libfprint方案中，手指分別以-90°、-60°、30°、0°、30°、60°、90°、180°共8個(gè)角度錄入1次指紋，并且以左側(cè)邊沿和右側(cè)邊沿錄入1次，共計(jì)10次。在BFS方案中，食指與libfprint方案一致的角度錄入，每個(gè)角度錄入3次，左右邊沿各錄入3次，共計(jì)30次。

認(rèn)證方式：食指以-90°、-60°、30°、0°、30°、60°、90°、180°共8個(gè)角度認(rèn)證10次，左右邊沿各認(rèn)證10次，共計(jì)100次。

場(chǎng)景3進(jìn)行了3輪測(cè)試，測(cè)試認(rèn)證結(jié)果如表5所示。

表5 單用戶單手指旋轉(zhuǎn)放置測(cè)試結(jié)果

結(jié)論：在手指旋轉(zhuǎn)放置的情況下，BFS方案和libfprint方案的通過(guò)率繼續(xù)下降，但是BFS方案的通過(guò)率和libfprint方案已經(jīng)拉開(kāi)差距了，明顯BFS方案通過(guò)率更高。

(4)場(chǎng)景4：?jiǎn)斡脩魡问种鸽S機(jī)偏移放置

錄入方式：隨機(jī)生成手指左右偏移加旋轉(zhuǎn)角度的放置姿勢(shì)100個(gè)，libfprint方案錄入前10種姿勢(shì)，BFS方案錄入前30種姿勢(shì)。

認(rèn)證方式：使用隨機(jī)生成的100種姿勢(shì)進(jìn)行指紋認(rèn)證。

場(chǎng)景4進(jìn)行了3輪測(cè)試，測(cè)試認(rèn)證結(jié)果如表6所示。

表6 單用戶單手指隨機(jī)偏移放置測(cè)試結(jié)果

結(jié)論：在手指隨機(jī)方式的情況下，libfprint方案的通過(guò)率已經(jīng)掉到50%以下，相當(dāng)于用戶每認(rèn)證一次都會(huì)遇到一次失敗。BFS方案通過(guò)率反而比場(chǎng)景3上升了，這是因?yàn)橹讣y傳感器的大小是有限的，30種姿勢(shì)已經(jīng)能夠覆蓋絕大部分的姿勢(shì)了，因此通過(guò)率反而比規(guī)定幾種姿勢(shì)的情況要好一些。

綜合以上場(chǎng)景測(cè)試，BFS方案在日常使用過(guò)程中，不用刻意要求用戶以特定姿勢(shì)錄入指紋和認(rèn)證指紋，并且在更多的采樣下具有更高的通過(guò)率。

3.2.2功能點(diǎn)對(duì)比

功能點(diǎn)的對(duì)比將從支持的生物特征類型、開(kāi)發(fā)及使用接口、存儲(chǔ)方式和服務(wù)及管理5個(gè)大維度，指紋識(shí)別、指靜脈識(shí)別、虹膜識(shí)別、聲紋識(shí)別、人臉識(shí)別、統(tǒng)一應(yīng)用接口、統(tǒng)一驅(qū)動(dòng)接口、統(tǒng)一存儲(chǔ)、特征加密、自定義狀態(tài)、狀態(tài)通知、設(shè)備熱插拔通知、特征統(tǒng)一錄入及認(rèn)證、設(shè)備爭(zhēng)用檢測(cè)14個(gè)小維度進(jìn)行。對(duì)比傳統(tǒng)的libfprint指紋識(shí)別方案和生物特征識(shí)別框架服務(wù)(BFS)方案，對(duì)比結(jié)果如表7所示。

表7 功能點(diǎn)對(duì)比

綜上可知，生物特征識(shí)別框架服務(wù)(BFS)與傳統(tǒng)的Linux的libfprint方案相比，具備對(duì)手指放置姿勢(shì)不敏感、通過(guò)率高、支持生物特征種類多、存儲(chǔ)統(tǒng)一且安全、認(rèn)證服務(wù)統(tǒng)一等優(yōu)點(diǎn)。

4 結(jié)論

本文提出并實(shí)現(xiàn)了一種基于事件驅(qū)動(dòng)和多種生物特征認(rèn)證的生物特征識(shí)別框架服務(wù)，在支持生物特征種類、存儲(chǔ)的安全性、使用便捷性、指紋認(rèn)證通過(guò)率等方面具有很大的優(yōu)勢(shì)。