生物識(shí)別技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的安全應(yīng)用及防護(hù)

張玲峰 肖忠良 曾舜 姚晉

摘 要：物聯(lián)網(wǎng)與人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的快速發(fā)展之下，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備融入人們的日常生活當(dāng)中，尤其是在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域發(fā)揮了重要的安全保障作用。由于每個(gè)人都有唯一的生理特性與行為特點(diǎn)，在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域中也能體現(xiàn)出不同的特征。文章研究了生物識(shí)別技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的安全應(yīng)用及防護(hù)，引入生物識(shí)別技術(shù)，也能提升認(rèn)證流程的安全性，提升防護(hù)作用。

關(guān)鍵詞：生物識(shí)別技術(shù)；物聯(lián)網(wǎng)；安全應(yīng)用

1 物聯(lián)網(wǎng)與生物識(shí)別技術(shù)

眾所周知，物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展一直都是高歌猛進(jìn)，不過(guò)在形勢(shì)一片大好的表象之下，隱藏著不小的安全隱患。而生物識(shí)別技術(shù)已經(jīng)在安全領(lǐng)域取得了不小的成果，應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)，能夠?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)安全保駕護(hù)航。業(yè)界對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)涵的定義為：物體之間特定屬性的感知與交流分析，而人正是物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)作的主體角色。物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代之下，我們需要面臨的安全問(wèn)題眾多，不僅包含生命安全、設(shè)備安全，還包含信息安全等。人工智能技術(shù)與生物識(shí)別技術(shù)的出現(xiàn)有效地解決了這些方面的問(wèn)題，結(jié)合人的生物特征，依靠數(shù)據(jù)與建模進(jìn)行分析。例如通過(guò)對(duì)車(chē)輛駕駛者的體內(nèi)酒精含量判定是否酒駕。通過(guò)指紋提取判定犯罪行為，通過(guò)血糖含量分析健康情況等，這些都是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下的生物識(shí)別技術(shù)。

2 生物識(shí)別技術(shù)與生物特征在物聯(lián)網(wǎng)中的實(shí)際應(yīng)用

2.1 面部識(shí)別

基于攝像頭傳感器對(duì)輸入的視頻流與圖像進(jìn)行分析，可以對(duì)人臉狀態(tài)進(jìn)行判斷，并提取面部器官的位置和信息，結(jié)合各個(gè)器官的不同特征來(lái)提取“符號(hào)”的身份特征，最終確定被識(shí)別人的身份。人臉識(shí)別技術(shù)主要包含3個(gè)部分：人臉檢測(cè)、人臉跟蹤和人臉比對(duì)。人臉檢測(cè)是指在動(dòng)態(tài)場(chǎng)景或者復(fù)雜的背景中判斷是否存在人臉圖像，并從這些圖片或者視頻流中分離出人臉圖像。面部識(shí)別應(yīng)先建立人臉檔案，儲(chǔ)存面紋編碼之后，在獲取被識(shí)別人的信息之后，按照面紋來(lái)獲得結(jié)果。該識(shí)別方案原先一直是社會(huì)公認(rèn)的最有效身份鑒別方式，但考慮到年齡增長(zhǎng)產(chǎn)生的容貌變化、面部整容等印象因素，其準(zhǔn)確性與有效性也受到了一定程度的挑戰(zhàn)[1]。

隨著科技的迅速發(fā)展，人臉識(shí)別已經(jīng)逐漸成了新時(shí)期生物識(shí)別技術(shù)應(yīng)用的重要領(lǐng)域，忘記密碼了？沒(méi)事兒，咱還可以“刷臉”。傳統(tǒng)的人臉識(shí)別技術(shù)主要是基于可見(jiàn)光圖像的人臉識(shí)別，人們也比較熟悉這樣的識(shí)別方式。不過(guò)，這種方式的缺點(diǎn)其實(shí)非常明顯，光線(xiàn)的限制性非常大，并不能滿(mǎn)足實(shí)際的需要。解決光照問(wèn)題的方案有三維圖像人臉識(shí)別和熱成像人臉識(shí)別。但這兩種技術(shù)還遠(yuǎn)不成熟，識(shí)別效果不盡人意。迅速發(fā)展起來(lái)的一種解決方案是基于主動(dòng)近紅外圖像的多光源人臉識(shí)別技術(shù)。它可以克服光線(xiàn)變化的影響，已經(jīng)取得了卓越的識(shí)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(guò)三維圖像人臉識(shí)別。這項(xiàng)技術(shù)在近兩三年發(fā)展迅速，使人臉識(shí)別技術(shù)逐漸走向?qū)嵱没?/p>

2.2 指紋、掌紋識(shí)別

該識(shí)別技術(shù)的原理是通過(guò)光學(xué)元件獲取手部圖像之后，對(duì)手部進(jìn)行建模，根據(jù)傳感器來(lái)獲取上肢等區(qū)域的肌肉組織，從而表現(xiàn)出不同的手掌形態(tài)。

據(jù)報(bào)道，比利時(shí)微電子研究中心（Interuniversity Microelectronics Centre，IMEC）和霍爾斯特中心（Holst Centre）展示了新型柔性薄膜傳感器，該傳感器基于薄膜圖像傳感技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)指紋和掌紋識(shí)別。該薄膜傳感器的厚度只有0.2 mm，可以安裝在任何物體上進(jìn)行身份的驗(yàn)證，比如門(mén)把手、手機(jī)屏幕、汽車(chē)方向盤(pán)等。該薄膜傳感器的兩種示范機(jī)，如圖1所示。第一個(gè)示范機(jī)（a）尺寸大小為6 cm×8 cm，它可以同時(shí)檢測(cè)4根手指，分辨率為200 ppi。第二個(gè)示范機(jī)（b）是為單個(gè)指紋設(shè)計(jì)的，分辨率為500 ppi，可以提供更高的圖形質(zhì)量。其精準(zhǔn)度達(dá)到聯(lián)邦調(diào)查局（Federal Bureau of Investigation，F(xiàn)BI）身份識(shí)別的標(biāo)準(zhǔn)。其圖像傳感器可以檢測(cè)到皮膚表面反射的波長(zhǎng)在400～700 nm的可見(jiàn)光。它們還可以檢測(cè)到反射之前的穿透皮膚的部分光。后面這一特征對(duì)于心臟跳動(dòng)的檢測(cè)很有價(jià)值，因?yàn)樗峁┝艘环N額外的安全檢測(cè)手段。

新型指紋傳感器由一層氧化物薄膜晶體管構(gòu)成，頂層為有機(jī)光電二極管。這些光電二極管可以通過(guò)使用不同的有機(jī)材料來(lái)進(jìn)行“調(diào)諧”，以使它們可以檢測(cè)到不同的波長(zhǎng)，例如近紅外光。通過(guò)近紅外光檢測(cè)可以將手部的靜脈圖像顯示出來(lái)，這些圖像甚至比掌紋的識(shí)別更精確。解決了部分人員的指紋和掌紋特性并不適用于當(dāng)前的技術(shù)識(shí)別，使其在高精度要求下的識(shí)別工作中發(fā)揮有效作用，解決了部分人員掌形的不穩(wěn)定性問(wèn)題。

（a）

（b）

圖1 薄膜指紋識(shí)別傳感器示范機(jī)

2.3 聲紋識(shí)別

人的發(fā)音器官相同，但語(yǔ)言作為中樞與發(fā)音器的物理過(guò)程，每個(gè)人的器官構(gòu)成存在一定的差異，舌、喉等在存在形態(tài)上有所區(qū)別，不同人在聲紋方面的差異情況較大。但對(duì)于一個(gè)人來(lái)說(shuō)，從年輕期到老年期的聲紋卻不會(huì)發(fā)生改變。聲紋識(shí)別過(guò)程主要通過(guò)特征提取與模式識(shí)別兩個(gè)過(guò)程，且識(shí)別的準(zhǔn)確率較高。不過(guò)也可能存在一些因疾病或年齡因素所導(dǎo)致的識(shí)別特征變異情況。

2.4 行動(dòng)特征識(shí)別

對(duì)于人員行動(dòng)過(guò)程的提取和識(shí)別，也是當(dāng)前進(jìn)行身份鑒別的新生物識(shí)別技術(shù)，在不同的領(lǐng)域內(nèi)發(fā)揮了重要作用。以手勢(shì)識(shí)別為例，可以通過(guò)傳感器收集手勢(shì)的原始數(shù)據(jù)，然后按照三維坐標(biāo)與時(shí)間軸的信息來(lái)進(jìn)行起始狀態(tài)的特征分析。此外，還包括步態(tài)特征、筆記特征等，前者是以攝像機(jī)拍攝步態(tài)過(guò)程的方法來(lái)進(jìn)行記錄分析，以結(jié)果作為判定依據(jù)，但對(duì)于一些受傷人員、殘疾人等步態(tài)失常者并不適用。后者則是根據(jù)筆跡記錄進(jìn)行對(duì)照分析等。

3 生物識(shí)別技術(shù)的深層次表達(dá)

3.1 實(shí)時(shí)定位監(jiān)測(cè)

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，對(duì)于各種物體狀態(tài)的監(jiān)測(cè)也是物聯(lián)網(wǎng)元素特征的體現(xiàn)，是人作為“符號(hào)”融入互聯(lián)網(wǎng)的過(guò)程，其位置信息也可以在物聯(lián)網(wǎng)之中得到準(zhǔn)確反映。采用其他功能系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)特定區(qū)域內(nèi)的特定人員進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，例如以移動(dòng)狀態(tài)為例，所處區(qū)域是否符合授權(quán)要求、速度和加速度行為是否能進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)等，都是其中的重要內(nèi)容。

3.2 生命狀態(tài)監(jiān)測(cè)

生命狀態(tài)監(jiān)測(cè)即對(duì)人內(nèi)在狀態(tài)的一種分析。通過(guò)溫度傳感器可以獲取人的體溫信息、壓力傳感器獲取血壓、脈搏信息，微電信號(hào)傳感器進(jìn)行心電圖、腦電圖分析等，這些都是生命體征監(jiān)測(cè)的重要組成部分。目前，快速準(zhǔn)確的身份識(shí)別與生命體征監(jiān)測(cè)不僅可以在醫(yī)療領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，還可以促進(jìn)新型醫(yī)療領(lǐng)域的誕生，對(duì)人的疾病預(yù)防、身體狀態(tài)改善與養(yǎng)護(hù)工作進(jìn)行指導(dǎo)。

3.3 安防與安全監(jiān)測(cè)

人臉識(shí)別和指紋識(shí)別等生物識(shí)別技術(shù)當(dāng)下受熱議，用戶(hù)安全的問(wèn)題，僅僅依賴(lài)生物識(shí)別技術(shù)，還不夠成熟，可以疊加其他安全手段，以保證身份真實(shí)性以及交易私密性等。快速準(zhǔn)確的身份識(shí)別信息可以提升傳統(tǒng)型安防的作用，也能促進(jìn)新的安防領(lǐng)域誕生，讓傳統(tǒng)型安全監(jiān)管的作用和職能進(jìn)一步體現(xiàn)。物聯(lián)網(wǎng)的新元素下，物聯(lián)網(wǎng)不再是空洞的概念，可以通過(guò)抽象的理論來(lái)促進(jìn)新興行業(yè)與產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用[2]。

4 結(jié)語(yǔ)

基于生物特征的生物識(shí)別技術(shù)在社會(huì)領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用，人工智能技術(shù)的發(fā)展之下，在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的安全應(yīng)用與防護(hù)工作也將成為未來(lái)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。目前識(shí)別技術(shù)已經(jīng)在商業(yè)領(lǐng)域得到了高度重視，解決了智能認(rèn)證問(wèn)題，這也是未來(lái)研究的重點(diǎn)。

[參考文獻(xiàn)]

[1]邱亮南，曾偉.物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代生物識(shí)別技術(shù)加快人“符號(hào)化”進(jìn)程[J].中國(guó)公共安全（學(xué)術(shù)版），2012（15）：165-168.

[2]盧陽(yáng)，鮑淑娣，劉小東，等.應(yīng)用于動(dòng)態(tài)心電監(jiān)測(cè)的自動(dòng)身份識(shí)別系統(tǒng)[J].信息網(wǎng)絡(luò)安全，2013（12）：71-74.