生物識別系統(tǒng)的工作原理及流程

生物識別有的時候也叫生物特征識別，有的時候也叫生物認(rèn)證，這幾個詞都是一個含義。是指通過獲取和分析人體的身體和行為特征來實(shí)現(xiàn)人的身份的自動鑒別，這就是生物識別的基本概念。

生物特征識別技術(shù)是為了進(jìn)行身份驗證而采用自動技術(shù)測量其身體特征或個人行為特點(diǎn)，并將這些特征或特點(diǎn)與數(shù)據(jù)庫的模板數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，完成認(rèn)證的一種解決方案。

人的生物特征是唯一的，生物特征識別技術(shù)的基本工作就是對這些基本的、可測量或可自動識別和驗證的生理特征進(jìn)行統(tǒng)計分析。過程大多包括四個步驟：圖像獲取、抽取特征、比較和匹配。生物特征識別系統(tǒng)捕捉到生物特征的樣品，唯一的特征將會被提取并且被轉(zhuǎn)化成數(shù)字的符號，這些符號被存儲并作為個人的特征模板，模板可能會在識別系統(tǒng)中，也可能在各種各樣的存儲器中，如計算機(jī)的數(shù)據(jù)庫、智能卡或條碼卡中，人們同識別系統(tǒng)進(jìn)行交互，認(rèn)證其身份，以確定匹配或不匹配。

生物特征識別技術(shù)是一門利用人的生理上的特征來識別人的科學(xué)。和傳統(tǒng)方法的不同在于，生物特征識別方法依據(jù)的是我們所擁有的東西，是我們的個體特性。

生物識別技術(shù)的歷史

生物測定技術(shù)的歷史可追溯到古代埃及人通過測量人的尺寸來鑒別他們。像這種未發(fā)展的基于測量人體身體某一部份或者舉止的某一方面識別技術(shù)一直延續(xù)了幾個世紀(jì)。

指紋識別可以追溯到古代的中國，而基于指紋的識別技術(shù)在美國和西歐也一直使用了一百多年。在指紋識別上的改進(jìn)發(fā)生于20世紀(jì)60年代與70年代之間，一些公司開發(fā)出一種能自動識別指紋的儀器以用于法律的實(shí)施。從60年代末期，F(xiàn)BI開始使用一種自動識別指紋的設(shè)備，到70年代末期，已經(jīng)有一定數(shù)量的設(shè)備開始在美國大范圍使用。

1686年：意大利Bologna大學(xué)的學(xué)者M(jìn)arcello Malpighi用顯微鏡發(fā)現(xiàn)了指紋的窩型。

1880年:科學(xué)家發(fā)現(xiàn)每個人的指紋都獨(dú)一無二，并意識到指紋可作為身份識別的可行性。

20世紀(jì)：指紋技術(shù)在司法方面得到世界范圍的廣泛應(yīng)用。

1978年：銷售第一臺生物識別設(shè)備。

1986年：從事掌紋識別的Recognition System,Inc.成立。

1987年：Drs.Flom & Safir 研究發(fā)現(xiàn)沒有兩個人的虹膜是相似的，這一理論獲得專利。

1990年：從事簽字識別的PenOp, Inc.在英國成立。從事指紋識別的SAC Technologies,Inc.成立。

1994年:Dr.Daugman 獲得第二項基礎(chǔ)科技的專利權(quán)——IriScan的許可證。由于能用計算機(jī)辨識復(fù)雜模式的算法的發(fā)展,Drs.Atick,Griffin成立了從事面部識別的Visionics Corp.。

1996年: 從事簽字識別的Cyber Sign在美國加州成立。從事指紋識別的Biometric Identification,Inc.成立。

生物識別技術(shù)特點(diǎn)

能夠用來鑒別身份的生物特征應(yīng)該具有以下特點(diǎn)：

廣泛性：每個人都應(yīng)該具有這種特征;

唯一性：每個人擁有的特征應(yīng)該各不相同;

穩(wěn)定性：所選擇的特征應(yīng)該不隨時間變化而發(fā)生變化;

可采集性：所選擇的特征應(yīng)該便于測量。

生物識別技術(shù)的意義

迄今為止，還沒有哪一個單項生物特征能達(dá)到完美無缺的要求。另外，每種生物特征都有自己的適用范圍。比如，有些人的指紋無法提取特征，患白內(nèi)障的人虹膜會發(fā)生變化等。在對安全有嚴(yán)格要求的應(yīng)用領(lǐng)域中，人們往往需要融合多種生物特征來實(shí)現(xiàn)高精度的系統(tǒng)識別。數(shù)據(jù)融合是一種通過集成多知識源的信息和不同專家的意見以產(chǎn)生一個決策的方法，將數(shù)據(jù)融合方法用于身份鑒別，結(jié)合多種生理和行為特征進(jìn)行身份鑒別，提高鑒別系統(tǒng)的精度和可靠性，這無疑是身份鑒別領(lǐng)域發(fā)展的必然趨勢。

隨著越來越多的電子設(shè)備不斷進(jìn)入日常生活中，例如筆記本電腦、ATM提款機(jī)、蜂窩電話、門禁控制系統(tǒng)等。對于個人安全、方便的身份認(rèn)證技術(shù)變得越來越緊迫。越來越過分的依賴像智能卡、身份證號、口令等保護(hù)措施，然而，即使擁有這樣的保護(hù)措施也不夠，各種各樣的損失時有發(fā)生，并且影響到各種服務(wù)，增加商品的額外開銷。需要在與機(jī)器之間交換和交易時安全方便，也需要簡單快速的使用機(jī)器而不用擔(dān)心不安全問題。然而，現(xiàn)有的基于智能卡、身份證號和口令的系統(tǒng)卻只能在安全與方便之間徘徊，充分的安全從來沒有實(shí)現(xiàn)過，而對于更好的安全卻與不方便同時出現(xiàn)。為了實(shí)現(xiàn)較高的安全性，必須使用更復(fù)雜和更不方便的口令，因為如果對在身邊不同的機(jī)器使用一個相同的密碼，那在得到了方便性的同時也增加了安全性的隱患。

越來越多的個人、消費(fèi)者、公司和政府機(jī)關(guān)都承認(rèn)現(xiàn)有的基于智能卡、身份證號和密碼的身份識別系統(tǒng)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)的不夠的。生物識別技術(shù)為此提供了一個解決方案。

生物識別技術(shù)是目前最為方便與安全的識別系統(tǒng)，它不需要你記住像身份號和密碼，也不須隨身攜帶像智能卡之類的東西。

生物識別系統(tǒng)的工作原理及流程

生物識別系統(tǒng)包括“生物特征采集子系統(tǒng)”、“數(shù)據(jù)預(yù)處理子系統(tǒng)”、“生物特征匹配子系統(tǒng)”和“生物特征數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)”，以及系統(tǒng)識別的對象-—人。

在“生物特征數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)”中，需要建立生物特征與身份信息的關(guān)聯(lián)關(guān)系，并且保證數(shù)據(jù)存儲的安全和可靠。

“生物特征匹配子系統(tǒng)”通過模式識別算法，把待識別的生物特征與數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)中生物特征的進(jìn)行比對，并按照事先確定的篩選條件(閾值)決策是否匹配成功。如果匹配成功，輸出庫中的人員身份信息。

生物識別技術(shù)的種類

生物特征分為物理特征和行為特點(diǎn)兩類。物理特征包括：指紋、掌形、眼睛(視網(wǎng)膜和虹膜)、人體氣味、臉型、皮膚毛孔、手腕/手的血管紋理和DNA等;行為特點(diǎn)包括：簽名、語音、行走的步態(tài)、擊打鍵盤的力度等。

基于物理特征的生物識別技術(shù)

指紋識別

指紋識別技術(shù)是通過取像設(shè)備讀取指紋圖像，然后用計算機(jī)識別軟件分析指紋的全局特征和指紋的局部特征，特征點(diǎn)如嵴、谷、終點(diǎn)、分叉點(diǎn)和分歧點(diǎn)等，從指紋中抽取特征值，可以非?？煽康赝ㄟ^指紋來確認(rèn)一個人的身份。

指紋識別的優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在：研究歷史較長，技術(shù)相對成熟;指紋圖像提取設(shè)備小巧;同類產(chǎn)品中，指紋識別的成本較低。其缺點(diǎn)表現(xiàn)在：指紋識別是物理接觸式的，具有侵犯性;指紋易磨損，手指太干或太濕都不易提取圖像。

虹膜識別

虹膜識別技術(shù)是利用虹膜終身不變性和差異性的特點(diǎn)來識別身份的，虹膜是一種在眼睛中瞳孔內(nèi)的織物狀的各色環(huán)狀物，每個虹膜都包含一個獨(dú)一無二的基于水晶體、細(xì)絲、斑點(diǎn)、凹點(diǎn)、皺紋和條紋等特征的結(jié)構(gòu)。虹膜在眼睛的內(nèi)部，用外科手術(shù)很難改變其結(jié)構(gòu);由于瞳孔隨光線的強(qiáng)弱變化，想用偽造的虹膜代替活的虹膜是不可能的。目前世界上還沒有發(fā)現(xiàn)虹膜特征重復(fù)的案例，就是同一個人的左右眼虹膜也有很大區(qū)別。除了白內(nèi)障等原因外，即使是接受了角膜移植手術(shù)，虹膜也不會改變。虹膜識別技術(shù)與相應(yīng)的算法結(jié)合后，可以到達(dá)十分優(yōu)異的準(zhǔn)確度，即使全人類的虹膜信息都錄入到一個數(shù)據(jù)中，出現(xiàn)認(rèn)假和拒假的可能性也相當(dāng)小。

和常用的指紋識別相比，虹膜識別技術(shù)操作更簡便，檢驗的精確度也更高。統(tǒng)計表明，到目前為止，虹膜識別的錯誤率是各種生物特征識別中最低的，并且具有很強(qiáng)的實(shí)用性，386以上計算機(jī)CCD攝像機(jī)即可滿足對硬件的需求。

視網(wǎng)膜識別

人體的血管紋路也是具有獨(dú)特性的，人的視網(wǎng)膜上面血管的圖樣可以利用光學(xué)方法透過人眼晶體來測定。用于生物識別的血管分布在神經(jīng)視網(wǎng)膜周圍，即視網(wǎng)膜四層細(xì)胞的最遠(yuǎn)處。如果視網(wǎng)膜不受損傷，從三歲起就會終身不變。同虹膜識別技術(shù)一樣，視網(wǎng)膜掃描也是最可靠、最值得信賴的生物識別技術(shù)，但它運(yùn)用起來的難度較大。視網(wǎng)膜識別技術(shù)要求激光照射眼球的背面以獲得視網(wǎng)膜特征的唯一性。

視網(wǎng)膜技術(shù)的優(yōu)點(diǎn):視網(wǎng)膜是一種極其固定的生物特征，因為它是“隱藏”的，故而不易磨損、老化或是為疾病影響;非接觸性的;視網(wǎng)膜是不可見的，故而不會被偽造。缺點(diǎn)是:視網(wǎng)膜技術(shù)未經(jīng)過任何測試，可能有損使用者的健康，這需要進(jìn)一步的研究;對于消費(fèi)者，視網(wǎng)膜技術(shù)沒有吸引力;很難進(jìn)一步降低它的成本。

面部識別

面部識別技術(shù)通過對面部特征和它們之間的關(guān)系(眼睛、鼻子和嘴的位置以及它們之間的相對位置)來進(jìn)行識別，用于撲捉面部圖像的兩項技術(shù)為標(biāo)準(zhǔn)視頻和熱成像技術(shù)：標(biāo)準(zhǔn)視頻技術(shù)通過視頻攝像頭攝取面部的圖像，熱成像技術(shù)通過分析由面部的毛細(xì)血管的血液產(chǎn)生的熱線來產(chǎn)生面部圖像，與視頻攝像頭不同，熱成像技術(shù)并不需要較好的光源，即使在黑暗情況下也可以使用。

面部識別技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是：非接觸性。缺點(diǎn)是：要比較高級的攝像頭才可有效高速地?fù)渥矫娌繄D像;使用者面部的位置與周圍的光環(huán)境都可能影響系統(tǒng)的精確性，而且面部識別也是最容易被欺騙的;另外，對于因人體面部的如頭發(fā)、飾物、變老以及其他的變化可能需要通過人工智能技術(shù)來得到補(bǔ)償;對于采集圖像的設(shè)備會比其他技術(shù)昂貴得多。這些因素限制了面部識別技術(shù)的廣泛運(yùn)用。

掌紋識別

掌紋與指紋一樣也具有穩(wěn)定性和唯一性，利用掌紋的線特征、點(diǎn)特征、紋理特征、幾何特征等完全可以確定一個人的身份，因此掌紋識別是基于生物特征身份認(rèn)證技術(shù)的重要內(nèi)容。目前采用的掌紋圖像主要分脫機(jī)掌紋和在線掌紋兩大類。脫機(jī)掌紋圖像，是指在手掌上涂上油墨，然后在一張白紙上按印，然后通過掃描儀進(jìn)行掃描而得到數(shù)字化的圖像。在線掌紋則是用專用的掌紋采樣設(shè)備直接獲取，圖像質(zhì)量相對比較穩(wěn)定。隨著網(wǎng)絡(luò)、通信技術(shù)的發(fā)展，在線身份認(rèn)證將變得更加重要。

掌紋識別一般用作整體分離后的同一認(rèn)定。有將其用做批量商品的防偽，以防止成箱的商品內(nèi)有部分被“調(diào)包”，以部分贗品充真。也有將其用于通道口安全防范系統(tǒng)。

手形識別

手形指的是手的外部輪廓所構(gòu)成的幾何圖形。手形識別技術(shù)中，可利用的手形幾何信息包括手指不同部位的寬度、手掌寬度和厚度、手指的長度等。經(jīng)過生物學(xué)家大量實(shí)驗證明，人的手形在一段時期具有穩(wěn)定性，且兩個不同人手形是不同的，即手形作為人的生物特征具有唯一性，手形作為生物特征也具有穩(wěn)定性，且手形也比較容易采集，故可以利用手形對人的身份進(jìn)行識別和認(rèn)證。

手形識別是速度最快的一種生物特征識別技術(shù)，它對設(shè)備的要求較低，圖像處理簡單，且可接受程度較高。由于手形特征不像指紋和掌紋特征那樣具有高度的唯一性，因此，手形特征只用于滿足中/低級安全要求的認(rèn)證。

紅外溫譜圖

人的身體各個部位都在向外散發(fā)熱量，而這種散發(fā)熱量的模式就是一種每人都不同的生物特征。通過紅外設(shè)備可以獲得反映身體各個部位的發(fā)熱強(qiáng)度的圖像，這種圖像稱為溫譜圖。拍攝溫譜圖的方法和拍攝普通照片的方法類似，因此，可以用人體的各個部位來進(jìn)行鑒別，比如可對面部或手背靜脈結(jié)構(gòu)進(jìn)行鑒別來區(qū)分不同的身份。

溫譜圖的數(shù)據(jù)采集方式?jīng)Q定了利用溫譜圖的方法可以用于隱蔽的身份鑒定。除了用來進(jìn)行身份鑒別外，溫譜圖的另一個應(yīng)用是吸毒檢測，因為人體服用某種毒品后，其溫譜圖會顯示特定的結(jié)構(gòu)。

溫譜圖的方法具有可接受性，因為數(shù)據(jù)的獲取是非接觸式的，具有非侵犯性。但是，人體的溫譜值受外界環(huán)境影響很大，對于每個人來說不是完全固定的。目前，已經(jīng)有溫譜圖身份鑒別的產(chǎn)品，但是由于紅外測溫設(shè)備的昂貴價格，使得該技術(shù)不能得到廣泛的應(yīng)用。

人耳識別

人耳識別技術(shù)是20世紀(jì)90年代末開始興起的一種生物特征識別技術(shù)。人耳具有獨(dú)特的生理特征和觀測角度的優(yōu)勢，使人耳識別技術(shù)具有相當(dāng)?shù)睦碚撗芯績r值和實(shí)際應(yīng)用前景。從生理解剖學(xué)上，人的外耳分耳廓和外耳道。人耳識別的對象實(shí)際上是外耳裸露在外的耳廓，也就是人們習(xí)慣上所說的“耳朵”。

一套完整的人耳自動識別一般包括以下幾個過程：人耳圖像采集、圖像的預(yù)處理、人耳圖像的邊緣檢測與分割、特征提取、人耳圖像的識別。目前的人耳識別技術(shù)是在特定的人耳圖像庫上實(shí)現(xiàn)的，一般通過攝像機(jī)或數(shù)碼相機(jī)采集一定數(shù)量的人耳圖像，建立人耳圖像庫，動態(tài)的人耳圖像檢測與獲取尚未實(shí)現(xiàn)。

與其他生物特征識別技術(shù)相比較，人耳識別具有以下幾個特點(diǎn)：

(1)與人臉識別方法比較，人耳識別方法不受面部表情、化妝品和胡須變化的影響，同時保留了面部識別圖像采集方便的優(yōu)點(diǎn)，與人臉相比，整個人耳的顏色更加一致，圖像尺寸更小，數(shù)據(jù)處理量也更小。

(2)與指紋識別方法比較，耳圖像的獲取是非接觸的，其信息獲取方式容易被人接受。

(3)與虹膜識別方法比較，耳圖像采集更為方便。并且，虹膜采集裝置的成本要高于耳采集裝置。

味紋識別

人的身體是一種味源，人類的氣味，雖然會受到飲食、情緒、環(huán)境、時間等因素的影響和干擾，其成分和含量會發(fā)生一定的變化，但作為由基因決定的那一部分氣味——味紋卻始終存在，而且終生不變，可以作為識別任何一個人的標(biāo)記。

由于氣味的性質(zhì)相當(dāng)穩(wěn)定，如果將其密封在試管里制成氣味檔案，足足可以保存3年，即使是在露天空氣中也能保存18小時?？茖W(xué)家告訴我們，人的味紋從手掌中可以輕易獲得。首先將手掌握過的物品，用一塊經(jīng)過特殊處理的棉布包裹住，放進(jìn)一個密封的容器，然后通入氮?dú)猓寶饬髀匕褮馕斗肿愚D(zhuǎn)移到棉布上，這塊棉布就成了保持人類味紋的檔案?？梢岳糜?xùn)練有素的警犬或電子鼻來識別不同的氣味。

基因(DNA)識別

DNA(脫氧核糖核酸)存在于一切有核的動(植)物中，生物的全部遺傳信息都貯存在DNA分子里。DNA 識別是利用不同的人體細(xì)胞中具有不同的DNA 分子結(jié)構(gòu)。人體內(nèi)的DNA 在整個人類范圍內(nèi)具有唯一性和永久性。因此， 除了對雙胞胎個體的鑒別可能失去它應(yīng)有的功能外， 這種方法具有絕對的權(quán)威性和準(zhǔn)確性。不象指紋必須從手指上提取，DNA 模式在身體的每一個細(xì)胞和組織都一樣。

基因識別的準(zhǔn)確性優(yōu)于其他任何生物特征識別方法， 它廣泛應(yīng)用于識別罪犯。它的主要問題是使用者的倫理問題和實(shí)際的可接受性， DNA 模式識別必須在實(shí)驗室中進(jìn)行， 不能達(dá)到實(shí)時以及抗干擾， 耗時長是另一個問題，這就限制了DNA 識別技術(shù)的使用;另外， 某些特殊疾病可能改變?nèi)梭wDNA 的結(jié)構(gòu)， 系統(tǒng)無法對這類人群進(jìn)行識別。

基于行為特征的生物識別技術(shù)

步態(tài)識別

步態(tài)是指人們行走時的方式，這是一種復(fù)雜的行為特征。步態(tài)識別主要提取的特征是人體每個關(guān)節(jié)的運(yùn)動。盡管步態(tài)不是每個人都不相同的，但是它也提供了充足的信息來識別人的身份。步態(tài)識別的輸入是一段行走的視頻圖像序列，因此其數(shù)據(jù)采集與臉相識別類似，具有非侵犯性和可接受性。但是，由于序列圖像的數(shù)據(jù)量較大，因此步態(tài)識別的計算復(fù)雜性比較高，處理起來也比較困難。盡管生物力學(xué)中對于步態(tài)進(jìn)行了大量的研究工作，基于步態(tài)的身份鑒別的研究工作卻是剛剛開始。到目前為止，還沒有商業(yè)化的基于步態(tài)的身份鑒別系統(tǒng)。

擊鍵識別

這是基于人擊鍵時的特性，如擊鍵的持續(xù)時間、擊不同鍵之間的時間、出錯的頻率以及力度大小等而達(dá)到進(jìn)行身份識別的目的。20世紀(jì)80年代初期，美國國家科學(xué)基金和國家標(biāo)準(zhǔn)局研究證實(shí)，擊鍵方式是一種可以被識別的動態(tài)特征。

簽名識別

簽名作為身份認(rèn)證的手段已經(jīng)用了幾百年了，而且我們都很熟悉在銀行的格式表單中簽名作為我們身份的標(biāo)志。將簽名數(shù)字化是這樣一個過程：測量圖像本身以及整個簽名的動作在每個字母以及字母之間的不同的速度、順序和壓力。簽名識別易被大眾接受，是一種公認(rèn)的身份識別技術(shù)。但事實(shí)表明人們的簽名在不同的時期和不同的精神狀態(tài)下是不一樣的，這就降低了簽名識別系統(tǒng)的可靠性。

兼具生理特征和行為特征的聲紋識別

聲音識別

聲音識別本質(zhì)上是一個模式識別問題。識別時需要被識別人講一句或幾句試驗短句，對它們進(jìn)行某些測量，然后計算量度矢量與存儲的參考矢量之間的一個(或多個) 距離函數(shù)。語音信號獲取方便，并且可以通過電話進(jìn)行鑒別。語音識別系統(tǒng)對人們在感冒時變得嘶啞的聲音比較敏感;另外，同一個人的磁帶錄音也能欺騙語音識別系統(tǒng)。

審核編輯 ：李倩