生物實(shí)別技術(shù)原理及種類

生物識(shí)別技術(shù)是一種通過采集和分析人體固有的特征(生理特征與形為特征)來進(jìn)行身份識(shí)別的計(jì)算機(jī)技術(shù)。人的生理特征有:指紋、手形、臉型、虹膜、脈搏、耳廓、等,形為特征包括手寫筆跡、走路步態(tài)、按鍵力度等。計(jì)算機(jī)通過光學(xué)、聲學(xué)、生物傳感器等來采集這些特征,應(yīng)用生物統(tǒng)計(jì)學(xué),結(jié)合圖形、聲音、形為分析、數(shù)據(jù)庫等高級(jí)算法和科技手段,最終實(shí)現(xiàn)對(duì)人身份的識(shí)別。

無論是生理特征還是形為特征,要求對(duì)于特定個(gè)體,其狀態(tài)基本上保持穩(wěn)定,對(duì)于不同個(gè)體,則存在必要的差異用于區(qū)分,這是某種人體特征是否能夠應(yīng)用于生物識(shí)別技術(shù)的一個(gè)重要前提。如簽名、按手印等方法很早就被用于個(gè)人身份識(shí)別,正是由于人的手寫筆跡、指紋同時(shí)滿足上述“個(gè)體之內(nèi)穩(wěn)定性”與“個(gè)體之間差異性”兩個(gè)條件。

傳統(tǒng)的身份鑒定方法由于主要借助體外物,一旦證明身份的標(biāo)識(shí)物品和標(biāo)識(shí)知識(shí)被盜或遺忘,其身份就容易被他人冒充或取代。生物識(shí)別技術(shù)以人體本身的特征來對(duì)人身份進(jìn)行鑒別,因此和傳統(tǒng)的身份鑒定方法相比,不易遺忘、不易偽造或被盜、能夠隨身“攜帶”和隨時(shí)隨地可用。生物識(shí)別技術(shù)產(chǎn)品均借助于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn),很容易配合電腦和安全、監(jiān)控、管理系統(tǒng)整合,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化管理。

生物識(shí)別不是新的技術(shù),早在1882年就有了采集人的圖像,記錄人的身高、食指長度、胳膊長度來區(qū)別人的歷史記錄。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步,人們逐漸發(fā)展出了指紋識(shí)別、掌紋識(shí)別、手形識(shí)別、面相識(shí)別、發(fā)音識(shí)別、虹膜識(shí)別、靜脈識(shí)別、簽名識(shí)別等多種生物識(shí)別技術(shù),并在不同領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

? 指紋識(shí)別

指紋識(shí)別是生物識(shí)別技術(shù)發(fā)展的先驅(qū),同時(shí)也是目前應(yīng)用最為廣泛的生物識(shí)別技術(shù)。

指紋是人與生俱來的身體特征,大約14歲以后,每個(gè)人的指紋就已經(jīng)定型,并且終身不會(huì)改變。指紋也具有非常明顯的唯一性,不同人不會(huì)具有相同的指紋。手指的唯一性特征包括渦、拱、環(huán)、脊斷點(diǎn)和脊分岔的特征,自這些特征被科學(xué)統(tǒng)計(jì)論證后,指紋識(shí)別很早就被用作犯罪偵查的工具,目前已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于金融銀行、安全防范、刑偵、安全保密等各個(gè)領(lǐng)域。據(jù) IBG最新統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示,指紋識(shí)別技術(shù)幾乎占據(jù)了整個(gè)生物識(shí)別技術(shù)領(lǐng)域的60%的市場份額。

? 掌紋識(shí)別

掌紋識(shí)別與指紋識(shí)別類似,是一種較新的生物識(shí)別技術(shù),它通過分析手指末端到手腕部分的手掌圖像來實(shí)現(xiàn)身份識(shí)別。掌紋的形態(tài)由遺傳基因控制,具備很強(qiáng)的穩(wěn)定性和維一性。

掌紋中最重要的特征是紋線特征,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,對(duì)成像圖片質(zhì)量要求不高,便于快速識(shí)別。掌紋的另一個(gè)特征是點(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(duì)圖像的質(zhì)量要求較高。掌紋還有一個(gè)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。由于掌紋中能夠提取的特征信息比指紋多,因此準(zhǔn)確效高具備更好的身份鑒別能力,缺點(diǎn)在于機(jī)器維護(hù)率高,磨損后易產(chǎn)生誤差。掌紋識(shí)別主要應(yīng)用在銀行、珠寶店、金庫等安保等級(jí)高的區(qū)域。通過對(duì)入庫人員進(jìn)行掌紋掃描來確認(rèn)身份。

掌紋識(shí)別作為一項(xiàng)新興的生物識(shí)別技術(shù),因具有采樣簡單、圖像信息豐富、用戶接受程度高、不易偽造、受噪聲干擾小等特點(diǎn)受到國內(nèi)外研究人員的廣泛關(guān)注。但是由于掌紋識(shí)別技術(shù)起步較晚,尚處于學(xué)習(xí)和借鑒其他生物特征識(shí)別技術(shù)的階段。

? 人臉識(shí)別

人臉識(shí)別技術(shù)是另一種應(yīng)用較為廣泛生物識(shí)別技術(shù)。該技術(shù)以人的面部的外觀特征為分析目標(biāo),包括:眼、眉毛、鼻、耳廓、嘴唇、下巴等面部器官的外狀、大小、位置以及它們相互間對(duì)應(yīng)的平面或立體空間關(guān)系等。該類外觀特征的直觀性較好,具有較高的惟一性。

人臉識(shí)別目前又分兩種主要的識(shí)別技術(shù),一種是基于對(duì)標(biāo)準(zhǔn)視頻圖像的識(shí)別,通過攝像頭拍攝人體圖形并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào),再利用計(jì)算器對(duì)圖形進(jìn)行人臉圖片抽取和分析以及匹配。視頻圖像面部識(shí)別是一種常見的身份識(shí)別方式,現(xiàn)已被廣泛用于公共安全領(lǐng)域。視頻圖像識(shí)別容易目標(biāo)光照影響,同時(shí)人體面部與攝像機(jī)的成像角度也會(huì)顯著影響識(shí)別效果。

另一種人臉識(shí)別技術(shù)是熱成像技術(shù),主要通過分析面部血液產(chǎn)生的熱輻射來產(chǎn)生面部圖像并進(jìn)行分析。其依據(jù)是人體面部各個(gè)部位的骨骼與肌肉組織的溫度不同,向外界散發(fā)出來的紅外光譜也不同,并且具備個(gè)人惟一性,不受外界光照度的影響,在黑暗情況下也能正常使用,并且不易通過化妝來遮蓋及偽造。

近些年迅速發(fā)展起來的另一種解決人臉識(shí)別方案是基于主動(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?

? 語音識(shí)別

語音識(shí)別主要是利用人的聲音特點(diǎn)進(jìn)行身份識(shí)別,有文字相關(guān)與文字無關(guān)兩種。前者基于對(duì)預(yù)定文字發(fā)音的識(shí)別,實(shí)現(xiàn)較為簡單但容易被模仿;后者可對(duì)任意文本發(fā)音進(jìn)行識(shí)別,實(shí)現(xiàn)難度大但防偽性有較大提高。聲音識(shí)別的優(yōu)點(diǎn)在于它是一種非接觸識(shí)別技術(shù),容易為公眾所接受。但聲音會(huì)隨音量、音速和音質(zhì)的變化而影響。比如,一個(gè)人感冒時(shí)說話和平時(shí)說話就會(huì)有明顯差異;此外,一個(gè)人也可有意識(shí)地對(duì)自己的聲音進(jìn)行偽裝和控制,從而給鑒別帶來一定困難;同時(shí),環(huán)境噪聲和干擾對(duì)語音識(shí)別有嚴(yán)重影響。因此,語音識(shí)別整體的識(shí)別率并不高,隨著技術(shù)的發(fā)展,語言識(shí)別率不斷在提高,并在一些領(lǐng)域(如移動(dòng)終端的語言助手)變?yōu)閷?shí)用,但用于身份識(shí)別的場合并不多。

? 筆跡識(shí)別

筆跡識(shí)別主要是透過測(cè)量簽字者的字形及不同筆劃間的速度、順序和壓力特征,對(duì)簽字者的身份進(jìn)行鑒別。利用筆跡鑒定身份在日常生活中已獲得普通應(yīng)用,如信用卡交易簽名等。筆跡識(shí)別系統(tǒng)通常有靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種。靜態(tài)系統(tǒng)僅利用筆跡的幾何形狀特征進(jìn)行識(shí)別,由于筆跡比較容易被模仿,因此靜態(tài)方式防偽性較差;動(dòng)態(tài)系統(tǒng)同時(shí)利用幾何形狀特征和運(yùn)動(dòng)特征(如書寫時(shí)的加速度、速度、運(yùn)動(dòng)軌跡等)進(jìn)行識(shí)別,由于運(yùn)動(dòng)特征無法從寫好的筆跡中獲得難于模仿,因此動(dòng)態(tài)方式具有較強(qiáng)的防偽性。

?虹膜、視網(wǎng)膜識(shí)別

虹膜是瞳孔周圍有顏色的肌肉組織。研究表明,人的眼虹膜上有很多微小的凹凸起伏和條狀組織,其表面特征幾乎是唯一的。早在20世紀(jì)30年代,人們就提出了利用眼虹膜進(jìn)行身份識(shí)別的設(shè)想,但直到近兩年英國劍橋大學(xué)科學(xué)家多各曼開發(fā)出一種新的編碼方式,才使這項(xiàng)技術(shù)真正走向?qū)嵱?。虹膜識(shí)別的工作過程,與指紋識(shí)別 有些類似?？茖W(xué)家先要將掃描的虹膜圖像轉(zhuǎn)換為2048位的數(shù)字代碼,存儲(chǔ)到計(jì)算器數(shù)據(jù)庫中。當(dāng)進(jìn)行身份識(shí)別時(shí),只需將掃描的待檢測(cè)者的虹膜圖像,與事先儲(chǔ)存的數(shù)字代碼相對(duì)照,即可判明身份。但利用視網(wǎng)膜進(jìn)行身份識(shí)別,需要用激光照射眼球后面才能獲得視網(wǎng)膜的特征圖像,不僅設(shè)備復(fù)雜昂貴,對(duì)眼睛健康也會(huì)帶來一定損害。因此,如何利用這一生物特征進(jìn)行身份識(shí)別,尚有待進(jìn)一步研究。

? 指脈識(shí)別(靜脈識(shí)別)

指脈識(shí)別技術(shù)的原理是根據(jù)血液中的血紅素有吸收紅外線光的特質(zhì),將具紅外線感應(yīng)度的小型照相機(jī)對(duì)著手指進(jìn)行攝影,即可將照著血管的陰影處攝出圖像來,然后將血管圖樣進(jìn)行數(shù)字處理,制成血管圖樣影像,并使用復(fù)雜的算法從數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行匹配,從而對(duì)個(gè)人進(jìn)行身份鑒定,確認(rèn)身份。應(yīng)技術(shù)目前分為手指靜脈識(shí)別技術(shù)和手背靜脈識(shí)別。

指脈識(shí)別技術(shù)具有多項(xiàng)重要特點(diǎn),使它在高度安全性和使用便捷性上遠(yuǎn)勝于其它生物識(shí)別技術(shù)。主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

高度防偽:靜脈隱藏在身體內(nèi)部,被復(fù)制或盜用的機(jī)率很小

簡易便用:使用者心理抗拒性低,受生理和環(huán)境影響的因素也低,包括:干燥皮膚,油污,灰塵等污染,皮膚表面異常等。

高度準(zhǔn)確:認(rèn)假率為0.0001%,拒真率為0.01%,注冊(cè)失敗率為0%。

快速識(shí)別:原始手指靜脈影像被捕獲并數(shù)字化處理,圖像比對(duì)由日立專有的手指靜脈提取算法完成,整個(gè)過程不到1秒。

基于上述的這些特點(diǎn),指脈識(shí)別技術(shù)快速在許多領(lǐng)域被應(yīng)用,并幾乎可以應(yīng)用于所有需要個(gè)人信息識(shí)別的領(lǐng)域,讓其身份識(shí)別、信息保密和管理工作提升到一個(gè)新的境界。

生物識(shí)別技術(shù)的局限性與發(fā)展前景

生物識(shí)別技術(shù)有做自己獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),但并不是完美無缺。如指紋識(shí)別,就面臨指紋膜冒充指紋蒙混過關(guān)的問題;人面識(shí)別,簡單易個(gè)容也許就能過關(guān);虹膜識(shí)別技術(shù)對(duì)黑眼睛存在識(shí)別難問題,對(duì)于盲人和眼疾患者是無能為力;聲音、筆跡也并不難以模仿;靜脈識(shí)別也存在易受溫度干擾影響識(shí)別率的問題。

盡管如此,隨著各種生物特征識(shí)別技術(shù)的不斷發(fā)展和提高,在全球信息化、網(wǎng)絡(luò)化的大背景下,生物特征識(shí)別技術(shù)的應(yīng)用面會(huì)越來越廣,深度會(huì)不斷深入。首先,在物聯(lián)網(wǎng)這個(gè)大趨勢(shì)下,生物識(shí)別技術(shù)解決了身份識(shí)別這個(gè)日常但很重要的問題,精準(zhǔn)、快捷的身份識(shí)別能力能夠與越來越多的行業(yè)應(yīng)用相結(jié)合,并通過網(wǎng)絡(luò)共享,為人們帶來更加安全、便利的生活;其次,多種生物識(shí)別技術(shù)的融合,有助于提高身份鑒別的準(zhǔn)確性和安全性,使其能夠更加深入應(yīng)用到對(duì)安全性要求較高的行業(yè)中; 此外,新型生物技術(shù)的不斷發(fā)現(xiàn)(如虹膜識(shí)別、DNA識(shí)別)與發(fā)展,使得生物識(shí)別技術(shù)除了在傳統(tǒng)的應(yīng)用市場不斷擴(kuò)大自己的市場份額外,還能夠不斷在非傳統(tǒng)應(yīng)用場合開辟新的市場,對(duì)社會(huì)的發(fā)展造成深層次的影響。