生物特征識別技術研究論文

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【摘要】生物特征識別技術是利用人的生理特征或行為特征，來進行個人身份的鑒定。文章論述了現有的各種生物特征識別技術的原理、特征、應用的優缺點，介紹了生物特征識別技術的標準化工作和發展趨勢。

【關鍵詞】身份鑒別；生物特征識別；標準化

網絡信息化時代的一大特征就是個人身份的數字化和隱性化。如何準確鑒定一個人的身份，保護信息安全是當今信息化時代必須解決的一個關鍵性社會問題。目前，我國的各種管理大部分使用證件、磁卡、IC卡和密碼，這些手段無法避免偽造或遺失，密碼也很容易被竊取或遺忘。這些都給管理者和使用者帶來很大不方便。生物特征身份鑒別方法可以避免這些麻煩。因此，這一技術已成為身份鑒別領域的研究熱點。

所謂生物特征識別技術就是，通過計算機與各種傳感器和生物統計學原理等高科技手段密切結合，利用人體固有的生理特性和行為特征，來進行個人身份的鑒定。生理特征與生俱來，多為先天性的；行為特征則是習慣使然，多為后天性的。將生理和行為特征統稱為生物特征。

并非所有的生物特征都可用于個人的身份鑒別。身份鑒別可利用的生物特征必須滿足以下幾個條件：第一，普遍性：即必須每個人都具備這種特征。第二，唯一性：即任何兩個人的特征是不一樣的。第三，可測量性：即特征可測量。第四，穩定性：即特征在一段時間內不改變。當然，在應用過程中，還要考慮其他的實際因素，比如：識別精度、識別速度、對人體無傷害、被識別者的接受性等等。現在常用的生物特征有：人臉識別、虹膜識別、手形識別、指紋識別、掌紋識別、簽名識別、聲音識別等。下面將分別介紹各種生物特征識別技術：

一、生物識別技術介紹

常用的生理特征有臉像、指紋、虹膜等；常用的行為特征有步態、簽名等。聲紋兼具生理和行為的特點，介于兩者之間。

（一）基于生理特征的識別技術

1.指紋識別。指紋識別技術是通過取像設備讀取指紋圖像，然后用計算機識別軟件分析指紋的全局特征和指紋的局部特征，特征點如嵴、谷、終點、分叉點和分歧點等，從指紋中抽取特征值，可以非常可靠地通過指紋來確認一個人的身份。

指紋識別的優點表現在：研究歷史較長，技術相對成熟；指紋圖像提取設備小巧；同類產品中，指紋識別的成本較低。其缺點表現在：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。

2.虹膜識別。虹膜識別技術是利用虹膜終身不變性和差異性的特點來識別身份的，虹膜是一種在眼睛中瞳孔內的織物狀的各色環狀物，每個虹膜都包含一個獨一無二的基于水晶體、細絲、斑點、凹點、皺紋和條紋等特征的結構。虹膜在眼睛的內部，用外科手術很難改變其結構；由于瞳孔隨光線的強弱變化，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現虹膜特征重復的案例，就是同一個人的左右眼虹膜也有很大區別。除了白內障等原因外，即使是接受了角膜移植手術，虹膜也不會改變。虹膜識別技術與相應的算法結合后，可以到達十分優異的準確度，即使全人類的虹膜信息都錄入到一個數據中，出現認假和拒假的可能性也相當小。

和常用的指紋識別相比，虹膜識別技術操作更簡便，檢驗的精確度也更高。統計表明，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，并且具有很強的實用性，386以上計算機CCD攝像機即可滿足對硬件的需求。

3.視網膜識別。人體的血管紋路也是具有獨特性的，人的視網膜上面血管的圖樣可以利用光學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視網膜周圍，即視網膜四層細胞的最遠處。如果視網膜不被損傷，從三歲起就會終身不變。同虹膜識別技術一樣，視網膜掃描可能具有最可靠、最值得信賴的生物識別技術，但它運用起來的難度較大。視網膜識別技術要求激光照射眼球的背面以獲得視網膜特征的唯一性。

視網膜技術的優點:視網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；視網膜是不可見的，故而不會被偽造。缺點是:視網膜技術未經過任何測試，可能會給使用者帶來健康的損壞，這需要進一步的研究；對于消費者，視網膜技術沒有吸引力；很難進一步降低它的成本。

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

面部識別技術優點是：非接觸性的。缺點是：要比較高級的攝像頭才可有效高速地撲捉面部圖像；使用者面部的位置與周圍的光環境都可能影響系統的精確性，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，飾物，變老以及其他的變化可能需要通過人工智能技術來得到補償；對于采集圖像的設備會比其他技術昂貴得多。這些因素限制了面部識別技術廣泛地運用。

5.掌紋識別。掌紋與指紋一樣也具有穩定性和唯一性，利用掌紋的線特征、點特征、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證技術的重要內容。目前采用的掌紋圖象主要分脫機掌紋和在線掌紋兩大類。脫機掌紋圖象，是指在手掌上涂上油墨，然后在一張白紙上按印，然后通過掃描儀進行掃描而得到數字化的圖象。在線掌紋則是用專用的掌紋采樣設備直接獲取，圖象質量相對比較穩定。隨著網絡、通信技術的發展，在線身份認證將變得更加重要。

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

6.手形識別。手形指的是手的外部輪廓所構成的幾何圖形．手形識別技術中，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。經過生物學家大量實驗證明，人的手形在一段時期具有穩定性，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行識別和認證．

手形識別是速度最快的一種生物特征識別技術，它對設備的要求較低，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，手形特征只用于認證，滿足中/低級的安全要求。

7.紅外溫譜圖。人的身體各個部位都在向外散發熱量，而這種散發熱量的模式就是一種每人都不同的生物特征。通過紅外設備可以獲得反映身體各個部位的發熱強度的圖像，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行鑒別，比如可對面部或手背靜脈結構進行鑒別來區分不同的身份。

溫譜圖的數據采集方式決定了利用溫譜圖的方法可以用于隱蔽的身份鑒定。除了用來進行身份鑒別外，溫譜圖的另一個應用是吸毒檢測，因為人體服用某種后，其溫譜圖會顯示特定的結構。

溫譜圖的方法具有可接受性，因為數據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境影響很大，對于每個人來說不是完全固定的。目前，已經有溫譜圖身份鑒別的產品，但是由于紅外測溫設備的昂貴價格，使得該技術不能得到廣泛的應用。

8.人耳識別。人耳識別技術是20世紀90年代末開始興起的一種生物特征識別技術。人耳具有獨特的生理特征和觀測角度的優勢，使人耳識別技術具有相當的理論研究價值和實際應用前景。從生理解剖學上，人的外耳分耳廓和外耳道。人耳識別的對象實際上是外耳裸露在外的耳廓，也就是人們習慣上所說的“耳朵”。一套完整的人耳自動識別系統一般包括以下幾個過程：人耳圖像采集、圖像的預處理、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是在特定的人耳圖像庫上實現的，一般通過攝像機或數碼相機采集一定數量的人耳圖像，建立人耳圖像庫，動態的人耳圖像檢測與獲取尚未實現。

與其它生物特征識別技術比較人耳識別具有以下幾個特點：（1）與人臉識別方法比較，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象采集方便的優點，與人臉相比，整個人耳的顏色更加一致、圖像尺寸更小，數據處理量也更小。（2）與指紋識別方法比較，耳圖象的獲取是非接觸的，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。

9.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、環境、時間等因素的影響和干擾，其成分和含量會發生一定的變化，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記。

由于氣味的性質相當穩定，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。科學家告訴我們，人的味紋從手掌中可以輕易獲得。首先將手掌握過的物品，用一塊經過特殊處理的棉布包裹住，放進一個密封的容器，然后通入氮氣，讓氣流慢慢地把氣味分子轉移到棉布上，這塊棉布就成了保持人類味紋的檔案。可以利用訓練有素的警犬或電子鼻來識別不同的氣味。

10.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的細胞中具有不同的DNA分子結構。人體內的DNA在整個人類范圍內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有的功能外，這種方法具有絕對的權威性和準確性。不象指紋必須從手指上提取，DNA模式在身體的每一個細胞和組織都一樣。這種方法的準確性優于其他任何生物特征識別方法，它廣泛應用于識別罪犯。它的主要問題是使用者的倫理問題和實際的可接受性，DNA模式識別必須在實驗室中進行，不能達到實時以及抗干擾，耗時長是另一個問題。這就限制了DNA識別技術的使用;另外，某些特殊疾病可能改變人體DNA的結構，系統無法對這類人群進行識別。

（二）基于行為特征的生物識別技術

1.步態識別。步態是指人們行走時的方式，這是一種復雜的行為特征。步態識別主要提取的特征是人體每個關節的運動。盡管步態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。步態識別的輸入是一段行走的視頻圖像序列，因此其數據采集與臉相識別類似，具有非侵犯性和可接受性。但是，由于序列圖像的數據量較大，因此步態識別的計算復雜性比較高，處理起來也比較困難。盡管生物力學中對于步態進行了大量的研究工作，基于步態的身份鑒別的研究工作卻是剛剛開始。到目前為止，還沒有商業化的基于步態的身份鑒別系統。

2.擊鍵識別。這是基于人擊鍵時的特性如:擊鍵的持續時間、擊不同鍵之間的時間、出錯的頻率以及力度大小等而達到進行身份識別的目的。上世紀80年代初期，美國國家科學基金和國家標準局研究證實，擊鍵方式是一種可以被識別的動態特征。

3.簽名識別。簽名作為身份認證的手段已經用了幾百年了，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志。將簽名數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，是一種公認的身份識別的技術。但事實表明人們的簽名在不同的時期和不同的精神狀態下是不一樣的。這就降低了簽名識別系統的可靠性。

（三）兼具生理特征和行為特征的聲紋識別

聲音識別本質上是一個模式識別問題。識別時需要說話人講一句或幾句試驗短句，對它們進行某些測量，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。語音信號獲取方便，并且可以通過電話進行鑒別。語音識別系統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。

（四）不同生物特征識別技術的比較

各種生物特征識別技術各有其優缺點，在下表中，將各種生物特征識別技術的性能進行了一個簡單的比較。

二、生物特征識別技術的標準化工作

隨著IT的發展，人們獲取生物特征的方法也越來越多，而且可獲取的生物特征種類也在不斷增加。但不管生物特征識別的手段如何、獲取何種生物特征，對于某一個具體的人，其相應的生物特征是確定的，因此通過多種手段獲取的生物特征之間應該存在信息的共享和交換。為達到信息交互，采用統一的準則評價生物特征識別和特征信息，需要制定生物特征識別標準。

目前，生物特征識別的國際標準化工作主要由ISO/IECJTC1負責，而近期對此項工作的關注主要源于9．11恐怖襲擊事件。美國為首的發達國家為防止和打擊恐怖活動，提出了基于生物特征識別的國防土安全，并提出在SC17和SC27的基礎上建立，在JTC1下面組建生物特征識別標準化分技術委員會，即SC37。SC37自2002年6月成立以來，一直保持著快速的標準制定速度。從當前SC37的標準制定情況可以看出在生物特征識別領域，當前最急需的是用于信息共享和信息交換的數據格式標準，其他接口、測試、輪廓類標準現在的重點還處于概念性標準研制階段。

三、生物特征識別技術的發展趨勢

（一）多生物特征識別融合

各種生物特征識別技術都有其一定的適用范圍和要求，單一的生物特征識別系統在實際應用中顯現出各自的局限性，如有些人的指紋無法提取特征，患白內障的人虹膜會發生變化等等，統計顯示迄今為止，還沒有一個單生物特征能達到完美無錯的要求。因此，生物特征識別領域出現了一種新方向，即多種生物特征識別技術結合使用。將數據融合方法用于身份鑒別，結合多種生理和行為特征進行身份鑒別具有低錯誤拒絕率、特征變化的適應性強，安全可靠性高等優點，進一步精化了識別率，提高鑒別系統的可靠性。

（二）實時性要求

生物特征識別系統要求大量的計算，這其中包括圖像的預處理、特征提取與識別分類等。具有實時的快速計算能力是達到系統特定性能要求的關鍵。實現的方法基本上有兩條途徑：一是在軟件上改進即采用高效快速算法；二是在硬件上實現。

（三）生物特征識別技術與傳統技術相結合

傳統的用來識別身份的IC卡和生物特征識別技術的結合使用，具有廣泛的應用前景。智能IC卡利用其自身的存儲、計算功能，將人的生物識別特征存儲在卡內，可以現場進行脫機認證，既提高了效率，又節省了聯網在線查詢的成本，有效地避免了“認卡不認人”的現象，以防由于卡的丟失及密碼泄露而帶來的損失。

四、結語

“執生命密匙，啟身份之鎖”。全球生物特征識別技術市場迅速增長，生物識別領域的應用也日漸普及，已逐漸滲透到社會生活的各個方面，發展前景一片大好。

【參考文獻】

[1]張敏貴，潘泉，等．多生物特征識別[J]．信息與控制，2002，31（6）.

[2]于瑞華，洪衛軍．生物特征識別技術及其應用[J]．智能建筑與城市信息，2004，（8）.

[3]夏鴻斌，須文波，劉淵．生物特征識別技術研究進展[J]．計算機工程與應用，2003，（20）.

[4]侯鴻川．面部溫譜圖身份識別技術探討[J]．中國人民公安大學學報（自然科學版），2005，（3）.

[5]楊俊，景疆．淺談生物認證技術——指紋識別[J]．計算機時代，2004，（3）.

[6]張海軍，穆志純，危克．人耳識別技術研究進展綜述[J]．計算機工程與應用，2004，（33）.

[7]王蘊紅，譚鐵牛．現代身份鑒別——生物特征識別技術[J]．中國基礎科學，2000，（9）.