詳解指紋識(shí)別聲音識(shí)別虹膜識(shí)別等六種生物識(shí)別技術(shù)原理

所謂生物辨認(rèn)技術(shù)就是，通過(guò)計(jì)算機(jī)與光學(xué)、聲學(xué)、生物傳感器和生物記錄學(xué)原理等高科技手段密切結(jié)合，運(yùn)用人體固有的生理特性，（如指紋、臉象、虹膜等）和行為特性（如筆跡、聲音、步態(tài)等）來(lái)進(jìn)行個(gè)人身份的鑒定。生物辨認(rèn)技術(shù)重要是指通過(guò)人類生物特性進(jìn)行身份認(rèn)證的一種技術(shù)，人類的生物特性通常具有唯一性、可以測(cè)量或可自動(dòng)辨認(rèn)和驗(yàn)證、遺傳性或終身不變等特點(diǎn)，因此生物辨認(rèn)認(rèn)證技術(shù)較傳統(tǒng)認(rèn)證技術(shù)存在較大的優(yōu)勢(shì)。指紋辨認(rèn)原理指紋是手指末端正面皮膚上凸凹不平產(chǎn)生的紋路。盡管指紋只是人體皮膚的小部分，但是，它蘊(yùn)涵著大量的信息。指紋特性可分為兩類：總體特性和局部特性?？傮w特性指那些用人眼直接就可以觀測(cè)到的特性，涉及基本紋路圖案、模式區(qū)、核心點(diǎn)、三角點(diǎn)、式樣線和紋線等。基本紋路圖案有環(huán)形、弓形、螺旋形。局部特性即指紋上節(jié)點(diǎn)的特性，這些具有某種特性的節(jié)點(diǎn)稱為特性點(diǎn)。兩枚指紋經(jīng)常會(huì)具有相同的總體特性，但它們的局部特性——特性點(diǎn)，卻不也許完全相同。指紋上的特性點(diǎn)，即指紋紋路上的終結(jié)點(diǎn)、分叉點(diǎn)和轉(zhuǎn)折點(diǎn)。指紋辨認(rèn)技術(shù)通常使用指紋的總體特性如紋形、三角點(diǎn)等來(lái)進(jìn)行分類，再用局部特性如位置和方向等來(lái)進(jìn)行用戶身份辨認(rèn)。通常，一方面從獲取的指紋圖像上找到“特性點(diǎn)”（minutiae），然后根據(jù)特性點(diǎn)的特性建立用戶活體指紋的數(shù)字表達(dá)——指紋特性數(shù)據(jù)（一種單向的轉(zhuǎn)換，可以從指紋圖像轉(zhuǎn)換成特性數(shù)據(jù)但不能從特性數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成為指紋圖像）。由于兩枚不同的指紋不會(huì)產(chǎn)生相同的特性數(shù)據(jù)，所以通過(guò)對(duì)所采集到的指紋圖像的特性數(shù)據(jù)和存放在數(shù)據(jù)庫(kù)中的指紋特性數(shù)據(jù)進(jìn)行模式匹配，計(jì)算出它們的相似限度，最終得到兩個(gè)指紋的匹配結(jié)果，根據(jù)匹配結(jié)果來(lái)鑒別用戶身份。由于每個(gè)人的指紋不同，就是同一人的十指之間，指紋也有明顯區(qū)別，因此指紋可用于身份鑒定。優(yōu)點(diǎn)1）指紋是人體獨(dú)一無(wú)二的特性，并且它們的復(fù)雜度足以提供用于鑒別的足夠特性。2）假如想要增長(zhǎng)可靠性，只需登記更多的指紋，鑒別更多的手指，最多可以達(dá)成十個(gè)，而每一個(gè)指紋都是獨(dú)一無(wú)二的。3）掃描指紋的速度不久，使用非常方便。4）讀取指紋時(shí)，用戶必須將手指與指紋采集頭互相接觸，與指紋采集頭直接接觸是讀取人體生物特性最可靠的方法，這也是指紋辨認(rèn)技術(shù)可以占領(lǐng)大部分市場(chǎng)的一個(gè)重要因素。5）指紋采集頭可以更加小型化，并且價(jià)格會(huì)更加低廉。缺陷1）某些人或某些群體的指紋由于指紋特性很少，故而很難成像。2）過(guò)去由于在犯罪記錄中使用指紋，使得某些人膽怯“將指紋記錄在案”。然而，事實(shí)上現(xiàn)在的指紋鑒別技術(shù)都可以保證不存儲(chǔ)任何具有指紋圖像的數(shù)據(jù)，而只是存儲(chǔ)從指紋中得到的加密的指紋特性數(shù)據(jù)。3）每一次使用指紋時(shí)都會(huì)在指紋采集頭上留下用戶的指紋印痕，而這些指紋痕跡存在被用來(lái)復(fù)制指紋的也許性?？梢?jiàn)，指紋辨認(rèn)技術(shù)是目前最方便、可靠、非侵害和價(jià)格便宜的生物辨認(rèn)技術(shù)解決方案，市場(chǎng)應(yīng)用有著很大的潛力。聲音辨認(rèn)原理所謂聲紋（Voiceprint），是用電聲學(xué)儀器顯示的攜帶言語(yǔ)信息的聲波頻譜。人類語(yǔ)言的產(chǎn)生是人體語(yǔ)言中樞與發(fā)音器官之間一個(gè)復(fù)雜的生理物理過(guò)程，人在發(fā)言時(shí)使用的發(fā)聲器官--舌、牙齒、喉頭、肺、鼻腔在尺寸和形態(tài)方面每個(gè)人的差異很大，所以任何兩個(gè)人的聲紋圖譜都有差異。每個(gè)人的語(yǔ)音聲學(xué)特性既有相對(duì)穩(wěn)定性，又有變異性，不是絕對(duì)的、一成不變的。這種變異可來(lái)自生理、病理、心理、模擬、偽裝，也與環(huán)境干擾有關(guān)。盡管如此，由于每個(gè)人的發(fā)音器官都不盡相同，因此在一般情況下，人們?nèi)阅軈^(qū)別不同的人的聲音或判斷是否是同一人的聲音。優(yōu)缺陷聲紋辨認(rèn)的應(yīng)用有一些缺陷，比如同一個(gè)人的聲音具有易變性，易受身體狀況、年齡、情緒等的影響；比如不同的麥克風(fēng)和信道對(duì)辨認(rèn)性能有影響；比如環(huán)境噪音對(duì)辨認(rèn)有干擾；又比如混合說(shuō)話人的情形下人的聲紋特性不易提取……。盡管如此，與其他生物特性相比，聲紋辨認(rèn)的應(yīng)用有一些特殊的優(yōu)勢(shì)：1）蘊(yùn)含聲紋特性的語(yǔ)音獲取方便、自然，聲紋提取可在不知不覺(jué)中完畢，因此使用者的接受限度也高；2）獲取語(yǔ)音的辨認(rèn)成本低廉，使用簡(jiǎn)樸，一個(gè)麥克風(fēng)即可，在使用通訊設(shè)備時(shí)更無(wú)需額外的錄音設(shè)備；3）適合遠(yuǎn)程身份確認(rèn)，只需要一個(gè)麥克風(fēng)或電話、手機(jī)就可以通過(guò)網(wǎng)路（通訊網(wǎng)絡(luò)或互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)）實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程登錄；4）聲紋辨認(rèn)和確認(rèn)的算法復(fù)雜度低；5）配合一些其他措施，如通過(guò)語(yǔ)音辨認(rèn)進(jìn)行內(nèi)容鑒別等，可以提高準(zhǔn)確率；……等等。這些優(yōu)勢(shì)使得聲紋辨認(rèn)的應(yīng)用越來(lái)越收到系統(tǒng)開(kāi)發(fā)者和用戶青睞，聲紋辨認(rèn)的世界市場(chǎng)占有率15.8%，僅次于指紋和掌紋的生物特性辨認(rèn)，并有不斷上升的趨勢(shì)。視網(wǎng)膜辨認(rèn)視網(wǎng)膜是眼睛底部的血液細(xì)胞層。視網(wǎng)膜掃描是采用低密度的紅外線去捕獲視網(wǎng)膜的獨(dú)特特性，血液細(xì)胞的唯一模式就因此被捕獲下來(lái)。視網(wǎng)膜是一些位于眼球后部十分細(xì)小的神經(jīng)（一英寸的1/50），它是人眼感受光線并將信息通過(guò)視神經(jīng)傳給大腦的重要器官，它同膠片的功能有些類似，用于生物辨認(rèn)的血管分布在神經(jīng)視網(wǎng)膜周邊，即視網(wǎng)膜四層細(xì)胞的最遠(yuǎn)處。優(yōu)點(diǎn)視網(wǎng)膜是一種極其固定的生物特性，由于它是“隱藏“的，故而不也許磨損，老化或是為疾病影響。使用者不需要和設(shè)備進(jìn)行直接的接觸。是一個(gè)最難欺騙的系統(tǒng)由于視網(wǎng)膜是不可見(jiàn)的，故而不會(huì)被偽造。缺陷視網(wǎng)膜技術(shù)未通過(guò)任何測(cè)試。很明顯，視網(wǎng)膜技術(shù)也許會(huì)給使用者帶來(lái)健康的損壞，這需要進(jìn)一步的研究。對(duì)于消費(fèi)者，視網(wǎng)膜技術(shù)沒(méi)有吸引力。很難進(jìn)一步減少它的成本。虹膜辨認(rèn)原理捕獲虹膜的數(shù)據(jù)圖像為虹膜的圖像分析準(zhǔn)備過(guò)程從虹膜的紋理或類型發(fā)明512字節(jié)的iriscode。使用iriscode模板用于確認(rèn)。在當(dāng)今世界，虹膜辨認(rèn)仍被公認(rèn)為是辨認(rèn)精度最高的生物辨認(rèn)系統(tǒng)。生物測(cè)定學(xué)是一種技術(shù)，這種技術(shù)是將獨(dú)特的人體特性（諸如面部特性、聲音，指紋特性等）翻譯成數(shù)字編碼，這種編碼可以辨認(rèn)、檢查身份。而虹膜辨認(rèn)技術(shù)通過(guò)人體獨(dú)一無(wú)二眼睛虹膜的特性來(lái)辨認(rèn)身份，虹膜特性匹配的準(zhǔn)確性甚至超過(guò)了DNA匹配。這種技術(shù)在生物測(cè)定行業(yè)已經(jīng)被廣泛認(rèn)為是目前精確度、穩(wěn)定性、可升級(jí)性最高的身份辨認(rèn)系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)1．便于用戶使用；2．也許會(huì)是最可靠的生物辨認(rèn)技術(shù)；3．不需物理的接觸；4．可靠性高?？旖莘奖悖簱碛斜鞠到y(tǒng)，不需要攜帶任何證件，就能實(shí)現(xiàn)門控，可單向亦可雙向；既可以被授權(quán)控制一扇門，也可以控制啟動(dòng)多扇門；授權(quán)靈活：本系統(tǒng)根據(jù)管理的需要，可任意調(diào)整用戶權(quán)限，隨時(shí)了解用戶動(dòng)態(tài)，涉及客戶身份、操作地點(diǎn)、功能及時(shí)間順序等，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)智能管理；無(wú)法復(fù)制：本系統(tǒng)以虹膜信息為密碼，不可復(fù)制；且每一次活動(dòng)，都可自動(dòng)記錄，便于追溯、查詢，非法情況則自動(dòng)報(bào)警；配置靈活多樣：使用人和管理者可根據(jù)自身喜好、需要或場(chǎng)合的不同，設(shè)定不同的安裝及運(yùn)營(yíng)方式。比如在大堂等公共場(chǎng)合，可以只采用輸入密碼的方式，但在重要場(chǎng)合，則嚴(yán)禁使用密碼，只采用虹膜辨認(rèn)方式，當(dāng)然也可以兩種方式同時(shí)使用；投入少、免維護(hù)：裝配本系統(tǒng)可以保存本來(lái)的鎖，但其機(jī)械運(yùn)動(dòng)件減少，且運(yùn)動(dòng)幅度小，門栓的壽命更長(zhǎng)；系統(tǒng)免維護(hù)，并可隨時(shí)擴(kuò)充、升級(jí)，無(wú)須重新購(gòu)置設(shè)備。長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，效益顯著，并可使管理檔次大大的提高。應(yīng)用行業(yè)廣泛：廣泛應(yīng)用于煤礦、銀行、監(jiān)獄、門禁、社保、醫(yī)療等多種行業(yè)；缺陷1．很難將圖像獲取設(shè)備的尺寸小型化；2．設(shè)備造價(jià)高，無(wú)法大范圍推廣；3．鏡頭也許產(chǎn)生圖像畸變而使可靠性減少；4．兩大模塊：硬件和軟件；5．一個(gè)自動(dòng)虹膜辨認(rèn)系統(tǒng)包含硬件和軟件兩大模塊：虹膜圖像獲取裝置和虹膜辨認(rèn)算法。分別相應(yīng)于圖像獲取和模式匹配這兩個(gè)基本問(wèn)題。面部辨認(rèn)原理人臉辨認(rèn)技術(shù)中被廣泛采用的區(qū)域特性分析算法，它融合了計(jì)算機(jī)圖像解決技術(shù)與生物記錄學(xué)原理于一體，運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖像解決技術(shù)從視頻中提取人像特性點(diǎn)，運(yùn)用生物記錄學(xué)的原理進(jìn)行分析建立數(shù)學(xué)模型，即人臉特性模板。運(yùn)用已建成的人臉特性模板與被測(cè)者的面像進(jìn)行特性分析，根據(jù)分析的結(jié)果來(lái)給出一個(gè)相似值。通過(guò)這個(gè)值即可擬定是否為同一人。優(yōu)勢(shì)人臉辨認(rèn)作為一種新興的生物特性辨認(rèn)技術(shù)（Biometrics），與虹膜辨認(rèn)、指紋掃描、掌形掃描等技術(shù)相比，人臉辨認(rèn)技術(shù)在應(yīng)用方面具有獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)：使用方便，用戶接受度高人臉辨認(rèn)技術(shù)使用通用的攝像機(jī)作為辨認(rèn)信息獲取裝置，以非接觸的方式在辨認(rèn)對(duì)象未察覺(jué)的情況下完畢辨認(rèn)過(guò)程。直觀性突出人臉辨認(rèn)技術(shù)所使用的依據(jù)是人的面部圖像，而人臉無(wú)疑是肉眼可以判別的最直觀的信息源，方便人工確認(rèn)、審計(jì)，“以貌取人”符合人的認(rèn)知規(guī)律。辨認(rèn)精確度高，速度快與其它生物辨認(rèn)技術(shù)相比，人臉辨認(rèn)技術(shù)的辨認(rèn)精度處在較高的水平，誤識(shí)率、拒認(rèn)率較低。不易仿冒在安全性規(guī)定高的應(yīng)用場(chǎng)合，人臉辨認(rèn)技術(shù)規(guī)定辨認(rèn)對(duì)象必須親臨辨認(rèn)現(xiàn)場(chǎng)，別人難以仿冒。人臉辨認(rèn)技術(shù)所獨(dú)具的活性判別能力保證了別人無(wú)法以非活性的照片、木偶、蠟像來(lái)欺騙辨認(rèn)系統(tǒng)。這是指紋等生物特性辨認(rèn)技術(shù)所很難做到的。舉例來(lái)說(shuō)，用合法用戶的斷指即可仿冒合法用戶的身份而使辨認(rèn)系統(tǒng)無(wú)從覺(jué)察。使用通用性設(shè)備人臉辨認(rèn)技術(shù)所使用的設(shè)備為一般的PC、攝像機(jī)等常規(guī)設(shè)備，由于計(jì)算機(jī)、閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)等已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，因此對(duì)于多數(shù)用戶而言使用人臉辨認(rèn)技術(shù)無(wú)需添置大量專用設(shè)備，從而既保護(hù)了用戶的原有投資又?jǐn)U展了用戶已有設(shè)備的功能，滿足了用戶安全防范的需求?；A(chǔ)資料易于獲得人臉辨認(rèn)技術(shù)所采用的依據(jù)是人臉照片或?qū)崟r(shí)攝取的人臉圖像，因而無(wú)疑是最容易獲得的。成本較低，易于推廣使用由于人臉辨認(rèn)技術(shù)所使用的是常規(guī)通用設(shè)備，價(jià)格均在一般用戶可接受的范圍之內(nèi)，與其它生物辨認(rèn)技術(shù)相比，人臉辨認(rèn)產(chǎn)品具有很高的性能價(jià)格比。概括地說(shuō)，人臉辨認(rèn)技術(shù)是一種高精度、易于使用、穩(wěn)定性高、難仿冒、性價(jià)比高的生物特性辨認(rèn)技術(shù)，具有極其廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。缺陷面部辨認(rèn)被認(rèn)為是生物特性辨認(rèn)領(lǐng)域甚至人工智能領(lǐng)域最困難的研究課題之一。面部辨認(rèn)的困難重要是面部作為生物特性的特點(diǎn)所帶來(lái)的。相似性不同個(gè)體之間的區(qū)別不大，所有的面部的結(jié)構(gòu)都相似，甚至面部器官的結(jié)構(gòu)外形都很相似。這樣的特點(diǎn)對(duì)于運(yùn)用面部進(jìn)行定位是有利的，但是對(duì)于運(yùn)用面部區(qū)分人類個(gè)體是不利的。易變性面部的外形很不穩(wěn)定，人可以通過(guò)臉部的變化產(chǎn)生很多表情，而在不同觀測(cè)角度，面部的視覺(jué)圖像也相差很大，此外，面部辨認(rèn)還受光照條件（例如白天和夜晚，室內(nèi)和室外等）、面部的很多遮蓋物（例如口罩、墨鏡、頭發(fā)、胡須等）、年齡等多方面因素的影響。在面部辨認(rèn)中，第一類的變化是應(yīng)當(dāng)放大而作為區(qū)分個(gè)體的標(biāo)準(zhǔn)的，而第二類的變化應(yīng)當(dāng)消除，由于它們可以代表同一個(gè)個(gè)體。通常稱第一類變化為類間變化，而稱第二類變化為類內(nèi)變化。對(duì)于面部，類內(nèi)變化往往大于類間變化，從而使在受類內(nèi)變化干擾的情況下運(yùn)用類間變化區(qū)分個(gè)體變得異常困難。靜脈辨認(rèn)重要是運(yùn)用靜脈血管的結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行身份辨認(rèn)。由于靜脈紋絡(luò)包含大量的特性信息，可以作為驗(yàn)證的對(duì)象。手掌靜脈辨認(rèn)的原理也是運(yùn)用靜脈血管與肌肉、骨骸之間對(duì)特定波長(zhǎng)紅外光不同的吸取特性來(lái)進(jìn)行靜脈血管造影。與手掌靜脈辨認(rèn)的原理相同。由于手掌較厚，紅外光通常無(wú)法進(jìn)行透射，因而只能采用反射造影法。紅外光照射在手背上，有靜脈的部位吸取紅外光反