生物識別技術(shù)全解

生物識別技術(shù)全解第1頁/共36頁生物識別技術(shù)所謂生物識別技術(shù)就是，通過計(jì)算機(jī)與光學(xué)、聲學(xué)、生物傳感器和生物統(tǒng)計(jì)學(xué)原理等高科技手段密切結(jié)合，利用人體固有的生理特性，（如指紋、臉象、紅膜等）和行為特征（如筆跡、聲音、步態(tài)等）來進(jìn)行個(gè)人身份的鑒定。

第2頁/共36頁生物識別技術(shù)傳統(tǒng)的身份鑒定方法包括身份標(biāo)識物品（如鑰匙、證件、ATM卡等）和身份標(biāo)識知識（如用戶名和密碼）但由于主要借助體外物，一旦證明身份的標(biāo)識物品和標(biāo)識知識被盜或遺忘，其身份就容易被他人冒充或取代。

生物識別技術(shù)比傳統(tǒng)的身份鑒定方法更具安全、保密和方便性。生物特征識別技術(shù)具不易遺忘、防偽性能好、不易偽造或被盜、隨身“攜帶”和隨時(shí)隨地可用等優(yōu)點(diǎn)。

第3頁/共36頁生物識別技術(shù)由于人體特征具有人體所固有的不可復(fù)制的唯一性，這一生物密鑰無法復(fù)制，失竊或被遺忘，利用生物識別技術(shù)進(jìn)行身份認(rèn)定，安全、可靠、準(zhǔn)確。而常見的口令、IC卡、條紋碼、磁卡或鑰匙則存在著丟失、遺忘、復(fù)制及被盜用諸多不利因素。因此采用生物"鑰匙"，您可以不必?cái)y帶大串的鑰匙，也不用費(fèi)心去記或更換密碼。而系統(tǒng)管理員更不必因忘記密碼而束手無策。生物識別技術(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。

第4頁/共36頁生物識別技術(shù)生物識別技術(shù)可廣泛用于政府、軍隊(duì)、銀行、社會福利保障、電子商務(wù)、安全防務(wù)。例如，一位儲戶走進(jìn)了銀行，他既沒帶銀行卡，也沒有回憶密碼就徑直提款，當(dāng)他在提款機(jī)上提款時(shí)，一臺攝像機(jī)對該用戶的眼睛掃描，然后迅速而準(zhǔn)確地完成了用戶身份鑒定，辦理完業(yè)務(wù)，這是美國德克薩斯洲聯(lián)合銀行的一個(gè)營業(yè)部中發(fā)生的一個(gè)真實(shí)的鏡頭。而該營業(yè)部所使用的正是現(xiàn)代生物識別技術(shù)中的“虹膜識別系統(tǒng)”。美國9.11事件后，反恐怖活動(dòng)已成為各國政府的共識，加強(qiáng)機(jī)場的安全防務(wù)十分重要。美國維薩格公司的臉象識別技術(shù)在美國的兩家機(jī)場大顯神通，它能在擁擠的人群中挑出某一張面孔，判斷他是不是通緝犯。第5頁/共36頁虹膜識別技術(shù)（1）虹膜識別的生理學(xué)基礎(chǔ)眼睛的外觀圖由鞏膜、虹膜、瞳孔三部分構(gòu)成。鞏膜即眼球外圍的白色部分，約占總面積的30%；眼睛中心為瞳孔部分，約占5%；虹膜位于鞏膜和瞳孔之間，包含了最豐富的紋理信息，占據(jù)65%。瞳孔隨入射光線強(qiáng)度的變化，會產(chǎn)生收縮或擴(kuò)張，牽動(dòng)虹膜變化。虹膜與鞏膜、瞳孔的邊界均近似為圓形，是圖像匹配時(shí)可以利用的重要幾何信息。第6頁/共36頁虹膜識別技術(shù)（1）虹膜識別的生理學(xué)基礎(chǔ)眼睛的外觀圖由鞏膜、虹膜、瞳孔三部分構(gòu)成。鞏膜即眼球外圍的白色部分，約占總面積的30%；眼睛中心為瞳孔部分，約占5%；虹膜位于鞏膜和瞳孔之間，包含了最豐富的紋理信息，占據(jù)65%。瞳孔隨入射光線強(qiáng)度的變化，會產(chǎn)生收縮或擴(kuò)張，牽動(dòng)虹膜變化。虹膜與鞏膜、瞳孔的邊界均近似為圓形，是圖像匹配時(shí)可以利用的重要幾何信息。第7頁/共36頁虹膜識別技術(shù)（2）虹膜的生理結(jié)構(gòu)虹膜表面形貌高度細(xì)節(jié)化，包含了極為豐富的信息，外觀上看，由許多腺窩、皺褶、色素斑等構(gòu)成，是人體中最獨(dú)特的結(jié)構(gòu)之一。虹膜的形成由遺傳基因決定，人體基因表達(dá)決定了虹膜的形態(tài)、生理、顏色和總的外觀。到十二歲左右，虹膜就基本上發(fā)育到了足夠尺寸，進(jìn)入了相對穩(wěn)定的時(shí)期。除非極少見的反常狀況、身體或精神上大的創(chuàng)傷造成虹膜外觀上的改變外，虹膜形貌可以保持?jǐn)?shù)十年沒有多少變化。另一方面，虹膜是外部可見的，但同時(shí)又屬于內(nèi)部組織，位于角膜后面。要改變虹膜外觀，需要非常精細(xì)的外科手術(shù)，而且要冒著視力損傷的危險(xiǎn)。虹膜的高度獨(dú)特性、穩(wěn)定性及不可更改的特點(diǎn)，是虹膜可用作身份鑒別的物質(zhì)基礎(chǔ)。第8頁/共36頁虹膜識別技術(shù)（3）虹膜識別系統(tǒng)的構(gòu)成虹膜識別系統(tǒng)由光源、攝像頭(CCD)、圖像分析系統(tǒng)(計(jì)算機(jī))三部分構(gòu)成。光源提供照明，使虹膜可以清晰成像，以獲得高信噪比的信號。光源應(yīng)穩(wěn)定，因?yàn)殡S入射光線強(qiáng)度的變化，瞳孔會產(chǎn)生收縮或擴(kuò)張，牽動(dòng)虹膜變化，增大了匹配時(shí)的誤差。攝像頭將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，?jīng)A／D轉(zhuǎn)換后，送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析。計(jì)算機(jī)內(nèi)裝有虹膜圖像識別的圖像分析軟件，計(jì)算機(jī)內(nèi)預(yù)存有已分割好的虹膜參考圖像，參考虹膜圖像的半徑、中心坐標(biāo)已歸一化，所有虹膜的半徑r均相同，所有虹膜的中心(p,q)坐標(biāo)值相同。識別過程即將實(shí)時(shí)捕捉的圖像與預(yù)存參考圖像進(jìn)行匹配的過程，比較圖像之間的相似性，確定圖像是否來自同一對象，以確定拒絕或接受。第9頁/共36頁視網(wǎng)膜的技術(shù)同虹膜識別技術(shù)一樣，視網(wǎng)膜掃描可能具最可靠、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。雖然視網(wǎng)膜掃描的技術(shù)含量較高，但視網(wǎng)膜掃描技術(shù)可能是最古老的生物識別技術(shù)，在20世紀(jì)30年代，通過研究就得出了人類眼球后部血管分布唯一性的理論，進(jìn)一步的研究的表明，即使是孿生子，這種血管分布也是具有唯一性的，除了患有眼疾或者嚴(yán)重的腦外傷外，視網(wǎng)膜的結(jié)構(gòu)形式在人的一生當(dāng)中都相當(dāng)穩(wěn)定。第10頁/共36頁視網(wǎng)膜的技術(shù)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。第11頁/共36頁視網(wǎng)膜的技術(shù)準(zhǔn)確性和表現(xiàn)

視網(wǎng)膜掃描設(shè)備要獲得視網(wǎng)膜圖像，使用者的眼睛與錄入設(shè)備的距離應(yīng)在半英寸之內(nèi)，并且在錄入設(shè)備讀取圖象時(shí)，眼睛必須處于靜止?fàn)顟B(tài)，使用者的眼睛在注視一個(gè)旋轉(zhuǎn)的綠燈時(shí)，錄入設(shè)備從視網(wǎng)膜上可以獲得400個(gè)特征點(diǎn)，同指紋錄入比較，指紋只能提供30到40個(gè)特征點(diǎn)用來錄入，創(chuàng)建模板和完成確認(rèn)。由此可見，視網(wǎng)膜掃描技術(shù)的錄入設(shè)備的認(rèn)假率低于0.0001%（一百萬分之一），當(dāng)然其它一些生物掃描錄入技術(shù)也能達(dá)到0.0001%的認(rèn)假率（FAR），并且拒假率的水平也會不斷提高。FAR拒假率是指系統(tǒng)不正確地拒絕一個(gè)已經(jīng)獲得權(quán)限的用戶，使用視網(wǎng)膜錄入技術(shù)的場合，例如一些軍事設(shè)施，10%的拒假率是一個(gè)十分令人頭疼的問題。即使是這樣，它仍然是提供安全度的重要組成部分，當(dāng)然在銷售領(lǐng)域，一些對拒假率不真實(shí)的描述是一個(gè)十分難處理的問題。第12頁/共36頁面像識別技術(shù)

面像識別是近年來隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖象處理技術(shù)、模式識別技術(shù)等技術(shù)的快速進(jìn)步而出現(xiàn)的一種嶄新的生物特征識別技術(shù)。生物識別技術(shù)是依靠人體的身體特征來進(jìn)行身份驗(yàn)證的一種高科技識別技術(shù)，如同人的指紋、掌紋、眼虹膜、DNA以及相貌等人體特征具有人體所固有的不可復(fù)制的唯一性、穩(wěn)定性、無法復(fù)制一樣，不易失竊或被遺忘。由于每個(gè)人的這些特征都不相同，因此利用人體的這些獨(dú)特的生理特征可以準(zhǔn)確地識別每個(gè)人的身份。第13頁/共36頁面像識別技術(shù)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，人們開發(fā)了指紋識別、聲音識別、掌形識別、簽名識別、眼紋（視網(wǎng)膜）識別等多種生物識別技術(shù)，目前許多技術(shù)都己經(jīng)成熟并得以應(yīng)用。而面像識別技術(shù)則是生物識別技術(shù)的新秀，與其他識別技術(shù)相比較，面像識別具有簡便、準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)及可擴(kuò)展性良好等眾多優(yōu)勢，可廣泛應(yīng)用于安全驗(yàn)證、監(jiān)控、出入口控制等多個(gè)方面。第14頁/共36頁面像識別技術(shù)

面像識別技術(shù)包含面像檢測、面像跟蹤與面像比對等課題。面像檢測是指在動(dòng)態(tài)的場景與復(fù)雜的背景中判斷是否存在面像并分離出面像，面像跟蹤指對被檢測到的面像進(jìn)行動(dòng)態(tài)目標(biāo)跟蹤，面像比對則是對被檢測到的面像進(jìn)行身份確認(rèn)或在面像庫中進(jìn)行目標(biāo)搜索。

第15頁/共36頁面像識別技術(shù)

面像檢測分為參考模板、人臉規(guī)則、樣本學(xué)習(xí)、膚色模型與特征子臉等方法。參考模板方法首先設(shè)計(jì)一個(gè)或數(shù)個(gè)標(biāo)準(zhǔn)人臉模板，然后計(jì)算測試樣本與標(biāo)準(zhǔn)模板之間的匹配程度，通過閥值來判斷是否存在人臉；人臉具有一定的結(jié)構(gòu)分布特征，人臉規(guī)則即提取這些特征生成相應(yīng)的規(guī)則以判斷測試樣本是否包含人臉；樣本學(xué)習(xí)則采用模式識別中人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，通過對面像樣本集和非面像樣本集的學(xué)習(xí)產(chǎn)生分類器；膚色模型依據(jù)面像膚色在色彩空間中分布相對集中的規(guī)律來進(jìn)行檢測；特征子臉將所有面像集合視為一個(gè)面像子空間，基于檢測樣本與其在子空間的投影之間的距離判斷是否存在面像。上述方法在實(shí)際系統(tǒng)中也可綜合采用。

第16頁/共36頁面像識別技術(shù)

面像跟蹤一般采用基于模型的方法或基于運(yùn)動(dòng)與模型相結(jié)合的方法，另外，膚色模型跟蹤也不失為一種簡單有效的手段。

面像比對從本質(zhì)上講是采樣面像與庫存面像的依次比對并找出最佳匹配對象。因此，面像的描述決定了面像識別的具體方法與性能。目前主要有特征向量與面紋模板兩種描述方法.第17頁/共36頁面像識別技術(shù)

特征向量法先確定眼虹膜、鼻翼、嘴角等面像五官輪廓的大小、位置、距離、角度等等屬性，然后計(jì)算出它們的幾何特征量，這些特征量形成一描述該面像的特征向量；面紋模板法則在庫中存儲若干標(biāo)準(zhǔn)面像模板或面像器官模板，在比對時(shí)，采樣面像所有象素與庫中所有模板采用歸一化相關(guān)量度量進(jìn)行匹配。第18頁/共36頁面像識別技術(shù)面像識別過程

1．建立面像檔案:可以從攝像頭采集面像文件或取照片文件，生成面紋(Faceprint)編碼；2．獲取當(dāng)前面像，可以從攝像頭捕捉面像或取照片輸入，生成其面紋；3．將當(dāng)前面像的面紋編碼與檔案中的面紋編碼進(jìn)行檢索比對。

第19頁/共36頁面像識別技術(shù)面像識別技術(shù)應(yīng)用范圍:面像識別技術(shù)可應(yīng)用于諸多領(lǐng)域，如出入口控制、銀行金融系統(tǒng)、公安追輯嫌疑犯、反恐怖斗爭以及互聯(lián)網(wǎng)中等等。在我國開展的“追逃”斗爭，如果能利用面像識別技術(shù)，則可大大提高工作效率，并能對犯罪分子產(chǎn)生極大的威懾力量。使用面像識別系統(tǒng)只要在重要的車站、碼頭、機(jī)場、海關(guān)出入口附近架設(shè)攝像機(jī)，系統(tǒng)即可在無人職守的狀態(tài)下，自動(dòng)捕捉進(jìn)、出上述場所的人員的頭像，并通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)將面像特征數(shù)據(jù)傳送到計(jì)算機(jī)中心數(shù)據(jù)庫，自動(dòng)與面像數(shù)據(jù)庫中的逃犯面像比較，迅速準(zhǔn)確地作出身份判斷。一旦發(fā)現(xiàn)吻合的頭像，可以自動(dòng)報(bào)警并記錄。

第20頁/共36頁面像識別技術(shù)面像識別技術(shù)應(yīng)用范圍:我國銀行金融系統(tǒng)對安全控制有著極高的要求，如電子商務(wù)信息系統(tǒng)、金庫的安全設(shè)施、保險(xiǎn)柜、自動(dòng)柜員機(jī)的使用等。由于近年來金融詐騙、搶劫發(fā)生率有所增高，對傳統(tǒng)安全措施提出了新的挑戰(zhàn)。面像識別技術(shù)不需要攜帶任何電子、機(jī)械“鑰匙”，可以杜絕丟失鑰匙、密碼的現(xiàn)象，如果配合IC卡、指紋識別等技術(shù)可以使安全系數(shù)成倍增長。同時(shí)，在ATM自動(dòng)取款機(jī)上應(yīng)用面像識別技術(shù)，可以免除用戶忘記密碼的苦惱，還可以有效防止冒領(lǐng)、盜取的事件發(fā)生。

第21頁/共36頁聲音識別技術(shù)

聲音識別技術(shù)是根據(jù)用戶提供的話音進(jìn)行分析，從而完成身份認(rèn)證和個(gè)體識別的技術(shù)。聲音識別系統(tǒng)的價(jià)格一般比較便宜，并且它們也可以用在與PC相連的裝置上，例如麥克風(fēng)等。許多人認(rèn)為，與應(yīng)用到網(wǎng)絡(luò)登錄上相比，聲音認(rèn)證系統(tǒng)更適合于集成到電話應(yīng)用中。聲音認(rèn)證與聲音識別系統(tǒng)一般都是一起使用的。也就是說，認(rèn)證系統(tǒng)必須首先識別出說話的語境，然后再對用戶進(jìn)行認(rèn)證。在認(rèn)證時(shí)主要利用用戶聲音的唯一特征，如音調(diào)、音質(zhì)和頻率等。但是由于聲音可以很容易地用磁帶或其它記錄器進(jìn)行“拷貝”，一些聲音認(rèn)證系統(tǒng)采用了“挑戰(zhàn)”反應(yīng)的技術(shù)，這種技術(shù)要求用戶對一些提前保存的詢問作出反應(yīng)，如按要求隨機(jī)重復(fù)幾個(gè)數(shù)字等第22頁/共36頁聲音識別技術(shù)

聲音的辯識是對基于生理學(xué)和行為特征的說話者嗓音和語言學(xué)模式的運(yùn)用。它與語言識別不同在于這項(xiàng)技術(shù)不對說出的詞語本身進(jìn)行辯識。而是通過分析語音的唯一特性，例如發(fā)音的頻率，來識別出說話的人。語音辯識技術(shù)使得人們可以通過說話的嗓音來控制能否出入限制性的區(qū)域。舉例來說，通過電話撥入銀行、數(shù)據(jù)庫服務(wù)、購物或語音郵件，以及進(jìn)入保密的裝置。第23頁/共36頁聲音識別技術(shù)

雖然語音識別是方便的，但由于非人性化的風(fēng)險(xiǎn)、遠(yuǎn)程控制和低準(zhǔn)確度，它并不可靠。一個(gè)患上感冒的人有可能被錯(cuò)誤的拒認(rèn)從而無法使用該語音識別系統(tǒng)。第24頁/共36頁聲音識別技術(shù)

聲音識別的優(yōu)點(diǎn)：

聲音識別也是一種非接觸的識別技術(shù)，用戶可以很自然地接受。聲音識別的缺點(diǎn)

和其他的行為識別技術(shù)一樣，聲音因?yàn)樽兓姆秶?，故而很難進(jìn)行一些精確的匹配；聲音會隨著音量、速度和音質(zhì)的變化(例如當(dāng)你感冒時(shí))而影響到采集與比對的結(jié)果第25頁/共36頁簽名識別技術(shù)

簽名識別的優(yōu)點(diǎn)：簽名識別，也被稱為簽名力學(xué)辯識（DanamicSignatureVerification--DSV），它是建立在簽名時(shí)的力度上的。它分析的是筆的移動(dòng)，例如加速度、壓力、方向以及筆劃的長度，而非簽名的圖像本身。簽名力學(xué)的關(guān)鍵在于區(qū)分出不同的簽名部分，有些是習(xí)慣性的，而另一些在每次簽名時(shí)都不同。簽名的使用已經(jīng)被廣泛地接受，應(yīng)用范圍從獨(dú)立宣言到信用卡都可見到。然而，簽名辯識的問題仍然存在于獲取在辯識過程中使用的度量的方式以及簽名的重復(fù)性。DSV系統(tǒng)已被控制在某種方式上去接受變量。但是，如果不降低接受率，它就無法持續(xù)地衡量簽名的力度。

使用簽名識別更容易被大眾接受而且是一種公認(rèn)的身份識別的技術(shù)。第26頁/共36頁簽名識別技術(shù)

簽名識別的缺點(diǎn)

隨著經(jīng)驗(yàn)的增長，性情的變化與生活方式的改變，簽名也會隨著而改變；

為了處理簽名的不可避免的自然改變，我們必須在安全方面做以妥協(xié)；

因?yàn)楹灻乃俣炔豢?，我們無法在Internet上使用它；

用于簽名的手寫板結(jié)構(gòu)復(fù)雜而且價(jià)格昂貴，因?yàn)楹凸P記本電腦的觸摸板的分辨率有著很大的差異，我們在技術(shù)上很難將兩者結(jié)合起來；很難將它的尺寸小型化。

第27頁/共36頁指紋識別技術(shù)

第28頁/共36頁指紋識別技術(shù)

每個(gè)人包括指紋在內(nèi)的皮膚紋路在圖案、斷點(diǎn)和交叉點(diǎn)上各不相同，呈現(xiàn)惟一性且終生不變。據(jù)此，我們就可以把一個(gè)人同他的指紋對應(yīng)起來，通過將他的指紋和預(yù)先保存的指紋數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，就可以驗(yàn)證它的真實(shí)身份，這就是指紋識別技術(shù)。

指紋識別主要根據(jù)人體指紋的紋路、細(xì)節(jié)特征等信息對操作或被操作者進(jìn)行身份鑒定，得益于現(xiàn)代電子集成制造技術(shù)和快速而可靠的算法研究，已經(jīng)開始走入我們的日常生活，成為目前生物檢測學(xué)中研究最深入，應(yīng)用最廣泛，發(fā)展最成熟的技術(shù)。第29頁/共36頁指紋識別技術(shù)

每個(gè)指紋都有幾個(gè)獨(dú)一無二、可測量的特征點(diǎn)，每個(gè)特征點(diǎn)都有大約5~7個(gè)特征，我們的十個(gè)手指產(chǎn)生最少4900個(gè)獨(dú)立可測量的特征，這足以說明指紋識別是一個(gè)更加可靠的鑒別方式。識別指紋主要從兩個(gè)方面展開：總體特征和局部特征。

第30頁/共36頁指紋識別技術(shù)

總體特征是指那些用人眼直接就可以觀察到的特征。包括紋形、模式區(qū)、核心點(diǎn)、三角點(diǎn)和紋數(shù)等。紋形：指紋專家在長期實(shí)踐的基礎(chǔ)上，根據(jù)脊線的走向與分布情況一般將指紋分為三大類——環(huán)型（loop，又稱斗形）、弓形（arch）、螺旋形（whorl）。模式區(qū)：即指紋上包括了總體特征的區(qū)域，從此區(qū)域就能夠分辨出指紋是屬于哪一種類型的。有的指紋識別算法只使用模式區(qū)的數(shù)據(jù)，有的則使用所取得的完整指紋。第31頁/共36頁指紋識別技術(shù)

核心點(diǎn)：位于指紋紋路的漸進(jìn)中心，它在讀取指紋和比對指紋時(shí)作為參考點(diǎn)。許多算法是基于核心點(diǎn)的，即只能處理和識別具有核心點(diǎn)的指紋。三角點(diǎn)：位于從核心點(diǎn)開始的第一個(gè)分叉點(diǎn)或者斷點(diǎn)，或者兩條紋路會聚處、孤立點(diǎn)、折轉(zhuǎn)處，或者指向這些奇異點(diǎn)。三角點(diǎn)提供了指紋紋路的計(jì)數(shù)跟蹤的開始之處。紋數(shù)：即模式區(qū)內(nèi)指紋紋路的數(shù)量。在計(jì)算指紋的紋路時(shí)，一般先連接核