[科普中国]-生物模式识别

概述

随着光电技术、微计算机技术、图像处理技术与模式识别等技术的快速发展，出现了一种崭新的人体生物特征识别技术， 这就是依靠人体生物特征来进行人的身份验证的一种高科技识别技术。

“ 911”事件后， 随着国际恐怖活动的加剧，一种被称为生物测量学的学科正在悄然兴起。提起生物测量学(生物识别技术)，可能许多人会感到很陌生，但说到指纹鉴定，恐怕就没有什么人不知道了，人们会想到侦探电影中破案人员依靠现场指纹进行罪犯确认、用指纹代替密码开启保险箱、依靠眼睛对着一个小摄像机来取代钥匙开门等等。其实，指纹鉴定只是生物识别技术的一种。生物识别技术的主要任务， 就是研究如何根据人的生物和行为特征(例如指纹、虹膜、视网膜、脸型、声音、签字等)利用计算机对每个人的真实身份进行自动识别。生物识别技术的核心在于如何获取这些生物特征，并将其转换为数字信息，存储于计算机中，利用可靠的匹配算法来完成验证与识别个人身份的过程。

起源和发展生物识别的历史可追溯到古代埃及。人通过测量人的尺寸来鉴别他们，像这种基于测量人体身体某一部分或者举止的某一方面的识别技术一直延续了几个世纪。公元前7, 000年到6, 000年以前，在古叙利亚和中国，指纹用作身份鉴别已经开始应用。考古发现，在这个时代，一些粘土陶器上留有陶艺匠人的指纹，中国的一些文件上印有起草者的大拇指指纹，在古希腊的房屋中也发现留有砖匠一对大拇指指纹的印记。

科学研究发现了指纹的两个重要特征：一是两个不同手指的指纹纹脊的式样不同，另外一个是指纹纹脊的式样终生不改变。这个研究成果使得指纹在犯罪鉴别中得以正式应用，1896年阿根廷首次应用，然后是1901年的苏格兰，20世纪初其他国家也相继应用到犯罪鉴别中。

20世纪60年代，由于计算机可以有效地处理图形，人们开始着手研究利用计算机来处理指纹。从那时起，自动指纹识别系统AFIS在法律实施方面的研究和应用在世界许多国家展开，FBI在20世纪60年代末期开始使用一种自动识别指纹的设备，到20世纪70年代末期，已经有一定数量的设备开始在美国大范围使用。用于商业的高级生物测定设备最早开始于20世纪70年代，一种叫作Identimat的设备出现了，它通过测量手的形状和手指的长度来用作识别的标志。

20世纪80年代，个人电脑、光学扫描这两项技术的革新，使得它们作为指纹取像的工具成为了现实，从而使指纹识别可以在其他领域中得以应用，如代替IC卡。现在，低价位取像设备的引入及其飞速发展，可靠的比对算法的发现为个人身份识别应用的增长提供了舞台1。

技术特点1、生物特征身份鉴别的特点

生物特征身份鉴别技术是通过计算机将人体所固有的生理或行为特征收集并进行处理, 由此进行个人身份鉴定的技术。能够作为身份鉴别的生物特征理论上应该具有以下特点。

(1)广泛性，即每个人都应该具有这种特征。

(2)惟一性，每个人拥有的该项特征各不相同,独一无二。

(3)稳定性，该特征不随时间、外界条件变化。

(4)可采集性，所选择的特征应便于测量。

目前正在用于研究和使用的生物特征包括脸部、虹膜、视网膜、指纹、掌纹、手形等与生俱来的生理特征和语音、签名、步态等后天习惯使然的行为特征。生物特征身份鉴别技术包含身份验证和识别两方面内容。身份验证是确定用户是否是其所声明的那个人, 身份识别是确定用户是目标人群中的那个人, 两者在实现方法和鉴别系统的复杂程度上有着极大的不同, 可根据不同的应用场合作适当的选取。

2、生物特征身份鉴别系统模型

生物特征身份鉴别是个典型的模式识别问题。身份鉴别分两个步骤:首先是系统注册阶段，即建立模板数据库的过程。将待识别所有用户的生物特征经传感器采集并进行特征提取, 形成用户模板存储在模板数据库中。其次是系统识别阶段，将新采集来的生物特征进行特征提取后与模板数据库中的模板进行比对，以检验用户身份。如果只是进行身份验证则只需提取模板数据库中对应该用户的模板进行比对决定真伪即可。

3、生物识别的过程

要把人体的特征用于身份识别, 这些特征必须具有惟一性和稳定性。研究和经验表明, 人的指纹、掌纹、面孔、发音、虹膜、视网膜、骨架等都具有惟一性和稳定性的特征, 即每个人的这些特征都与别人不同, 且终生不变, 因此就可以据此识别出人的身份。一个先进的生物识别系统要求能实时迅速有效地完成其识别过程。一般来说, 生物识别系统都

包括如下几个处理过程。

(1)采集样本

很显然，在通过生物识别验证个人身份之前,首先要捕捉选择好的生物学特征的样本。这个样本就成为生物识别的模板，以后验证时取得的新样本要以原始模板为参考进行比较，通常要取多份样品(典型的是3 个)以得到有代表性的模板。取样的过程和结果对于生物识别成功与否至关重要。对于不同的生物识别技术， 取样的原理和方法是不同的。例如， 面孔识别系统通过分析脸部特征的惟一形状、模式和位置来辨识人，基本上有两种方法来采集数据:摄像机和热量绘图。标准摄像技术是建立在由摄像机捕捉到的脸部图像上的。热量绘图技术则是分析皮肤下的血管的热量发生模式。声音识别是对基于生理学和行为特征的说话者嗓音和语言学模式的运用。它与语言识别的不同在于这项技术不对说出的词语本身进行辨识，而是通过分析语音的惟一特性(例如发音的频率)来识别出说话的人。签名识别是建立在签名时的力度上的，它分析的是笔的移动。例如加速度、压力、方向以及笔划的长度，而非签名的图像本身。签名识别的关键在于区分出不同的签名部分，有些是习惯性的，而另一些在每次签名时都不同。

(2)储存模板

取样之后，模板要经过加密储存起来。模板的储存可以有以下几种选择。

1)存放在生物识别阅读设备里。

2)存放在远程中央数据库里。这种方法适用于安全的网络环境，而且要有足够的运行速度。

3)存放在便携物里，如智能卡。这是一个很吸引人的想法， 因为它不需要另行储存模板，用户可以携带自己的模板在任意设备上使用。但是，如果用户丢失或损坏了智能卡，他就必须重新输入数据。另一个要考虑的是成本和系统复杂性问题，因为要集成的东西很多。

(3)身份验证

验证过程是这样的：用户通过某种设备输入其生物学特征，提出身份鉴定请求，输入的特征与模板比较后得出匹配或不匹配的结果。除了告诉用户外，这一过程还被记录下来存在本地或远程主机上。在有些系统中，参考用的模板是随着每一次有效的交易过程而动态更新的，这样可以使系统适应由客观因素造成的微小变化，如用户年龄增长、机器磨损等2。