[科普中国]-生物特征识别

技术概述摘录

在当今信息化时代，如何准确鉴定一个人的身份、保护信息安全，已成为一个必须解决的关键社会问题。传统的身份认证由于极易伪造和丢失，越来越难以满足社会的需求，目前最为便捷与安全的解决方案无疑就是生物识别技术。它不但简洁快速，而且利用它进行身份的认定，安全、可靠、准确。同时更易于配合电脑和安全、监控、管理系统整合，实现自动化管理。由于其广阔的应用前景、巨大的社会效益和经济效益，已引起各国的广泛关注和高度重视。因此，本论文将尝试探讨整理生物特征识别技术这项前沿技术，和新兴的多模态发展趋势，并且关注其最新的科研方向及在实际中的推广利用现状！1

关键词生物特征；生物特征的识别与认证；步态识别；虹膜识别；皮肤芯片；脸像识别；多模态（即多生物特征融合）识别技术；

每个个体都有唯一的可以测量或可自动识别和验证的生理特性或行为方式，即生物特征。它可划分为生理特征（如指纹、面像、虹膜、掌纹等）和行为特征（如步态、声音、笔迹等）。生物识别就是依据每个个体之间独一无二的生物特征对其进行识别与身份的认证。他的主要内容是生物识别技术和生物识别系统

定义生物识别技术（Biometric Identification Technology）是指利用人体生物特征进行身份认证的一种技术。更具体一点，生物特征识别技术就是通过计算机与光学、声学、生物传感器和生物统计学原理等高科技手段密切结合，利用人体固有的生理特性和行为特征来进行个人身份的鉴定。

生物识别系统是对生物特征进行取样，提取其唯一的特征并且转化成数字代码，并进一步将这些代码组合而成的特征模板。人们同识别系统交互进行身份认证时，识别系统获取其特征并与数据可中的特征模板进行比对，以确定是否匹配，从而决定接受或拒绝该人。

在目前的研究与应用领域中，生物特征识别主要关系到计算机视觉、图象处理与模式识别、计算机听觉、语音处理、多传感器技术、虚拟现实、计算机图形学、可视化技术、计算机辅助设计、智能机器人感知系统等其他相关的研究。已被用于生物识别的生物特征有手形、指纹、脸形、虹膜、视网膜、脉搏、耳廓等，行为特征有签字、声音、按键力度等。基于这些特征，生物特征识别技术已经在过去的几年中已取得了长足的进展。

热点技术指纹识别指纹识别已被全球大部分国家政府接受与认可，已广泛地应用到政府、军队、银行、社会福利保障、电子商务和安全防卫等领域。在我国，北大高科等对指纹识别技术的研究开发已达到可与国际先进技术抗衡，中科院的汉王科技公司在一对多指纹识别算法上取得重大进展，达到的性能指标中拒识率小于0.1%，误识率小于0.0001%，居国际先进水平；指纹识别技术在我国已经得到较广泛的应用，随着网络化的更加普及，指纹识别的应用将更加广泛2。

脸像识别人脸识别的实现包括面部识别（多采用"多重对照人脸识别法"，即先从拍摄到的人像中找到人脸，从人脸中找出对比最明显的眼睛，最终判断包括两眼在内的领域是不是想要识别的面孔）和面部认证（为提高认证性能已开发了“摄动空间法”，即利用三维技术对人脸侧面及灯光发生变化时的人脸进行准确预测。以及“适应领域混合对照法”，使得对部分伪装的人脸也能进行识别）两方面，基本实现了快速而高精度的身份认证。由于其属于是非接触型认证，仅仅要看到脸部就可以实现很多应用，因而可被应用在：证件中的身份认证；重要场所中的安全检测和监控；智能卡中的身份认证；计算机登录等网络安全控制等多种不同的安全领域。随着网络技术和桌上视频的广泛采用、电子商务等网络资源的利用对身份验证提出的新的要求，依托于图像理解、模式识别、计算机视觉和神经网络等技术的脸像识别技术在一定应用范围内已获得了成功。目前国内该项识别技术在警用等安全领域用得比较多。这项技术亦被用在现在的一些中高档相机的辅助拍摄方面（如人脸识别拍摄）3。

皮肤芯片这种方法通过把红外光照进一小块皮肤并通过测定的反射光波长来确认人的身份。其理论基础是每个具有不同皮肤厚度和皮下层的人类皮肤，都有其特有的标记。由于皮肤、皮层和不同结构具有个性和专一特性，这些都会影响光的不同波长，目前Lumidigm公司开发了一种包含银币大小的两种电子芯片的系统。第一个芯片用光反射二极管照明皮肤的一片斑块，然后收集反射回来的射线，第二个芯片处理由照射产生的“光印”（light print）标识信号。相对于指纹（Fingerprinting）和面认(Face recognition)所采用的采集原始形象并仔细处理大量数据来从中抽提出需要特征的生物统计学方法（See“Face Recognition”/TR Nov 2001），光印不依赖于形象处理，使得设备只需较少的计算能力4。

步态识别步态识别技术现还处在初期阶段，其发展还面临许多艰难的挑战。这项技术的最新进展在由美国国防先进研究项目代表设立基金研究通过人体语言确认人的身份的美国科研机构中。其理论是每个人以相同的方式生活，都有自己专一的信号或指纹，每个人也有自己专一的走路步伐。其技巧是收集人体语言并把它转化为计算机能识别的数字。

一种方法每个人建立“运动信号”来识别。他们从拍摄人走路或跑步的方法开始研究每个人的运动信号，再利用计算机上的模拟照相机捕捉和储存这一运动行为（用软件工具除去冗余最终只以数字形象储存物体的一系列轮廓）。之后只要一个人把他的整个走路过程拍摄下来，指令计算机就能根据储存的形象确定这个人的身份。通过系统很好地归纳所有不同的步伐后，据称现已经获得90%~95%的正确匹配。”

另一种方法则是使用结构分析方法去测定一个人的跨步和腿伸展特性。

这两种技术迄今所有的数据库形象是两维的，并很大程度上取决于照相机的角度。当一个系统企图采用不同的角度去比较同一个人两个镜头时，就会出现问题。很大程度上直接限制了它的发展！

虹膜识别个体的虹膜结构独一无二、不具遗传性（使即使是同卵双胞胎虹膜也各不相同），并且自童年以后，便基本不再变化，使得其非常适合应用于生物识别。有统计表明，到目前为止，虹膜识别的错误率是各种生物特征识别中最低的。目前，国际上掌握虹膜识别核心技术的仅有我国中科模识科技有限公司和另一家美国公司。并且我国已经获得了“虹膜图像采集装置”和“基于虹膜识别的身份鉴定方法与装置”等多项专利。

此外应用广泛的还有笔迹识别、语音识别、红外温谱图等其他特征识别方式。

静脉识别静脉识别系统就是首先通过静脉识别仪取得个人静脉分布图，从静脉分布图依据专用比对算法提取特征值，通过红外线CMOS摄像头获取手指静脉、手掌静脉、手背静脉的图像，将静脉的数字图像存贮在计算机系统中，将特征值存储。静脉比对时，实时采取静脉图，提取特征值，运用先进的滤波、图像二值化、细化手段对数字图像提取特征，同存储在主机中静脉特征值比对，采用复杂的匹配算法对静脉特征进行匹配，从而对个人进行身份鉴定，确认身份。全过程采用非接触式

视网膜识别视网膜是眼睛底部的血液细胞层。视网膜扫描是采用低密度的红外线去捕捉视网膜的独特特征，血液细胞的唯一模式就因此被捕捉下来。视网膜识别的优点就在于它是一种极其固定的生物特征，因为它是“隐藏”的，故而不可能受到磨损，老化等影响；使用者也无需和设备进行直接的接触；同时它是一个最难欺骗的系统，因为视网膜是不可见的，故而不会被伪造。另一方面，视网膜识别也有一些不完善的，如：视网膜技术可能会给使用者带来健康的损坏，这需要进一步的研究；设备投入较为昂贵，识别过程的要求也高，因此角膜扫描识别在普遍推广应用上具有一定的难度。

手掌几何学识别手掌几何学识别就是通过测量使用者的手掌和手指的物理特征来进行识别，高级的产品还可以识别三维图象。作为一种已经确立的方法，手掌几何学识别不仅性能好，而且使用比较方便。它适用的场合是用户人数比较多，或者用户虽然不经常使用，但使用时很容易接受。如果需要，这种技术的准确性可以非常高，同时可以灵活地调整性能以适应相当广泛的使用要求。手形读取器使用的范围很广，且很容易集成到其他系统中，因此成为许多生物特征识别项目中的首选技术。

DNA识别人体内的DNA在整个人类范围内具有唯一性（除了同卵双胞胎可能具有同样结构的DNA外）和永久性。因此，除了对同卵双胞胎个体的鉴别可能失去它应有的功能外，这种方法具有绝对的权威性和准确性。DNA鉴别方法主要根据人体细胞中DNA分子的结构因人而异的特点进行身份鉴别。这种方法的准确性优于其它任何身份鉴别方法，同时有较好的防伪性。然而，DNA的获取和鉴别方法（DNA鉴别必须在一定的化学环境下进行）限制了DNA鉴别技术的实时性；另外，某些特殊疾病可能改变人体DNA的结构组成，系统无法正确的对这类人群进行鉴别。

声音和签字识别声音和签字识别属于行为识别的范畴。声音识别主要是利用人的声音特点进行身份识别。声音识别的优点在于它是一种非接触识别技术，容易为公众所接受。但声音会随音量、音速和音质的变化而影响。比如，一个人感冒时说话和平时说话就会有明显差异。再者，一个人也可有意识地对自己的声音进行伪装和控制，从而给鉴别带来一定困难。签字是一种传统身份认证手段。现代签字识别技术，主要是透过测量签字者的字形及不同笔划间的速度、顺序和压力特征，对签字者的身份进行鉴别。签字与声音识别一样，也是一种行为测定，因此，同样会受人为因素的影响。

亲子鉴定由于人体约有30亿个核苷酸构成整个染色体系统，而且在生殖细胞形成前的互换和组合是随机的，所以世界上没有任何两个人具有完全相同的30亿个核苷酸的组成序列，这就是人的遗传多态性。尽管遗传多态性的存在，但每一个人的染色体必然也只能来自其父母，这就是DNA亲子鉴定的理论基础。

手形识别手形指的是手的外部轮廓所构成的几何图形。大量生物学研究表明，人的手形在一个相当长的时期内具有良好的稳定性，并且，两个不同人的手形是不同的，即手形特征具有唯一性。此外，手形特征也具有普遍性，易采集性等其他特点，满足成为生物特征的所有要求，因此可以利用手形来对人的身份进行认证。

手形研究多采用人手手指的三维轮廓特征作为手形特征，但是，由于三维点采集起来比较复杂，目前，有越来越多的研究者把目光转向了二维手形识别方法的研究，并且取得了一定的进展。

签名识别个人手写签名虽然不是一种固有生理特征的外在表现，但是由于签名基本上是一种自在的手腕运动，个人签名时在握笔姿势、运笔习惯、用力轻重等方面都有自己的特点。 J.J. Denier，VGon和J. Thuring等认为手写签名是一种“弹道运动”，是个人无意识的习惯动作。手写签名认证就是根据个人书写的特点来比较当前签名与预先存储的签名样本或模板之间的相似程度，通过相似程度来判断签名的真伪并相应地判别当前签名者身份的真伪。

签名认证与其他生物特征认证方法相比，最明显的特点就是传统手写签名的身份鉴别形式在人们日常生活中经常使用，同时文字书写也是人们普遍具有和使用的技能，因而容易被人们接受。随着传感器技术和计算机技术的发展，支持手写功能的计算机和电子设备（手写板、个人数字助理，智能手机等）日渐普及，这也为手写签名认证的应用提供了极大的便利。

技术优势生物识别技术是目前最为方便与安全的识别技术，它不需要记住复杂的密码，也不需随身携带钥匙、智能卡之类的东西。生物识别技术认定的是人本身，这就直接决定了这种认证方式更安全、更方便了。由于每个人的生物特征具有与其他人不同的唯一性和在一定时期内不变的稳定性，不易伪造和假冒，所以利用生物识别技术进行身份认定，安全、可靠、准确。此外，生物识别技术产品均借助于现代计算机技术实现，很容易配合电脑和安全、监控、管理系统整合，实现自动化管理。

技术发展人类利用生物特征识别的历史可追溯到古代埃及人通过测量人体各部位的尺寸来进行身份鉴别，现代生物识别技术始于70年代中期，由于早期的识别设备比较昂贵，因而仅限于安全级别要求较高的原子能实验、生产基地、犯罪甄别等。现在由于微处理器及各种电子元器件成本不断下降，精度逐渐提高，生物识别系统逐渐应用于商业上的授权控制等领域。

目前人们已经发展了指纹识别、掌纹与掌形识别、虹膜识别、人脸识别、手指静脉识别、声音识别、签字识别、步态识别、键盘敲击习惯识别，甚至DNA识别等多种生物识别技术。但相关市场上占有率最高的仍是指纹机和手形机，并且这两种识别方式也是目前技术发展中最成熟的5。

发展趋势生物特征识别系统在利用个人特征来鉴别或验证用户身份时，如果有生物特征被察觉或检测到是“有噪音的”（比如指纹中带有疤痕或者因感冒而改变声音时），这个生物特征识别系统的性能可能会受到损害，此时的匹配评分计算是不可靠的。这个问题可以通过安装多种传感器捕捉不同的生物特征来解决，这也被称为生物特征融合或多模态生物特征识别系统。

基于多模态或多生物特征融合的解决方案代表了一个新兴趋势，某些应用会比单一方法的识别系统具有更好的技术性能。国际标准化组织（ISO）和国际电工委员会（IEC）已经联合公布了《信息技术—生物特征—多模态和其他多生物特征融合》（ISO/IECTR24722∶2007），该方案能融合多种生物指令，以保证在一种生物特征失真的情况下，仍能顺利识别。新的ISO/IECTR24722∶2007不但包含了目前就多模态和多生物特征融合做法的描述和分析，它还研讨了需求、可能的路径和标准化来支持多生物特征识别系统，以提高其通用性和实用性。这项最新的ISO/IEC技术报告提供了多模态和其他多生物识别系统的总的概述，并给出了关于多生物特征融合的一个参考——生物特征识别系统需要一种以上的生物模态。

多生物特征解决方案的潜在好处是能延伸到人体进入控制区域从而获取敏感数据。这样，就能使生物特征识别系统更安全，入侵者用人造物或模仿品来同时骗过多生物特征基本上是不可能的，而个人在某项特征不便时亦可灵活调换。

在国内，由清华大学丁晓青教授组研制的TH-ID系统多模式生物特征（人脸、笔迹、签字、虹膜）身份认证识别系统已通过教育部组织的专家鉴定。能够实现在复杂背景下的图像和视频人脸自动检测、识别和认证，在人脸、笔迹、签字、虹膜的识别认证技术上取得了重要进展，在整体上达到了国际领先水平。

该系统包括两大部分内容：人脸、笔迹、签字和虹膜四种生物特征的身份认证（识别和验证）的四个子系统和利用多种生物特征的多模生物特征融合的身份认证系统。他们构建了基于统一数据库的人脸、笔迹、签字、虹膜四种生物特征的多模生物特征身份识别认证系统，能够进行融合模式的选择，进行各种可能的模式融合。可以有效克服单一生物特征常有的缺陷，极大地提高了身份认证的准确度，从而也为生物特征身份认证的实际应用打下了坚实的基础6。

人脸识别在所有的技术中，现阶段更受瞩目的并迅速发展是人脸识别。它目前主要有三种应用模式：1、是人脸识别监控，即将需要重点关注的人员照片存放在系统中，当此类人员出现在监控设备覆盖的范围中时系统将报警提示。此种模式主要应用在奥运通道安检、地铁等需要实时预警的地点。2、人脸识别比对检索，即利用特定对象的照片与已知人员照片库进行比对，进而确定其身份信息。能够解决传统人工方式工作量巨大、速度慢、效率低等问题，可应用在网络照片检索、身份识别等环境。适合于机场等人员流动大的公众场所，但需要大型数据库的支持。3、身份确认，即确认监控设备和照片中的人是否是同一人。可广泛应用于需要身份认证的场所，如自助通关、银行金库、门禁以及需要实行实名制管理的业务，如银行业务等。

据悉2008年北京奥运会将全面运用人脸识别系统人群中快速辨认和甄别恐怖分子和其他可能引发犯罪的人员，以防止其进入相关的敏感区域。

在生物特征识别领域近些年的发展中，国际上虽然制定了一些标准，但远不够完善。鉴于我国目的技术在国际上也属于领先水平，因此在现阶段我们有必要抓紧制定国内标准，掌握主动权。在可预见的将来，我们有理由对自己有信心，对我们所在的生物特征识别领域有信心！中国在这一方面必将取得喜人的成就！

应用方向目前，生物识别技术在生活方面主要有三大应用方向：1、作为刑侦鉴定的重要手段；2、满足企业安全、管理上的需求（例如物理门禁、逻辑门禁、考勤、巡更等系统，已经全面引入生物识别技术）；3、自助式政府服务、出入境管理，金融服务、电子商务，信息安全（个人隐私保护）方面。

生物识别应用之发展潜力和背景，在现阶段的中国，主要体现在以下几个方面：首先，巨大的人口基数，以及越来越频繁的流动性。这其中不论静态管理还是动态控制，身份识别当然是首要因素。其次，经济全球化背景下，中国产生的数量庞大、规模超凡的世界工厂的安全和管理，亦是生物识别的用武之地。另外，经济全球化带来更直接的影响，是频繁的个人身份认证的需求。再次，电子商务和电子政务的演变和普及中生物识别，是现阶段及可预见的将来最佳的解决方案7。

主要案例昆明恐怖袭击事件发生后，经历40余小时，全部罪犯落网。公安部的公告中提到了侦破、追捕过程中运用的两大科技手段：DNA鉴定和指纹对比。这两项技术是目前世界范围内应用最广、也是最为成熟的犯罪侦查技术之一。在抓捕过程中，政府通过对犯罪现场的侦查获得罪犯指纹，然后在追捕过程中通过不断收集嫌疑人指纹并进行核对，以此判断罪犯的行踪，确保追捕方向的准确性。8

追捕过程中的另一项重要应用是利用声纹识别+通讯追踪来抓捕罪犯。恐怖分子在逃亡过程中，通常会与组织、同伙保持联系。此时通过通讯追踪+声纹识别，可以为侦查追捕提供最新的罪犯位置和身份信息。通过监听已抓获罪犯的通讯，判断与其联系的人员身份，然后进行定位，可以快速地抓获漏网成员。声纹与指纹一样，是稳定且唯一的生物特征。尽管每个人的语音声学特征可以因生理、病理、心理和模拟、伪装等原因产生变异，但其声纹图谱仍具有相当的稳定性。现代的声纹技术，已经可以对录音和经过处理的声音进行解析和还原，以确定发言人的真实身份。8

美国中央情报局就曾一直使用语音识别系统对拉登的录音进行鉴识。拉登的音像信息每一次公布，美国情报部门都会通过语音鉴识技术来辨别其真伪，2010年，正是拉登的信使艾哈迈德在一次电话通信中被情报部门锁定，致使拉登的行踪暴露。目前的语音鉴识技术已经相当成熟，实际上，早在上世纪70年代，美国情报部门就开始使用这一技术监测前苏联领导人。8

声纹识别除了可以用于识别说话人，还可以进行语意的判断，以此掌握恐怖组织的具体行动部署。当然，这种应用对技术有更高的要求。通常除了理解表层的话语主题以外，还需要对话语的深层信息包括特定对象的语言风格进行鉴识，语言风格实际上就是个人长期形成的语言应用特点系列。2002年11月，拉登的一段录音在卡塔尔半岛电视台播放。当月18日，美国白宫发言人斯科特·麦克莱伦称，“我们的情报专家已经确认，那盘录音带是真的”。麦克莱伦披露，美国中央情报局和国家安全局情报专家、语言学家将此录音与拉登此前的录音进行了比对。不久，美联社详细报道了对拉登语言风格的鉴识结果：“讲话者在此次录音中使用了和以往本·拉登录音带中相似的语言，包括寻章摘句的修辞风格与柔和的语音语调。”8