生物識別技術及應用

1、生物特征識別技術及應用,,身份識別的重要性,人的身份識別在現(xiàn)代社會變得越來越重要 我們急需一種更加方便、有效、安全的身份識別技術,什么是生物識別,當前，生物識別技術正成為一個蓬勃發(fā)展的領域，成為信息處理及計算機工業(yè)的一個重要應用方向。生物識別技術主要是指通過可測量的身體或行為等生物特征進行身份認證的一種技術；而生物特征是指唯一的可以測量或可自動識別和驗證的生理特征或行為方式。,生物特征分為身體特征和行為特征兩類。身體特征包括：指

2、紋、掌型、視網(wǎng)膜、虹膜、人體氣味、臉型、手的血管和DNA等；行為特征包括： 簽名、語 音、行走步態(tài)等。,,目前部分學者將視網(wǎng)膜識別、虹膜識別和指紋識別等歸為高級生物識別技術；將掌型識別、臉型識別、語音識別和簽名識別等歸為次級生物識別技 術；將血管紋理識別、人體氣味識別、DNA識別等歸為“深奧的”生物識別技術。,,生物識別的技術核心在于如何獲取這些生物特征，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息，存儲于計算機中，利用可靠的匹配算法來完成驗證與識

3、別個人身份的過程。,生物識別技術與傳統(tǒng)身份鑒定技術的對比分析,傳統(tǒng)身份鑒定技術是指基于特定持有物（如：身份證）和基于特定知識（如：密碼）進行身份鑒定的一種技術。其應用如：人們通過信用卡和密碼可以實現(xiàn)在ATM機上取款。傳統(tǒng)方法的缺點是：特定持有物易丟失、被盜和遺忘。特定知識則存在記憶上的問題。密碼太復雜，容易遺忘；密碼簡單（如：生日、電話號碼等），則容易被破譯和猜測。,與傳統(tǒng)身份鑒定相比，生物識別技術具有以下特點：　　 隨身性：生物特

4、征是人體固有的特征，與人體是唯一綁定的，具有隨身性?！　?安全性：人體特征本身就是個人身份的最好證明,滿足更高的安全需求?！　?唯一性：每個人擁有的生物特征各不相同?！　?穩(wěn)定性：生物特征如指紋、虹膜等人體特征會隨時間等條件的變化而變化。,,廣泛性：每個人都具有這種特征。方便性：生物識別技術不需記憶密碼與攜帶使用特殊工具(如鑰匙)，不會遺失?？刹杉裕哼x擇的生物特征易于測量。可接受性：使用者對所選擇的個人生物特征及其應用愿意

5、接受。,,基于以上特點，生物識別技術具有傳統(tǒng)的身份鑒定手段無法比擬的優(yōu)點。采用生物識別技術，可不必再記憶和設置密碼，對重要的文件、數(shù)據(jù)和交易都可以利用它進行安全加密，有效地防止惡意盜用，使用更加方便。,生物識別的起源和發(fā)展,古代埃及人通過測量人體各部位尺寸進行身份鑒別；    現(xiàn)代生物識別技術始于70年代中期；    早期生物識別設備僅限于安全級別較高的

6、場所和軍事用途；    目前已逐漸應用于商業(yè)領域，如出入口控制、考勤管理等。,現(xiàn)代信息技術為其提供了非常雄厚的技術支持，當今信息技術已 超越了摩爾定律，成幾何級數(shù)發(fā)展，各種先進的圖像處理技術、計算機技術、網(wǎng)絡技術得到了廣泛的應用，從而使得基于數(shù)字信息技術的現(xiàn)代生物識別系統(tǒng)迅速發(fā)展 起來。,生物識別的支撐—高科技,生物識別系統(tǒng)的處理過程,所有的生物識別系統(tǒng)都包括如下幾個處理過程：采集、特征提取、比對和匹配。

7、生物圖像采集包括了高精度的掃描儀、攝像機等光學設備，以及基于電容、電場 技術的晶體傳感芯片，超聲波掃描設備、紅外線掃描設備等。,,在數(shù)字信息處理方面，高性能、低價格的數(shù)字信號處理器（DSP）已開始大量的應用于民用領域，其對于系統(tǒng)所采集的信息進行數(shù)字化處理的功能也越來越強。在比對和匹配技術方面，各種先進的算法技術不斷的開發(fā)成功，大型數(shù)據(jù)庫和分布式網(wǎng)絡技術的發(fā)展，使得生物識別系統(tǒng)的應用得以順利實現(xiàn)。,,一個優(yōu)秀的生物識別系統(tǒng)要求能實時迅速

8、有效地完成其識別過程。但不同的生物識別系統(tǒng)的采集方式以及計算機處理算法等都不一樣。下面以較為成熟的指紋識別、面部識別為例來介紹一下生物識別系統(tǒng)的關鍵技術。,指紋識別,（1）指紋圖像的采集    光學錄入技術：最成熟也是最古老的指紋錄入技術，只要將手指放在一個臺板（通常是用加膜的玻璃制成）上，就能完成手指圖像的錄入。    超聲波錄入技術：已經(jīng)存在多年，但它的應用范

9、圍始終不是十分廣泛。手指在放在玻璃臺板上，超聲波掃描開始時會聽到蜂鳴聲并感覺到震動。由于使用了聲波，因此，在錄入圖像時，手指不必直接接觸臺板。,,芯片錄入技術：基于芯片的傳感器，面積只有一枚郵票那么大，使用者直接將手指放在硅芯片的表面來完成指紋圖像的錄入。,,（2）特征提取    當通過上述三種方式得到一幅指紋圖像后，需要對圖像特征進行提取、分析，指紋基本特征就是如嵴、谷和終點、分叉點或分歧點。 平均每個

10、指紋都有幾個獨一無二可測量的特征點，每個特征點都有大約七個特征，我們的十個手指產(chǎn)生最少4900個獨立可測量的特征點，足以確認指紋識別的可靠性。,指紋紋線的3種基本模式是環(huán)型、弓形和螺旋形。,弓形,環(huán)形,螺旋形,局部特征最常見的指紋局部特征包括紋線端點、分叉點和短紋（孤立點）。局部特征和模式在指紋分析中都非常重要，由這些特征，沒有兩個指紋是相同的。,紋線端點,分叉點,短紋（孤立點）,,（3）比對和匹配   

11、; 當指紋圖像的特征值被提取后，就可依照特征值與數(shù)據(jù)庫中原來存儲的指紋圖像特征進行比對和匹配?？焖倏煽康乃惴ㄊ顷P鍵,短紋（孤立點）,虹膜,虹膜識別,虹膜中間有一直徑2.5～4mm的圓孔，這就是我們熟悉的瞳孔。     眼球前部含色素的環(huán)形薄膜，由結締組織細胞、肌纖維等構成，當中是瞳孔。眼球的顏色是由虹膜所含色素的多少決定的。,虹膜的特征,1. 高獨特性。幾乎任何兩個人(包括雙胞胎)的

12、虹膜都是不完全相同的，即使是同一個人左右眼的虹膜也存在一定的差異。2. 高穩(wěn)定性。虹膜本身一般不易發(fā)病，可以保持幾十年不變。3. 良好的防偽性能。要想精細地修改虹膜的表面結構特征，即使采用目前先進的眼科手術，也必須冒著視力損傷的危險。另外，利用虹膜本身有規(guī)律的震顫特性以及虹膜隨光強度變化而縮放的特性，可以把假冒的虹膜圖片區(qū)分開來。4. 易接受性?？梢圆慌c人體接觸，甚至能夠在人們沒有覺察的情況下把虹膜圖像拍攝下來。,虹膜識別通過對比

13、虹膜圖像特征之間的相似性來確定人們的身份,其核心是使用模式識別、圖像處理等方法對人眼睛的虹膜特征進行描述和匹配,從而實現(xiàn)自動的個人身份認證。這種技術在生物測定行業(yè)已經(jīng)被廣泛認為是目前精確度、穩(wěn)定性、可升級性最高的身份識別系統(tǒng)（human authentication）。,虹膜識別技術的基本原理,,圖像獲取,,虹膜定位,,特征提取,特征數(shù)據(jù)庫,,,,,識別或認證結果,識別,認證,,,,1.捕捉虹膜數(shù)據(jù)圖像,2.為虹膜的圖像分析準備過

14、程,3.從虹膜的紋理或類型創(chuàng)造512字節(jié)的iriscode,4.使用iriscode模板用于確認,虹膜識別實現(xiàn)方法——虹膜識別流程,圖像采集,,預處理,虹膜特征分析,,虹膜圖像庫,虹膜特征模板,,,,模式匹配,,識別結果,虹膜識別實現(xiàn)方法——識別方法,基于局部二值模式特征和圖匹配的虹膜識別方法一種基于灰度信息的虹膜識別預處理方法 基于多分辨率分析的虹膜識別方法基于小波變換和極大值檢測的虹膜識別方法基于圖像分割和二維

15、小波變換的虹膜識別方法基于人眼結構特征的虹膜識別方法 …… ……,當今社會虹膜識別技術高速發(fā)展，一下列舉了一些識別方法：,虹膜識別實現(xiàn)方法——基于人眼結構特征的識別方法,面部識別,面部識別由于具有無需特殊的采集設備，系統(tǒng)成本相對低，不干擾使用者，不侵犯使用者的隱私權等特點，因此成為目前實際使用的廣泛程度公次于指紋識別的生物特 征手段。近十年來，面像識別出現(xiàn)了不少諸如Boosting、ICA、流形學習等在內(nèi)的技術熱點，極大地促

16、進了面像識別技術與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。,,盡管面像識別技術不如指紋識別應用那么普及，但市場上也已出現(xiàn)了眾多基于面像識別技術的產(chǎn)品，如面像識別門禁 系統(tǒng)、面像識別考勤系統(tǒng)、公安布控對象監(jiān)控系統(tǒng)、面像識別網(wǎng)上追逃系統(tǒng)、機場安檢系統(tǒng)、面像識別出入境邊檢系統(tǒng)、照片比對系統(tǒng)、網(wǎng)絡安全認證系統(tǒng)、金融防 偽系統(tǒng)、收容遣送管理信息系統(tǒng)等。,,兩個環(huán)節(jié) 面像識別系統(tǒng)包括兩個技術環(huán)節(jié)：面像檢測和面像識別。面像檢測主要實現(xiàn)面像的檢測和定位，即從輸入圖像中找到面像及

17、面像的位置，并將人臉從背景中分割出來；面像識別則是對面像進行特征提取、模式匹配與識別。,輸入圖像或視頻,人臉檢測與分割,特征提取,人臉識別,輸出識別結果,,,,,人臉檢測與分割：從任意的場景中檢測人臉的存在并進行定位，提取出一個人臉。,輸入圖像或視頻,人臉檢測與分割,特征提取,人臉識別,輸出識別結果,,,,,特征提取是指根據(jù)已知數(shù)據(jù)庫中的人臉的表征方法，從人臉圖像中提取出該人臉圖像的表征值。人臉的表征方法很多，通常的方法有幾何特征、代數(shù)

18、特征、特征臉、固定特征模板等。,,現(xiàn)有的面像檢測方法分為三類：基于規(guī)則的面像檢測：總結了特定條件下可用于檢測面像的知識（例如膚色、輪廓等），并把這些知識歸納成指導面像檢測的規(guī)則;基于模板匹配的面像檢測：首先構造具有代表性的面像模板，通過相關匹配或者其他的相似性度量檢測面像;基于統(tǒng)計學習的面像檢測：主要利用了面部特征點結構灰度分布的共同性，是當前面像檢測研究領域中的主要 內(nèi)容。,,面像識別由面像樣本訓練和待識別面像的識別兩個過程組成

19、。在訓練階段，提取面像特征形成面像特征庫。在識別階段，用訓練好的分類器對待識別面像的特征和特征庫中的特征進行匹配，輸出識別結果。,,早期的面像識別算法主要基于幾何特征或模板匹配。對于不同人來說，面部特征點（眼睛、眉毛、鼻子和嘴）和臉部輪廓 的形狀各不相同。基于幾何特征的方法通過計算面部特征點形狀、分布的幾何參數(shù)區(qū)分不同人臉。基于模板匹配的面像識別通常采用Poggio和 Brunelli所提出的基于局部特征模板匹配的方法，它們提取局部

20、特征的模板，進行局部模板匹配并進行識別。,,四種方法 目前面像識別的幾個主流方向：特征臉方法、Fisher臉方法、彈性圖匹配法以及局部特征分析法。 特征臉方法 特征臉方法作為一種比較成功的人臉識別技術，它掀起了人臉識別研究的第二次高潮。特征臉方法就是通過對訓練的面像樣本子空間進行主成份分析得到特征臉，所提取的特征就是面像在特征臉上的投影向量。,Fisher臉方法 Fisher臉方法的基本思想是使不同人的面像在所生成的面像空間

21、中可分性最佳，從而比特征臉方法更適用于面像識別。 彈性圖匹配方法 該方法用圖來描述面像，圖的頂點表示面部的局部特征點（例如眼睛、鼻尖等），邊表示局部特征點之間的拓撲連接關系。面像識別時主要衡量它們所對應的圖之間的相似度。,,局部特征分析法 我們在日常生活中識別面像時，會仔細觀察屬于最顯著的局部區(qū)域，如大眼睛、鷹勾鼻等。局部特征分析就是基于全局的特征臉模型提出的一種局部特征的拓撲表示。,,其他生物識別的過程與上述指紋識別系統(tǒng)的過程基

22、本是一致的，區(qū)別在于:   采集設備不同。每種生物識別技術所需的采集設備是不同的，如視網(wǎng)膜識別就需要紅外線掃描儀、面部識別需要高精度的攝像機、聲音識別需要高分辨率的麥克風等等。因此，采集設備的精度、分辨率及可靠性等各種性能指標都是直接影響識別效果的重要因素。,,提取的特征點不同，每種生物識別技術都會根據(jù)識別不同的識別對象而確定不同的特征類型，如靜脈識別和視網(wǎng)膜識別都是提取不同部位的血管分布等特征，聲音識別提取的不同

23、頻率等。所以特征類型的選取也是決定該生物識別系統(tǒng)識別效率高低的一個方面。,,在計算機處理方面，各種生物識別系統(tǒng)的算法都不同，就是指紋識別中，采用不同的掃描方式所采用的算法也不同。另一方面，對于大型的生物識別系統(tǒng)，都牽涉到 數(shù)據(jù)庫技術和網(wǎng)絡技術，成千上萬的采集樣本存儲不可能在同一個服務中，甚至同一個地方，怎樣快速的在異地網(wǎng)絡上檢索、比對、匹配所采集的樣本特征是一個重 要的技術關鍵。,生物識別的現(xiàn)狀,生物識別發(fā)展到現(xiàn)在，已經(jīng)成為一個龐大的家

24、族了。它在公安、國防、金融、保險、醫(yī)療衛(wèi)生、計算機管理等領域均發(fā)揮了重要作用。出現(xiàn)了專業(yè)研制生產(chǎn)生物識別產(chǎn)品的公司，所開發(fā)的產(chǎn)品種類豐富，除傳統(tǒng)的公安自動指紋識別系統(tǒng)（AFIS）及門禁系統(tǒng)外，還出現(xiàn)了指紋鍵盤、指紋鼠標、指紋手機、虹膜自動取款機、面部識別的支票兌付系統(tǒng)等。,,指紋識別系統(tǒng)虹膜識別系統(tǒng)手形識別系統(tǒng)面部識別系統(tǒng) 聲音識別系統(tǒng)復合生物識別系統(tǒng),生物識別的發(fā)展前景,社會生活的各個領域都需要身份認證，隨著全球信息產(chǎn)業(yè)的迅

25、猛發(fā)展，生物識別技術在技術發(fā)展和市場需求上日趨成熟。其產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的步伐將進一步加快。1999年華爾街預測：在安全和身份驗證市場上的費用每年將以超過60％的復合增長率增長；生物識別裝置產(chǎn)業(yè)市場在今后五年中，估計每年將增長30～35％。雷曼兄弟投資銀行預測，未來5年生物識別系統(tǒng)的市場，將自現(xiàn)在每年1億美元起，以400％的速度快速成長。Forest &Sullivan最新的一份市場調(diào)研也表明，2006年的美國身份認證設備市場銷售額將

26、達到26億美元。,,整個生物識別產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢是：國際大公司加盟價格迅速下滑網(wǎng)絡應用加快其他應用擴大,我國生物識別的發(fā)展現(xiàn)狀與挑戰(zhàn),國內(nèi)對于生物識別技術的開發(fā)和應用相對起步較晚，但近幾年來卻發(fā)展迅速，特別是在指紋識別研究開發(fā)方面已經(jīng)取得了累累碩果。除了研制用于公安刑偵方面的指紋 識別系統(tǒng)以外，在民用產(chǎn)品的研制開發(fā)和應用推廣上也有了很大的發(fā)展。出現(xiàn)了許多專業(yè)研制開發(fā)指紋識別系統(tǒng)及其產(chǎn)品的專業(yè)公司。此外，一些公司也開始涉及其 他生物識

27、別技術的研究，如虹膜、靜脈和骨骼等。,,生物識別技術的挑戰(zhàn)芯片的自主開發(fā)。我國的芯片開發(fā)技術相對薄弱，目前國內(nèi)指紋識別系統(tǒng)采用的傳感芯片都是從國外引進的，在DSP處理器的開發(fā)和研制上也相對落后。因此，掌握先進的芯片設計和制造技術是生物識別系統(tǒng)硬件發(fā)展的一個關鍵。,,軟件開發(fā)。任何一種生物識別系統(tǒng)，都需要經(jīng)過特征的選取、分析、對比和匹配，因此對于算法就提出了很高的要求，既要保證很高的識別效率，又必須具備很強的抗干擾能力，特別是對部分特征

28、的推理和判斷能力。,,接 口的標準化。由于各種生物識別系統(tǒng)都可能要與其他信息系統(tǒng)相連接，如何解決各種接口的統(tǒng)一性問題就是一個重要的影響因素。據(jù)悉，開發(fā)商最近在生物識別技術 的應用程序接口（ＡＰＩ）標準方面取得了一致，可以用于視窗或其他操作系統(tǒng)。微軟已表示，將在新的視窗系統(tǒng)中安裝生物識別應用程序接口。,,產(chǎn) 品的價格和可靠性。無論是哪一種生物識別產(chǎn)品，要推廣和應用，價格必須要為大眾所能接受，如何提高技術含量、降低成本必然是每個開發(fā)商所面臨