第4章 生物识别技术

1、第第4章章 生物识别技术生物识别技术4.1 生物识别技术基础知识生物识别技术基础知识4.2 生物识别技术的内容生物识别技术的内容4.3 生物识别技术应用比较生物识别技术应用比较4.4 指纹识别系统的应用指纹识别系统的应用 生物生物(特征特征)识别技术识别技术(Biological feature recognition)是基于人的物理特征或行为特征是基于人的物理特征或行为特征通过计算机予以辨识或认证的技术。通过计算机予以辨识或认证的技术。 由于人体特征的不可复制性，这一技术的由于人体特征的不可复制性，这一技术的安全性较传统的身份验证有很大的提高。安全性较传统的身份验证有很大的提高。 目前用来进

2、行身份鉴别的生物识别技术有：目前用来进行身份鉴别的生物识别技术有：指纹识别、掌纹识别、视网膜识别、虹膜识别、指纹识别、掌纹识别、视网膜识别、虹膜识别、面相识别、步态识别、静脉识别、语音识别、签面相识别、步态识别、静脉识别、语音识别、签名识别等。名识别等。4.1 生物识别技术基础知识生物识别技术基础知识4.1.1 生物识别技术的起源生物识别技术的起源指纹识别可以追溯到古代中国；指纹识别可以追溯到古代中国；1960年代美国联邦调查局开始使用指纹自动识年代美国联邦调查局开始使用指纹自动识别设备；别设备；1980年代剑桥大学年代剑桥大学Joho Daughman教授进行教授进行了虹膜识别技术研究；了虹

3、膜识别技术研究；1986年从事掌纹识别的年从事掌纹识别的Recognition System, Inc.公司成立；公司成立；1990年从事签字识别的年从事签字识别的PenOp, Inc. 公司成立公司成立4.1.2 生物识别技术的应用生物识别技术的应用 目前已加以利用的物理特征和行为特征包括：目前已加以利用的物理特征和行为特征包括： (1) 物理特征物理特征: 手指指纹；手掌掌纹；眼睛包手指指纹；手掌掌纹；眼睛包括虹膜、视网膜；面像。括虹膜、视网膜；面像。 (2) 行为特征行为特征: 签字；语音；步态。签字；语音；步态。 指纹识别用于手机接通、机场安检；指纹识别用于手机接通、机场安检； 虹膜识

4、别用于银行取款。虹膜识别用于银行取款。4.1.3 生物识别技术特点及发展生物识别技术特点及发展 能够用来鉴别身份的生物特征应该具有以下能够用来鉴别身份的生物特征应该具有以下特点：特点： 广泛性：每个人都应该具有这种特征；广泛性：每个人都应该具有这种特征； 唯一性：每个人拥有的特征应该各不相同；唯一性：每个人拥有的特征应该各不相同； 稳定性：所拥有的特征不随时间变化而发生稳定性：所拥有的特征不随时间变化而发生变化；变化； 可采集性：所选择的特征应该便于测量。可采集性：所选择的特征应该便于测量。 结合多种生理和生物特征进行身份鉴别，结合多种生理和生物特征进行身份鉴别，提高鉴别系统的精度与可靠性，是

5、身份鉴别领提高鉴别系统的精度与可靠性，是身份鉴别领域发展的必然趋势。域发展的必然趋势。4.2 生物识别技术的内容生物识别技术的内容4.2.1 生物识别技术概述生物识别技术概述 生物识别技术是根据人体自身物理特征或生物识别技术是根据人体自身物理特征或行为特征来识别个人身份。行为特征来识别个人身份。 所有的生物识别工作包括所有的生物识别工作包括4个步骤：原始个步骤：原始数据获取、抽取特征、比较和匹配。数据获取、抽取特征、比较和匹配。4.2.2 虹膜识别虹膜识别1. 虹膜（虹膜（Iris）图图4-1 虹膜在眼球中的位置虹膜在眼球中的位置 虹膜虹膜2. 虹膜识别算法虹膜识别算法图图4-2 虹膜识别及其

6、全编码虹膜识别及其全编码图图4-3 局部放弃的虹膜编码局部放弃的虹膜编码3. 虹膜识别的精度虹膜识别的精度图图4-4 虹膜仪外形图虹膜仪外形图 两个不同虹膜返回两个不同虹膜返回75%匹匹配度的概率为配度的概率为10-16； 错误接收率错误接收率FAR与错误拒与错误拒绝率绝率FRR相同时的错误率相同时的错误率小于小于1.2x10-6 ； 两个不同虹膜返回相同编两个不同虹膜返回相同编码的概率为码的概率为10-52； 虹膜识别速度在虹膜识别速度在1s3s。 虹膜编码在虹膜编码在500B以内。以内。4. 虹膜识别的应用虹膜识别的应用虹膜识别用于身份鉴别：虹膜识别用于身份鉴别： 银行取款；银行取款； 网

7、上购物；网上购物； 抓捕逃犯抓捕逃犯5. 虹膜识别技术的优缺点虹膜识别技术的优缺点虹膜识别优点：虹膜识别优点： 便于用户使用；便于用户使用； 技术可靠；技术可靠； 不需要与设备物理接触；不需要与设备物理接触；虹膜识别缺点：虹膜识别缺点： 仍处于实验阶段；仍处于实验阶段； 图像获取设备难以小型化；图像获取设备难以小型化； 摄像头昂贵；摄像头昂贵； 可靠性尚低；可靠性尚低； 黑眼睛极难读取黑眼睛极难读取 利用视网膜上的血管分布模式进行身份识利用视网膜上的血管分布模式进行身份识别。视网膜读取器感知人眼后面的视网膜脉络别。视网膜读取器感知人眼后面的视网膜脉络模式时模式时, 使用者的眼睛与设备应在使用者

8、的眼睛与设备应在15mm 之内之内, 而且取图像时眼睛必须处于静止状态而且取图像时眼睛必须处于静止状态, 特征提取特征提取可获得可获得400多个特征点。多个特征点。4.2.3 视网膜识别视网膜识别2. 视网膜扫描的优缺点视网膜扫描的优缺点图图4-5 视网膜扫描产品视网膜扫描产品优点：优点： 精确度高；精确度高； 样本稳定；样本稳定； 难以伪造；难以伪造； 记忆模板较小。记忆模板较小。1. 精确度和识别效果精确度和识别效果 与大多数其他生物识别技术相比，它具有与大多数其他生物识别技术相比，它具有非常高的精确度。非常高的精确度。视网膜识别缺点：视网膜识别缺点： 使用较困难；使用较困难； 消费者感觉

9、不好；消费者感觉不好； 成本高成本高4.2.4 面像识别面像识别1. 捕捉面部图像的两项技术捕捉面部图像的两项技术 面像识别技术通过面部特征和他们之间的关面像识别技术通过面部特征和他们之间的关系来识别。系来识别。 （1）视频技术）视频技术 （2）热成像技术）热成像技术2. 面像识别的发展面像识别的发展图图4-6 面像识别面像识别3. 典型的框架结构典型的框架结构4. 降维降维图图4-7 面像识别的算法流程面像识别的算法流程5. 当前的水平当前的水平6. 面像识别的优缺点面像识别的优缺点 面像识别优点：面像识别优点： 面相被识别者愿意配合；面相被识别者愿意配合； 可以通过人进行核查对比。可以通过

10、人进行核查对比。 面像识别缺点：面像识别缺点： . 环境可能影响系统的精确性；环境可能影响系统的精确性； . 准确性不高；准确性不高； . 采集图像的设备昂贵采集图像的设备昂贵4.2.5 签名识别签名识别 将签名数字化的过程包括，将签名图像本将签名数字化的过程包括，将签名图像本身数字化，以及记录整个签名的动作身数字化，以及记录整个签名的动作每个字每个字母以及字母之间不同的速度、笔序和压力。母以及字母之间不同的速度、笔序和压力。4.2.6 语音识别语音识别 语音识别也是一种行为识别技术，语音设语音识别也是一种行为识别技术，语音设备不断地测量、记录语音的波形和变化。语音备不断地测量、记录语音的波形

11、和变化。语音识别将现场采集到的语音同登记过的语音模板识别将现场采集到的语音同登记过的语音模板进行各种特征的匹配。进行各种特征的匹配。4.2.7 步态识别步态识别 步态是指人们行走时的方式，它提供了充步态是指人们行走时的方式，它提供了充足的信息来识别人的身份。步态识别的输入是足的信息来识别人的身份。步态识别的输入是一段行走的视频序列。一段行走的视频序列。4.2.8 静脉识别静脉识别 所有人的静脉都是不一样的。静脉识别技所有人的静脉都是不一样的。静脉识别技术是通过红外线摄像机采集稳定的静脉图作为术是通过红外线摄像机采集稳定的静脉图作为数据仓库，当需要识别时利用静脉图采集器收数据仓库，当需要识别时利

12、用静脉图采集器收集静脉图，并通过与预先收集好的静脉图作比集静脉图，并通过与预先收集好的静脉图作比较来达到识别的目的。较来达到识别的目的。4.2.9 指纹识别技术指纹识别技术1. 指纹识别技术概念与发展指纹识别技术概念与发展 每一个人的指纹是唯一的，且终身不变。每一个人的指纹是唯一的，且终身不变。 把一个人同他的指纹对应起来，通过将他的指把一个人同他的指纹对应起来，通过将他的指纹和预先保存的指纹进行比较，就可以验证他的真纹和预先保存的指纹进行比较，就可以验证他的真实身份，这就是指纹识别技术。实身份，这就是指纹识别技术。 指纹识别使用最早、目前最成熟的生物识别技指纹识别使用最早、目前最成熟的生物识

13、别技术，指纹是手指末端正面皮肤上的呈有规则定向排术，指纹是手指末端正面皮肤上的呈有规则定向排列的纹线。列的纹线。 指纹识别的主要关键技术包括指纹图像增强、指纹识别的主要关键技术包括指纹图像增强、特征提取、指纹分类和指纹匹配几个部分。特征提取、指纹分类和指纹匹配几个部分。2. 指纹的固有特性指纹的固有特性 确定性；确定性； 唯一性；唯一性； 可分类性。可分类性。3. 指纹识别算法指纹识别算法 指纹特征有总体特征和局部特征。指纹特征有总体特征和局部特征。 (1) 总体特征（人眼可以直接观察到的特征）总体特征（人眼可以直接观察到的特征） 纹形，如图纹形，如图4-8；一般可分为三大类：环形；一般可分为

14、三大类：环形又称为斗形又称为斗形(Loop)，弓形，弓形(Arch)，螺旋形，螺旋形(Whorl)。 模式区模式区:包含总体特征的区域；包含总体特征的区域； 核心点：位于指纹纹路的渐进中心；核心点：位于指纹纹路的渐进中心； 三角点：从核心点开始的第一个分叉点、断三角点：从核心点开始的第一个分叉点、断点、转折处；点、转折处； 纹数：模式区内指纹纹路的数量纹数：模式区内指纹纹路的数量图图4-8 指纹的分类指纹的分类 (2) 局部特征局部特征 （指纹上节点的特征）（指纹上节点的特征） 特征点的分类：终结点、分叉点、分歧点、孤特征点的分类：终结点、分叉点、分歧点、孤立点、环点、短纹立点、环点、短纹 特

15、征点的参数：方向、曲率、位置特征点的参数：方向、曲率、位置4. 指纹识别的几何基础指纹识别的几何基础 脊线：具有一定宽度和走向的纹线。脊线：具有一定宽度和走向的纹线。 可以将指纹脊线分为：直线、波浪线、可以将指纹脊线分为：直线、波浪线、弧形线、弓形线、箕形线、环形线、螺旋线弧形线、弓形线、箕形线、环形线、螺旋线等。等。 脊线还可以分为内部脊线、外围脊线、脊线还可以分为内部脊线、外围脊线、根基脊线。根基脊线。5. 采集指纹图像的三种技术采集指纹图像的三种技术 光学技术；光学技术； 半导体技术；半导体技术； 超声波技术。超声波技术。6. 特征提取特征提取 采集到高质量的图像后，需要许多步骤采集到高

16、质量的图像后，需要许多步骤将它的特征转换到一个复合模板中，这个过将它的特征转换到一个复合模板中，这个过程被称为特征提取。程被称为特征提取。图图4-9 一对一指纹登记与辨识系统示意图一对一指纹登记与辨识系统示意图7. 验证和辨识验证和辨识 验证是通过把一个现场采集到的指纹与一个已验证是通过把一个现场采集到的指纹与一个已登记的指纹进行一对一的比对如图登记的指纹进行一对一的比对如图4-9 。图图4-10 一对多指纹登记与辨识系统示意图一对多指纹登记与辨识系统示意图 辨识则是把一个现场采集到的指纹与指纹数据库辨识则是把一个现场采集到的指纹与指纹数据库的指纹进行对比，找出相匹配的指纹，如图的指纹进行对比

17、，找出相匹配的指纹，如图4-10 。8. 指纹识别技术的特点指纹识别技术的特点指纹识别的优点指纹识别的优点 指纹是人体独一无二的特征，可以用于特征指纹是人体独一无二的特征，可以用于特征鉴别；鉴别； 多个指头指纹可以提高可靠性；多个指头指纹可以提高可靠性； 扫描指纹快捷、方便；扫描指纹快捷、方便； 指纹获取方法可靠；指纹获取方法可靠； 指纹采集设备便于小型化，价格低廉指纹采集设备便于小型化，价格低廉指纹识别的缺点指纹识别的缺点 某些人指纹特征少，很难成像；某些人指纹特征少，很难成像； 某些人担心指纹会被记录在案；某些人担心指纹会被记录在案； 存在指纹被复制的可能性存在指纹被复制的可能性 4.3

18、生物识别技术应用比较生物识别技术应用比较 指纹识别指纹识别 掌纹识别掌纹识别 面像识别面像识别 虹膜识别虹膜识别 视网膜识别视网膜识别 语音识别语音识别 签名识别签名识别 静脉识别静脉识别4.4 指纹识别系统的应用指纹识别系统的应用4.4.1 指纹识别系统指纹识别系统1. 采集指纹图像的技术采集指纹图像的技术 采集指纹图像的技术主要为光学技术和电容采集指纹图像的技术主要为光学技术和电容技术。技术。图图4-11 指纹识别系统运作原理图指纹识别系统运作原理图2. 指纹识别系统运作原理指纹识别系统运作原理3. 指纹识别过程指纹识别过程4. 指纹采集设备的一般技术水平指纹采集设备的一般技术水平 指纹识

19、别包括指纹图像分割、图像增强、特征指纹识别包括指纹图像分割、图像增强、特征提取、指纹匹配。提取、指纹匹配。 目前市场能提供光电转换式或电容感应式指纹采目前市场能提供光电转换式或电容感应式指纹采集芯片。集芯片。 表征单一指纹的生物代码仅需表征单一指纹的生物代码仅需200B到到400B左右。左右。计算机设备从采集指纹到完成比对仅需计算机设备从采集指纹到完成比对仅需1s2s。5. 指纹识别技术中的软件与固件指纹识别技术中的软件与固件 指纹采集头中的固件负责采集图像和与指纹采集头中的固件负责采集图像和与PC计计算机的连接。传送到计算机的指纹需要进行必要算机的连接。传送到计算机的指纹需要进行必要的加密，

20、以保证安全。的加密，以保证安全。 计算机得到指纹图像后，识别算法就进行下计算机得到指纹图像后，识别算法就进行下一步的验证过程。一步的验证过程。6. 指纹识别系统的识别精度指纹识别系统的识别精度7. 指纹识别系统的应用领域指纹识别系统的应用领域 光学设备单指纹比对错误接受率光学设备单指纹比对错误接受率(FAR)可低于可低于0.001%；错误拒绝率；错误拒绝率(FRR)可低于可低于0. 1%。 计算机系统及信息安全方面计算机系统及信息安全方面 金融行业金融行业 社会治安管理社会治安管理 其他政府机构其他政府机构图图4-12 有有IC卡的数字指纹设备的物理组成卡的数字指纹设备的物理组成8. 指纹设备类型指纹设备类型 指纹设备可以分为