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基于网络安全应用的静脉识别研究综述 基于网络安全应用的静脉识别研究综述 刘晶裘旭光张大鹏万振凯 天津工业大学计算机学院香港理工大学计算学系 摘要静脉特征作为人体生物特征，具有唯一性和终身不变的特点，近年来 作为生物特征识别的一个重要研究领域，越来越受到研究者的重视。 本文从手部静脉特征的分类，模式分析、特征提取，性能评价等角 度，结合近年来我们对静脉识别问题的研究工作，系统地整理分析了 手部静脉识别研究的相关文献，并阐述了其在网络安全中的应用现状 和前景。 关键词生物特征识别；静脉特征；模式分析；网络安全 1 引言 网络信息化时代的一大特征就是身份的数字化和隐性化，如何在网络上准确识别一 个人的身份，保护信息安全，是信息化时代必须解决的一个关键问题。生物特征识别技 术指通过计算机，利用人体所固有的生理特征或行为特征来进行个人身份鉴定。生物识 别技术比传统的身份鉴定方法更具安全、保密和方便性。生物特征识别技术具备不易遗 忘、防伪性能好、不易伪造或被盗、随身“携带”和随时随地可用等优点。 某一种生物特征能被用来进行身份识别的话，必须具有唯一性和终身不变性的特 点。研究发现，声音、人脸、手形、指纹、静脉和虹膜等生物特征都具有上述特点。表 1 对各种生物特征识别方法从安全性、可用性等方面进行了比较。近年来，利用手部静 脉特征进行身份识别在生物特征识别领域受到普遍重视、研究十分活跃。据统计，每 1 ，0 0 0 万人中可能只有8 个人的手部静脉分布会有所相似。手部静脉图像获取容易， 占用存储空间小，鉴于相关研究成果和认证产品在网络安全领域的应用前景，识别算法 研究如能得到满意的效果，其相关产品在网络安全方面必将发挥重要的作用。 表1 各种生物特征识别方法比较 识别方法安全性可用性准确率特征 声音 L 1L 7L 1 频率 人脸 L 2L 6L 2 纹理特征 第- 7 七届全匡信息俣南学术会议( I S 2 0 0 7 ) 论文集 续表1 识别方法安全，陀町川- 抖水确串 持征 指纹 1 3I ，lL 3 宝| f | 节信启， 手彤 I 。4j 。JI 。1 维佶息 掌纹 I 。、；I 3t 5 线持征信息 一 一 静脉 1 6l ，2I 6 结树 虹膊 I 。j【，1l 。7 细甘特征 f1 | 讨! 罔| 】外手郎静脉| f 【L 管研究的公司和饥构很多i 水的H 、Z 公- 玑Z f 卜通公r 1 J 在于部静脉识驯算法研究神f 产吊外发力。龇处于领先地f ，Z 。罔内疗叭否= 港卵丁大。生物 特征识刖研究中心清华人学、哈尔滨I 、I k 人4 7 ：都仃研究人蚰从督静脉炽圳干丌荚的研究 作。 本文结合作并的研究一作系统棒删分析r 利川静脉进行身份识别的研究文献，按 照问题分类与模式分析、特征提取j 综合等线索对近t - 米构研究进 jf - i 纳j 整理，i ： 指r 当前研究的承，l 、i 需解决的父进问题千将来的发展山。向i 2 手部静脉识别算法研究 2 1手部静脉图像获取 f f lj 二于郎静脉和J 爿川垫 温度的差删，造成静脉埘红外光的折! j t 率j 周纰织小 同：根据静脉的| _ 述特点响。两种能够获取于部静脉图像的方法，一种是利川带有近红 外滤光的C C D 获取牛H 关部忙的数码红外【剞像“ 平士利川热 I i 外仪获取的红外温度 闱像。文献1 一F 2 1 3 ：采用笫种疗法，史献 1 o j 采川筇一种 法。帮一种蔹 取静脉红5 i - l q 像的打法成夺低、设计简毕傲鞍多史献和牛广：厂家采用二通常做法是川 8 5 0 n m 的近红外光照射M 时使川带柑8 5 ： r i m 圭l ：外滤镜的C C D 拍摄丰H 、证部位行获取静 脉酗乡：外f 挈像，如俐j 所，：j 纠2 为FJ 。I E R 岛r S l e - I I S 公司牛，m 的T h e r m a C A Mr 3 0 红 外热像仪及川， t 拍摄的手早宇宝1 ：外温度I 矧像二获取清晰帕手部静脉红外罔像足进行静脉识别 最兑键的一步f _ l 小的 10 ：和南l ：邋凭借先进的C C D 技术T I ：这方戢得J i 犬的进展， 、P r ；n f r a r e dL E l l s 州 _ 。f 。j 0 厂。 喹扫戆 垦 刳1 红，| 、滤光C t t I ) 拍j | f 暖莸取的f 指静脉l 割像 1 了8 基于网络安全应用的静脉识别研究综述 圃 图2 红外热像仪及其获取的手背静脉温度图像 2 。2 手部静脉模式分析与提取 手部静脉所包含的模式特征十分丰富，如图3 所示。这些特征中哪些是最有用的、 如何有效的利用这些特征，是身份识别要研究一个关键问题。由于手部静脉模式特征检 测问题的复杂性，无论哪一种模式特征都可能无法适应所有的情况，一般都针对特定的 问题综合使用两种或更多种模式特征。 图3 静脉模式特征分类 图4 传统静脉血管结构模式提取过程 图3 所示的模式特征中，结构特征是最重要的特征。目前几乎所有文献都是利用各 种方法抽取手部静脉的结构模式特征。传统的静脉结构模式特征提取算法如图4 所示， S a n g - K y u m 等人在文献E 1 2 中对传统的结构模式提取算法进行了改进。图像经过 处理后分别应用“行静脉血管模式提取过滤( R o wV a s c u l a rP a t t e r nE x t r a c t i o nF i l t e r ： 第十七届全国信息保密学术会议( I S 2 0 0 7 ) 论文集 _ 一。墨霉啊_ 一 R V P E F ) ”和“列静脉血管模式提取过滤( C o l u m nV a s c u l a rP a t t e r nE x t r a c t i o nF i l t e r ： C V P E F ) ”，接下来对提取的行和列的结构模式特征图像应用“或操作”。改进后的流程 图如图5 所示。 | 提取结构特征 图5S a n g - K y u m 等人改进后的静脉血管结构模式提取过程 由于手部静脉红外图像中静脉的颜色和周围组织的颜色差别较小，当图像的质量较 差时很难获得理想的结果，因此，该方法的鲁棒性较差。N a o t oM i u r a 等人在文献 3 中提出了采用迭代跟踪算法抽取手指静脉结构特征的算法。该算法的基本思想如图6 所 示，静脉血管的灰度值比其周围低，当采用跟踪算法沿图6 ( 2 ) 中箭头所指方向进行 跟踪时，得到如图6 ( 1 ) 所示的曲线图，该曲线最小值的位置即为特征点。算法的优 点在于，同一手指的不同静脉图像清晰度和明暗差别可能不同，但是其极值的位置是相 同的，也就是说其结构模式特征是相同的。N a o t oM i u r a 等人利用上述原理抽取图像的 特征点并对图像作二值化处理，结果如图7 所示。 至- 6 0 残 p i x e l ( 1 ) 偿驴J l 麟 【j 图6 静脉血管结构模式提取过程 1 8 0 ( 2 ) 基于网络安全应用的静脉识别研究综述 ( 1 ) 原始手指静脉图像( 2 ) 结构特征提取并进行二值化后的图像 图7N a o t o 的静脉血管结构模式图像 文献E I 中，C h i h I 。u n g 等人利用红外热像仪获得手背静脉的红外温度图像，通 过定义基准点截取手背红外温度图像的R O I ( R e g i o nO fI n t e r e s t ) ，如图8 ( 1 ) 所示。 C h i h - I 。u n g 等人通过分析( 1 ) 图的温度分布，发现上述图像具有缓慢的温度变化，如 图8 ( 2 ) 所示。使用W a t e r s h e d 变换得到( 1 ) 图的特征点模式( F P V P ，F e a t u r e P o i n t so ft h eV e i nP a t t e r n s ) ，然后又通过使用多重多分辨率过滤( M R F s ，M u l t i p l e m u l t i R e s o l u t i o nF i l t e r s ) 抽取( 3 ) 图的主特征点，结果如图8 ( 4 ) 所示。 万F 啊霹孵F ，- ：啊霄，霭 -I n ：乜? k- 、。0 - ，。 【j!。：；。一 ( 3 ) ( 4 ) 图8C h i h - L u n g 等人手背血管结构模式提取过程 比较上述四种结构模式提取算法，N a o t oM i u r a 等人的算法无论准确性还是鲁棒性 都是最好的，但较花费时间。C h i h L u n g 等人的模式提取算法尽管有一定的优势，但是 采用红外热像仪获取静脉图像的成本较高并且很不方便，可以考虑改进上述方法使之应 用于传统图像。对于结构模式的提取算法，关键是要花费最少的时间准确地提取图像的 结构模式特征。 第十七届全国信息保密学术会议( I S 2 0 0 7 ) 论文集 一一一广一一一 2 。3 手部静脉模式特征匹配 利用手部静脉特征进行身份识别的过程实际上就是对手部静脉模式特征进行综合判 断的过程，传统方法是采用基于数据库的匹配算法，匹配过程如图9 所示。 存储模式特征的数据库 一匿一日 一臣雯一 i 燃j 图9 基于数据库的静脉模式特征匹配过程 具体的匹配算法可归纳为两种： 1 基于像素值相关性的模板匹配算法 基于像素值相关性的模板匹配算法，其思路是比较所输入的模式特征图像和已注册 模式特征模板图像对应位置上像素点的值，通过事先设定不匹配像素点的概率阈值，当 所比较的两幅图像的不匹配像素点的概率大于此阈值时得出不匹配的判断，反之得出匹 配的判断。上述方法的关键是如何确定两幅模式特征图像的对应像素点。文献 3 采 用如下过程确定两幅模式图像的匹配位置。 ( 1 ) 建立如图1 0 所示的坐标系，并将已登记的手指静脉模板定义为R ( X ，Y ) ， 输入的待匹配图像模板定义为I ( x ，Y ) ； h 舞 h 。- x 轴 ” 图1 0 文献 3 定位方法中建立的坐标系 ( 2 ) 手指静脉模板的宽度为C 。，高度为C 。，如图1 0 所示。 ( 3 ) 如图1 0 所示，在( w ，h ) 范围内移动匹配模式图像I ，并定义如下公式来计 算不匹配概率M 。 r - 2 c h - - iu , - 2 c w - - 1 N m 一 空( J ( 5 + z ，t + z ) ，R ( c 。+ z ，“+ y ) ) ) 其中：中( i ，r ) 一 ：i f i - - r 。I 一2 5 5 ( 4 ) 当公式中的小取得最小值时被认为两幅模式图像的对应点的位置为最优。 一一 一一一 一； 基于网络安全应用的静脉识别研究综述 2 基于距离向量匹配算法 基于距离向量匹配算法的思路是通过比较两个特征向量的几何距离，距离大于阈值 的认为不匹配，小于阈值的认为匹配。文献 2 4 通过提取手背静脉模式结构特征 进行身份识别，匹配算法采用距离向量算法。匹配时为了做到平移不变和旋转不变，文 献 2 4 都采用了以关键点作为参考确定坐标系并提取R O I 的方法。例如，文献 4 分别利用食指和中指、无名指和小手指之间的指蹼的中点作为关键点。如图1 2 所示。 誊：踟，“1 丐掌1 善 ! 建。! 塑 霭潆蠹镳 1 ：罕“；支虹盥 r u ； 峥一t 博，埘齑尊融彳妇瞳豳舅 釜。i 蔷趟：。t i 墅竺! 二 图1 2 文献 4 - 1 采用以指蹼中点作为关键点的定位方法 匹配算法的关键是定位要准确，基于像素点的匹配和基于向量的匹配是将来静脉模 式匹配算法发展的主要方向，对上述两种基本算法进行代码和性能上的改进和优化会成 为将来研究的重点。 2 4 算法结果比较 比较不同识别算法的优劣通常采用错误接受率( F A R ，F a l s eA c c e p tR a t e ) 和错误 拒绝率( F R R ，F a l s eR e j e c tR a t e ) 。F A R 是指不属于同一个人的手部静脉模式特征被 误判为来自同一个人的比率，它实际上是系统的安全度测量。F R R 指属于同一个人的 手部静脉模式特征被错误地判为不属于同一手部静脉的比率，它可以认为是系统的易用 性测量。理想化的算法是安全度高且易用性强，但是这两个指标是成反比的。实际应用 中还采用F A R 和F R R 作为阈值( 0 1 0 ) 的函数时的曲线相交点作为评估标准。即 对等错误率( E E R ，E q u a lE r r o rR a t e ) ，E E R 的意义在于，它表示的是F A R 和F R R 同时取得的最小值，减少阈值参量，更简捷统一。 比较不同匹配算法需要使用相同的测试集，但遗憾的是，到目前还没有研究机构提 供手部静脉图像的公开测试集。表2 列出了几个代表性算法的测试结果统计，由于测试 算法对测试样本具有较强的依赖性，并且采样的手部静脉图像的部位也不同，因此，表 2 列出的数据并不是为了比较各种方法的优劣，而是用来说明目前研究所达到的大致 水平。 表2 各种匹配算法结果比较 N a o t oC ：h i h b a n g 方法 方法 3 方法 4 方法 1 2 手背红外 采样部位手指静脉手背静脉 热像图 第十七届全国信息保密学术会议( 1 S 2 0 0 7 ) 论文集 一_ r 一一一 续表2 N a o t oC h i h S a n g 方法 方法 3 方法 4 方法E l i 2 样本容量未提供未提供 1 0 ，0 0 0 R o 1 4 5 当 不匹配概率为 E E R0 3 7 5 ：E E R 一 未提供未提供 测试结果 2 - 3 6 当不匹配 概率为o 3 8 4 F A R 未提供 1 5 0 0 1 F A R 未提供 1 5 0 0 0 0 0 1 特征抽取时间 4 5 0 m s未提供未提供 识别时间 特征匹配时间 1 0 m s 未提供 未提供 3 利用手部静脉特征进行身份识别在网络安全上应用 近年来，随着互联网络的快速发展，它带给人们方便与利益的同时也产生了很多的 问题，尤其在信息安全方面。无论是团体或者个人的信息，都害怕在四通八达的网络上 传送而发生有损权益或隐私的事情。在这种情况下，人们越来越多地依赖口令和密码， 而口令和密码易泄密的缺陷正随着不同场合的频繁应用而显得越来越明显。据M o t o r o 一 1 a 公司的一份调查资料显示，每年因口令造成的损失增长率在6 0 以上。2 0 0 5 年两大 信用卡公司( V I s A 和M A S T E R ) 资料被窃事件震惊世界。由于生物特征数据可以在 计算机网络上进行传输和识别，通过生物特征识别技术，限定只有指定的人才能访问相 关信息，当发生同样的泄密事件时，窃密者尽管可以获取卡主的认证信息但却无法复制 同样的生物特征，可极大提高网上交易的安全性。这样，包括网上银行、网上贸易、电 子商务等一系列网络商业行为，就有了安全保障。上述同一份调查亦指出了对生物认证 系统需求的年增长率也在6 0 以上。 利用人类的某种生物特征作为身份识别的产品若能在网络安全方面得到广泛的应 用，必须满足准确率、数据量、辨识时间、产品价格和易用性等方面的要求。表3 列出 了指纹、静脉和虹膜产品在这四个方面的性能比较。 表3 各种生物特征识别产品性能比较 识别方法 静脉 指纹 虹膜 比较项目手背手指手掌 准 F A R ( ) 0 0 0 0 10 0 0 0 10 0 0 0 0 20 0 0 0 0 80 0 0 0 1 确 室F R R ( ) O 1O 10 0 1O 0 1O 0 1 基于网络安全应用的静脉识别研究综述 续表3 识别方法 静脉 指纹虹膜 比较项目手背手指手掌 数据量 4 8 02 5 6 未提供未提供 5 1 2 识别时间 1 0 4 2 51 2 采样方式接触式非接触式非接触式非接触式非接触式 产品价格低中等中等中等高 指纹识别设备是目前大家最耳熟能详的产品；指纹识别设备价格便宜，体积小，不 占空问，但就技术而言，因为采用平面取像，过干、过湿、较脏的手指都不易被识别出 来。且指纹取像时必须按压适度，否则易被拒绝，这对很多人造成不便。另外从表3 亦 可看出指纹识别的准确率较静脉和虹膜识别低，数据量较静脉大；虹膜特征识别采用非 接触式采样，准确率高，但虹膜识别设备费用高昂和对识别距离有特殊的要求。除此之 外，戴眼镜、眼睛太小都不太适用。 。 有别于指纹识别及其他的识别技术，静脉识别技术更安全、更不易仿冒。其技术优 势可以从以下几个方面描述。 ( 1 ) 信息采集；由于静脉识别采用的非接触式方式，通过红外线感应进行侦测，从 卫生的角度来说，比指纹识别方式更合理，不用担心传染病菌等问题，也不易引起被采 集者的反感。另外，红外光为非可见光也不会对身体造成任何损害。 ( 2 ) 准确性：由表3 可以看出静脉识别的准确性较指纹和虹膜都高。 ( 3 ) 识别时间和数据量：应用于网络身份识别的生物特征信息需要在网络上传输， 这种情况下必须满足数据量相对较小和识别时间相对较短的特点。表3 数据显示，这两 个方面，静脉识别也具有明显的优势。 ( 4 ) 产品价格：基于生物特征的网络身份识别认证产品被广大普通用户接受的话， 产品的价格必须具有一定的竞争力。静脉认证产品除了具有价格优势之外，其产品还具 有体积小、重量轻、携带方便的优势。日立公司的中指静脉产品的体积只有3 9 m m 3 4 m i n x1 5 m m ；富士通在C E A T E C2 0 0 5 上展示的手掌静脉认证传感器尺寸仅3 c m 3 c m 2 7 c m ，仅为现有产品7 c r u x7 c m X2 7 c m 的1 4 。 图1 3 富士通公司的两款手掌静脉认证传感器 第十七届全国信息保密学术会议( I S 2 0 0 7 ) 论又集 一一一一一一 礴曩r 一一一 一一 从上述四个方面可以看出，静脉识别在网络安全认证方面具有较好的应用前景。利 用手部静脉进行身份识别在网络安全方面的应用将来可能主要集中在遍布世界每个角落 的网上交易系统，例如：各大银行的A T M 提款机、网上银行、网上贸易、电子商务等 方面。利用手部静脉进行身份识别的应用起步较晚，目前也不如指纹、虹膜等的应用普 遍，但是基于手部静脉进行身份识别的优势非常明显，其应用也越来越受到了研究机 构、政府和企业的重视。在这方面，日本、韩国和新加坡走在了前列。日本日立公司的 中指静脉认证系统、日本富士通公司的手掌静脉认证系和新加坡V E I D 公司的手背静脉 认证系统都在业界处于领先地位。其中日本两家公司的产品在日本国内和国际上多次获 奖。富士通的手掌静脉认证技术获得2 0 0 4 年非接触型静脉认证系统财团法人日本产业 振兴学会“G r a n dD e s i g n ”大奖和2 0 0 5 年华尔街日报的“网络安全创新奖”。 4 总结与展望 本文结合近年来我们对静脉识别问题的研究工作，综述了利用手部静脉进行身份识 别的研究现状及其应用前景。随着网络应用的日益普遍，人们将来需要在网上进行越来 越多的商业行为，必将会对网上的身份识别提出越来越高的要求。真正解决网上身份识 别问题只能依靠生物识别技术。基于上述认识，静脉识别和其他生物特征识别问题也越 来越受到重视，正如比尔盖茨所讲，生物识别技术将成为今后几年I T 产业的重要 革新。 但是，利用生物识别技术的身份识别产品真正广泛应用于网上交易，必须解决准确 率、数据量、辨识时间和产品价格等诸多方面的问题。静脉认证技术在这些方面具有综 合优势，基于此，笔者认为静脉识别，尤其是中指静脉和手掌静脉可能会首先获得突 破。当然，静脉识别的许多细节仍有待进一步验证，例如饮酒、洗澡、外出和起床前后 或发生特定疾病时，静脉图案是否会有变化，这些疑虑都需要产业联合来共同努力。 参考文献 E l iS a n g - K y u nI M 。H y u n g - M a nP A R K ，Y o u n g - W o oK I M ，e ta l ，A nB i o m e t r i cI d e n t i c a t i o nS y s t e mb y E x t r a c t i n gH a n dV e i nP a t t e r n s J o u r n a lo ft h eK o r c a nP h y s i c a lS o c i e t y 2 0 0 1 ，3 8 ( 3 ) ：2 6 8 2 7 2 2 S a n g - K y u n ，H w a nS o oC h o i ，S o o - W o nK i m AD i r e c t i o n - b a s e dV a s c u l a rP a t t e r nE x t r a c t i o nA l g o r i t h mf o rH a n dV a s c u l a rP a t t e r nV e r i f i c a t i o n E T R IJ o u r n a l 2 0 0 3 ，2 5 ( 2 ) ：1 0 1 1 0 7 I - 3 N a o t oM i u r a ，A k i oN a g a s a k a ，T a k a f u m iM i y a t a k e F e a t u r eE x t r a c t i o no fF i