（计算机应用技术专业论文）基于手指静脉识别技术的方法研究.pdf

摘要 手指静脉识别是最近几年才开始发展起来的一种生物识别技术，它是利用每个人 的手指血管分布不同这一特性进行身份认证的。与现在人们所熟知的指纹识别技术相 比，具有更安全，非接触性等优点。本文在收集和分析近年来国内外有关生物识别技 术研究成果的基础上，对手指静脉识别的关键技术进行了研究。 首先，对采集到的手指静脉图像进行预处理。目的是去除原始图像中的各种噪声， 增加图像的清晰度，便于提取正确的静脉特征，是静脉识别过程的第一步。具体包括 静脉图像的增强、分割、去噪、细化等几个部分。 其次，特征提取与匹配。目的是从经过预处理得到的静脉血管图像中，提取血管 特征并进行匹配识别，判断两幅静脉图像是否来自同一个人。实现了基于模板、基于 端点和交叉点及基于计算距离的识别方法共三种方案。通过实验证明，基于计算距离 的匹配算法在识别速度和识别率上都取得了很好的效果。 最后提出了自己的关于静脉识别研究的一些想法。 关键词：手指静脉识别图象增强图像分割模式识别特征提取与匹配 a bs t r a c t t h ef i n g e rv e i nr e c o g n i t i o ni san e wb i o l o g i c a lf e a t u r er e c o g n i t i o n ，w h i c hi sd e v e l o p e d o n l vs e v e r a ly e a r s w ec a nc a r r yo nt h eb o d y si d e n t i f i c a t i o nt h r o u g ht h ef i n g e r v e i n c o m p a r e dw i t hf i n g e r p r i n tr e c o g n i t i o n ，v e i nr e c o g n i t i o n h a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha ss a f e t y , n o n c o n t a c t b a s e do nt h el a t e s te x t e n s i v ed i s c o u r s e sa n dt e c h n o l o g yj o u m a l si nt h i sf i e l d ， t h ed i s s e r t a t i o ni st r y i n gt om a k es t u d i e so nf i n g e rv e i nr e c o g n i t i o n f i r s t ，w ep r e p r o c e s st h ec o l l e c t e di m a g et o m a k ei t r e a d yf o rt h ef u t u r e f e a t u r e e x t r a c t i o n i t sp u r p o s ei st or e m o v en o i s eo fv e i ni m a g ea n di m p r o v i n gd e f i n i t i o no fv e i n i m a g e w h i c hw i l lb eb e n e f i c i a lt of o l l o w i n gf e a t u r ee x t r a c t i o n p r e p r o c e s s i n g i st h ef i r s ts t e p o ft h ev e i nr e c o g n i t i o np r o c e s s ，w h i c hi n c l u d e si m a g ee n h a n c e m e n t ，s e g m e n t a t l o n ， d e n o i s i n g ，t h i n n i n ga n do t h e rp a r t s s e c o n d f i n g e rv e i nf e a t u r ee x t r a c t i o na n dm a t c h i n g i t sp u r p o s e i st oj u d g ew h e t h e rt h e t w ov e i n sa r ec a p t u r e df r o mo n ep e r s o nb a s e do n t h e i rm i n u t i a e w ei m p l e m e n tt h r e e r e c o g n i t i o nm e t h o d s ，t h a ti s ，b a s e do nt e m p l a t e dm a t c h i n g ，b a s e do n t h ee n d 。p o i n t sa n d c i d s s p o i n t sa n db a s e do nc a l c u l a t i n gd i s t a n c e e x p e r i m e n t sh a v ep r o v e dt h a tt h em a t c h i n g m e t h o db a s e do nc a l c u l a t i n gd i s t a n c ea c h i e v e dg o o dr e s u l t so nt h es p e e da n dr e c o g n i t i o n r a t e f i n a l l y , ip r o p o s e ds o m ei d e a so f t h ev e i nr e c o g n i t i o na b o u tm y s e l f k e yw o r d s - f i n g e rv e i nr e c o g n i t i o n f e a t u r ee x t r a c t i o na n d i m a g ee n h a n c e m e n ti m a g et h i n n i n g m a t c h i n g 长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，基于手指静脉识别技术的方法研究是 本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的 内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 作者签名：一土勿亘垫；里立月卫日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版权 使用规定”，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕士学 位论文全文数据库和c n k i 系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学位论文 的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：拯茎j 4 年立月卓日 指导导师签名： 5 7 月且日 第一章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 我们生活在一个密码无所不在的时代，无论我们到银行取钱、在网上交易，还是 注册网络服务、刷卡消费，都需要身份的识别，密码无疑是应用最为广泛的安全保护 方式。但这同时也是一个窥探、破解、盗用等问题泛滥的时代。即便越来越复杂的密 码让人感觉安全，一个人面对太多密码，也会出现记忆混乱、遗忘等问题。 随着经济r 新月异的增长和科学技术突飞猛进的变革，2 1 世纪已发展成为以尖端 生物识别为主的时代叫3 1 。生物识别是根据人体生物特征具有“人不同，终身不变， 随身携带”的特点，利用生物特征或行为特征对个人进行身份识别的技术。生物识别 技术的优势是对于绝大多数人来说，永不消失、不会遗忘，而密码识别技术可能遗失、 可能被窥视、可能被破解，所有物识别技术也可能遗失、被盗、被复制。依据人的生 物特征的生理特性或行为方式可分为多种生物身份识别川。生理特征有手形、指纹、 脸形、虹膜、视网膜、脉搏、耳廓等；行为特性有签字、声音、按键力度等。根据人 体生理特征的不同，目前已经有指纹识别、虹膜识别、面相识别、掌纹识别、声纹识 别、静脉识别、脑波识别等各种不同的识别方法“1 。在众多识别方案中，指纹识别技 术是目前最方便、可靠、非侵害和技术上相对成熟的生物识别技术。然而，指纹识别 还有其自身的不足：某些人或某些群体的指纹因为指纹特征很少，达不到建档要求： 自动指纹识别系统的犯罪指纹数据库在全球司法实践中的广泛应用使得人们对其怀有 戒心；每一次使用指纹时都会在指纹采集器上留下用户的指纹印痕，而这些指纹痕迹 存在着被用来复制指纹的可能性。基于指纹识别技术存在着的种种弊端，科研人员最 新研发了静脉识别系统，它是目的世界上最先进的利用人体生物特征进行身份认证的 一种技术6 卜m 。 手指静脉识别是利用人的手指静脉特征实现身份认证的一项生物识别技术。同人 的指纹相比，手指静脉不仅具有高度唯一性，而且活体性、防伪性和特征稳定性更为 突出，在身份认证方面具有更高的安全性。 手指静脉生物识别系统的工作原理是依据人类手指中流动的血液可吸收特定波长 的光线，而使用特定波长光线对手指进行照射，可得到手指静脉的清晰图像n 1 。利用 这一固有科学的特征，对实现获耿的影像进行分析、处理，从而得到手指静脉的生物 特征，再将得到的手指静脉特征信息与事先注册的手指静脉特征进行比对，从而确认 登录者的身份。 静脉识别作为一种，l 物特征谚 别技术优点很多1 ：具有很强的普遍性和唯一性： 静脉咀管位体表内，是非接触性的f i 息采集，不会造成采集界m i 的污染；由于足身 体内部的p j 上 他1 特征，很难伪造或是下术改变：可以避免一爿表皮受损害f 佰无法进行指 纹谚 ”帅，j 缺| 5 f ：相比d n a 、虹膜识别，采集过程十分友盘：；彳i 会有使人联想剑犯! 推数挠： 库的恐慌；设备成本低廉。静脉识别将给整个安全防范行业带来一次革命，它将引起 银行、交通、商场、学校、政府机关军事重地、企业单位及家居小区的一次安全方便 的大变革，使得以往r 常生活中人们对银行卡、信用卡、交通卡、医疗卡使用时带来 的丢失、被盗、伪造、防盗、密码遗忘及被盗、挂失、钱款被犯罪分子领取等宿弊得 到避免。 生物泌别技术的发展前景不可限量。因此，静脉识别技术的研究具有广泛的应用 前途，并且把对其的研究成果应用于安全保护方面以及人们生活的各个领域，具有重 要的现实意义。 1 2 静脉识别的国内外研究现状 2 0 0 5 年1 1 月3 同，在深圳举行的第十届中国国际社会公共安全产品博览会上，深 圳市科安信公司“手指静脉识别技术”展位非常抡眼，吸引了国内外不少经销商的注 意。据悉，这是该“手指静脉识别”首次讵式登陆中国，并将首先在深圳市场销售。 2 0 0 6 年1 0 月，设在中国民航大学的天津市智能信号与图像处理重点实验室杨会锋博士 获得国家自然科学基金资助。基金研究内容为模式识别领域国际前沿科学问题“手指 静脉识别”，这也是目前国内手指静脉识别领域第一项获得国家自然科学基金资助的研 究项目。目前国内从事这项研究工作的单位有长春的鸿达公司和吉林大学等，而生产 静脉识别系统的厂家主要有深圳市科安信有限公司、深圳市中电视讯有限公司、上海 道肯奇科技有限公司、北京中航吴天科技有限公司、深圳市海蓝德科技有限公司等多 家企业。除了深圳市科安信有限公司生产的手指静脉识别以外，其他的企业生产的都 是手背静脉识别系统。由于静脉识别在我国还处于起步发展阶段，已生产产品的种类 数量很少，该技术的生产主要集中在门禁领域的产品。但随着研究的深入，这项技术 可以应用到更多不同的领域。 1 2 1 国内研究现状 目自订我国生产静脉识别系统的厂家主要有深圳市科安信有限公司、深圳市中电视 讯有限公司、上海道肯奇科技有限公司、北京中航吴天科技有限公司、深圳市海蓝德 科技有限公司等多家企业。除了深圳市科安信有限公司生产手指静脉识别外，其他企 业研发的都是手背静脉识别。由于静脉识别在我国的应用还处于起步阶段，已生产产 品的种类数最较少，该技术的生产主要集中在门禁领域的产品。同时，这些产品的应 用范闭还不是很广泛，主要集中在蕈要的高要求场所。在这科，市场的初期，由于人们 的知晓程度与了解程度不高，概念的普及与产品的推广需要一定的时l - h j ，市场还在开 发阶段，产品初期的成本价格较高。应用于各类场所的身份认汪和i 别：政府机关、 军警机关、会融机关、科研、电视台等晕点、高要求场所和企事业单位、家庭等。但 随着研发的深入，这项技术可以应用剑更多刁i 同的领域。 静脉谚l 别系统祚：我国的成功应用足第十届【 | ：界女了肇球锦枷：赛。作为北京魁组 委确定的4 2 场奥运测试赛首场比赛，这场比赛中，任何人进出场馆安保中枢，均需伸 手接受“手背静脉门禁系统”检测。这是第一次在比赛中使用了手背式静脉门禁系统。 此次赛事突出了科技安保意识，在安保指挥中心的大门设置了手背式静脉门禁系统， 要想通过这个系统，要过三关，一是检测手背上静脉的形状和走向，二是要检测每条 静脉的宽度，三是要检测血管内血流的速度。手背式静脉门禁系统的出错率低于百万 分之一，而且只能识别活体，即使采用其他材料进行仿造，也无法达到以假乱真的效 果。媒体和其他注册人员进入场内，除了人工查验外，还必须通过身份识别系统的验 证。注册人员靠近感应区，上方的电脑屏幕立即能显示注册人的相关信息。如果无法 显示注册信息或者拿他人证件，都将被拒之门外。五天的举办期间现场内外秩序良好， 安保工作获得了观众、参赛队以及媒体的赞赏。 掘深圳市科安信有限公司技术研发人员王刚介绍，静脉识别技术在我国目自订还处 于起步与发展阶段，产品的体积还比较大，但随着技术与工艺的提高，这一弊端将逐 步解决，体积会越做越小。另外静脉识别在我国的应用也将逐步发展，从目前主要集 中在门禁领域发展到银行业、电子产品领域，只要有模块，用于识别类的产品就容易 生产出来。 静脉识别设备的另一研究方向是综合多种技术于一身，支持系统升级，支持多种 锁类。比如对于带有静脉识别技术的a t m 机着眼的不仅仅是现在能够得到应用的技术。 研发人员表示，由于今后利用手机代替信用卡提款，或者应用非接触技术的i c 卡等必 将得到广泛应用，所以这种提款机也“末雨绸缪”地备有与这些新设备相对应的接口。 举个例子说，手指静脉认证传感器同时也可以作为针对非接触i c 卡技术的读写器，或 者用以蓝牙、红外线传输，或者代替现金卡的相应手机等，方便各领域使用。 2 1 世纪是生物智能的时代，多种生物识别技术的存在需要人们做出理性的选择， 需知没有哪一项技术是绝对完美的，人们应根据自身需求、经济承受能力、设备的使 用者、技术的安全性等一系列因素束选购产品：科研人员也应依靠自主研发，提高国 内产品的技术和功能，提高识别率、减小误差，从而真形使人们步入生物智能时代， 愿生物识别技术发展得更快更好。 1 2 2 国外研究现状 在率先研制静脉识别系统成功的f 1 本，对于该项技术与系统的使用已经达到了高 速发展的阶段：已有上力家企业采用基于静脉谚 别技术的安全保密系统。如东京银行 片3 十a t m 以及柜台的身份认证、保险箱及电脑系统臀求；f 本千叶工业大学则应用于 个人资料查询，如成绩单、上课记录、出入管理、图书借阅等；东京大学医院用于资 料窀的出入管制等等；同本主要的财务组织、学校、实验窀、政府机关以及私人企业 所引用，至今已经超过1 0 0 0 0 个单位使朋手：馨静脉谚! 刖系统，其中6 0 0 0 家是属于主要 公立及市市的银行，4 5 0 0 家应用在企j i k 行号的设备e ，1 0 0 0 个应用在电脑i 氆入。 ：，3 0 0 个j 够用在机天行号以及民宅人厦的门禁管理j ：。 3 手指静脉技术源于同立对医疗机械的研究。目前从事静脉识别技术研究工作的国 外企业有：同本的同立公司l l o l 韩国的t e c h s p h e r e 公司似1 等，其中，同立公司已经 形成了系统的产品，它的技术已走在国际前列。2 0 世纪9 0 年代未，同立在一项度量入 脑活动的研究当中发现，利用近红外线观察血液流动能够成为一种有效的、高安全度 的生物识别方式。1 9 9 7 年同立中央研究所就丌始了对手指静脉认证技术的研究，现已 获得多项专利。日立软件工程公司于2 0 0 4 年1 0 月2 0 同在东京举行的2 0 0 4 年安防解 决方案展览上展示了他们开发出的最小的手指静脉识别系统。该产品的机身尺寸为 9 5 7 9 5 5 m m ，是以前此类系统体积的1 3 。日立软件工程公司计划将这个装置配在公司 的j y o - m o n 指纹静脉识别仪系统上，以提供适合不同客户需求的生物识别解决方案。 r 本东京三菱银行在2 0 0 4 年底推出了静脉认证的取款卡与自动取款机，结果得到用户 的广泛欢迎。紧接着，住友银行、r 本邮政公社等商业机构纷纷效仿。同本邮政公社 具有同本国内最大的分行网络，是国内银行的两倍，2 0 0 6 年1 0 月前，同本邮政将在遍 及全国的提款机上安装由r 立公司研发的“中指静脉”认证系统。在f 1 本，f l 立及其 集团公司已将手指静脉认证技术广泛应用于各个领域，其中包括银行、a t m 存取款机、 汽车锁等。 同本同立公司丌发出的新型汽车安全系统，当司机拉车把手时，安装在车把手后 面的一个传感器利用近红外线识别一个人手指上的静脉纹理图案。系统便可识别司机 手指中静脉构成的独特图案。而且车把手的独特设计能引导司机的手f 好进入他每次 打丌车门的位置，保证系统每次读取数据时手指静脉都在同一位置。静脉图案对不上 号，即使偷车贼有汽车钥匙，他也打不丌汽车，这样偷车贼便无计可施了。 在f j 本，8 0 的a t m 都搭载了手指静脉认证设备( 截至2 0 0 7 年3 月) ，已成为事实 上的行业标准。2 0 0 7 年1 0 月1 5 同，同立制作的手指静脉认证门禁管理系统的海外版 于1 0 月丌始在亚洲市场销售。在2 0 0 8 年1 月9 号在大连举行的手指静脉生物以别技 术推广活动上，日本同立中央研究所演示了他们关于手指静脉识别技术的研究成果， 此次推广活动，标志着该技术首次登陆中国。随着该技术的普及，各类银行卡、会员 卡等将会退出历史舞台。 1 3 本文的主要研究内容 手指静脉识别技术，是通过红外线c c d 摄像头获取手指静脉的图像，将静脉的数 字图像存贮在计算机系统中。然后，运用先进的滤波、图像二值化和细化等手段对静 脉图像提墩特征。最后，使用复杂的匹配算法对静脉特征进行匹配。鉴于现在手指静 脉识别技术发展不是很成熟的现状，本文的主要研究内容如下： 1 研究手指静脉识别技术的理论依据，将其与其他乍物谚 ；| j 技术进行对比，总结 其优势。通过于指静脉识别的诸多优点，如活体识刖、内部特征、非接触式及安令等 级高等，说f 纠本文的研究足二作常有意义的， 献，主要足像颅处理和特征提取等力【“i ， 4 而且是可行的。查i 剜 目内外大量的钉关文 对静脉图像的预处珲作了，较深的研究。 2 本文的重点在对静脉图像的预处理上面。对采集到的静脉狄度图像，选用组合 滤波进行图像增强；采用动念阂值与全局阂值相结合的图像分割方法将从度图像转化 为二值图像；分割后的图像含有点块状的噪声，通过面积消去法来去除小于一定阈值 的噪声区域；通过改进的基于数字形态学的细化算法，对静脉图像进行细化处理。整 个预处理目的是为了图像增强和去噪，为静脉特征提取和匹配做好准备。 3 在手指静脉特征的提取与匹配方面，文中采用三种不同的方法来实现，基于模 板、基于端点和交叉点及基于计算距离的识别方法，三种方法各有各自的优缺点。 4 最后采集2 5 0 个手指的5 0 0 幅( 每个手指两幅) 静脉图像构成静脉图像库，再 经过测试得出实验结果。 1 4 本文的组织安排 本论文丌展的静脉身份谚 别的研究工作是基于手指静脉狄度图像进行的。在对国 内外识别算法研究进行一定分析的基础上，本文借鉴了其中的优点，对识别过程进行 了较为系统的研究。 本文共分为六章，组织安排如下： 第一章，绪论。介绍了本课题的研究目的和意义，静脉识别技术的国内外现状， 以及本文的主要研究内容和组织安排。 第二章，生物识别技术。介绍了生物识别的一些基本概念及分类。列举了几种典 型的生物识别技术，分别对他们的优缺点进行了分析、比较，由此引出了本文的研究 重点静脉识别技术。 第三章，静脉图像的预处理。本章中将预处理分4 个步骤进行：图像增强、图像 分割、分割后去噪及图像细化。图像增强是为了提高图像的清晰度，突出静脉图像中 的血管信息，削弱或是除去不需要的信息，使结果对后面的特征提取与识别比原图像 更适合；图像分割就是手指静脉的提取，即提取手指中的血管，将静脉血管图像由灰 度变化的图像变成黑白两色的图像；分割后去噪是为了消除由图像分割产尘的噪音， 为后续操作做准备；细化处理是指为了减少所需处理的信息量，便于提取静脉特征。 第四章，特征提取与匹配识别。在本章中，将从两个角度去提取手指静脉的特征 ( 未细化的静脉图像和细化的静脉图像) ，文中将逐一加以介绍。在提取了特征之后， 就，l ：始运用模式识别的方法，对特征进行分类识别。 第- f i 章，实验结果讨论与分析。通过实验，对不同方法的结果进行分析与对比， 得出不同的识别率，验证算法的有效性。 第六章，总结和展望。对本文所做i i 作的总结，以及对静脉谚 别这一新兴技术的 展颦。 5 第二章生物识别技术 信息安全的五大要素包括保密性、完整性、真实性、不可否认性及可控性。人类 在浏览资料、交易和物品安全保护的有效性、方便性上经历了三个阶段u ： ( 1 ) 第一阶段是最初的方法，采用大家早已熟悉的机械钥匙。 ( 2 ) 第二阶段是由机械钥匙发展到数字密匙，如登录上网的p a s s w o r d 以及a t m 机所需的p i n 、c d 卡或条形码等，它是当今数字化生活中较为流行的一种安全密匙系 统。 ( 3 ) 随着经济r 新月异的增长和科学技术突飞猛进的变革，信息技术的安全性和 保密性已显得越来越重要。进入2 1 世纪后，一种更加便捷、先进的信息安全技术迎来 了“电子商务时代”，它是集光学、传感、超声波扫描和计算机技术于一身的身份验证 技术生物识别技术。 所谓生物识别技术，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( 如指纹、脸像、红膜等) 和行 为特征( 如笔迹、声音、步态等) 来进行个人身份的鉴定。 传统的身份鉴定方法包括身份标识物品( 如钥匙、证件、a t m 卡等) 和身份标识知 识( 如用户名和密码) ，但由于是主要借助体外物，一旦证明身份的标识物品和标识知 识被盗或遗忘，其身份就容易被他人冒充或取代。 身份识别技术使远程化、虚拟化了的“人的标识 还原为“人本身”，使任何授权 动作前的身份认证变的非常可信和方便，就像面对面握手。 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 术具有不易遗忘、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。 生物识别技术是利用人体生物特征和活动性进行身份认证的一种特定技术，细分 为，e 理特征和行为特征。经过大量的实验证明，尘物特征是唯一的，且与任何人毫不 桂l 同，是可自动识别并被测量与验证的生理特性或行为方式。基于生物识别是利用人 自身的q i 物特征，不存在遗：玺或丢失的问题，也很难被窃取，于是，针对这蝼特点， 科研人员利用人体的各部位特i l i ：纷纷研发各种生物以别技术。它是采用自动技术测量 其身体特征或者个人行为特点，并将这些特征或特点与数据库的模板数掘进行比较， 完成认证的一种解决方案，从而进行身份验证。生物特征谚 别技术具有的优势是：对 于绝大多数人来说，永不消失、不会遗忘。而密码识别技术可能遗失、可能被窥视、 可能被破解：所有物识别技术：可能遗失、可能被盗、i 叮能被复制。 生物识别技术可广泛用于政府、军队、银行、社会福利保障、电子商务、安全防 务等领域。例如，一位储，、走进了银行，他既没带银 ，矗，也没有时匕密码就f 径“ 提款。当他在提款机七提款时，一台摄像机时该用，、的【l 睛于_ 描，然后迅述而准确地 6 克成了对用户的身份鉴定，办理先业务，这是美国德克萨斯州联合银行的一个营业部 中发7 的一个真实的镜头。浚营业部所使用的正是现代生物识别技术中的“虹膜识别 系统”。美国91 1 事件后，反恐怖活动已成为各国政府的共识，加强机场的安全舫务 受到各国的重视生物识别技术得到了广泛的应用”。 21 几种典型的生物识别技术 依据人的生物特征的生理特性或 ? 为方式可分为多种生物身份证5 别。生理特征有 手形、指纹、脸形、虹膜、视网膜、脉搏、耳廓等；行为特性订签字、声音、按键力 度等。根据人体生理特征的不同，目前已经有指纹说别、人脸泌别、声纹诚别、虹膜 以别、掌纹识别、签名识别等各种不同的识别方法。 莎j 簦名声技 h21 儿种小同的生物口l 刖特祉 i 指纹以刖 指纹识别技术“”足指俄拉一j 人f f j # e , 纹自1 ：或j 所科印瘦特 l l m 埘个人的身份逊tr 【f j 糍一西篾一n 识别和认定技术。 指纹，即人的手指指肚表面皮肤上的纹理花纹。虽人皆有之，却各不相同。世界 上任何种族、民族的男女老少、父子母女、兄弟姐妹，甚至是相貌极为相似的孪生兄 弟姐妹之间的指纹，都存在着本质的差异，同一个人的十个手指的指纹，也各有差异。 这种差异主要表现在指纹纹线中的许多细节特征的不同以及由这些细节特征之间构成 的整体组合关系的不同，如纹线中的勾、眼、桥、棒、点、隆凸、凹陷、弯折、交叉、 错位、串联以及三角、皱褶纹、伤疤等特征的具体形态、大小、方向、角度、位置、 数量及相互关系的不同等等。指纹的这种唯一性或排他性，为指纹识别技术的建立和 发展提供了可靠有力的科学依据。不仅如此，指纹还具有终生不变的稳定性。据考查， 人的指纹从胎儿时期的3 - - 4 个月时起至出生、直至死亡乃至尸体腐败以前的全部过程 中，其花纹的形态结构和细节特征的总体布局等保持不变。而且指纹本身还具有增殖 再生的能力，即皮肤的表皮层若受到磨损或剥脱，能很快得以恢复原状。个体指纹的 这种终生不变的稳定性，为指纹识别技术的建立和发展创造了极为重要的客观条件。 中国是世界上公认最早应用指纹的国家。早在2 7 0 0 多年前，中国人就开始在民间 买卖房屋和f 日产、借贷、婚姻等事项中利用指纹订立契约，作为同后的证据。而用系 统的方法研究和利用指纹则始于科学技术发达的欧洲，其代表人物是英国科学家弗郎 西斯高尔顿。1 8 9 2 年，高尔顿根据英国官员威廉赫胥尔和英国医生享利福尔茨 提出的指纹可作为识别身份的依据和用于侦破案件的想法，通过大量的收集、论证和 研究工作，最终撰写出版了世界上第一本指纹学专著指纹。他不仅把人的指纹 分为弓、箕、斗三大类型，还指出利用人的指纹辨认个人的身份是十分可靠的。从此 指纹识别技术便在英国乃至全世界范围内广泛用于警察探案和法官断案等活动。 今天，随着现代科学技术的发展，指纹识别技术尤其是指纹自动识别技术不仅在 警察探案和法官断案等活动中继续发挥着不可替代的作用，而且它已丌始被广泛地应 用在出入口控制、信息编码、银行信用卡、重要证件防伪等许多领域的管理工作中。 电子指纹档案在西方发达国家已经十分盛行，尤其是近年来由于互联网络的广泛 使用，使得指纹档案和指纹识别技术的应用更加广泛。美国已有3 0 个州的银行要求现 会支票兑现人提供拇指指纹，有1 1 个州要求社会福利申请人提供食指指纹。 2 0 0 2 年l1 月9 同，美国司法部长阿什克罗夫特在美加边境接受采访时透露，“9 1 l ” 事f ， ：发生后，美圈政府公布了一项新政策，要求每个从美国边境、机场海关入境的人 员必须提交指纹，以帮助找到那些“可能造成社会安全隐患”的暂居美困的人员。他 还透露，根据这项被称作“指纹入境法”的新规定，全美已经对1 4 万个入境人员的 指纹进行了识别检查，并从中逮捕了来自11 2 个国家的1 7 9 名嫌疑人。这些被逮捕的 人员中，有过去从美吲潜逃的罪犯，有严重犯罪i d 录者，还有以虚假理由入境者。 手机，已经迅速走入到普通人众生活和工作中，但随之而来的足手机被盗用的现 缘屡屡发f t 。为此，f f 本三菱电机公司将指纹识别技术自效地应用到新型于机的乍产 中。他1 f j 将“指纹认证装胃”微型化并内胃r ：手机中，使用者多之要j f j 手指触摸 = - 4 j l 的 8 传感部位，手机即可识别出指纹是否与使用者事先登录的指纹一致，如果指纹不相符 合，电话就不能接通，用户再也不用担心手机被人盗用了。 在我国，近年来根据指纹识别技术丌发推出的软件主要有：指纹考勤系统、指纹 门禁系统、指纹网络安全系统、指纹健康体检系统、指纹电子档案系统、指纹银行保 管箱系统、指纹养老金领取系统、指纹高考管理系统、指纹人类精子库管理系统等等。 目前，由于指纹识别在生物识别技术领域中起步较早，并随着指纹识别系统走出 金融、政府、机场等要害行业，越来越多的出现在智能化楼宇、p c 电脑等企业级民用 领域，使得指纹识别成为目前应用最多、市场份额最大的一类生物识别技术。有统计 数掘表明，2 0 0 5 年中国生物识别市场的年度销售量约为1 6 5 0 0 0 台套左右，其中超过 9 6 为指纹识别产品。 可以说，现代指纹识别技术被认为是理论成熟科学性强、实践应用广泛、发展自订 景广阔的一项生物识别技术，尤其是指纹自动识别技术正在形成一个全新的技术领域 和产业，并蕴藏和创造着巨大的商机。 2 人脸识别 人脸识别，是一项高端的计算机图像处理技术1 1 5 1 0 就其技术本质而言，就是通过 视频采集设备获取用户的面部图像，再利用核心的算法对其脸部的五官位置、脸型和 角度进行计算分析，进而和自身数据库罩已有的范本进行比对，最后判断出用户的真 实身份。 人脸识别系统，是一种对人脸骨骼进行识别的尖端监控技术。这种系统安装在人 流量很大的公共场所，或者大型体育馆的出入口，即便某个出入口在短时问内涌入几 百乃至：千人，电子探头都可以在瞬i 口j 进行精确的抓拍，即便是由于角度关系，可能 只拍到了1 5 的侧面，也可以在几秒钟内识别出“可疑人物”。 研究人员表示，眉骨、鼻梁、颧骨等是人脸骨骼的基本结构，每个人的骨骼会有 不同的细微差别，人脸识别系统就是通过这种细微差别找出可疑人物。人脸识别系统 利用的足骨骼识别原理，其主要特点是吞吐量很大、动态抓拍能力强，最快的反应速 度仅为0 0 1 秒。即使是一年当中某人体形上出现巨大变化，面部整形，或者遭受n g , j 伤，甚至到了肉眼都无法辨认的地步，仍然逃脱不了电子探头的锐利“目光”。 作为生物识别技术中的一种，与指纹识别相比，人脸以别在安全上更具惟一性、 稳定性和通用性，而它的应用目前主要有三种模式。 。第一种是人脸识别监控，即将需要重点关注的人员照片存放在系统中，当此类人 员 乜现在：监控设备覆盖的范围巾时，系统将报警提示。此种模式主要应用于通道安检、 地铁等需要及时预警的地点。 第：。二种是人脸谚 别l l x , t 检索，即利用特定对缘的照片与已知人员照片库进行比对， 进而确定其身份信息。这种j 澎片j 模式能够解决传统人：i = 方式【：作肇巨大、速度慢、效 率低等问题，可以应用j 二网络照片 ；：；! 索、身份识别等环境。这科- 模式可以用j 二机场等 人员流动犬的公其场所。 9 第三种是身份确认，即确认监控设备和照片中的人是否是同一人，此种模式可广 泛应用于需要身份认证的场所，如自助通关、银行金库等。专家认为，随着我国第二 代居民身份证的逐渐普及，这种模式将会出现在人们同常生活中。 人脸识别是生物特征识别技术的一个重要方向，与其他生物特征相比，人脸识别 具有主动性、非接触性和用户友好等许多优点，多年来一直受到许多研究者的关注。 但是目前的人脸识别方法主要集中在二维图像方面，由于受到光照、姿势、表情变化 的影响，识别的准确度受到很大限制，脸像随年龄变化而变化，而且容易被伪装。因 此，人脸识别技术目f i 只能用于某些识别准确率要求不是很高的场合。 3 声纹识别 声纹，是指通过声谱仪显示出柬的、能够携带言语信息和声学特征的各种语音声 波图谱，即语声的声谱图。声谱仪上的语音声波显示出的等强曲线，同指纹纹线极其 相似，故被形象地称之为“声纹，也有人直接将其称为“第二指纹”。在语言学界， 被称之为语图，或称之为“可见语言n o 声纹不仅貌似指纹，而且在本质上跟指纹一样，具有人各不同的特定性和相对不 变的稳定性。语声是人的发音器官发出的声音。人的发音器官主要由声带、声道和口 腔三部分组成。声带的厚薄、声道的长短、舌齿的位置、口腔的大小等自身因素及其 配合关系的不同，形成的人与人之i 日j 发音器官的生理差异以及受民族语言、地方口音、 教育环境、发音习惯等不同因素的影响，决定了人与人之问的语声以及记录语声物理 量的声纹的不同。而且，一个人的发音器官发育成熟以后，其生理状态和解剖结构在 一定时期内基本保持不变，在后天环境下形成的发音习惯也较难改变。于是，人们把 根据声纹差异性和相对稳定性的特点，利用听觉检验和频谱分析的方法，对己知语声 样本和未知语声样本进行分析、检测和鉴定，以识别说话人的技术称之为声纹识别技 术。 利用声纹分析识别讲话人的技术始于二战期问的美国。1 9 4 1 年，美国贝尔实验室 发明了可以显示声纹图谱的声谱仪，标志着现代声纹识别技术的丌始。二战结束后， 贝尔实验室的物理学家劳仑斯g 克斯塔( l g k e s t a ) 受美国司法当局的委托， 利用卢谱仪的图谱匹配对声纹鉴定进行了系统科学的研究。他以1 2 3 名健康的美国男 性为研究对象，在2 5 0 0 0 个声纹图中进行了5 0 0 0 0 多次分析鉴定，得出高达9 9 6 5 的 识别准确率，并于1 9 6 2 年发表了名为声纹鉴定的研究报告。之后，声纹识别技术 便丌始被美国、同本、英国、法国、自订苏联、自订两德、印度、古巴和罗马尼亚等围家 比较广泛地应用到警察探案、法官断案和情报搜集及军事活动中。 我国对声纹识别技术的研究和应用始于上个世纪的8 0 年代。虽起步较晚，但发展 较快。专家们针对汉语这一世界最人( 使用人数最多) 语利，的特点，潜心研究，不断 实践，总结 整套声纹识别的科学方法，舀：某些办【自f 已达到国际先进水i f 。它不仅 存一些重大的谋杀、盗窃、强奸、绑架、走私、沈钱、偷税漏税、爆炸、恐卟、恐怖 活动、 1 ：骗和政治腐败等案件的侦破中发挥着蓖人竹= 川，巾jn 还在一。些离婚诉i 公、f 乜 l o 话骚扰、各种经济纠纷和留有遗嘱的继承案件的查处中发挥着独特的作用。 4 虹膜识别 虹膜，作为重要的身份鉴别特征，具有唯一性、稳定性、可采集性、非接触性等 优点。与脸像、声音等非接触式的身份鉴别方法相比，虹膜具有更高的准确性，同益 得到学术界和企业界的重视 。 对于每个人来说，虹膜的结构都是各不相同的，并且这种独特的虹膜结构在人的 一生中几乎不发生变化。这个观点有两方面的依据：第一个依据来源于临床的观察。 眼科学家和解剖学家经过大量的观察发现虹膜具有独特的结构，即便对于同一个人， 左眼和右眼的虹膜区别也是十分明显的。经过进一步持续的观察，科学家们发现，自 章年以后，虹膜在人的一生中所发生的变化十分微小。支持这一观点的第二个证据来 源是发育生物学。科学家发现，尽管虹膜的基本结构是由内在的遗传基因决定的，但 是外界的坏境却对虹膜独特的细微结构起着决定性作用。这种外部环境是指在生命初 期，虹膜形成之前的胚胎发育环境。因此，自然界不可能出现完全相同的两个虹膜。 发育生物学家通过大量观察发现当虹膜发育完全以后，它在人的一生中是稳定不变的， 因而具有稳定性。另外，由于虹膜的外部有透明的角膜将其与外界相隔离，因此发育 完全的虹膜不易受到外界的伤害而产生变化。所有这些证据表明，每个人都有不同的 虹膜结构，并且这种独特的虹膜结构是稳定的。 可见，虹膜适合于作为身份鉴别的特征，可利用虹膜进行身份识别。 虹膜身份识别系统由以下几个部分构成：虹膜获墩、虹膜图像顶处理、虹膜图像 特征提取、匹配与识别。虹膜图像的获取需要通过特殊的设备，目前此技术还不很成 熟，离推广使用还有一定的距离。 人眼睛的外观图由巩膜、虹膜、瞳孔三部分构成。巩膜即眼球外围的白色部分， 约占总面积的3 0 ；眼睛中心为瞳孔部分，约占5 ；虹膜位于巩膜和瞳孔之间，包含 了最丰富的纹理信息，占据6 5 。外观上看，由许多腺窝、皱褶、色素斑等构成( 见右 图) ，是人体中最独特的结构之一。虹膜的形成由遗传基因决定，人体基因表达决定了 虹膜的形态、生理、颜色和总的外观。人发育到八个月左右，虹膜就基本上发育到了 足够尺寸，进入了相对稳定的时期。除非极少见的反常状况、身体或精神上大的创伤 爿可能造成虹膜外观上的改变外，虹膜形貌町以保持数十年没有多少变化。另一方面， 虹膜是外部可见的，但同时又属于内祁组织，位于角膜后面。要改变虹膜外观，需要 非常精细的外科手术，而且要冒着视力损伤的危险。虹膜的高度独特性、稳定性及不 可更改的特点，是虹膜可用作身份鉴别的物质基础。 虹膜识别技术具有远距离谚3 别、非接触惟、对被识别者干扰最少、准确二簪高等特 点。尽管它的产生只有不足2 0 年的历史，f h 它卸是。种极具潜夕j 和发展前途的乍物识 刖技术。在英国、德困等发达国家的一些银行、机场已经使用了这一技术，只要在l 米共仝更远一点的距离内，被谚 别者的眼睛埘准摄像机镜头便会尉f 虹膜图像，一：作 人员将被于- l 描的虹膜图像转化成数字信息，j 数捌所i f l l 的十| 1 天“样品”信息进ij 二比较 和核对，识别过程便很快完成。 5 掌形识别 掌形识别技术是美国c a r r e t t 博士经过多年的生物特征识别技术试验后首创舳。 人类手掌的立体形状，如同指纹一样，是每个人都互不相同的，因此可以作为身份确 认的识别特征。手掌特征是指手的大小和形状，它包括手的长度、宽度、厚度、以及 手掌和除大拇指之外的其余四个手指的表面特征。掌形识别系统是通过红外线和c c d 扫描获取手掌的三维图像，测量得到9 0 多个掌形的数据，进而分析得出手掌独一无二 的特征1 。 掌形识别技术的优点：( 1 ) 对比速度快；( 2 ) 掌形识别的r e ( f a i l u r et oe n r o l l ， 不能录入率) 很低；( 3 ) 需要计算机存储的空问很小。 掌形识别技术的缺点：( 1 ) 由于手掌的相似性不是很容易区分的，掌形识别技术 不能像指纹、人脸和虹膜识别技术那样容易获得丰富的数据，不能完成一对多的识别； ( 2 ) 掌形识别技术的易用性不及其它的识别技术，因为使用者需要知道自己的手掌怎 样摆放，并花一定的时i 日j 来学习；( 3 ) 由于使用者必须与设备直接接触，可能会带来 卫生方面的问题。 6 签名识别 签名作为身份认证的手段己经用了几百年了，而且我们都很熟悉在银行的格式表 单中签名作为我们身份的标志。将签名数字化是这样一个过程，测量图像本身以及整 个签名的动作一一在每个字母以及字母之问的不同速度、顺序和压力，签名识别和声 音识别一样，是一种行为测定学船1 0 签名识别的优点使用签名识别有者良好的心里基础，更容易被大众接受。 签名以别的缺点：( 1 ) 随着经验的增长，性情的变化与生活方式的改变，签名也 会随着而改变；( 2 ) 为了处理签名的不可避免的自然改变，我们必须在安全方面做以 妥协；( 3 ) 因为签名的速度不快，我们无法在i n t e r n e t 上使用；( 4 ) 它用于签名的手 写板结构复杂而且价格昂贵，因为和笔记本电脑的触摸板的分辨率有着很大的差异， 我们在技术上很难将两者结合起束；很难将它的尺寸小型化。 2 2 生物识别最新科技静脉识别技术 静脉识别技术的原理是根据血液中的血红素有吸收红外线光的特质，将具红外线 感应度的小型照相机对着手指进行摄影，即可将照着血管的阴影处摄出图像束。将血 管图样进行数字处理，制成血管图样影像。静脉识别系统就是首先通过静脉i ： l 别仪取 得个人静脉分布图，从静脉分钮图依据专用比对算法提取特征值，通过红外线c c d 摄 像头获取手指或手背静脉的图像，将静脉的数：# 图像存贮在计算机系统中，将特 i e 值 存储。静脉比对时，实时采取静脉图，提取特征值，运j 钉先进的滤波、图像一二值化、 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i 而义寸个人进行身份鉴定，确认身份。全过科采j 】忙接触式。 1 2 静脉识别技术己经成为当今数字生活中一种身份鉴别系统，也有人预吉。它是未来 生物识别技术的主流之一。由于在已经投入使用的生物识别技术中，比较多的是指纹 识别和虹膜识别，而这种通过分析人体皮肤下面的静脉血管分句情况束识别主人身份 的技术，大多数人都未曾了解过。下面将静脉识别技术与其他技术进行对比，总结其 具有的优势“。首先来分析原有识别技术存在的弊端： 1 指纹识别技术对环境的要求很高，对手指的湿度、清洁度等都很敏感，脏、油、 水都会造成识别不了或影响到识别的结果；某些人或某些群体的指纹特征少，甚至无 指纹，所以难以成像；对于脱皮、有伤痕等低质量指纹存在识别困难、识别率低的问 题，对于一些手上老茧较多的体力劳动者等部分特殊人群的注册和谚 别困难较大；每 一次使用指纹时都会在指纹采集头上留下用户的指纹印痕，而这些指纹痕迹存在被用 来复制指纹的可能性；每一次指纹识别摩擦采集时，同积月累会造成没备的磨损；指 纹识别时方向要求较高，方位要正，不要斜着刷，用指肚而不是指尖，否则识别不上； 指纹识别设备成本仍然较高等；指纹识别的采集点少，识别率较低。 2 人脸识别的使用固然简便，它不