（计算机应用技术专业论文）基于生物识别技术的考生身份认证系统研究与应用.pdf

摘要 摘要 在大型考试中，如何准确快速的确定考生身份并防止代考现象的发生，是长 期困扰各级考务管理部门的一个问题。现行确认考生身份的方法采用准考证与身 份证相结合的办法，但是，证件造假技术越来越先进，依靠传统的纸质证件确认 考生身份的可信度在逐渐降低；甚至有个别代考通过走关系获得监考教师的默 许。 针对考生身份认证工作中存在的问题，人们引入了生物识别技术，设计并开 发一些基于生物识别技术的考生身份认证系统。然而，现有系统是将考生身份认 证系统同考务系统结合起来进行研究和设计的，使得考生身份认证系统只能对一 种考试进行身份认证，缺乏通用性和灵活性；现有系统在考生身份验证过程中没 有记录验证结果，可能有个别人在身份验证过程中弄虚作假。 本课题的主要研究任务是利用生物识别技术设计一个使用方便、能快速确认 考生身份并能对异常情况进行处理、适应多种不同类型考试( 会考、高考、自学 考试等) 的并能对验证结果进行审计的考生身份认证系统，方便考试主管部门对 考生身份的确认，防止徇私舞弊的发生。 本系统总体架构采用b s 模式，根据考试工作的业务需求以及安全需求，系 统采用局域网和因特网相结合的策略。首先，本文分析现有的各种类型考试的考 务管理系统工作流程，了解它们的异同以及数据库设计上的差异，在此基础上进 行了考生身份认证系统数据库设计，其中一些表作为连接现有考务管理系统数据 库的接口，降低系统整合过程中的复杂度。其次，系统在验证考生身份的同时记 录考生在每个科目上的验证结果，防止个别监考教师徇私舞弊。为了保证验证结 果不被修改，系统利用对称密码技术对数据库中敏感数据进行了加密，保证了数 据的机密性、完整性和真实性。 本文最后利用手指静脉识别技术给出了系统的实现，开发了一个基于指静脉 识别技术的考生身份认证系统，该系统主要功能包括考生指静脉注册、指静脉验 证、对验证结果进行审计、数据到导入和导出等功能，系统也实现了数据库加密、 系统的整合管理等功能。 关键词生物识别；身份认证；特征匹配；数据库加密；审计 a b s t r a c t a b s t r a c t a tl a r g e s c a l ee x a m i n a t i o n s h o wq u i c k l ya n da c c u r a t e l yt od e t e r m i n et h e i d e n f i t yo fc a n d i d a t e sa n dt op r e v e n tt h eo c c u r r e n c eo ft h ep h e n o m e n o no f g e n e r a t i o no ft e s t ，i st h ep r o b l e mw h i c ha n n o yl o n g - s t a n d i n gt h em a n a g e m e n t d e p a r t m e n to ft e s t t h ee x i s t i n gm e t h o dt oc o n f i r mt h ei d e n t i t yo fc a n d i d a t e su s e s ac o m b i n a t i o ns o l u t i o no ft i c k e ta n di dc a r d ，b u t ，f o r g e dt e c h n o l o g yo fc r e d e n t i a l s i sm o r ea n dm o r ea d v a n c e d ，r e l 弧n go nt r a d i t i o n a lp a p e r - b a s e di d e n t i t yc r e d e n t i a l s t oc o n f i r mt h ec r e d i b i l i t yo ft h ec a n d i d a t e si sa tg r a d u a l l yr e d u c e d ；af e w ”e x a m c h e a t e r s ”t h r o u g hr e l a t i o n s h i pg e tt h ea c q u i e s c e n c eo fi n v i g i l a t o r s f o rt h ei o bo fc a n d i d a t e sa u t h e n t i c a t i o np r o b l e m s ，i ti si n t r o d u c e db i o m e t r i c r e c o g n i t i o nt e c h n o l o g y , d e s i g na n dd e v e l o pt h ei d e n t i t ya u t h e n t i c a t i o ns y s t e m b a s e db i o m e t r i c so fc a n d i d a t e s h o w e v e r , t h ee x i s t i n gs y s t e mw o r k sw i t ht h et e s t m a n a g e m e n ts y s t e m ，i tm a k e st h ei d e n t i t ya u t h e n t i c a t i o ns y s t e mo n l yc a r r yo u tt h e i d e n t i t yc e r t i f i c a t i o no fae x a m i n a t i o n i s1 a c ko fv e r s a t i l i t ya n df l e x i b i l i t y , e x i s t i n g a u t h e n t i c a t i o ns y s t e m sa tt h ec a n d i d a t e sv e r i f i c a t i o np r o c e s sh a v en or e c o r do ft l l e r e s u l t s ，af e wp e r s o n sm a y h a v eb ei nt h ef r a u d t h em a j o rt a s ko fs u b j e c ti st ou s eb i o m e t r i ct e c h n o l o g yt od e s i g nae a s yt ou s e ， q u i c k l yt oc o n f i r mt h ei d e n t i t yo fc a n d i d a t e sa n dt od e a lw i t ha b n o r m a ls i t u a t i o n s 。 t oa d a p tav a r i e t yo fd i f f e r e n tt y p e so fe x a m i n a t i o n s ( c e r t i f i c a t e ，t h ec o l l e g e e n t r a n c ee x a m i n a t i o n ，s e l f - e x a m i n a t i o n , e t c ) a n d t oc h e c kt h er e s u l t so ft h ea u d i t o ft h ec a n d i d a t e si d e n t i t ya u t h e n t i c a t i o ns y s t e m 。i tf a c i l i t a t e st h ee x a m i n a t i o no f t h ed e p a r t m e n td i r e c t o rt oc o n f i r mt h ei d e n t i t yo fc a n d i d a t e st op r e v e n tt h e o c c u l t e n c eo fc o r r u p t i o n t h eo v e r a l la r c h i t e c t u r eo ft h es y s t e mi sb sm o d e i na c c o r d a n c ew i m b u s i n e s sn e e d se x a m i n a t i o na n ds e c u r i t yn e e d s ，t h es y s t e mu s e sac o m b i n a t i o no f l a na n dh t e r n e ts t r a t e g y f i r s to fa 1 1 t h i sa r t i c l ea n a l y z e st h ew o r k f l o wo f v a r i o u st e s tm a n a g e m e n ts y s t e m s ，t ou n d e r s t a n dt h e i rs i m i l a r i t i e sa n dd i f f e r e n c e s ， a sw e l la st h ed i f f e r e n c e so ft h ed a t a b a s e ，s o m ev i e w sa ss y s t e mi n t e r f a c ec o n n e c t w i t ht h ee x i s t i n gt a b l e ，t or e d u c et h ec o m p l e x i t yo ft h ep r o c e s si ns y s t e m i n t e g r a t i o n s e c o n d ，t h es y s t e mv e r i f i e st h ei d e n t i t yo fc a n d i d a t e s ，a tt h es a m et i m e r e c o r d st 1 1 er e s u l t so fe a c hs u b j e c t , t op r e v e n tt h ec o r r u p t i o no fi n d i v i d u a l i n v i g i l a t o r t h es y s t e mi si no r d e rt oe l l s u l et h a tt h er e s u l t sw i l ln o tb em o d i f i e d ， u s i n gs y m m e t r i cc r y p t o g r a p h i ct e c h n i q u e so ns e n s i t i v ed a t ai nt h ed a t a b a s e f i n a l l y , t h ea r t i c l eg i v e s t h ei m p l e m e n to ft h es y s t e mu s i n gf i n g e rv e i n r e c o g n i t i o nt e c h n o l o g y , d e v e l o p st h ec a n d i d a t e si d e n t i t ya u t h e n t i c a t i o ns y s t e m b a s e do nv e i nr e c o g n i t i o nt e c h n o l o g y t h em a i nf e a t u r e so ft h es y s t e mi n c l u d e c a n d i d a t e sv e i nr e g i s t e r , c a n d i d a t e sv e i na u t h e n t i c a t i o n ，t oa u d i tt h er e s u l t s ，t o i m p o r ta n de x p o r td a t a ，t h es y s t e ma l s oi n c l u d ead a t a b a s ee n c r y p t i o ns y s t e ma n d i n t e g r a t e dm a n a g e m e n t 北京t 业大学t 学硕 学位论文 k e y w o r d sb i o m e t r i ci d e n t i f y ；i d e n t i t ya u t h e n t i c a t i o n ；f e a t u r em a t c h i n g ； d a t a b a s ee n c r y p t i o n ；a u d i t i v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：塑勇送三日期：型翌。二窆 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公御论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 弓 签名：乏区邋导师签名：2 l 同期：2 鱼弓0 。彩 第1 幸绪论 鼍曼量皇曼寡曼鼍曼量曼曼曼曼舅曼量曼鼍皇曼皇曼皇曼量曼罾皇曼舅 ilh i 皇曼曼曼曼量曼量量量曼量葛 1 1 论文研究背景 第1 章绪论 考试作为传统的评价一个人所掌握专业技术水平能力的重要考核方式，占据 举足轻重的地位。随着社会分工的不断细化，考试种类也逐渐繁多起来。每年， 我国都进行普通高考、成人高考、研究生入学考试、自学考试、高中会考、大学 英语等级考试、计算机等级考试等各种大型考试，这些考试都是全国性、全省性 的，组织和管理这样大型考试的工作必然是异常繁重、艰巨。随着计算机软件及 网络技术的发展，基于网络的各种应用系统层出不穷，使得许多工作都可以借助 计算机进行管理。计算机的应用不仅将人从枯燥而繁重的重复性工作中解放出 来，同时也大大的提高了工作效率。随着信息化程度的不断提高，各地考试管理 部门也都开发出自己的考务管理软件，用计算机实现从报名到成绩发放全过程的 电子化管理。考务管理软件应用的目的是将现有的考试管理工作规范化、公正化， 将考试管理人员从繁重而枯燥的工作中解放出来。 考试是一种公平的竞争方式，然而在考试中总有些人存不劳而获的侥幸心 理，使用各种方式进行作弊，甚至考试成为某些人的生财工具，考试作弊现象已 经严重影响到考试的公平和公正性，造成了不良的社会影响，给本来公正的考试 蒙上了不公正的阴影。如何防止考生作弊已经成为各级主考部门必须面对和解决 的问题。考生的作弊方式式大致有夹带、抄袭、手机和替考等四种。夹带和抄袭 是比较原始的作弊方式，杜绝这类作弊形式只有一个办法就是严格进行监考；对 于手机作弊方式就要依靠高科技手段进行遏制；替考作弊方式虽然是一种比较原 始的作弊方式，但是其隐蔽性更强，成功率更高。因为替考者学习成绩很好，在 考试过程中不用抄袭就能取得很好的成绩，所以只要替考通过身份验证，其作弊 就算是成功。对于替考来说，其作弊能不能成功完全在于身份能否通过验证；对 于监考教师来说，唯一能查出替考的阶段就是在考生身份验证阶段。替考者只有 两个方法能通过身份验证：第一个方法通过制作假身份证或准考证，试图通过欺 骗的方式蒙混过关；第二个方法是个别有关系的考生通过向监考老师说情，希望 监考教师在身份验证时给予“关照 。 1 2 问题的提出 如何准确的确定考生的身份防止替考现象的出现，是长期困扰考务管理部门 的一个问题。虽然考务管理系统提高了考试管理部门的工作效率，降低了工作负 北京工业大学t 学硕 ：学位论文 担，但考生的身份认证方式还是采用传统的准考证和身份证相结合的方法进行确 认考生身份的真伪，使得考生的身份验证和考试的信息化管理脱节。现行的确认 考生身份验证方法主要采用防伪性能较好的准考证，或采用准考证与身份证相结 合的办法，但是，证件造假技术越来越先进，依靠传统的纸质证件确认考生身份 的可信度在逐渐降低，监考教师也难以仅凭照片和身份证辨认考生身份的真伪。 传统的考生身份验证方法不仅增加监考教师的工作负担，而且也不具有准确的可 靠性；另外，考生参加考试时，往往要携带准考证和身份证件，万一考生丢失个 别证件，考生就不能参加考试，这会给考生造成很大的损失。 为了防止替考出现，一方面，考试管理部门通过证件的方式确认考生身份， 另一方面，制定了严格的考试处罚制度，以打击考试的不法行为。但个别考生抱 着侥幸心理铤而走险，代考现象在各种考试中屡有发生，造成了极坏的社会影响， 严重影响到考试的公平、公正性。针对考生身份验证过程出现的问题，人们引入 了生物识别技术，利用每个人的生物特征的唯一性，达到确定考生身份的目的。 生物识别技术是指通过计算机利用人体固有的生理特征或者行为特征来进行身 份鉴定的过程。由于每个人的生物特征都具有唯一性，所以利用人的生物特征确 定一个人的身份是可行的。将生物识别技术用于考生身份，是解决目前考生身份 认证的有效方法。 用生物识别技术来确认考生身份与传统的身份识别手段相比，其优点是：安 全方便。根据考试管理要求，考生参加考试时必须携带身份证、准考证等相关证 件。由于携带证件较多，加上考生参加考试时心情紧张、遗忘等原因，考试证件 携带不全、考试证件丢失等现象屡有发生，致使许多考生不能参加考试。生物特 征作为人身体一部分，不存在“丢失”现象，能很好的解决考生身份认证问题。 不能伪造，具有高度防伪功能。现在的考生身份认证手段主要依据考生的准考证 和身份证，而这些证件的造假在科技高度发展的今天已经不算难事，并且假证件 的仿真度很高，不易察觉，给监考人员对考生身份验证上造成了困难。生物特征 具有唯一性，无法伪造，利用生物识别装置能很快的确定考生身份的真伪，实现 考生的身份认证的自动化。利用考生报名时注册的生物特征值，在考生入场前利 用生物识别装置现场采集生物特征并进行比对，从而能快速准确地确认考生身份 的真伪，减少了传统认证方式的人为因素造成的不准确。 目前，已经设计并开发了多个基于生物识别技术的考务管理系统，应用在不 同的考试中，这些系统都有各自的特点。经过研究、分析，发现现有系统存在两 个问题：第一，系统缺乏审计机制。系统对于企图利用伪造的准考证、身份证等 证件蒙混过关的考生有很好的效果，使得这部分替考在验证身份时露出马脚，但 对于通过走关系得到监考教师关照的考生无能为力，因为即使这些考生在身份验 证时验证失败，监考教师也可以对这些人放行，所以系统在这样的替考面前失去 第l 币绪论 作用。究其原因，现有系统在考生身份验证过程中没有记录考生的身份验证结果， 事后考试监管部门无法对验证结果进行审查，系统对负责验证的监考教师不具有 约束作用，也就不能保证没有徇私舞弊现象的发生。因此系统不能完全杜绝替考 的发生。 第二，系统缺乏通用性。已有的系统是将考生身份验证作为考务管理的一部 分来实现的，虽然能很好的解决目标考试的考生身份验证问题，但缺乏通用性。 我国开展的考试工作种类繁多，考试功能需求也不尽相同，如果为每种考试都设 计一个考生身份认证系统，势必会造成重大的人力、资源、时间上的浪费。将生 物识别技术用于考生的身份验证上，是检查考生身份真伪的一种手段，其本身并 不依赖任何一种考务管理系统，或者考生身份验证可以脱离考务管理系统单独存 在。因此，可以设计一种独立的、能适应多种考试的通用考生身份验证系统。 1 3 本文主要研究内容 本文的主要研究内容是利用生物识别技术解决考生身份认证的问题。通过研 究现有的各种考生身份认证系统的设计方案，分析不同方案的优缺点，并结合不 同类型考试的考务管理工作流程，提出一种新的基于生物识别技术的考生身份认 证系统的设计方案，解决已有设计方案缺乏通用性、无法对考生验证过程进行审 查的缺陷。论文以建立一个能适应多种不同类型考试的、并能对考生身份认证过 程进行审计的系统为切入点，本文的研究工作在此基础上展开。主要研究内容包 括：系统结构设计、与已有考务管理系统数据共享问题、记录考生验证结果的数 据结构设计、如何审计问题、如何验证问题、数据安全存储问题、数据交换等问 题。 1 4 本文的主要工作 本文对如何实现建立通用的适应多种类型考试的基于生物识别技术的考生 身份认证系统进行了一些研究和探讨。首先，本文介绍了生物识别技术的基本知 识及其在考生身份验证中的应用，分析了不同类型考试的考务管理系统设计，找 出这些管理系统的共性，从而得出一般考务管理工作的流程，依据此工作流程开 展考生身份验证系统的设计工作。 其次，在总体设计阶段，系统设计思想是记录考生在每个科目上的验证结果 并保存到数据库中，考试结束后将考生验证结果上传到考试管理部门，由考试管 理部门根据系统提供的审计功能对验证结果进行审计，检查验证过程中是否存在 徇私舞弊行为。如果存在徇私舞弊行为，则对被替考的考生按作弊处理，并处理 向替考提供方便的监考教师。依据设计思想给出了系统体系结构设计、系统软硬 北京t 业人学丁学硕l ：学位论文 件环境、系统功能设计、各种基本表和视图的设计。在详细设计阶段，细化了总 体设计，给出了系统各个组成部分的详细设计图和描述。同时也考虑数据存储安 全问题，运用数据库加密技术对关键数据进行了保护。 最后，根据设计的结果，本文给出了系统的关键部分实现，并结合高中会考 系统验证了系统的设计方案。对系统的实用性、可靠性、适应性、效率等方面进 行评估与衡量。 1 5 论文的组织结构 论文的章节结构安排如下： 第l 章，绪论：介绍了论文研究背景、问题的提出、主要研究内容工作、论 文的内容组织结构。 第2 章，生物特征识别技术：主要介绍了生物特征识别技术历史及发展现状、 几种常用生物识别技术的比较、指纹识别技术在考生身份认证中的应用、评价指 纹识别算法的参数及指纹识别系统的工作原理。 第3 章，系统总体设计：主要包括系统概述、系统目标和解决的问题、系统 体系结构设计、系统功能模块设计、数据库设计。 第4 章，系统详细设计：在上述总体设计的基础上，对系统各个部分进行详 细设计，包括验证子系统功能模块及工作流程设计、指静脉注册子系统设计、审 计子系统数据结构及审计依据的设计、文件上传下载。 第5 章，系统实现和试验：主要包括数据库加密的层次、粒度和数据库加密 的限制；对称加密和非对称加密的相关概念及比较；系统实现、试验及试验总结 等。 第2 章生物特钲识别技术 第2 章生物特征识别技术 2 1 生物识别技术介绍 2 1 1 生物识别技术历史及发展现状 人们对生物识别技术的利用有着悠久的历史。以指纹识别为例，在我国可以 追溯到秦朝。唐朝以来，以“按指为书 为代表的指纹捺印已经在文书、契约场 合得到广泛采用。自宋朝起，指纹开始被用作刑事诉讼的物证，从电视剧或史书 上经常看到在公堂上要犯人签字画押，可见一个人的指纹等同于一个人的身份在 古代已经得到法律的认同。同一时期的古印度，指纹也被用于验证一个人的身份。 人工指纹技术起源于1 6 世纪后期。1 6 8 4 年，英国的植物形态学者n g r e w 发表了指纹研究的第一篇论文，分析了指纹的谷线、脊线、汗腺孔的结构。1 7 8 8 年，m a y e r 首次对指纹的构造原理和脊线分布做出详细的描述。1 8 0 9 年，t b e w i c k 开始用指纹代替印章，迈出了指纹识别历史上重要的一步。p u r k i n j e 首次提出指 纹的分类策略。苏格兰医生h e n r y f a u l d 于1 8 8 0 年l o 月2 8 日首次在英国( ( n a t u r e ) ) 上发表论文，阐述了指纹具有唯一性和恒久不变的特点，并将指纹识别技术运用 到罪犯鉴定。w i l l i a mh e r s c h e l 也在( ( n a t u r e ) ) 上发表他本人关于指纹2 0 多年的 研究成功，从此揭开了现代指纹识别的序幕。1 8 9 2 年，英国的s i r f r a n c i sg a l t o n 对指纹进行了系统研究，提出了指纹细节特征分类，将指纹分为斗( w h o r l ) 、箕 ( 1 0 0 p ) 、弧( a r c h ) 三大类，使指纹识别应用进入了一个崭新的时期。1 8 9 9 年， 同为英国的e d w a r dh e n r y 建立了著名的h e n r y 指纹分类系统并被英国政府正式 采用，指纹识别应用正式走上科学化道路。 随着计算机技术和指纹采集技术的发展，指纹识别技术逐步由人工识别转向 计算机识别，由此出现了自动指纹识别系统a f i s ( a u t o m a t e df i n g e r p r i n t i d e n t i f i c a t i o ns y s t e m ) 。它得益于现代电子集成制造技术和快速而可靠的算法理论 研究。国外从2 0 世纪6 0 7 0 年代开始指纹自动识别技术的研究和开发，并开发 出最早的自动指纹识别系统，如1 9 7 5 年成功推出第一个商业化系统p r i n r a c k 2 5 0 。 日本的n e c 公司在1 9 8 2 年就向警方提供了自动指纹识别系统。近年来，随着 计算机技术的飞速发展、低价位采集设备的出现及高可靠算法的实现，加上人们 在日常生活中对安全性要求越来越高，指纹识别技术逐渐从司法领域渗透到民用 领域。现在指纹识别技术大量应用于政府、银行、税务、社保、学校和公司等部 门的文件保密、信息安全、门禁控制、考勤管理与证卡管理、考生身份认证等各 北京t 业大学t 学7 页l ：学位论文 类需要认证的场合。 自动指纹识别技术的研究和开发正在成为国内外学术界和商界的热点，许多 院校和公司都在从事这方面的研究和开发，对指纹识别技术的研究是国内外图像 处理、信号分析以及模式识别研究中的热点之一。在国外，指纹识别技术作为身 份认证技术已经有多种实用化产品，而在国内指纹识别方面研究相对落后，许多 指纹识别相关软硬件产品还在使用国外的技术和算法。另外，除了指纹作为个人 的身份认证外，虹膜、人脸、步态、指静脉等生物特征也越来越多的被研究并得 到了应用。生物特征识别技术被评为2 l 世纪十大高科技之一。1 9 9 7 年比尔盖茨 曾预言：“生物识别技术即利用人的生理特征，如指纹、虹膜等来识别个人的身 份，将成为未来几年i t 产业的重要革新。现在高端的p c 、笔记本、手机等电 子产品大都配置了生物认证功能，防止设备被非法使用。 2 1 2 几种常用生物识别技术的比较 基于生物特征的身份认证方法与传统的基于密码等身份认证方法相比，具有 很大的优点，因此得到了广泛而深入的研究和应用。生物认证具有其固有的优点， 但对每种识别技术又分别有其各自的优缺点。下面介绍几种常用的生物识别技术 及其各自的优缺点【l 】。 虹膜识别 虹膜是一种在眼睛瞳孔内的织物状的各色环状物，每一个虹膜都包含一个独 一无二的基于像冠、水晶体、细丝、斑点、结构、凹点、射线、皱纹和条纹等特 征的结构，人类眼睛的虹膜与手指纹一样，是独一无二的，人眼睛的虹膜可以唯 一的确定一个人的身份。虹膜扫描安全系统用一个全自动照相机来寻找眼睛虹 膜，并在发现虹膜时开始聚焦、拍摄。 优点：便于用户使用；可能是最可靠的生物识别技术，尽管它还没有测试过； 设备与虹膜不用物理接触。 缺点：一个最为重要的缺点是它没有进行过任何的测试，当前的虹膜只是用 统计学原理进行小规模的试验，而没有进行过现实世界的唯一性认证的试验；很 难将图像获取设备的尺寸小型化；因聚焦的需要而需要昂贵的摄像头，一个这样 的摄像头的最低报价为4 0 0 0 美元；镜头有可能会使图像畸变而使得可靠性大为 降低：黑眼睛极难读取；需要一个比较好的光源。 面部识别 面部识别技术通过对面部特征和它们之间的关系来进行识别，识别技术基于 这些唯一的特征时是非常复杂的，这需要人工智能和机器知识学习系统，用来捕 捉面部图像的两项技术为标准视频和热成像技术。标准视频技术通过一个标准的 弟2 苹生物特钶识别技术 摄像头摄取面部的图像或者一系列图像，在面部被捕捉之后，一些核心点被记录， 例如，服睛、鼻子和嘴的位置以及它们之间的相对位置被记录下来然后形成模板； 热成像技术通过分析由面部的毛细血管的血液产生的面部图像，与视频摄像头不 同，热成像技术并不需要在较好的光源下，因此即使在黑暗情况下也可以使用。 一个算法和一个神经网络系统加上一个转化机制就可将一幅图像变成数字信号， 最终产生匹配或不匹配信号。 优点：面部识别是非接触的，用户不需要和设备直接接触；尽管可以使用桌 面的视频摄像，但只有比较高级的摄像头才可以有效的高速的捕捉面部图像。 缺点：使用者面部的位置与周围的光环境都可能影响系统的精确性；大部分 研究生物识别的人都公认面部识别是最不准确的，也是最容易被欺骗的；面部识 别技术的改进依赖于提取特征与比对技术的提高，并且采集图像设备会比其技术 昂贵得多；对于因人体面部的如头发，饰物，变老以及其他的变化可能需要通过 人工智能来得到补偿，机器学习功能必须不断地将以前得到的图像和现在的得到 的进行比对，以改进核心数据和弥补微小的差别；很难进一步降低它的成本，必 需以昂贵的费用去买高质量的设备。 签名识别 签名作为身份认证的手段己经用了几百年了，而且人们都很熟悉在银行的格 式表单中签名作为身份的标志。将签名数字化是这样一个过程，测量图像本身以 及整个签名动作- 在每个字母以及字母之间的不同速度、顺序和压力，签名识 别和声音识别一样，是一种行为测定学。 优点：使用签名识别更容易被大众接受而且是一种公认的身份识别技术。 缺点：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；为了处理签名的不可避免的自然改变，必须在安全方面做出妥协；因为签名 的速度不快，无法在i n t e m e t 上使用它；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，在技术上很难将两者 结合起来；也很难将它的尺寸小型化。 声音识别 和签名识别相同，声音识别也是一种行为识别技术，声音识别设备不断地测 量、记录声音的波形和变化。而声音识别基于将现场采集到的声音同注册过的声 音模板进行精确的匹配。 优点：声音识别也是一种非接触的识别技术，用户可以很自然地接受。 缺点：和其他的行为识别技术一样，声音因为变化的范围太大，故而很难进 行一些精确的匹配；声音会随着音量、速度和音质的变化而影响到采集与比对的 结果；随着技术的发展，也许可以觉察和拒绝录音的声音，然而，目前来说，很 容易用录在磁带上的声音来欺骗声音识别系统；高保真的麦克风是很昂贵的。 北京t 业人学丁学硕卜学位论文 指纹识别 指纹识别作为识别技术己经有很长的历史了，有着坚实的市场后盾，指纹识 别技术通过分析指纹的全局特征和指纹的局部特征，从指纹中抽取特征值制作成 指纹模板。指纹比对时将现场采集的指纹同存储的指纹模板进行比对，可以快速 而准确地确认一个人的身份。每个指纹都有几个独一无二可测量的特征点，每个 特征点都有大约七个特征，十个手指产生几百个独立可测量的特征。 优点：指纹是人体独一无二的特征，并且它们的复杂度足以提供用于鉴别的 足够特征；如果想要增加可靠性，只需登记更多的指纹，鉴别更多的手指，最多 可以多达十个，而每一个指纹都是独一无二的；扫描指纹的速度很快，使用非常 方便：读取指纹时，用户必需将手指与指纹采集头接触；指纹采集头可以更加小 型化，并且价格会更加的低廉。 缺点：过去因为在犯罪纪录中使用指纹，使得某些人害怕指纹被记录在案。 可以见到，指纹识别技术是目前最方便、可靠、非侵害和价格便宜的生物识别技 术解决方案，对于广大市场的应用有着很大的潜力。 指静脉识别 指静脉识别技术是生物特征认证领域的一项全新技术，它利用人手指内的静 脉分布图像来进行身份识别。医学研究证明，手指静脉的形状具有唯一性和稳定 性，即每个人的手指静脉图像都不相同，同一个人不同手指的静脉图像也不相同； 健康成年人的静脉形状不在发生变化【2 】【3 1 。所有的这些特点使指静脉非常适合作 为确定一个人身份的生物特征。 优点：安全性高，静脉血管是隐藏在手指内部的，因此极难复制和盗取，与 其它生物识别技术相比，这种方式的安全性更高；准确率高，因为采样样本是在 人体内部，所以匹配过程中受到外界的干扰非常小。手指静脉认证的准确性很高， 根据严格的医学证明和数学统计f r r ( 拒真率) 小于0 0 1 ，f a r ( 认假率) 小 于0 0 0 0 1 ，f t e ( 登录失败) 为o 【4 】；唯一性，不同人之间的手指静脉分布完 全不同，左手和右手的静脉分布也不同，就算是双胞胎的相同手指，其中的静脉 分布也是不同的。而且手指静脉的纹路分布在成年后是不会变化的；非接触式， 相对于某些生物识别技术，手指静脉认识技术是非接触式的，对设备的影响比小， 识别率更高，在公共场合也会比较卫生。 缺点：目前，指静脉采集设备价格较高，不适合大范围应用。 2 2 指纹识别技术在考生身份认证中的应用 指纹识别技术主要涉及四个过程嘲：读取指纹图像、提取特征、保存数据和 比对。首先，通过指纹读取设备采集指纹图像，采集指纹图像之后，要对图像进 第2 荦生物特识刖技术 行预处理，使之特征更明显。其次，用指纹识别软件对指纹图像进行分析和提取 特征，建立指纹的数字表示特征数据。该转化过程是一种单方向的转换，即 可以将指纹转换成为特征数据，但不能将特征数据转换成为指纹，而两枚不同的 指纹不会产生相同的特征数据。有的算法把节点和方向信息组合产生了更多的数 据，这些方向信息表明了各个节点之间的关系。总之，这些数据，通常称为模板， 保存为1 k 大小的记录。无论它们是怎样组成的，至今仍然没有一种模板的标准， 也没有一种公布的抽象算法，而是各个厂商自行其是。 最后，通过计算机模糊 比较的方法，将两个指纹模板进行比较，计算出它们的相似程度，最终得到两个 指纹的匹配结果。 2 2 1 评价指纹识别算法的参数 由于计算机处理指纹时，只是涉及了指纹的一些有限的信息，而且比对算法 并不是精确匹配，其结果也不能保证1 0 0 准确。指纹识别系统的特定应用的重 要衡量标志是识别率。主要由两部分组成，拒真率( f a l s er e j e c t i o nr a t e ，f r r ) 和识 假率( f a l s ea c c e p tr a t e ，f a r ) 6 1 。拒真率是指系统拒绝一个合法的用户；识假率是 指系统接受一个非法用户。f r r 和f a r 是成反比的。用o 1 0 或百分比来表达这 个数。尽管指纹识别系统存在着可靠性问题，但其安全性也比相同级别的“用户 i d + 密码”方案的安全性高得多。例如采用四位数字密码的系统，不安全概率为 0 0 1 ，如果同采用误判率为o 0 1 指纹识别系统相比，由于不诚实的人可以在 一段时间内试用所有可能的密码，因此四位密码并不安全，但是他绝对不可能找 到一千个人去为他把所有的手指( 十个手指) 都试一遍。正因为如此，权威机构 认为，在应用中1 的误判率就可以接受 7 1 。f r r 实际上也是系统易用性的重要 指标。由于f r r 和f a r 是相互矛盾的，这就使得在应用系统的设计中，要权衡 易用性和安全性。其计算公式见( 2 1 ) 、( 2 2 ) 所示： f a r = f a l s e n u m f f o t a l n u m ( 2 - 1 ) f r r = r e j e c t n u m t o t a l n u m ( 2 - 2 ) 用t o t a ln u m 表示匹配的总次数，f a l s en u m 表示误识的次数( 不该 识别而识别的) ，r e j e c tn u m 表示拒识的次数( 该识别而没有识别的) 。 2 2 2 指纹识别技术在实际应用中的分类 指纹识别模块主要有两种工作模式：验证模式和辨识模式【引。验证模式采用 一对一比对，比对原理为：指纹预先登记到模板数据库，并设定一个标识i d ， 用来标示用户的指纹信息，比对时现场采集被验证人的指纹并输入被验证人的标 识i d ，系统根据标识i d 从数据库中提取指纹摸板，与现场采集指纹得到的指纹 北京t 业大学t 学硕f j 学位论文 特征值进行比对。验证回答了这样一个问题：“他是他自称的这个人吗? ，这是 应用系统中使用较多的一种，其比对时间较短。辨识模式采用一对多比对，是把 现场采集到的指纹特征值与模板数据库中的所有指纹特征值逐一对比，直至找到 相匹配的指纹模板或比对所有指纹模板后仍无相匹配的模板。辨识回答了这样一 个问题：“他是谁? ”。辨识主要应用于犯罪指纹匹配的传统领域中。其比对时间 较长。 2 2 3 指纹识别系统的工作原理 利用指纹识别技术的应用系统大致有两种形式【9 】：脱机应用系统和连接p c 的桌面应用系统。脱机应用系统是基于单片机的嵌入式系统，其设备简单使用方 便，不需要和电脑连接，独立设备就可以完成指纹采集、提取特征值、存储、比 对，其功能较为单一，应用于完成特定的功能，应用在指纹门锁、指纹考勤终端 等需要身份认证场合。但由于没有和电脑连接，设备在验证时只能显示被验证的 这个人的身份是“真 或“假 ，而不能同步提供这个人的照片等信息，限制了 它的应用。而连接p c 的桌面应用系统具有灵活的系统结构，可以建立大型的数 据库应用系统。指纹识别设备作为计算机的一个终端，负责采集指纹、生成指纹 模板；计算机负责从数据库读取指纹模板并比对，向用户显示匹配的结果及被验 证对象的基本信息等资料。指纹识别技术主要涉及四个功能：利用某种类型的指 纹采集设备采集指纹，经过处理生成指纹模板并存储，在需要认证的地方放置一 台指纹识别机，现场采集指纹并与指纹库中的指纹模板进行匹配。指纹识别系统 使用原理1 1 0 】如图2 1 所示： 图2 - 1 指纹识别流程图 f i g u r e2 - 1f i n g e r p r i n tr e c o g n i t i o nf l o wc h a r t 第2 章生物特衙识别技术 2 2 4 指纹识别技术在考试中的典型应用 指纹识别系统无论是以嵌入式系统形式存在，还是以连接p c 的桌面应用系 统形式存在，在使用过程中都需要经过指纹注册和指纹验证。两类指纹识别系统 的主要区别在于硬件成本、系统机动性和方便性的差异。考试时，每个考场门口 放置一台指纹识别设备，考生到达考场门口时，将手指放到指纹识别设备上，现 场采集指纹并生成的指纹模板，然后与指纹库的指纹模板进行匹配。如果匹配成 功，给出验证成功的信号。如果指纹识别设备与计算机相连时，则同步显示考生 的信息，包括姓名、准考证号码、照片等信息，供监考教师判断；如果指纹不匹 配，给出验证失败的信号。图2 2 和图2 3 分别为指纹注册流程图、指纹验证流 程图。 【根据考生报名号检索考生信息】 首次采集指纹 】 再次采集指纹 卜 一一 保存考生指纹信息 图2 - 2 指纹注册流程图 f i g u r e2 - 2f i n g e r p r i n tr e g i s t e rf l o wc h a r t 北京t 业人学t 学硕f j 学位论文 开始 根据考号定位考生信息 提取考生指纹模板 现场采集，生成指纹模板 匹配? t 考生身份合法 结束 n 图2 - 3 指纹验证流程图 f i g u r e2 - 3f i n g e r p r i n tv e d f yf l o wc h a r t 现有的基于指纹识别技术的考生身份认证系统有三种设计方案，每种设计方 案都有各自的优缺点，以下是这三种设计方案的描述： 方案1 ：作为嵌入式系统应用。一台指纹识别机对应一个考场，例如：编号 0 0 1 的指纹识别机对应0 0 1 考场，编号0 0 2 的指纹识别机对应0 0 2 考场，依次类 推。将集中采集的考生指纹模板按照每个考生所在的考点、考场进行分发到与考 场对应的指纹识别机中。在考生入场考试时，实时采集考生指纹并生成指纹特征 值，然后与存储在机器内的指纹模板进行匹配。如果在规定的验证次数内通过验 证，则允许考生参加考试；否则，禁止该考生参加考试。这个比对过程采用一对 多的“辨识 过程。 优点：购买设备后不需二次开发就可以直接使用，独立设备就可以完成指纹 采集和识别等功能，其使用方法简单。 缺点：独立运行的指纹识别设备只能告诉我们被验证的这个人身份的“真一 或“伪 ，而不能同步提供这个人的照片等信息；如果将考场0 0 2 的考生指纹模 板错误的拷贝到编号为0 0 1 的指纹识别设备中，将造成0 0 1 和0 0 2 这两个考场中 的考生都不能通过验证：如果将多个考场的考生指纹模板存放到一个设备中，虽 然这样可以克服上面的缺点，但匹配速度较慢，有可能在规定的时间内无法验证 完所有的考生：同时由于系统存在“拒真 情况，有可能使得一个诚信的考生被 拒绝，使得该考生无法参加考试；无法对验证过程进行审查；无法将考生报名时 的所采集的图像同指纹验证结合起来。 第2 币生物特钔识别技术 方案2 ：也是作为嵌入式系统应用。将采集到的考生指纹模板存储到i c 卡 中【1 1 1 ，连同准考证一块发给考生，考生在考试的时候需要带准考证和i c ，在入 场前通过将现场采集的考生指纹特征值与i c 卡存储的指纹模板进行比对，根据 比对结果验证考生身份的真伪。克服了方案l 中将考生指纹模板和指纹识别设备 绑定的问题，提高了系统应用的灵活性，这种方式采用的一对一的“验证”比对 方式。其设计如图2 4 所示：