（信号与信息处理专业论文）基于图像内容的手部特征识别研究.pdf

= 壁盛窒适厶堂匾 堂位逾塞 地里 摘要 身份的鉴别是关系到国家安全和社会稳定的恒久话题。在传统的基于标识物 或l j 令的身份鉴别方法无法满足社会需要的情况下，生物特征识别技术应运而生， 成为采用科技手段辨别身份信息的新方法。 随着技术的同益发展与成熟，生物特征识别技术的工作环境逐渐从实验室下 的封闭性环境转向复杂的开放性环境。基于指纹、人脸的识别技术已经在社会中 开放性环境下的不同领域发挥了各自的作用。同上述特征相比，基于掌纹特征的 识别技术研究兴起较晚，尚未得到广泛的应用。掌纹特征的表示形式先后经历了 以结构特征、变换域特征、子空f n j 特征、统计特征为代表的单一特征形式到多科， 特征信息的融合形式的变化。在上述特征表示形式中，除结构特征外，其余特征 形式的提取更多地将图像视为一个矩阵进行变换，而较少关注图像本身包含的颜 色、形状、纹理、空问位置关系、区域性的视觉信息甚至图像的语义信息等能够 表达图像“内容”的特征。图像的内容具有在不同层次上描述和表征图像的能力， 这使得基于内容的图像检索( c b i r ) 代替了基于文本的图像检索成为更加先进的图 像检索技术。本文对基于图像内容的手部特征谚 别技术进行了较为深入的探讨， 从不同层次上对手部特征图像进行分析以实现身份的鉴别，解决了在手部特征识 别技术实用化进程中存在的问题，例如开放性环境下容易出现的低质量图像的识 别问题，以及在少量训练样本下保持系统性能的问题等等。 本文的主要研究内容可归纳如卜： 1 分析现有的手部特征以别技术，指出手部特征识别技术中存在的问题和不 足。提出广义和狭义的手部特征定义，提 ；采用图像的各层次内容特征解决广义 和狭义定义下的手部特征谚 别技术中现存问题的思想。 2 。针对掌纹纹理具有的天然多分辨率特性，提出结合小波多分辨率分析( m r a ) 和具有仿射变换不变性的不变矩函数的算法，在不同分辨率尺度卜对掌纹感兴趣 区域( r o i ) 图像中包含的纹理内容信息进行描述。 3 在低分辨率下的狭义手部特征图像中，如皱纹、细节、纹理等传统特征形 式的清晰度和可提取程度均低于正常分辨率下的狭义手部特征图像。结合低分辨 率图像的特性，提出基于底层内容特征中几何形状和灰度分布信息的层次识别算 法：在粗分类阶段增加指窝点i 、日j 连线构成的三角形内角值作为对传统的基于线段 长度的手形描述的补充；在细分类阶段，根据不同位置的主线、皱纹和表层皮肤 颜色的深浅在灰度图像上对应了不同灰度级这一特性，提 h 以局部灰度信息熵表 示局部灰度分布的特征提取方法，实现狄度信息同空l 刨位胃信息的结合。 4 提出以区域代替点线作为描述低分辨率下狭义手部特征图像的结构元，解 决了点线作为结构元所具有的提取不稳定性。提出低分辨率狭义手部特征图像的 简单顺序标记分割算法，利用灰度图像中像素梯度具有描述该位置狄度变化率的 能力，以像素的方向梯度为依据实现对狭义手部特征图像的分割。通过限制区域 面积选择在类内图像问具有分割稳定性的条件区域。因区分性能良好的粗大纹线 和纹线密集区域相比周边区域对应了较低的灰度，在条件区域集合中选取具有低 平均狄度的区域，计算区域中心的空间位置信息作为区域性内容特征。最后定义 区域空白j 位置关系矩阵完成不同维数的特征向量叫距离的度量。实验表明，以区 域作为结构元的特征提取方案对平移和旋转操作具有鲁棒性。 5 手部特征图像的特性决定了难以提取直观、显式的、可区分类别的语义特 征。我们将隐式语义引入手部特征的分析。常用于文本分析的隐式语义分析( l s a ) 可以绕丌对自然语言的理解，通过对大量样本的统计分析抽耿数据i 、日j 的关联作为 语义概念。借助该思想，我们抽取手部特征图像的局部信息所反映的特性作为局 部语义，提出基于非负矩阵分解( n m f ) 的掌纹r o i 图像的l s a ，实现从语义层次 上对手部特征图像的描述。由于传统n m f 算法采用随机初始化的方案并且计算复 杂度过高，不适合直接用于实时的手部特征识别系统，我们改进现有的n m f 算法， 实现了n m f 性能的稳定性，并且降低了算法复杂度。改进后的n m f 算法被应用 于掌纹r o i 图像的实时l s a 。 6 以掌纹r o i 图像的子空间方法为例，通过移除连续多个辛成分向量的组合 以及单独的主成分向量，验证子空间内主成分的选择在不同的子空问构成准则下 对特征空间的构建和系统性能的影响，选择对于掌纹r o i 图像数据库应移除的主 成分数量的最佳取值。实验结果表明，主成分中同样包含影响_ ：i f 确分类的干扰和 冗余信息，选择适当的主成分组合构成特征空白j 的做法有效的提升了系统性能。 关键词：生物特征识别，手部特征，内容特征，掌纹，手形，低分辨率，子空问 量塞交适厶堂匾堂位途塞旦苎! ! a b s t r a c t t h ei d e n t i t yr e c o g n i t i o ni sal o n g - l a s t i n gt o p i ct h a tr e l a t e st on a t i o n a ls e c u r i t ya n d s o c i e t ys t a b i l i z a t i o n u n d e rt h et r a d i t i o n a l l yu s e di d e n t i f i e ra n dp a s s w o r db a s e di d e n t i t y r e c o g n i t i o nt e c h n o l o g y , t h er e q u i r e m e n to fs o c i e t ys e c u r i t yw i l ln o tb ep e r f e c t l y s a t i s f i e d t h e r e f o r e ，t h eb i o m e t r i c sr e c o g n i t i o nt e c h n o l o g yi sd e v e l o p e da sb e i n g d e m a n d e d a l o n gw i t ht h em a t u r ed e v e l o p m e n to ft h et e c h n o l o g y , w o r k i n ge n v i r o n m e n to f b i o m e t r i c si d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g yi sg r a d u a l l yt r a n s f o r m e df r o mc l o s e dl a b o r a t o r yt o c o m p l e xa n do p e n r e c o g n i t i o nt e c h n o l o g yb a s e do nf i n g e r p r i n ta n df a c eh a sa l r e a d y b e e nw i d e l ya d o p t e di nm a n yr e a l l i f ea p p l i c a t i o n s c o m p a r e dw i t hf i n g e r p r i n ta n df a c e r e c o g n i t i o n ，p a l m p r i n tb a s e db i o m e t r i c si d e n t i f i c a t i o ni san e w l ye m e r g i n gt e c h n i q u e a n dn e e d sf u r t h e rd e v e l o p m e n t s i n g l ep a l m p r i n tf e a t u r e sm a i n l yi n c l u d es t r u c t u r a l f e a t u r e s ，f r e q u e n c yd o m a i nf e a t u r e s ，s u b s p a c ef e a t u r e s ，a n d s t a t i s t i c a lf e a t u r e s t o u t i l i z em o r ea v a i l a b l ei n f o r m a t i o n ，m u l t i m o d u l ef e a t u r e sf u s i o na r eg r a d u a l l ya d o p t e d i na l lt h ea b o v e m e n t i o n e df e a t u r ef o r m s ，i m a g e sa r ep r o c e s s e da sam a t r i xm o r e t h a na ni m a g e ，o n l yw i t ht h es t r u c t u r a lf e a t u r ee x t r a c t i o na sa ne x c e p t i o n l e s sa t t e n t i o n h a sb e e np a i do nc o l o r , s h a p e ，t e x t u r e ，s p a t i a l i t y , r e g i o n a lv i s u a li n f o r m a t i o na n di m a g e s e m a n t i ci n f o r m a t i o nw h i c ha r ec o n t a i n e di ni m a g e s t h o s ei n f o r m a t i o na r ec a l l e d c o n t e n tf e a t u r e s ，t h e yc a nr e p r e s e n tt h ei m a g ec o n t e n ti nd i f f e r e n tl e v e l s ，w h i c hm a k e t h ec o n t e n tb a s e di m a g er e t r i e v a l ( c b i r ) b e c o m e st h ea d v a n c e di m a g er e t r i e v a l t e c h n o l o g yc o m p a r i n gw i t ht h et e x tb a s e di m a g er e t r i e v a l ( t b i r ) t h i sd i s s e r t a t i o n d i s c u s s e st h ei m a g ec o n t e n tb a s e dh a n d m e t r i ci d e n t i f i c a t i o n ，t os o l v et h ep r o b l e m st h a t e m e r g ed u r i n g t h ei n d u s t r i a l i z a t i o no ft h eh a n d m e t r i c i d e n t i f i c a t i o n ，l i k e t h e i d e n t i f i c a t i o no fl o wq u a l i t yh a n di m a g e sc a p t u r e du n d e ro p e ne n v i r o n m e n t ，o rh o wt o k e e pt h es y s t e mp e r f o r m a n c ew h e nv e r yf e wi m a g e sa r ea v a i l a b l ef o rt r a i n i n g t h em a i nr e s e a r c hw o r ko ft h i sd i s s e r t a t i o ni n c l u d e st h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： 1 a n a l y z et h ec u r r e n th a n d m e t r i ci d e n t if i c a t i o na l g o r i t h m s ，a n df i n do u tt h ee x i s t i n g p r o b l e m sd u r i n g t h et e c h n o l o g y d e v e l o p m e n t a n di n d u s t r i a l i z a t i o n p r o p o s et h e g e n e r a l i z e da n dn a r r o ws e n s ed e f i n i t i o no fh a n d m e t r i c ，a n df i r s tu s ei m a g ec o n t e n ti n r e p r e s e n t i n gh a n d m e t r i ci m a g e st os o l v ep r o b l e m sa n da c c o m p l i s ht h ei d e n t i f i c a t i o n u n d e rd i f f e r e n th a n d m e t r i cd e f i n i t i o n s a bst rac t 2 f o rt h et r a n s l a t i o na n dr o t a t i o nt h a tu s u a l l yh a p p e ni ni m a g ec a p t u r i n g ，w a v e l e t m u l t i r e s o l u t i o na n a l y s i s ( m r a ) i sc o m b i n e dw i t ht h em o m e n ti n v a r i a n tt oa n a l y z e t h eu n i t sw i t hd i f f e r e n ts c a l e st h a tc o m p o s et h et e x t u r ec o n t a i n e di np a l m p r i n tr o i i m a g e s t h em o m e n ti n v a r i a n to fe a c hd e c o m p o s e ds u b i m a g ei s c a l c u l a t e da st h e d e s c r i p t i o no ft e x t u r ei nl o w - 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l e v e l ，w i t ht h ea s s u m p t i o nt h a tt h eh a n dl i n e s ，w r i n k l e s ， t e x t u r ea n ds k i nc o l o ro fd i f f e r e n t p o s i t i o n w i t h i nah a n di m a g ew i l ll e a dt o d i f f e r e n t i a b l eg r a y - l e v e l s ，t h eg r a y - l e v e la n ds p a t i a li n f o r m a t i o na r ec o m b i n e dt o g e t h e r i nt h ef o r mo fl o c a lg r a y l e v e le n t r o p yt od e s c r i b et h el o c a lg r a y - l e v e ld i s t r i b u t i o no f h a n d m e t r i ci m a g e s 4 r e g i o ni sa d o p t e dt ob et h er e p r e s e n t a t i o no fl o wr e s o l u t i o nh a n d m e t r i ci m a g e s a s t h es t r u c t u r a lu n i ti n s t e a do ft h et r a d i t i o n a lu n i t l i k ep o i n ta n dl i n e ，t oa l l e v i a t et h e i n s t a b i l i t y i n p o i n ta n dl i n ee x t r a c t i o n d e v e l o pt h es i m p l es e q u e n c el a b e l i n g s e g m e n t a t i o nm e t h o do ft h el o wr e s o l u t i o nh a n d m e t r i ci m a g e su n d e rn a r r o ws e n s e d e f i n i t i o n ，w i t ht h ea s s u m p t i o nt h a tt h eg r a d i e n tv a l u eo fe a c hp i x e lr e p r e s e n t si t s g r a y - l e v e lc h a n g i n gr a t e t h e nc h o o s e c o n d i t i o n a lr e g i o n sw h i c ha r es t e a d yi n s e g m e n t a t i o nt h r o u g hr e g i o na r e ac o n s t r a i n t b e c a u s ed i s t i n c t i v e l i n e sa n dd e n s e t e x t u r e sa l w a y sh a v el o w e rg r a y - l e v e lv a l u e st h a nt h e i rs u r r o u n d i n ga r e a s ，r e g i o n sw i t h l o w e r a v e r a g eg r a y l e v e l s a r es e l e c t e df r o mc o n d i t i o n a l r e g i o n s t h e c e n t r o i d c o o r d i n a t e so ft h e s er e g i o n sa r ec a l c u l a t e da sf e a t u r ev e c t o r s f i n a l l y , ar e g i o n a l s p a t i a l i t yr e l a t i o n s h i pm a t r i xi sd e f i n e dt om e a s u r et h ed i s t a n c e so ff e a t u r ev e c t o r s w i t hd i f f e r e n td i m e n s i o n s e x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h eu s a g eo fr e g i o na st h es t r u c t u r a l u n i ti sr o b u s tt or o t a t i o na n dt r a n s l a t i o n 5 o b v i o u s l y , i ti ss o p h i s t i c a t e dt od i r e c t l ye x t r a c tt e x tb a s e dd i s t i n c t i v es e m a n t i c i v g 塞塞适厶堂匾堂位途塞 abst ract f e a t u r e sf r o mah a n d m e t r i ci m a g e w ei n t r o d u c et h el a t e n ts e m a n t i ca n a l y s i s ( l s a ) w h i c hi su s e di nt e x ta n a l y s i s ，i n t ot h eh a n d m e t r i ci d e n t i f i c a t i o n l s ac a na v o i dt h e c o m p r e h e n s i o no fn a t u r a ll a n g u a g e ，a n de x t r a c tt h er e l a t i o nh i d d e ni n d a t aa st h e s e m a n t i cc o n c e p tb ys t a t i s t i c a l l ya n a l y z eal a r g es c a l es a m p l e s i ng u i d a n c eo ft h el s a ， h a n d m e t r i ci m a g e s l o c a li n f o r m a t i o ni se x t r a c t e da st h el o c a ls e m a n t i c t h e n o n n e g a t i v em a t r i xf a c t o r i z a t i o n ( n m f ) b a s e dl s ao fp a l m p r i n tr o ii m a g e si s p r o p o s e d ，t od e s c r i b et h eh a n d m e t r i ci m a g ei nt h es e m a n t i cl e v e l w e h a v em o d i f i e dt h e t r a d i t i o n a ln m ft os o l v et h ep e r f o r m a n c ei n s t a b i l i t yb r o u g h tb yr a n d o mi n i t i a l i z a t i o n ， a n dt or e d u c et h ec o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t yc a u s e db yf a c t o r i z a t i o n t h ei m p r o v e d n m fi su s e dt os u b s t i t u t et h es v dm a t r i xd e c o m p o s i t i o nm e t h o di nl s at oa c h i e v et h e r e a l t i m el s ao ft h ep a l m p r i n tr o ii m a g e s 6 m a k i n gt h es u b s p a c em e t h o d su s e di np a l m p r i n ti d e n t i f i c a t i o na sa ne x a m p l e ，w e d i s c u s st h ep r i n c i p a lc o m p o n e n ts e l e c t i o ni ns u b s p a c ec o n s t r u c t i o na n di t si n f l u e n c eo n t h es y s t e mp e r f o r m a n c e t h r o u g hr e s p e c t i v e l yr e m o v i n gc o n t i n u o u sa n ds i n g l ep r i n c i p a l c o m p o n e n t s ，w et r yt o f i n do u tt h ep r i n c i p a lc o m p o n e n ts e l e c t i o ns c h e m ew h e nt h e s y s t e ma c h i e v e st h eo p t i m a lp e r f o r m a n c e e x p e r i m e n t sm a d eo nd if f e r e n tc o m p o n e n t s e l e c t i o np r o v et h a ts e l e c t i v e l yt h r o w i n go f fs o n i cp r i n c i p a lc o m p o n e n t sw i l lf u r t h e r e l i m i n a t et h eb a s i sv e c t o r st h a tc o n t a i nt h er e d u n d a n ta n dd i s t u r b i n gi n f o r m a t i o n ， t h e r e f o r ee f f e c t i v e l ye n h a n c et h es y s t e mp e r f o r m a n c e k e y w o r d s ：b i o m e t r i c s ，h a n d m e t r i c ，c o n t e n tf e a t u r e ，p a l m p r i n t ，h a n dg e o m e t r y , l o w r e s o l u t i o n ，s u b s p a c em e t h o d s v 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 竣订 j 副f ；i 签名：象凌 签字同期：弘多年s - j 9 ；i 同 签字同期：一舌年f 月引f 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，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交通大学或其他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。 学位论文作者签名： 乳仃 i 签字同期：留年r 月j 日 1 2 7 些塞窑道厶：羔匾堂位迨塞筮：重绪诠 1 1 研究背景及意义 第一章绪论 世界上的每一个人都是独一无二的，任何人都不希望有人以任何的方式来冒 充或伪造成为自己，共亨本该只属于自己的资源( 包括财富、信息等等) 。但实际上 伪造成他人身份获利的案件每天都在发生。2 0 0 3 年将近1 0 0 0 万美国人的身份信息 被盗用，约占美国1 8 岁以上人口的5 ，产生的损失超过了5 0 0 亿美元【1 柚0 6 j 。身 份鉴别( 或称为身份确认) 技术卸0 3j 可以在某种程度上避免伪造成他人身份非法访 问资源事件的发生。 当前社会上占主流的身份鉴别方式包括基于知识( 如密码，口令) ，基于标识物 ( 如钥匙，i c 卡) 或两者相结合( 如银行卡) 的方法。但实际上因密码被破解或囚标识 物被丢失和被伪造而引起的巨大损失层出不穷：全球知名信用卡巨头m a s t e r c a r d 公司估计每年约有4 5 亿美元的信用 诈骗案；因为密码被破解，美国移动通信每 年至少损失1 0 亿美元：a t m 业务相关的诈骗案每年损失不下3 亿美元。这些事实 证明了传统的身份鉴别方法在验证持有者身份时存在着比较明显的不足。传统方 法只关心密码、口令、标识物等信息的提供正确与否，而不关心上述动作的执行 者是否是真f 的资源拥有者。 分析发现，传统的身份鉴别方法导致个人信息失窃现象的根本原因在于密码、 口令和标识物都是人的身外之物，同人的身份并没有本质上的关联，难以确认信 息提供者同信息捐j 有者问的关系【b c 0 7 , 1 b g 0 6 】。 除了易丢失、易伪造、易破解、易重复之外，传统的身份鉴别方法还存在的 问题是：随着信息技术和多媒体技术的发展，获取信息的渠道同益增多，民众逐 渐提高了对窃取他人信息牟利的不法分子的警惕，越来越多的机构采取了诸如在 门禁处设立人工严格审查等措施，企图通过校对口令和检查证件的方式来限制和 降低无权限访问者的进入。但此举的后果是，人们不得不依赖一大堆证件、卡片、 密码和口令来证明自己才是自己。 f 是这样，人们对准确可靠和方便可行的自动身份鉴别技术的要求愈加强烈， 其重要性也越来越突出。为保证国家顺利发展和人民安居乐业，能否准确地鉴别 个人身份有着重大的社会和经济意义，它将有效地防止犯罪和诈骗、提高办公效 率、节约资源。对于我国这样一个人口众多并且狠抓经济建设的国家，身份鉴别 更是有着广泛的应用自订景和重要的战略意义。为此，必须寻找出一种稳定可行、 ：也 !銮塑厶：兰! 壹：_ 上堂位迨塞笙二：童缕坌 不易丢失和伪造、便于随身携带的身份鉴别方法。基于生物特征的身份鉴别技术( 下 文简称为生物特征识别技术) 就在这样的要求下应运而生。 生物特征识别技术是依据人的生理或行为特征鉴别身份信息的技术【j 引的j 。生 物特征改变了传统的依靠可记忆信息或实物确认身份的模式，具有持久性、普遍 性、独特性和可采集性等特性，极大的降低了伪造和丢失的可能，基本可以满足 目前对身份鉴别的所有需要。 生物特征识别技术的出现解决了传统的身份鉴别手段所面临的身份伪造难 题，是信息社会中保证数字化信息安全的新兴方案，被誉为2 l 世纪十大最具前景 和发展潜力的高新技术之一【m 1 t 0 0 1 。生物特征识别技术以生物技术为基础，以信息 技术为手段，将生物和信息两大技术交汇融合成为一体。生物特征识别技术涉及 到模式识别、计算机图形学、图像处理、计算机视觉以及人机交互等多个信息技 术领域，这些相关领域的发展又为生物特征识别技术的进步创造了条件。生物特 征识别的产品均借助现代计算机技术实现，容易同安全、监控和管理系统进 整 合，实现自动化管理。 在国务院于2 0 0 6 年发布的国家中长期科学和技术发展规划纲要0 v u 6 j 中， 信息技术被列视为今后1 5 年科技二 作重点领域中的前沿技术；基于生物特征的识 别、以自然语言和动态图像的理解为基础的“以人为中心”的智能信息处理和控 制技术则属于信息技术重点领域中的优先主题；国家丌展了题名为数学机械化 在生物特征识别中的应用的国家重点基础研究发展规戈t j ( 9 7 3 ) 课题；自2 0 0 6 年起， 国家“十五”8 6 3 计划中信息领域的专家组将“生物特征识别”作为一个专题提出； 国家自然科学基会委员会也将生物特征识别作为一个重要的资助领域，从1 9 9 9 年 至今，共资助该方向的重大项目1 项( 掌纹识别方向) ，面上项目5 0 余项。 随着互联网和无线通信技术的发展，生物特征识别技术已经被应用至各种最 前沿的消费产品中。如图1 1 所示，国际生物特征识别组幺r l , ( i n t e m a t i o n a lb i o m e t r i c g r o u p ，i b g ) 在2 0 0 7 年统计了全球生物特征识别产业的市场业绩，并根据现有数据 对未来5 年内的市场发展趋势和增长规模进行预测。到2 0 12 年，生物特征识别工 业的收入预计将由2 0 0 7 年的3 0 1 2 6 亿美元增长到7 4 0 7 7 亿美元，年均增幅达2 0 ， 彰显了生物特征识别技术在应用和市场上的巨大价值。 同自动控制和信息技术相似，生物特征识别技术的应用领域遍布关乎因计民 生的各行各业中。在诸多安全防范技术中，对物理场所和信息资料进行权限访问 控制所需的身份鉴别是公共与个人安全保障的核心。国家政府机关、海关、核电 站、军事基地、民航机场、铁路、银行金库、能源矿产、科研实验机构、档案馆、 企业事业办公楼、生产车l 日j 、卫生保健、电子商务、法律实施、本地远程网络访 问控制、零售a t m p o s 系统等应用场合都需要安全可靠、方便快捷的身份鉴别解 2 = | 匕躯窒适= 丛堂匾土：羔位迨 塞笠二：重 绪迨 决方案。除访问控制的需求外，生物特征识别技术在福利发放、信息安全、考勤 管理和司法刑侦等领域也都存在着广泛的应用需求s u n z 0 5 8 ，b m l o 卯。 a n n u a l6 i o m e t r l ci n d u s t r yr e v e n u e s ，2 0 0 7 ，2 0 1 2 ( s i nu s d ) c o p y r l g h t 密2 0 0 6 - 2 0 0 7i n t t r n a t | o n a l8 1 0 m c t r i cg r o u p 8 0 0 0 0 7 4 0 7 7 z 0 0 72 0 0 82 0 0 92 0 1 02 0 1l2 0 1 2 图1 - 1i b g 预测今后5 年的生物特征识别技术的市场规模增长情况 f i g 1 1p r e d i c t i o no fi b go nt h eb i o m e t r i c si d e n t i f i c a t i o nm a r k e ti nt h ef o l l o w i n g5y e a r s 作为我国信息技术产业创新重点突破口之一，生物特征识别技术将以中国 2 0 0 8 年奥运会为契机，发展成为捐j 有广大消费群并具有高度增长潜力的热门技术。 在生物特征识别技术的实用化和产业化进程中，研究如何构建高准确率、高可接 受性、高普适性、高鲁棒性的生物特征识别系统符合公众自身利益、公共安全保 障、社会经济发展与国家战略利益等方面的多重需求。 1 2 生物特征识别技术中的若干关键概念 1 2 1 生物特征的特性及分类 并非人体具有的所有生物特征都适合用于身份的鉴别。可用于身份鉴别的生 物特征必须满足以f 基本条件【z “8 “g d o o 】： 普遍性：任何个体都要具有该项生物特征； 唯一性：运用该生物特征能够在任何两个个体问进行区分； 永久性：该生物特征具有足够的稳定性，不易随年龄增长、时间流逝或所 处环境的变化而发生大的改变； 可采集性：该生物特征能够在比较方便的前提下进行采集和测量； 然而，从应用的角度来看，满足上述基本条件的生物特征仍然不一定都能用 于实用的生物特征识别系统。一个应用于实际的生物特征识别系统除基本条件外 还应考虑以下问题【z “8 ”g d o o 】： 性能要求：基于该生物特征的识别系统应该具有一定的精度，并且在达到 霸黧抽翰灞灞溺键鍪姒麟戮酿寥懿一圈一蕊6囊臻瑷搿穗瑷缀疆臻，崔；呻露l露，一“黧o骠疚。耘n荔貉缀融 o o o o o o o o撇姗燃撇舢移 ：也塑窒道! 、!：至丝! ：兰位睑皇笙：望盗 迨 该精度时对设备、资源和工作环境的要求应该是合理可行的； 安全性：该l i 物特征应该不易于被伪造或模仿，基于该生物特征的以别系 统应该不易于被欺骗； 可接受性：用户应该能够比较容易地接受基于该生物特征的识别系统； ( 。， 我赫j 、_ 一， 一一一一 一一，一 謦一 一 鳓警 图l 一2 部分常见的生物特征 f i g 1 2s o m ef a m i l i a rb i o m e t r i cf e a t u r e s 下文中所指的“生物特征”均为可用于身份鉴别的生物特征。现有研究记录 的生物特征包括人脸，声纹，指纹，虹膜，视网膜，手形，动态签名，动态击键， 唇形，唇纹，人脸红外图像，手部红外图像，步态，身体气味，d n a ，耳形，指 形，掌纹，指节纹，静脉，足纹等等，其中部分如图1 2 所示。 生物特征分为生理特征( p h y s i o l o g i c a l ) 和行为特征( b e h a v i o r a l ) 两类 z h 8 “g d o o , j 8 i 瞄引。生理特征是对人体某组成部分直接测量所获得的数据，是与生俱来 4 ：也立交适厶：；兰匾土：羔位渔塞笙二：童结诠 的先天性物理特征，其形式多为单幅图像。行为特征是指某些建立在生理特征基 础之上的，在一段时问内相对稳定的统计学特征，是习惯使然和后天形成的，多 由一系列动作构成，动作i 、口j 存在着一定的含义和上下文关联，分析复杂度要高于 生理特征。图1 3 所示为常见的生物特征分类示意图。 i o n t e t r i c s h v s 幻i o c i 如a l il b e h a v i o r a l j f 6 0 f 嗣咖fik e a d - 厶a s e dll ，伯n 呔b a s e dli d 小，ai i s i q l n a t u r el i v o i c a | m p r i n t i n c l e r l d r j n f r 弋k n u c k l e d r i n g a i tll k e vs t r o k e f p p 。r i n t 1 图l 。3 常见生物特征的分类 f i g 1 3c a t e g o r i z e df a m i l i a rb i o m e t r i cf e a t u r e s 1 2 2 生物特征识别系统的结构 生物特征识别系统实现了利用人的生理特征或行为特征的数字化信息完成身 份鉴别的过程。大致上，系统首先需要各种传感器来获得人体生物特征的测量信 号，然后按照一定的算法对原始测量信号进行处理分析建立特征模板，并计算比 对一个新的输入信号同数据库中特征模板的相似程度，最后得出身份鉴别的结果。 生物特征识别系统的结构最早由美国国家生物统计测试中心的主任j a m e s w a y m a n 提出【w 8 y 啪n 9 引，他将系统分为数据采集、传输、信号处理、存储与决策总 共5 个部分。以该系统模型为基础，结合模式识别和图像处理的一般过程，j a