生物特征识别技术

.专业文献综述题 目: 生物特征识别技术综述 姓 名: 闫少博 学 院: 信息科学技术学院 专 业: 计算机科学与技术 班 级: 计科121班 学 号: 19212107 指导教师: 伍艳莲 职称: 副教授 2015 年 6 月 19 日南京农业大学教务处制生物特征识别技术综述作者：闫少博 指导老师：伍艳莲摘要：生物特征识别技术是利用人体所固有的生物特征来进行个人身份认定的技术。本文不仅分析了生物特征识别技术的工作模式和发展现状，分析了基于生理特征和行为特征的各种生物特征识别方法及其应用进展过程，指出了生物特征识别技术的发展趋势。也对于各种生物特征识别技术的基本原理和一些关键技术进行了简要的说明, 对每种生物特征的优势和不足进行了分析, 并对生物特征识别技术中存在的问题和未来的研究方向进行了讨论，并且表达了自己对于生物特征识别的理解和认识。关键词：生物特征识别；生理特征；行为特征A Survey of Biometric Recognition Technology Information Author: YAN Shao-bo Tutor: WU Yan-lian(Nanjing Agricultural University, College of Information Science and Technology, Jiangsu Nanjing 210095) Abstract: Biometric identification technology is the use of human biological characteristics to identify the personal identity of the technology. In this paper, not only analysis the work mode and the development of biometric identification technology, and the biological characteristics identification method based on physiological characteristics and behavioral characteristics, pointed out the development trend of biometric identification technology. but also explain biometric identification technology is the basic principle and some key techniques ,analysis the advantages and disadvantages of each biological characteristics , and discussion the existing biometric identification technology issues and directions for future research.Key words: biological characteristics recognition；physiological characteristics；behavioral characteristics随着社会的不断发展与现代化，人们的生活变得更加丰富多彩起来，在我们生活中许许多多的地方都要用到身份识别这种技术，所谓身份识别就是我们在进行某一种特定的活动时所需要进行的一种出于安全考虑的特殊步骤，而人类作为一种特殊的生物，这也就可以把身份识别归结到我们的生物特征识别中来。1. 生物特征识别技术的认识以及生物特征识别系统的标准生物特征识别技术，从字面上的含义就是利用人体所固有的生物特征进行个人身份认定的技术，但是我们要知道并非所有的生物特征都可用于个人的身份识别，因为能用于身份识别的生物特征必须满足几个条件：普遍性；唯一性；可测量性；稳定性。普遍性就是每个人都有的特征，唯一性就是任何两个人的这种特征是不一样的，可测量性就是这种特征是可以测量的，稳定性就是这种特征在一段时间内能够保持不变。以上四点是某种生物特征能否用于人身份识别的基本条件。生物特征识别技术之所以可以运用到我们大家的生活中去是因为这是一个已经形成系统的成熟的技术，生物特征识别系统由四部分组成，包括传感器，特征提取，匹配器，系统数据库。四个部分紧密联系相互配合，非常高效的完成我们的特征识别工作。当然我们都知道，我们的一个系统形成以后并不是满足了上面的特性以及拥有了所有的原件就是可行的，我们还需要考虑很多的问题，比如：我们系统的性能：包括识别的准确性、运行的持久性等等，人们的可接受性：人们是否可以接受这种新兴的事物？对于欺骗的方法是否能够做出应有的反应等等还有很多我们需要考虑的东西，这些都会直接影响到我们的系统是否可以正常的运行，以及是否可以进行大范围的推广的关键所在，所以这些也就成为了我们生物识别系统形成标准。我大概把系统可以正常运作的标准归结为三点：(1)在合理的资源需求下实现可接受的识别准确性和速度;(2)对人没有伤害而且可为人们所接受;(3)对各种欺诈方法有足够的鲁棒性1.2.两大类生物特征识别技术经过较长时间的参阅各种资料我发现，现在通常将我们的特征识别分为这么两种：基于生理特征识别和基于行为特征识别。两种识别技术都有自己的的特别之处，也有着较为相似的地方，下面我们就来看看这两种特征识别。2.1基于生理特征的生物识别技术所谓生理特征，无非就是我们人生下来之后就不会变化的一些自己特有的特征，包括DNA，指纹，体味，虹膜等等一系列我们天生就拥有的东西。而这些我们不变的东西往往是最好也是最容易辨别我们个人身份的特征，所以现在发展较为成熟的生物识别技术大多都是生理特征方面的。下面我就举其中的几个例子来进行基本的说明。2.1.1指纹识别指纹识别是最早的也是现在发展的最完善的生物特征识别技术，在生活中指纹识别非常的常见，很多人在用的苹果手机也一样运用了指纹识别的技术。其实所谓的指纹识别，核心的内容就是指纹匹配，用过苹果手机的人都知道，用来解锁的指纹识别首先就要进行的是指纹的录入，也就是对于你的指纹进行记录，用专业的术语来说就是进行指纹的特征提取。而后存入到系统的数据库中，下次当用户再想打开手机屏幕的时候，就从数据库中调出所存入的指纹进行匹配，进而进行决策是否为你打开手机屏幕，这个叫做匹配决策。其实在每次进行指纹识别的时候都要进行特征的提取以用于跟数据库中的已存数据进行对比。这就是我们现在所运用最广泛的指纹识别。2.1.2虹膜识别我们在很多电视跟电影里面都看见过类似的场景，就是在美国那些设计到国家安全机密的机构中进出一些比较核心的地方人们都会将眼睛靠在一个粘在墙上的仪器上面进行身份识别，从而打开那道门。这就是我现在要说的虹膜识别。说到虹膜我先要解释一下这是个什么器官。虹膜是位于眼睛黑色瞳孔和白色巩膜之间的圆环状部分，总体上呈现一种由里到外的放射状结构,包含有很多相互交错的斑点、细丝、冠状、条纹、隐窝等细节特征 ,这些特征在出生之前以随机组合的方式确定下来 ,一旦形成终生不变。所以虹膜识别就是利用虹膜的这种终身不变性跟人人之间的差异性来进行身份识别的。虹膜识别其实是利用算法来完成的，其算法内容包括虹膜定位，虹膜编码，跟匹配决策三个阶段，其中虹膜编码又称为模式表达。典型的算法是利用虹膜内外边界近似环形的特性来搜索虹膜的内外边界。何家峰等提出一种两步定位法 ,即先利用灰度投影量进行粗定位 ,再利用圆形模板进行精定位 ,提高了定位的准确度和速度。虹膜识别虽然精确，但是毕竟对人类的身体健康还是会有一定影响的，这点也就远不如指纹识别要更加被人们所接受。2.1.3 人脸识别人脸识别也是现在发展的还算是比较成熟的另一种生物特征识别方式，其实相对于指纹识别，虹膜识别等等一些列其他的运用在更加细微的特征上的识别技术来说，人脸识别的准确度相比于他们还是低了一些，但是由于这种识别方式更加的自然，也相对于虹膜识别来说也更加的健康，安全，所以更加被人们所接受。人脸识别有很多种，其实总的来说就是用数学的方法来进行识别，而数学大家都知道，分为几何方法跟代数方法。几何方法就是运用选取几何的特征矢量的方式来反映不同的人面部有不同的特性，从而达到识别的目的，但是这种方法由于需要很高的精确度，所以现在还是试验阶段，并没有投入使用。代数的方法就是选取代数的特征矢量来表示人脸。最经典的当属在读取人脸之后的总体散布矩阵作为初始矩阵进行K-L变换得到相应的一组特征矢量，从而形成一组坐标系来描述人脸特征2。人脸识别是最为方便快捷的一种识别方法，我想以后在他的精确度上如果有新的突破的话，它必将取代指纹识别成为最大众化的生物特征识别方式。2.1.4 DNA识别DNA，学名叫脱氧核糖核酸，是人类的遗传因子，学过高中生物之后我们大家都知道，人与人的DNA是不可能一样的，所以理论上讲用它来做特征识别是最具有效性跟权威性的了，当然，对于某些双胞胎个体的鉴别除外。DAN可以在人类的身体上任何一处地方提取，不像指纹识别或者虹膜识别那样必须从一个器官上提取特征，但是我们大家都知道，这项工作在我们现在高节奏的生活当中其实是根本不可能融入的。首先这项识别必须在实验室才能够进行，而后就是人们会不会接受这样的识别方式也是有待考证的。所以，现在的这项识别技术只有在亲子鉴定上才会用的到。当然以后科学发展的越来越发达，或许我们就不用在实验室里进行DNA的身份鉴定也不是没有可能的事情。2.1.5 掌纹识别相比于指纹识别，掌纹识别是用整个手掌，所以听起来更加能够被大众所接受，而且掌纹识别的特征会较为明显。手掌上最明显的有3到5条掌线，成为我们手掌上的主线。在我们的手掌上，能够用来当做特征进行识别的有很多，手掌的长，宽还有面积等，这些都称为几何特征，还有主线的特征，褶皱特征，还有我们通常说的三角区域的特征，还有就是细节方面的特征。2现在社会上，比较常用的两种掌纹识别是主线识别跟褶皱识别。掌纹特征识别包括两个步骤，掌纹特征提取和掌纹特征匹配，这跟我们其他的生理特征识别的基本步骤是一样的，掌纹识别的特征提取主要分为两种，特征线提取和特征点提取，而且他们都有自己的有点，特征线提取的话可以英语低分辨率的图像，二特征点提取则是提取速度比较快。至于特征匹配前文已经讲述很详细了，这里便不在赘述。 除了上述描述的两种生理特征识别技术的典型代表以外，剩下的生理特征识别也在生活中某些地方应用着，有些也处于开发或者完善之中，生理特征识别其实就是我们生物特征识别的主体，因为现在绝大部分的识别技术都是依托于每个人的固有特征进行开发2.2 基于行为特征的生物识别技术说到行为特征，就是我们一系列的日常行为所拥有的特征，这些是我们后天养成的并不是我们先天就拥有的。有人会问，那后天养成的行为习惯肯定会有人相似甚至一模一样啊。是的，但是我们可以从众多的后天养成的行为中挑选出我们独一无二的东西，这样就可以进行识别啦。由于行为特征识别现在生活中运用的并不是十分广泛，我在这里举两个例子：2.2.1 签名识别签名识别其实就是运用每个人签名是的笔迹或者手法来进行识别，这种东西听起来确实挺难以置信的，但是其实找到这么几个可以识别的点的话，要做到其实并不难。就是通过写字是行笔的速度，对于纸面的压力还有写字时笔尖的倾斜度来进行身份的识别。近年来由于计算机技术不断地发展，现在这项技术已经愈发的成熟，目前提出的签名认证方法, 按照所应用的模型可以归为三类:模板匹配的方法3，隐马尔可夫模型方法4，谱分析法5。模板匹配的方法是计算被测签名和参考签名的特征矢量间的距离进行匹配，隐马尔可夫模型方法是将签名分成一系列帧或状态, 然后与从其它签名中抽取的对应状态相比较，谱分析法是利用倒频谱或对数谱等对签名进行认证.2.2.2 声纹识别每个人从生来就是不一样的，有时我们经常会在没有看见某人的时候，听见他的声音也可以知道这个人就在附近，为什么？就是因为每个人都有自己的说话时候的特殊的语言习惯，二这些习惯通常反应在我们说话时候发出来的声纹里面，所以声纹也可以用作为我们的行为特征识别技术。声纹识别俗称就是说话识别，就是通过语音的波形中反应说话的人生理，心理和行为特征的识别技术。声音的识别设备不断地测量、记录声音的波形和变化,消除噪声后通过LPC分析得到倒谱系数、差值倒谱系数、基音频率及差值基音频率等特征参数,将采集到的声音同登记过的声音模式匹配,从而识别出说话的人。现在我们社会上存在的声纹识别系统大部分都是由三部分组成: 声音信号的分割、特征提取和说话人识别。其中说话人识别模型又可分为参数模型和非参数模型两部分6。2.2.3步态识别当我们跟朋友一起走在大街上的时候，经常会谈论这样的话题，你看，他内八字，他外八字这类的话题，这说的是一个人的走路姿势，而这种走路姿势我们称为步态的一部分，那么什么是步态呢？步态就是人走路的姿态，八字也是姿态，但是他只是不太得一部分，我们勇于特征识别的步态是每个时刻身体的各个部位相对运动而组成的。每个人走路都会有自己独特的姿态，我们的步态组成是由我们身上所有在运动的肌肉跟骨骼组成的。现在的步态识别领域是我们的特征识别中的一个新兴领域，步态识别可以在被识别者在没有察觉的情况下对于他进行各个角度进行非接触性的测量。步态识别旨在从相同的行走行为中寻找和提取个体之间的变化特征,以实现自动的身份识别,它是融合计算机视觉、模式识别与视频、图像序列处理的一门技术。后天所养成的行为过多也过于复杂，所以这里我只简要赘述两种方式，我相信还有很所很多的行为特征可以用于进行身份认证，等待着我们去发掘，去尝试。3. 对于当前的生物识别技术的认识以及对未来的展望通过上述的陈述我们可以发现，现在在社会上存在的生物识别技术并不是很成熟，虽然我们国家的指纹识别技术已经达到世界的前列8，但是我认为我们还是应该加强这方面的研究，突破现存的各种各样的困难，拓宽我们现有的应用领域，从而达到生物识别技术的普及化，现代化，科学化。首先不难发现，现在我们已经发展成熟的识别技术已经在高流量的社会地域得到了应用，在日常生活中得到了普及。在我们身边，包括学校，机场等等一系列人口密集的区域，都得到了广泛的应用，这不仅给我们的生活带来了方便，同时节省了我们的时间，提高了我们的生活效率，这也是我们应该大力推广它的理由。所以，我的建议是在更加多的场所开展这种特征识别技术的试验性运行，以验证是否可以达到我们的最初目的，像大家去球场看球的时候就可以通过指纹入场，这样也节省了大家入场的时间，也就没必要早早地到球场排队了，同时也节省了纸质票的成本，大大的降低了社会污染，保护了环境，岂不是一举两得的事情。而且我国的二代身份证也给我们生物特征识别技术预留了空间9。第二就是我们的识别系统现在仅仅是在单机范围内运行的，如果我们想要形成广范围的识别系统的连接，从而达到我们的生物识别系统的社会大众化与同步，我们肯定是要将我们的系统同网络连接之后才可以进行正常工作的，这也是我认为现在需要解决的问题之一。当然我们知道一旦连接网络，很多问题就是接踵而至，我觉得需要解决的问题大概有这么几点：(1)在一个开放的网络上传送用户的生物特征模板, 应当使用高级加密工具来保障其通信安全;(2)保证生物特征获取装置检测的是真正的用户特征, 而不是照片或记录, 防止生物特征信息被篡改或替换;(3)认证需要通过网络在中央服务器上进行, 应当建立一个可升级的、安全的平台来有效地管理模板文件;(4)为有效防止黑客攻击, 阻止其绕过系统安全检测, 应当将生物特征登录程序与计算机操作系统紧密集成;（5)保证即使大量的应用使用用户的同一种生物特征, 也不会造成未经授权而互相访问的情况.据统计，目前世界范围内生物特征识别产品约有50%是指纹识别，人脸识别、掌形识别和虹膜识别各占10%左右，另有少量的声音识别和笔迹识别，而其他的识别技术大多还处于研究阶段，鲜有应用10。所以我认为我们需要在现有的技术上进行改革创新，单一的识别技术在现在的社会中已经慢慢的体现出了他的局限性，我们需要开发较为高端的新的识别技术，也可以通过某两种或者多种的特征进行融合统一到一起进行识别，这样，不仅仅拓宽了这个领域的应用空间，同时也更加提高了安全性和准确性。最后就是现在进行这种研究的机构很多很多，我觉得应该在世界上成立一个这样的总体组织，把这些机构都团结起来，然后形成一个集团，并且设立一些基本的准则以及大的方向，这样的话才能使生物特征识别技术得到更加良好的长远的发展。生物特征识别技术，不单单是一项在学术上有着很高的研究价值的技术，同样在现实生活中已经渐渐被人们所接受，成为社会必不可少的组成部分。鉴于生物特征识别技术是在这个日益信息化的社会中对于信息提供良好保护的最佳手段，近年来研究这个的机构越来越多，产品种类以及产品销售熟练也是直线上升的，这不仅对于老的保密措施以及识别技术是一种冲击，我相信，以后必定会完全取代他们，之后生物特征识别技术将会成为世界上最安全，最可靠，最先进的保密安全措施，这就是这个领域所要达到的最终目的。参考文献：1 Prabhakar S, Pankanti S, Jain A K. 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