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第五章 生物特征识第五章第五章 生物特征识别技术生物特征识别技术 生物识别指的是利用可以测量的人体生物学或行为学特征来核实个人的身份。这些技术包括指纹识别、视网膜和虹膜扫描、手掌几何学、语音识别、面部识别、字迹识别、基因识别等。 第五章第五章 生物特征识别技术生物特征识别技术张谦第一节 指纹识别技术及其应用（一）发展概况 指纹识别技术主要是通过计算机实现的一种身份识别手段，是生物识别中使用最为广泛的识别技术。指纹识别技术起源于19世纪对指纹学的研究我国计划经济时代，这一技术主要用于公安刑侦 80年代后，PC机逐渐广泛使用，光学指纹采集器发明，指纹识别技术因上述两项原因开始进入了非司法领域 （二）指纹识别技术原理1、指纹特征识别指纹是指末端正面皮肤上凸凹不平的产生的纹路。这些皮肤的纹路包含了大量的信息，它们构成的图案、断点、交叉点因人而异，各不相同。正是这种唯一性和稳定性，构成了指纹识别原理，即通过将某人的指纹和预先保存的指纹进行对比就可以识别或验证其真实身份。 （1）指纹总体特征指纹总体特征是指那些人眼直接可以观察到的特征，如纹形、模式区、核心区、三角点、纹数等。纹形：指纹专家根据研究脊线的走向和分布情况归纳出的基本纹路图案如 环型（loop）, 弓型（arch）, 螺旋型（whorl） 模式区（Pattern Area）模式区是指指纹上包括了总体特征的区域，即从模式区就能够分辨出指纹是属于那一种类型的 核心点（Core Point）核心点位于指纹纹路的渐进中心，它用于读取指纹和比对指纹时的参考点。三角点（Delta）三角点位于从核心点开始的第一个分叉点或者断点、或者两条纹路会聚处、孤立点、折转处，或者指向这些奇异点。三角点提供了指纹纹路的计数和跟踪的开始之处。 式样线（Type Lines）式样线是在指包围模式区的纹路线开始平行的地方所出现的交叉纹路，式样线通常很短就中断了，但它的外侧线开始连续延伸。纹数（Ridge Count）指模式区内指纹纹路的数量。在计算指纹的纹数时，一般先在连接核心点和三角点，这条连线与指纹纹路相交的数量即可认为是指纹的纹数。 （2）指纹的局部特征 指纹的局部特征是指指纹上的节点。两枚指纹经常会具有相同的总体特征，但它们的局部特征-节点，却不可能完全相同 节点（Minutia Points）指纹纹路并不是连续的，平滑笔直的，而是经常出现中断、分叉或打折。这些断点、分叉点和转折点就称为节点。就是这些节点提供了指纹唯一性的确认信息。指纹节点典型特征的类型说明 A、终结点B、分差点C、分歧点D、孤立点E、环点F、短点2、指纹识别特征的模板建立 指纹识别技术主要涉及四个功能：读取指纹图像、提取特征、保存数据和比对。 自动指纹识别系统通过特殊的光电转换设备和计算机图像处理技术，对活体指纹进行采集、分析、和对比，可以自动、迅速准确地鉴别出个人身份。 指纹辨识软件建立指纹的数字表示特征数据 ，可以从指纹转换成特征数据但不能从特征数据转换成为指纹 。这些特征数据，通常称为模板，保存为1K大小的记录 通过计算机模糊比较的方法，把两个指纹的模板进行比较，计算出它们的相似程度，最终得到两个指纹的匹配结果。 （三）指纹算法和指纹图像预处理 1、指纹图像预处理 指纹图像预处理的目的主要是为特征值提取的有效性准确性作好准备 二、指纹识别技术的应用 （一） 指纹识别技术的应用范围涵盖以下各项:Windows系统安全登录电子政务的签名及身份认证指纹储蓄系统。指纹养老医疗保险系统。计算机网络系统的安全登陆和文件应用程序保护。证券交易、结算人身份鉴别系统。证券柜台交易系统登录认证财务软件操作员登录认证 由于人体指纹具有不变性和唯一性，所以指纹识别技术成为应用最广泛的识别技术。因此，采用指纹识别技术进行身份验证是安全可靠的系统，它可以取代传统的基于密码、钥匙和证件的安全系统，而且不需记忆密码，无需携带证件，指纹就是身份证明。 （二）常用指纹采集设备 1、光学指纹采集器使用最早最普遍，也出现用光栅使镜头替换棱镜和透镜系统的采集器。光电转换的CCD器件有的已换成CMOS成像器件。 2、硅芯片指纹采集器出现较晚，20世纪90年代末。（第二代指纹采集器）硅芯片一般是测量手指表面的直流电容场。 3、超声波指纹采集器应该是最准确的指纹采集器。（第三代） 但目前技术上还不够成熟，这种采集器发射超声波，根据经过手指表面，采集器表面和空气的回波来测量反射距离，从而可以得到手指表面凹凸不平的图像。 （三）指纹识别系统的中间件产品 指纹软件中间件，主要是提供一系列从应用角度看已经封装好的接口，一般不会开放指纹特征值模板及下一级的接口。其接口的能力表现为数据库连接和拆线类接口、用户注册接口、用户验证接口、用户手指信息、用户信息访问接口、用户管理（增删改）接口，以及常用的系统管理接口。 硬件中间件，一般是指指纹脱机模块。它主要是一个嵌入式指纹识别系统，对外提供两方面的能力。一是向下能够接入一定类型数量的指纹感应器SENSOR；二是向上给应用能够提供指纹注册、验证、识别、指纹存储等功能。 （四）指纹识别技术的识别过程和标准1、 指纹识别过程： 具有登记过程和识别两过程，用户需要先采集指纹，然后计算机系统自动进行特征提取，提取后的特征将作为模板保存在数据库或其他指定的地方。 2、指纹识别技术的评价标准： 主要是拒登率（FTE）、拒识率（FRR）、误识率（FAR）、相等错误率（EER）。标准涵盖了图像压缩、数据交换格式、网络传输规范、采集技术规范等。 第二节第二节 语音识别技术语音识别技术 语音识别技术所涉及的领域包括：信号处理、模式识别、概率论和信息论、发声机理和听觉机理、人工智能等等。 1、语音识别方式声波符号的识别有匹配识别和检测识别两种方式 （1）匹配识别的原理是将输入语音声波进行适当处理为特征数据流，然后与系统已有的符号或符号序列的模型进行比较，把系统中与输入特征数据流最接近的模型符号或符号序列作为系统的识别结果。 （2）检测识别原理是将输入的语音声波进行适当成为特征数据流，然后在其中检测是否出现了系统已有的符号或符号序列的模型，把输入特征数据流中出现的系统模型的符号或符号序列作为系统的识别结果。2、语音识别系统的组成 主流的语音识别技术基于统计模式识别的基本理论，这样的语音识别系统应该分为三个部分： 1、语音特征提取，其目的是从语音波形中提取除随时间变化的语音特征系列 2、 声学模型与模式匹配（识别算法）：声学模型通常将获取的语音特征通过学习算法产生，在识别是将输入的语音特征同声学模型进行匹配和比较， 已得到最佳的识别结果。 3、语音模型和语言处理：语音模型包括有识别语音命令构成的语法网络或有统计方法构成的语言模型，语言处理可以进行语法、语义分析。 二、语音模型的建立 语音模型的建立依据以下三点完成： （1）语音信号中的语言信息是按照短时幅度谱的时间变化模式来编码的； （2）语音是可以阅读的，即它的声学信号可以在不考虑说话人试图传达的信息内容的情况下用数十个具有区别性的、离散的符号来表示； （3）语音交互是一个认知过程，因而不能与语言的语法、语义和语用结构割裂开来。 语音识别过程 主要包括语音信号的预处理、特征提取、模式匹配几个部 分。预处理包括预滤波、采样和量化、加窗、端点检测、预加重等过程。语音信号识别最重要的一环就是特征参数提取。提取的特征参数必须满足以下的要求： (1)提取的特征参数能有效地代表语音特征，具有很好的区分性； (2)各阶参数之间有良好的独立性； (3)特征参数要计算方便，最好有高效的算法，以保证语音识别的实时实现。 三、语音识别技术的应用领域1、信息查询领域能够通过语音识别技术进行身份识别，以提高呼叫中心的工作效率，尤其医疗、教育、投资、票务、旅游等应用方面，语音识别技术的应用更加重要。2、电话交易电话银行、证券交易电话委托、商品电话交易等系统中，安全性甚为重要，而采用语音识别技术能提高交易的安全性，降低用户名和密码被猜中或窃取的可能性，也降低欺诈的可能性。3、用于保安系统以及证件防伪中的应用语音识别系统可用于信用卡、银行自动取款机、门和车的钥匙卡、授权使用的电脑、语音锁以及特殊通道的身份卡，可上市现存除了持卡者的声音特征码。4、语音识别文字输入软件 3、虹膜识别技术的原理 虹膜识别技术的核心原理，就是对人眼虹膜细小特征的记录、分析和判断，而分析和判断的关键技术就是算法。虹膜识别系统由硬件和软件两大模块组成，硬件主要指虹膜图像获取装置，软件主要指虹膜识别算法。这两大模块分别对应图像获取和模式匹配这两个基本问题。计算机将虹膜的可视特征转换成一个512个字节的虹膜代码，这个代码模板被存储下来以便后期识别所用。从采集到的直径11毫米的虹膜上，计算系统用3.4个字节的数据来代表每平方毫米的虹膜信息。这样，一个虹膜约有266个量化特征点，在算法和人类眼部特征允许的情况下，虹膜识别技术可获得173个二进制自由度的独立特征点。当需要识别时，计算机会自动将当前采集的虹膜特征点与数据库中存储的特征点相匹配，然后自动给出比对结果。由于采集的特征点数量多，并采用先进的算法，虹膜识别的准确度是十分高的。4、虹膜识别技术的应用进展情况 在各种生物识别方式中，虹膜识别技术的准确率是最高的。在刑事侦查、反恐怖犯罪方面，虹膜识别技术能帮助调查人员从特定人群中快速、准确地查找出犯罪分子。虹膜识别技术的商业运用尚处于起步阶段，但已被广泛应用于安全检查、银行、重要部门门禁等方面，并取得了很好的效果。 在国外，虹膜识别技术目前被用于一些监狱、机场，也被用来控制自动取款机的账户入口。 我国的虹膜识别技术产品和市场也正在逐步开拓之中，依托于中科院自动化研究所的中科膜识科技有限公司是我国虹膜识别技术应用的先行者 5、虹膜识别技术特点 (1)图像采集方便：综合集成光机电技术和智能人机交互技术，快速采集纹理清晰的虹膜图像。 （2） 识别精度高：即使在用户戴眼镜、图像模糊、光照变化或者噪声影响的情况下也可以准确鉴别用户身份 （3） 运行速度快：可同时实现四路虹膜图像信号的实时识别。 (4) 防伪能力强：利用活体虹膜的生理特性和光学特性实现真假虹膜判别。 (5) 成本低：系统所用的光电器件已经全部实现大规模生产。 (6) 便于二次开发：可以根据用户需求提供接口。6、虹膜识别的主要应用领域 （1）高端门禁：国家机关、企事业单位、科研机构、高档住宅楼、银行金库、保险柜、枪械库、档案库、核电站、机场、军事基地、保密部门、计算机房等的出入控制。 （2）公安刑侦：流动人口管理、出入境管理、身份证管理、驾驶执照管理、嫌疑犯排查、抓逃、寻找失踪儿童、司法证据等。 （3）医疗社保：献血人员身份确认、社会福利领取人员、劳保人员身份确认等。 （4）网络安全：电子商务、网络访问、电脑登录等。 （5）其它应用：考勤、考试人员身份确认、信息安全等。第三节 虹膜识别技术虹膜识别技术 1、虹膜识别技术的发展简史 1936年，眼科专家Frank Burch指出虹膜具有独特信息用于身份识别。 1987年，眼科专家Aran Safir 和Leonard Flom首次提出了利用虹膜图像进行自动虹膜识别的概念。 1991年，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的Johnson实现了一个自动虹膜识别系统，这是有文献记载的 最早的一个应用系统； 1993年，John Daugman实现了一个高性能的虹膜识别原型系统。目前，大部分自动虹膜识别系统使 用Daugman的核心识别算法； 1996年，Richard Wildes研制成功基于虹膜的身份认证系统； 1998年底，中科院自动化所开始虹膜识别方面的研究，同时我国863计划信息领域专家组首次将“生物特征识别”作为一个专题提出， 2、虹膜的结构和位置 眼睛的虹膜是由相当复杂的纤维组织构成，其细部结构在出生之前就以随机组合的方式决定下来了，虹膜识别技术将虹膜的可视特征转换成一个512个字节的Iris Code（虹膜代码）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30%；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65%。外观上看，由许多腺窝、皱褶、色素斑等构成，是人体中最独特的结构之一 4、虹膜识别技术的优势及其与其它生物识别技术的对比 依据虹膜特有的生理特征而形成的虹膜识别技术，具有其他生物识别特征所无法取代的优势：唯一性：自然界不可能出现完全相同的两个虹膜，即使是双胞胎、同一人左右眼的虹膜图像也不相同。 稳定性：虹膜在人出生八个月后就已经稳定成型、终身不变。 非接触式采集：虹膜是外部可见的内部器官，用户可以在不与采集设备接触的情况下成像。虽然指纹是比较流行的生物识别方式，但是虹膜的发展前景明显比指纹光明。 四、虹膜识别技术特点 (1)图像采集方便：综合集成光机电技术和智能人机交互技术，快速采集纹理清晰的虹膜图像。当相机对准眼睛后，算法逐渐将焦距对准虹膜左右两侧，确定虹膜的外沿，这种水平方法受到了眼睑的阻碍。算法同时将焦距对准虹膜的内沿（即瞳孔）并排除眼液和细微组织的影响。 （2） 识别精度高：即使在用户戴眼镜、图像模糊、光照变化或者噪声影响的情况下也可以准确鉴别用户身份。由于虹膜代码（Iris Code）是通过复杂的运算获得的，并能提供数量较多的特征点，所以虹膜识别技术是精确度最高的生物识别技术。 （3） 运行速度快：可同时实现四路虹膜图像信号的实时识别。产生虹膜代码（Iris Code）的时间也仅需1秒的时间，数据库的检索时间也相当快。 (4) 防伪能力强：利用活体虹膜的生理特性和光学特性实现真假虹膜判别。 (5) 成本低：系统所用的光电器件已经全部实现大规模生产。6、虹膜识别的主要应用领域 （1）高端门禁：国家机关、企事业单位、科研机构、高档住宅楼、银行金库、保险柜、枪械库、档案库、核电站、机场、军事基地、保密部门、计算机房等的出入控制。 （2）公安刑侦：流动人口管理、出入境管理、身份证管理、驾驶执照管理、嫌疑犯排查、抓逃、寻找失踪儿童、司法证据等。 （3）医疗社保：献血人员身份确认、社会福利领取人员、劳保人员身份确认等。 （4）网络安全：电子商务、网络访问、电脑登录等。 （5）其它应用：考勤、考试人员身份确认、信息安全等。五、几种虹膜识别技术设备的介绍 1、中科院自动化研究所研制的虹膜鼠标 虹膜鼠标产品就是采用了虹膜识别技术。该产品包括软硬件两部分，硬件部分包括虹膜识别装置和于之集成的人体工学鼠标，在使用鼠标的同时就可以使用虹膜识别技术，免去了另外购买鼠标或虹膜识别装置的麻烦和成本。 2韩国生产的家用虹膜识别摄像头韩国生产的家用虹膜识别摄像头 韩国JIRIS的主力产品JPC1000是一套可应用于电脑系统的身份识别装置，以人眼作为识别系统，JPC1000家用虹膜识别摄像头由一个可以拍摄人眼虹膜的摄像头和一套能够针对所拍摄影像进行分析的软件构成的。 3、国产B-710 虹膜识别器 上海邦震科技公司提供的系列产品遵循模块化和标准化的设计原则，以便用户根据不同的需求进行灵活的组合。产品已覆盖虹膜采集终端、虹膜识别主机、虹膜门禁系统、虹膜认证管理系统。