第10章生物特征識(shí)別2014

模式識(shí)別

PatternClassification

第十一章:生物特征識(shí)別生物識(shí)別概述生物特征識(shí)別是指將計(jì)算機(jī)與光學(xué)、聲學(xué)、生物傳感器和生物統(tǒng)計(jì)學(xué)等相結(jié)合，利用人體固有的生物特征來進(jìn)行個(gè)人身份的鑒定。其核心在于獲取生物特征，并將之轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息，存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)中，并利用可靠的匹配算法來完成驗(yàn)證與識(shí)別個(gè)人身份。3AppliedPatternRecognitionCSE616生物識(shí)別概述生物特征的涵義很廣，大致上可分為生理特征和行為特征兩類。生理特性包括：指紋、掌紋、虹膜、視網(wǎng)膜、人體氣味、臉像、DNA等行為特征包括：簽名、聲音、步態(tài)等4AppliedPatternRecognitionCSE616生物識(shí)別概述

傳統(tǒng)的身份鑒定方法身份標(biāo)識(shí)物品：鑰匙、證件、ATM卡身份標(biāo)識(shí)知識(shí)：用戶名和密碼主要借助體外物，一旦證明身份的標(biāo)識(shí)物品和標(biāo)識(shí)知識(shí)被盜或遺忘，其身份就容易被他人冒充或取代。生物特征識(shí)別技術(shù)不易遺忘、防偽性能好、不易偽造或被盜、隨身“攜帶”和隨時(shí)隨地可用比傳統(tǒng)的身份鑒定方法更具安全、保密和方便性5AppliedPatternRecognitionCSE616生物識(shí)別概述政府、電子商務(wù)、軍隊(duì)、銀行、社會(huì)福利保障、安全防務(wù)是生物識(shí)別技術(shù)最具潛力的應(yīng)用領(lǐng)域美國德克薩斯洲聯(lián)合銀行采用“虹膜識(shí)別系統(tǒng)”鑒定用戶身份美國維薩格公司的“臉象識(shí)別系統(tǒng)”在美國的兩家機(jī)場大顯神通，它能在擁擠的人群中挑出某一張面孔，判斷他是不是通緝犯6AppliedPatternRecognitionCSE616生物識(shí)別概述基本原理對生物特征進(jìn)行取樣，提取其唯一的特征并轉(zhuǎn)化成數(shù)字代碼將代碼生成特征模板進(jìn)行身份認(rèn)證時(shí)，識(shí)別系統(tǒng)通過獲取其特征與數(shù)據(jù)庫中的特征模板進(jìn)行比對，以確定二者是否匹配，從而決定接受或拒絕該人

7AppliedPatternRecognitionCSE616虹膜識(shí)別8AppliedPatternRecognitionCSE616虹膜識(shí)別

虹膜是眼球前部含色素的環(huán)形薄膜，當(dāng)中是瞳孔眼球的顏色是由虹膜所含色素的多少?zèng)Q定的不同人種的虹膜色彩不同，黃種人含色素較多，呈棕褐色，遠(yuǎn)看如黑色；白種人色素少，呈淺灰色或淡藍(lán)色9AppliedPatternRecognitionCSE616虹膜識(shí)別虹膜的表層有凹凸不平的皺褶，這些皺褶像指紋一樣每個(gè)人都不相同，而且不會(huì)改變虹膜是人體最具獨(dú)特性的器官之一，世界上兩個(gè)人的眼睛虹膜一模一樣的情況幾乎沒有人的虹膜在出生6-18個(gè)月成型后終生不再發(fā)生變化成為識(shí)別每個(gè)人生物特征的獨(dú)一無二的標(biāo)識(shí)10AppliedPatternRecognitionCSE616虹膜識(shí)別虹膜識(shí)別(IrisRecognition)就是通過提取人眼虹膜信息并通過這種人體生物特征來識(shí)別人的身份11AppliedPatternRecognitionCSE616虹膜識(shí)別1987年，眼科專家FLOM首次提出利用虹膜圖像進(jìn)行自動(dòng)虹膜識(shí)別的概念1991年，美國洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室的JOHNSON實(shí)現(xiàn)了一個(gè)自動(dòng)虹膜識(shí)別系統(tǒng)1993年，DAUGMAN實(shí)現(xiàn)了一個(gè)高性能的自動(dòng)虹膜識(shí)別原型系統(tǒng)大部分的自動(dòng)虹膜識(shí)別系統(tǒng)使用DAUGMAN核心算法12AppliedPatternRecognitionCSE616虹膜識(shí)別2000年，美國國防高級(jí)研究項(xiàng)目署（DARPA）啟動(dòng)了名為HID的研究項(xiàng)目，即遠(yuǎn)距離身份識(shí)別其中包括遠(yuǎn)距離虹膜識(shí)別項(xiàng)目（IrisRecognitionataDistance）研究目的之一就是將虹膜識(shí)別應(yīng)用于未來的國家安全領(lǐng)域，尤其是國家重要信息和技術(shù)的管理

13AppliedPatternRecognitionCSE616虹膜識(shí)別虹膜識(shí)別的原理14AppliedPatternRecognitionCSE616虹膜識(shí)別虹膜識(shí)別的原理通過一個(gè)距離眼睛3英寸的精密相機(jī)來捕獲虹膜的信息15AppliedPatternRecognitionCSE616虹膜識(shí)別虹膜識(shí)別技術(shù)的特點(diǎn)生物活性虹膜與人體生命現(xiàn)象同時(shí)存在，共生共息，所以想用照片、錄像的虹膜代替活體的虹膜圖像都是不可能的，從而保證了生理組織的真實(shí)性唯一性虹膜的纖維組織細(xì)節(jié)復(fù)雜而豐富，具有極大的隨機(jī)性，即便使用克隆技術(shù)也無法復(fù)制某個(gè)虹膜。同卵雙胞胎的虹膜紋理信息不同，同一個(gè)人左右眼的虹膜紋理都不會(huì)相互認(rèn)同16AppliedPatternRecognitionCSE616虹膜識(shí)別虹膜識(shí)別技術(shù)的特點(diǎn)非接觸性從一定距離即可獲得虹膜數(shù)字圖像,無需用戶接觸設(shè)備,對人身沒有侵犯，因而容易被公眾接受穩(wěn)定性虹膜在人的一生中都極其穩(wěn)定，出生6—18個(gè)月后定型，此后終身不變防偽性不可能將一個(gè)人的虹膜組織特征改變得與某個(gè)特定對象的特征相同17AppliedPatternRecognitionCSE616虹膜識(shí)別虹膜識(shí)別技術(shù)的特點(diǎn)高精度虹膜識(shí)別被公認(rèn)為是目前精確度、穩(wěn)定性、可升級(jí)性最高的身份識(shí)別系統(tǒng)（humanauthentication），其特征匹配的準(zhǔn)確性甚至超過了DNA匹配

18AppliedPatternRecognitionCSE616虹膜識(shí)別在身份識(shí)別或確認(rèn)過程中會(huì)有錯(cuò)誤有兩個(gè)重要的測量因子——拒假率（FRR）和容假率(FAR)可以表明任何一種生物測量技術(shù)的有效性和可靠性拒假率（FRR）：在進(jìn)行生物測量時(shí)，對某對象的某一生物特征進(jìn)行生物測量所得結(jié)果與該對象已經(jīng)記錄在系統(tǒng)中的模板不匹配，這時(shí)拒假事件發(fā)生。FRR即是拒假事件發(fā)生的概率。19AppliedPatternRecognitionCSE616虹膜識(shí)別容假率(FAR)：在進(jìn)行生物測量時(shí)，對某對象的某一生物特征進(jìn)行生物測量所得結(jié)果與另一對象已經(jīng)記錄在系統(tǒng)中的模板匹配，這時(shí)容假事件發(fā)生。(FAR)即是容假事件發(fā)生的概率。性能良好的識(shí)別系統(tǒng)，F(xiàn)RR和FAR應(yīng)盡可能低虹膜識(shí)別在FRR和FAR均表現(xiàn)出良好的特性20AppliedPatternRecognitionCSE616虹膜識(shí)別虹膜識(shí)別的應(yīng)用虹膜識(shí)別考勤系統(tǒng)虹膜識(shí)別門禁系統(tǒng)虹膜識(shí)別信息訪問系統(tǒng)21AppliedPatternRecognitionCSE616虹膜識(shí)別長野冬季奧運(yùn)會(huì)使用該技術(shù)對射擊項(xiàng)目行安全管理2001年，一些歐洲考試中心使用基于虹膜識(shí)別技術(shù)的系統(tǒng)對應(yīng)試者進(jìn)行身份鑒別2002年，英國最大的倫敦Heathrow機(jī)場開始在入境口岸試用虹膜識(shí)別系統(tǒng)，加強(qiáng)入境安全管理

22AppliedPatternRecognitionCSE616指紋識(shí)別指紋是指人的指尖皮膚形成的紋路23AppliedPatternRecognitionCSE616十九世紀(jì)初，科學(xué)研究發(fā)現(xiàn)了指紋至今仍然承認(rèn)的兩個(gè)重要特征兩個(gè)不同手指的指紋紋脊的樣式（RidgePattern）不同指紋紋脊的樣式終生不變該研究成果使得指紋在犯罪鑒別中得以正式應(yīng)用指紋識(shí)別24AppliedPatternRecognitionCSE616指紋識(shí)別二十世紀(jì)六十年代，由于計(jì)算機(jī)可以有效地處理圖形，人們開始著手研究計(jì)算機(jī)來處理指紋自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)（AFIS）在法律實(shí)施方面的研究與應(yīng)用有就由此展開來25AppliedPatternRecognitionCSE616指紋識(shí)別指紋的特點(diǎn)穩(wěn)定性：每幅指紋的結(jié)構(gòu)是恒定的，胎兒在4個(gè)月左右就形成指紋，以后終身不變唯一性：全球60億人沒有兩個(gè)人指紋相同可分類性：可按指紋的紋線走向進(jìn)行分類，特征易于提取26AppliedPatternRecognitionCSE616指紋識(shí)別利用指紋的唯一性和確定性，可將人現(xiàn)場采集的指紋與預(yù)先保存的指紋進(jìn)行比較，以鑒定其真實(shí)身份。目前，指紋識(shí)別已被全球大部分國家政府接受與認(rèn)可廣泛地應(yīng)用到政府、軍隊(duì)、銀行、社會(huì)福利保障、電子商務(wù)和安全防衛(wèi)等領(lǐng)域27AppliedPatternRecognitionCSE616指紋識(shí)別西門子公司最早將指紋識(shí)別技術(shù)運(yùn)用于手機(jī)中指紋識(shí)別技術(shù)在我國已經(jīng)得到較廣泛的應(yīng)用北大高科等對指紋識(shí)別技術(shù)的研究開發(fā)已達(dá)到可與國際先進(jìn)技術(shù)抗衡中科院的漢王科技公司在指紋識(shí)別算法上取得重大進(jìn)展，達(dá)到的性能指標(biāo)中拒識(shí)率小于0.1％，誤識(shí)率小于0.0001％，居國際先進(jìn)水平28AppliedPatternRecognitionCSE616指紋識(shí)別指紋識(shí)別的原理指紋圖像數(shù)據(jù)獲取預(yù)處理特征提取模板生成待識(shí)指紋數(shù)據(jù)獲取預(yù)處理特征提取模式匹配識(shí)別結(jié)果29AppliedPatternRecognitionCSE616指紋識(shí)別數(shù)據(jù)獲取通過指紋讀取設(shè)備讀取人體指紋圖像光學(xué)傳感器晶體傳感器（電容陣列）3×1×1英寸30AppliedPatternRecognitionCSE616指紋識(shí)別預(yù)處理規(guī)格化把不同原始圖像的對比度和灰度調(diào)整到一個(gè)固定的級(jí)別上原始圖像規(guī)格化后的圖像31AppliedPatternRecognitionCSE616指紋識(shí)別預(yù)處理圖像分割將指紋前景區(qū)域同背景區(qū)域分離開來，以避免在噪聲和背景區(qū)域中提取特征，提高特征提取的準(zhǔn)確性32AppliedPatternRecognitionCSE616指紋識(shí)別預(yù)處理圖像增強(qiáng)、濾波、細(xì)化33AppliedPatternRecognitionCSE616指紋識(shí)別特征提取基于指紋脊線和谷線的細(xì)節(jié)進(jìn)行特征提取分為總體特征和局部特征總體特征：環(huán)形、弓型和螺旋型局部特征節(jié)點(diǎn)（分叉點(diǎn)、終止點(diǎn)、孤立點(diǎn)等）34AppliedPatternRecognitionCSE616指紋識(shí)別特征提取每個(gè)點(diǎn)具有七種以上的唯一性特征（位置、方向、曲率等）每個(gè)手指平均具有70個(gè)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生大約1K的模板數(shù)據(jù)尚無特征提取標(biāo)準(zhǔn)，各廠商自定義35AppliedPatternRecognitionCSE616指紋識(shí)別模式匹配通過模糊模式匹配的方法，對待識(shí)指紋與模板進(jìn)行比對，計(jì)算其相似度，得出分類結(jié)果36AppliedPatternRecognitionCSE616指紋識(shí)別典型應(yīng)用門禁系統(tǒng)考勤系統(tǒng)犯罪記錄系統(tǒng)銀行身份認(rèn)證系統(tǒng)37AppliedPatternRecognitionCSE616步態(tài)識(shí)別步態(tài)識(shí)別是生物特征識(shí)別領(lǐng)域一個(gè)新的研究方向旨在根據(jù)人們走路的姿勢進(jìn)行身份識(shí)別38AppliedPatternRecognitionCSE616步態(tài)識(shí)別步態(tài)分析一直是醫(yī)學(xué)、心理學(xué)的研究課題，醫(yī)學(xué)研究認(rèn)為，如果考慮步態(tài)運(yùn)動(dòng)的所有信息，那么步態(tài)就是唯一的與其他生物特征識(shí)別技術(shù)(例如指紋等)相比，步態(tài)識(shí)別的優(yōu)勢在于非接觸性、非侵犯性、易于感知、難于隱藏、難于偽裝步態(tài)識(shí)別在門禁系統(tǒng)、安全監(jiān)控、人機(jī)交互、醫(yī)療診斷等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景和經(jīng)濟(jì)價(jià)值39AppliedPatternRecognitionCSE616步態(tài)識(shí)別美國DARPA(美國國防部高級(jí)研究計(jì)劃署)2000年重大研究項(xiàng)目—HID(遠(yuǎn)距離身份識(shí)別)計(jì)劃聯(lián)合馬里蘭大學(xué)、麻省理工學(xué)院、卡耐基梅隆大學(xué)等諸多知名院校參與，重點(diǎn)研究遠(yuǎn)距離的步態(tài)識(shí)別HID計(jì)劃對步態(tài)識(shí)別的研究產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，在一定程度上也促進(jìn)了計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)的發(fā)展目前，步態(tài)識(shí)別的研究仍處于初期階段40AppliedPatternRecognitionCSE616步態(tài)識(shí)別步態(tài)識(shí)別的原理對包含人體運(yùn)動(dòng)的圖像序列進(jìn)行分析和處理，通常包含運(yùn)動(dòng)檢測、周期檢測、特征提取、識(shí)別算法4個(gè)過程待測序列運(yùn)動(dòng)檢測周期檢測特征提取識(shí)別算法識(shí)別結(jié)果樣本庫41AppliedPatternRecognitionCSE616步態(tài)識(shí)別運(yùn)動(dòng)檢測從視頻序列的場景圖像中檢測、提取出運(yùn)動(dòng)目標(biāo)后續(xù)處理(例如運(yùn)動(dòng)目標(biāo)分類、跟蹤、行為分析和理解等)都是在檢測出來的運(yùn)動(dòng)區(qū)域上進(jìn)行的由于光照、影子、背景擾動(dòng)等因素造成的背景圖像的動(dòng)態(tài)變化，使得有效的運(yùn)動(dòng)檢測成為一項(xiàng)挑戰(zhàn)性的工作運(yùn)動(dòng)檢測的方法：

基于特征的方法

、幀間差分法、背景減除法、光流法42AppliedPatternRecognitionCSE616步態(tài)識(shí)別運(yùn)動(dòng)檢測基于特征的方法通過從視頻圖像序列中提取邊界輪廓等特征來刻畫運(yùn)動(dòng)目標(biāo)幀間差分法利用視頻序列中連續(xù)兩幀或3幀圖像亮度變化來提取運(yùn)動(dòng)目標(biāo)背景減除法利用當(dāng)前幀圖像與背景圖像的差分運(yùn)算進(jìn)行運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測43AppliedPatternRecognitionCSE616步態(tài)識(shí)別周期檢測通過計(jì)算人體輪廓隨時(shí)間變化的自相似性，利用自相關(guān)分析實(shí)現(xiàn)周期檢測或通過分析人體寬度信號(hào)或人體區(qū)域像素點(diǎn)數(shù)來實(shí)現(xiàn)周期檢測44AppliedPatternRecognitionCSE616步態(tài)識(shí)別特征提取特征提取直接影響最終的識(shí)別性能基于模型的方法和非模型的方法基于模型的方法首先建立人體結(jié)構(gòu)模型（人體運(yùn)動(dòng)模型），然后將序列圖像的