詳解指紋識別聲音識別虹膜識別等六種生物識別技術(shù)原理

所謂生物辨認技術(shù)就是，通過計算機與光學、聲學、生物傳感器和生物記錄學原理等高科技手段密切結(jié)合，運用人體固有的生理特性，（如指紋、臉象、虹膜等）和行為特性（如筆跡、聲音、步態(tài)等）來進行個人身份的鑒定。生物辨認技術(shù)重要是指通過人類生物特性進行身份認證的一種技術(shù)，人類的生物特性通常具有唯一性、可以測量或可自動辨認和驗證、遺傳性或終身不變等特點，因此生物辨認認證技術(shù)較傳統(tǒng)認證技術(shù)存在較大的優(yōu)勢。指紋辨認原理指紋是手指末端正面皮膚上凸凹不平產(chǎn)生的紋路。盡管指紋只是人體皮膚的小部分，但是，它蘊涵著大量的信息。指紋特性可分為兩類：總體特性和局部特性?？傮w特性指那些用人眼直接就可以觀測到的特性，涉及基本紋路圖案、模式區(qū)、核心點、三角點、式樣線和紋線等?；炯y路圖案有環(huán)形、弓形、螺旋形。局部特性即指紋上節(jié)點的特性，這些具有某種特性的節(jié)點稱為特性點。兩枚指紋經(jīng)常會具有相同的總體特性，但它們的局部特性——特性點，卻不也許完全相同。指紋上的特性點，即指紋紋路上的終結(jié)點、分叉點和轉(zhuǎn)折點。指紋辨認技術(shù)通常使用指紋的總體特性如紋形、三角點等來進行分類，再用局部特性如位置和方向等來進行用戶身份辨認。通常，一方面從獲取的指紋圖像上找到“特性點”（minutiae），然后根據(jù)特性點的特性建立用戶活體指紋的數(shù)字表達——指紋特性數(shù)據(jù)（一種單向的轉(zhuǎn)換，可以從指紋圖像轉(zhuǎn)換成特性數(shù)據(jù)但不能從特性數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成為指紋圖像）。由于兩枚不同的指紋不會產(chǎn)生相同的特性數(shù)據(jù)，所以通過對所采集到的指紋圖像的特性數(shù)據(jù)和存放在數(shù)據(jù)庫中的指紋特性數(shù)據(jù)進行模式匹配，計算出它們的相似限度，最終得到兩個指紋的匹配結(jié)果，根據(jù)匹配結(jié)果來鑒別用戶身份。由于每個人的指紋不同，就是同一人的十指之間，指紋也有明顯區(qū)別，因此指紋可用于身份鑒定。優(yōu)點1）指紋是人體獨一無二的特性，并且它們的復雜度足以提供用于鑒別的足夠特性。2）假如想要增長可靠性，只需登記更多的指紋，鑒別更多的手指，最多可以達成十個，而每一個指紋都是獨一無二的。3）掃描指紋的速度不久，使用非常方便。4）讀取指紋時，用戶必須將手指與指紋采集頭互相接觸，與指紋采集頭直接接觸是讀取人體生物特性最可靠的方法，這也是指紋辨認技術(shù)可以占領(lǐng)大部分市場的一個重要因素。5）指紋采集頭可以更加小型化，并且價格會更加低廉。缺陷1）某些人或某些群體的指紋由于指紋特性很少，故而很難成像。2）過去由于在犯罪記錄中使用指紋，使得某些人膽怯“將指紋記錄在案”。然而，事實上現(xiàn)在的指紋鑒別技術(shù)都可以保證不存儲任何具有指紋圖像的數(shù)據(jù)，而只是存儲從指紋中得到的加密的指紋特性數(shù)據(jù)。3）每一次使用指紋時都會在指紋采集頭上留下用戶的指紋印痕，而這些指紋痕跡存在被用來復制指紋的也許性?？梢?，指紋辨認技術(shù)是目前最方便、可靠、非侵害和價格便宜的生物辨認技術(shù)解決方案，市場應用有著很大的潛力。聲音辨認原理所謂聲紋（Voiceprint），是用電聲學儀器顯示的攜帶言語信息的聲波頻譜。人類語言的產(chǎn)生是人體語言中樞與發(fā)音器官之間一個復雜的生理物理過程，人在發(fā)言時使用的發(fā)聲器官--舌、牙齒、喉頭、肺、鼻腔在尺寸和形態(tài)方面每個人的差異很大，所以任何兩個人的聲紋圖譜都有差異。每個人的語音聲學特性既有相對穩(wěn)定性，又有變異性，不是絕對的、一成不變的。這種變異可來自生理、病理、心理、模擬、偽裝，也與環(huán)境干擾有關(guān)。盡管如此，由于每個人的發(fā)音器官都不盡相同，因此在一般情況下，人們?nèi)阅軈^(qū)別不同的人的聲音或判斷是否是同一人的聲音。優(yōu)缺陷聲紋辨認的應用有一些缺陷，比如同一個人的聲音具有易變性，易受身體狀況、年齡、情緒等的影響；比如不同的麥克風和信道對辨認性能有影響；比如環(huán)境噪音對辨認有干擾；又比如混合說話人的情形下人的聲紋特性不易提取……。盡管如此，與其他生物特性相比，聲紋辨認的應用有一些特殊的優(yōu)勢：1）蘊含聲紋特性的語音獲取方便、自然，聲紋提取可在不知不覺中完畢，因此使用者的接受限度也高；2）獲取語音的辨認成本低廉，使用簡樸，一個麥克風即可，在使用通訊設(shè)備時更無需額外的錄音設(shè)備；3）適合遠程身份確認，只需要一個麥克風或電話、手機就可以通過網(wǎng)路（通訊網(wǎng)絡(luò)或互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)）實現(xiàn)遠程登錄；4）聲紋辨認和確認的算法復雜度低；5）配合一些其他措施，如通過語音辨認進行內(nèi)容鑒別等，可以提高準確率；……等等。這些優(yōu)勢使得聲紋辨認的應用越來越收到系統(tǒng)開發(fā)者和用戶青睞，聲紋辨認的世界市場占有率15.8%，僅次于指紋和掌紋的生物特性辨認，并有不斷上升的趨勢。視網(wǎng)膜辨認視網(wǎng)膜是眼睛底部的血液細胞層。視網(wǎng)膜掃描是采用低密度的紅外線去捕獲視網(wǎng)膜的獨特特性，血液細胞的唯一模式就因此被捕獲下來。視網(wǎng)膜是一些位于眼球后部十分細小的神經(jīng)（一英寸的1/50），它是人眼感受光線并將信息通過視神經(jīng)傳給大腦的重要器官，它同膠片的功能有些類似，用于生物辨認的血管分布在神經(jīng)視網(wǎng)膜周邊，即視網(wǎng)膜四層細胞的最遠處。優(yōu)點視網(wǎng)膜是一種極其固定的生物特性，由于它是“隱藏“的，故而不也許磨損，老化或是為疾病影響。使用者不需要和設(shè)備進行直接的接觸。是一個最難欺騙的系統(tǒng)由于視網(wǎng)膜是不可見的，故而不會被偽造。缺陷視網(wǎng)膜技術(shù)未通過任何測試。很明顯，視網(wǎng)膜技術(shù)也許會給使用者帶來健康的損壞，這需要進一步的研究。對于消費者，視網(wǎng)膜技術(shù)沒有吸引力。很難進一步減少它的成本。虹膜辨認原理捕獲虹膜的數(shù)據(jù)圖像為虹膜的圖像分析準備過程從虹膜的紋理或類型發(fā)明512字節(jié)的iriscode。使用iriscode模板用于確認。在當今世界，虹膜辨認仍被公認為是辨認精度最高的生物辨認系統(tǒng)。生物測定學是一種技術(shù)，這種技術(shù)是將獨特的人體特性（諸如面部特性、聲音，指紋特性等）翻譯成數(shù)字編碼，這種編碼可以辨認、檢查身份。而虹膜辨認技術(shù)通過人體獨一無二眼睛虹膜的特性來辨認身份，虹膜特性匹配的準確性甚至超過了DNA匹配。這種技術(shù)在生物測定行業(yè)已經(jīng)被廣泛認為是目前精確度、穩(wěn)定性、可升級性最高的身份辨認系統(tǒng)優(yōu)點1．便于用戶使用；2．也許會是最可靠的生物辨認技術(shù)；3．不需物理的接觸；4．可靠性高?？旖莘奖悖簱碛斜鞠到y(tǒng)，不需要攜帶任何證件，就能實現(xiàn)門控，可單向亦可雙向；既可以被授權(quán)控制一扇門，也可以控制啟動多扇門；授權(quán)靈活：本系統(tǒng)根據(jù)管理的需要，可任意調(diào)整用戶權(quán)限，隨時了解用戶動態(tài)，涉及客戶身份、操作地點、功能及時間順序等，實現(xiàn)實時智能管理；無法復制：本系統(tǒng)以虹膜信息為密碼，不可復制；且每一次活動，都可自動記錄，便于追溯、查詢，非法情況則自動報警；配置靈活多樣：使用人和管理者可根據(jù)自身喜好、需要或場合的不同，設(shè)定不同的安裝及運營方式。比如在大堂等公共場合，可以只采用輸入密碼的方式，但在重要場合，則嚴禁使用密碼，只采用虹膜辨認方式，當然也可以兩種方式同時使用；投入少、免維護：裝配本系統(tǒng)可以保存本來的鎖，但其機械運動件減少，且運動幅度小，門栓的壽命更長；系統(tǒng)免維護，并可隨時擴充、升級，無須重新購置設(shè)備。長遠來看，效益顯著，并可使管理檔次大大的提高。應用行業(yè)廣泛：廣泛應用于煤礦、銀行、監(jiān)獄、門禁、社保、醫(yī)療等多種行業(yè)；缺陷1．很難將圖像獲取設(shè)備的尺寸小型化；2．設(shè)備造價高，無法大范圍推廣；3．鏡頭也許產(chǎn)生圖像畸變而使可靠性減少；4．兩大模塊：硬件和軟件；5．一個自動虹膜辨認系統(tǒng)包含硬件和軟件兩大模塊：虹膜圖像獲取裝置和虹膜辨認算法。分別相應于圖像獲取和模式匹配這兩個基本問題。面部辨認原理人臉辨認技術(shù)中被廣泛采用的區(qū)域特性分析算法，它融合了計算機圖像解決技術(shù)與生物記錄學原理于一體，運用計算機圖像解決技術(shù)從視頻中提取人像特性點，運用生物記錄學的原理進行分析建立數(shù)學模型，即人臉特性模板。運用已建成的人臉特性模板與被測者的面像進行特性分析，根據(jù)分析的結(jié)果來給出一個相似值。通過這個值即可擬定是否為同一人。優(yōu)勢人臉辨認作為一種新興的生物特性辨認技術(shù)（Biometrics），與虹膜辨認、指紋掃描、掌形掃描等技術(shù)相比，人臉辨認技術(shù)在應用方面具有獨到的優(yōu)勢：使用方便，用戶接受度高人臉辨認技術(shù)使用通用的攝像機作為辨認信息獲取裝置，以非接觸的方式在辨認對象未察覺的情況下完畢辨認過程。直觀性突出人臉辨認技術(shù)所使用的依據(jù)是人的面部圖像，而人臉無疑是肉眼可以判別的最直觀的信息源，方便人工確認、審計，“以貌取人”符合人的認知規(guī)律。辨認精確度高，速度快與其它生物辨認技術(shù)相比，人臉辨認技術(shù)的辨認精度處在較高的水平，誤識率、拒認率較低。不易仿冒在安全性規(guī)定高的應用場合，人臉辨認技術(shù)規(guī)定辨認對象必須親臨辨認現(xiàn)場，別人難以仿冒。人臉辨認技術(shù)所獨具的活性判別能力保證了別人無法以非活性的照片、木偶、蠟像來欺騙辨認系統(tǒng)。這是指紋等生物特性辨認技術(shù)所很難做到的。舉例來說，用合法用戶的斷指即可仿冒合法用戶的身份而使辨認系統(tǒng)無從覺察。使用通用性設(shè)備人臉辨認技術(shù)所使用的設(shè)備為一般的PC、攝像機等常規(guī)設(shè)備，由于計算機、閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)等已經(jīng)得到了廣泛的應用，因此對于多數(shù)用戶而言使用人臉辨認技術(shù)無需添置大量專用設(shè)備，從而既保護了用戶的原有投資又擴展了用戶已有設(shè)備的功能，滿足了用戶安全防范的需求?；A(chǔ)資料易于獲得人臉辨認技術(shù)所采用的依據(jù)是人臉照片或?qū)崟r攝取的人臉圖像，因而無疑是最容易獲得的。成本較低，易于推廣使用由于人臉辨認技術(shù)所使用的是常規(guī)通用設(shè)備，價格均在一般用戶可接受的范圍之內(nèi)，與其它生物辨認技術(shù)相比，人臉辨認產(chǎn)品具有很高的性能價格比。概括地說，人臉辨認技術(shù)是一種高精度、易于使用、穩(wěn)定性高、難仿冒、性價比高的生物特性辨認技術(shù)，具有極其廣闊的市場應用前景。缺陷面部辨認被認為是生物特性辨認領(lǐng)域甚至人工智能領(lǐng)域最困難的研究課題之一。面部辨認的困難重要是面部作為生物特性的特點所帶來的。相似性不同個體之間的區(qū)別不大，所有的面部的結(jié)構(gòu)都相似，甚至面部器官的結(jié)構(gòu)外形都很相似。這樣的特點對于運用面部進行定位是有利的，但是對于運用面部區(qū)分人類個體是不利的。易變性面部的外形很不穩(wěn)定，人可以通過臉部的變化產(chǎn)生很多表情，而在不同觀測角度，面部的視覺圖像也相差很大，此外，面部辨認還受光照條件（例如白天和夜晚，室內(nèi)和室外等）、面部的很多遮蓋物（例如口罩、墨鏡、頭發(fā)、胡須等）、年齡等多方面因素的影響。在面部辨認中，第一類的變化是應當放大而作為區(qū)分個體的標準的，而第二類的變化應當消除，由于它們可以代表同一個個體。通常稱第一類變化為類間變化，而稱第二類變化為類內(nèi)變化。對于面部，類內(nèi)變化往往大于類間變化，從而使在受類內(nèi)變化干擾的情況下運用類間變化區(qū)分個體變得異常困難。靜脈辨認重要是運用靜脈血管的結(jié)構(gòu)來進行身份辨認。由于靜脈紋絡(luò)包含大量的特性信息，可以作為驗證的對象。手掌靜脈辨認的原理也是運用靜脈血管與肌肉、骨骸之間對特定波長紅外光不同的吸取特性來進行靜脈血管造影。與手掌靜脈辨認的原理相同。由于手掌較厚，紅外光通常無法進行透射，因而只能采用反射造影法。紅外光照射在手背上，有靜脈的部位吸取紅外光反