生物识别技术

生物识别——永恒的身份证林鹤（上海科学技术情报研究所 200031）摘要：人的身份识别在现代社会变得越来越重要。

开门不再用叮叮当当的钥匙串，银行取钱也不必输入那些“安全”的密码，走遍全球更不用带着一堆总怕丢失的卡；你的手就是钥匙、你的脸就是密码、你这个人就是地球村公民的身份证。

这就是生物识别，二十一世纪人类将拥有真正属于自己的身份证。

生物识别技术将彻底解决我们社会中任何有关身份识别的难题，在公安、国防、金融、保险、医疗卫生、计算机网络等各个领域中都有广阔的应用前景，可靠、方便快捷是其最吸引人的地方。

本文从介绍生物识别的起源和发展开始，带你步入一个色彩缤纷的生物识别世界，各种科幻般的高科技、琳琅满目的生物识别产品都会向你一一展现。

要知道，生物识别就在你的身旁。

在日常生活中，往往会出现这样一些情况：钥匙丢了，进不了门；密码忘了，无法在ATM机上取钱；电脑中的重要资料被他人非法复制了；手机被他人盗用，打了国际长途……，这些都给我们造成了很大的麻烦，甚至巨大损失，以上这一切都与身份识别有关。

目前，身份识别所采用的方法主要有：根据人们所持有的物品如钥匙、证件、卡等；或人们所知道的内容如密码和口令等来确定其身份。

但两者都存在着一些缺陷，物品可能丢失和复制，内容容易遗忘和泄露，使其难以保证身份确认的方便性、结果的惟一性和可靠性。

因此，我们急需一种更加方便、有效、安全的身份识别技术来保障我们的生活，这种技术就是生物识别技术—我们自己的人体就是最安全、最有效的密码和钥匙。

1 走近生物识别提起生物识别技术，人们或许感到陌生，但如果说到指纹识别或者是虹膜识别，就不免会想到侦探电影中破案人员依靠现场指纹进行罪犯确认、用指纹代替密码开启保险箱，依靠眼睛对着一个小摄像机来取代钥匙开门等等。

这就是被比尔·盖茨称之为21世纪最重要的应用技术之一的生物识别技术，它正在步入我们的生活中。

1.1 什么是生物识别生物识别是依靠人体的身体特征来进行身份验证的一种解决方案。

这些身体特征包括指纹、声音、面部、骨架、视网膜、虹膜和DNA等人体的生物特征，以及签名的动作、行走的步态、击打键盘的力度等个人的行为特征。

生物识别的技术核心在于如何获取这些生物特征，并将其转换为数字信息，存储于计算机中，利用可靠的匹配算法来完成验证与识别个人身份的过程。

1.2 生物识别的起源和发展生物识别的历史可追溯到古代埃及人通过测量人的尺寸来鉴别他们，像这种基于测量人体身体某一部份或者举止的某一方面识别技术一直延续了几个世纪。

而在公元前7000年到6000年以前，古叙利亚和中国，指纹作为身份鉴别已经开始应用。

考古发现，在这个时代，一些粘土陶器上留有陶艺匠人的指纹，中国的一些文件上印有起草者的大拇指指纹，在Jercho古城市的房屋中也发现留有砖匠一对大拇指指纹的印记。

19世纪初，科学研究发现了指纹的两个重要特征，一是两个不同手指的指纹纹脊的式样不同，另外一个是指纹纹脊的式样终生不改变。

这个研究成果使得指纹在犯罪鉴别中得以正式应用，1896年阿根廷首次应用，然后是1901年的苏格兰，20世纪初其他国家也相继应用到犯罪鉴别中。

20世纪60年代，由于计算机可以有效地处理图形，人们开始着手研究利用计算机来处理指纹。

从那时起，自动指纹识别系统AFIS在法律实施方面的研究和应用在世界许多国家展开，FBI在60年代末期开始使用一种自动识别指纹的设备，到在70年代末期，已经有一定数量的设备开始在美国大范围使用。

用于商业的高级生物测定设备最早开始于20世纪70年代，一种叫做Identimat 的设备出现了，它通过测量手的形状和手指的长度来用作识别的标志。

20世纪80年代，个人电脑、光学扫描这两项技术的革新，使得它们作为指纹取像的工具成为现实，从而使指纹识别可以在其他领域中得以应用，比如代替IC卡。

现在（90年代后期），低价位取像设备的引入及其飞速发展，可靠的比对算法的发现为个人身份识别应用的增长提供了舞台。

第一个介绍测定视网膜的系统出现于八十年代，剑桥大学的Joho Daughman教授的工作开始了虹膜识别的技术的研究，而对于签字与面部的识别技术才刚刚开始。

1.3 生物识别的特点生物识别之所以能够作为个人身份鉴别的有效手段，是由它自身的特点所决定的：普遍性、唯一性、稳定性、不可复制性。

普遍性—生物识别所依赖的身体特征基本上是人人天生就有的，用不着向有关部门申请或制作。

唯一性和稳定性－经研究和经验表明，每个人的指纹、掌纹、面部、发音、虹膜、视网膜、骨架等都与别人不同，且终生不变。

不可复制性－随着计算机技术的发展，复制钥匙、密码卡以及盗取密码、口令等都变得越发容易，然而要复制人的活体指纹、掌纹、面部、虹膜、掌纹等生物特征就困难得多。

这些技术特性使得生物识别身份验证方法不依赖各种人造的和附加的物品来证明人的自身，而用来证明自身的恰恰是人本身，所以，它不会丢失、不会遗忘，很难伪造和假冒，是一种“只认人、不认物”，方便安全的保安手段。

1.4 生物识别的种类(1)指纹指纹在我国古代就被用来代替签字画押，证明身份。

大致可分为“弓”、“箕”、“斗”三种基本类型，具有各人不同，终身不变的特性。

指纹识别是目前最成熟、最方便、可靠、无损伤和价格便宜的生物识别技术解决方案，已经在许多行业领域中得到了广泛的应用。

优点：第一是专一性强，复杂程度高：指纹是人体独一无二的特征，并且它们的复杂度足以提供用于鉴别的足够特征。

第二是可靠性高：如果我们想要增加可靠性，我们只需登记更多的指纹，鉴别更多的手指，最多可以多达十个，而每一个指纹都是独一无二的，并且用户将手指与指纹采集头直接接触是读取人体生物特征最可靠的方法。

第三是速度快、使用方便：扫描指纹的速度很快，使用非常方便；第四是设备小、价格低：指纹采集头更加小型化，可以很容易的与其他设备相结合，并且随着电子传感芯片的快速发展，其价格也会更加低廉。

缺点：某些人或某些群体的指纹因为指纹特征很少，故而很难成像。

此外，由于现在的指纹鉴别技术都可不存储任何含有指纹图像的数据，而只是存储从指纹中得到的加密的指纹特征数据；每一次的使用指纹时都会在指纹采集头上留下用户的指纹印痕，而这些指纹痕迹存在被用来复制指纹的可能性。

（2）掌纹手掌几何学是基于这样一个事实：几乎每个人的手的形状都是不同的，而且这个手的形状在人达到一定年龄之后就不再发生显著变化。

当用户把他的手放在手形读取器上时，一个手的三维图像就被捕捉下来。

接下来，对手指和指关节的形状和长度进行测量。

根据用来识别人的数据的不同，手形读取技术可划分为下列三种范畴：手掌的应用，手中血管的模式，以及手指的几何分析。

映射出手的不同特征是相当简单的，不会产生大量数据集。

但是，即使有了相当数量的记录，手掌几何学不一定能够将人区分开来，这是因为手的特征是很相似的。

与其他生物识别方法相比较，手掌几何学不能获得最高程度的准确度。

当数据库持续增大时，也就需要在数量上增加手的明显特征来清楚地将人与模板进行辨认和比较。

（3）眼睛分析眼睛的复杂和独特特征的生物识别技术主要包括了虹膜识别技术、视网膜识别技术和角膜识别技术。

虹膜是环绕着瞳孔的一层有色的细胞组织。

每一个虹膜都包含一个独一无二的基于像冠、水晶体、细丝、斑点、结构、凹点、射线、皱纹和条纹等特征的结构。

虹膜扫描安全系统包括一个全自动照相机来寻找你的眼睛并在发现虹膜时，就开始聚焦，捕捉到虹膜样本后由软件来对所得数据与储存的模板进行比较。

想通过眨眼睛来欺骗系统是不行的。

虹膜识别比较便于用户使用；可靠性好，用户与设备之间也无需物理的接触；但其设备尺寸较大，并且因聚焦的需要而采用的摄像头很昂贵，黑眼睛极难读取，此外还需要一个比较好的光源。

视网膜是眼睛底部的血液细胞层。

视网膜扫描是采用低密度的红外线去捕捉视网膜的独特特征，血液细胞的唯一模式就因此被捕捉下来。

某些人认为视网膜是比虹膜更为唯一的生物特征。

视网膜识别的优点就在于它是一种极其固定的生物特征，因为它是“隐藏”的，故而不可能受到磨损，老化等影响；使用者也无需和设备进行直接的接触；同时它是一个最难欺骗的系统，因为视网膜是不可见的，故而不会被伪造。

另一方面，视网膜识别也有一些不完善的，如：视网膜技术可能会给使用者带来健康的损坏，这需要进一步的研究；设备投入较为昂贵，识别过程的要求也高，因此角膜扫描识别在普遍推广应用上具有一定的难度。

（4）面部面部识别系统是通过分析面部特征的唯一形状、模式和位置来辩识人。

其采集处理的方法主要是标准视频和热成像技术。

标准视频技术通过一个标准的摄像头摄取面部的图像或者一系列图像，在面部被捕捉之后，一些核心点被记录，例如，眼睛，鼻子和嘴的位置以及它们之间的相对位置被记录下来然后形成模板；热成像技术通过分析由面部的毛细血管的血液产生的热线来产生面部图像，与视频摄像头不同，热成像技术并不需要在较好的光源条件下，因此即使在黑暗情况下也可以使用。

面部这项生物识别技术的吸引力在于它能够人机交互，用户不需要和设备直接的接触。

但相对来说，这套系统是可靠较差，使用者面部的位置与周围的光环境都可能影响系统的精确性，并且设备十分昂贵，只有比较高级的摄像头才可以有效高速的扑捉面部图像，设备的小型化也比较困难；此外，面部识别系统对于因人体面部的如头发，饰物，变老以及其他的变化需要通过人工智能来得到补偿，机器知识学习系统必须不断地将以前得到的图像和现在的得到的进行比对；以改进核心数据和弥补微小的差别。

鉴于以上各种因素，此项技术在推广应用上还存在着一定的困难。

（5）语音语音识别主要包括了两个方面：语言和声音。

声音识别是对基于生理学和行为特征的说话者嗓音和语言学模式的运用，它与语言识别不同在于不对说出的词语本身进行辩识。

而是通过分析语音的唯一特性，例如发音的频率，来识别出说话的人。

声音辩识技术使得人们可以通过说话的嗓音来控制能否出入限制性的区域。

举例来说，通过电话拨入银行、数据库服务、购物或语音邮件，以及进入保密的装置。

语言识别则要对说话的内容进行识别，主要可用于信息输入、数据库检索、远程控制等方面。

现在身份识别方面更多的是采用声音识别。

声音识别也是一种非接触的识别技术，用户可以很自然地接受，使用方便。

但由于非人性化的风险、远程控制和低准确度，它并不可靠；并且声音的变化范围大（如音量、速度和音质等方面）直接会影响采集与比对的精确度，一个患上感冒的人有可能被错误的拒认从而无法使用该声音识别系统。

同时随着数字化技术的发展，音频数字处理技术很可能欺骗声音识别系统，其安全性受到了挑战。

（6）签名签名识别，也被称为签名力学辩识，它是建立在签名时的力度上的。

它分析的是笔的移动，例如加速度、压力、方向以及笔划的长度，而非签名的图像本身。