生物特征认证

生物特征认证是指通过自动化技术利用人体的生理特征和（或）行为特征进行身份鉴定。目前利用生理特征进行生物识别的主要方法有：指纹识别、虹膜识别、手掌识别、视网膜识别和脸相识别；利用行为特征进行识别的主要方法有：声音识别、笔迹识别和击键识别等。除了这些比较成熟的生物识别技术之外，还有许多新兴的技术，如耳朵识别、人体气味识别、血管识别、步态识别等。随着现代生物技术的发展，尤其是人类基因组研究的重大突破，研究人员认为DNA识别技术或基因型识别技术将是未来生物识别技术的主流。

只要满足以下条件的人体物理或行为特征才可以用来作为识别个人身份。

普遍性：即每个人都应该具有这一特征。

唯一性：即每个人在这一特征上有不同的表现。

稳定性：即这一特征不会随着年龄的增长、时间的改变而改变。

易采集性：即这一特征应该是容易测量的。

可接受性：即人们是否接受这种生物识别方式。

生物特征认证的核心在于如何获取这些生物特征，并将之转换为数字信息，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。所有的生物识别系统都包括如下几个处理过程：采集、解码、比对和匹配。

由于人体生物特征具有人体所固有的不可复制的唯一性，这使得生物识别身份验证方法可以不依赖于各种人造的和附加的物品来证明自己的身份，而用来证明自身的恰恰是人本身，由于这些生物密钥不会丢失、不会遗忘，很难伪造和假冒。而常见的口令、IC卡、条纹码、磁卡或钥匙则存在着丢失、遗忘、复制及被盗用诸多不利因素。因此采用生物特征具有更强的安全性与方便性。

（1）指纹

指纹识别是最传统、最成熟的生物鉴定方式。目前，全球范围内都建立了指纹鉴定机构以及罪犯指纹数据库，指纹鉴定已经被官方所接受，成为司法部门有效的身份鉴定手段。

指纹识别处理包括对指纹图像采集、指纹图像处理特征提取、特征值的比对与匹配等过程。许多研究表明指纹识别在所有生物识别技术中是对人体最不构成侵犯的一种技术手段。

指纹识别的优点是：

独特性。19世纪末，英国学者亨利提出了基于指纹特征特征进行识别的原理和方法。按亨利的理论，一般人的指纹在出生后9个月得以成型并终身不变；每个指纹一般都有70-150个基本特征点。从概率学的角度，在两枚指纹中只要有12-13个特征点吻合，即可认定为同一指纹。按现有人口计算，上述概率120年才可出现两枚完全相同的指纹。

稳定性。指纹纹脊的样式终生不变。例如，指纹不会随着人的年龄的增长、或身体健康程度的变化而变化。人的声音却有着较大的变化。

方便性。目前已有标准的指纹样本库，方便了识别系统的软件开发；另外，识别系统中完成指纹采样功能的硬件部分（即指纹采集仪）也较易实现。

（2）掌纹

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。手形读取器能够捕捉一个手的三维图像，并能够对手指和指关节的形状和长度进行测量。

（3）视网膜血管图

人眼球视网膜的中央动脉，在眼底至视神经乳头处分为上下两支，然后在视网膜颞侧上下及鼻侧上下再分为4支小动脉，各支小动脉，各支小动脉，各支小动脉再逐级分的更细，更小，以至在视网膜上形成四通八达的毛细血管网，此即临床医生观察眼底诊病的眼底血管图。在20世纪30年代，通过研究就得出了人类眼球后部血管分布唯一性的理论，除了患有眼疾或者严重的脑外伤外，视网膜的结构形式在人的一生当中都相当稳定。

图7.7 人眼的结构

（4）虹膜

人眼虹膜位于眼角膜之后，水晶体之前。其颜色因含色素的多少与分布不同而异。我国除个别少数民族外，多呈棕色。透过角膜可见虹膜呈圆盘状，中央有一小孔称瞳孔，瞳孔依环境的明暗，可自动缩小或扩大。圆盘状的虹膜以中央的瞳孔为中心，向周围有辐射状的纹理和小凹。虹膜辨识系统使用一台摄像机来捕捉样本，然后由软件来对所得数据与储存的模板进行比较。到目前为止，虹膜识别的错误率是各种生物特征识别中最低的。每个人虹膜的结构各不相同，并且这种独特的虹膜结构在人的一生几乎不发生变化。

（5）面孔

面孔识别系统根据人脸各部分，如眼睛、鼻子、唇部、下鄂等器官的相互位置，以及它们的形状和尺寸来区分人脸。与基于指纹的人体生物识别技术相比，人脸识别是一种更直接、更方便、更友好、更容易被人们接受的识别方法。面孔识别的缺点是不可靠，脸像会随年龄变化，而且容易被伪装。

（6）声音

声音的辨识不对说出的词语本身进行辨识。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。语音辨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。如通过电话拨入银行、数据库服务、购物或语音邮件，以及进入保密的装置。

利用计算机技术进行语音自动识别虽然是很方便的，但每个人的语音声学特征不是绝对的、一成不变的。这种变化可来自生理、病理、心理、模拟、伪装，也与环境干扰有关。因此语音自动识别并不可靠。

（7）笔迹

笔迹（签名）识别，也被称为签名力学辨识（Danamic Signature Verification--DSV），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。笔迹是一种行为特征，它受写字人身体和情绪的影响很大。有些人的笔迹变化很大，即使连续书写的笔迹也有很大的差别。此外，经过专门训练的人，模仿出来的笔迹可以达到以假乱真的地步。尽管笔迹专家可以鉴别出笔迹的真伪，但是用计算机来描述笔迹的特征，自动进行笔迹识别还是个非常困难的问题。优点是笔迹的获取具有非侵犯(或非接触)性，易为人所接受。

（8）红外温谱图

通过红外设备获得反映身体各个部位的发热强度的图像，这种图像称为温谱图。人体的温谱值受外界环境影响很大，比如人体附近的室内暖气、汽车排气管等会极大地干扰人体温谱图。温谱图方法具有可接受性，因为数据的获取是非接触式的，具有非侵犯性。

（9）步态识别

步态是指人们行走时的方式，这是一种复杂的行为特征。尽管步态不是每个人都不相同的，但是它也提供了充足的信息来识别人的身份。步态识别的输入是一段行走的视频图像序列，因此其数据采集与脸像识别类似，具有非侵犯性和可接受性。但是，由于序列图像的数据量较大，因此步态识别的计算复杂性比较高，处理起来也比较困难。

（10）DNA

DNA（脱氧核糖核酸）存在于一切有核的动、植物中，生物的全部遗传信息都贮存在DNA分子里。DNA结构中的编码区，即遗传基因或称基因序列部分占DNA全长的1/10~1/30，这部分所谓遗传密码区。就人来讲遗传基因约有十万个，每个均由A、T、G、C四种核苷酸，按次序排列在两条互补的组成螺旋的DNA长链上。核苷酸的总数达30亿左右，如随机查两个人的DNA图谱，其完全相同的概率仅为三千亿分之一。

评价一个生物识别系统主要从下列几个方面进行：易使用性，是否可以被用户简单而方便的使用；非侵袭性，对使用者是否具有非侵袭性；安全性，包括识别的精确性和系统防止攻击的保护能力；反应性，包括对系统资源的要求，数据获取和分析的速度；性能价格比，软硬件的购买，维护等的费用投入与其所产生性能的比较；标准样板的数据大小，数据越多，使用起来就更加方便且安全性更高；生物特征的唯一性、精确性，不言而喻，唯一性、精确性越高，使用起来准确性就越高；以及系统在时间上的稳定性和可靠性。

各种识别技术均有其优劣之处。在识别的精确性方面，虹膜识别是各种识别技术中错误率最低的，其次是视网膜和指纹技术识别；在费用方面，以击键法最低，其次是声音和笔迹识别。另外，每种生物特征都有自己的适用范围。比如，有些人的指纹无法提取特征，患白内障的人虹膜会发生变化等。在对安全有严格要求的应用领域中，人们往往需要融合多种生物特征来实现高精度的识别系统。数据融合是一种通过集成多知识源的信息和不同专家的意见以产生一个决策的方法，将数据融合方法用于身份鉴别，结合多种生理和行为特征进行身份鉴别，提高鉴别系统的精度和可靠性，这无疑是身份鉴别领域发展的必然趋势。