技術概述
摘錄
在當今信息化時代，如何準确鑒定一個人的身份、保護信息安全，已成為一個必須解決的關鍵社會問題。傳統的身份認證由于極易僞造和丢失，越來越難以滿足社會的需求，目前最為便捷與安全的解決方案無疑就是生物識别技術。它不但簡潔快速，而且利用它進行身份的認定，安全、可靠、準确。同時更易于配合電腦和安全、監控、管理系統整合，實現自動化管理。由于其廣闊的應用前景、巨大的社會效益和經濟效益，已引起各國的廣泛關注和高度重視。因此，本論文将嘗試探讨整理生物特征識别技術這項前沿技術，和新興的多模态發展趨勢，并且關注其最新的科研方向及在實際中的推廣利用現狀！
關鍵詞
生物特征；生物特征的識别與認證；步态識别；虹膜識别；皮膚芯片；臉像識别；多模态（即多生物特征融合）識别技術；
每個個體都有唯一的可以測量或可自動識别和驗證的生理特性或行為方式，即生物特征。它可劃分為生理特征（如指紋、面像、虹膜、掌紋等）和行為特征（如步态、聲音、筆迹等）。生物識别就是依據每個個體之間獨一無二的生物特征對其進行識别與身份的認證。他的主要内容是生物識别技術和生物識别系統。
定義
生物識别技術（BiometricIdentificationTechnology）是指利用人體生物特征進行身份認證的一種技術。更具體一點，生物特征識别技術就是通過計算機與光學、聲學、生物傳感器和生物統計學原理等高科技手段密切結合，利用人體固有的生理特性和行為特征來進行個人身份的鑒定。
生物識别系統是對生物特征進行取樣，提取其唯一的特征并且轉化成數字代碼，并進一步将這些代碼組合而成的特征模闆。人們同識别系統交互進行身份認證時，識别系統獲取其特征并與數據可中的特征模闆進行比對，以确定是否匹配，從而決定接受或拒絕該人。
在目前的研究與應用領域中，生物特征識别主要關系到計算機視覺、圖象處理與模式識别、計算機聽覺、語音處理、多傳感器技術、虛拟現實、計算機圖形學、可視化技術、計算機輔助設計、智能機器人感知系統等其他相關的研究。已被用于生物識别的生物特征有手形、指紋、臉形、虹膜、視網膜、脈搏、耳廓等，行為特征有簽字、聲音、按鍵力度等。基于這些特征，生物特征識别技術已經在過去的幾年中已取得了長足的進展。
熱點技術
指紋識别
指紋識别已被全球大部分國家政府接受與認可，已廣泛地應用到政府、軍隊、銀行、社會福利保障、電子商務和安全防衛等領域。在中國，北大高科等對指紋識别技術的研究開發已達到可與國際先進技術抗衡，中科院的漢王科技公司在一對多指紋識别算法上取得重大進展，達到的性能指标中拒識率小于0.1%，誤識率小于0.0001%，居國際先進水平；指紋識别技術在中國已經得到較廣泛的應用，随着網絡化的更加普及，指紋識别的應用将更加廣泛。
臉像識别
人臉識别的實現包括面部識别（多采用"多重對照人臉識别法"，即先從拍攝到的人像中找到人臉，從人臉中找出對比最明顯的眼睛，最終判斷包括兩眼在内的領域是不是想要識别的面孔）和面部認證（為提高認證性能已開發了“攝動空間法”，即利用三維技術對人臉側面及燈光發生變化時的人臉進行準确預測。以及“适應領域混合對照法”，使得對部分僞裝的人臉也能進行識别）兩方面，基本實現了快速而高精度的身份認證。由于其屬于是非接觸型認證，僅僅要看到臉部就可以實現很多應用，因而可被應用在：證件中的身份認證；重要場所中的安全檢測和監控；智能卡中的身份認證；計算機登錄等網絡安全控制等多種不同的安全領域。随着網絡技術和桌上視頻的廣泛采用、電子商務等網絡資源的利用對身份驗證提出的新的要求，依托于圖像理解、模式識别、計算機視覺和神經網絡等技術的臉像識别技術在一定應用範圍内已獲得了成功。目前國内該項識别技術在警用等安全領域用得比較多。這項技術亦被用在現在的一些中高檔相機的輔助拍攝方面（如人臉識别拍攝）。
皮膚芯片
這種方法通過把紅外光照進一小塊皮膚并通過測定的反射光波長來确認人的身份。其理論基礎是每個具有不同皮膚厚度和皮下層的人類皮膚，都有其特有的标記。由于皮膚、皮層和不同結構具有個性和專一特性，這些都會影響光的不同波長，目前Lumidigm公司開發了一種包含銀币大小的兩種電子芯片的系統。第一個芯片用光反射二極管照明皮膚的一片斑塊，然後收集反射回來的射線，第二個芯片處理由照射産生的“光印”（lightprint）标識信号。相對于指紋（Fingerprinting）和面認(Facerecognition)所采用的采集原始形象并仔細處理大量數據來從中抽提出需要特征的生物統計學方法（See“FaceRecognition”/TRNov2001），光印不依賴于形象處理，使得設備隻需較少的計算能力。
步态識别
步态識别技術現還處在初期階段，其發展還面臨許多艱難的挑戰。這項技術的最新進展在由美國國防先進研究項目代表設立基金研究通過人體語言确認人的身份的美國科研機構中。其理論是每個人以相同的方式生活，都有自己專一的信号或指紋，每個人也有自己專一的走路步伐。其技巧是收集人體語言并把它轉化為計算機能識别的數字。
一種方法每個人建立“運動信号”來識别。他們從拍攝人走路或跑步的方法開始研究每個人的運動信号，再利用計算機上的模拟照相機捕捉和儲存這一運動行為（用軟件工具除去冗餘最終隻以數字形象儲存物體的一系列輪廓）。之後隻要一個人把他的整個走路過程拍攝下來，指令計算機就能根據儲存的形象确定這個人的身份。通過系統很好地歸納所有不同的步伐後，據稱現已經獲得90%~95%的正确匹配。”
另一種方法則是使用結構分析方法去測定一個人的跨步和腿伸展特性。
這兩種技術迄今所有的數據庫形象是兩維的，并很大程度上取決于照相機的角度。當一個系統企圖采用不同的角度去比較同一個人兩個鏡頭時，就會出現問題。很大程度上直接限制了它的發展！
虹膜識别
個體的虹膜結構獨一無二、不具遺傳性（使即使是同卵雙胞胎虹膜也各不相同），并且自童年以後，便基本不再變化，使得其非常适合應用于生物識别。有統計表明，到目前為止，虹膜識别的錯誤率是各種生物特征識别中最低的。目前，國際上掌握虹膜識别核心技術的僅有中國中科模識科技有限公司和另一家美國公司。并且中國已經獲得了“虹膜圖像采集裝置”和“基于虹膜識别的身份鑒定方法與裝置”等多項專利。
此外應用廣泛的還有筆迹識别、語音識别、紅外溫譜圖等其他特征識别方式。
靜脈識别
靜脈識别系統就是首先通過靜脈識别儀取得個人靜脈分布圖，從靜脈分布圖依據專用比對算法提取特征值，通過紅外線CMOS攝像頭獲取手指靜脈、手掌靜脈、手背靜脈的圖像，将靜脈的數字圖像存貯在計算機系統中，将特征值存儲。靜脈比對時，實時采取靜脈圖，提取特征值，運用先進的濾波、圖像二值化、細化手段對數字圖像提取特征，同存儲在主機中靜脈特征值比對，采用複雜的匹配算法對靜脈特征進行匹配，從而對個人進行身份鑒定，确認身份。全過程采用非接觸式
視網膜識别
視網膜是眼睛底部的血液細胞層。視網膜掃描是采用低密度的紅外線去捕捉視網膜的獨特特征，血液細胞的唯一模式就因此被捕捉下來。視網膜識别的優點就在于它是一種極其固定的生物特征，因為它是“隐藏”的，故而不可能受到磨損，老化等影響；使用者也無需和設備進行直接的接觸；同時它是一個最難欺騙的系統，因為視網膜是不可見的，故而不會被僞造。另一方面，視網膜識别也有一些不完善的，如：視網膜技術可能會給使用者帶來健康的損壞，這需要進一步的研究；設備投入較為昂貴，識别過程的要求也高，因此角膜掃描識别在普遍推廣應用上具有一定的難度。
手掌幾何學識别
手掌幾何學識别就是通過測量使用者的手掌和手指的物理特征來進行識别，高級的産品還可以識别三維圖象。作為一種已經确立的方法，手掌幾何學識别不僅性能好，而且使用比較方便。它适用的場合是用戶人數比較多，或者用戶雖然不經常使用，但使用時很容易接受。如果需要，這種技術的準确性可以非常高，同時可以靈活地調整性能以适應相當廣泛的使用要求。手形讀取器使用的範圍很廣，且很容易集成到其他系統中，因此成為許多生物特征識别項目中的首選技術。
DNA識别
人體内的DNA在整個人類範圍内具有唯一性（除了同卵雙胞胎可能具有同樣結構的DNA外）和永久性。因此，除了對同卵雙胞胎個體的鑒别可能失去它應有的功能外，這種方法具有絕對的權威性和準确性。DNA鑒别方法主要根據人體細胞中DNA分子的結構因人而異的特點進行身份鑒别。這種方法的準确性優于其它任何身份鑒别方法，同時有較好的防僞性。然而，DNA的獲取和鑒别方法（DNA鑒别必須在一定的化學環境下進行）限制了DNA鑒别技術的實時性；另外，某些特殊疾病可能改變人體DNA的結構組成，系統無法正确的對這類人群進行鑒别。
聲音和簽字識别
聲音和簽字識别屬于行為識别的範疇。聲音識别主要是利用人的聲音特點進行身份識别。聲音識别的優點在于它是一種非接觸識别技術，容易為公衆所接受。但聲音會随音量、音速和音質的變化而影響。比如，一個人感冒時說話和平時說話就會有明顯差異。再者，一個人也可有意識地對自己的聲音進行僞裝和控制，從而給鑒别帶來一定困難。簽字是一種傳統身份認證手段。現代簽字識别技術，主要是透過測量簽字者的字形及不同筆劃間的速度、順序和壓力特征，對簽字者的身份進行鑒别。簽字與聲音識别一樣，也是一種行為測定，因此，同樣會受人為因素的影響。
親子鑒定
由于人體約有30億個核苷酸構成整個染色體系統，而且在生殖細胞形成前的互換和組合是随機的，所以世界上沒有任何兩個人具有完全相同的30億個核苷酸的組成序列，這就是人的遺傳多态性。盡管遺傳多态性的存在，但每一個人的染色體必然也隻能來自其父母，這就是DNA親子鑒定的理論基礎。
手形識别
手形指的是手的外部輪廓所構成的幾何圖形。大量生物學研究表明，人的手形在一個相當長的時期内具有良好的穩定性，并且，兩個不同人的手形是不同的，即手形特征具有唯一性。此外，手形特征也具有普遍性，易采集性等其他特點，滿足成為生物特征的所有要求，因此可以利用手形來對人的身份進行認證。
手形研究多采用人手手指的三維輪廓特征作為手形特征，但是，由于三維點采集起來比較複雜，目前，有越來越多的研究者把目光轉向了二維手形識别方法的研究，并且取得了一定的進展。
簽名識别
個人手寫簽名雖然不是一種固有生理特征的外在表現，但是由于簽名基本上是一種自在的手腕運動，個人簽名時在握筆姿勢、運筆習慣、用力輕重等方面都有自己的特點。J.J.Denier，VGon和J.Thuring等認為手寫簽名是一種“彈道運動”，是個人無意識的習慣動作。手寫簽名認證就是根據個人書寫的特點來比較當前簽名與預先存儲的簽名樣本或模闆之間的相似程度，通過相似程度來判斷簽名的真僞并相應地判别當前簽名者身份的真僞。
簽名認證與其他生物特征認證方法相比，最明顯的特點就是傳統手寫簽名的身份鑒别形式在人們日常生活中經常使用，同時文字書寫也是人們普遍具有和使用的技能，因而容易被人們接受。随着傳感器技術和計算機技術的發展，支持手寫功能的計算機和電子設備（手寫闆、個人數字助理，智能手機等）日漸普及，這也為手寫簽名認證的應用提供了極大的便利。
技術優勢
生物識别技術是目前最為方便與安全的識别技術，它不需要記住複雜的密碼，也不需随身攜帶鑰匙、智能卡之類的東西。生物識别技術認定的是人本身，這就直接決定了這種認證方式更安全、更方便了。由于每個人的生物特征具有與其他人不同的唯一性和在一定時期内不變的穩定性，不易僞造和假冒，所以利用生物識别技術進行身份認定，安全、可靠、準确。此外，生物識别技術産品均借助于現代計算機技術實現，很容易配合電腦和安全、監控、管理系統整合，實現自動化管理。
技術發展
人類利用生物特征識别的曆史可追溯到古代埃及人通過測量人體各部位的尺寸來進行身份鑒别，現代生物識别技術始于70年代中期，由于早期的識别設備比較昂貴，因而僅限于安全級别要求較高的原子能實驗、生産基地、犯罪甄别等。現在由于微處理器及各種電子元器件成本不斷下降，精度逐漸提高，生物識别系統逐漸應用于商業上的授權控制等領域。
目前人們已經發展了指紋識别、掌紋與掌形識别、虹膜識别、人臉識别、手指靜脈識别、聲音識别、簽字識别、步态識别、鍵盤敲擊習慣識别，甚至DNA識别等多種生物識别技術。但相關市場上占有率最高的仍是指紋機和手形機，并且這兩種識别方式也是目前技術發展中最成熟的。
發展趨勢
生物特征識别系統在利用個人特征來鑒别或驗證用戶身份時，如果有生物特征被察覺或檢測到是“有噪音的”（比如指紋中帶有疤痕或者因感冒而改變聲音時），這個生物特征識别系統的性能可能會受到損害，此時的匹配評分計算是不可靠的。這個問題可以通過安裝多種傳感器捕捉不同的生物特征來解決，這也被稱為生物特征融合或多模态生物特征識别系統。
基于多模态或多生物特征融合的解決方案代表了一個新興趨勢，某些應用會比單一方法的識别系統具有更好的技術性能。國際标準化組織（ISO）和國際電工委員會（IEC）已經聯合公布了《信息技術—生物特征—多模态和其他多生物特征融合》（ISO/IECTR24722∶2007），該方案能融合多種生物指令，以保證在一種生物特征失真的情況下，仍能順利識别。新的ISO/IECTR24722∶2007不但包含了目前就多模态和多生物特征融合做法的描述和分析，它還研讨了需求、可能的路徑和标準化來支持多生物特征識别系統，以提高其通用性和實用性。這項最新的ISO/IEC技術報告提供了多模态和其他多生物識别系統的總的概述，并給出了關于多生物特征融合的一個參考——生物特征識别系統需要一種以上的生物模态。
多生物特征解決方案的潛在好處是能延伸到人體進入控制區域從而獲取敏感數據。這樣，就能使生物特征識别系統更安全，入侵者用人造物或模仿品來同時騙過多生物特征基本上是不可能的，而個人在某項特征不便時亦可靈活調換。
在國内，由清華大學丁曉青教授組研制的TH-ID系統多模式生物特征（人臉、筆迹、簽字、虹膜）身份認證識别系統已通過教育部組織的專家鑒定。能夠實現在複雜背景下的圖像和視頻人臉自動檢測、識别和認證，在人臉、筆迹、簽字、虹膜的識别認證技術上取得了重要進展，在整體上達到了國際領先水平。
該系統包括兩大部分内容：人臉、筆迹、簽字和虹膜四種生物特征的身份認證（識别和驗證）的四個子系統和利用多種生物特征的多模生物特征融合的身份認證系統。他們構建了基于統一數據庫的人臉、筆迹、簽字、虹膜四種生物特征的多模生物特征身份識别認證系統，能夠進行融合模式的選擇，進行各種可能的模式融合。可以有效克服單一生物特征常有的缺陷，極大地提高了身份認證的準确度，從而也為生物特征身份認證的實際應用打下了堅實的基礎。
人臉識别
在所有的技術中，現階段更受矚目的并迅速發展是人臉識别。它目前主要有三種應用模式：1、是人臉識别監控，即将需要重點關注的人員照片存放在系統中，當此類人員出現在監控設備覆蓋的範圍中時系統将報警提示。此種模式主要應用在奧運通道安檢、地鐵等需要實時預警的地點。2、人臉識别比對檢索，即利用特定對象的照片與已知人員照片庫進行比對，進而确定其身份信息。能夠解決傳統人工方式工作量巨大、速度慢、效率低等問題，可應用在網絡照片檢索、身份識别等環境。适合于機場等人員流動大的公衆場所，但需要大型數據庫的支持。3、身份确認，即确認監控設備和照片中的人是否是同一人。可廣泛應用于需要身份認證的場所，如自助通關、銀行金庫、門禁以及需要實行實名制管理的業務，如銀行業務等。
據悉2008年北京奧運會将全面運用人臉識别系統人群中快速辨認和甄别恐怖分子和其他可能引發犯罪的人員，以防止其進入相關的敏感區域。
在生物特征識别領域近些年的發展中，國際上雖然制定了一些标準，但遠不夠完善。鑒于中國目的技術在國際上也屬于領先水平，因此在現階段我們有必要抓緊制定國内标準，掌握主動權。在可預見的将來，我們有理由對自己有信心，對我們所在的生物特征識别領域有信心！中國在這一方面必将取得喜人的成就！
應用方向
目前，生物識别技術在生活方面主要有三大應用方向：1、作為刑偵鑒定的重要手段；2、滿足企業安全、管理上的需求（例如物理門禁、邏輯門禁、考勤、巡更等系統，已經全面引入生物識别技術）；3、自助式政府服務、出入境管理，金融服務、電子商務，信息安全（個人隐私保護）方面。
生物識别應用之發展潛力和背景，在現階段的中國，主要體現在以下幾個方面：首先，巨大的人口基數，以及越來越頻繁的流動性。這其中不論靜态管理還是動态控制，身份識别當然是首要因素。其次，經濟全球化背景下，中國産生的數量龐大、規模超凡的世界工廠的安全和管理，亦是生物識别的用武之地。另外，經濟全球化帶來更直接的影響，是頻繁的個人身份認證的需求。再次，電子商務和電子政務的演變和普及中生物識别，是現階段及可預見的将來最佳的解決方案。
主要案例
昆明恐怖襲擊事件發生後，經曆40餘小時，全部罪犯落網。公安部的公告中提到了偵破、追捕過程中運用的兩大科技手段：DNA鑒定和指紋對比。這兩項技術是目前世界範圍内應用最廣、也是最為成熟的犯罪偵查技術之一。在抓捕過程中，政府通過對犯罪現場的偵查獲得罪犯指紋，然後在追捕過程中通過不斷收集嫌疑人指紋并進行核對，以此判斷罪犯的行蹤，确保追捕方向的準确性。
追捕過程中的另一項重要應用是利用聲紋識别+通訊追蹤來抓捕罪犯。恐怖分子在逃亡過程中，通常會與組織、同夥保持聯系。此時通過通訊追蹤+聲紋識别，可以為偵查追捕提供最新的罪犯位置和身份信息。通過監聽已抓獲罪犯的通訊，判斷與其聯系的人員身份，然後進行定位，可以快速地抓獲漏網成員。聲紋與指紋一樣，是穩定且唯一的生物特征。盡管每個人的語音聲學特征可以因生理、病理、心理和模拟、僞裝等原因産生變異，但其聲紋圖譜仍具有相當的穩定性。現代的聲紋技術，已經可以對錄音和經過處理的聲音進行解析和還原，以确定發言人的真實身份。
美國中央情報局就曾一直使用語音識别系統對拉登的錄音進行鑒識。拉登的音像信息每一次公布，美國情報部門都會通過語音鑒識技術來辨别其真僞，2010年，正是拉登的信使艾哈邁德在一次電話通信中被情報部門鎖定，緻使拉登的行蹤暴露。目前的語音鑒識技術已經相當成熟，實際上，早在上世紀70年代，美國情報部門就開始使用這一技術監測前蘇聯領導人。
聲紋識别除了可以用于識别說話人，還可以進行語意的判斷，以此掌握恐怖組織的具體行動部署。當然，這種應用對技術有更高的要求。通常除了理解表層的話語主題以外，還需要對話語的深層信息包括特定對象的語言風格進行鑒識，語言風格實際上就是個人長期形成的語言應用特點系列。2002年11月，拉登的一段錄音在卡塔爾半島電視台播放。當月18日，美國白宮發言人斯科特·麥克萊倫稱，“我們的情報專家已經确認，那盤錄音帶是真的”。麥克萊倫披露，美國中央情報局和國家安全局情報專家、語言學家将此錄音與拉登此前的錄音進行了比對。不久，美聯社詳細報道了對拉登語言風格的鑒識結果：“講話者在此次錄音中使用了和以往本·拉登錄音帶中相似的語言，包括尋章摘句的修辭風格與柔和的語音語調。”
