六種生物識(shí)別技術(shù)原理及優(yōu)缺點(diǎn)解析

所謂生物識(shí)別技術(shù)就是，通過(guò)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)原理等高科技手段密切結(jié)合，利用人體固有的生理特性，（如指紋、臉象、虹膜等）和行為特征（如筆跡、聲音、步態(tài)等）來(lái)進(jìn)行個(gè)人身份的鑒定。

生物識(shí)別技術(shù)主要是指通過(guò)人類(lèi)生物特征進(jìn)行身份認(rèn)證的一種技術(shù)，人類(lèi)的生物特征通常具有唯一性、可以測(cè)量或可自動(dòng)識(shí)別和驗(yàn)證、遺傳性或終身不變等特點(diǎn)，因此生物識(shí)別認(rèn)證技術(shù)較傳統(tǒng)認(rèn)證技術(shù)存在較大的優(yōu)勢(shì)。

指紋識(shí)別

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(yùn)涵著大量的信息。指紋特征可分為兩類(lèi)：總體特征和局部特征。

總體特征指那些用人眼直接就可以觀察到的特征，包括基本紋路圖案、模式區(qū)、核心點(diǎn)、三角點(diǎn)、式樣線和紋線等?；炯y路圖案有環(huán)形、弓形、螺旋形。

局部特征即指紋上節(jié)點(diǎn)的特征，這些具有某種特征的節(jié)點(diǎn)稱(chēng)為特征點(diǎn)。兩枚指紋經(jīng)常會(huì)具有相同的總體特征，但它們的局部特征——特征點(diǎn)，卻不可能完全相同。指紋上的特征點(diǎn)，即指紋紋路上的終結(jié)點(diǎn)、分叉點(diǎn)和轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

指紋識(shí)別技術(shù)通常使用指紋的總體特征如紋形、三角點(diǎn)等來(lái)進(jìn)行分類(lèi)，再用局部特征如位置和方向等來(lái)進(jìn)行用戶身份識(shí)別。

通常，首先從獲取的指紋圖像上找到“特征點(diǎn)”（minutiae），然后根據(jù)特征點(diǎn)的特性建立用戶活體指紋的數(shù)字表示——指紋特征數(shù)據(jù)（一種單向的轉(zhuǎn)換，可以從指紋圖像轉(zhuǎn)換成特征數(shù)據(jù)但不能從特征數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成為指紋圖像）。

由于兩枚不同的指紋不會(huì)產(chǎn)生相同的特征數(shù)據(jù)，所以通過(guò)對(duì)所采集到的指紋圖像的特征數(shù)據(jù)和存放在數(shù)據(jù)庫(kù)中的指紋特征數(shù)據(jù)進(jìn)行模式匹配，計(jì)算出它們的相似程度，最終得到兩個(gè)指紋的匹配結(jié)果，根據(jù)匹配結(jié)果來(lái)鑒別用戶身份。由于每個(gè)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(diǎn)

1）指紋是人體獨(dú)一無(wú)二的特征，并且它們的復(fù)雜度足以提供用于鑒別的足夠特征。

2）如果想要增加可靠性，只需登記更多的指紋，鑒別更多的手指，最多可以達(dá)到十個(gè)，而每一個(gè)指紋都是獨(dú)一無(wú)二的。

3）掃描指紋的速度很快，使用非常方便。

4）讀取指紋時(shí)，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征最可靠的方法，這也是指紋識(shí)別技術(shù)能夠占領(lǐng)大部分市場(chǎng)的一個(gè)主要原因。

5）指紋采集頭可以更加小型化，并且價(jià)格會(huì)更加低廉。

缺點(diǎn)

1）某些人或某些群體的指紋因?yàn)橹讣y特征很少，故而很難成像。

2）過(guò)去因?yàn)樵诜缸镉涗浿惺褂弥讣y，使得某些人害怕“將指紋記錄在案”。然而，實(shí)際上現(xiàn)在的指紋鑒別技術(shù)都可以保證不存儲(chǔ)任何含有指紋圖像的數(shù)據(jù)，而只是存儲(chǔ)從指紋中得到的加密的指紋特征數(shù)據(jù)。

3）每一次使用指紋時(shí)都會(huì)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(lái)復(fù)制指紋的可能性。

可見(jiàn)，指紋識(shí)別技術(shù)是目前最方便、可靠、非侵害和價(jià)格便宜的生物識(shí)別技術(shù)解決方案，市場(chǎng)應(yīng)用有著很大的潛力。

聲音識(shí)別

原理

所謂聲紋（Voiceprint），是用電聲學(xué)儀器顯示的攜帶言語(yǔ)信息的聲波頻譜。人類(lèi)語(yǔ)言的產(chǎn)生是人體語(yǔ)言中樞與發(fā)音器官之間一個(gè)復(fù)雜的生理物理過(guò)程，人在講話時(shí)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(gè)人的差異很大，所以任何兩個(gè)人的聲紋圖譜都有差異。每個(gè)人的語(yǔ)音聲學(xué)特征既有相對(duì)穩(wěn)定性，又有變異性，不是絕對(duì)的、一成不變的。

這種變異可來(lái)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(gè)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)缺點(diǎn)

聲紋識(shí)別的應(yīng)用有一些缺點(diǎn)，比如同一個(gè)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(fēng)和信道對(duì)識(shí)別性能有影響；比如環(huán)境噪音對(duì)識(shí)別有干擾；又比如混合說(shuō)話人的情形下人的聲紋特征不易提取……。盡管如此，與其他生物特征相比，聲紋識(shí)別的應(yīng)用有一些特殊的優(yōu)勢(shì)：

1）蘊(yùn)含聲紋特征的語(yǔ)音獲取方便、自然，聲紋提取可在不知不覺(jué)中完成，因此使用者的接受程度也高；

2）獲取語(yǔ)音的識(shí)別成本低廉，使用簡(jiǎn)單，一個(gè)麥克風(fēng)即可，在使用通訊設(shè)備時(shí)更無(wú)需額外的錄音設(shè)備；

3）適合遠(yuǎn)程身份確認(rèn)，只需要一個(gè)麥克風(fēng)或電話、手機(jī)就可以通過(guò)網(wǎng)路（通訊網(wǎng)絡(luò)或互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)）實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程登錄；

4）聲紋辨認(rèn)和確認(rèn)的算法復(fù)雜度低；

5）配合一些其他措施，如通過(guò)語(yǔ)音識(shí)別進(jìn)行內(nèi)容鑒別等，可以提高準(zhǔn)確率；……等等。這些優(yōu)勢(shì)使得聲紋識(shí)別的應(yīng)用越來(lái)越收到系統(tǒng)開(kāi)發(fā)者和用戶青睞，聲紋識(shí)別的世界市場(chǎng)占有率15.8%，僅次于指紋和掌紋的生物特征識(shí)別，并有不斷上升的趨勢(shì)。

視網(wǎng)膜識(shí)別

原理

視網(wǎng)膜是眼睛底部的血液細(xì)胞層。視網(wǎng)膜掃描是采用低密度的紅外線去捕捉視網(wǎng)膜的獨(dú)特特征，血液細(xì)胞的唯一模式就因此被捕捉下來(lái)。

視網(wǎng)膜是一些位于眼球后部十分細(xì)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(guò)視神經(jīng)傳給大腦的重要器官，它同膠片的功能有些類(lèi)似，用于生物識(shí)別的血管分布在神經(jīng)視網(wǎng)膜周?chē)?，即視網(wǎng)膜四層細(xì)胞的最遠(yuǎn)處。

優(yōu)點(diǎn)

視網(wǎng)膜是一種極其固定的生物特征，因?yàn)樗恰半[藏“的，故而不可能磨損，老化或是為疾病影響。

使用者不需要和設(shè)備進(jìn)行直接的接觸。

是一個(gè)最難欺騙的系統(tǒng)因?yàn)橐暰W(wǎng)膜是不可見(jiàn)的，故而不會(huì)被偽造。

缺點(diǎn)

視網(wǎng)膜技術(shù)未經(jīng)過(guò)任何測(cè)試。

很明顯，視網(wǎng)膜技術(shù)可能會(huì)給使用者帶來(lái)健康的損壞，這需要進(jìn)一步的研究。

對(duì)于消費(fèi)者，視網(wǎng)膜技術(shù)沒(méi)有吸引力。

很難進(jìn)一步降低它的成本 。

虹膜識(shí)別

原理

捕捉虹膜的數(shù)據(jù)圖像

為虹膜的圖像分析準(zhǔn)備過(guò)程

從虹膜的紋理或類(lèi)型創(chuàng)造512字節(jié)的iriscode。

使用iriscode模板用于確認(rèn)。

在當(dāng)今世界，虹膜識(shí)別仍被公認(rèn)為是識(shí)別精度最高的生物識(shí)別系統(tǒng)。

生物測(cè)定學(xué)是一種技術(shù)，這種技術(shù)是將獨(dú)特的人體特征（諸如面部特征、聲音，指紋特征等）翻譯成數(shù)字編碼，這種編碼可以識(shí)別、檢驗(yàn)身份。

而虹膜識(shí)別技術(shù)通過(guò)人體獨(dú)一無(wú)二眼睛虹膜的特征來(lái)識(shí)別身份，虹膜特征匹配的準(zhǔn)確性甚至超過(guò)了DNA匹配。

這種技術(shù)在生物測(cè)定行業(yè)已經(jīng)被廣泛認(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)

優(yōu)點(diǎn)

1．便于用戶使用；

2．可能會(huì)是最可靠的生物識(shí)別技術(shù)；

3．不需物理的接觸；

4．可靠性高。

快捷方便：擁有本系統(tǒng)，不需要攜帶任何證件，就能實(shí)現(xiàn)門(mén)控，可單向亦可雙向；既可以被授權(quán)控制一扇門(mén)，也可以控制開(kāi)啟多扇門(mén)；

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(shí)了解用戶動(dòng)態(tài)，包括客戶身份、操作地點(diǎn)、功能及時(shí)間次序等，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)智能管理；

無(wú)法復(fù)制：本系統(tǒng)以虹膜信息為密碼，不可復(fù)制；且每一次活動(dòng)，都可自動(dòng)記錄，便于追溯、查詢(xún)，非法情況則自動(dòng)報(bào)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(chǎng)合的不同，設(shè)定不同的安裝及運(yùn)行方式。比如在大堂等公共場(chǎng)所，可以只采用輸入密碼的方式，但在重要場(chǎng)合，則禁止使用密碼，只采用虹膜識(shí)別方式，當(dāng)然也可以?xún)煞N方式同時(shí)使用；

投入少、免維護(hù)：裝配本系統(tǒng)可以保留原來(lái)的鎖，但其機(jī)械運(yùn)動(dòng)件減少，且運(yùn)動(dòng)幅度小，門(mén)栓的壽命更長(zhǎng)；系統(tǒng)免維護(hù)，并可隨時(shí)擴(kuò)充、升級(jí)，無(wú)須重新購(gòu)置設(shè)備。長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，效益顯著，并可使管理檔次大大的提高。

應(yīng)用行業(yè)廣泛：廣泛應(yīng)用于煤礦、銀行、監(jiān)獄、門(mén)禁、社保、醫(yī)療等多種行業(yè)；

缺點(diǎn)

1．很難將圖像獲取設(shè)備的尺寸小型化；

2．設(shè)備造價(jià)高，無(wú)法大范圍推廣；

3．鏡頭可能產(chǎn)生圖像畸變而使可靠性降低；

4．兩大模塊：硬件和軟件；

5．一個(gè)自動(dòng)虹膜識(shí)別系統(tǒng)包含硬件和軟件兩大模塊：虹膜圖像獲取裝置和虹膜識(shí)別算法。分別對(duì)應(yīng)于圖像獲取和模式匹配這兩個(gè)基本問(wèn)題。

面部識(shí)別

原理

人臉識(shí)別技術(shù)中被廣泛采用的區(qū)域特征分析算法，它融合了計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)與生物統(tǒng)計(jì)學(xué)原理于一體，利用計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)從視頻中提取人像特征點(diǎn)，利用生物統(tǒng)計(jì)學(xué)的原理進(jìn)行分析建立數(shù)學(xué)模型，即人臉特征模板。利用已建成的人臉特征模板與被測(cè)者的面像進(jìn)行特征分析，根據(jù)分析的結(jié)果來(lái)給出一個(gè)相似值。通過(guò)這個(gè)值即可確定是否為同一人。

優(yōu)勢(shì)

人臉識(shí)別作為一種新興的生物特征識(shí)別技術(shù)（Biometrics），與虹膜識(shí)別、指紋掃描、掌形掃描等技術(shù)相比，人臉識(shí)別技術(shù)在應(yīng)用方面具有獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)：

使用方便，用戶接受度高人臉識(shí)別技術(shù)使用通用的攝像機(jī)作為識(shí)別信息獲取裝置，以非接觸的方式在識(shí)別對(duì)象未察覺(jué)的情況下完成識(shí)別過(guò)程。

直觀性突出人臉識(shí)別技術(shù)所使用的依據(jù)是人的面部圖像，而人臉無(wú)疑是肉眼能夠判別的最直觀的信息源，方便人工確認(rèn)、審計(jì)，“以貌取人”符合人的認(rèn)知規(guī)律。

識(shí)別精確度高，速度快與其它生物識(shí)別技術(shù)相比，人臉識(shí)別技術(shù)的識(shí)別精度處于較高的水平，誤識(shí)率、拒認(rèn)率較低。

不易仿冒在安全性要求高的應(yīng)用場(chǎng)合，人臉識(shí)別技術(shù)要求識(shí)別對(duì)象必須親臨識(shí)別現(xiàn)場(chǎng)，他人難以仿冒。人臉識(shí)別技術(shù)所獨(dú)具的活性判別能力保證了他人無(wú)法以非活性的照片、木偶、蠟像來(lái)欺騙識(shí)別系統(tǒng)。這是指紋等生物特征識(shí)別技術(shù)所很難做到的。舉例來(lái)說(shuō)，用合法用戶的斷指即可仿冒合法用戶的身份而使識(shí)別系統(tǒng)無(wú)從覺(jué)察。

使用通用性設(shè)備人臉識(shí)別技術(shù)所使用的設(shè)備為一般的PC、攝像機(jī)等常規(guī)設(shè)備，由于計(jì)算機(jī)、閉路電視監(jiān)控系統(tǒng)等已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，因此對(duì)于多數(shù)用戶而言使用人臉識(shí)別技術(shù)無(wú)需添置大量專(zhuān)用設(shè)備，從而既保護(hù)了用戶的原有投資又?jǐn)U展了用戶已有設(shè)備的功能，滿足了用戶安全防范的需求。

基礎(chǔ)資料易于獲得人臉識(shí)別技術(shù)所采用的依據(jù)是人臉照片或?qū)崟r(shí)攝取的人臉圖像，因而無(wú)疑是最容易獲得的。

成本較低，易于推廣使用由于人臉識(shí)別技術(shù)所使用的是常規(guī)通用設(shè)備，價(jià)格均在一般用戶可接受的范圍之內(nèi)，與其它生物識(shí)別技術(shù)相比，人臉識(shí)別產(chǎn)品具有很高的性能價(jià)格比。

概括地說(shuō)，人臉識(shí)別技術(shù)是一種高精度、易于使用、穩(wěn)定性高、難仿冒、性?xún)r(jià)比高的生物特征識(shí)別技術(shù)，具有極其廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

缺點(diǎn)

面部識(shí)別被認(rèn)為是生物特征識(shí)別領(lǐng)域甚至人工智能領(lǐng)域最困難的研究課題之一。面部識(shí)別的困難主要是面部作為生物特征的特點(diǎn)所帶來(lái)的。

相似性不同個(gè)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(diǎn)對(duì)于利用面部進(jìn)行定位是有利的，但是對(duì)于利用面部區(qū)分人類(lèi)個(gè)體是不利的。

易變性面部的外形很不穩(wěn)定，人可以通過(guò)臉部的變化產(chǎn)生很多表情，而在不同觀察角度，面部的視覺(jué)圖像也相差很大，另外，面部識(shí)別還受光照條件（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。

在面部識(shí)別中，第一類(lèi)的變化是應(yīng)該放大而作為區(qū)分個(gè)體的標(biāo)準(zhǔn)的，而第二類(lèi)的變化應(yīng)該消除，因?yàn)樗鼈兛梢源硗粋€(gè)個(gè)體。通常稱(chēng)第一類(lèi)變化為類(lèi)間變化，而稱(chēng)第二類(lèi)變化為類(lèi)內(nèi)變化。對(duì)于面部，類(lèi)內(nèi)變化往往大于類(lèi)間變化，從而使在受類(lèi)內(nèi)變化干擾的情況下利用類(lèi)間變化區(qū)分個(gè)體變得異常困難。

靜脈識(shí)別

原理

主要是利用靜脈血管的結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行身份識(shí)別。由于靜脈紋絡(luò)包含大量的特征信息，可以作為驗(yàn)證的對(duì)象。

手掌靜脈識(shí)別的原理也是利用靜脈血管與肌肉、骨骸之間對(duì)特定波長(zhǎng)紅外光不同的吸收特性來(lái)進(jìn)行靜脈血管造影。

與手掌靜脈識(shí)別的原理相同。由于手掌較厚，紅外光通常無(wú)法進(jìn)行透射，因而只能采用反射造影法。

紅外光照射在手背上，有靜脈的部位吸收紅外光反射暗淡，肌肉與骨路部位反射強(qiáng)烈，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)靜脈的造影。

優(yōu)點(diǎn)

1）屬于內(nèi)牛理特征，不會(huì)磨損，較難偽造，具有很高安全性。

2）血管特征通常更明顯，容易辨識(shí)，抗干擾性好。

3）可實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)量，衛(wèi)生性好，易于為用戶接受。

4）不易受手表面?zhèn)刍蛴臀鄣挠绊憽?/p>

缺點(diǎn)

1）手背靜脈仍可能隨著年齡和生理的變化而發(fā)生變化，永久性尚未得到證實(shí)

2）雖然可能性較小，但仍然存在無(wú)法成功注冊(cè)登記的可能。

3）由于采集方式受自身特點(diǎn)的限制，產(chǎn)品難以小型化。

4）采集設(shè)備有特殊要求，設(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜，制造成本高。