摘要：本文結合生物特征識别技術在應用過(guò)程中所面(miàn)臨的問題與技術挑戰，讨論了基于生物特征識别技術的個人身份認證管理産品的發(fā)展趨勢。非接觸式設計將(jiāng)會(huì)保證産品在公共衛生與個人接受程度方面(miàn)的要求，多模态技術為提高系統的高安全性與防僞能(néng)力提供了技術保障，基于網絡化的身份識别與管理體系將(jiāng)會(huì)大大提高生物特征識别技術的商業前景。融合以上三類特征的産品將(jiāng)會(huì)代表未來生物特征識别産品市場的發(fā)展趨勢。
關鍵詞：生物特征識别，多模态，非接觸式，網絡化
一、面(miàn)臨的問題與挑戰
随著(zhe)信息社會(huì)對(duì)個人身份認證與管理需求的不斷增長(cháng)，生物特征識别技術及其相關産品已經(jīng)大量地進(jìn)入到(dào)了社會(huì)生活的各個方面(miàn)，為不斷提高人類生活的品質做出了貢獻。但是，生物特征識别技術在實際的應用過(guò)程中也出現了一些問題，同時(shí)，人們針對(duì)目前已經(jīng)得到(dào)廣泛應用的一些生物特征識别技術也提出了的質疑與挑戰。例如，人體指紋可以比較容易地被(bèi)複制與僞造，從而存在利用僞造的指紋副本對(duì)指紋識别系統進(jìn)行欺騙的可能(néng)性。而且，通過(guò)一定的技術手段獲取人體指紋進(jìn)行僞造的難度并不大。2006年，美國(guó)的科普節目MythBusters利用一種(zhǒng)模仿人體組織特性的凝膠材料制作了人體的指紋副本，然後(hòu)利用這(zhè)個僞造的指紋副本成(chéng)功地通過(guò)了指紋識别系統的認證。在2008年舉行的第16屆全球黑客大會(huì)Defcon16上，ZacFranken也成(chéng)功地利用牙科用的藻酸鹽材料和矽橡膠制作的假手掌通過(guò)了掌形識别器的認證。在2009年，Duc Nguyen更是非常容易地利用一張真人大小的黑白圖片通過(guò)了聯想筆記本所用的人臉識别系統的用戶登錄認證。
為什麼(me)會(huì)出現這(zhè)樣(yàng)的問題呢?首先需要從生物特征識别技術的原理談起(qǐ)。生物特征(這(zhè)裡(lǐ)特指人體的生物特征)之所以能(néng)夠作為個人身份鑒别與識别的有效手段，這(zhè)是由其自身所具有的四個特點所決定的：普遍性、唯一性、穩定性和不可複制性。普遍性是指生物識别所依賴的人體特征應該是人人天生就(jiù)有的，除非因特殊情況導緻缺失，如殘疾或天生缺陷。唯一性是指這(zhè)種(zhǒng)生物特征要人人不同，這(zhè)樣(yàng)才能(néng)對(duì)個體進(jìn)行有效區分。經(jīng)研究與經(jīng)驗表明，每個人的指紋、掌紋、虹膜、DNA和皮下靜脈結構等都(dōu)與他人不同。穩定性是指在一定的時(shí)期内，個體的生物特征可以保持相對(duì)穩定。例如，人體的指紋、掌紋、虹膜、DNA、靜脈結構都(dōu)是終生不變的，人臉和聲音雖然随著(zhe)時(shí)間的變化而有所不同，但在特定的時(shí)間内基本保持不變。不可複制性是指由于生物特征的複雜性和特殊性，使得複制這(zhè)些生物特征存在著(zhe)很大的困難。從上面(miàn)的分析可以看出，生物特征的普遍性與唯一性在多數情況下可以得到(dào)滿足，而穩定性和不可複制性則因各種(zhǒng)生物特征的自身特點而有所不同。而且，受限于傳感器與生物特征識别算法的性能(néng)，生物識别系統在識别精度與防僞性能(néng)上將(jiāng)會(huì)有所下降。例如，在理論上，隻要人體面(miàn)部細節特征足夠多，那麼(me)即使是雙胞胎也可以進(jìn)行區分。實際上，對(duì)于一個現實的生物識别系統而言，要做到(dào)這(zhè)點幾乎是不可能(néng)的。但是用戶也沒(méi)有必要太過(guò)悲觀，人們可以通過(guò)采取多種(zhǒng)生物特征相融合的識别方式，即多模态識别來提高系統的精度和保證系統防僞性。
除了上面(miàn)所談到(dào)的精度與防僞性以外，易用性與用戶接受度也是生物特征識别系統在應用時(shí)所需要考慮的問題。以目前廣泛應用的指紋識别系統為例，如果用戶的手指表面(miàn)過(guò)于潮濕或幹燥，都(dōu)會(huì)大大增加用戶被(bèi)錯誤拒絕的可能(néng)性。而且，指紋識别系統主要采用接觸式采集方式獲取人體指紋，在使用時(shí)用戶需要接觸傳感器的表面(miàn)。這(zhè)種(zhǒng)使用方式在個人專屬特性較強的應用環境下可能(néng)不會(huì)存在太多的問題，例如登錄個人電腦。但是在公共環境下使用時(shí)，會(huì)因個人衛生的問題降低部分用戶的主觀接受度。例如，在辦公環境下的門禁與考勤指紋識别系統。近幾年，非接觸式生物特征識别技術正在受到(dào)越來越多地關注，它為克服接觸式生物特征識别帶來的個人衛生與用戶接受問題提供了一條有效的途徑。
在網絡化社會(huì)中，生物特征識别技術的終極發(fā)展目标就(jiù)是人們可以不必攜帶任何輔助的身份标識物品和知識，僅僅利用個人生物特征就(jiù)可以在網絡化的虛拟社會(huì)與現實社會(huì)進(jìn)行個人的身份認證與識别。例如，人們可以通過(guò)基于網絡化的物理訪問控制系統，進(jìn)行門禁與考勤操作，可以通過(guò)網絡化的邏輯訪問控制進(jìn)行文件的訪問與修改，可以通過(guò)網絡化的生物特征識别進(jìn)行金融交易等等。為了滿足網絡化社會(huì)的需求，逐步構建網絡化的生物特征識别系統將(jiāng)是未來生物特征識别技術的一種(zhǒng)必然發(fā)展趨勢，同時(shí)也將(jiāng)具有廣闊的市場前景。
二、多模态生物特征識别技術
采用多模态或多種(zhǒng)生物特征融合技術可以獲得比單一生物特征識别系統更好(hǎo)的識别性能(néng)和可靠性，并增加僞造人體生物特征的難度與複雜性，提高系統的安全性。多模态生物特征識别技術是指綜合利用來自同一生物特征的多種(zhǒng)識别技術，或者來自不同生物特征的多種(zhǒng)識别技術，對(duì)個人身份進(jìn)行判斷的生物特征識别技術。基于多模态或多種(zhǒng)生物特征融合技術正在形成(chéng)一種(zhǒng)新的發(fā)展趨勢，現在已經(jīng)出現了多種(zhǒng)多模态生物特征識别技術解決方案。例如，美國(guó)SecuriMetrics, Inc.設計了一種(zhǒng)融合了指紋識别、人臉識别和虹膜識别的便攜式生物特征識别系統——HIIDE，并將(jiāng)其應用于伊拉克戰争和阿富汗戰争。實際應用效果表明這(zhè)種(zhǒng)多模态融合身份識别系統具有更高的安全性。目前，該系統已被(bèi)美國(guó)軍方采用，被(bèi)應用于在美軍位于全球的軍方機構和軍事(shì)基地。此外，北科慧識科技有限公司也開(kāi)發(fā)了一種(zhǒng)基于人體掌紋與掌脈融合的生物特征識别系統，這(zhè)種(zhǒng)系統的優點是通過(guò)一次采集不同光學(xué)通道(dào)的圖像，同時(shí)獲得到(dào)人體的手掌掌紋和皮下靜脈圖像進(jìn)行識别。這(zhè)種(zhǒng)系統相比于其它多模态生物識别産品，具有更好(hǎo)地易用性和用戶接受度，而且隻要一次動作就(jiù)可以完成(chéng)多模态生物特征識别，同時(shí)具有較高的識别精度。
從技術實現的角度來講，多模态生物特征識别技術都(dōu)是通過(guò)各種(zhǒng)獨立的或多種(zhǒng)采集方式合而為一的采集裝置獲取不同的生物特征，如指紋、掌紋、靜脈、人臉圖像、虹膜圖像等。然而在内容分析與決策判别層面(miàn)上，可以細分為兩(liǎng)種(zhǒng)實現方式。一種(zhǒng)是分别使用不同的生物特征識别算法處理不同的生物特征，計算出這(zhè)些生物特征各自的匹配值，然後(hòu)根據得到(dào)的匹配值進(jìn)行綜合分析與判斷，獲得最後(hòu)的識别結果。例如，可以使用指紋識别算法分析指紋，使用人臉識别算法分析人臉圖像，根據分别計算出來的匹配結果進(jìn)行最後(hòu)的判斷。另一種(zhǒng)方式是將(jiāng)采集到(dào)的各種(zhǒng)不同的生物特征，用融合算法進(jìn)行統一處理，根據多模态融合生物特征識别技術的綜合判斷得出最終的判别結果。例如，通過(guò)對(duì)采集到(dào)的掌紋圖像與掌脈圖像進(jìn)行融合，然後(hòu)利用圖像處理技術對(duì)内容進(jìn)行分析，最後(hòu)得出一個綜合的判别結果。可以看出，第一種(zhǒng)方式需要對(duì)獲取的各種(zhǒng)生物特征進(jìn)行單獨處理，可以充分利用已有算法進(jìn)行快速集成(chéng)，但是計算效率不高。第二種(zhǒng)方式則需要重新進(jìn)行算法設計，開(kāi)發(fā)難度大，但是計算效率較高。
在實際應用中，可能(néng)某些單項生物特征識别技術就(jiù)已經(jīng)滿足了客戶的要求，例如，指紋識别技術或人臉識别技術。而且，從性價比的角度來看，對(duì)于一些低安全級别的應用環境，可以采用單項生物特征識别技術作為解決方案。但是，在用戶資金寬裕、安全級别較高的情況下，應該盡量采用多模态生物特征識别技術作為技術解決方案。分析其原因，可以歸納為以下三點：
首先是多模态生物特征識别技術具有更高的安全性，可以有效降低非法入侵者進(jìn)行系統的風險。例如，一個技術高超的罪犯可能(néng)比較容易地僞造人體的指紋信息，但是想要同時(shí)僞造指紋、掌紋、虹膜則要困難得多。如果系統再融入人體皮下靜脈信息，那麼(me)這(zhè)個多模态生物特征識别系統在理論上幾乎是不可能(néng)被(bèi)攻破的。
其次是多模态生物特征識别技術具有更高的識别準确率。目前，各種(zhǒng)單項生物特征識别技術已經(jīng)具有了較高的識别精度，要達到(dào)更高的技術水平，則需要付出巨大的成(chéng)本。然而，通過(guò)采用合理的方式融合多種(zhǒng)生物特征識别技術，則可以很容易地達到(dào)新的技術水平，起(qǐ)到(dào)事(shì)半功倍的作用。
最後(hòu)是多模态生物特征識别技術有效地解決了系統的整體實用性問題。前面(miàn)已經(jīng)讨論過(guò)，單項生物特征識别技術很難全部滿足普遍性、唯一性、穩定性和不可複制性的要求。例如，對(duì)于指紋識别技術相對(duì)于用戶手部殘缺，虹膜識别系統相對(duì)于盲人，人臉識别系統相對(duì)于雙胞胎和面(miàn)部燒傷。這(zhè)些基于單項生物特征識别技術的系統，經(jīng)常因為某些特殊的用戶，而影響其系統的整體地實用性和安全性。顯然，多模态生物特征識别技術將(jiāng)會(huì)使這(zhè)些問題迎刃而解。
目前，影響多模态生物特征識别系統進(jìn)一步推廣的主要原因是的主要成(chéng)本，因此政府部門和軍方是其主要用戶。但是，随著(zhe)更多供應商的加入，將(jiāng)會(huì)有更多具有良好(hǎo)性價比的商品進(jìn)入市場，多模态生物特征識别技術也將(jiāng)走向(xiàng)更為寬廣的應用領域和市場。
三、非接觸式生物特征識别系統
相對(duì)于接觸式生物特征識别系統，非接觸式生物特征識别系統可以為用戶帶來更好(hǎo)的用戶體驗和衛生保證，從而大大地提高了生物特征識别技術的用戶接受度。非接觸式生物特征識别系統是指在使用過(guò)程中，用戶不需要與系統進(jìn)行直接接觸，就(jiù)可以完成(chéng)人體生物特征的采集、分析與判斷。例如，人臉識别、虹膜識别、聲音識别都(dōu)是非接觸式的生物特征識别技術，指紋識别和掌型識别是典型的接觸式生物特征識别技術。此外，還(hái)有一些生物特征識别技術即可以是接觸式的，也可以是非接觸式的，例如，掌紋識别技術和掌脈識别技術。目前，非接觸式生物特征識别技術正在逐漸受到(dào)人們的關注，并且有越來越多的産品進(jìn)入市場。例如，日本富士通公司的PalmSecure系列産品通過(guò)非接觸的方式采集人體的手掌靜脈用戶身份鑒别，日本松下公司的ET-300虹膜識别系統通過(guò)高精度的攝像頭采集人體虹膜，北科慧識公司開(kāi)發(fā)的Whois系列産品也是通過(guò)非接觸式的方式采集人體掌紋和皮下靜脈。
日本松下公司的虹膜識别系統
北科慧識公司的Whois掌紋掌脈識别系統
随著(zhe)社會(huì)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，人們在日常生活中更加關注公共衛生和個人衛生。因此，在公共環境下使用的生物特征識别系統，需要保證設備不會(huì)成(chéng)為細菌與疾病的傳播途徑。毫無疑問，非接觸式生物特征識别系統在這(zhè)方面(miàn)具有天然的優勢。而且，非接觸式生物特征識别系統也降低了因為個别使用者在衛生方面(miàn)的考慮而故意降低系統安全性的可能(néng)性。例如，在指紋識别系統的使用過(guò)程中發(fā)現，個别用戶為了避免手指與設備大面(miàn)積接觸，僅使用指尖進(jìn)行注冊與識别。顯然，這(zhè)種(zhǒng)使用方式將(jiāng)會(huì)大大地增加誤識的可能(néng)性，人為地導緻系統整體安全性的降低。此外，非接觸式生物特征識别系統也避免了用戶在使用過(guò)程中留下印痕，可以有效地防止用戶洩露個人生物特征信息，避免職業罪犯通過(guò)複制個人生物特征進(jìn)行犯罪活動。非接觸式生物特征識别系統在提高易用性與用戶接受度的同時(shí)，可以大大地提高系統的安全性能(néng)。
但是，非接觸式的識别方式將(jiāng)為研發(fā)人員提出巨大的技術挑戰。首先，由于采用非接觸式的方式采集用戶的生物特征，一方面(miàn)為使用者帶來了方便，另一方面(miàn)也增加了系統采集數據的難度，對(duì)于接觸式生物特征識别系統則不存在這(zhè)種(zhǒng)問題。例如，當采集虹膜時(shí)，需要在用戶高度、位置不同的情況下，設備要能(néng)夠快速、準确地定位到(dào)人眼與虹膜的位置，對(duì)檢測算法提出了很高的要求。而對(duì)于接觸式的指紋識别則不存在這(zhè)樣(yàng)的問題，用戶每次都(dōu)要將(jiāng)手指放置在指定的區域，減小了定位難度。其次，非接觸生物特征識别系統需要克服複雜環境背景的噪聲幹擾。非接觸的識别方式意味著(zhe)系統傳感器與待識别用戶需要保持一定的物理距離，這(zhè)樣(yàng)就(jiù)不可避免地會(huì)引入一定的背景噪聲。例如，語音傳感器在獲取用戶的聲音時(shí)，各種(zhǒng)其它噪音也會(huì)被(bèi)同時(shí)采集。在距離較遠或環境嘈雜時(shí)，用戶的聲音可能(néng)會(huì)被(bèi)完全淹沒(méi)在噪聲之中。同樣(yàng)，人臉識别和掌紋識别通常采用的是圖像分析的方式，光線的強弱和用戶的姿勢都(dōu)會(huì)對(duì)系統的識别性能(néng)産生影響。
雖然非接觸式的生物特征識别方式帶來了許多技術挑戰，但是各個供應商在這(zhè)方面(miàn)都(dōu)投入了大量的資源進(jìn)行研制與開(kāi)發(fā)，也取得了顯著的成(chéng)果，并已經(jīng)有相當種(zhǒng)類的産品進(jìn)入了市場。相信未來將(jiāng)會(huì)有更多的非接觸式生物特征識别産品出現，占領更大的市場份額并成(chéng)為生物特征識别技術産品的主流。
四、網絡化的生物特征識别系統
現代社會(huì)是信息化網絡結構的，信息通過(guò)各種(zhǒng)途徑在網絡節點中傳輸。網絡化生物特征識别系統將(jiāng)會(huì)為人們的生活帶來許多便利，生物特征識别技術的終極發(fā)展目标就(jiù)是人們可以不必攜帶任何輔助的身份标識物品和知識，僅僅利用個人的生物特征可以物理訪問控制與邏輯訪問控制。例如，用生物特征取代密碼，人們可以更加安全地通過(guò)網絡進(jìn)行金融交易。利用生物特征對(duì)文件加密，進(jìn)行公文的分發(fā)與閱讀。采用生物特征識别技術進(jìn)行客戶入住管理，然後(hòu)將(jiāng)客戶的生物特征信息分發(fā)至指定的房間，完全避免房卡丢失的煩惱。通過(guò)網絡化生物特征系統對(duì)公司進(jìn)行物理訪問控制與出入管理，提升公司形象與管理效率，等等。這(zhè)些情景在不遠的將(jiāng)來都(dōu)會(huì)成(chéng)為現實，網絡化的生物特征識别系統將(jiāng)為社會(huì)與組織的管理帶來根本性的改變，社會(huì)與組織的管理也將(jiāng)會(huì)出現質的飛躍。
因為生物特征識别系統的網絡化將(jiāng)成(chéng)為一種(zhǒng)必然趨勢，所以，政府、企業、個人需要為這(zhè)一轉變做好(hǎo)充分的思想與物質準備。首先，政府要進(jìn)行立法與标準化工作。個人的生物特征是一種(zhǒng)涉及到(dào)國(guó)家安全與個人隐私的特殊信息，因此需要法律對(duì)個人生物特征的使用與管理進(jìn)行限制與保護，防止國(guó)家、企業或個人對(duì)其濫用，侵犯他人的權益。制定生物特征識别标準化工作可以有效整合社會(huì)資源，避免資源浪費與重複建設。其次，制造生物特征識别産品的企業要開(kāi)發(fā)出可以有效保護個人生物特征信息的技術，避免生物特征信息在網絡中的傳輸與保存過(guò)程中被(bèi)破壞、盜取與複制。最後(hòu)，個人要加強自我保護意識，防止個人生物特征信息的洩漏，以備他人利用這(zhè)些信息進(jìn)行違法活動。
五、結束語
作為21世紀的一個朝陽産業，生物特征識别已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)入到(dào)人們生活的各個方面(miàn)，它的發(fā)展趨勢將(jiāng)是各種(zhǒng)網絡化、非接觸、多模态的生物特征識别技術，這(zhè)些技術的發(fā)展必然會(huì)把生物特征識别的發(fā)展帶入到(dào)一個新的高度，并把人們的生活帶入到(dào)一個嶄新的天地之中。
注：本文所用圖片均來自于網絡
[1] 邬向(xiàng)前，張大鵬，王寬全著. 掌紋識别技術，科學(xué)出版社，2006.
[2] 生物識别鑒定技術尚未成(chéng)熟--容易被(bèi)破解. http://www.rfidinfo.com.cn
[3] 生物識别技術新趨勢：人臉識别及多重生物識别. http://www.cps.com.cn
[4] 林鶴. 生物識别——永恒的身份證. http://www.chinaconsult.com/yujian.html#007
[5] Arun Ross and Anil Jain. Multimodal Biometrics: An overview. in Proc. of 12th European Signal Processing Conference (EUSIPCO), Vienna, Austria, pp. 1221-1224, September 2004.
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