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标题: 生物识别技术解析及解决方案集锦 [打印本页]

作者: 我是MT 时间: 2015-5-3 21:48 标题: 生物识别技术解析及解决方案集锦

[导读] 所谓生物识别技术就是，通过计算机与光学、声学、生物传感器和生物统计学原理等高科技手段密切结合，利用人体固有的生理特性，（如指纹、脸象、虹膜等）和行为特征（如笔迹、声音、步态等）来进行个人身份的鉴定。
关键词：人脸识别生物识别指纹识别

　　所谓生物识别技术就是，通过计算机与光学、声学、生物传感器和生物统计学原理等高科技手段密切结合，利用人体固有的生理特性，（如指纹、脸象、虹膜等）和行为特征（如笔迹、声音、步态等）来进行个人身份的鉴定。
　　现今已经出现了许多生物识别技术，如指纹识别、手掌几何学识别、虹膜识别、视网膜识别、面部识别、签名识别、声音识别等，但其中一部分技术含量高的生物识别手段还处于实验阶段。我们相信随着科学技术的飞速进步，将有越来越多的生物识别技术应用到实际生活中。
　　生物识别之指纹识别：实现指纹识别有多种方法。其中有些是仿效传统的公安部门使用的方法，比较指纹的局部细节；有些直接通过全部特征进行识别；还有一些使用更独特的方法，如指纹的波纹边缘模式和超声波。有些设备能即时测量手指指纹，有些则不能。在所有生物识别技术中，指纹识别是当前应用最为广泛的一种。指纹识别对于室内安全系统来说更为适合，因为可以有充分的条件为用户提供讲解和培训，而且系统运行环境也是可控的。由于其相对低廉的价格、较小的体积（可以很轻松地集成到键盘中）以及容易整合，所以在工作站安全访问系统中应用的几乎全部都是指纹识别。
　　指纹图像的获取技术主要有4种类型：光学扫描设备（例如微型三棱镜矩阵）、温差感应式指纹传感器、半导体指纹传感器、超声波指纹扫描。

　　生物识别之手掌几何学识别：手掌几何学识别就是通过测量使用者的手掌和手指的物理特征来进行识别，高级的产品还可以识别三维图象。作为一种已经确立的方法，手掌几何学识别不仅性能好，而且使用比较方便。它适用的场合是用户人数比较多，或者用户虽然不经常使用，但使用时很容易接受。如果需要，这种技术的准确性可以非常高，同时可以灵活地调整生物识别技术性能以适应相当广泛的使用要求。手形读取器使用的范围很广，且很容易集成到其他系统中，因此成为许多生物识别项目中的首选技术。
　　生物识别之声音识别：声音识别就是通过分析使用者的声音的物理特性来进行识别的技术。现今，虽然已经有一些声音识别产品进入市场，但使用起来还不太方便，这主要是因为传感器和人的声音可变性都很大。另外，比起其他的生物识别技术，它使用的步骤也比较复杂，在某些场合显得不方便。很多研究工作正在进行中，我们相信声音识别技术将取得重大进展。
　　生物识别之视网膜识别：视网膜识别使用光学设备发出的低强度光源扫描视网膜上独特的图案。有证据显示，视网膜扫描是十分精确的，但它要求使用者注视接收器并盯着一点。这对于戴眼镜的人来说很不方便，而且与接受器的距离很近，也让人不太舒服。所以尽管视网膜识别技术本身很好，但用户的接受程度很低。因此，该类产品虽在20世纪90年代经过重新设计，加强了连通性，改进了用户界面，但仍然是一种非主流的生物识别产品。
　　生物识别之面部识别：这是一种相当引人注意的技术，它的性能也经常被误解。关于面部识别，经常有一些夸张的言论，但实际是很难实现的。比较两个静态图象是一回事，在人群中发现和确认某个人的身份而不引起别人的注意，就是完全不同的另一回事了。有些系统宣称能做到后一点，但它们实际上做的是前一种事，这实际并不是生物识别。从用户的角度很容易理解面部识别的吸引力，但人们对这种技术的期望应该比较现实。面部识别在实际应用中还很少成功。但一旦克服了技术障碍，它将成为一种重要的生物识别方法。2012年，武汉公安正构建一套高精准人像识别系统，建成后能在1秒钟内比对1亿次图像，瞬间可辨认嫌疑人。

　　这套系统主要通过安装在城市道路路口、两侧以及公交车上的25万个视频探头进行图像采集。视频监控将捕捉到的人像，与后台数据中犯罪嫌疑人面部特征进行精确比对，可在几秒内锁定犯罪嫌疑人。这套系统将在2013年3月投入实战应用。
　　面部识别技术应用在很多领域：
　　1、企业、住宅安全和管理。如人脸识别门禁考勤系统，人脸识别防盗门等。
　　2、电子护照及身份证。
　　3、公安、司法和刑侦。
　　4、自助服务。
　　5、信息安全。如计算机登录、电子政务和电子商务。
　　生物识别之静脉识别：静脉识别，使用近红外线读取静脉模式，与存储的静脉模式进行比较，进行本人识别的识别技术。工作原理，是依据人类手指中流动的血液可吸收特定波长的光线，而使用特定波长光线对手指进行照射，可得到手指静脉的清晰图像。利用这一固有的科学特征，将实现对获取的影像进行分析、处理，从而得到手指静脉的生物特征，再将得到的手指静脉特征信息与事先注册的手指静脉特征进行比对，从而确认登录者的身份。
　　静脉识别系统就是首先通过静脉识别仪取得个人静脉分布图，从静脉分布图依据专用比对算法提取特征值，通过红外线 CCD摄像头获取手指、手掌、手背静脉的图像，将静脉的数字图像存贮在计算机系统中，将特征值存储。静脉比对时，实时采取静脉图，提取特征值，运用先进的滤波、图像二值化、细化手段对数字图像提取特征，同存储在主机中静脉特征值比对，采用复杂的匹配算法对静脉特征进行匹配，从而对个人进行身份鉴定，确认身份。
　　在巨大的市场发展形势面前，将静脉识别产品嵌入到门禁控制系统中的新一代门禁控制产品正随着前些年的铺垫而日趋成熟。为了谋求门禁系统的智能化发展和赶上门禁市场飞速发展的列车，国内拥有静脉识别技术的企业整装待发，谋求爆破式发展。在此基础上开发适合中国市场的系列产品，并成功应用到监狱、计划生育、煤矿、信息安全、金融、教育、社保等行业或部门。而与此同时，众多门禁企业也正以引入“静脉”为门禁市场开辟蓝海。
　　生物识别之步态识别：步态识别，使用摄像头采集人体行走过程的图像序列，进行处理后同存储的数据进行比较，来达到身份识别的目的。中科院自动化所已经进行一定研究。步态识别作为一种生物识别技术，具有其它生物识别技术所不具有的独特优势，即在远距离或低视频质量情况下的识别潜力，且步态难以隐藏或伪装等。步态识别主要是针对含有人的运动图像序列进行分析处理，通常包括运动检测、特征提取与处理和识别分类三个阶段。
　　但是制约其发展还存在很多问题，比如拍摄角度发生改变，被识别人的衣着不同，携带有不同的东西，所拍摄的图像进行轮廓提取的时候会发生改变影响识别效果。但是该识别技术却可以实现远距离的身份识别在主动防御上有突出的性能。如果能突破现有的制约因素，在实际应用中必定有用武之地。
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　　综合对生物识别原理、应用的论述及原理探讨。重点介绍几种应用广泛且前景广阔的生物识别解决方案。

TI指纹识别技术解决方案

　　概述
　　指纹识别用于各种应用，包括电子门禁系统、智能卡、车辆点火开关控制系统、带指纹控制存取功能的 USB 记忆棒及许多其它应用。指纹扫描仪中的数字信号处理元件可执行滤波、转换、特征提取、匹配运算及其它算法等复杂的 DSP 功能。
　　指纹传感器可以运用电容、光学、压力或热感技术来获取手指特征的图像。最常用的指纹传感器解决方案首先使用激光或 LED 灯照亮指纹，然后使用 CCD 或价格较为低廉的 CMOS 传感器进行图像采集。指纹传感器通常为自包含模块，其包括可将模拟信息转换成数字化数据流的模数转换器。分辨率、动态范围和像素密度均是决定图像质量并影响传感器精确度的因素。
　　一旦采集到图像，数字信息将被传输到数字信号处理器以生成匹配。匹配过程的第一步即调节扫描的指纹。指纹阅读器很少将完整指纹用于识别。而是 DSP 使用算法提取每个指纹的特征和样式，以生成独特的数字代码。软件流中的第二步是读取从扫描的图像中生成的代码，然后将其与数据库的潜在匹配项进行比较。比较步骤将需要系统访问联网数据库或非易失性存储器中的指纹信息。
　　指纹识别用于各种应用，包括电子门禁系统、智能卡、车辆点火开关控制系统、带指纹控制存取功能的 USB 记忆棒及许多其它应用。指纹扫描仪中的数字信号处理元件可执行滤波、转换、特征提取、匹配运算及其它算法等复杂的 DSP 功能。
　　方框图

　　在生物辨识指纹扫描中对实时信号处理的需要使 C55x DSP 成为这一应用的一个引入注目的解决方案。C55x 在主动和被动模式下的低功耗功能使其成为指纹扫描应用的绝配，因为在绝大部分的时间里，处理器都处于低功耗模式。C55x DSP 的外设集成包括片上 LDO、片上存储器和用于连接的 USB Phy。安装片上外设凭借简化电路板布局和减少芯片总数降低了系统总成本。当通信外设与处理器被安装在同一芯片上时，保护您的器件免受 ESD 的来源的伤害也很重要。可以与人体接触的所有 IO 或通信外设或 ESD 的其它来源均应受到保护。像 TPD3E001 这样的器件可以为 USB 2.0 接口提供高达 15kV 的多通道 ESD 保护。
　　C55x 上发现的 LCD 桥接器可用于显示消息或选项菜单。TSC2003 触摸屏控制器与应用的集成为用户提供了一种从显示的菜单选择选项的方法。此应用还内置了音频功能，可以警报和预先录制的语音命令两种形式为用户提供反馈。这可以通过 C55x 的 I2S 功能实现，为音频 DAC 提供数字音频流。DAC3120 等器件包含能够驱动 2.5 瓦单声道扬声器的内置 AB 类放大器，可以将数字音频流转换成模拟信号并提高系统集成的能力。
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富士通非接触型手掌静脉识别系统概述及应用

　　1.概要
　　门禁系统如电磁感应卡、密码锁等因为有容易被破解、窃取、仿造等缺点，所以促成人体识别防护系统的产生，诸如眼睛虹膜、指纹识别、以及最新的静脉识别技术。
　　但是眼睛虹膜、指纹等这些人体识别技术却容易被仿冒且容易取得，而手掌静脉辨识却是独一无二的。富士通手掌静脉识别是一种高安全的生物辨识技术。此项创新的技术是在极度精密安全的系统下进行识别。它的运用原理是使用近红外线感应器取得手掌静脉的分布图，储存样板，进而在计算机中建立每一个人独特的手掌静脉数据库。通过计算机登录存储每个人的手掌静脉数据，还可以在电脑中进行管理。

　　非接触型手掌静脉传感器装置近红外线图像静脉网图像 / 手掌的轮廓

　　本系统对于门禁管理非常具有高度的安全性。在其它需要身份识别的场所，例如政府机关、大型企事业单位的资料室，授权可以进入的人员必须通过本装置核对了他的手掌静脉图形以确认身份之后才能进入。在医院的手术室，因为不需要碰触感应器，所以医生可以戴着手术套进出，手术室的门禁可以通过计算机管理，这样可以减少医生走错手术室的情况。国外的实例是病人的病历数据与手掌静脉的数据相关联。当如果发生意外等送入医院急救时，在无法辨识病人的身份的情况下，可以通过手掌静脉的数据来查出该病人的身份，再通过医院彼此之间的共享的数据库，可以在极短的时间内辨识病人身份直接取得病历，减少琐碎的检查，在第一时间进行抢救。在一些需要会员卡管制进出的地方，比如游泳馆，对于会员来说，在馆内随身携带会员卡很不方便，通过富士通的手掌静脉识别系统可以免去这样的麻烦。同时，对于游泳馆的管理单位来说，也不会出现会员卡会被冒用的情况。
　　2.非接触型手掌静脉识别系统的特长：
　　无需接触
　　由于无需接触装置本身，所以卫生，同时可以减少使用者的心理抵触感。
　　操作简便
　　只需要把手掌很自然的放在装置上方即可完成识别。
　　识别精度高
　　由于手掌静脉较粗，数量多，因此可以提高识别精度。（本人拒绝率为0.01%，他人误认率为0.00008%）
　　高度的安全性和广泛的对应性
　　利用身体内部的血管信息，所以极难伪造。通常人的手掌静脉网互不相同，即使是单卵双胞胎的也不相同，并且一生不变。对应性强，几乎适用于任何人。
　　手掌静脉识别与指纹识别、虹膜识别的比较
　　3.识别原理：
　　原理--读取方法
　　读取原理
　　（1）用红外光纤照射手掌。（2）传感器接收到被手掌反射回来的近红外光线。

　　（3）只读取静脉图像中的静脉信息。

　　原理--核对方法
　　（1）核对过程图像的调整
　　由于是非接触型，核对时的图像和登录时的图像在位置，倾斜度、和大小上都会产生差异。所以需要将核对的图像与登录时的图像调整一致。

　　装置可以对这些问题逐步进行调整，使得登录图像与核对图像吻合。整个过程不足一秒。
　　（2）核对
　　将登录图像与核对图像进行重合后，判断静脉形状是否一致。（为了便于理解，我们将核对图像做着色处理，而实际上图像是没有颜色上的变化的。另外，装置会提取静脉形状的特征，通过这些特征进行比较。）

　　4.手掌静脉识别系统在登陆认证中的应用
　　金融系统：ATM（自动柜员机）持卡人确认、银行内部数据终端（机房）管理、顾客信息管理、系统开发信息管理、行员操作系统管理、政府机关和公共团体、政府机关和公共团体的终端设备、居民基本数据管理、电子购物，支付
　　医疗系统：电子病例、药店终端管理、医疗终端管理
　　教育机关：学生信息自助终端、成绩核对、各种证书的发行、出勤管理
　　研究机关：研究所内专用终端管理、保密室、科研开发信息管理
　　5.手掌静脉识别系统在门禁系统中的应用
　　通过互联网实现高度的房间访问安全系统的管理

　　6.手掌静脉识别系统在全球应用范例
　　银行：三菱东京UFJ银行
　　ATM以及柜台的身分认证、客户保管箱、行员用计算机登录
　　大学：日本千叶工业大学
　　个人数据查询如成绩单等、上课考勤管理、机房门禁和PC登陆管理、图书借阅
　　医院：东京大学附属医院
　　信息室的门禁管制：办公室、研究室、主机室的门禁管制
　　公寓大厦：Meiwa 房地产公司
　　大门门禁管制
　　图书馆：那珂市立图书馆
　　无卡进出馆内管制、无卡借阅图书

全球最薄光学式指纹方案产品详解

　　1.概述
　　所谓指纹辨识，顾名思义就是利用人体手指上独有指纹信息进行辨识。做为众多生物辨识技术的一种，指纹辨识拥有以下优势特性：（1）法律认可，具不可否认性。（2）具与生不变之特性。（3）相对成本较低及体积较小。（4）发展最久，技术最成熟。（5）十枚指头，使用方便。
　　指纹辨识是平衡安全性与便利性的最佳途径。经过苹果手机的带动，指纹辨识的观念与相关应用产品会走入更多人的生活。例如：指纹锁省去带钥匙的麻烦，汽车指纹遥控器也让使用者不用担心遥控器、汽车被盗等。未来可预期更将对网络安全及付费系统提供进一步的把关。
　　2.指纹识别装置组成
　　常见的指纹辨识装置可由两种元素组成：处理芯片与指纹传感器。指纹辨识早年发展受限于处理芯片处理速度慢与价格高，随着高性价比与省电的ARM处理器兴起，让指纹辨识真正可以走入消费性市场。指纹传感器则主要目的是采集一枚完整的指纹影像，常见的有芯片式（Chip Sensor）与光学式（Optical）两种，芯片式体积虽小但价格高且取像面积小，光学式则价格低、取像面积大但体积过大，各有优缺点。
　　（1）Holtek为了把握产品优先导入的时机点，积极投入指纹辨识技术，结合转投资策略伙伴金佶科技，再搭配适用于指纹辨识之Cortex-M3 MCU HT32F2755，完成了超薄型光学式指纹辨识系统，以迎合现有小型化及低价化的潮流。
　　Cortex-M3 MCU HT32F2755方框图

　　详细资料：Cortex-M3 MCU HT32F2755
　　（2）Holtek之光学式指纹机，是基于具有专利的『TrueSecureTM』3D指纹辨识技术，透过特殊材料及光学系统，可在极短光程内取得足够有效面积，将整体光学模块厚度压缩至6.5毫米（mm），并兼具了光学式及芯片式的价格低、取像面积大及体积小之优点。进行中的第二代解决方案厚度则进一步将厚度压缩至仅为4.9毫米，并已获部分专用型平板（Tablet）、金融交易及遥控器等市场的青睐。而即将于2014年第四季发表的第三代解决方案厚度甚至只有3.0毫米，有助于抢攻极为注重轻薄外型的行动装置市场。
　　Holtek光学式指纹模块可划分为三类。
　　GT系列（GT-5110E1/5120E2）是并行接口（Parallel Interface）指纹传感器，其原始影像数据通过24-pin接口发送到外部硬件，可提供算法商进一步开发其自有方案。
　　GT系列内部功能简化图

　　详细资料：GT-5110E1 指纹传感器
　　GTU系列（GTU-5110B3/B4/B6）则为USB接口指纹传感器，指纹影像数据可以USB接口传输至PC或手机端，Holtek也将提供各主要操作系统所需之相关驱动，如Windows及Linux等。
　　GTU系列内部功能简化图

　　详细资料：GTU-5110B3 USB指纹模块
　　GTM系列（GTM- 5110C2R/C3/C31/C5/C51）则为嵌入式指纹辨识模块，主要包括了指纹传感器以及内嵌指纹辨识算法的Holtek Cortex-M3 MCU，并可以简单地以UART或USB接口对其进行相关指令操作，如建文件、比对和删除等，为指纹识别功能提供一个快速、便捷的方法。GTM系列依其应用可分别储存20枚，200枚及2000枚指纹讯息。
　　GTM系列内部功能简化图

　　详细资料：GTM-5110C2R 嵌入式指纹模块
　　3.Holtek光学式指纹模块，也具有下列明显优点：
　　☆ 世界最薄光学指纹传感器、高解析低失真指纹影像
　　☆ 面型传感器、一指按压，可360度、任一方向辨识
　　☆ 影像质量稳定，一致性高
　　☆ 经特殊处理、可抗干手指及防止假手指
　　☆ 高性价比、光学式可抗静电、耐用且价格贴近线性电容式
　　☆ 完整开发工具包，包括可靠度报告、参考源码、参考机构、电路图等一应俱全。
　　4.光学式指纹模块应用
　　Holtek各系列光学式指纹模块不再只局限于高安全度要求之场所，非常适合于不同应用领域之系统产品，如：平板计算机、智能型手机、网络身分认证、笔记本电脑、强固型笔电、工业主机、计算机收款机、鼠标、键盘、外接硬盘、指姆碟、电子门锁、汽车锁、门禁考勤系统、遥控器保护、保险柜、保管箱、置物柜、枪柜/盒等相关产品。

基于ARM 的指纹识别门禁系统的设计

　　基于指纹识别的TCP/IP网络门禁系统方案设计的前提是满足用户的各种需求，利用系统强大的功能以及良好的性价比，让用户得到最好的服务和最大的利益。方案的设计原则：实用性、稳定性、安全性、可扩展性和易维护性。
　　 系统组成
　　一般RS485门禁控制器只支持128台或者256台设备联网，而TCP／IP门禁控制器理论上可以支持无限多台门禁设备。所以TCP／IP网络型门禁控制器是最适合大型大面积的门禁系统联网的。例如供电部门的变电站门禁的联网管理、银行储蓄所的门禁管理等都适合这种模式。互联网的门禁系统结构如下图所示。

互联网的门禁系统结构图

　　基于指纹识别的TCP/IP门禁系统方案基本组成：
　　（1）管理中心：一台连接到门禁控制器或网络的PC机，通过局域网或广域网与其它门禁控制器或PC机连接，实现门禁控制器采集信息的处理和分析，并发送控制指令，以及对相应的软件管理。
　　（2）门禁管理软件：管理工作站通过管理软件远程监控服务器和各门禁控制器的工作状态，实现各种管理功能。
　　（3）门禁控制器：用于前端信息的采集、传输和处理，并控制门禁的电控锁和门铃，执行处理器下达的开门、报警、启动门铃等指令以及提供通信多机连接端口等。
　　（4）电子门锁：门禁系统的执行机构和关键设备，用于对物理通道的控制。
　　（5）电力设备：采用直流电源作为整个门禁系统的运行电源和门锁电源（一般采用内部电源）。
　　（6）联动设备：可与门禁控制器所有输入、输出节点进行联动，实现防盗报警、消防报警等大型系统的联动，一般在门禁管理软件中对联动设备进行相关的编程设臵。
　　（7）通讯设备：包括交换机设备、路由器和MODEM等，实现设备的网络连接。
　　本文基于ARM9（S3C24lO）设计和实现了一种指纹识别的网络型门禁控制器。采用指纹识别器为前端信息的采集，用以太网控制器实现门禁控制器与上位PC机间的通信，并利用LCD来实时显示状态，并可以提供一些其它的辅助功能，如语音提示、报警和摄像监控等。指纹型网络门禁控制系统框架如下图所示。

　　门禁控制系统框图

　　指纹识别算法研究及实现
　　指纹识别技术的应用系统大致可以分为两类：即验证（Verification）和辨识（Identification）。验证就是通过把一个现场采集到的指纹与己经登记的指纹进行一对一的对比（1：1）来确认身份的过程。辨识则是把现场采集到的指纹同指纹数据库中的指纹逐一对比，从中找出与现场指纹相匹配的指纹，这也叫一对多匹配（1：N）。验证和辨识在对比算法和系统设计上各具技术特点。所有的生物识别系统都包括如下几个处理过程：采集、对比和匹配。指纹识别处理也一样，它包括指纹图像采集、指纹图像预处理、特征提取及匹配等过程。指纹识别系统的结构如下图所示。

　指纹识别系统结构

　　门禁控制系统总体软件设计
　　门禁控制器的程序流程如下图所示。

　　门禁控制器程序流程图

　　系统的指纹采集模块为SPI串口模块，指纹的采集工作由检测到手指中断开始的，系统检测到中断就会从串口发送一个字符控制FPS200开始采集。FPS200指纹采集采用分行方法对指纹图像进行采集和传输，其指纹采集流程图如下。

指纹采集流程图

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