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      生物識別,綁定的安全

      2016-05-14 16:51邱元陽
      中國信息技術(shù)教育 2016年7期
      關(guān)鍵詞:虹膜步態(tài)指紋識別

      邱元陽

      編者按:在剛剛過去的3·15晚會上,我們見證了公共免費WIFI帶來的隱患。同樣地,近期媒體報道的“閃付”芯片的安全性也令人擔心。這樣的例子,在現(xiàn)實生活中不勝枚舉。隨著科技的發(fā)展,我們的生活越來越便利,智能化越來越高,如何更安全地識別成為每個人都可能會思考的問題,就目前而言,生物識別更令人安心。在此,主持人和嘉賓將分兩期對這一話題進行探討。

      “綁定”一詞,我們已司空見慣,如一些賬號要綁定郵箱、綁定手機,甚至一些用于交易的賬號還要綁定銀行卡。綁定的目的,當然是為了確認身份,然而,這些綁定手段,有時并不能真正地確定身份。因為綁定的對象,有時也會被我們遺忘和丟失。綁定郵箱就不用說了,CSDN賬號泄漏事件至今仍讓人心有余悸;即使是綁定手機,也不夠安全,如果落入他人之手就意味著各種安全措施全部瓦解,手機驗證碼反而幫助了別人。

      因此,只有將安全措施綁定到本人身上,才更加安全。而能夠綁定到生物個體的安全措施,就依賴生物識別了。

      生物識別采用生物體上具有唯一性的特征,可以準確地區(qū)分每一個人,在信息安全領(lǐng)域廣泛使用,如我們最常用到的指紋識別、人臉識別等。

      生物識別,依賴特征

      人類的某些個體生物特征具有唯一性,可以測量和驗證,并且往往有遺傳性或終身不變等特點。通過這些生物特征進行身份認證,就是生物識別(Biometric Identification Technology)。

      目前的生物識別技術(shù),常常通過計算機與光學、聲學、生物傳感器和生物統(tǒng)計學等高科技手段結(jié)合,利用人體固有的生理特性和行為特征來進行個人身份鑒定。

      傳統(tǒng)的身份鑒別方法一般要使用特定標識物品,如鑰匙、身份證、智能卡等,在計算機上的身份鑒別方法則是用戶名和密碼。前面提到,這二者都可能丟失、被盜或遺忘,即使使用了一定的“綁定”措施,其身份仍然容易被他人冒充。

      生物識別認證技術(shù)較傳統(tǒng)認證技術(shù)有明顯優(yōu)勢,不僅安全,而且易用。生物特征無需記憶、不會遺忘、不易偽造、隨身“綁定”,隨時隨地可用。

      人體某些特征具有不可復制的唯一性,作為生物密鑰時無法復制,進行身份認定安全、可靠、準確,但需要借助計算機技術(shù)來實現(xiàn)自動識別。

      生物識別由生物識別技術(shù)和生物識別系統(tǒng)來共同完成。計算機上的相應識別系統(tǒng)先對人的生物特征進行取樣并數(shù)字化,形成用于比對的特征模板。此后在對人自動識別時,就是重新采集人體生物特征與計算機中存儲的樣本進行比對,相似度達到規(guī)定值時,即認為身份符合,可以確認身份。確定身份之后的用途,取決于使用場合,如嫌疑人識別、系統(tǒng)登錄、考勤打卡、門禁等。

      可用于生物識別的生物特征分為生理特征和行為特征。生理特征有手形、指紋、掌紋、臉形、虹膜、視網(wǎng)膜、靜脈紋、脈搏、耳廓等,行為特征有步態(tài)、聲音、簽字等。基于這些特征,現(xiàn)在已經(jīng)應用成熟的有指紋識別、面部識別、虹膜識別、聲音識別、簽名識別等多種生物識別技術(shù)。

      指紋識別,攜帶終身

      早在19世紀初,科學研究就發(fā)現(xiàn)了指紋的兩個重要特征:一是兩根不同手指的指紋紋脊的式樣不同;二是指紋紋脊的式樣與生俱來,而且終身不會改變。

      “指紋終身不變”理論,由德國人類學家威爾克(Welker)在1856年提出。他對自己34歲和75歲時的指紋進行了對比,發(fā)現(xiàn)指紋的紋形類型和細節(jié)點特征沒有變化?!爸讣y各不相同”理論,由英國人亨利·福爾茨(Henry Fulds)于1889年提出,并在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上,首次提出了基于指紋特征點進行指紋識別的理論。1892年,英國人類學家弗朗西斯·戈頓(Francis Galton)出版《指紋》一書,首先確定斗紋、箕紋、弧紋三種基本分類法(如上頁圖1),并指出指紋的構(gòu)造和生理作用,指紋的應用開始受到重視,并逐漸為政府和法律認可。

      在各種生物識別技術(shù)中,指紋識別是應用最為廣泛的一種。從服務器的系統(tǒng)登錄、身份認證,到智能手機的解除鎖定、防盜報警,從公司機構(gòu)的考勤打卡、出入門禁,到公安系統(tǒng)的網(wǎng)上追逃、嫌犯確認,都有指紋識別的身影。

      目前,商務筆記本以及中高配置的手機一般都配備了指紋識別組件?;诓煌瑥S商技術(shù)方案的指紋識別系統(tǒng),所使用的指紋識別器也各不相同,最常見的有按壓式(如圖2)和滑動式(如圖3),手機上應用的樣式則更為豐富(如圖4)。

      實現(xiàn)指紋識別的方法很多,可以比較指紋的局部細節(jié)(如公安部門),也可以通過全部特征進行識別,甚至還可以用波紋邊緣模式和超聲波來進行識別。相應的設(shè)備也多種多樣。

      高通Snapdragon Sense ID 3D指紋技術(shù)能夠通過超聲波技術(shù)來讀取指紋信息,這樣不管你的手指放在手機上的任何位置,都能通過外殼來“感知”到你的指紋,設(shè)備廠商就無需考慮指紋閱讀器在平板電腦或者手機上的位置。

      指紋識別已為大部分國家政府接受和認可,廣泛地應用到政府、軍隊、司法、銀行、電子商務和安全領(lǐng)域,成為生物識別中的佼佼者。

      與指紋識別類似的,還有手掌幾何學識別,包括手形掌形識別、掌紋識別。手掌幾何學識別是通過測量使用者的手掌和手指的物理特征來進行識別的,甚至還可以識別三維圖像,不僅性能好,而且使用方便,準確性可以達到很高的程度,并且可以靈活調(diào)整。相應的識別設(shè)備為手形讀取器,適應范圍廣,容易集成到其他系統(tǒng)中,使用逐漸增多。

      聲音識別,如影隨形

      聲音識別也稱聲紋識別(Voiceprint Recognition, VPR)、說話人識別,是通過分析使用者聲音的物理特性來進行識別的技術(shù)。

      人說話聲音的產(chǎn)生是語言中樞與發(fā)音器官配合進行的復雜的生理物理過程,人在講話時各個發(fā)音在形態(tài)方面差異很大,所以任何兩個人的聲紋圖譜(用電聲學儀器顯示的攜帶言語信息的聲波頻譜)都有差異。每個人的語音聲學特征既有相對穩(wěn)定性,又有變異性,不是絕對一成不變的。但一般情況下,人們?nèi)阅軈^(qū)別不同人的聲音或判斷是不是同一人的聲音。

      聲音識別主要是利用人的聲音特點進行身份識別,優(yōu)點在于它是一種非接觸識別技術(shù),容易為公眾所接受(如圖5)。

      聲音識別所提供的安全性可以在實際生活中應用,并且語音采集裝置成本較低,一般的電話、手機、麥克風均可,無需特殊的設(shè)備。聲音信號便于遠程傳輸和獲取,在基于電信和網(wǎng)絡(luò)的身份識別中得天獨厚,優(yōu)勢明顯。

      然而,由于生理、病理、心理、模擬、偽裝、語速、音量變化、環(huán)境干擾等的原因,人的聲音可能會發(fā)生變化。同樣,不同聲音傳感器的音質(zhì)也會導致采集結(jié)果出現(xiàn)偏差,識別過程也比較復雜。對聲紋進行采集和建模時,系統(tǒng)需要多次的“訓練”和“學習”,這方面還有很多研究工作需要進行和完善。目前主要應用于刑偵辨認、電話銀行交易確認、戰(zhàn)場環(huán)境監(jiān)聽、門禁系統(tǒng)、自動總機系統(tǒng)和呼叫中心等領(lǐng)域。

      與聲音識別容易混淆的,還有語音識別。語音識別不是用來識別說話人的身份的,而是將語音識別為文字,它不屬于生物識別的范疇。

      虹膜識別,應運而生

      虹膜是眼睛中位于黑色瞳孔和白色鞏膜之間的圓環(huán)狀部分,其包含很多相互交錯的斑點、細絲、條紋、隱窩、凹點、射線、皺紋等細節(jié)特征。據(jù)稱,沒有任何兩個虹膜是一樣的。而且虹膜在胎兒發(fā)育階段形成后,在整個生命歷程中都將保持不變。這些特點決定了虹膜特征的唯一性,因此可以將眼睛的虹膜特征作為身份識別要素。

      虹膜識別是與眼睛有關(guān)的生物識別中對人產(chǎn)生較少干擾的技術(shù)。它使用普通的相機成像元件,不需要用戶與機器發(fā)生接觸,就能實現(xiàn)更高的模板匹配性能。

      虹膜識別技術(shù)被認為是21世紀最具有發(fā)展前途的生物認證技術(shù)。在包括指紋在內(nèi)的所有生物識別技術(shù)中,虹膜識別是當前應用最為方便和精確的一種(如圖6)。到目前為止,虹膜識別的錯誤率是各種生物特征識別中最低的,約為十萬分之一。

      與虹膜識別類似的,還有視網(wǎng)膜識別。

      視網(wǎng)膜是眼睛底部的血液細胞層(如圖7)。視網(wǎng)膜掃描是采用低密度的紅外線去捕捉視網(wǎng)膜的獨特特征,血液細胞的唯一模式因此被捕捉下來。視網(wǎng)膜掃描是十分精確的,但它要求使用者注視接收器并緊盯某一點,讓人不太舒服,用戶不太能夠接受。

      視網(wǎng)膜也是一種固定的生物特征,并且它是隱藏于眼底的,不會受到磨損等影響,也無法像指紋那樣偽造和欺騙,使用者更無需和設(shè)備進行直接接觸。

      但是,視網(wǎng)膜識別技術(shù)的設(shè)備較為昂貴,識別過程要求也高,還可能會給使用者帶來健康損害,其影響需要進一步確認,在推廣上受到了一定阻礙,因而不能成為主流的生物識別技術(shù)。

      面部識別,全面跟進

      面部特征是非常顯著的個體特點,成為個人在社交中的標志性符號。生活中我們對人的面容印象非常深刻,即使有了發(fā)型和服飾的改變,也不會影響從面貌認出某人。

      面部識別就是根據(jù)人的面部特征來進行身份識別的技術(shù),因此也稱為人臉識別(如圖8)。在人工智能領(lǐng)域,可以通過分析比較人物視覺特征信息進行身份鑒別,即人物識別,而面部識別就是最常用的人物識別手段。通過比較人物和照片來核實身份,就是一種原始的面部識別方法。

      面部識別的算法有多種,有的基于人臉特征點,有的基于整幅人臉圖像,有的基于模板,還有的是利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行識別。在實現(xiàn)技術(shù)上,有標準視頻識別和熱成像識別兩種。

      標準視頻識別是通過攝像頭記錄下人的眼睛、鼻子、嘴的形狀及相對位置等面部特征,將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,再利用計算機進行比對。標準視頻識別是一種常見的身份識別方式,廣泛應用于公共安全領(lǐng)域。

      熱成像識別主要通過面部血液產(chǎn)生的熱輻射來產(chǎn)生面部圖像,因此不需要良好的光源,即使在黑暗環(huán)境下也能正常使用。

      面部識別技術(shù)已經(jīng)應用在很多方面,如住宅小區(qū)的安全管理、銀行門禁、單位考勤系統(tǒng)、電子護照及身份證、人臉識別防盜門、信息安全登錄、自助服務、監(jiān)獄犯人管理、邊境安檢通關(guān)、軍隊安保、考生身份驗證、司法和刑偵等。天網(wǎng)工程中的高清攝像頭,也為面部識別在刑偵中的應用立下汗馬功勞。

      基因識別,匹配精準

      基因是生命的遺傳物質(zhì),支持著生命的基本構(gòu)造和性能。同一生物物種之所以千差萬別,就是因為基因的不同,因此基因可以用來鑒別和確定人的身份及相互之間的遺傳關(guān)系。

      生物體內(nèi)的遺傳物質(zhì)有DNA和RNA,而基因就是具有遺傳效應的DNA片段,是每個人獨一無二、永不改變的生物指征。因此基因的鑒定就是DNA的鑒定(如圖9)。

      人體細胞中DNA分子的結(jié)構(gòu)因人而異,除了同卵雙胞胎可能具有同樣結(jié)構(gòu)的DNA外,每個人的DNA在整個人類范圍內(nèi)具有唯一性和永久性,這是基因識別的基礎(chǔ)?;蜃R別的準確性優(yōu)于其他任何身份鑒別方法,同時有較好的防偽性,因而具有絕對的權(quán)威性,鑒定結(jié)果可為法律認可。

      人類基因組計劃的開展,使人們對基因結(jié)構(gòu)和功能認識不斷深化,DNA鑒定在身份識別中的應用越來越普遍。因為DNA存在于細胞中,因此人體的毛發(fā)、血液、組織液及其他含有細胞的體液、各種組織器官甚至脫落的上皮細胞,都可以作為DNA的檢材。但是DNA的提取難度和鑒別過程的復雜性使得DNA鑒定技術(shù)只有在有條件的機構(gòu)才能進行。

      基因識別是一種高級的生物識別技術(shù),由于技術(shù)上的原因,還不能做到實時取樣和迅速鑒定,這限制了它的廣泛應用,目前多用于親子鑒定、犯罪嫌疑人識別等方面。

      靜脈識別,頗有前景

      人體手指的靜脈分布具有個體特征,并可通過其中的血液表現(xiàn)出來。

      靜脈識別的工作原理,就是依據(jù)手指中流動的血液可吸收特定波長的光線,而使用特定波長光線對手指進行照射,得到手指靜脈的清晰圖像。利用計算機對獲取的影像進行分析,得到手指靜脈的生物特征并進行數(shù)字處理,形成個人的靜脈特征模板。識別時,使用指靜脈識別器讀取人體手指靜脈信息,與系統(tǒng)中注冊的靜脈特征數(shù)據(jù)進行比對,從而確定身份(如上頁圖10)。

      靜脈識別系統(tǒng)一般采用紅外線攝像頭獲取手指、手掌、手背靜脈的圖像,運用濾波、圖像二值化等細化手段和匹配算法進行比對,實現(xiàn)身份鑒定。

      靜脈識別設(shè)備簡單,采樣方便,很有發(fā)展前景。在2015年的高考中,內(nèi)蒙古自治區(qū)已率先使用指靜脈生物識別技術(shù)驗證考生身份。

      與靜脈識別類似的,還有脈搏識別,但是應用較少。

      步態(tài)識別,尚存疑問

      對于熟識的人,即使我們沒有看清他的面目,僅僅從遠處看到他走路的姿態(tài),就可以辨認這人是誰。這說明,步態(tài)也是一種人體語言,不同的人其行走步態(tài)各有特點,這正是步態(tài)識別的基礎(chǔ)。

      步態(tài)識別屬于行為特征識別,使用攝像頭采集人行走過程的圖像序列,進行計算機處理后同存儲的數(shù)據(jù)進行比較,來達到身份識別的目的(如圖11)。

      在不被注意的情況下,一般人不會偽裝步態(tài)。步態(tài)識別的獨特優(yōu)勢在于,遠距離或低視頻質(zhì)量情況下的識別潛力很高,在天網(wǎng)工程攝像頭模糊的視頻圖像中常能發(fā)揮意想不到的鑒別作用。

      但是步態(tài)識別的準確程度尚有疑問,由于衣著變化、攜帶行李、拍攝角度等因素的影響,在提取圖像輪廓時就會出現(xiàn)偏差,最終可能識別錯誤。

      步態(tài)識別技術(shù)現(xiàn)處在初期階段,其發(fā)展還面臨許多挑戰(zhàn)。但它在遠距離的身份識別和主動防御上的突出性能可以借鑒和結(jié)合到其他生物識別技術(shù)中,在多模式識別中發(fā)揮作用。

      簽字識別,簡便易行

      簽字是一種傳統(tǒng)身份認證手段,人們早已習慣將簽字作為一種在交易中確認身份的方法,很多信用卡在辦理時都會采集辦卡人的簽名。

      簽字識別技術(shù)主要是通過測量簽字者的字形及不同筆畫間的速度、順序和壓力特征,對簽字者的身份進行鑒別。

      簽字識別很容易被接受,筆跡鑒定也為法律所采用。簽名模仿其實并不那么容易,經(jīng)過實踐檢驗,簽字識別尤其是簽名識別的準確率還是相當高的。

      與聲音和步態(tài)一樣,簽字也是一種行為特征,同樣會受人為因素的影響。

      除了上面提到的生物識別技術(shù)以外,還有通過氣味、耳垂和其他特征進行識別的技術(shù),但是發(fā)展不成熟的技術(shù)還不能走進日常生活。

      在識別技術(shù)應用的過程中,越來越多的生物特征被發(fā)現(xiàn)和開發(fā),如皮膚識別。由于每個人的皮膚厚度和皮下層結(jié)構(gòu)的不同,人類的皮膚也都有其個性特點和專一特性,這些會影響反射光的不同波長。通過把紅外光照進一小塊皮膚并通過測定反射光波長,就可以用來確認人的身份。

      采用生物特征識別的系統(tǒng)在利用個人特征來驗證用戶身份時,如果該特征被外力所改變,如受傷和磨損,那么識別的結(jié)果就會大相徑庭。為了避免各種因素造成的結(jié)果不可靠,人們想到通過多種傳感器捕捉不同的生物特征來多方向識別,這就是生物特征融合的多模態(tài)生物特征識別。

      基于多模態(tài)或多生物特征融合的解決方案成為又一個趨勢,復合評價的結(jié)果肯定比單一技術(shù)的識別更準確可靠。

      還有不少的生物識別技術(shù)尚處于實驗室開發(fā)階段,我們相信隨著信息技術(shù)的發(fā)展,越來越多的生物識別技術(shù)將會應用到實際生活中。

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