基于多元特征的生物識別技術(shù)警務(wù)應(yīng)用研究

魏蓮芳

(四川警察學(xué)院治安系， 四川瀘州 646000)

0 引言

隨著社會科技高速發(fā)展，人們已步入信息時代，人類身份具有隱性化和數(shù)字化特點，人類生活離不開身份認(rèn)證，身份認(rèn)證問題已成為社會問題。社會控制機制的有效建立是警務(wù)工作的重點[1]，警務(wù)工作是維護社會治安秩序，保證社會可持續(xù)協(xié)調(diào)發(fā)展重要部分。目前我國社會治安整體形勢良好，但仍存在治安突發(fā)事件、違法犯罪活動、恐怖活動等，以上問題均需要警務(wù)工作良好解決[2]。生物識別技術(shù)是近年來發(fā)展極為迅速并被廣泛應(yīng)用于人們?nèi)粘Ｉ畹母呖萍技夹g(shù)，生物識別技術(shù)應(yīng)用于警務(wù)工作中已漸漸完善[3]，警務(wù)工作中生物識別技術(shù)主要為基于生物特征的人體身份認(rèn)證，具體包括指紋、掌紋、DNA、視網(wǎng)膜等先天性身體特征認(rèn)證以及語音、形態(tài)、筆跡等后天性行為特征認(rèn)證[4]。將人類固有行為特征與生理特性利用計算機實現(xiàn)個人身份認(rèn)證技術(shù)即生物識別技術(shù)，人類生理、形態(tài)、行為等方面由于變異、環(huán)境、遺傳以及社會等因素影響使所存在差異具有穩(wěn)定性[5]，利用個體差異可有效識別人類身份。

生物識別技術(shù)在警務(wù)工作中的應(yīng)用主要為安防工作、刑偵工作、天網(wǎng)工程、證件管理、人口信息、事故災(zāi)害工作等方面，其在嫌疑犯身份認(rèn)證、持證人身份驗證以及無名尸體身份辨認(rèn)等警務(wù)工作中極為重要。身份認(rèn)證以及個人識別是警務(wù)工作的基礎(chǔ)[6]，由于個體存在的生物特征具有唯一性以及穩(wěn)定性，屬于人類終極身份認(rèn)證媒介，尤其是警務(wù)工作中公安通信網(wǎng)絡(luò)、公安業(yè)務(wù)系統(tǒng)以及公安快速查詢系統(tǒng)中生物識別技術(shù)均占有重要地位[7]。在實際應(yīng)用中，不同生物特征識別技術(shù)的可靠性是不同的。單一生物特征識別易受不利因素諸如噪聲、環(huán)境和欺騙攻擊等影響而無法滿足高安全性場合的需求，而融合多種生物特征的多元特征生物識別技術(shù)被認(rèn)為是一種有效的解決思路[8]。警務(wù)工作是一種安全性要求比較高的工作，研究基于多元特征的生物識別技術(shù)在警務(wù)工作中應(yīng)用問題，探討警務(wù)工作中的生物識別技術(shù)，為警務(wù)工作的高效性、準(zhǔn)確性提供必要保障。

1 基于多元特征的生物識別技術(shù)建模

基于多元特征的生物識別技術(shù)是綜合運用了人體多種(至少兩種)生物識別特征，依照各種生物特征的優(yōu)先級與系統(tǒng)存儲對象進行比對、識別，最終實現(xiàn)個體身份識別的專門技術(shù)。該識別技術(shù)的識別流程和方法主要包括生物特征采集以及生物特征識別，即建立多元特征識別模型，并綜合考慮多元特征值的關(guān)聯(lián)性、多元特征的時間性進行識別。采集待識別用戶多種生物特征，預(yù)處理所采集多種生物特征信息獲取生物特征值，將所獲取生物特征值存儲至生物特征信息庫；依據(jù)所建立交叉索引檢索至待識別特征值對象集合[9]，利用基于多元特征生物識別模型計算待識別生物特征值與信息庫中生物特征值相似度，依據(jù)相似度計算結(jié)果獲取相應(yīng)用戶信息，當(dāng)所識別用戶不存在于信息庫中，提示待識別用戶為非法用戶，實現(xiàn)對個體身份比對和認(rèn)證目的。

1.1 建立多元特征的識別模型

基于人體的多種生物特征建立多元特征的生物識別模型，利用生物特征采集設(shè)備采集待識別目標(biāo)相應(yīng)多種生物特征，通過生物特征優(yōu)先級比較識別系統(tǒng)中已存儲生物特征[10]，通過比較結(jié)果可判斷所識別目標(biāo)是否與警務(wù)工作系統(tǒng)生物特征相匹配?；诙嘣卣鞯纳镒R別模型建立步驟如下：

(1)利用生物特征采集設(shè)備采集待識別用戶的指紋、人臉、虹膜圖像等多種生物特征信息，所采集生物特征信息用O=(O1,O2，…,On)表示。

(2)提取生物特征信息集合于所采集生物特征信息集合中，所采集生物特征信息集合用J=(j1,j2，…,jn)表示，ji=φi(Oi)，φi表示特征提取模型。

(3)設(shè)警務(wù)工作系統(tǒng)中特征庫用L表示，將所采集生物特征集合內(nèi)的特征信息與特征庫內(nèi)特征信息相比較，計算二者相似度，相似度為

(1)

(4)當(dāng)所獲取相似度大于所設(shè)定閾值時，相似度最高的特征信息所對應(yīng)用戶信息Vi即為待識別用戶，Vi=Max(P)，Pi>y；當(dāng)警務(wù)工作系統(tǒng)中不存在該用戶生物特征信息時，該用戶為非法用戶。

基于多元特征的生物識別模型識別對象需要符合多種待識別生物特征要求，設(shè)識別過程中欺騙代價為GMF，多元特征生物識別技術(shù)提升欺騙代價，GMF為獨立生物特征識別的全部欺騙代價相乘，其計算公式如下：

(2)

式中，q與m分別表示不同生物特征識別欺騙代價?；诙嘣卣鞯纳镒R別技術(shù)具有較高的欺騙代價，能提升識別準(zhǔn)確性。

1.2 考慮多元特征值的關(guān)聯(lián)性

單一生物特征識別技術(shù)的種類較多且各有利弊，在進行多元特征選擇時應(yīng)考慮不同生物特征的關(guān)聯(lián)性，以及所選擇生物特征之間的互補性。多元特征值關(guān)聯(lián)可令用戶生物特征信息集中于一個多維空間中，設(shè)所聚集多維空間為L=(L1,L2，…,Ln)，相同類型特征值在多維空間中形成特征值平面為Li=(a1,a2，…,an)，多元特征值可令全部類型特征體制受到篩選以及分類[11]，經(jīng)過篩選以及分類處理后，所計算相似度的計算精確性和計算速度有所提升。

1.3 考慮多元特征的時間性

人的生物特征隨時間變化不大，因此生物特征識別技術(shù)具有較高實用性。生物識別技術(shù)中由于時間造成的識別誤差主要包括以下兩種情況：

(1)區(qū)間變化。區(qū)間變化造成的誤差用λ=α±|Δr|表示，其中λ表示實測特征值，α為固定值，λ圍繞α變化范圍為|Δr|，設(shè)r表示最大變化量，可知Δr>r與Δr≤r時，相似度分別為0以及P=1-Δr/r。

(2)時間變化。時間變化造成的誤差用λ=α(j)±|Δr|表示，即此次識別特征值與上次所識別特征值存在一定關(guān)系，僅需微調(diào)[12]。時間變化造成的誤差是與時間相關(guān)的變量用公式Δr=λ(j1)-λ(j2)表示，設(shè)r表示最大變化量，可知Δr>r與Δr≤r時，相似度分別為0以及P=1-Δr/r。

基于多元特征的生物識別技術(shù)考慮時間造成的識別誤差為上述(1)或(2)涉及的單一生物識別技術(shù)時間性識別誤差的平均值。特別注意區(qū)間變化閾值t應(yīng)設(shè)置合理，避免過高或過低造成拒識率提升或者下降。閾值r范圍降低時，拒識率降低，識別精度有所提升。

2 實驗與分析

為檢測本文研究多元特征的生物識別技術(shù)應(yīng)用于警務(wù)工作中的有效性，在CPU為銳龍Ryzen R9內(nèi)存為4 GB，操作系統(tǒng)為windows XP的計算機中，采用Matlab仿真軟件利用JAVA語言編程本文方法，模擬警務(wù)工作中公安系統(tǒng)智能識別平臺，采用本文方法識別公民身份，公安系統(tǒng)智能識別平臺界面圖如圖1所示。通過圖1公安系統(tǒng)智能識別平臺可以看出，該平臺具有人臉識別、步態(tài)識別以及綜合識別功能，其中識別功能中通過本文多元特征的生物識別技術(shù)，可識別人體的多種生物特征。

圖1 公安系統(tǒng)智能識別平臺

采用本文方法識別1 000名公民身份，為直觀展示本文方法的識別性能，將本文方法與人臉識別以及步態(tài)識別兩種單一生物識別技術(shù)對比，統(tǒng)計采用不同方法識別1 000名公民身份的識別準(zhǔn)確率，對比結(jié)果如圖2所示。通過圖2實驗結(jié)果可以看出，采用本文方法識別1 000名公民身份，識別準(zhǔn)確率均在99%以上，而采用人臉識別方法以及步態(tài)識別方法識別1 000名公民身份識別準(zhǔn)確率在98%～99%間，實驗結(jié)果說明，本文方法識別準(zhǔn)確率明顯高于人臉識別以及步態(tài)識別兩種單一生物識別技術(shù)。

圖2 不同方法識別準(zhǔn)確率對比

統(tǒng)計采用不同方法識別1 000名公民身份的誤識率，統(tǒng)計結(jié)果如圖3所示。通過圖3實驗結(jié)果可以看出，采用本文方法識別1 000名公民身份，誤識率均低于0.6%；而采用人臉識別方法以及步態(tài)識別方法識別1 000名公民身份誤識率均高于1%，實驗結(jié)果說明，本文方法誤識率明顯低于人臉識別以及步態(tài)識別兩種單一生物識別技術(shù)。

圖3 不同方法誤識率對比

統(tǒng)計采用不同方法識別1 000名公民身份的拒識率，統(tǒng)計結(jié)果如圖4所示。通過圖4實驗結(jié)果可以看出，采用本文方法識別1 000名公民身份拒識率均低于0.8%；而采用人臉識別方法以及步態(tài)識別方法識別1 000名公民身份拒識率均高于1.5%，實驗結(jié)果說明本文方法拒識率明顯低于人臉識別以及步態(tài)識別兩種單一生物識別技術(shù)。

圖4 不同方法拒識率對比

統(tǒng)計采用不同方法識別1 000名公民身份識別時間，統(tǒng)計結(jié)果如圖5所示。通過圖5實驗結(jié)果可以看出，采用本文方法識別1 000名公民身份識別時間僅為97 ms，而采用人臉識別方法以及步態(tài)識別方法識別1 000名公民身份識別時間分別為157 ms以及194 ms，實驗結(jié)果有效驗證本文方法識別速度。

圖5 不同方法識別時間對比

以上統(tǒng)計結(jié)果可以看出，本文方法與人臉識別方法以及步態(tài)識別方法相比，具有較高的識別準(zhǔn)確率以及識別速度。

為進一步驗證本文方法識別性能，將本文方法與掌紋、指紋、虹膜、聲音等幾種單一特征生物識別方法對比，仍以上述識別環(huán)境識別1 000名公民身份，通過應(yīng)用于警務(wù)工作中的識別精準(zhǔn)度、誤識率、拒識率以及識別速度驗證本文方法識別效率，對比結(jié)果如表1所示。通過表1實驗結(jié)果可以看出，本文方法具有高識別精準(zhǔn)度、低誤識率以及拒識率，識別速度優(yōu)于其他任何單一生物識別方法。

表1 不同方法識別效率對比

為了驗證本文方法應(yīng)用于警務(wù)工作中的識別性能，充分考慮被訪問對象對生物特征識別技術(shù)要有一定程度的了解，對不同職業(yè)、學(xué)歷(大專以上)和年齡(20歲以上)約1 000名公民采用發(fā)放、回收和統(tǒng)計問卷(發(fā)放問卷1 000份，回收有效問卷934份)方式調(diào)查，將本文方法與多種單一特征生物識別方法的性能進行對比，其中設(shè)備成本性能主要參照網(wǎng)絡(luò)文獻資料查詢結(jié)果來描述，對比結(jié)果如表2所示。由表2可以看出，采用本文方法應(yīng)用于警務(wù)工作中，具有非常高的普遍性、可采集性、唯一性、穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性、安全性、可接受性以及便利性。本文方法將多種單一生物特征識別技術(shù)相結(jié)合，設(shè)備成本略高，但仍處于可接受范圍內(nèi)，統(tǒng)計結(jié)果有效驗證本文方法的識別性能。

3 結(jié)論

生物識別技術(shù)近年來發(fā)展極快，已在社會各行業(yè)領(lǐng)域有廣泛使用。警務(wù)工作是維持社會治安秩序，保障居民正常生活、基本安全的重要部分，生物識別技術(shù)廣泛應(yīng)用于警務(wù)工作是科技發(fā)展的必然趨勢。單一生物特征識別技術(shù)各有利弊，實際應(yīng)用中選擇何種技術(shù)用于個體身份識別也是一大難題。更為重要的是單一生物特征識別技術(shù)容易被偽造、欺騙，或者因設(shè)備使用局限、圖像不夠清晰、被采集特征用戶抵觸等因素，使其應(yīng)用于警務(wù)工作中個體身份識別系統(tǒng)時可靠性有所降低，準(zhǔn)確性受限。而應(yīng)用于警務(wù)工作中的多元特征生物識別技術(shù)相對于單一特征生物識別技術(shù)卻展現(xiàn)了更多方面的獨特優(yōu)勢，比如克服了先天特征不明顯情況，降低了識別系統(tǒng)被攻破風(fēng)險，具有非常高的識別準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性、安全性、唯一性等，將會是未來警務(wù)工作中個體身份識別應(yīng)用技術(shù)必不可少部分。

表2 不同方法識別性能對比

基于多元特征的生物識別技術(shù)應(yīng)用于警務(wù)工作時，應(yīng)注意生物特征的選擇和融合策略的取舍問題。通常綜合考慮關(guān)聯(lián)或互補因素選擇多種單一特征生物識別技術(shù)，分別采集這些單一生物特征的圖像樣本比對形成多個特征樣本，再利用恰當(dāng)融合方式對特征樣本融合二次比對，從而達到個體身份準(zhǔn)確識別目的。其中特征融合方式及算法是難點，也是個體身份識別準(zhǔn)確性的關(guān)鍵應(yīng)慎重對待。雖然在警務(wù)工作實際應(yīng)用中，基于多元特征的選擇和融合系統(tǒng)識別個體身份相對難度較大，但效率較高、抗干擾能力也適中。基于多元特征的生物識別技術(shù)始終圍繞個體身份識別又快又準(zhǔn)的最終目的，選擇和融合個體多元生物特征，提升個體身份識別的準(zhǔn)確性和識別效率。隨著生物識別技術(shù)不斷發(fā)展，警務(wù)工作在多元特征生物識別技術(shù)應(yīng)用上將會越來越完善，必然會為社會基本穩(wěn)定和經(jīng)濟協(xié)調(diào)發(fā)展做出重要貢獻。