业内五大生物识别技术分析及对比

          5月30号深圳智能交通展的成功闭幕，纵观各大公司展出的“独门绝技”，飞瑞斯的人脸识别系统让参观者眼前一亮，生物识别的概念也在人们脑海中悄然形成。

          在一些科幻电影中，主角在进入机密机构时，往往需要身份验证，或是扫虹膜或是扫手静脉，观众看到这里，不禁产生一种神秘的感觉。而今生物识别技术日益普及，那些神秘也将变得不再神秘，生物识别大致有五种：指纹识别、虹膜识别、掌纹识别、静脉识别、人脸识别。在此将盘点现行的几大主要生物识别技术。

    指纹识别

           指纹，由于其具有终身不变性、唯一性和方便性，已几乎成为生物特征识别的代名词。指纹是指人的手指末端正面皮肤上凸凹不平产生的纹线。纹线有规律的排列形成不同的纹型。纹线的起点、终点、结合点和分叉点，称为指纹的细节特征点（minutiae）。

          指纹识别技术进行了三代的更替，第一代是光学指纹识别系统，拥有笔记本的人们可能对第一代技术比较熟悉，大多数笔记本上都拥有第一代光学指纹识别系统，感受先进技术的同时，人们也意识到了第一代的不便：识别率不高。主要是由于光不能穿透皮肤表层，只能够扫描手指皮肤的表面，或者扫描到死性皮肤层，但不能深入真皮层。在这种情况下，手指表面的干净程度，直接影响到识别的效果。如果，用户手指上粘了较多的灰尘，可能就会出现识别出错的情况。

          识别技术的使用是为了安全，但是第一代光学识别的硬伤是安全系数不高且稳定性差，如果人们按照手指，做一个指纹手模，也可能通过识别系统，这无法确认安全。由于识别率差，也许人们每次识别时都要洗手，或者去死皮。两大硬伤致使第一代光学只是给好奇的人们“玩玩”便淘汰。

          第二代电容式传感器，电容传感器技术是采用了交替命令的并排列和传感器电板，形式是两个电容板，以及指纹的山谷和山脊成为板之间的电介质。两者之间的恒量电介质的传感器检测变化来生成指纹图像。技术深度看似比光学识别更靠谱，但仍然有缺点：传感器表面使用硅材料人，容易损坏，使用寿命短，且对脏手指湿手指识别困难。第二代也因此再次成为指纹识别的“过往云烟”。

          再看第三代射频指纹识别技术，射频传感器技术是通过传感器本身发射出微量射频信号，穿透手指的表皮层去控测里层的纹路，来获得最佳的指纹图像。因此对干手指，汗手指，干手指等困难手指通过可高达99%，防伪指纹能力强，指纹敏感器的识别原理只对人的真皮皮肤有反应，从根本上杜绝了人造指纹的问题，宽温区：适合特别寒冷或特别酷热的地区。因为射频传感器产生高质量的图像，因此射频技术是最可靠，最有力的解决方案。除此之外，高质量图像还允许减小传感器，无需牺牲认证的可靠性，从而降低成本并使得射频传感器思想的应用到可移动和大小不受拘束的任何领域中。

        射频指纹识别是最新一代的指纹识别系统，现今大多数的指纹识别生产商都在用此项技术，技术优越性不言而喻，识别率高，对识别对象要求低，环境适应性强，诸多优点使受到生产商和集成商的青睐。但是技术只有更好，没有最好，指纹识别仍然有其固有的缺陷。

    1、某些人或某些群体的指纹指纹特征少，难成像；
    2、过去因为在犯罪记录中使用指纹，使得某些人害怕“将指纹记录在案”。 　　
    3、实际上现在的指纹鉴别技术都可以不存储任何含有指纹图像的数据，而只是存储从指纹中得到的加密的指纹特征数据； 　　
    4、每一次使用指纹时都会在指纹采集头上留下用户的指纹印痕，而这些指纹痕迹存在被用来复制指纹的可能性。

        指纹识别是生物识别当中应用比较广泛的一种，是日常生活当中最普及最常见的生物识别技术，早在宋时提刑官宋慈便运用指纹侦查案件，只是那时只能肉眼识别，而今现今技术融合到传统应用中，指纹识别在安防、案件侦查、门禁等领域大放异彩。

    识别率：99%
    普及程度：★★★★★
    设备昂贵程度：★★★



人脸识别

          人脸识别特指利用分析比较人脸视觉特征信息进行身份鉴别的计算机技术。人脸识别是一项热门的计算机技术研究领域，它属于生物特征识别技术，是对生物体（一般特指人）本身的生物特征来区分生物体个体。

           人脸识别的优势在于其自然性和不被被测个体察觉的特点。不被察觉的特点对于一种识别方法也很重要，这会使该识别方法不令人反感，并且因为不容易引起人的注意而不容易被欺骗。网友总结的优点也值得借鉴：

    1、精准识别 适应性强；
    2、方便快捷 人机友好；
    3、人脸识别 安全性好；
    4、非接触性 健康卫生；
    5、U盘下载 网络通信；
    6、兼容性好 防范性强。

         缺点方面也不容小觑，人脸识别被认为是生物特征识别领域甚至人工智能领域最困难的研究课题之一。人脸识别的困难主要是人脸作为生物特征的特点所带来的。

         相似性：　不同个体之间的区别不大，所有的人脸的结构都相似，甚至人脸器官的结构外形都很相似。这样的特点对于利用人脸进行定位是有利的，但是对于利用人脸区分人类个体是不利的。

         易变性：人脸的外形很不稳定，人可以通过脸部的变化产生很多表情，而在不同观察角度，人脸的视觉图像也相差很大，另外，人脸识别还受光照条件（例如白天和夜晚，室内和室外等）、人脸的很多遮盖物（例如口罩、墨镜、头发、胡须等）、年龄等多方面因素的影响。

         人脸识别普遍的识别率是在95%左右，个别研发能力较好的厂商能做到99%，因人脸的相识性和易变性使得人脸识别的识别率一般，但由于人脸识别有安全性 高、非接触和方便快捷等优点，且相比虹膜识别仪器的价格昂贵，较低廉的仪器价格使人脸识别技术具有很好的市场。但国内人脸识别方面缺乏核心技术，核心技术 的研发尚属空白，核心技术的掌握将是国内人脸识别市场发展的关键。

    识别率：95%~99%
    普及率：★★★★
    设备昂贵程度：★★★



 虹膜识别

           虹膜识别是与眼睛有关的生物识别中对人产生较少干扰的技术。它使用相当普通的照相机元件，而且不需要用户与机器发生接触。另外，它有能力实现更高的模板匹配性能。因此，它吸引了各种人的注意。在所有生物识别技术中，虹膜识别是当前应用最为方便和精确的一种。

           眼睛的虹膜是由相当复杂的纤维组织构成，其细部结构在出生之前就以随机组合的方式决定下来了，虹膜识别技术将虹膜的可视特征转换成一个512个字节的Iris Code（虹膜代码），这个代码模板被存储下来以便后期识别所用，512个字节，对生物识别模板来说是一个十分紧凑的模板，但它对从虹膜获得的信息量来说是十分巨大的。

在电影中常看到光束扫眼之后门禁自动开启的镜头便是虹膜识别，其优点是用户使用方便且无需进行仪器的物理接触，识别可靠。但任何技术都是有其局限性的，虹膜识别也有缺点。

    虹膜识别技术的缺点

          1、一个最为重要的缺点是它没有进行过任何的测试，当前的虹膜识别系统只是用统计学原理进行小规模的试验，而没有进行过现实世界的唯一性认证的试验
          2、很难将图像获取设备的尺寸小型化 
          3、 因聚焦的需要而需要昂贵的摄像头，虽08年需7000美元，10年降至4000美元，但仍然较贵。
          4、镜头可能会使图像畸变而使得可靠性大为降低。
          5、黑眼睛极难读取。
          6、 需要一个比较好的光源

           其中的一些缺陷还不是停留在机器上，而是在技术本身局限。仪器的昂贵程度使其普及程度受限，其应用也多是在机密要求比较高的场合当中，日常生活的应用较少。

          目前虹膜识别在国内的研究机构主要有中国科学院自动化研究所，以及浙江大学、华中科技大学等高校。我国市场上有多家致力于虹膜识别产品的公司，但目前国内的公司大多代理国外产品，可自行生产虹膜识别产品的厂商仅少数几家。

          国内具有自主知识产权的虹膜技术生产厂商有：中科虹霸科技有限公司、北京凯平艾森信息技术有限公司、上海邦震科技发展公司

    识别率：误识别率仅为1/1200000（0.00000083）
    普及程度：★★★
    设备昂贵程度：★★★★★



 掌纹识别

             掌纹是指手腕与手指之间的手掌表面上的各种纹线。掌纹的形态由遗传基因控制，即使由于某种原因表皮剥落，新生的掌纹纹线仍保持着原来的结构。每个人的掌纹纹线都不一样，即使是孪生同胞，他们的掌纹也只是比较相似，而不会完全一样。

             掌纹中所包含的信息远比一枚指纹包含的信息丰富，利用掌纹的纹线特征、点特征、纹理特征、几何特征完全可以确定一个人的身份。

     掌纹识别现今有四种算法：

             1、基于点特征与线特征的识别方法：基于点、线特征的识别算法是掌纹识别中最直接的方法，点特征鲁棒性较强、鉴别能力高。线特征明显稳定，表示方法简单，特征空间小。但是，点特征和线特征无法表示掌纹纹线的深浅和力度，并且受噪声的干扰较大。

             2、基于掌纹纹理特征的识别方法：采用纹理分析的方法处理掌纹图像可以有效的避免图像在空域中噪声的影响，简化甚至免去图像预处理步骤。同时，采用纹理能量描述掌纹，除了空间位置外，还能够利用纹线的粗细程度这一性质进行区分。这种方法能够较好的保持掌纹图像的类间区分性和类内紧凑性。

             3、基于子空间的掌纹识别方法：子空间法提取特征具有描述性强，计算代价小，易实现和可分性好等特点，使用较少的特征向量数目就能够取得较高的识别率。但在该方法下得到的特征在一般情况下是最佳描述而不是最佳分类特征，这不利于分类匹配。

             4、分级融合的掌纹识别方法：从上面的分析可以看出，每种掌纹图像的识别算法都各有优缺点，如果只采用一种识别算法很难做到快速、高精度的身份识别。因此，多特征融合的方法将是掌纹识别发展的重要方向。 这里的融合，可以是特征级的融合，通过定义的融合准则将提取的多个特征融合为一个新的特征。也可以是匹配级的融合，也就是从粗到细，不同匹配层次采用不同特征。

            掌纹识别有识别区域大、易采集、精度高和可靠性高等优点，从理论上讲，掌纹具有比指纹更好的分辨能力和更高的鉴别能力。

     识别率：较指纹识别高
    普及程度：★★★
    设备昂贵程度：★★★★



静脉识别

            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。

            而在安防管理系统的原理是根据血液中的血红素有吸收红外线光的特质静脉识别，将具近红外线感应度的小型照相机对着手指进行摄影,即可将照着血管的阴影处摄出图像来。

    静脉识别有简易便用、高度防伪、快速识别、高度精确等理论优点，对于实际技术本身，优缺点也相当。

    优点
    (1)属于内牛理特征，不会磨损，较难伪造，具有很高安全性。 　　
    (2)血管特征通常更明显，容易辨识，抗干扰性好。
    (3)可实现非接触式测量，卫生性好，易于为用户接受。
    (4)不易受手表面伤痕或油污的影响。
    缺点：
    (1)手背静脉仍可能随着年龄和生理的变化而发生变化，永久性尚未得到证实
    (2)虽然可能性较小，但仍然存在无法成功注册登记的可能。
    (3)由于采集方式受自身特点的限制，产品难以小型化。
    (4)采集设备有特殊要求，设计相对复杂，制造成本高。

    识别率：手背静脉识别的错误接受率低于0.00008%，错误拒绝率为0.01%。
    普及程度：★★
    设备昂贵程度：★★★★



             汇总五大生物识别技术，各有优缺，识别率高低不均，大致可如此排列：虹膜＞静脉＞掌纹＞指纹＞人脸，普及率指纹识别其他技术远不能及，识别率虹膜识别技术登极但有待权威组织验证。五大技术又可分两组，一是接触性识别，一是非接触性识别。接触与非接触式考虑被识别者心理，接触性识别人们抵触心理比较高，而非接触性识别抵触情绪较少。抵触情绪的考虑对几大识别技术的应用是一个限制。

             其中还有一个隐含的问题也不得不提，那就是对人体伤害的考虑，比如虹膜识别系统，其扫描的光束是否会对眼睛有伤害是受众较担心的问题，虽然有专门的第三方机构出具的证明，也就是光照产品对与眼睛伤害的测试报告，说明不会对眼睛造成伤害，但对于陌生事物的畏惧和相关知识的缺乏常使受众有此忧虑。

             还有就是安全问题，个人生物信息的是否存在盗用危险也是受众关心的问题，比如第一代指纹识别，按照手指做一个手摸依然可以通过验证，安全性较差。如此考虑，指纹、掌纹和人脸可能差些，而虹膜静脉较好。

             随着生物识别越来越多的投入到安防、门禁、考勤等领域，人们对生物识别的认识也越来越深，在不远的未来生物识别必将融入人们的生活当中，生物识别技术的前景也将无比光明。（本文图片来源网络）