【正文】 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 1 頁(yè) 共 52 頁(yè) 1 緒論 選 題研究背景 生物識(shí)別 生物特征識(shí)別技術(shù) 是 指通過(guò)計(jì)算機(jī)利用人體固有的生理特征或行為特征 之間的差異 來(lái)進(jìn)行個(gè)人身份鑒 別和認(rèn)證 的一種技術(shù) 。 生物特征分為身體特征和行為特征兩類(lèi) 。身體 特征包括指紋、掌紋、手形、 臉型 、 人體氣味、 虹膜、視網(wǎng)膜、耳廓 、骨骼和 DNA 等先天特性 ； 行為特征則包括筆跡、聲音、步態(tài)、擊鍵動(dòng)作等習(xí)慣特性 。生物識(shí)別技術(shù)最大的特點(diǎn)無(wú)非三個(gè)方面：高唯一性、高安全性和高便捷性。而這三個(gè)特點(diǎn)其實(shí)正是信息安全從業(yè)者不懈追求的目 標(biāo)。圍繞這三個(gè)特點(diǎn)，生物識(shí)別技術(shù)出現(xiàn)兩大應(yīng)用前 景最為廣闊的區(qū)域 ： 一是由其高安全性和唯一性，在有高機(jī)密防護(hù)需求的國(guó)家涉密系統(tǒng)等領(lǐng)域的發(fā)展 ； 二是憑借其便捷性和唯一性，在大眾社會(huì)化領(lǐng)域的智能化應(yīng)用 。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展以及不斷提升的信息安全保障需求 ，生物特征識(shí)別技術(shù)在各類(lèi)信息系統(tǒng)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用 ， 并將為保障信息安全發(fā)揮 越來(lái)越 重要的作用。 生物識(shí)別種類(lèi) 生物識(shí)別是依靠人體的身體特征來(lái)進(jìn)行身份驗(yàn)證的一種解決方案。根據(jù)生物特征識(shí)別技術(shù)采用不同的生物特征，廣泛應(yīng)用的生物特征識(shí)別技術(shù)有：指紋識(shí)別、人臉識(shí)別、虹膜識(shí)別、語(yǔ)音識(shí)別、視網(wǎng)膜識(shí)別、掌形 識(shí)別、基因識(shí)別和簽名識(shí)別等。其各自的特征如下綜述： （ 1）指紋識(shí)別 [1][2]： 指紋在我國(guó)古代就被用來(lái)代替簽字畫(huà)押，證明身份。指紋是人與生俱來(lái)的身體特征，大約在 14 歲以后，每個(gè)人的指紋就已經(jīng)定型， 指紋具有固定性，不會(huì)因人的繼續(xù)成長(zhǎng)而改變。指紋也具有唯一性，不同的兩個(gè)人不會(huì)具有相同的指紋 。 談及指紋識(shí)別，我們接觸最多的技術(shù)詞匯就是拒真率與認(rèn)假率，所謂拒真就是系統(tǒng)中有該枚指紋數(shù)據(jù)卻被拒絕，所謂認(rèn)假就是系統(tǒng)中沒(méi)有該枚指紋數(shù)據(jù)卻被接受。其實(shí)，在實(shí)際應(yīng)用中，我們遇到的問(wèn)題主要不是拒真率與認(rèn)假率，而是拒登率 (無(wú)法使用指紋 識(shí)別的用戶(hù)率 )。在所有生物識(shí)別技術(shù)中 ， 指紋識(shí)別是目前最成熟、最方便、可靠、無(wú)損傷、 價(jià)格便宜和應(yīng)用最廣泛的生物識(shí)別技術(shù)。 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 2 頁(yè) 共 52 頁(yè) （ 2）人臉識(shí)別 : 人臉識(shí)別是根據(jù)人的面部特征來(lái)進(jìn)行身份識(shí)別的技術(shù)，包括標(biāo)準(zhǔn)視頻識(shí)別和熱成像技術(shù)兩種。標(biāo)準(zhǔn)視頻識(shí)別是透過(guò)普通攝像頭記錄下被拍攝者眼睛、鼻子、嘴的形狀及相對(duì)位置等面部特征，然后將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再利用計(jì)算器進(jìn)行身份識(shí)別。視頻面部識(shí)別是一種常見(jiàn)的身份識(shí)別方式，現(xiàn)已被廣泛用于公共安全領(lǐng)域。熱成像技術(shù)主要透過(guò)分析面部血液產(chǎn)生的熱輻射來(lái)產(chǎn)生面部圖像。與視頻識(shí)別不同的是，熱成像技術(shù)不 需要良好的光源，即使在黑暗情況下也能正常使用。 到目前為止，面部識(shí)別在實(shí)際應(yīng)用中還很少成功。但一旦克服了技術(shù)障礙，它將成為一種重要的生物識(shí)別方法。 （ 3）虹膜識(shí)別： 虹膜識(shí)別 是與眼睛有關(guān)的生物識(shí)別中對(duì)人產(chǎn)生較少干擾的技術(shù)。虹膜是瞳孔周?chē)蓄伾募∪饨M織。研究表明，人的眼虹膜上有很多微小的凹凸起伏和條狀組織 ，其表面特征幾乎是唯一的。虹膜識(shí)別的工作過(guò)程，與指紋識(shí)別有些類(lèi)似?？茖W(xué)家先要將掃描的虹膜圖像轉(zhuǎn)換為 2048 位的數(shù)字代碼，存儲(chǔ)到計(jì)算器數(shù)據(jù)庫(kù)中。當(dāng)進(jìn)行身份識(shí)別時(shí)，只需將掃描的待檢測(cè)者的虹膜圖像，與事先儲(chǔ)存的數(shù)字代碼相對(duì)照，即可判明身份 它使用相當(dāng)普通的照相機(jī)元件，而且不需要用戶(hù)與機(jī)器發(fā)生接觸。另外，它有能力實(shí)現(xiàn)更高的模板匹配性能。因此，它吸引了各種人的注意。以前，虹膜掃描設(shè)備在操作的簡(jiǎn)便性和系統(tǒng)集成方面沒(méi)有優(yōu)勢(shì)，我們希望新產(chǎn)品能在這些方面有所改進(jìn)。 （ 4）語(yǔ)音識(shí)別： 語(yǔ)音識(shí)別主要包括了兩個(gè)方面：語(yǔ)言和聲音。聲音識(shí) 別就是通過(guò)分析使用者的聲音的物理特性來(lái)進(jìn)行識(shí)別的技術(shù)，是對(duì)基于生理學(xué)和行為特征的說(shuō)話者嗓音和語(yǔ)言模式的運(yùn)用，它與語(yǔ)言識(shí)別不同在于不對(duì)說(shuō)出的詞語(yǔ)本身進(jìn)行辨識(shí)，而是通過(guò)分析語(yǔ)音的唯一特性例如發(fā)音的頻率來(lái)識(shí)別出說(shuō)話的人。 聲音識(shí)別的優(yōu)點(diǎn)在于它是一種非接觸識(shí)別技術(shù)，容易為公眾所接受。但聲音會(huì)隨音量、音速和音質(zhì)的變化而影響。 目前，雖然已經(jīng)有一些聲音識(shí)別產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)，但使用起 來(lái)還不太方便，這主要是因?yàn)閭鞲衅骱腿说穆曇艨勺冃远己艽蟆? （ 5）視網(wǎng)膜識(shí)別： 視網(wǎng)膜是眼睛底部的血液細(xì)胞層。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(dú)特特征，血液細(xì)胞的唯一模式因此被捕捉下來(lái)。視網(wǎng)膜識(shí)別是使用光學(xué)設(shè)備發(fā)出的低強(qiáng)度光源掃描視網(wǎng)膜上獨(dú)特的圖案。視網(wǎng)膜識(shí) 別的優(yōu)點(diǎn)就在于它是一種及其固定的生物特征，因?yàn)樗恰半[藏”的，故 而不可能受到磨損、老化等影響；使用者也無(wú)需和設(shè)備進(jìn)行直接的接觸，同中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 3 頁(yè) 共 52 頁(yè) 時(shí)它是一個(gè)最難欺騙的系統(tǒng)，因?yàn)橐暰W(wǎng)膜是不可見(jiàn)的，古而不會(huì)被偽造。有證據(jù)顯示，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盯著一點(diǎn)，這對(duì)于戴眼鏡的人來(lái)說(shuō)很不方便，而且與接受器的距離很近，也讓人不太舒服。所以盡管視網(wǎng)膜識(shí)別技術(shù)本身很好，但用戶(hù)的接受程度很低。 （ 6） 掌形識(shí)別： 手掌幾何學(xué)識(shí)別就是通過(guò)測(cè)量使用者的手掌和手指的物理特征來(lái)進(jìn)行識(shí)別的技術(shù) ，高級(jí)的產(chǎn)品還可以識(shí)別三維圖像 。 掌形和指紋一樣，也是很早就使用的生物特征識(shí)別技術(shù)之一，利用掌紋的線特征、點(diǎn)特征、紋理特征、幾何特征完全可以確定一個(gè)人的身份。 作為一種已經(jīng)確立的方法，手掌幾何學(xué)識(shí)別不僅性能好，而且使用比較方便。它適用的場(chǎng)合是用戶(hù)人數(shù)比較多，或者用戶(hù)雖然不經(jīng)常使用，但使用時(shí)很容易接受。 這種生物識(shí)別技術(shù)識(shí)別速度快、掌形錄入率高、需要的計(jì)算及存儲(chǔ)空間小。但是，手掌的相似性不是很容易區(qū)分，不能完成一對(duì)多的識(shí)別，掌形識(shí) 別技術(shù)的易用性差，手掌擺放麻煩，由于使用者必須與識(shí)別設(shè)備直接接觸，可能會(huì)帶來(lái)衛(wèi)生方面的問(wèn)題。 （ 7）簽名識(shí)別： 簽字是一種傳統(tǒng)身份認(rèn)證手段?，F(xiàn)代簽字識(shí)別技術(shù)，主要是透過(guò)測(cè)量簽字者的字形及不同筆劃間的速度、順序和壓力特征，對(duì)簽字者的身份進(jìn)行鑒別。 在應(yīng)用中具有其他生物識(shí)別所沒(méi)有的優(yōu)勢(shì)，人們已經(jīng)習(xí)慣將簽名作為一種在交易中確認(rèn)身份的方法，它的進(jìn)一步的發(fā)展也不會(huì)讓人們覺(jué)得有太大不同。實(shí)踐證明，簽名識(shí)別是相當(dāng)準(zhǔn)確的，因此簽名很容易成為一種可以被接受的識(shí)別符。但與其他生物識(shí)別產(chǎn)品相比，這類(lèi)產(chǎn)品目前數(shù)量很少。 （ 8）基因識(shí)別 [3]： 人體內(nèi)的 DNA 在整個(gè)人類(lèi)范圍內(nèi)具有惟一性 (除了雙胞胎可能具有同樣結(jié)構(gòu)的 DNA 外 )和永久性。因此，除了對(duì)雙胞胎個(gè)體的鑒別可能失去它應(yīng)有的功能外，這種方法具有絕對(duì)的權(quán)威性和準(zhǔn)確性。 DNA 鑒別方法主要根據(jù)人體細(xì)胞中 DNA 分子的結(jié)構(gòu)因人而異的特點(diǎn)進(jìn)行身份鑒別。這種方法的準(zhǔn)確性?xún)?yōu)于其他任何身份鑒別方法，同時(shí)有較好的防偽性。然而， DNA 的獲取和鑒別方法(DNA 鑒別必須在一定的化學(xué)環(huán)境下進(jìn)行 )限制 DNA 鑒別技術(shù)的實(shí)時(shí)性；另外， 某些特殊疾病可能改變?nèi)梭w DNA 的結(jié)構(gòu)組成，系統(tǒng)無(wú)法正確地對(duì)這類(lèi)人群進(jìn)行鑒別。基因識(shí)別是一 種高級(jí)的生物識(shí)別技術(shù)，但由于技術(shù)上的原因，還不能做到實(shí)時(shí)取樣和迅速鑒定，這在某種程度上限制了它的廣泛應(yīng)用。 指紋識(shí)別的優(yōu)勢(shì) 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 4 頁(yè) 共 52 頁(yè) 指紋識(shí)別的優(yōu)點(diǎn)，具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： （ 1）每個(gè)人的指紋都是相當(dāng)固定的，不會(huì)隨著人年齡的增長(zhǎng)或身體健康程度的變化而變化，但是人的聲音、面像等卻存在較大變化的可能。指紋是人體獨(dú)一無(wú)二的特征，并且它們的復(fù)雜度足以提供用于鑒別的所需特征。 （ 2）指紋樣本便于獲取，易于開(kāi)發(fā)識(shí)別系統(tǒng)，實(shí)用性強(qiáng)。目前已有標(biāo)準(zhǔn)的指紋樣本庫(kù)，方便了識(shí)別系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)；另外，識(shí)別系統(tǒng)中完成指紋采樣功 能的硬件部分也較易實(shí)現(xiàn)。指紋采集頭可以更加小型化，并且價(jià)格會(huì)更加的低廉。 （ 3）一個(gè)人的十指指紋皆不相同，這樣可以方便地利用多個(gè)指紋構(gòu)成多重口令，提高系統(tǒng)的安全性。 （ 4）讀取指紋時(shí)，用戶(hù)必需將手指與指紋采集頭相互接觸，與指紋采集頭直接接觸是讀取人體生物特征最可靠的方法。而且掃描指紋的速度很快，使用非常方便。 （ 5）指紋識(shí)別中使用的模板并非最初的指紋圖，而是由指紋圖中提取的關(guān)鍵特征，這樣使得系統(tǒng)對(duì)模板庫(kù)的存儲(chǔ)量縮小，也保護(hù)了使用者的個(gè)人隱私。另外，對(duì)輸入的指紋圖像提取關(guān)鍵特征后，可以大大減少網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)呢?fù) 擔(dān)，便于實(shí)現(xiàn)異地確認(rèn)，支持計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)功能。綜合以上比較，指紋識(shí)別技術(shù)是目前最方便、可靠、非侵害和價(jià)格便宜的生物識(shí)別技術(shù)解決方案，對(duì)于廣大市場(chǎng)的應(yīng)用有著很大的潛力。 生物識(shí)別的應(yīng)用 到目前為止，在學(xué)術(shù)界已經(jīng)對(duì)將近 20 種特征進(jìn)行了研究。從 DNA、臉像、虹膜、紅外臉溫譜、耳形、顱骨、牙形、聲音、指紋、掌紋、靜脈 、 簽名、筆跡等 。生物識(shí)別技術(shù)目前已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外研究和開(kāi)發(fā)的一個(gè)熱點(diǎn)，包括企業(yè)界和政 府部門(mén)，每一年都會(huì)有一些計(jì)算學(xué)的新的突破 。 大家比較熟悉的一些生物特征識(shí)別技術(shù)，比如指紋、臉像等等，從大的方面 看，已經(jīng)基本成熟了，在限定的場(chǎng)景和用戶(hù)配合的情況下，已經(jīng)可以滿(mǎn)足大部分應(yīng)用需求。目前這些成熟的生物識(shí)別技術(shù)，例如指紋技術(shù) ，其可應(yīng)用領(lǐng)域的創(chuàng)新產(chǎn)品已經(jīng)十分廣泛，未來(lái)大的應(yīng)用方向 可 分為兩個(gè) ：一是涉密系統(tǒng)，需要高度安全防護(hù) 的 地方；二是大眾生活，人們?cè)谏鐣?huì)生活中越來(lái)越需要安全 和 更為方便快捷的身份認(rèn)證服務(wù)。除開(kāi)政府、軍隊(duì)等涉密系統(tǒng) 的行業(yè)企業(yè)級(jí)應(yīng)用外，生物識(shí)別更大的應(yīng)用是即將走入信息社會(huì) 的方方面面。這是因?yàn)樵谛畔⒒叨劝l(fā)達(dá)的商業(yè)社會(huì)，人們每天將有大量的進(jìn)行身份驗(yàn)證的需要，除了網(wǎng)上虛中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 5 頁(yè) 共 52 頁(yè) 擬世界的各種登錄認(rèn)證之外，現(xiàn)實(shí)世界也有 很多的身份鑒別的需要，例如人們?nèi)ャy行、去會(huì)所、去單位登記等等。因此，隨著密碼越來(lái)越多擠滿(mǎn)大腦，人們?cè)诤魡?一種更加便捷易用的身份認(rèn)證模式，當(dāng)黑客間諜手段越來(lái)越多，各種 仿制手段越來(lái)越豐富，人們?cè)诤魡疽环N更加安全不易被盜取的身份認(rèn)證模式。生物識(shí)別技術(shù)的社會(huì)化普 及 應(yīng)用的爆發(fā)就在即將到來(lái)的明天。 選 題研究目的及意義 近年來(lái)，生物識(shí)別技術(shù)以其先進(jìn)性和可靠性得到快速發(fā)展。指紋的唯一性、終身不變性和不易偽造性，使其在許多領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用，盡管當(dāng)前的指紋識(shí)別產(chǎn)品已經(jīng)多種多樣，但是指紋識(shí)別技術(shù)仍是科研 人員研究的熱 點(diǎn)。隨著 計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)的不斷發(fā)展 ,身份驗(yàn)證對(duì)系統(tǒng)的安全來(lái)說(shuō)越來(lái)越重要。 自動(dòng)指紋識(shí)別技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于公安、海關(guān)、銀行、網(wǎng)絡(luò)安全 、金融、電子商務(wù) 等需要進(jìn)行身份識(shí)別領(lǐng)域。 指紋技術(shù)被越來(lái)越多應(yīng)用在市民的日常生活中，如指紋汽車(chē)啟動(dòng)裝置、指紋保管箱等 。 加上 每個(gè)人的指紋具有唯一性 且 終身不變 ， 因此指紋識(shí)別是代替?zhèn)鹘y(tǒng)身份識(shí)別手段的最安全、最可靠、最方便的方法之一。盡管在此技術(shù)上已有多種成型產(chǎn)品 ， 但是因?yàn)橹讣y圖的噪聲、皮膚彈性的非線性等因素 ， 以及許多文獻(xiàn)都因商業(yè)利益而未經(jīng)公開(kāi) ，所以要在 國(guó)內(nèi) 實(shí)現(xiàn) 理想的指紋自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)依然是 一個(gè)很艱難的研究任務(wù) 。指紋識(shí)別作為個(gè)人身份 驗(yàn)證的重要手段，對(duì)我們的社會(huì)來(lái)講至關(guān)重要。而提供一種識(shí)別準(zhǔn)確度高、識(shí)別速度快的指紋 識(shí)別算法具有重要的意義。 相比較而言，指紋識(shí)別具有準(zhǔn)確性高，速度快、采集指紋方便、對(duì)指紋特征的認(rèn)識(shí)較充分、獲得法律認(rèn)可、容易被人們接收、市場(chǎng)份額大等優(yōu)點(diǎn)，因此，指紋識(shí)別的研究與應(yīng)用是當(dāng)前生物識(shí)別領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題。 而當(dāng)今全球信息化、網(wǎng)絡(luò)化的到來(lái)，使社會(huì)對(duì)信息安全的要求也越來(lái)越高，迫切需要智能化、數(shù)字化的新一代保安產(chǎn)品?，F(xiàn)代化的指紋識(shí)別系統(tǒng)順應(yīng)了這一歷史潮流，具有登記、自動(dòng)提取特征、保存數(shù)據(jù)、 遠(yuǎn)程控制、自動(dòng)查詢(xún)、統(tǒng)計(jì)、打印報(bào)表等功能，并能科學(xué)管理已存數(shù)據(jù)。以其方便性、快捷性、高度安全性和可靠性，達(dá)到其他系統(tǒng)所不能替代的作用。由于指紋識(shí)別技術(shù)的諸多優(yōu)點(diǎn)，可以預(yù)料，一方面指紋識(shí)別系統(tǒng)將會(huì)在一切需要驗(yàn)證身份的場(chǎng)所發(fā)揮越來(lái)越多的重要作用，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?huì)進(jìn)一步擴(kuò)展；另一方面，由于市場(chǎng)的推動(dòng)，指紋識(shí)別技術(shù)也會(huì)不斷提高，在其識(shí)別可靠性、速度、成本等方面進(jìn)一步朝現(xiàn)代化邁進(jìn) 。 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 6 頁(yè) 共 52 頁(yè) 國(guó)內(nèi)外指紋識(shí)別系統(tǒng)研究現(xiàn)狀 （ 1） 國(guó)外指紋織別的發(fā)展 [4] 指紋識(shí)別的發(fā)展經(jīng)歷了一個(gè)長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展過(guò)程 ， 最早應(yīng)用指紋破案的國(guó)家始于西歐。早在 1823 年西歐出現(xiàn)顯微鏡之后，德國(guó)的學(xué)者普克尼就把指紋劃分成 9 種類(lèi)別，到了 1858 年英國(guó)駐印