多生物特征識(shí)別學(xué)習(xí)體會(huì)

等級(jí):等級(jí):學(xué)習(xí)體會(huì)課程名稱科技創(chuàng)新概論課題名稱多生物特征識(shí)別專業(yè)自動(dòng)化班級(jí)1591班學(xué)號(hào)202301209121姓名黃建龍指導(dǎo)老師吳迪2023年04月21日在現(xiàn)代社會(huì)中，隨著計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的高速開展，信息平安顯示出前所未有的重要性。身份鑒定是保證系統(tǒng)平安的必要前提，在金融、國(guó)家平安、司法、電子商務(wù)、電子政務(wù)等應(yīng)用領(lǐng)域，都需要準(zhǔn)確的身份鑒定。身份鑒定一般可分為三類：基于特定物品；基于特定知識(shí)；基于生物特征。前兩類方法〔如身份證、工作證、智能卡、密碼、口令等〕存在攜帶不便、容易遺失、或者由于使用過多或不當(dāng)而損壞、不可讀和密碼易被破解等諸多問題。因此，目前廣泛使用的依靠證件、個(gè)人識(shí)別號(hào)碼、口令等傳統(tǒng)方法來確認(rèn)個(gè)人身份的技術(shù)面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，并越來越不適應(yīng)現(xiàn)代科技的開展和社會(huì)的進(jìn)步。生物特征識(shí)別是通過利用個(gè)體特有的生理和行為特征來進(jìn)行身份識(shí)別和〔或〕個(gè)體驗(yàn)證的一門科學(xué)?；谏锾卣髯R(shí)別技術(shù)的個(gè)人身份識(shí)別系統(tǒng)具有更好的平安性、可靠性和有效性，正越來越受到人們的重視，并開始進(jìn)人我們社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域。生物特征識(shí)別技術(shù)可分為基于生理特征的生物識(shí)別技術(shù)和基于行為特征的生物識(shí)別技術(shù)。一些典型的生物識(shí)別方法見圖1.經(jīng)過數(shù)十年的研究，生物特征識(shí)別在不同的領(lǐng)域獲得了不同程度的成功。在人臉、指紋、虹膜、手型、聲音、簽名、步態(tài)等方面都取得了一定的成功。在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)唯一性已被證實(shí)的情況下，限制這些理論獲得實(shí)際應(yīng)用的主要因素是準(zhǔn)確性和適應(yīng)性。每種生物特征都存在局限性，例如，有些指紋很難提取，人臉識(shí)別會(huì)遇到化裝、表情、姿勢(shì)、光照變化等問題而影響識(shí)別率、聲音在人的健康狀況發(fā)生變化時(shí)會(huì)改變。另外，每種生物特征的準(zhǔn)確率也是有限的。多生物特征識(shí)別技術(shù)就是使用多種生理或行為特征進(jìn)行人的身份識(shí)別的技術(shù)。多生物特征識(shí)別問題實(shí)際上就是多生物特征信息融合問題，通過多生物特征融合的方法，可以提高生物特征識(shí)別系統(tǒng)的準(zhǔn)確率等性能，另一方面，近年來，迅速開展的多傳感器數(shù)據(jù)融合技術(shù)為多生物特征識(shí)別提供了理論根底。多生物特征識(shí)別技術(shù)使得設(shè)計(jì)高性能實(shí)用的身份識(shí)別系統(tǒng)成為可能。人體本身所固有的生理特征包括面部特征、指紋、手型、基因、體熱輻射與身體氣味、眼部特征〔視網(wǎng)膜、虹膜〕、腕部/手部/面部靜脈血管模式等。它不隨客觀條件和主觀意愿而改變，因此可用于人體的身份識(shí)別。基于指紋的生物識(shí)別技術(shù)是應(yīng)用得最早的。每個(gè)人都有自己唯一的、持久不變的指紋。它通常由交替出現(xiàn)的寬度大致相同的脊和谷組成。指紋識(shí)別技術(shù)主要包括：指紋圖像的獲取、特征提取、模式匹配。指紋識(shí)別具有很好的可靠性。目前在刑偵領(lǐng)域、人口平安系統(tǒng)以及駕照注冊(cè)等方面應(yīng)用十分廣泛。但是指紋識(shí)別系統(tǒng)的輸入傳感器對(duì)大約對(duì)5％的人的指紋不能提供足夠高質(zhì)量的指紋圖像以用于識(shí)別。其原因包括手指上的皮膚有傷疤、長(zhǎng)繭、皮膚枯燥、病態(tài)皮膚、皮膚老化、輸入傳感器受污染等。人臉自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)作為一種重要的個(gè)人身份鑒別方法，可以廣泛地應(yīng)用于公安部門的犯人檔案管理、平安驗(yàn)證系統(tǒng)、信用卡驗(yàn)證、醫(yī)學(xué)、視頻會(huì)議、人機(jī)交互系統(tǒng)、保安監(jiān)視、通道控制乃至出納機(jī)〔ATM〕等多種場(chǎng)合。與其他身份鑒別方法相比，人臉識(shí)別具有直接、友好、方便和魯棒性強(qiáng)等特點(diǎn)。但人臉識(shí)別受化裝、表情、姿勢(shì)、光照變化等影響。圖1一些典型的生物識(shí)別方法利用紅外傳感器可以獲得人體各局部輻射熱量的圖像，這叫溫譜圖。通過分析不同個(gè)體的紅外感應(yīng)圖像來識(shí)別身份。由于人臉溫譜圖識(shí)別方法是一種非接觸性的、非侵犯性的鑒別方法，因此這種方法容易被人們接受。圖1〔c〕為人臉溫譜圖。溫譜圖識(shí)別方法受周圍環(huán)境溫度的影響較大。另外，紅外傳感器價(jià)格較高，這就大大限制了這種方法的廣泛使用。使用虹膜進(jìn)行身份鑒別是近年來研究的又一熱點(diǎn)。虹膜是瞳孔與鞏膜間的環(huán)形可視局部，見圖1〔h〕。人在出生前的隨機(jī)生長(zhǎng)過程中，造成了各自虹膜組織結(jié)構(gòu)的微差異，使得虹膜具備了區(qū)別個(gè)體的條件。在虹膜識(shí)別系統(tǒng)中，首先用數(shù)字?jǐn)z像機(jī)捕獲登錄者的眼睛圖像，然后分割提取出虹膜圖像，同時(shí)加以校準(zhǔn)，再對(duì)其進(jìn)行特征的提取與編碼，最后進(jìn)行匹配識(shí)別。盡管虹膜掃描識(shí)別系統(tǒng)能夠取得很高的識(shí)別率，但也存在如下的缺點(diǎn)：當(dāng)前的虹膜識(shí)別系統(tǒng)沒有進(jìn)行過現(xiàn)實(shí)世界的唯一性認(rèn)證的試驗(yàn)；圖像獲取設(shè)備復(fù)雜、昂貴；黑眼睛的虹膜極難讀取。視網(wǎng)膜讀取器感知人眼后面的視網(wǎng)膜脈絡(luò)模式，見圖1〔i〕盡管視網(wǎng)膜掃描可以得到很高的識(shí)別準(zhǔn)確率，然而大多數(shù)人都不愿接受這種方法。眼鏡的反光同樣也會(huì)阻止掃描器準(zhǔn)確地找到視網(wǎng)膜。手型識(shí)別是利用人手的獨(dú)有的特征來進(jìn)行身份識(shí)別。這些特征包括：手部的外部輪廓、內(nèi)部的線條、手的幾何特性、手指的長(zhǎng)度和大小，以及手背的血管脈絡(luò)模式，見圖1〔e〕〔f〕手型圖像采集容易，對(duì)健康沒有影響。但是，手型的大小會(huì)隨著年齡的增長(zhǎng)而發(fā)生改變；另外，勞動(dòng)和受傷等情況會(huì)使手型發(fā)生變化，給系統(tǒng)的正常判斷帶來困難。語音識(shí)別本質(zhì)上是一個(gè)模式識(shí)別問題。識(shí)別時(shí)需要說話人講一句或幾句試驗(yàn)短句，對(duì)它們進(jìn)行某些測(cè)量，然后計(jì)算量度矢量與存儲(chǔ)的參考矢量之間的一個(gè)〔或多個(gè)〕距離函數(shù)。語音信號(hào)獲取方便，并且可以通過進(jìn)行鑒別。語音識(shí)別系統(tǒng)對(duì)人們?cè)诟忻皶r(shí)變得嘶啞的聲音比擬敏感；另外，同一個(gè)人的磁帶錄音也能欺騙語音識(shí)別系統(tǒng)。各種在法律上有效的文件經(jīng)常需要簽名，見圖1〔j〕事實(shí)說明人們的簽名在不同的時(shí)期和不同的精神狀態(tài)下是不一樣的。這就降低了簽名識(shí)別系統(tǒng)的可靠性。擊鍵分析是基于人擊鍵時(shí)的特性，如：擊鍵的持續(xù)時(shí)間、擊不同鍵之間的時(shí)間、出錯(cuò)的頻率以及力度大小等而到達(dá)進(jìn)行身份識(shí)別的目的。盡管使用生物特征識(shí)別有其固有的優(yōu)點(diǎn)，但由于以下幾個(gè)原因使得廣泛使用受到限制。一個(gè)根本的限制是在某些應(yīng)用場(chǎng)合達(dá)不到所要求的準(zhǔn)確性。在基于口令的身份識(shí)別系統(tǒng)中正確〔或不正確〕的口令總是能準(zhǔn)確的接受〔或拒絕〕一個(gè)被識(shí)別的人。而且對(duì)于一個(gè)身份識(shí)別系統(tǒng)，由于傳感器的噪聲以及特征提取和匹配的缺陷，往往不能保證得出正確的識(shí)別結(jié)果，一個(gè)冒充者有可能被一個(gè)基于生物特征識(shí)別系統(tǒng)錯(cuò)誤的接受。因此，需要提高基于生物特征識(shí)別系統(tǒng)準(zhǔn)確性。為了提高系統(tǒng)的性能，需要進(jìn)行多生物特征信息融合，這就是多生物特征識(shí)別技術(shù)。多生物特征識(shí)別技術(shù)就是使用多種生理或行為特征進(jìn)行人的身份識(shí)別的技術(shù)。多生物特征識(shí)別可減少單生物特征識(shí)別帶來的一些實(shí)際問題，例如，雖然生物特征具有普遍性〔目標(biāo)人群中每一個(gè)體都具有〕實(shí)際上，并不是所有的生物特征識(shí)別都真正具有普遍性。同樣生物特征并不一定總能被一個(gè)實(shí)際的生物特征識(shí)別系統(tǒng)所檢測(cè)〔量測(cè)〕也就是說，目標(biāo)人群中的一小局部不容易被給定的生物特征識(shí)別系統(tǒng)量測(cè)出來，例如，一小局部人的指紋不易被系統(tǒng)識(shí)別，所以識(shí)別系統(tǒng)不能處理這一小局部具有特別特征的人。多生物特征識(shí)別技術(shù)實(shí)際上就是多生物特征信息融合，數(shù)據(jù)融合技術(shù)是一種對(duì)多源信息進(jìn)行有效融合處理的新型理論和技術(shù)。數(shù)據(jù)融合也稱為信息融合，是指對(duì)來自多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行多級(jí)別、多方面、多層次的處理，從而得到更加完備、更有意義的新信息。這種新信息是任何單一傳感器所無法得到的。數(shù)據(jù)融合的根本目標(biāo)，就是通過組合獲得比任何單個(gè)輸入數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確的信息。多生物特征識(shí)融合多個(gè)生物特征提供的證據(jù)以改良總體的決策準(zhǔn)確性。一般來說，可以在下面三個(gè)層次中的任意一層進(jìn)行：①數(shù)據(jù)層融合，數(shù)據(jù)層融合對(duì)原始信號(hào)未作眾多預(yù)處理之前進(jìn)行的綜合分析，然而，對(duì)于計(jì)算機(jī)處理而言，由于數(shù)據(jù)的大量性、特征的復(fù)雜性以及數(shù)據(jù)之間的強(qiáng)關(guān)聯(lián)性等，使得直接利用原始數(shù)據(jù)的融合很難；②特征層融合，輸入數(shù)據(jù)經(jīng)過前端處理后，對(duì)于每種生物特征分別得到其特征描述向量，然后經(jīng)過特征融合的處理，將多個(gè)低維的特征描述向量融合〔合并〕形成更高維的聯(lián)合特征向量參數(shù)；③決策層融合，決策級(jí)融合是在最高層上進(jìn)行的融合。在各個(gè)傳感器單獨(dú)決策后，按一定準(zhǔn)那么作出全局的最優(yōu)決策。目前關(guān)于生物特征數(shù)據(jù)融合的研究主要集中在決策研究方面。其特點(diǎn)是簡(jiǎn)單可行，不同的單個(gè)特征可以分別進(jìn)行獨(dú)立的處理，然后進(jìn)行匹配，得到匹配分?jǐn)?shù)，最后通過決策融合的過程，將多個(gè)匹配結(jié)果經(jīng)過一定的融合算法進(jìn)行綜合，得到最終結(jié)果。而融合算法可以轉(zhuǎn)化為模式識(shí)別的過程。僅進(jìn)行決策階段的研究是不夠的，因?yàn)樵谔幚磉^程中忽略了特征之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系所帶來的作用和影響，另外，主要集中于融合算法的討論，而忽略了對(duì)生物特征的更多考慮，因此，還需要研究數(shù)據(jù)層和特征層的融合。一個(gè)生物特征識(shí)別系統(tǒng)要解決的問題可以描述為：對(duì)于一個(gè)待識(shí)別的人，系統(tǒng)作出“是〞或“不是〞的決策，每一種類型的決策又存在兩種可能性，即這一決策反映的是真實(shí)情況或不是真實(shí)情況。因此，總共有四種可能的結(jié)果：i〕具有正確身份的人〔genuine〕被接受；ii〕具有正確身份的人〔genuine〕被拒絕；iii〕假冒者〔imposter〕被拒絕；iv〕假冒者〔imposter〕被接受。i〕和iii〕是正確的決策，ii)和iv〕是錯(cuò)誤的決策。錯(cuò)誤決策中分別用FAF來表示錯(cuò)誤接受率，用FFF來表示錯(cuò)誤拒絕率，它們是衡量生物識(shí)別系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)。多生物特征識(shí)別系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大，計(jì)算量顯著增加。但隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速開展以及高性能價(jià)格比的專用芯片的出現(xiàn)，多生物特征識(shí)別技術(shù)將得到更進(jìn)一步的開展，必將成為生物識(shí)別技術(shù)的開展主流。在對(duì)身份鑒