物聯(lián)網(wǎng)安全必知：七大安防生物識(shí)別技術(shù)解析

所謂生物識(shí)別技術(shù)就是，通過(guò)計(jì)算機(jī)與光學(xué)、聲學(xué)、生物傳感器和生物統(tǒng)計(jì)學(xué)原理等高科技手段密切結(jié)合，利用人體固有的生理特性，(如指紋、臉象、虹膜等)和行為特征(如筆跡、聲音、步態(tài)等)來(lái)進(jìn)行個(gè)人身份的鑒定。

　　生物測(cè)定技術(shù)根據(jù)人體自身的特征如指紋、聲音等來(lái)識(shí)別個(gè)人的身份。目前，有很多的生物測(cè)定技術(shù)可用于身份認(rèn)證。這里，我們描述一下大多數(shù)流行的生物測(cè)定技術(shù)是怎樣工作的，并對(duì)它們抓圖、抽取特征、比較和比對(duì)的功能做以簡(jiǎn)單的評(píng)論。

1、虹膜識(shí)別技術(shù)

　　虹膜是一種在眼睛中瞳孔內(nèi)的織物狀的各色環(huán)狀物，每一個(gè)虹膜都包含一個(gè)獨(dú)一無(wú)二的基于像冠、水晶體、細(xì)絲、斑點(diǎn)、結(jié)構(gòu)、凹點(diǎn)、射線、皺紋和條紋等特征的結(jié)構(gòu)，據(jù)宣稱，沒有任何兩個(gè)虹膜是一樣的。虹膜掃描安全系統(tǒng)包括一個(gè)全自動(dòng)照相機(jī)來(lái)尋找你的眼睛并在發(fā)現(xiàn)虹膜時(shí)，就開始聚焦，想通過(guò)眨眼睛來(lái)欺騙系統(tǒng)是不行的。

　　優(yōu)點(diǎn)

　　便于用戶使用;可能會(huì)是最可靠的生物識(shí)別技術(shù)，盡管它還沒有測(cè)試過(guò);只需用戶位于設(shè)備之前而無(wú)需物理的接觸。

　　缺點(diǎn)

　　一個(gè)最為重要的缺點(diǎn)是它沒有進(jìn)行過(guò)任何的測(cè)試，當(dāng)前的虹膜識(shí)別系統(tǒng)只是用統(tǒng)計(jì)學(xué)原理進(jìn)行小規(guī)模的試驗(yàn)，而沒有進(jìn)行過(guò)現(xiàn)實(shí)世界的唯一性認(rèn)證的試驗(yàn);很難將圖像獲取設(shè)備的尺寸小型化;因聚焦的需要而需要昂貴的攝像頭，一個(gè)這樣的攝像頭的最低報(bào)價(jià)為4000美元;鏡頭可能會(huì)使圖像畸變而使得可靠性大為降低;黑眼睛極難讀取;需要一個(gè)比較好的光源。

　　2、視網(wǎng)膜識(shí)別技術(shù)

　　視網(wǎng)膜也是一種被用于生物識(shí)別的特征，某些人認(rèn)為視網(wǎng)膜是比虹膜更為唯一的生物特征，視網(wǎng)膜識(shí)別技術(shù)要求激光照射眼球的背面以獲得視網(wǎng)膜特征的唯一性。

　　優(yōu)點(diǎn)

　　視網(wǎng)膜是一種極其固定的生物特征，因?yàn)樗恰半[藏“的，故而不可能磨損，老化或是為疾病影響;使用者不需要和設(shè)備進(jìn)行直接的接觸;

　　是一個(gè)最難欺騙的系統(tǒng)因?yàn)橐暰W(wǎng)膜是不可見的，故而不會(huì)被偽造。

　　缺點(diǎn)

　　視網(wǎng)膜技術(shù)未經(jīng)過(guò)任何測(cè)試。很明顯，視網(wǎng)膜技術(shù)可能會(huì)給使用者帶來(lái)健康的損壞，這需要進(jìn)一步的研究;對(duì)于消費(fèi)者，視網(wǎng)膜技術(shù)沒有吸引力;很難進(jìn)一步降低它的成本。

3、面部識(shí)別

　　面部識(shí)別技術(shù)通過(guò)對(duì)面部特征和它們之間的關(guān)系來(lái)進(jìn)行識(shí)別，識(shí)別技術(shù)基于這些唯一的特征時(shí)是非常復(fù)雜的，這需要人工智能和機(jī)器知識(shí)學(xué)習(xí)系統(tǒng)，用于撲捉面部圖像的兩項(xiàng)技術(shù)為標(biāo)準(zhǔn)視頻和熱成像技術(shù)。標(biāo)準(zhǔn)視頻技術(shù)通過(guò)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的攝像頭攝取面部的圖像或者一系列圖像，在面部被捕捉之后，一些核心點(diǎn)被記錄，例如，

　　眼睛，鼻子和嘴的位置以及它們之間的相對(duì)位置被記錄下來(lái)然后形成模板;熱成像技術(shù)通過(guò)分析由面部的毛細(xì)血管的血液產(chǎn)生的熱線來(lái)產(chǎn)生面部圖像，與視頻攝像頭不同，熱成像技術(shù)并不需要在較好的光源條件下，因此即使在黑暗情況下也可以使用。一個(gè)算法和一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)加上一個(gè)轉(zhuǎn)化機(jī)制就可將一幅指紋圖像變成數(shù)字信號(hào)，最終產(chǎn)生匹配或不匹配信號(hào)。

　　優(yōu)點(diǎn)

　　面部識(shí)別是非接觸的，用戶不需要和設(shè)備直接的接觸;盡管可以使用桌面的視頻攝像，但只有比較高級(jí)的攝像頭才可以有效高速的撲捉面部圖像;

　　缺點(diǎn)

　　使用者面部的位置與周圍的光環(huán)境都可能影響系統(tǒng)的精確性;大部分研究生物識(shí)別的人都公認(rèn)面部識(shí)別是最不準(zhǔn)確的，也是最容易被欺騙的;面部識(shí)別技術(shù)的改進(jìn)依賴于提取特征與比對(duì)技術(shù)的提高，并且采集圖像的設(shè)備會(huì)比其技術(shù)昂貴得多;對(duì)于因人體面部的如頭發(fā)，飾物，變老以及其他的變化可能需要通過(guò)人工智能來(lái)得到補(bǔ)償，機(jī)器學(xué)習(xí)功能必須不斷地將以前得到的圖像和現(xiàn)在的得到的進(jìn)行比對(duì);以改進(jìn)核心數(shù)據(jù)和彌補(bǔ)微小的差別;很難進(jìn)一步降低它的成本，我們必需以昂貴的費(fèi)用去賣高質(zhì)量的設(shè)備。

　　4、簽名識(shí)別

　　簽名作為身份認(rèn)證的手段已經(jīng)用了幾百年了，而且我們都很熟悉在銀行的格式表單中簽名作為我們身份的標(biāo)志。將簽名數(shù)字化是這樣一個(gè)過(guò)程，測(cè)量圖像本身以及整個(gè)簽名的動(dòng)作——在每個(gè)字母以及字母之間的不同的速度、順序和壓力，簽名識(shí)別和聲音識(shí)別一樣，是一種行為測(cè)定學(xué)。

　　優(yōu)點(diǎn)

　　使用簽名識(shí)別更容易被大眾接受而且是一種公認(rèn)的身份識(shí)別的技術(shù)。

　　缺點(diǎn)

　　隨著經(jīng)驗(yàn)的增長(zhǎng)，性情的變化與生活方式的改變，簽名也會(huì)隨著而改變;為了處理簽名的不可辟免的自然改變，我們必須在安全方面做以妥協(xié);因?yàn)楹灻乃俣炔豢欤覀儫o(wú)法在Internet上使用它;用于簽名的手寫板結(jié)構(gòu)復(fù)雜而且價(jià)格昂貴，因?yàn)楹凸P記本電腦的觸摸板的分辨率有著很大的差異，我們?cè)诩夹g(shù)上很難將兩者結(jié)合起來(lái);很難將它的尺寸小型化。

5、聲音識(shí)別

　　聲音識(shí)別技術(shù)和簽名識(shí)別相同，聲音識(shí)別也是一種行為識(shí)別技術(shù)，聲音識(shí)別設(shè)備不斷地測(cè)量、紀(jì)錄聲音的波形和變化。而聲音識(shí)別基于將現(xiàn)場(chǎng)采集到的聲音同登記過(guò)的聲音模板進(jìn)行精確的匹配。

　　優(yōu)點(diǎn)

　　聲音識(shí)別也是一種非接觸的識(shí)別技術(shù)，用戶可以很自然地接受。

　　缺點(diǎn)

　　和其他的行為識(shí)別技術(shù)一樣，聲音因?yàn)樽兓姆秶?，故而很難進(jìn)行一些精確的匹配;聲音會(huì)隨著音量、速度和音質(zhì)的變化(例如當(dāng)你感冒時(shí))而影響到采集與比對(duì)的結(jié)果;隨著技術(shù)的發(fā)展，也許你可以覺察和拒絕錄音的聲音，然而，目前來(lái)說(shuō)，我們還很容易用錄在磁帶上的聲音來(lái)欺騙聲音識(shí)別系統(tǒng)。高保真的麥克風(fēng)是很昂貴的。指紋識(shí)別系統(tǒng)指紋識(shí)別作為識(shí)別技術(shù)已經(jīng)有很長(zhǎng)的歷史了，有著堅(jiān)實(shí)的市場(chǎng)后盾，按照一般人的看法，指紋識(shí)別技術(shù)通過(guò)分析指紋的全局特征和指紋的局部特征，特征點(diǎn)如嵴、谷和終點(diǎn)、分叉點(diǎn)或分歧點(diǎn)，從指紋中抽取的特征值可以非常的詳盡以便可靠地通過(guò)指紋來(lái)確認(rèn)一個(gè)人的身份。

平均每個(gè)指紋都有幾個(gè)獨(dú)一無(wú)二可測(cè)量的特征點(diǎn)，每個(gè)特征點(diǎn)都有大約七個(gè)特征，我們的十個(gè)手指產(chǎn)生最少4900個(gè)獨(dú)立可測(cè)量的特征??這足夠來(lái)確認(rèn)指紋識(shí)別是否是一個(gè)更加可靠的鑒別方式。這里，我們大體給出指紋識(shí)別中的獲取圖像、抽取特征和比對(duì)的過(guò)程。

　　6、圖像采集中的光學(xué)技術(shù)和電容技術(shù)

　　兩種用來(lái)采集指紋圖像的技術(shù)主要為光學(xué)技術(shù)和電容技術(shù)。光學(xué)技術(shù)需要一個(gè)光源從棱鏡反射按在一個(gè)取像頭的手指，光線照亮指紋從而采集到指紋。

　　采用電容技術(shù)的半導(dǎo)體技術(shù)，按壓到采集頭上的手指的脊和谷在手指表皮和芯片之間產(chǎn)生不同的電容，芯片通過(guò)測(cè)量空間中的不同的電容場(chǎng)得到完整的指紋。

　　缺點(diǎn)

　　因?yàn)殡娙菁夹g(shù)的芯片昂貴，芯片的大小和手指相當(dāng)就已價(jià)格昂貴，故幾個(gè)公司試圖推出可提供比指紋更小的芯片只采集部分的指紋以驗(yàn)證，使用這種采集方式，用戶必須精確的放上手指以確保能正確的讀取。而這樣必然使讀取頭變得不易使用，使用這種小芯片的另一個(gè)缺點(diǎn)是只使用部分的指紋必然沒有采集全部指紋進(jìn)行比對(duì)可靠得多。

　　電容采集頭的另一個(gè)缺點(diǎn)是易于受到干擾，從60HZ的電纜線的干擾到用戶接觸時(shí)的干擾、指紋采集器內(nèi)部的電干擾等。

　　電容采集頭的最后一個(gè)問(wèn)題是可靠性，無(wú)論是靜電干擾，汗液中的鹽分或者其他的贓物以及手指磨損都會(huì)使采集頭很難讀取指紋。

　　實(shí)際上，到目前為止，光學(xué)采集頭提供更加可靠的解決方案。通過(guò)改進(jìn)原來(lái)的光學(xué)取像技術(shù)，新一代的光學(xué)指紋采集器更是以無(wú)可挑剔的性能與相對(duì)非常低的價(jià)格使電容方案相形見絀。

7、指紋識(shí)別的優(yōu)點(diǎn)

　　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足夠特征;如果我們想要增加可靠性，我們只需登記更多的指紋，鑒別更多的手指，最多可以多達(dá)十個(gè)，而每一個(gè)指紋都是獨(dú)一無(wú)二的;掃描指紋的速度很快，使用非常方便;讀取指紋時(shí)，用戶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。這也是指紋識(shí)別技術(shù)能夠占領(lǐng)大部份市場(chǎng)的一個(gè)主要原因。指紋采集頭可以更加小型化，并且價(jià)格會(huì)更加的低廉。

　　指紋識(shí)別的缺點(diǎn)

　　某些人或某些群體的指紋因?yàn)橹讣y特征很少，故而很難成像;過(guò)去因?yàn)樵诜缸锛o(jì)錄中使用指紋，使得某些人害怕“將指紋紀(jì)錄在案”。然而，實(shí)際上現(xiàn)在的指紋鑒別技術(shù)都可以保證不存儲(chǔ)任何含有指紋圖像的數(shù)據(jù)，而只是存儲(chǔ)從指紋中得到的加密的指紋特征數(shù)據(jù)。每一次的使用指紋時(shí)都會(huì)在指紋采集頭上留下用戶的指紋印痕，而這些指紋痕跡存在被用來(lái)復(fù)制指紋的可能性。可以見到，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。

　　指紋識(shí)別技術(shù)中的軟件和固件的重要性盡管價(jià)格，尺寸和硬件的設(shè)計(jì)對(duì)于指紋識(shí)別系統(tǒng)非常重要，但這只決定了整個(gè)系統(tǒng)是否強(qiáng)健，但固件和軟件的重要性在整個(gè)系統(tǒng)中的地位不低于硬件，尤其是對(duì)于想占領(lǐng)市場(chǎng)的產(chǎn)品來(lái)說(shuō)。

　　指紋采集頭中的固件負(fù)責(zé)處理圖像和與PC機(jī)的連接，在大多數(shù)的系統(tǒng)中，固件相對(duì)顯得非常簡(jiǎn)單，它不停的將數(shù)據(jù)傳送給計(jì)算機(jī)，然而這樣做存在著很多的問(wèn)題，第一個(gè)主要的問(wèn)題是，這樣傳輸數(shù)據(jù)很容易被紀(jì)錄并且被再次使用，這使的系統(tǒng)受到潛在的危險(xiǎn)，另一個(gè)問(wèn)題是我們必需為指紋采集頭供給電源。計(jì)算機(jī)必須不停的撲捉圖像以決定是否有指紋按壓上去，這樣才能在最恰當(dāng)?shù)臅r(shí)候撲捉指紋圖像。通過(guò)設(shè)計(jì)好的固件來(lái)處理這些問(wèn)題，可以改善了整個(gè)系統(tǒng)的性能;使用USB接口是目前的一個(gè)好的接口方案，能夠提供電源、帶寬和即插即用功能;傳輸?shù)接?jì)算機(jī)的指紋需要進(jìn)行必要的加密以保證安全;并且，在不讀取指紋的狀態(tài)下，固件應(yīng)該轉(zhuǎn)入低功耗狀態(tài)。

　　當(dāng)主機(jī)從計(jì)算機(jī)中安全的得到指紋圖像后，識(shí)別算法就進(jìn)行下一步的驗(yàn)證過(guò)程。指紋是如此可靠的生物特征，以至于只需很少的信息就可以進(jìn)行比對(duì)。而指紋的這一特點(diǎn)卻沒有在大多數(shù)的指紋識(shí)別算法中得到體現(xiàn)，大多數(shù)的系統(tǒng)都要求用戶按上所有的手指，用戶必須很小心的按上手指。如果指紋的位置不對(duì)或者指紋質(zhì)量不高都會(huì)使驗(yàn)證無(wú)法進(jìn)行，用戶必須再次按壓手指，而這樣的產(chǎn)品無(wú)法在市場(chǎng)中立足。

　　因此，好的系統(tǒng)應(yīng)該更加易于使用、可靠，用戶不必?fù)?dān)心指紋的放置位置，算法要支持360度旋轉(zhuǎn)和殘缺的指紋。用戶只需輕輕的按上手指而無(wú)須擔(dān)心是否位置合適或只按壓了一部份。對(duì)于手指的壓感、旋轉(zhuǎn)、質(zhì)量，以及采集頭的灰塵和薄霧，系統(tǒng)都要能很好地解決。

　　監(jiān)控和無(wú)監(jiān)控的操作，一對(duì)一比對(duì)和一對(duì)多比對(duì)使用指紋識(shí)別技術(shù)首先必須理解監(jiān)控和無(wú)監(jiān)控比對(duì)之間的區(qū)別，在傳統(tǒng)的犯罪指紋庫(kù)中，指紋是在監(jiān)控狀態(tài)下獲得而比對(duì)是建立在同指紋庫(kù)中的多次比對(duì)基礎(chǔ)上。而要將指紋識(shí)別算法推向市場(chǎng)，指紋的讀取必須是建立在無(wú)監(jiān)控的狀態(tài)下的。這樣，只需輕輕的按壓而無(wú)須等待指紋圖像達(dá)到最好，另外，在處理電子商務(wù)時(shí)，數(shù)據(jù)會(huì)跟已經(jīng)登記好的指紋進(jìn)行比對(duì)，大多數(shù)情況下是一對(duì)一的比對(duì)而不是一對(duì)多的比對(duì)。無(wú)監(jiān)控的取像和一對(duì)一的比對(duì)算法和一對(duì)多的比對(duì)算法在系統(tǒng)中都有很好的對(duì)策，無(wú)監(jiān)控模式必須使得比對(duì)算法能夠處理差質(zhì)量的指紋并且算法必須比監(jiān)控狀態(tài)下要可靠。

　　生物識(shí)別技術(shù)新時(shí)代

　　安全需求提升帶來(lái)生物識(shí)別技術(shù)的加速普及。我們認(rèn)為安全需求是生物識(shí)別技術(shù)市場(chǎng)發(fā)展的核心驅(qū)動(dòng)力。1)個(gè)人安全需求層次：生物識(shí)別技術(shù)在智能終端市場(chǎng)應(yīng)用的爆發(fā)。根據(jù)我們產(chǎn)業(yè)鏈調(diào)研情況推測(cè)，繼指紋識(shí)別技術(shù)首次在iPhone5S上應(yīng)用后，9月發(fā)布的三星Note4手機(jī)或?qū)⒋钶d虹膜掃描識(shí)別功能以提高手機(jī)安全性，其它科技廠商也在陸續(xù)跟進(jìn)。2)公共安全需要層次：政府主導(dǎo)下大中型應(yīng)用系統(tǒng)將加速推進(jìn)。隨著全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市化進(jìn)程的推進(jìn)，各國(guó)均在加大對(duì)暴恐等公共安全監(jiān)管的投入力度，以美國(guó)、歐盟、印度等為代表的全球主要地區(qū)政府相繼實(shí)施生物識(shí)別技術(shù)相關(guān)大型系統(tǒng)工程，推動(dòng)生物識(shí)別技術(shù)在公共安全領(lǐng)域的加速普及。全球生物識(shí)別市場(chǎng)未來(lái)五年復(fù)合增速達(dá)35.2%，市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到370億美元。

　　根據(jù)我們的模型測(cè)算，預(yù)計(jì)以指紋識(shí)別、人臉識(shí)別、以及虹膜識(shí)別“三駕馬車”為主的生物識(shí)別市場(chǎng)規(guī)模2018年將達(dá)到370.2億美元，2013~2018年復(fù)合增長(zhǎng)率為35.2%。分結(jié)構(gòu)看，指紋識(shí)別和虹膜識(shí)別的驅(qū)動(dòng)力主要來(lái)自智能終端應(yīng)用市場(chǎng)的爆發(fā)，人臉識(shí)別的驅(qū)動(dòng)力主要來(lái)自公共安全市場(chǎng)的需求提升。人臉識(shí)別和虹膜識(shí)別由于基數(shù)小爆發(fā)力強(qiáng)，其在整個(gè)生物識(shí)別市場(chǎng)的占比，將從2013年的11.4%、5.1%，提高至2018年的22.4%和22.1%。而作為人口大國(guó)的中國(guó)，在信息安全需求、公共安全需求、生物特征識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)化推動(dòng)等多重因素的推動(dòng)下，生物識(shí)別潛在市場(chǎng)空間正在加速打開。

　　結(jié)語(yǔ)

　　生物特征識(shí)別技術(shù)不僅僅是上文提到的指紋識(shí)別、人臉識(shí)別技術(shù)，還包括很多其它如靜脈識(shí)別、掌紋識(shí)別等技術(shù)。但指紋和人臉識(shí)別是目前或者未來(lái)應(yīng)用最廣泛的技術(shù)。特別是人臉識(shí)別技術(shù)，如果能夠很好地利用到目前已經(jīng)部署的攝像頭，將能夠很好地預(yù)防一些犯罪事件的發(fā)生。當(dāng)然，個(gè)人隱私問(wèn)題也需要進(jìn)一步探討。值得一提的是，多種生物特征融合的識(shí)別技術(shù)也將是未來(lái)的熱門方向之一。