基于RFID技術(shù)的多模態(tài)生物特征識(shí)別系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言

未來戰(zhàn)爭(zhēng)主要是信息戰(zhàn)，為適應(yīng)這種新的作戰(zhàn)形態(tài)，21世紀(jì)戰(zhàn)場(chǎng)士兵的身份也應(yīng)通過信息網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、隱形化、安全化。生物特征識(shí)別技術(shù)是利用人體固有的生理或行為特征來進(jìn)行身份識(shí)別和鑒定的科學(xué)，它比傳統(tǒng)的基于口令和身份號(hào)碼的方法更為安全、可靠和有效，正在越來越被人們所關(guān)注，并應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。軍人身份牌，又稱/士兵牌0或/生命牌0，早在美國(guó)南北戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)，美軍就開始配發(fā)這種小金屬牌，作為士兵隨身攜帶的身份標(biāo)志物。為了適應(yīng)現(xiàn)代高技術(shù)局部戰(zhàn)爭(zhēng)的需要，利用生物特征識(shí)別技術(shù)的特點(diǎn)，基于無限射頻識(shí)別技術(shù)（ RadioFrequency Ident i ficati on ，簡(jiǎn)稱RFID），將人體信息如指紋、面像及DNA等，通過信息融合技術(shù)儲(chǔ)存在后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中，并將檢索關(guān)鍵信息載入RFID卡，即/士兵牌0.用它來作為士兵身份準(zhǔn)確識(shí)別的唯一依據(jù)，并通過計(jì)算機(jī)終端與網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器組建成了/戰(zhàn)場(chǎng)個(gè)人身份識(shí)別系統(tǒng)0.

目前，基于各種生物特征識(shí)別技術(shù)的身份識(shí)別系統(tǒng)，正在越來越受人們的青睞，并逐步應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。但是，由于單個(gè)生物特征識(shí)別的信息表達(dá)和特征描述存在一定的局限性，為此，采用信息融合技術(shù)，通過對(duì)指紋、面像及DNA等信息融合處理的個(gè)人多模態(tài)生物特征識(shí)別系統(tǒng)，不僅加強(qiáng)了身份識(shí)別的安全性，更提高了它的準(zhǔn)確性，并將填補(bǔ)我軍類似/軍人牌0或/士兵牌0在相關(guān)領(lǐng)域的研究空白。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

目前，基于各種生物特征識(shí)別技術(shù)的身份識(shí)別系統(tǒng)，正逐步應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。但是，在/戰(zhàn)場(chǎng)個(gè)人身份識(shí)別系統(tǒng)0中是否需要在后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)指紋、面像及DNA等大容量的人體信息，必須根據(jù)應(yīng)用需求進(jìn)行確定。為此，針對(duì)/士兵牌0作為士兵隨身攜帶的身份標(biāo)志物，應(yīng)具有價(jià)格低廉、防水、防磁、耐高溫、使用壽命長(zhǎng)等要求。我們針對(duì)生物特征信息的特點(diǎn)，主要對(duì)部分生物特征進(jìn)行采集和信息處理。同時(shí)，按照具體作戰(zhàn)環(huán)境的需求，依據(jù)總體設(shè)計(jì)，分別擴(kuò)展了不同的內(nèi)容和功能，比如：多生物特征信息融合和GPS定位等等。

個(gè)人多模態(tài)生物特征識(shí)別系統(tǒng)主要通過計(jì)算機(jī)終端，首先將指紋、面像和DNA等，以及文字信息，采集輸入微處理器，進(jìn)行信息融合后，通過網(wǎng)絡(luò)寫入后臺(tái)個(gè)體生物特征信息數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，并可與其他有關(guān)軍人的軍事信息，政治信息，醫(yī)療、被裝、工薪、住房等供應(yīng)關(guān)系信息等進(jìn)行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)。同時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)唯一的ID序列號(hào)，并由RFI D讀寫器及其生物特征輔助信息寫入RFI D卡中。然后，識(shí)別時(shí)只需用RFID讀寫器讀取ID和生物特征輔助信息，輸入計(jì)算機(jī)終端后，經(jīng)由無線通訊網(wǎng)絡(luò)或局域網(wǎng)在個(gè)體生物特征信息數(shù)據(jù)庫(kù)中對(duì)其進(jìn)行匹配查詢。如圖1：

其中計(jì)算機(jī)終端可應(yīng)用基于Windows . net操作系統(tǒng)的微型計(jì)算機(jī)，內(nèi)部配置RFID讀寫器，并由擴(kuò)展接口，連接生物特征采集器，除DNA外，目前可對(duì)其他特征實(shí)時(shí)采集、讀寫。RFI D卡中的信息在寫入的同時(shí)需對(duì)其進(jìn)行加密保護(hù)。最終建立個(gè)體生物特征信息數(shù)據(jù)庫(kù)。以下主要針對(duì)生物特征的采集、多模態(tài)生物特征信息的融合與RFID系統(tǒng)的設(shè)計(jì)詳細(xì)論述。

2 生物特征的采集設(shè)計(jì)

2.1 生物特征識(shí)別技術(shù)

生物特征識(shí)別技術(shù)就是指通過計(jì)算機(jī)與光學(xué)聲學(xué)和生物統(tǒng)計(jì)學(xué)原理等相結(jié)合，利用人體固有的生理或行為特征，來進(jìn)行個(gè)人身份識(shí)別和鑒定的科學(xué)。人們通常將生理特征和行為特征統(tǒng)稱為生物特征。生理特征與生俱來，多為先天性的；行為特征則是習(xí)慣使然，多為后天性的。然而，人類任何生理或行為特征為實(shí)現(xiàn)身份識(shí)別，必須滿足以下幾個(gè)條件：

第一，普遍性：即必須每個(gè)人都具備這種特征；

第二，唯一性：即任何兩個(gè)人的特征是不一樣的；

第三，可采集性：即特征可測(cè)量；

第四，穩(wěn)定性：即特征在一段時(shí)間內(nèi)不改變。

同時(shí)，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，還應(yīng)考慮其他因素：實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性等等。常用的生物特征包括：指紋、掌紋、人臉、虹膜、視網(wǎng)膜、DNA、手形、簽名、語(yǔ)音、步態(tài)等。與傳統(tǒng)的基于口令和身份號(hào)碼的身份識(shí)別方法相比，生物特征識(shí)別技術(shù)具有不易遺忘或丟失；防偽性能好，不易偽造或被盜；隨身攜帶0，隨時(shí)隨地可用；價(jià)格低廉、易用性高、安全保密等諸多優(yōu)點(diǎn)。下面分別介紹系統(tǒng)中用到的生物特征識(shí)別技術(shù)。

2.2 指紋識(shí)別技術(shù)

指紋識(shí)別技術(shù)主要包括：讀取指紋圖像、特征提取、模式匹配。首先通過指紋讀取設(shè)備讀取到人指紋的圖像，再對(duì)原始圖像進(jìn)行預(yù)處理，使之更清晰。接下來進(jìn)行特征提取，指紋特征提取算法由以下三步組成： （圖2）

（a）讀取指紋圖像；（ b）區(qū)域定位；（ c）脊特征圖形；（d）細(xì)節(jié)提取

方向場(chǎng)估計(jì)：即對(duì)輸入圖像的方向場(chǎng)進(jìn)行估計(jì)。確定可用區(qū)域

脊特征提取：即提取脊特征并進(jìn)行細(xì)化

細(xì)節(jié)檢測(cè)及后處理：即從細(xì)化的脊特征圖中提取細(xì)節(jié)，確定脊特征參數(shù)坐標(biāo)、方向角及和脊相互關(guān)系。

用指紋識(shí)別技術(shù)建立指紋的數(shù)據(jù)庫(kù)，從指紋上找到被稱為/細(xì)節(jié)0的數(shù)據(jù)點(diǎn)，也就是那些指紋紋路的分叉、終止或打圈處的坐標(biāo)位置。有的算法把節(jié)點(diǎn)和方向信息組合產(chǎn)生了更多的數(shù)據(jù)，這些方向信息表明了各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系，也有的算法針對(duì)整幅指紋圖像進(jìn)行處理。把兩個(gè)指紋的模板進(jìn)行比較，計(jì)算出它們的相似程度，最終得到兩個(gè)指紋的匹配結(jié)果，從而達(dá)到鑒別個(gè)人身份的目的（圖3）。

指紋自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)是通過將輸入的指紋與數(shù)據(jù)庫(kù)里的指紋相比較從而實(shí)現(xiàn)識(shí)別的，因此它要求數(shù)據(jù)庫(kù)的容量足夠大，同時(shí)，實(shí)驗(yàn)表明指紋識(shí)別系統(tǒng)的輸入傳感器對(duì)大約4 %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，包括手指上的皮膚有傷疤、有繃帶包扎、長(zhǎng)繭、皮膚干燥、干濕度、病態(tài)的皮膚、老皮膚、特別光滑的皮膚、手指窄小和輸入傳感器受污染等都會(huì)影響指紋的識(shí)別效果。

2.3 人臉信號(hào)的采集

人臉識(shí)別系統(tǒng)的原理如圖4所示。首先，，由傳感器如CCD攝像機(jī)捕獲人臉圖像；其次經(jīng)預(yù)處理來提高圖像的品質(zhì)；再根據(jù)人臉檢測(cè)來定位人臉并將人臉圖像設(shè)置成預(yù)先定義的尺寸；特征提取用于抽取有效特征以降低原模式空間的維數(shù)，分類器則根據(jù)特征來做出決策分類。最后，將已檢測(cè)到的待識(shí)別的人臉與數(shù)據(jù)庫(kù)中的已知人臉進(jìn)行比較匹配，得出識(shí)別結(jié)果。

人臉識(shí)別方法主要有：基于側(cè)面人臉幾何特征的方法、正面人臉特征方法、正面人臉特征和側(cè)面人臉特征的混合法、模板匹配法、主元分析法、等密度線圖法、多模板相關(guān)方法、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模板匹配法等。

2.4 其他個(gè)人基本信息

DNA識(shí)別是利用人體細(xì)胞中DNA分子結(jié)構(gòu)的獨(dú)特性和永久性，進(jìn)一步深度識(shí)別個(gè)體身份，以致彌補(bǔ)指紋和面像識(shí)別技術(shù)中的不足，完善系統(tǒng)識(shí)別的準(zhǔn)確性。然而，與指紋、人臉信息相比，人體每一個(gè)細(xì)胞和組織的DNA序列都是一樣的。這種識(shí)別方法的準(zhǔn)確性優(yōu)于其他任何生物特征識(shí)別方法，因此，廣泛應(yīng)用于犯罪偵破。它的主要問題是使用者的倫理問題和實(shí)際的可接受性， DNA模式識(shí)別必須在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，難以達(dá)到實(shí)時(shí)以及抗干擾，耗時(shí)長(zhǎng)是另一個(gè)問題，從而限制了DNA識(shí)別技術(shù)的使用；此外，某些特殊疾病也可能改變?nèi)梭wDNA的結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)無法對(duì)這類人群進(jìn)行識(shí)別。由于DNA識(shí)別周期太長(zhǎng)，序列的測(cè)繪最快也需一個(gè)月。因此，它的實(shí)時(shí)性、抗干擾性，以及某些疾病引起人體DNA的結(jié)構(gòu)改變，是構(gòu)成影響DNA識(shí)別實(shí)際應(yīng)用于識(shí)別系統(tǒng)的主要問題。