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智能鎖四大生物識別技術對比分析

 目前智能鎖識別主要有四大生物識別技術,分別是指靜脈、指紋、人臉和虹膜。這些技術或許大家都聽說過,但是具體原理是什么,如何實現,各有什么特點和優缺點?本文就來總結分析下。

指靜脈識別

技術原理:

指靜脈識別是利用檢測手指靜脈血管的紋路特征實現身份認證。醫學研究發現當用近紅外線照射手指時,靜脈中流動的血紅蛋白會吸收近紅外線從而形成血管的影像,通過傳感器可以獲取手指靜脈的圖像并經算法處理形成特定的指靜脈模板。

經過醫學的驗證,每個人的手指靜脈血管影像都不一樣,形成的模板是一種獨特的生物特征,可用于進行身份的識別。

技術實現:

指靜脈識別技術主要包括4個階段:圖像采集、預處理、特征提取、特征匹配。如下圖所示:

智能鎖四大生物識別技術對比分析

圖1:典型指靜脈系統流程

(1)圖像采集

指靜脈特采集設備主要分為光反射式采集和光投射式采集兩種。

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圖2:光反射式采集

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圖3:光直射式采集

這兩種圖像采集方式的主要區別是近紅外光源和影像手機設備的放置位置,光反射式采集近紅外光源與影像傳感器位于手指同側,而光直射式采集近紅外光源與影像傳感器位于手指兩側。目前市場上主流的技術廠商均采用光直射式采集方法。

(2)預處理

受采集設備質量、光照條件等因素的影響,采集到的指靜脈圖像往往會帶有一定噪聲,質量不夠理想,這就需要采用相應的預處理技術加以解決。

(3)特征提取

當前使用的指靜脈特征主要包括靜脈紋路特征、紋理特征、細節點特征和通過學習獲得的特征。

(4)特征匹配

將表達信息需求的檢索提問與存儲在檢索系統中的信息標識進行異同的比較與匹配,選取兩者相符或部分相符的信息予以輸出。

優劣勢分析:

優點

1)屬于內生理理特征,不會磨損,較難偽造,具有很高安全性。

2)血管特征通常更明顯,容易辨識,抗干擾性好。

3)可實現非接觸式測量,衛生性好,易于為用戶接受。

4)不易受手表面傷痕或油污的影響。

缺點

1)手背靜脈仍可能隨著年齡和生理的變化而發生變化,永久性尚未得到證實

2)雖然可能性較小,但仍然存在無法成功注冊登記的可能。

3)由于采集方式受自身特點的限制,產品難以小型化。

4)采集設備有特殊要求,設計相對復雜,制造成本高。

指紋識別

技術原理:

指紋是手指末端正面皮膚上凸凹不平產生的紋路。盡管指紋只是人體皮膚的小部分,但是,它蘊涵著大量的信息。指紋特征可分為兩類:總體特征和局部特征。

指紋識別技術通常使用指紋的總體特征如紋形、三角點等來進行分類,再用局部特征如位置和方向等來進行用戶身份識別。由于每個人的指紋不同,就是同一人的十指之間,指紋也有明顯區別,因此指紋可用于身份鑒定。

技術實現:

指紋識別技術主要涉及四個功能:讀取指紋圖像、提取特征、保存數據和比對。通過指紋讀取設備讀取到人體指紋的圖像,然后要對原始圖像進行初步的處理,使之更清晰,再通過指紋辨識軟件建立指紋的特征數據。

指紋識別過程:指紋采樣→指紋圖像預處理→二值化處理→細化,紋路提取→細節特征提取→指紋匹配(即指紋庫的查對)。如下圖所示。

智能鎖四大生物識別技術對比分析

圖4:指紋識別過程

目前用于指紋采集的主要有三種方式:電容式、活體光學式、生物射頻式。

(1)電容式

電容式是利用一定間隔的安裝的兩個電容,利用指紋的凹凸,在手指滑過指紋檢測儀器時接通或斷開兩個電容的電流以檢測指紋資料。電容傳感器對手指的干凈要求還是比較高,而且傳感器表面使用硅材料,比較容易損壞。

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圖5:電容式采集

(2)光學式

通過光反射成像來記錄和驗證指紋。光學識別是較早的指紋識別技術?;诠鈱W發射裝置發射的光線,射到手指上再反射回機器以獲取數據,并對比資料庫看是否一致。光學識別只能到達皮膚的表皮層,而不能到達真皮層,而且受手指表面是否干凈影響較大。

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圖6:光學式

(3)生物射頻式

生物射頻方式是通過傳感器發射微量的射頻信號,穿透手指的表皮層獲取里層的紋路以獲取信息。這種方法對手指的干凈程度要求較低。相對于前兩種技術來說,射頻傳感器對手指的干凈程度要求較低,可以產生高質量的圖像。

此外,由于能夠采集高質量圖像,所以可以在保證一定認證可靠性的前提下減小傳感器面積,從而可以減少一定的成本,并且可以使得射頻傳感器可以應用到各種小型化移動設備當中。不過,由于是需要主動發射信號,所以功耗相對電容式要高。另外目前應用此類技術的廠商比較少,所以整體的成本還是相對比較高。

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圖7:生物射頻式

優劣勢分析:

優點

1)指紋是人體獨一無二的特征,并且它們的復雜度足以提供用于鑒別的足夠特征。

2) 如果想要增加可靠性,只需登記更多的指紋,鑒別更多的手指,最多可以達到十個。

3) 掃描指紋的速度很快,使用非常方便。

4)指紋采集頭可以更加小型化,并且價格會更加低廉。

缺點

1)某些人或某些群體的指紋因為指紋特征很少,故而很難成像。

2)過去因為在犯罪記錄中使用指紋,使得某些人害怕“將指紋記錄在案”。

3)指紋痕跡存在被用來復制指紋的可能性。

人臉識別

技術原理:

人臉識別,是基于人的臉部特征信息進行身份識別的一種生物識別技術。用攝像機或攝像頭采集含有人臉的圖像或視頻流,并自動在圖像中檢測和跟蹤人臉,進而對檢測到的人臉進行臉部的一系列相關技術,通常也叫做人像識別、面部識別。

技術實現:

人臉識別步驟主要分為人臉圖像采集及檢測、人臉圖像預處理、人臉圖像特征提取以及匹配和識別。

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圖8:人臉識別過程

(1)人臉檢測

人臉檢測是指從輸入圖像中檢測并提取人臉圖像,通常采用haar特征和Adaboost算法訓練級聯分類器對圖像中的每一塊進行分類。如果某一矩形區域通過了級聯分類器,則被判別為人臉圖像。

(2)圖像預處理

對于人臉的圖像預處理是基于人臉檢測結果,對圖像進行處理并最終服務于特征提取的過程。系統獲取的原始圖像由于受到各種條件的限制和隨機干擾,往往不能直接使用,必須在圖像處理的早期階段對它進行灰度校正、噪聲過濾等圖像預處理。對于人臉圖像而言,其預處理過程主要包括人臉圖像的光線補償、灰度變換、直方圖均衡化、歸一化、幾何校正、濾波以及銳化等。

(3)特征提取

特征提取是指通過一些數字來表征人臉信息,這些數字就是我們要提取的特征。常見的人臉特征分為兩類,一類是幾何特征,另一類是表征特征。幾何特征是指眼睛、鼻子和嘴等面部特征之間的幾何關系,如距離、面積和角度等。由于算法利用了一些直觀的特征,計算量小。

表征特征利用人臉圖像的灰度信息,通過一些算法提取全局或局部特征。其中比較常用的特征提取算法是LBP算法。LBP方法首先將 圖像分成若干區域,在每個區域的像素640x960鄰域中用中心值作閾值化,將結果看成是二進制數。

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圖9:特征點提取

(4)人臉識別

這里提到的人臉識別是狹義的人臉識別,即將待識別人臉所提取的特征與數據庫中人臉的特征進行對比,根據相似度判別分類。而人臉識別又可以分為 兩個大類:一類是確認,這是人臉圖像與數據庫中已存的該人圖像比對的過程,回答你是不是你的問題;另一類是辨認,這是人臉圖像與數據庫中已存的所有圖像匹 配的過程,回答你是誰的問題。

優劣勢分析:

優點

(1)使用方便,用戶接受度高。

(2)直觀性突出。人臉無疑是肉眼能夠判別的最直觀的信息源。

(3)識別精確度高,誤識率、拒認率較低。

(4)不易仿冒,在安全性要求高的應用場合,人臉識別技術要求識別對象必須親臨識別現場,他人難以仿冒。

(5)成本較低,性價比高,易于推廣使用。

缺點

(1)識別算法難度大。

(2)易變性。面部的外形容易受多方面因素的影響。

虹膜識別

技術原理:

虹膜識別技術,簡單來說是一種基于眼睛中的虹膜進行身份識別的安全檢測技術。從技術層面來講,就是通過一種近似紅外線的光線對虹膜圖案進行掃描成像,并通過圖案象素位的差異或操作來判定相似程度,達到用戶信息確認的目的。由于人的虹膜終身不變,就算平時我們常見的近視眼、白內障、紅眼病對虹膜也完全不會造成破壞,這些特征決定了虹膜特征以及身份識別的唯一性。

技術實現:

一般來說,虹膜識別技術的過程主要有四個過程,分別為虹膜圖像獲取、圖像預處理、特征提取和特征匹配。

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圖10:虹膜識別系統

(1)虹膜圖像獲取

是指使用特定的數字攝像器材對人的整個眼部進行拍攝,并將拍攝到的圖像通過圖像采集卡傳輸到計算機中存儲;

(2)圖像預處理

是指由于拍攝到的眼部圖像包括了很多多余的信息,并且在清晰度等方面不能滿足要求,需要對其進行包括圖像平滑、邊緣檢測、圖像分離等預處理操作;

(3)·特征提取

是指通過一定的算法從分離出的虹膜圖像中提取出獨特的特征點,并對其進行編碼;

(4)特征匹配

是指根據特征編碼與數據庫中事先存儲的虹膜圖像特征編碼進行比對、驗證,從而達到識別的目的。

在虹膜識別過程之前,技術實現上要求通過對人類的虹膜進行標志性特征的定位,并且利用這些特征和具體形狀對虹膜進行成像、特征分離和提取?;诤缒こ上?,二維Gabor波將其篩選和繪制為相量,相量的信息包括方向和空間頻率(圖像內容)以及圖像位置,利用這些相量信息繪制為“虹膜碼”,最終使用虹膜碼進行認證。

目前,虹膜識別的工作方式主要是通過紅外掃描來實現虹膜的解鎖,實際應用的時候則利用一個發光二極管(紅外光)和光接收傳感器工作,在虹膜檢測時,首先打開紅外LED,紅外LED發出紅外光,打到人的眼球上再反射回來,由虹膜Camera捕捉圖片,供后端算法進行識別。

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圖11:虹膜識別的工作方式

優劣勢分析:

優點

1)便于用戶使用;

2)可能會是最可靠的生物識別技術;

3)不需物理的接觸;

4)可靠性高。

缺點

1)很難將圖像獲取設備的尺寸小型化;

2)設備造價高,無法大范圍推廣;

3)鏡頭可能產生圖像畸變而使可靠性降低。

總結

最后對各大技術進行對比,依據某知名生物特征識別技術供應商對指紋、人臉、虹膜、指靜脈等識別技術的比對評測,綜合結論如下表所示:

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圖12:指紋、人臉、虹膜、指靜脈等識別技術的比對評測

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