指紋、虹膜和人臉之后，身份認(rèn)證領(lǐng)域的新熱點(diǎn)：手背靜脈識(shí)別?

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手背靜脈身份識(shí)別作為生物特征識(shí)別的方法之一，是近十幾年來(lái)新發(fā)展起來(lái)的一種生物特征識(shí)別方法，也是目前身份認(rèn)證領(lǐng)域最關(guān)注的熱點(diǎn)之一。

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手背靜脈

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手背靜脈擁有很好的唯一性和普遍性，在人與人之間和同一個(gè)人的兩只手之間，手背靜脈的血管紋理結(jié)構(gòu)是不相同的，并且個(gè)人的血管紋理結(jié)構(gòu)不隨時(shí)間變化；手背靜脈血管位于體表內(nèi)部，不易受到污染和劃傷等外界因素的影響，并且不易被仿制；手背靜脈圖像在采集過(guò)程中相對(duì)于人體其他部位的采集更易被接受，所有的這些特性使得手背靜脈身份識(shí)別技術(shù)成為一個(gè)合格的生物特征識(shí)別技術(shù)。

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現(xiàn)有生物識(shí)別方法存在的不足

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雖然指紋、人臉和虹膜識(shí)別近年來(lái)經(jīng)過(guò)不少學(xué)者和專家的研究，得到了長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展，而且已經(jīng)找到了許多魯棒性好、速度快的識(shí)別方法，但是，各種生物特征識(shí)別方法都具有難以克服的缺點(diǎn)。

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1.指紋識(shí)別

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指紋是人生而就有的物理表皮結(jié)構(gòu)，每個(gè)人指尖的溝壑紋理是不同于其他人的。指紋識(shí)別是最古老的生物特征識(shí)別，其概念被大眾所熟悉，所以現(xiàn)代指紋識(shí)別技術(shù)容易被人接受，只需要少量指導(dǎo)便可實(shí)現(xiàn)輕松采集。此外，指紋特征占據(jù)的存儲(chǔ)空間較小，設(shè)備輕巧，易于和移動(dòng)設(shè)備結(jié)合。但是，由于指紋是暴露在外面的表皮紋理，其結(jié)構(gòu)信息會(huì)受到灰塵、油、水等環(huán)境因素的影響；斷紋、無(wú)指紋以及脫皮和傷痕等問(wèn)題影響圖像采集質(zhì)量，導(dǎo)致指紋識(shí)別困難。

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手指脫皮

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另外，當(dāng)手與一些物體接觸時(shí)，會(huì)在這些物體表面留下指紋，這樣就容易被別人仿造，制造出各種指紋套，欺騙指紋識(shí)別系統(tǒng)。而且，對(duì)指紋套的活體防偽檢測(cè)也是當(dāng)前的難點(diǎn)問(wèn)題。

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指紋套

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2.虹膜識(shí)別

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虹膜識(shí)別是采集人眼虹膜區(qū)域的近紅外圖像進(jìn)行識(shí)別。虹膜的紋理結(jié)構(gòu)與生俱來(lái)，不會(huì)隨時(shí)間改變，其中含有豐富的信息量，大約是指紋紋理結(jié)構(gòu)中所含信息量的6 倍。虹膜識(shí)別是世界上精度最高的生物特征識(shí)別技術(shù)，應(yīng)用于高安全級(jí)別部門如軍隊(duì)、銀行等。但在虹膜識(shí)別中，一個(gè)最為主要的問(wèn)題是使用者容易存在心理上的排斥，所以，通過(guò)近紅外光照射人眼獲取虹膜圖像，不易被人接受。另外，在虹膜圖像采集過(guò)程中，需要眼部注意力集中在一個(gè)點(diǎn)上，通過(guò)適當(dāng)?shù)挠?xùn)練才能夠獲得更好的采集效果，這會(huì)很大程度地影響虹膜識(shí)別技術(shù)的推廣。

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虹膜圖像及其采集識(shí)別

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3.人臉識(shí)別

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人臉識(shí)別系統(tǒng)根據(jù)采集圖像的維數(shù)可以分為二維人臉識(shí)別系統(tǒng)和三維人臉識(shí)別系統(tǒng)。在二維人臉識(shí)別中，人臉會(huì)因?yàn)樯L(zhǎng)發(fā)育而發(fā)生變化，從而影響識(shí)別率，如長(zhǎng)胖、變瘦、長(zhǎng)出胡須等；另外，由于人具有豐富多彩的表情，也降低了識(shí)別的準(zhǔn)確性；而且，人臉還受周圍環(huán)境，如遮擋、光照等影響。

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人臉的衰老情況

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人臉表情變化

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三維人臉識(shí)別雖然不會(huì)受光照和拍攝角度影響，但是在大規(guī)模數(shù)據(jù)庫(kù)中效率緩慢，所以目前仍處在研發(fā)階段。

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手背靜脈識(shí)別的鮮明特色

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近年來(lái)，研究者一直在試圖尋找更為魯棒的身份識(shí)別手段。新型生物特征身份識(shí)別的研究受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注，耳形、掌紋、步態(tài)等身份識(shí)別方法也時(shí)有報(bào)道，其中手背靜脈身份識(shí)別在各種新型生物特征識(shí)別手段中脫穎而出，成為目前研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)之一。

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手背靜脈身份識(shí)別的原理框圖

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相比較指紋、虹膜和人臉識(shí)別，手背靜脈識(shí)別具有鮮明的特色。

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1.手背靜脈特征具有很好的普遍性和唯一性。

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解剖學(xué)著作Gray's Anatomy（《格式解剖學(xué)》）已經(jīng)證明，個(gè)體的手背靜脈在形成、發(fā)育生長(zhǎng)過(guò)程中具有很強(qiáng)的唯一性，手背靜脈身份識(shí)別技術(shù)即使是雙胞胎或者同一個(gè)人的左右手，也會(huì)因?yàn)榘l(fā)育過(guò)程的隨機(jī)性導(dǎo)致手背靜脈分布結(jié)構(gòu)的差異。當(dāng)人體發(fā)育成熟，20 歲后手背靜脈的分布結(jié)構(gòu)除非進(jìn)行手術(shù)或藥物作用，否則不再變化，因此手背靜脈作為一種新的生物特征是可行的。

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2. 活體識(shí)別特性和內(nèi)部特性。

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由于血液和皮下脂肪對(duì)近紅外光的吸收率不同，通常采用近紅外反射成像，獲得對(duì)比度清晰的手背靜脈紋理圖像，進(jìn)而完成特征提取與識(shí)別研究。另外，手背靜脈血管位于體表內(nèi)部，不易受到污染和劃傷等外界因素的影響，所以手背靜脈很難被仿造，安全性較高。

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3.近紅外反射成像設(shè)備屬于非接觸類型，且造價(jià)低廉，用戶和制造商容易接受。

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在部分國(guó)家特別是日本、韓國(guó)和新加坡等，手背靜脈識(shí)別產(chǎn)品如韓國(guó)的VP-II 和日本富士通的Palm Secure，都已經(jīng)進(jìn)入了實(shí)用領(lǐng)域。

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靜脈識(shí)別技術(shù)的發(fā)展歷程

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靜脈識(shí)別技術(shù)最早是由研究者M(jìn)acGregor 和Welford 于1991 年提出的，并開始受到關(guān)注。1995 年，Cross 和Smith發(fā)表的綜述性文章對(duì)手背靜脈識(shí)別的整個(gè)過(guò)程進(jìn)行了完整描述，從此手背靜脈識(shí)別技術(shù)進(jìn)入了快速發(fā)展階段。1997 年，韓國(guó)BK System公司發(fā)布了亞洲第一個(gè)商用手背靜脈驗(yàn)證產(chǎn)品BK-100。2006 年IBG 對(duì)日立公司的靜脈驗(yàn)證產(chǎn)品TS-E3F1 和富士通公司的靜脈驗(yàn)證產(chǎn)品Palm Secure 的測(cè)試結(jié)果表明，靜脈識(shí)別技術(shù)和虹膜識(shí)別技術(shù)的性能指標(biāo)相當(dāng)。在算法研究方面，2005 年新加坡南洋理工大學(xué)的Leedham 等利用熱紅外成像技術(shù)，使用局部自適應(yīng)分割方法提取手背靜脈特征，2008 年Leedham 等提出了基于細(xì)節(jié)特征分析的熱紅外手背靜脈識(shí)別方法，2009 年香港理工大學(xué)的Kumar 等提取靜脈血管的結(jié)構(gòu)信息和關(guān)節(jié)信息作為特征，并使用決策融合的方式進(jìn)行識(shí)別，2010 年克盧日-納波卡技術(shù)大學(xué)的Septimiu 等提出了低成本設(shè)備的成像質(zhì)量控制問(wèn)題，2011 年在香港舉辦了第一屆關(guān)于手的生物特征識(shí)別國(guó)際會(huì)議，人們對(duì)手背靜脈身份識(shí)別科學(xué)問(wèn)題的研究越來(lái)越重視。

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在國(guó)內(nèi)，從2002 年開始，清華大學(xué)的林喜榮等發(fā)表了多篇文章，自主設(shè)計(jì)了近紅外血管圖像采集儀，提取血管造影的原始圖像，并對(duì)采集到的圖像進(jìn)行歸一化和增強(qiáng)處理，對(duì)特征提取和特征匹配算法進(jìn)行了初步的研究。在2006 年，他們利用分水嶺算法提取特征點(diǎn)，并使用二階矩和統(tǒng)計(jì)的方法進(jìn)行多分辨率濾波得到多維特征向量。

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2005 年，哈爾濱工程大學(xué)的王科俊等發(fā)表了三篇文章，針對(duì)手背靜脈圖像的特點(diǎn)提出了自己的細(xì)化算法和分割算法。吉林大學(xué)的韓笑等在文章中提出了利用帶方向因子的小波（脊波）對(duì)手背靜脈血管和手指靜脈血管進(jìn)行增強(qiáng)，并使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步判斷血管特征點(diǎn)的方法。2006 年，靜脈識(shí)別技術(shù)首次獲得了國(guó)家自然科學(xué)基金的資助，這也是目前國(guó)內(nèi)靜脈識(shí)別領(lǐng)域第一項(xiàng)獲得國(guó)家自然科學(xué)基金資助的研究。2007 年同濟(jì)大學(xué)設(shè)計(jì)了嵌入式的手背靜脈輔助定位系統(tǒng)。2010 年北京大學(xué)的李文新等采用迭代的線性追蹤方法提取線性特征并將其分塊編碼，實(shí)現(xiàn)手指靜脈在大型數(shù)據(jù)庫(kù)中的搜索。2011 年天津大學(xué)的劉鐵根、王云新和李秀艷提出了一種基于加速魯棒性特征的手背靜脈識(shí)別算法，并設(shè)計(jì)了k 近鄰分類器和支持向量機(jī)相融合的分類器進(jìn)行識(shí)別。2010 年復(fù)旦大學(xué)的鄭英杰和顧曉東使用二維Gabor 相位編碼特征與直方圖特征相結(jié)合的方法提取手背靜脈特征。2011 年?yáng)|北大學(xué)的賈旭等使用多尺度下輪廓波變換的子帶能量作為特征，分別建立了隱馬爾可夫模型并進(jìn)行融合，實(shí)現(xiàn)真假匹配的區(qū)分。這些研究工作說(shuō)明手背靜脈技術(shù)越來(lái)越受到研究工作者的重視，同時(shí)說(shuō)明該項(xiàng)研究工作具有較高的理論意義。

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雖然手背靜脈識(shí)別技術(shù)的研究在國(guó)內(nèi)外取得了豐富的理論研究成果和商業(yè)應(yīng)用價(jià)值，但是目前比較成功的商用系統(tǒng)，如韓國(guó)的VP-II 和日本富士通PSN800 都是采用身份認(rèn)證技術(shù)（即1∶1 驗(yàn)證），很少有系統(tǒng)關(guān)注1∶N 身份識(shí)別問(wèn)題。研究身份識(shí)別問(wèn)題，尤其是大樣本條件下的手背靜脈身份識(shí)別，非常有限，目前發(fā)表的研究論文雖然對(duì)識(shí)別問(wèn)題進(jìn)行了研究，但實(shí)驗(yàn)大多在較小規(guī)模的數(shù)據(jù)上進(jìn)行，并且研究中未針對(duì)在大樣本情況下的手背靜脈識(shí)別實(shí)際問(wèn)題深入研究。面對(duì)我國(guó)人口眾多、人員流動(dòng)頻繁的具體情況，十分有必要研究大樣本條件下手背靜脈身份識(shí)別的關(guān)鍵問(wèn)題。

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手背靜脈身份識(shí)別技術(shù)存在的關(guān)鍵問(wèn)題

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相比指紋、人臉和虹膜識(shí)別技術(shù)的成功，如何在大樣本條件下實(shí)現(xiàn)手背靜脈的魯棒身份識(shí)別，開展相關(guān)的科學(xué)研究工作對(duì)深入推動(dòng)手背靜脈身份識(shí)別技術(shù)的理論研究和應(yīng)用研究具有重要意義。

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當(dāng)前在大樣本條件下，手背靜脈身份識(shí)別技術(shù)存在的關(guān)鍵問(wèn)題如下。

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1.樣本集規(guī)模與識(shí)別精度的理論問(wèn)題。

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下表是幾種典型的手背靜脈識(shí)別方法，其結(jié)果都具有較高的識(shí)別精度，但這些結(jié)果都是在幾十人的小樣本情況下得到的。從理論上講，樣本集規(guī)模的增大，會(huì)導(dǎo)致識(shí)別率的下降。目前關(guān)于樣本集規(guī)模與識(shí)別精度之間理論分析的研究未見報(bào)道。

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表 ?手背靜脈識(shí)別方法

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2.大規(guī)模近紅外手背靜脈圖像的質(zhì)量問(wèn)題。

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手背靜脈圖像質(zhì)量與識(shí)別率有直接的關(guān)系，Lin 和Fan 在文獻(xiàn)中通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了圖像亮度的改變對(duì)識(shí)別率有著直接的影響。顯然，除了圖像亮度，圖像的其他質(zhì)量參數(shù)也會(huì)影響識(shí)別率，但是現(xiàn)有的各種手背靜脈數(shù)據(jù)庫(kù)的圖像質(zhì)量在亮度、灰度分布、對(duì)比度、平滑度、尺寸大小和圖像活體性等方面存在一定差異。為了建立統(tǒng)一的大規(guī)模手背靜脈數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)行各種識(shí)別算法的比較，急需研究手背靜脈圖像質(zhì)量問(wèn)題。

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3.大規(guī)模數(shù)據(jù)庫(kù)中多人種、老齡化和非線性形變的魯棒特征提取問(wèn)題。

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西方人手背毛發(fā)濃密，手背靜脈圖像中毛發(fā)噪聲的隨機(jī)分布會(huì)嚴(yán)重影響識(shí)別效果。隨著年齡的增加，皮膚彈性變化造成血管粗細(xì)的變化和皮下脂肪對(duì)近紅外光吸收和反射特性的變化，也將導(dǎo)致血管粗細(xì)和分布特征的不穩(wěn)定。在識(shí)別過(guò)程中，使用者手的握力和姿態(tài)等各種非線性形變同樣會(huì)造成特征的不穩(wěn)定。針對(duì)多人種、老齡化和各種非線性形變的特殊情況，魯棒特征提取是必須研究的問(wèn)題。

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4. 面向大規(guī)模數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)時(shí)識(shí)別系統(tǒng)的分類決策問(wèn)題。

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目前發(fā)表的研究論文雖對(duì)識(shí)別問(wèn)題進(jìn)行了研究，但實(shí)驗(yàn)大多在較小規(guī)模的數(shù)據(jù)上進(jìn)行，小樣本情況下的距離分類器、支持向量機(jī)（Support Vector Machine，SVM）分類器和融合分類器等都有報(bào)道，也都取得了較高的識(shí)別率。但在大樣本情況下，分類決策如何保證識(shí)別精度，同時(shí)滿足識(shí)別速度的要求，仍有許多理論與方法問(wèn)題需要解決，動(dòng)態(tài)模型在線學(xué)習(xí)和快速相關(guān)處理分類器是較好的解決方案之一。

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綜上所述，相比較指紋、虹膜和人臉識(shí)別技術(shù)的成功使用和存在的問(wèn)題，綜合分析前期國(guó)內(nèi)外關(guān)于手背靜脈身份識(shí)別的研究成果，可以看到，在大樣本情況下，手背靜脈身份識(shí)別在樣本集規(guī)模與識(shí)別精度理論分析，手背靜脈圖像的質(zhì)量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，多人種、老齡化和非線性形變的特征魯棒和面向大規(guī)模數(shù)據(jù)庫(kù)的實(shí)時(shí)識(shí)別四方面需要深入的研究。對(duì)這些問(wèn)題的研究有助于建立手背靜脈身份識(shí)別的理論框架體系，建立統(tǒng)一的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，解決實(shí)時(shí)識(shí)別速度與實(shí)用性問(wèn)題。

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本文由劉四旦摘編自王一丁著《手背靜脈身份識(shí)別技術(shù)》一書。

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ISBN 978-7-03-045857-5

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《手背靜脈身份識(shí)別技術(shù)》是作者團(tuán)隊(duì)在手背靜脈身份識(shí)別方面多年研究成果的歸納與總結(jié)。全書共9 章，首先分析了指紋、虹膜和人臉識(shí)別技術(shù)的成功使用和存在的問(wèn)題，并討論了手背靜脈身份識(shí)別的鮮明特色和重要研究意義，然后從手背靜脈圖像采集設(shè)備的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)、手背靜脈圖像數(shù)據(jù)庫(kù)的建立、手背靜脈圖像的質(zhì)量評(píng)價(jià)、手背靜脈圖像的容量分析、手背靜脈圖像紋理結(jié)構(gòu)的特征提取、手背靜脈圖像的分類決策、手背靜脈圖像的活體檢測(cè)和手背靜脈身份識(shí)別系統(tǒng)這幾方面展開深入的研究，相關(guān)的科學(xué)研究工作對(duì)深入推動(dòng)手背靜脈身份識(shí)別技術(shù)的理論研究和應(yīng)用研究具有重要意義。

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編輯：丁一

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的指纹、虹膜和人脸之后，身份认证领域的新热点：手背静脉识别的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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