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摘要：生物特征識別技術是用基于生理或行為特征來識別人員或驗證人員身份的自動化方法，具有可靠地區分授權人員和冒名頂替者的能力。由于生物特征具有唯一性，不能被遺忘或丟失，并且需要認證的用戶必須在識別時親自出現，因此生物特征在本質上比傳統的基于知識和基于令牌的技術更可靠。目前生物特征識別技術為各種應用提供了快速、便捷、準確、可靠的身份驗證方法。我們在面臨技術選擇時應該如何做決定？本文概述了常見生物特征識別技術的優缺點，通過分析與比較為技術選擇提供參考。

關鍵詞：生物特征；指紋；虹膜；面部特征

1背景介紹

簡單來說，在身份認證領域里生物特征指的是一個人與生俱來的生理特征，例如：指紋、虹膜、面部特征等。利用這些特征進行身份認證有很多優點，當然，沒有一種能夠滿足所有需求的完美的生物特征識別技術，每一種技術都有其自身的優缺點。但是，要使生物識別系統可用，需要具備一些共同的特征。首先，生物特征識別必須基于可區別的特征。有大量的科學數據支持“沒有兩個指紋是相同的”的想法。諸如手部幾何學之類的技術已經使用了很多年，諸如面部或虹膜識別之類的技術已得到廣泛使用。一些更新的生物識別方法可能同樣準確，但是可能需要更多的研究來確定其獨特性。另一個關鍵方面是系統的“用戶便利性”。用戶身份驗證的過程應該快速簡便，例如用攝像機拍攝照片，對著麥克風講話或觸摸指紋掃描儀。第三，低成本也很關鍵。生物特征識別所涉及的不僅是傳感器或配套軟件的初始成本，可能還需要考慮到對于老舊系統的兼容問題，這又是一項難以預料的投入。生物特征識別技術早已在犯罪鑒定及監獄安全等領域廣泛應用，并且具有很強的潛力，可廣泛應用于民用應用，例如電子銀行，電子商務和訪問控制。由于電子交易的數量和用途的迅速增加，電子銀行和電子商務正成為生物識別技術最重要的新興應用之一。這些應用程序包括信用卡和智能卡安全性，ATM安全性，支票兌現和資金轉賬，在線交易和Web訪問等。隨著技術的進步，會有越來越多的領域使用生物特征識別技術進行身份驗證[1]。生物特征認證要求將已注冊的生物特征樣本（生物模板或標識符）與新捕獲的生物特征樣本（例如，登錄期間捕獲的指紋）進行比較。在注冊過程中，將采集生物特征的樣本，由計算機進行處理并存儲，供以后比較?？梢栽凇白R別”模式下使用生物特征識別，其中生物特征識別系統通過僅基于生物特征識別在數據庫中搜索匹配項來從整個登記人群中識別一個人。系統也可以在“驗證”模式下使用，在該模式下，生物特征識別系統會根據之前的注冊模式來驗證一個人所聲稱的身份。這也稱為“一對一”匹配[2]。

2常用生物特征

2.1人臉識別

人臉識別的實現方式有很多種。例如，使用廉價的相機捕獲可見光譜中的面部圖像，或者使用面部熱量散發的紅外模式?？梢姽庵械拿娌孔R別通常從面部圖像的中心部分對關鍵特征進行建模?？梢姽庀到y使用各種各樣的相機，從捕獲的圖像中提取不會隨時間變化的特征，同時避免了諸如面部表情或頭發之類的表面特征。在可見光譜中對面部圖像建模的幾種方法有主成分分析，局部特征分析，神經網絡，彈性圖論和多分辨率分析等。面部光譜識別中遇到的一些挑戰包括減少可變照明的影響以及檢測遮罩或照片。盡管許多系統使用實時過程來檢測人的頭部并自動定位面部，但是某些面部識別系統可能需要固定的或擺姿勢的用戶才能捕獲圖像。面部識別的主要好處是它是非侵入性的，免提的，連續的，并為大多數用戶所接受[3]。

2.2語音識別

語音識別的歷史可以追溯到大約40年前，當時對幾個模擬濾波器的輸出進行了平均，以進行匹配。語音識別利用已發現的個體間語音的聲學特征。這些聲音模式既反映了解剖結構（例如，喉嚨和嘴巴的大小和形狀）又反映了學習的行為模式（例如，聲音音調，說話風格）。這種將學習到的模式結合到語音模板（后者稱為“語音記錄”）中的方法已經贏得了演講者的認可，被歸類為“行為生物特征”。語音識別系統采用三種語音輸入方式：與文本有關，與文本提示有關以及與文本無關。大多數語音驗證應用程序使用依賴于文本的輸入，這涉及一個或多個語音密碼的選擇和注冊。只要有冒名頂替者，都會使用文本提示輸入。用于處理和存儲聲紋的各種技術包括隱馬爾可夫模型，模式匹配算法，神經網絡，矩陣表示和決策樹等。語音行為屬性的更改以及使用一部電話注冊并在另一部電話進行驗證可能會導致性能下降。識別系統還需要解決由于年齡老化導致的語音變化。許多公司銷售語音識別引擎，通常將其作為大型語音處理，控制和交換系統的一部分。生物特征的捕獲被認為是非侵入性的。通過使用現有的麥克風和語音傳輸技術，該技術幾乎不需要額外的硬件，從而可以通過普通電話（有線或無線）進行長距離識別[4]。

2.3虹膜識別

這種識別方法是利用眼睛的虹膜，它是圍繞瞳孔的有色區域。虹膜圖案被認為是唯一的。虹膜圖案是通過基于視頻的圖像采集系統獲得的。虹膜掃描設備已經在個人身份認證應用中使用了幾年?；诤缒ぷR別的系統的價格已大幅下降，并且這種趨勢有望繼續。該技術在驗證和識別模式下都非常有效。甚至在存在眼鏡和隱形眼鏡的情況下也可以使用當前的系統。該技術不是侵入性的，它不需要用戶與掃描儀進行物理接觸[4]。

2.4手和手指的幾何形狀識別

手識別已經有二十多年的歷史了。為了實現個人身份認證，系統可以測量手指或手的物理特征。這些包括手的長度，寬度，厚度和表面積。手的幾何形狀已在一系列應用中得到認可。在商業和住宅門禁，時間和考勤系統以及一般個人身份驗證應用中的物理訪問控制中經常可以找到它[3]。

2.5簽名驗證

該技術使用簽名的動態分析來對人進行身份驗證。該技術基于產生簽名時對人用力的速度，壓力和角度的測量。這項技術的重點是電子商務應用程序和其他應用程序，其中簽名是公認的個人身份驗證方法[4]。

2.6指紋

一個人的指尖上的摩擦脊和谷的模式對該人而言是唯一的。幾十年來，執法人員一直在通過匹配脊末端和分支的關鍵點來對身份進行分類和確定。指紋對于一個人的每個手指都是唯一的，包括同卵雙胞胎。作為最商業化的生物特征識別技術之一，用于臺式機和筆記本電腦訪問的指紋識別設備現已廣泛使用，用戶不再需要輸入密碼，只需觸摸即可提供即時訪問。指紋是指尖上的脊和溝紋，已被廣泛用于個人識別。指紋形成的生物學特性是眾所周知的，并且指紋已經被用于多個世紀的鑒定目的。自20世紀初以來，指紋已被世界各地的各個法證部門廣泛用于識別罪犯。由于其犯罪含義，有些人在為民用應用提供指紋以進行識別時感到不舒服。但是，由于基于指紋的生物特征識別系統可以高度肯定地提供可靠的識別，并且緊湊的固態指紋傳感器可以嵌入各種系統中，因此基于指紋的身份驗證在手機中越來越受歡迎。廉價，緊湊的固態掃描儀以及強大的指紋匹配器的可用性是基于指紋的識別系統普及的兩個重要因素。與其他生物特征識別技術相比，指紋也有許多缺點[5]。

3優缺點對照

在上一節中介紹了常見的生物特征識別技術，這些技術并不是十全十美的，在使用它們時還必須考慮環境、成本、用戶便利性等因素。接下來，我們通過表1對比各項技術的優缺點。

3.1優點綜述

（1）高可靠性

通過驗證用戶所擁有（例如：UKey）或所固有（例如：指紋）的東西，生物特征識別技術為我們提供了一種真實感，為攻擊者獲取授權增加了一道障礙，使得攻擊者即便在獲得密碼之后，仍然由于不具備生物特征而無法獲得授權。此外，生物特征識別只能由呼吸中的活人提供，因此，機器人將很難通過虹膜掃描。

（2）用戶便利性

雖然生物特征認證的內部過程是技術性的，但從用戶的角度來看，它的過程非常簡單快捷。將手指放在掃描儀上并在數秒內解鎖賬戶，比輸入包含多個特殊字符的長密碼快得多。另外，忘記密碼是大多數用戶的常見錯誤。但是，您會忘記指紋嗎？恐怕不容易。

（3）唯一性

生物特征認證要求在授權時提供其輸入。您無法以數字方式轉移或共享生物特征，換句話說，能提供生物特征通過驗證的用戶就是本人。

（4）防偽性

像臉部圖案，指紋，虹膜掃描等生物識別技術幾乎不可能用當前技術進行復制。您的指紋與他人的指紋完全匹配的可能性為640億分之一[1]。換句話說，與擁有試圖通過生物識別技術保護您的賬戶的黑客擁有相同的指紋相比，您有更大的機會贏得彩票。

3.2缺點綜述

（1）成本高

先進的安全系統需要大量的投資和實施成本也就不足為奇了。Spiceworks在2018年進行的一項調查中，有67％的IT專業人員將成本視為“不采用生物特征認證的最大原因”。過渡到生物識別認證將不是公司唯一需要付費的事情，有47％的受訪者表示需要升級當前系統以支持其設備向生物識別認證的轉變[2]。

（2）數據泄露危害更大

收集和存儲用戶個人數據的企業和政府一直受到黑客的威脅。由于生物特征識別數據是不可替代的，因此組織需要更加謹慎的對待敏感的生物特征識別數據。如果密碼被盜用，還能對其進行更改。對于一個人的生物特征而言，這就沒那么容易修改了。

（3）隱私泄露

隨著世界上對諸如面部識別技術和其他生物特征安全措施之類的生物特征認證系統的使用的增加，需要考慮用戶的隱私。當將生物特征識別技術轉換為數據并進行存儲時，攻擊者甚至可以利用這些數據跟蹤用戶，用戶只是經過了攝像頭，就會在系統內留下一條數字記錄，而且是在用戶完全不知道的情況下。

（4）誤報和不準確

大多數常見的生物特征認證方法都是依靠部分信息來認證用戶的身份。例如，移動生物識別設備將在注冊階段掃描整個指紋，并將其轉換為數據。但是，將來對指紋進行生物特征認證時，只會使用部分打印內容來驗證身份，因此它將會越來越快。紐約大學的一個研究團隊于2018年創建了一個人工智能平臺，該平臺能夠通過將部分打印的相似性與完整生物特征數據進行匹配來以20％的成功率欺詐性地破解指紋認證[3]。

4結論

生物特征識別技術的廣泛應用，給我們的生活提供了很多便利，但受限于技術本身，不同的生物特征識別技術都有各自的優缺點。結合實際、揚長避短的選擇是我們在工作中應該考慮的重點問題。

作者：李維峰   單位：中國飛行試驗研究院