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摘要：生物特征識(shí)別技術(shù)是用基于生理或行為特征來(lái)識(shí)別人員或驗(yàn)證人員身份的自動(dòng)化方法，具有可靠地區(qū)分授權(quán)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(rèn)證的用戶必須在識(shí)別時(shí)親自出現(xiàn)，因此生物特征在本質(zhì)上比傳統(tǒng)的基于知識(shí)和基于令牌的技術(shù)更可靠。目前生物特征識(shí)別技術(shù)為各種應(yīng)用提供了快速、便捷、準(zhǔn)確、可靠的身份驗(yàn)證方法。我們?cè)诿媾R技術(shù)選擇時(shí)應(yīng)該如何做決定？本文概述了常見生物特征識(shí)別技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，通過(guò)分析與比較為技術(shù)選擇提供參考。

關(guān)鍵詞：生物特征；指紋；虹膜；面部特征

1背景介紹

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，在身份認(rèn)證領(lǐng)域里生物特征指的是一個(gè)人與生俱來(lái)的生理特征，例如：指紋、虹膜、面部特征等。利用這些特征進(jìn)行身份認(rèn)證有很多優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)然，沒(méi)有一種能夠滿足所有需求的完美的生物特征識(shí)別技術(shù)，每一種技術(shù)都有其自身的優(yōu)缺點(diǎn)。但是，要使生物識(shí)別系統(tǒng)可用，需要具備一些共同的特征。首先，生物特征識(shí)別必須基于可區(qū)別的特征。有大量的科學(xué)數(shù)據(jù)支持“沒(méi)有兩個(gè)指紋是相同的”的想法。諸如手部幾何學(xué)之類的技術(shù)已經(jīng)使用了很多年，諸如面部或虹膜識(shí)別之類的技術(shù)已得到廣泛使用。一些更新的生物識(shí)別方法可能同樣準(zhǔn)確，但是可能需要更多的研究來(lái)確定其獨(dú)特性。另一個(gè)關(guān)鍵方面是系統(tǒng)的“用戶便利性”。用戶身份驗(yàn)證的過(guò)程應(yīng)該快速簡(jiǎn)便，例如用攝像機(jī)拍攝照片，對(duì)著麥克風(fēng)講話或觸摸指紋掃描儀。第三，低成本也很關(guān)鍵。生物特征識(shí)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(duì)于老舊系統(tǒng)的兼容問(wèn)題，這又是一項(xiàng)難以預(yù)料的投入。生物特征識(shí)別技術(shù)早已在犯罪鑒定及監(jiān)獄安全等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，并且具有很強(qiáng)的潛力，可廣泛應(yīng)用于民用應(yīng)用，例如電子銀行，電子商務(wù)和訪問(wèn)控制。由于電子交易的數(shù)量和用途的迅速增加，電子銀行和電子商務(wù)正成為生物識(shí)別技術(shù)最重要的新興應(yīng)用之一。這些應(yīng)用程序包括信用卡和智能卡安全性，ATM安全性，支票兌現(xiàn)和資金轉(zhuǎn)賬，在線交易和Web訪問(wèn)等。隨著技術(shù)的進(jìn)步，會(huì)有越來(lái)越多的領(lǐng)域使用生物特征識(shí)別技術(shù)進(jìn)行身份驗(yàn)證[1]。生物特征認(rèn)證要求將已注冊(cè)的生物特征樣本（生物模板或標(biāo)識(shí)符）與新捕獲的生物特征樣本（例如，登錄期間捕獲的指紋）進(jìn)行比較。在注冊(cè)過(guò)程中，將采集生物特征的樣本，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理并存儲(chǔ)，供以后比較。可以在“識(shí)別”模式下使用生物特征識(shí)別，其中生物特征識(shí)別系統(tǒng)通過(guò)僅基于生物特征識(shí)別在數(shù)據(jù)庫(kù)中搜索匹配項(xiàng)來(lái)從整個(gè)登記人群中識(shí)別一個(gè)人。系統(tǒng)也可以在“驗(yàn)證”模式下使用，在該模式下，生物特征識(shí)別系統(tǒng)會(huì)根據(jù)之前的注冊(cè)模式來(lái)驗(yàn)證一個(gè)人所聲稱的身份。這也稱為“一對(duì)一”匹配[2]。

2常用生物特征

2.1人臉識(shí)別

人臉識(shí)別的實(shí)現(xiàn)方式有很多種。例如，使用廉價(jià)的相機(jī)捕獲可見光譜中的面部圖像，或者使用面部熱量散發(fā)的紅外模式?？梢姽庵械拿娌孔R(shí)別通常從面部圖像的中心部分對(duì)關(guān)鍵特征進(jìn)行建模?？梢姽庀到y(tǒng)使用各種各樣的相機(jī)，從捕獲的圖像中提取不會(huì)隨時(shí)間變化的特征，同時(shí)避免了諸如面部表情或頭發(fā)之類的表面特征。在可見光譜中對(duì)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(jīng)網(wǎng)絡(luò)，彈性圖論和多分辨率分析等。面部光譜識(shí)別中遇到的一些挑戰(zhàn)包括減少可變照明的影響以及檢測(cè)遮罩或照片。盡管許多系統(tǒng)使用實(shí)時(shí)過(guò)程來(lái)檢測(cè)人的頭部并自動(dòng)定位面部，但是某些面部識(shí)別系統(tǒng)可能需要固定的或擺姿勢(shì)的用戶才能捕獲圖像。面部識(shí)別的主要好處是它是非侵入性的，免提的，連續(xù)的，并為大多數(shù)用戶所接受[3]。

2.2語(yǔ)音識(shí)別

語(yǔ)音識(shí)別的歷史可以追溯到大約40年前，當(dāng)時(shí)對(duì)幾個(gè)模擬濾波器的輸出進(jìn)行了平均，以進(jìn)行匹配。語(yǔ)音識(shí)別利用已發(fā)現(xiàn)的個(gè)體間語(yǔ)音的聲學(xué)特征。這些聲音模式既反映了解剖結(jié)構(gòu)（例如，喉嚨和嘴巴的大小和形狀）又反映了學(xué)習(xí)的行為模式（例如，聲音音調(diào)，說(shuō)話風(fēng)格）。這種將學(xué)習(xí)到的模式結(jié)合到語(yǔ)音模板（后者稱為“語(yǔ)音記錄”）中的方法已經(jīng)贏得了演講者的認(rèn)可，被歸類為“行為生物特征”。語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)采用三種語(yǔ)音輸入方式：與文本有關(guān)，與文本提示有關(guān)以及與文本無(wú)關(guān)。大多數(shù)語(yǔ)音驗(yàn)證應(yīng)用程序使用依賴于文本的輸入，這涉及一個(gè)或多個(gè)語(yǔ)音密碼的選擇和注冊(cè)。只要有冒名頂替者，都會(huì)使用文本提示輸入。用于處理和存儲(chǔ)聲紋的各種技術(shù)包括隱馬爾可夫模型，模式匹配算法，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，矩陣表示和決策樹等。語(yǔ)音行為屬性的更改以及使用一部電話注冊(cè)并在另一部電話進(jìn)行驗(yàn)證可能會(huì)導(dǎo)致性能下降。識(shí)別系統(tǒng)還需要解決由于年齡老化導(dǎo)致的語(yǔ)音變化。許多公司銷售語(yǔ)音識(shí)別引擎，通常將其作為大型語(yǔ)音處理，控制和交換系統(tǒng)的一部分。生物特征的捕獲被認(rèn)為是非侵入性的。通過(guò)使用現(xiàn)有的麥克風(fēng)和語(yǔ)音傳輸技術(shù)，該技術(shù)幾乎不需要額外的硬件，從而可以通過(guò)普通電話（有線或無(wú)線）進(jìn)行長(zhǎng)距離識(shí)別[4]。

2.3虹膜識(shí)別

這種識(shí)別方法是利用眼睛的虹膜，它是圍繞瞳孔的有色區(qū)域。虹膜圖案被認(rèn)為是唯一的。虹膜圖案是通過(guò)基于視頻的圖像采集系統(tǒng)獲得的。虹膜掃描設(shè)備已經(jīng)在個(gè)人身份認(rèn)證應(yīng)用中使用了幾年。基于虹膜識(shí)別的系統(tǒng)的價(jià)格已大幅下降，并且這種趨勢(shì)有望繼續(xù)。該技術(shù)在驗(yàn)證和識(shí)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(dāng)前的系統(tǒng)。該技術(shù)不是侵入性的，它不需要用戶與掃描儀進(jìn)行物理接觸[4]。

2.4手和手指的幾何形狀識(shí)別

手識(shí)別已經(jīng)有二十多年的歷史了。為了實(shí)現(xiàn)個(gè)人身份認(rèn)證，系統(tǒng)可以測(cè)量手指或手的物理特征。這些包括手的長(zhǎng)度，寬度，厚度和表面積。手的幾何形狀已在一系列應(yīng)用中得到認(rèn)可。在商業(yè)和住宅門禁，時(shí)間和考勤系統(tǒng)以及一般個(gè)人身份驗(yàn)證應(yīng)用中的物理訪問(wèn)控制中經(jīng)常可以找到它[3]。

2.5簽名驗(yàn)證

該技術(shù)使用簽名的動(dòng)態(tài)分析來(lái)對(duì)人進(jìn)行身份驗(yàn)證。該技術(shù)基于產(chǎn)生簽名時(shí)對(duì)人用力的速度，壓力和角度的測(cè)量。這項(xiàng)技術(shù)的重點(diǎn)是電子商務(wù)應(yīng)用程序和其他應(yīng)用程序，其中簽名是公認(rèn)的個(gè)人身份驗(yàn)證方法[4]。

2.6指紋

一個(gè)人的指尖上的摩擦脊和谷的模式對(duì)該人而言是唯一的。幾十年來(lái)，執(zhí)法人員一直在通過(guò)匹配脊末端和分支的關(guān)鍵點(diǎn)來(lái)對(duì)身份進(jìn)行分類和確定。指紋對(duì)于一個(gè)人的每個(gè)手指都是唯一的，包括同卵雙胞胎。作為最商業(yè)化的生物特征識(shí)別技術(shù)之一，用于臺(tái)式機(jī)和筆記本電腦訪問(wèn)的指紋識(shí)別設(shè)備現(xiàn)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(shí)訪問(wèn)。指紋是指尖上的脊和溝紋，已被廣泛用于個(gè)人識(shí)別。指紋形成的生物學(xué)特性是眾所周知的，并且指紋已經(jīng)被用于多個(gè)世紀(jì)的鑒定目的。自20世紀(jì)初以來(lái)，指紋已被世界各地的各個(gè)法證部門廣泛用于識(shí)別罪犯。由于其犯罪含義，有些人在為民用應(yīng)用提供指紋以進(jìn)行識(shí)別時(shí)感到不舒服。但是，由于基于指紋的生物特征識(shí)別系統(tǒng)可以高度肯定地提供可靠的識(shí)別，并且緊湊的固態(tài)指紋傳感器可以嵌入各種系統(tǒng)中，因此基于指紋的身份驗(yàn)證在手機(jī)中越來(lái)越受歡迎。廉價(jià)，緊湊的固態(tài)掃描儀以及強(qiáng)大的指紋匹配器的可用性是基于指紋的識(shí)別系統(tǒng)普及的兩個(gè)重要因素。與其他生物特征識(shí)別技術(shù)相比，指紋也有許多缺點(diǎn)[5]。

3優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)照

在上一節(jié)中介紹了常見的生物特征識(shí)別技術(shù)，這些技術(shù)并不是十全十美的，在使用它們時(shí)還必須考慮環(huán)境、成本、用戶便利性等因素。接下來(lái)，我們通過(guò)表1對(duì)比各項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。

3.1優(yōu)點(diǎn)綜述

（1）高可靠性

通過(guò)驗(yàn)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(shí)別技術(shù)為我們提供了一種真實(shí)感，為攻擊者獲取授權(quán)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(wú)法獲得授權(quán)。此外，生物特征識(shí)別只能由呼吸中的活人提供，因此，機(jī)器人將很難通過(guò)虹膜掃描。

（2）用戶便利性

雖然生物特征認(rèn)證的內(nèi)部過(guò)程是技術(shù)性的，但從用戶的角度來(lái)看，它的過(guò)程非常簡(jiǎn)單快捷。將手指放在掃描儀上并在數(shù)秒內(nèi)解鎖賬戶，比輸入包含多個(gè)特殊字符的長(zhǎng)密碼快得多。另外，忘記密碼是大多數(shù)用戶的常見錯(cuò)誤。但是，您會(huì)忘記指紋嗎？恐怕不容易。

（3）唯一性

生物特征認(rèn)證要求在授權(quán)時(shí)提供其輸入。您無(wú)法以數(shù)字方式轉(zhuǎn)移或共享生物特征，換句話說(shuō)，能提供生物特征通過(guò)驗(yàn)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(shí)別技術(shù)幾乎不可能用當(dāng)前技術(shù)進(jìn)行復(fù)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(shuō)，與擁有試圖通過(guò)生物識(shí)別技術(shù)保護(hù)您的賬戶的黑客擁有相同的指紋相比，您有更大的機(jī)會(huì)贏得彩票。

3.2缺點(diǎn)綜述

（1）成本高

先進(jìn)的安全系統(tǒng)需要大量的投資和實(shí)施成本也就不足為奇了。Spiceworks在2018年進(jìn)行的一項(xiàng)調(diào)查中，有67％的IT專業(yè)人員將成本視為“不采用生物特征認(rèn)證的最大原因”。過(guò)渡到生物識(shí)別認(rèn)證將不是公司唯一需要付費(fèi)的事情，有47％的受訪者表示需要升級(jí)當(dāng)前系統(tǒng)以支持其設(shè)備向生物識(shí)別認(rèn)證的轉(zhuǎn)變[2]。

（2）數(shù)據(jù)泄露危害更大

收集和存儲(chǔ)用戶個(gè)人數(shù)據(jù)的企業(yè)和政府一直受到黑客的威脅。由于生物特征識(shí)別數(shù)據(jù)是不可替代的，因此組織需要更加謹(jǐn)慎的對(duì)待敏感的生物特征識(shí)別數(shù)據(jù)。如果密碼被盜用，還能對(duì)其進(jìn)行更改。對(duì)于一個(gè)人的生物特征而言，這就沒(méi)那么容易修改了。

（3）隱私泄露

隨著世界上對(duì)諸如面部識(shí)別技術(shù)和其他生物特征安全措施之類的生物特征認(rèn)證系統(tǒng)的使用的增加，需要考慮用戶的隱私。當(dāng)將生物特征識(shí)別技術(shù)轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)并進(jìn)行存儲(chǔ)時(shí)，攻擊者甚至可以利用這些數(shù)據(jù)跟蹤用戶，用戶只是經(jīng)過(guò)了攝像頭，就會(huì)在系統(tǒng)內(nèi)留下一條數(shù)字記錄，而且是在用戶完全不知道的情況下。

（4）誤報(bào)和不準(zhǔn)確

大多數(shù)常見的生物特征認(rèn)證方法都是依靠部分信息來(lái)認(rèn)證用戶的身份。例如，移動(dòng)生物識(shí)別設(shè)備將在注冊(cè)階段掃描整個(gè)指紋，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)。但是，將來(lái)對(duì)指紋進(jìn)行生物特征認(rèn)證時(shí)，只會(huì)使用部分打印內(nèi)容來(lái)驗(yàn)證身份，因此它將會(huì)越來(lái)越快。紐約大學(xué)的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)于2018年創(chuàng)建了一個(gè)人工智能平臺(tái)，該平臺(tái)能夠通過(guò)將部分打印的相似性與完整生物特征數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配來(lái)以20％的成功率欺詐性地破解指紋認(rèn)證[3]。

4結(jié)論

生物特征識(shí)別技術(shù)的廣泛應(yīng)用，給我們的生活提供了很多便利，但受限于技術(shù)本身，不同的生物特征識(shí)別技術(shù)都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。結(jié)合實(shí)際、揚(yáng)長(zhǎng)避短的選擇是我們?cè)诠ぷ髦袘?yīng)該考慮的重點(diǎn)問(wèn)題。

作者：李維峰   單位：中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院