常用生物技术特征识别的优缺点研究

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摘要：生物特征识别技术是用基于生理或行为特征来识别人员或验证人员身份的自动化方法，具有可靠地区分授权人员和冒名顶替者的能力。由于生物特征具有唯一性，不能被遗忘或丢失，并且需要认证的用户必须在识别时亲自出现，因此生物特征在本质上比传统的基于知识和基于令牌的技术更可靠。目前生物特征识别技术为各种应用提供了快速、便捷、准确、可靠的身份验证方法。我们在面临技术选择时应该如何做决定？本文概述了常见生物特征识别技术的优缺点，通过分析与比较为技术选择提供参考。

关键词：生物特征；指纹；虹膜；面部特征

1背景介绍

简单来说，在身份认证领域里生物特征指的是一个人与生俱来的生理特征，例如：指纹、虹膜、面部特征等。利用这些特征进行身份认证有很多优点，当然，没有一种能够满足所有需求的完美的生物特征识别技术，每一种技术都有其自身的优缺点。但是，要使生物识别系统可用，需要具备一些共同的特征。首先，生物特征识别必须基于可区别的特征。有大量的科学数据支持“没有两个指纹是相同的”的想法。诸如手部几何学之类的技术已经使用了很多年，诸如面部或虹膜识别之类的技术已得到广泛使用。一些更新的生物识别方法可能同样准确，但是可能需要更多的研究来确定其独特性。另一个关键方面是系统的“用户便利性”。用户身份验证的过程应该快速简便，例如用摄像机拍摄照片，对着麦克风讲话或触摸指纹扫描仪。第三，低成本也很关键。生物特征识别所涉及的不仅是传感器或配套软件的初始成本，可能还需要考虑到对于老旧系统的兼容问题，这又是一项难以预料的投入。生物特征识别技术早已在犯罪鉴定及监狱安全等领域广泛应用，并且具有很强的潜力，可广泛应用于民用应用，例如电子银行，电子商务和访问控制。由于电子交易的数量和用途的迅速增加，电子银行和电子商务正成为生物识别技术最重要的新兴应用之一。这些应用程序包括信用卡和智能卡安全性，ATM安全性，支票兑现和资金转账，在线交易和Web访问等。随着技术的进步，会有越来越多的领域使用生物特征识别技术进行身份验证[1]。生物特征认证要求将已注册的生物特征样本（生物模板或标识符）与新捕获的生物特征样本（例如，登录期间捕获的指纹）进行比较。在注册过程中，将采集生物特征的样本，由计算机进行处理并存储，供以后比较。可以在“识别”模式下使用生物特征识别，其中生物特征识别系统通过仅基于生物特征识别在数据库中搜索匹配项来从整个登记人群中识别一个人。系统也可以在“验证”模式下使用，在该模式下，生物特征识别系统会根据之前的注册模式来验证一个人所声称的身份。这也称为“一对一”匹配[2]。

2常用生物特征

2.1人脸识别

人脸识别的实现方式有很多种。例如，使用廉价的相机捕获可见光谱中的面部图像，或者使用面部热量散发的红外模式。可见光中的面部识别通常从面部图像的中心部分对关键特征进行建模。可见光系统使用各种各样的相机，从捕获的图像中提取不会随时间变化的特征，同时避免了诸如面部表情或头发之类的表面特征。在可见光谱中对面部图像建模的几种方法有主成分分析，局部特征分析，神经网络，弹性图论和多分辨率分析等。面部光谱识别中遇到的一些挑战包括减少可变照明的影响以及检测遮罩或照片。尽管许多系统使用实时过程来检测人的头部并自动定位面部，但是某些面部识别系统可能需要固定的或摆姿势的用户才能捕获图像。面部识别的主要好处是它是非侵入性的，免提的，连续的，并为大多数用户所接受[3]。

2.2语音识别

语音识别的历史可以追溯到大约40年前，当时对几个模拟滤波器的输出进行了平均，以进行匹配。语音识别利用已发现的个体间语音的声学特征。这些声音模式既反映了解剖结构（例如，喉咙和嘴巴的大小和形状）又反映了学习的行为模式（例如，声音音调，说话风格）。这种将学习到的模式结合到语音模板（后者称为“语音记录”）中的方法已经赢得了演讲者的认可，被归类为“行为生物特征”。语音识别系统采用三种语音输入方式：与文本有关，与文本提示有关以及与文本无关。大多数语音验证应用程序使用依赖于文本的输入，这涉及一个或多个语音密码的选择和注册。只要有冒名顶替者，都会使用文本提示输入。用于处理和存储声纹的各种技术包括隐马尔可夫模型，模式匹配算法，神经网络，矩阵表示和决策树等。语音行为属性的更改以及使用一部电话注册并在另一部电话进行验证可能会导致性能下降。识别系统还需要解决由于年龄老化导致的语音变化。许多公司销售语音识别引擎，通常将其作为大型语音处理，控制和交换系统的一部分。生物特征的捕获被认为是非侵入性的。通过使用现有的麦克风和语音传输技术，该技术几乎不需要额外的硬件，从而可以通过普通电话（有线或无线）进行长距离识别[4]。

2.3虹膜识别

这种识别方法是利用眼睛的虹膜，它是围绕瞳孔的有色区域。虹膜图案被认为是唯一的。虹膜图案是通过基于视频的图像采集系统获得的。虹膜扫描设备已经在个人身份认证应用中使用了几年。基于虹膜识别的系统的价格已大幅下降，并且这种趋势有望继续。该技术在验证和识别模式下都非常有效。甚至在存在眼镜和隐形眼镜的情况下也可以使用当前的系统。该技术不是侵入性的，它不需要用户与扫描仪进行物理接触[4]。

2.4手和手指的几何形状识别

手识别已经有二十多年的历史了。为了实现个人身份认证，系统可以测量手指或手的物理特征。这些包括手的长度，宽度，厚度和表面积。手的几何形状已在一系列应用中得到认可。在商业和住宅门禁，时间和考勤系统以及一般个人身份验证应用中的物理访问控制中经常可以找到它[3]。

2.5签名验证

该技术使用签名的动态分析来对人进行身份验证。该技术基于产生签名时对人用力的速度，压力和角度的测量。这项技术的重点是电子商务应用程序和其他应用程序，其中签名是公认的个人身份验证方法[4]。

2.6指纹

一个人的指尖上的摩擦脊和谷的模式对该人而言是唯一的。几十年来，执法人员一直在通过匹配脊末端和分支的关键点来对身份进行分类和确定。指纹对于一个人的每个手指都是唯一的，包括同卵双胞胎。作为最商业化的生物特征识别技术之一，用于台式机和笔记本电脑访问的指纹识别设备现已广泛使用，用户不再需要输入密码，只需触摸即可提供即时访问。指纹是指尖上的脊和沟纹，已被广泛用于个人识别。指纹形成的生物学特性是众所周知的，并且指纹已经被用于多个世纪的鉴定目的。自20世纪初以来，指纹已被世界各地的各个法证部门广泛用于识别罪犯。由于其犯罪含义，有些人在为民用应用提供指纹以进行识别时感到不舒服。但是，由于基于指纹的生物特征识别系统可以高度肯定地提供可靠的识别，并且紧凑的固态指纹传感器可以嵌入各种系统中，因此基于指纹的身份验证在手机中越来越受欢迎。廉价，紧凑的固态扫描仪以及强大的指纹匹配器的可用性是基于指纹的识别系统普及的两个重要因素。与其他生物特征识别技术相比，指纹也有许多缺点[5]。

3优缺点对照

在上一节中介绍了常见的生物特征识别技术，这些技术并不是十全十美的，在使用它们时还必须考虑环境、成本、用户便利性等因素。接下来，我们通过表1对比各项技术的优缺点。

3.1优点综述

（1）高可靠性

通过验证用户所拥有（例如：UKey）或所固有（例如：指纹）的东西，生物特征识别技术为我们提供了一种真实感，为攻击者获取授权增加了一道障碍，使得攻击者即便在获得密码之后，仍然由于不具备生物特征而无法获得授权。此外，生物特征识别只能由呼吸中的活人提供，因此，机器人将很难通过虹膜扫描。

（2）用户便利性

虽然生物特征认证的内部过程是技术性的，但从用户的角度来看，它的过程非常简单快捷。将手指放在扫描仪上并在数秒内解锁账户，比输入包含多个特殊字符的长密码快得多。另外，忘记密码是大多数用户的常见错误。但是，您会忘记指纹吗？恐怕不容易。

（3）唯一性

生物特征认证要求在授权时提供其输入。您无法以数字方式转移或共享生物特征，换句话说，能提供生物特征通过验证的用户就是本人。

（4）防伪性

像脸部图案，指纹，虹膜扫描等生物识别技术几乎不可能用当前技术进行复制。您的指纹与他人的指纹完全匹配的可能性为640亿分之一[1]。换句话说，与拥有试图通过生物识别技术保护您的账户的黑客拥有相同的指纹相比，您有更大的机会赢得彩票。

3.2缺点综述

（1）成本高

先进的安全系统需要大量的投资和实施成本也就不足为奇了。Spiceworks在2018年进行的一项调查中，有67％的IT专业人员将成本视为“不采用生物特征认证的最大原因”。过渡到生物识别认证将不是公司唯一需要付费的事情，有47％的受访者表示需要升级当前系统以支持其设备向生物识别认证的转变[2]。

（2）数据泄露危害更大

收集和存储用户个人数据的企业和政府一直受到黑客的威胁。由于生物特征识别数据是不可替代的，因此组织需要更加谨慎的对待敏感的生物特征识别数据。如果密码被盗用，还能对其进行更改。对于一个人的生物特征而言，这就没那么容易修改了。

（3）隐私泄露

随着世界上对诸如面部识别技术和其他生物特征安全措施之类的生物特征认证系统的使用的增加，需要考虑用户的隐私。当将生物特征识别技术转换为数据并进行存储时，攻击者甚至可以利用这些数据跟踪用户，用户只是经过了摄像头，就会在系统内留下一条数字记录，而且是在用户完全不知道的情况下。

（4）误报和不准确

大多数常见的生物特征认证方法都是依靠部分信息来认证用户的身份。例如，移动生物识别设备将在注册阶段扫描整个指纹，并将其转换为数据。但是，将来对指纹进行生物特征认证时，只会使用部分打印内容来验证身份，因此它将会越来越快。纽约大学的一个研究团队于2018年创建了一个人工智能平台，该平台能够通过将部分打印的相似性与完整生物特征数据进行匹配来以20％的成功率欺诈性地破解指纹认证[3]。

4结论

生物特征识别技术的广泛应用，给我们的生活提供了很多便利，但受限于技术本身，不同的生物特征识别技术都有各自的优缺点。结合实际、扬长避短的选择是我们在工作中应该考虑的重点问题。

作者：李维峰   单位：中国飞行试验研究院