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指紋識別系統及其應用

 

目錄
一、簡介
二、歷史、現狀和未來
三、驗證和辨識
四、可靠性問題
五、嵌入式系統(Embedded System)與連接PC的桌面應用
六、指紋識別技術應用實例

一、簡介

  我們手掌及其手指、腳、腳趾內側表面的皮膚凸凹不平產生的紋路會形成各種各樣的圖案。這些紋路的存在增加了皮膚表面的摩擦力,使得我們能夠用手來抓起重物。人們也注意到,包括指紋在內的這些皮膚的紋路在圖案、斷點和交叉點上各不相同,也就是說,是唯一的。依靠這種唯一性,我們就可以把一個人同他的指紋對應起來,通過比較他的指紋和預先保存的指紋進行比較,就可以驗證他的真實身份。這種依靠人體的身體特征來進行身份驗證的技術稱為生物識別技術,指紋識別是生物識別技術的一種。

1、現行的系統受到的挑戰

  安全性是許多系統要首先考慮的問題,盡管使用者一向都相當討厭安全檢查機制介入他們的工作中,但管理者仍然需要這樣的一種檢查訪問與使用情形的手續與方法。如果沒有辦法清楚明確的辨認使用者身分的話,那么你也將無法確認是那位使用者,以及他究竟操作了什么行動。所以使用者會被強迫去進行一些密碼機制或硬件標志以幫助我們去追蹤究竟是誰做了些什么?

  現行的許多計算機系統中,包括許多非?;艿南低?,都是使用"用戶ID+密碼"的方法來進行用戶的身份認證和訪問控制的。實際上,這種方案隱含著一些問題。例如,密碼容易被忘記,也容易被別人竊取。而且,如果用戶忘記了他的密碼,他就不能進入系統,當然可以通過系統管理員重新設定密碼來重新開始工作,但是一旦系統管理員忘記了自己的密碼,整個系統也許只有重新安裝后才能工作。有關機構的調查表明,因為忘記密碼而產生的問題已經成為IT廠商售后服務的最常見問題之一;密碼被別人盜取則更是一件可怕的事情,因為用心不良的人可能會進一步竊取公司機密數據、可能會盜用別人的名義做不正當的事情、甚至從鍬行、ATM終端上提取別人的巨額存款。實際上,密碼的盜取比較容易,別人只要留意你在計算機終端前輸入口令時的擊鍵動作就可以知道你的密碼,甚至可以通過你的生日、年齡、姓名或者其他一些信息猜出你的密碼--許多人使用自己的生日作為密碼,密碼還可以被解破--眾所周知,高度機密的美國一些軍事機構計算機網絡曾不止一次被黑客侵入,黑客們實際上就是解破了這些計算機網絡的某一合法用戶的密碼來開始的。盡管現行系統通過要求用戶及時改變他們的口今來防止盜用口令行為,但這種方法不但增加了用戶的記憶負擔,也不能從根本上解決問題。

  隨著科技的進步,指紋識別技術已經開始走入了我們的日常生活之中。目前在世界上許多公司和研究機構都在指紋識別技術的研究中取得一些突破性技術,從而推出了許多新產品,這些產品己經開始在請多領域得以運用。BAC公司推出的業界領先的SecureTouch指紋識別機產品,就是非常具有應用價值和前景的。

  除了計算機網絡及其應用系統外,一些傳統的需要進行身份驗證的場合,也存在著類似的安全性問題。例如證件的偽造和盜用、不正當的轉借等。一些犯罪通過偽造證件進入機密場所以竊取機密信息,有的犯罪偽造簽證和護照非法入境或移民,這是因為傳統的證件使用了易于偽造、未經加密的紙制證件。另一個例子是考勤機,它的使用方便了企業進行職工的考勤管理,但使領導頭疼的是經常有人弄虛作假,代別人打卡。

  丟了鑰匙不僅打不開門,還要當心壞人拾到你的鑰匙盜取你的家財,其他使用鑰匙的場合同樣也有如此的問題……

  這些問題都說明,現行的系統安全性技術己經遭遇嚴峻的挑戰!

2、指紋識別是成熟的生物識別(Biometric)技術

  由于人體的身體特征具有不可復制的特點,人們把目光轉向了生物識別技術,希望可以籍此技術來應付現行系統安全所面臨的的挑戰。要把人體的特證用于身份識別,這些特征必須具有唯一性和穩定性。研究和經驗表明,人的指紋、掌紋、面孔、發音、虹膜、視網膜、骨架等都具有唯一性和穩定性的特征,即每個人的這些特征都與別人不同、且終生不變,因此就可以據此識別出人的身份?;謖廡┨卣?,人們發展了指紋識別、面部識別、發音識別等多種生物識別技術,目前許多技術都己經成熟并得以應用,其中的指紋識別技術更是生物識別技術的熱點。

  指紋識別技術的發展得益于現代電子集成制造技術和快速可靠的算法的研究。盡管指紋只是人體皮膚的一小部分,但用于識別的數據量相當大,對這些數據進行比對也不是簡單的相等與不相等的問題,而是使用需要進行大量運算的模糊匹配算法。現代電子集成制造技術使得我們可以制造相當小的指紋圖象讀取設備,同時飛速發展的個人計算機運算速度提供了在微機甚至單片機上可以進行兩個指紋的比對運算的可能。另外,匹配算法可靠性也不斷提高,指紋識別技術己經非常實用。

二、歷史、現狀和未來

  考古證實,公元前7000年到6000年以前,古敘利亞和中國,指紋作為身份鑒別己經開始應用??脊歐⑾?,在這個時代,一些粘土陶器上留有陶藝匠人的指紋,中國的一些文件上印有起草者的大拇指指紋,在Jercho的古城市的房屋留有磚匠一對大拇指指紋的印記等。雖然指紋的一些特征己經被人們認識和接受但不能證明,但指紋己廣泛應用社會的各個方面。

  19世紀初,科學研究發現了至今仍然承認的指紋的兩個重要特征,一是兩個不同手指的指紋紋脊的式樣(radge pattern)不同,另外一個是指紋紋脊的式樣終生不改變。這個研究成果使得指紋在犯罪鑒別中得以正式應用。 (主要代表性的事件有:1896年阿根廷首次應用,然后是1901年的蘇格蘭,20世紀初其他國家也相繼應用到犯罪鑒別中。) 20世紀60年代,由于計算機可以有效的處理圖形,人們開始著手研究利用計算機來處理指紋。從那時起,自動指紋識別系統AFIS在法律實施方而的研究和應用在世界許多國家展開。

  20世紀80年代,個人電腦、光學掃描這兩項技術的革新,使得它們作為指紋取像的工具成為現實,從而使指紋識別可以在其他領域中得以應用,比如代替IC卡。現在(90年代后期),低價位取像設備的引入及其飛速發展,可靠的比對算法的發現為個人身份識別應用的增長提供了舞臺。

  對生物識別技術來說,被廣泛接受意味著在影響千萬人的日常生活的各個地方使用。通過取代個人識別碼和口令,生物識別技術可以阻止非授權的訪問,可以防止盜用ATM、蜂窩電話、智能卡、桌面PC、工作站及其計算機網絡;在通過電話、網絡進行的金融交易時進行身份認證;在建筑物或工作場所,生物識別技術可以取代鑰匙、證件、圖章和卡閱讀器。

三、驗證和辨識

  應用系統利用指紋識別技術可以分為兩類,即驗證(Verification)和辨識(Identification)。驗證就是通過把一個現場采集到的指紋與一個己經登記的指紋進行一對一的比對(one-to-one matching),來確認身份的過程。作為驗證的前提條件,他或她的指紋必須在指紋庫中已經注冊。指紋以一定的壓縮格式存貯,并與其姓名或其標識(ID,PIN)聯系起來。隨后在比對現場,先驗證其標識,然后,利用系統的指紋與現場采集的指紋比對來證明其標識是合法的。驗證其實是回答了這樣一個問題:"他是他自稱的這個人嗎?"這是應用系統中使用得較多的方法。

  辨識則是把現場采集到的指紋同指紋數據厙中的指紋逐一對比,從中找出與現場指紋相匹配的指紋。這也叫"一對多匹配(one-to-many matching)"。驗證其實是回答了這樣一個問題:"他是誰?"辨識主要應用于犯罪指紋匹配的傳統領域中。一個不明身份的人的指紋與指紋庫中有犯罪記錄的人指紋進行比對,來確定此人是否曾經有過犯罪記錄。

  驗證和辨識在比對算法和系統設計上各具技術特點。例如驗證系統一般只考慮對完整的指紋進行比對,而辨識系統要考慮殘紋的比對;驗證系統對比對算法的速度要求不如辨識系統高,但更強調易用性;另外在辨識系統中,一般要使用分類技術來加快查詢的速度。
  除了驗證的一對一和辨識的一對多比對方法,在實際應用中還有"一對幾個匹配(one-to-few matching)"。一對幾個匹配主要應用于只有"幾個(few)"用戶的系統中,比如一個家庭的成員要進入他們的房子。 "幾個"所包含的數目一般為5-20人。一對幾個匹配一般使用與一對一匹配相同的方法。

四、可靠性問題

  由于計算機處理指紋時,只是涉及了指紋的一些有限的信息,而且比對算法并不是精確匹配,其結果也不能保證100%準確。指紋識別系統的特定應用的重要衡量標志是識別率。主要由兩部分組成,拒判率(FRR)和誤判率(FAR)。我們可以根據不同的用途來調整這兩個值。 FRR和FAR是成反比的。用0-1.0或百分比來表達這個數。ROC(Receiver Operating Curve)-曲線給出FAR和FRR之間的關系。

  盡管指紋識別系統存在著可靠性問題,但其安全性也比相同可靠性級別的"用戶ID+密碼"方案的安全性高得多。例如采用四位數字密碼的系統,不安全概率為0.01%,如果同采用誤判率為0.01%指紋識別系統相比,由于不誠實的人可以在一段時間內試用所有可能的密碼,因此四位密碼并不安全,但是他絕對不可能找到一千個人去為他把所有的手指(十個手指)都試一遍。正因為如此,權威機構認為,在應用中1%的誤判率就可以接受。

  FRR實際上也是系統易用性的重要指標。由于FRR和FAR是相互矛盾的,這就使得在應用系統的設計中,要權衡易用性和安全性。一個有效的辦法是比對兩個或更多的指紋,從而在不損失易用性的同時,極大地提高了系統安全性。 篮球巨星中国行

五、嵌入式系統(Embedded System)與連接PC的桌面應用

  利用指紋識別技術的應用系統常見有兩種方法,即嵌入式系統和連接PC的桌面應用系統。嵌入式系統是一個相對獨立的完整系統,它不需要連接其他設備或計算機就可以獨立完成其設計的功能,象指紋門鎖、指紋考勤終端就是嵌入式系統。其功能較為單一,應用于完成特定的功能。而連接PC的桌面應用系統具有靈活的系統結構,并且可以多個系統共享指紋識別設備,可以建立大型的數據庫應用。當然,由于需要連接計算機才能完成指紋識別的功能,限制了這種系統在許多方面的應用。

  當今市場上的指紋識別系統廠商,除了提供完整的指紋識別應用系統及其解決方案外,可以提供從指紋取像設備的OEM產品到完整的指紋識別軟件開發包,從而使得無論是系統集成商還是應用系統開發商都可以自行開發自己的增值產品,包括嵌入式的系統和其他應用指紋驗證的計算機軟件。

六、指紋識別技術應用實例

  指紋識別技術可以通過幾種方法應用到許多方面。本文在上面已經介紹的通過使用指紋驗證來取代各個計算機應用程序的密碼就是最為典型的實例??梢韻胂筧綣撲慊系乃邢低澈陀τ貿絳蚨伎梢允褂彌肝蒲櫓さ幕?,人們使用計算機就會非常方便和安全,用戶不再討厭必要的安全性檢查,而IT開發商的售后服務工作也會減輕許多。 IBM公司已經開發成功并廣泛應用的Global Sign On軟件通過定義唯一的口令,或者使用指紋,就可以在公司整個網絡上暢行無阻。把指紋識別技術同IC卡結合起來,是目前最有前景的一個方向之一。該技術把卡的主人的指紋(加密后)存儲在IC卡上,并在IC卡的讀卡機上加裝指紋識別系統,當讀卡機閱讀卡上的信息時,一并讀入持卡者的指紋,通過比對卡上的指紋與持卡者的指紋就可以確認持卡者的是否卡的真正主人,從而進行下一步的交易。在更加嚴格的場合,還可以進一步同后端主機系統數據庫上的指紋作比較。指紋IC卡可以廣泛地運用于許多行業中,例如取代現行的ATM卡、制造防偽證件(簽證或護照、公費醫療卡、會員卡、借書卡等)。目前ATM提款機加裝指紋識別功能在美國已經開始使用。持卡人可以取消密碼 (避免老人和孩子記憶密碼的困難)或者仍舊保留密碼,在操作上按指紋與密碼的時間差不多。

  近年來,自動發送信息的互聯網絡,帶給人們的方便與利益,正在快速增長之中,但也因此產生了很多的問題,尤其在信息安全方面。無論是團體或者個人的信息,都害怕在四通八達的網絡上傳送而發生有損權益的事情。由于指紋特征數據可以通過電子郵件或其他傳輸方法在計算機網絡上進行傳輸和驗證,通過指紋識別技術,限定只有指定的人才能訪問相關信息,可以極大地提高網上信息的安全性,這樣,包括網上銀行、網上貿易、電子商務的一系列網絡商業行為,就有了安全性保障。在SFNB(Security First Network Bank安全第一網絡銀行),就是通過互聯網絡來進行資金劃算的,他們目前正在實施以指紋識別技術為基礎的保障安全性的項目,以增強交易的安全性。

  在醫院里,指紋識別技術可以驗證病人身份,例如輸血管理。指紋識別技術也有助于證實尋求公共救援、醫療及其他政府福利或者保險金的人的身份確認。在這些應用中,指紋識別系統將會取代或者補充許多大量使用照片和ID的系統。

  總之,隨著許多指紋識別產品已經開發和生產,指紋識別技術的應用已經開始進入民用市場,并且發展迅猛,相信這一技術的普及應用已經指日可待。

 

 
 
[email protected] from 2003 蘇州歐維智生物識別科技
[email protected] from 2003 OWINS Biometrics Tech.