于為民，趙繼印，李 敏，鄭蕊蕊，許 爽

(大連民族學(xué)院信息與通信工程學(xué)院，遼寧大連 116605)

全手形特征的生物識別技術(shù)綜述

于為民，趙繼印，李 敏，鄭蕊蕊，許 爽

(大連民族學(xué)院信息與通信工程學(xué)院，遼寧大連 116605)

全手形特征多模態(tài)生物識別是結(jié)合指紋、手形和掌紋的全手形特征信息，具有信息更全面可靠的獨特優(yōu)勢，能有效地提高生物特征識別的準(zhǔn)確率。簡述了全手形生物特征識別技術(shù)的基本原理和一些關(guān)鍵技術(shù)，對目前流行的各種單模態(tài)和多模態(tài)生物特征的優(yōu)勢和不足進(jìn)行了分析，并對生物特征識別技術(shù)中存在的問題和未來的研究方向進(jìn)行了討論。

全手形特征識別;多模態(tài)生物特征;特征提取 ;特征匹配;特征決策融合

21世紀(jì)是數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化的時代，人們在數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)社會生存和生活都離不開身份識別與認(rèn)證。傳統(tǒng)的身份識別與認(rèn)證方法最致命的缺點是:標(biāo)識物品容易丟失或偽造，標(biāo)識知識容易記錯或遺忘。而基于生物特征識別與認(rèn)證的技術(shù)是依據(jù)人類自身所固有的生理特征和行為特征，使用計算機(jī)或嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行自動識別與認(rèn)證。因此，生物特征識別技術(shù)是一種有發(fā)展前景的重要身份認(rèn)證手段。

基于各種單一生物特征的識別系統(tǒng)都不可能達(dá)到百分之百的完美程度，研究多種生物特征相融合的多模態(tài)生物特征識別理論和技術(shù)是該技術(shù)領(lǐng)域一種新的研究方向［1－3］。全手形特征是指具備手形、掌紋、指紋等三種單一生物特征，將這三種單一生物特征識別技術(shù)相融合，形成全手形特征身份認(rèn)證系統(tǒng)，提高認(rèn)證系統(tǒng)的識別率，使系統(tǒng)更安全可靠。全手形身份確定性特征提取與識別方法，為嵌入式全手形特征身份認(rèn)證系統(tǒng)的構(gòu)建提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)方法，具有十分重要的科學(xué)價值和應(yīng)用前景。將逐步形成嵌入式全手形特征的身份認(rèn)證系統(tǒng)的產(chǎn)品，其認(rèn)證系統(tǒng)將具有更高的準(zhǔn)確性、可靠性和性能價格比以及更廣泛的實用性。因此，全手形身份確定性特征提取與識別方法的研究具有十分重要的理論意義和實際應(yīng)用價值。

1 研究現(xiàn)狀

生物特征識別技術(shù)是隨著計算機(jī)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是計算機(jī)圖像處理和模式識別等學(xué)科的發(fā)展而逐步形成的新興學(xué)科，是模式識別的一種典型應(yīng)用。作為網(wǎng)絡(luò)化與信息化時代必不可少的身份鑒別手段，生物特征識別技術(shù)已成為國內(nèi)外的前沿?zé)狳c研究方向。

從20世紀(jì)60年代至70年代自動指紋識別設(shè)備在美國大范圍的使用，以及80年代虹膜系統(tǒng)的出現(xiàn)，至今已開展了包括指紋、掌形、虹膜、人臉、DNA、簽名、語音等多種生物特征識別技術(shù)的研究和應(yīng)用。國際上對生物特征識別的研究已成為熱點問題，并取得了大量的研究成果。國內(nèi)的生物特征識別研究與國外相比，雖起步較晚，但在單模態(tài)生物特征識別方面已取得了豐碩的成果。典型單模態(tài)生物特征身份認(rèn)證技術(shù)性能比較見表1［4］。

表1 幾種生物特征身份認(rèn)證技術(shù)的比較

各種生物特征身份認(rèn)證技術(shù)的比較分析結(jié)果表明:現(xiàn)有的基于不同生物特征的識別系統(tǒng)，其識別精度或用戶接受程度還不夠高。這些系統(tǒng)有時會錯誤地接受假冒者或者拒絕合法者［5］。理想的生物識別系統(tǒng)應(yīng)該同時滿足高精度、高用戶接受度和低成本的要求，然而目前的系統(tǒng)很難同時滿足這些要求，它們各有優(yōu)缺點。

多模態(tài)生物特征識別的研究始于1995年，Brunelli和 Falavigna［6］提出基于語音與人臉特征的識別系統(tǒng)，使用HyperBF網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)并驗證了多模系統(tǒng)的有效性，找到了信息融合技術(shù)作為多模態(tài)生物識別理論基礎(chǔ)。信息融合的主要方法有傳感器數(shù)據(jù)融合、特征融合、決策融合及意見融合。1997年，Bigun與Duc等最先提出“多模態(tài)”的概念，提出在貝葉斯框架下估計各個分類器的偏差，實現(xiàn)了融合人臉和語音的綜合決策認(rèn)證。多模態(tài)生物特征識別的優(yōu)點是［7］:

(1)準(zhǔn)確性:多個生物特征的運用可以提高整個身份鑒別的準(zhǔn)確性;

(2)可靠性:偽造多個生物特征顯然比偽造單個生物特征更為困難;

(3)適用性:每種生物特征都存在應(yīng)用的局限性，融合多種生物特征可以擴(kuò)大單個生物特征的適用范圍。

2000年以來，多模識別技術(shù)進(jìn)入快速發(fā)展期，越來越多的科研院所投入了相關(guān)研究，涌現(xiàn)出許多新的融合系統(tǒng)，如指紋/聲紋、人臉/步態(tài)、聲紋/唇動、人臉/虹膜、掌紋/手形等雙模態(tài)生物特征融合系統(tǒng)，人臉/指紋/手形、人臉/聲紋/唇動等三模態(tài)系統(tǒng)。近些年來，涌現(xiàn)出許多商用產(chǎn)品，如瑞典跨國公司Precise Biometrics研制出人臉/指紋/虹膜融合認(rèn)證的電子護(hù)照，并稱之為“第二代生物特征識別”產(chǎn)品;美國ImageWare公司開發(fā)出的人臉/指紋/筆跡/DNA四模態(tài)認(rèn)證系統(tǒng)在墨西哥政府得到應(yīng)用。另外，還出現(xiàn)了像Merkatu等專門致力于多模識別的跨國公司［8］。

雖然國內(nèi)許多科研機(jī)構(gòu)也開始相關(guān)研究，由于從國外引進(jìn)技術(shù)設(shè)備的費用昂貴、核心技術(shù)掌握不多、行業(yè)應(yīng)用沒有統(tǒng)一的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)趨同化現(xiàn)象嚴(yán)重等原因，可以說多模生物識別系統(tǒng)在國內(nèi)的真正開發(fā)應(yīng)用才剛剛起步，國內(nèi)對多模生物識別系統(tǒng)的自主研制才剛剛開始。因此，基于多生物特征融合來進(jìn)行身份識別與認(rèn)證的多模態(tài)生物特征識別的研究和應(yīng)用逐漸興起和深入。

國內(nèi)外對全手形特征多模態(tài)生物識別技術(shù)的研究還沒有達(dá)到像單一生物特征如指紋、手形、人臉研究那樣系統(tǒng)和深入，還有許多問題有待解決和完善［9－11］。這對于科學(xué)研究以及對人類自身獨特生理特征的認(rèn)識都是相當(dāng)重要的。同時人們對于自身安全的關(guān)注，加劇了人們對于安全領(lǐng)域的市場需求［12］，所有這些都使得全手形多模態(tài)生物識別成為生物識別技術(shù)中的重要研究內(nèi)容和發(fā)展趨勢。

2 全手形特征多模態(tài)生物識別的關(guān)鍵技術(shù)

全手形特征多模態(tài)生物識別技術(shù)的研究涉及到眾多領(lǐng)域的理論和方法，并對全手形特征多模態(tài)生物識別的研究會給所涉及的領(lǐng)域不斷提出新的問題和補充新的內(nèi)容，與這些領(lǐng)域相互促進(jìn)、共同發(fā)展。因此全手形特征多模態(tài)生物識別技術(shù)是一個具有重要理論價值和應(yīng)用背景的研究課題。

手形識別是利用人手獨有的特征來進(jìn)行身份識別。這些特征包括:手的外部輪廓、內(nèi)部的線條、手的幾何特性、手指的長度和大小等。與其它生物特征識別相比，手形的識別比較容易實現(xiàn)，對圖像獲取設(shè)備的要求較低，手形的處理相對也比較簡單，需要的計算機(jī)存儲空間小，認(rèn)證速度快，特征穩(wěn)定性高。缺點是精確度偏低、且手形大小會隨著年齡的增長而發(fā)生改變。唯一性不能得到充分論證;勞動和受傷等情況會使手形發(fā)生變化?？梢苑略炀哂邢嗤瑓?shù)的假手等［13］。

指紋識別是發(fā)展最早、應(yīng)用最普遍、技術(shù)最成熟的生物特征識別技術(shù)。指紋的紋路不是連續(xù)、平滑、流暢的，而是經(jīng)常出現(xiàn)中斷、分叉和轉(zhuǎn)折，這些斷點、分叉點和轉(zhuǎn)折點稱為細(xì)節(jié)點，就是這些細(xì)節(jié)提供了指紋唯一性的識別信息。使用計算機(jī)進(jìn)行指紋自動識別時，計算機(jī)并不直接存儲指紋的圖像(考慮到隱私和存儲空間方面的一些限制)，而是記錄指紋的細(xì)節(jié)點特征，指紋識別算法最終歸結(jié)為在圖像上找到并比對指紋的特征［14－15］。指紋識別缺點是相當(dāng)一部分人不能采集到清晰的指紋，比如脫皮和傷痕等，使指紋的穩(wěn)定性差，降低識別率。

掌紋識別是利用人的掌部紋理作為生物特征進(jìn)行身份確認(rèn)的，是生物認(rèn)證領(lǐng)域的較新技術(shù)。與指紋和手形相比，具有信息量豐富、特征穩(wěn)定度較高、不易受噪聲干擾、容易同指紋、手形等其他生物特征結(jié)合等優(yōu)點，從理論上來說，掌紋比指紋和手形具有更高的識別能力［16］。但掌紋識別算法復(fù)雜，計算速度相對手形和指紋慢。

上述分析表明，指紋、掌紋和手形的單一生物特征識別技術(shù)都存在某種缺陷，不能同時滿足普遍性、獨特性、持久性、可采集性、識別精度、易接受性、防偽性和低成本的技術(shù)要求［17］，因此，生物特征識別技術(shù)的大范圍應(yīng)用必然是幾種生物特征識別技術(shù)的融合運用。指紋特征、手形特征、掌紋特征和全手形特征生物識別技術(shù)性能見表2。

表2 全手形生物特征身份識別技術(shù)性能

全手形生物特征識別方法比手形識別更具有獨特性和持久性，比指紋和掌紋更具有可采集性，有效地提高了防偽性，并保持了單一生物特征系統(tǒng)的低成本，充分發(fā)揮多模態(tài)生物特征識別技術(shù)的優(yōu)勢，將使識別精度得到大幅度提高。結(jié)合指紋、手形和掌紋的全手形特征信息作為個人身份代碼具有信息更全面可靠的獨特優(yōu)勢，能有效地提高身份認(rèn)證系統(tǒng)的識別率，克服以單一生物特征為手段的身份認(rèn)證系統(tǒng)的缺欠。國內(nèi)外對多模態(tài)生物識別技術(shù)的研究還沒有達(dá)到像單一生物特征研究那樣系統(tǒng)和深入，還有許多問題亟待解決。關(guān)鍵技術(shù)體現(xiàn)在以下幾點:

2.1 全手形身份確定性特征提取方法

全手形特征信息包含了指紋、手形、掌紋三種模態(tài)信息，其特征信息因人而異，非常豐富，具有持久性和確定性。在特征提取時，主要提取包括奇異點特征和紋理特征的指紋特征、包括手掌和手指幾何形狀特征的手形特征以及包括主線特征和皺褶特征的掌紋特征，所有這些特征都表現(xiàn)為統(tǒng)計特征和結(jié)構(gòu)特征。結(jié)構(gòu)特征比較直觀，能較好地反映全手形身份確定性特征的結(jié)構(gòu)特性;缺點是對結(jié)構(gòu)基本單元提取困難，各結(jié)構(gòu)元素之間的拓?fù)潢P(guān)系復(fù)雜，抗干擾性較差。統(tǒng)計特征提取方便，抗干擾能力強，缺點是沒有充分利用手形、掌紋、指紋的結(jié)構(gòu)信息。單獨運用結(jié)構(gòu)特征或統(tǒng)計特征必然存在識別的盲區(qū)，融合結(jié)構(gòu)特征和統(tǒng)計特征可以實現(xiàn)各種特征的優(yōu)勢互補，更全面地反映全手形身份確定性特征。待解決的關(guān)鍵問題:通過圖像分割的方法將獲取全手形特征圖像分割為指紋圖像、手形圖像和掌紋圖像，分析指紋圖像的奇異點特征和紋理特征、手形圖像的手掌和手指幾何形狀特征、掌紋圖像的主線特征和皺褶特征，所有這些特征都表現(xiàn)為統(tǒng)計特征和結(jié)構(gòu)特征，研究全手形身份確定性特征提取算法。結(jié)構(gòu)特征提取的 Gabor小波降維方法［18－20］;全手形模式的灰度統(tǒng)計特性分析和提取方法;幾何形狀特征參量的計算方法等。

2.2 全手形特征匹配方法

全手形身份確定性特征匹配是按照某種匹配準(zhǔn)則將所提取的全手形身份確定性特征與數(shù)據(jù)庫中的注冊模板進(jìn)行相似性度量，是典型的模式識別問題。全手形特征匹配方法是驗證未知樣本與既定模型的一致性。這里，匹配的精度和計算速度是需要同時兼顧的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。

待解決的關(guān)鍵問題包括:K近鄰?fù)镀狈ǖ目焖俅址诸惙椒?基于遺傳算法的支持向量機(jī)(SVM)核函數(shù)的參數(shù)優(yōu)化方法等。

2.3 全手形特征決策融合方法

基于手形特征識別、掌紋特征識別和指紋特征識別的全手形身份確定性特征識別方法在一定識別精度的情況下，有效地解決了生物特征識別問題，在此基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步提高身份識別的準(zhǔn)確率，還需要在大量實驗驗證的基礎(chǔ)上進(jìn)行統(tǒng)計分析，研究基于統(tǒng)計分析理論和證據(jù)理論相結(jié)合的全手形特征多模態(tài)融合決策方法。

2.4 全手形特征圖像獲取和全手形特征圖像庫建立方法

為了實現(xiàn)全手形特征圖像獲取和圖像庫建立的目的，必須研究全手形特征圖像采集系統(tǒng)和圖像庫建立方法，實現(xiàn)全手形特征的圖像采集、存儲和傳輸。全手形身份確定性特征提取與識別方法和目前普遍采用單一的手形、掌紋、指紋的身份認(rèn)證方法存在著顯著的不同，因此，尚沒有現(xiàn)成的圖像庫可以利用，須自己建立符合本項目需求的全手形特征圖像庫。全手形特征圖像包含了手形、掌紋和指紋信息，為全手形特征提取和識別奠定基礎(chǔ)。待解決的關(guān)鍵問題包括:數(shù)據(jù)傳輸可靠性;全手形特征圖像庫的追加與再生等。

3 結(jié)論

全手形特征的生物識別系統(tǒng)較指紋、手形和掌紋三種單模態(tài)具有更多的優(yōu)勢，身份認(rèn)證中存在的非普遍性、欺詐行為、無效性和不準(zhǔn)確性等問題在全手形識別系統(tǒng)中都可以有效地解決 ，融合和標(biāo)準(zhǔn)化等不同的技巧又使得全手形這種多模態(tài)系統(tǒng)更加準(zhǔn)確和有效。雖然多模態(tài)識別系統(tǒng)相對單模態(tài)系統(tǒng)存在成本較高等不利因素 ，但是隨著硬件技術(shù)以及系統(tǒng)在公共領(lǐng)域如網(wǎng)絡(luò)銀行、電子商務(wù)、法學(xué)研究等方面具大潛能的不斷提高 ，全手形多模態(tài)生物特征識別系統(tǒng)必然成為未來身份認(rèn)證技術(shù)的主流。

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Review of Biometric Identification Technology Based on Characteristics of the Whole Hand

YU Wei－min，ZHAO Ji－yin，LI Min，ZHENG Rui－rui，XU Shuang
(College of Information ＆ Communication Engineering，
Dalian Nationalities University，Dalian Liaoning 116605，China)

The multi－modal biometric recognition of the whole hand is an identification technology using comprehensive feature of fingerprint，hand shape and palm，which have more comprehensive and reliable information and can effectively improve the accuracy of biometric recognition.Firstly，in this paper，the basic principles and some key technologies of the whole hand biometric technology are described.Then，the strengths and weaknesses of a variety of popular single－mode and multi－modal biometric feature are anslysized.Finally，problems and future research directions biometric identification technology are discussed.

whole hand feature recognition;multi－modal biometric;feature extraction;feature matching;feature decision fusion

TP391

A

1009－315X(2012)01－0019－05

2011－09－15;最后

2011－11－01

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助項目(DC10010103);國家民委科研項目(10DL03);遼寧省教育廳(L2010094)。

于為民(1960－)，女，吉林通化人，副教授，主要從事智能圖像處理與模式識別的研究。

(責(zé)任編輯 劉敏)