手靜脈身份識(shí)別技術(shù)

0 引言
    作為一種迅速發(fā)展的生物身份識(shí)別技術(shù)，手靜脈識(shí)別有著顯著的優(yōu)點(diǎn)：社會(huì)可接受，特征不易復(fù)制，比指紋受破壞的可能性更小，不易入侵，無(wú)明顯的建康威脅，特征惟一性，低成本，精確快速，比簽名和聲紋等行為生物測(cè)量特征變化小。手靜脈識(shí)別具有廣闊的應(yīng)甩前景。

1 發(fā)展歷史及研究現(xiàn)狀
    1983年，柯達(dá)公司在諾丁漢的雇員Joseph Rice在研究紅外條形碼技術(shù)時(shí)產(chǎn)生了利用人手背血管紅外成像作為身份識(shí)別的想法，發(fā)明了手靜脈特征識(shí)別技術(shù)，取名為Veincheck。然而柯達(dá)公司的主管認(rèn)為此技術(shù)缺乏市場(chǎng)潛力并未采用。1987牟10月31日J(rèn)．Rice獲得此項(xiàng)技術(shù)的第一個(gè)專(zhuān)利(Patent #4699149，Apl3aratus for the identification of Individuals)。J．Rice將其發(fā)明授權(quán)給BTG(British Technology Group)負(fù)責(zé)專(zhuān)利的開(kāi)發(fā)和管理，希望能在安防工業(yè)有所建樹(shù)，但當(dāng)時(shí)并未引起B(yǎng)TG足夠的重視，開(kāi)發(fā)進(jìn)度緩慢。1990年J．Rice擔(dān)心此發(fā)明被BTG拖延了時(shí)間而埋沒(méi)，決心自己投入技術(shù)開(kāi)發(fā)，此時(shí)BTG已安排英國(guó)前國(guó)家物理實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家David Claydon開(kāi)始了有關(guān)靜脈結(jié)構(gòu)的多樣性和惟一性測(cè)試，J．Rice和David討論后采用了Statistical Process Control(SPC)的方法進(jìn)行生物身份識(shí)別。1991至1993年P(guān)．MacGregor，R．Welford，P.L．Hawkes和D．O．Clayden等人發(fā)表了3篇關(guān)于Veincheck的原理介紹性文章和技術(shù)報(bào)告，明確指出Veincheck是一種以手背靜脈作為身份比對(duì)特征的生物識(shí)別系統(tǒng)。J．Rice于1994年發(fā)表名為“A Quality Approach To Biometrie Imaging”的文章簡(jiǎn)要的介紹了Vein-check的開(kāi)發(fā)歷程和相關(guān)算法。受當(dāng)時(shí)技術(shù)條件的限制，J．Rice采集的圖像質(zhì)量很差，但測(cè)試效果仍然令人鼓舞，如圖1所示。1993至1995年間，澳大利亞的A．J．MeIinert，J．M．Cross and C．L．Smith開(kāi)展了基于熱成像的手背血管特征識(shí)別的研究。1998年BTG上市公司高級(jí)經(jīng)理Eugene Sweeney撰文介紹了veincheck手靜脈識(shí)別技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：社會(huì)可接受，特征不易復(fù)制，比指紋受破壞的可能性更小，不易入侵，無(wú)明顯的建康威脅，特征唯一性，低成本，精確快速，比簽名和聲紋等行為生物測(cè)量特征變化小。2000年，Veincheck的開(kāi)發(fā)原型機(jī)在英國(guó)信息安全部門(mén)CESG／BWG的通用辦公環(huán)境測(cè)試中表現(xiàn)平庸，此后沒(méi)有發(fā)現(xiàn)有關(guān)Veincheck產(chǎn)品商用的報(bào)告。J.Rice研究宣傳Veincheck技術(shù)的網(wǎng)站最后一次更新停留在了2000年。2007年這位手靜脈識(shí)別技術(shù)的先鋒撰文對(duì)此項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)展緩慢表示焦慮，建議開(kāi)發(fā)可穿戴式靜脈采集設(shè)備。

    1992年，日本北海道大學(xué)生物工程系的K．Shimizu發(fā)表文章認(rèn)為可以利用人體手血管紅外成像作為身份識(shí)別依據(jù)，此文章被認(rèn)為是日本和韓國(guó)進(jìn)行手靜脈識(shí)別技術(shù)研究的源頭。
    1997年，韓國(guó)的BK System公司發(fā)布了亞洲第一個(gè)商用手背靜脈識(shí)別產(chǎn)品BK-100，1998年H．S．Choi和BK System取得了美國(guó)專(zhuān)利，BK S-ystem又開(kāi)發(fā)了BK200和BK-300兩個(gè)改進(jìn)產(chǎn)品，由于種種原因，1998年底，BK System的產(chǎn)品就停產(chǎn)了。2000年，BK System的一些成員組建了Techsphere公司，繼續(xù)研發(fā)靜脈識(shí)別產(chǎn)品，最終推出了VP-Ⅱ，如圖2所示。這期間他們發(fā)表了一些論文，在圖像采集和濾波算法上都進(jìn)行了改進(jìn)，使用了組合常態(tài)濾波和增強(qiáng)濾波、基于靜脈走向的方向?yàn)V波算法，報(bào)道稱(chēng)該研究采用10 000人進(jìn)行了測(cè)試，F(xiàn)AR可提高到0．000 01，識(shí)別速度為0．1 s。VP-II在BK System產(chǎn)品的基礎(chǔ)上重新設(shè)計(jì)，使用了當(dāng)時(shí)最新的數(shù)字圖像處理技術(shù)，采用紅外光源補(bǔ)償，改進(jìn)了靜脈特征的抽取算法，通過(guò)溫度傳感器檢測(cè)防止欺騙，大大改進(jìn)了可靠性并提高了性價(jià)比，同時(shí)聲稱(chēng)適用于99．98％的人群。VP-n被成功應(yīng)用于機(jī)場(chǎng)，銀行和醫(yī)院等單位。
    此時(shí)，為了繞開(kāi)手背靜脈識(shí)別的專(zhuān)利，在日本興起了基于手掌靜脈和手指靜脈識(shí)別技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)，M．Kono和N．Miura等人先后發(fā)表了關(guān)于手指靜脈識(shí)別的文章。日立公司推出了系列手指靜脈識(shí)別產(chǎn)品，如圖3所示。富士通公司則推出了手掌靜脈識(shí)別產(chǎn)品。此后靜脈識(shí)別技術(shù)的發(fā)展就進(jìn)入了研究和產(chǎn)業(yè)化交織的狀態(tài)。而且由于企業(yè)早期的介入和過(guò)多的專(zhuān)利保護(hù)，一度大大降低了此項(xiàng)研究的活性。

    2006年國(guó)際生物識(shí)別組(International Biometric Group：IBG)對(duì)比測(cè)試報(bào)告公布了日立公司Hitachi TS-E3F1和富士通公司Fujitsu P-almSecure的測(cè)試結(jié)果，如表1所示。

    測(cè)試結(jié)果表明目前靜脈識(shí)別技術(shù)和虹膜識(shí)別技術(shù)的性能指標(biāo)相當(dāng)。日立TS-E3F1傳感器如圖4所示，富士通PalmSecure傳感器示意如圖5所示。

    中國(guó)對(duì)靜脈識(shí)別技術(shù)的研究起步較晚。2003年清華大學(xué)學(xué)報(bào)報(bào)道了清華大學(xué)精密測(cè)試技術(shù)及儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室利用自行設(shè)計(jì)的近紅外血管圖像采集儀提取血管的原始圖像并進(jìn)行了特征識(shí)別，文獻(xiàn)中描述：對(duì)采集到的圖像樣本，由于存在光照不均是圖像灰度分布不均的情況，所以要對(duì)圖像灰度做歸一化處理，使其均值方差在規(guī)定范圍內(nèi)，這樣在進(jìn)一步處理和匹配時(shí)可以降低難度，在圖像增強(qiáng)與二值化部分，采用分區(qū)動(dòng)態(tài)二值化方法實(shí)現(xiàn)，再對(duì)二值圖像濾波去噪，然后細(xì)化，最后提取細(xì)化圖像特征，以端點(diǎn)、交叉點(diǎn)為基礎(chǔ)進(jìn)行特征比對(duì)。文獻(xiàn)給出了65個(gè)小范圍樣本的匹配實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在拒真率為4．6％條件下，誤識(shí)率為0。中國(guó)臺(tái)灣某大學(xué)的范國(guó)清和林志隆等人采用中紅外熱成像技術(shù)研究了手掌和手背靜脈的識(shí)別方法，他們使用了Inframetrics Corp的紅外攝像機(jī)，采用的紅外波長(zhǎng)為3．4～5 μm，探測(cè)器為PtSi 256×256 element FPA，達(dá)到FRR和FAR同為2．3％。2004年后，其他一些大學(xué)紛紛開(kāi)始了靜脈識(shí)別技術(shù)的研究，如哈爾濱工程大學(xué)的王科俊，丁宇航等人較為系統(tǒng)的研究了手靜脈識(shí)別的采集和識(shí)別算法，其他高校如吉林大學(xué)李鐵鋼、韓笑等等也分別在靜脈圖像的采集、紅外圖象增強(qiáng)和特征識(shí)別等方向做了大量研究工作，由于中國(guó)在民用紅外光學(xué)成像產(chǎn)業(yè)化的基礎(chǔ)相對(duì)落后，在靜脈采集設(shè)備的制造工藝上水準(zhǔn)較低，研究成果轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品應(yīng)用的很少。

2 基本原理
    手靜脈識(shí)別的原理是通過(guò)紅外成像獲取人手局部的血管圖像，通過(guò)ROI(Region of Interesting)的選取，圖像增強(qiáng)等步驟獲得優(yōu)化的圖像，再通過(guò)模式分割和細(xì)化提取靜脈模式進(jìn)行匹配，從而得到辨識(shí)結(jié)果。系統(tǒng)模型如圖6所示。

    圖像獲取是建立在紅外成像的基礎(chǔ)上的，對(duì)物質(zhì)光譜響應(yīng)的研究開(kāi)展的很早，很多醫(yī)學(xué)和生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室都測(cè)定了血紅蛋白等物質(zhì)的光譜響應(yīng)曲線，圖7中給出了氧合血紅蛋白HbO2，脫氧血紅蛋白Hb和水的光譜吸收曲線，研究發(fā)現(xiàn)人體組織對(duì)紅外波段的光線吸收較弱，即紅外光具有較強(qiáng)的穿透能力，在波長(zhǎng)為805 nm處，HbO2和Hb的響應(yīng)曲線交叉，水的吸收因子也很低，因人體血管內(nèi)HbO2和Hb的濃度是變化的，為保
證紅外成像的穩(wěn)定性，805 nm是理想的成像光波段。

2．1 靜脈圖像采集裝置的研究
    國(guó)內(nèi)外對(duì)靜脈采集裝置的研究，靜脈圖像的采集裝置按有無(wú)主動(dòng)光源分為兩類(lèi)，無(wú)主動(dòng)光源的采集設(shè)備主要是熱像儀，價(jià)格昂貴，目前使用的很少。有主動(dòng)光源的采集設(shè)備主要有3種結(jié)構(gòu)，如圖8所示。手背和手掌靜脈采集采用反射式，手指靜脈采集一般采用透射式。在靜脈識(shí)別的發(fā)展史上，圖像采集設(shè)備在不斷地演進(jìn)中，圖像質(zhì)量越來(lái)越好，體積越來(lái)越小，價(jià)格越來(lái)越便宜。

    1995年澳洲Edith Cowan大學(xué)的J．M．Cross和C．L．Smith在論文中首次提到使用紅外LED作為補(bǔ)償光源對(duì)手背靜脈進(jìn)行拍照，此前BTG的veincheck使用鎢絲燈作為光源，如圖9所示。

    英國(guó)的David Oswald Clayden 98年在他的一個(gè)美國(guó)專(zhuān)利中，介紹了靜脈采集的方法，手握住一固定拉手上來(lái)固定手背的位置，在其上方有一對(duì)固定的帶通濾光片和一個(gè)攝像機(jī)，通過(guò)四個(gè)紅外光源照射的光線，提取手背靜脈圖像，通過(guò)相關(guān)算法，可以簡(jiǎn)易地實(shí)現(xiàn)認(rèn)證。這也是韓國(guó)的VP-II使用的采集方法。
    南洋理工大學(xué)計(jì)算機(jī)工程學(xué)院的Lingyu Wang和Graham Leedham在論文中提到，靜脈隱藏在皮膚下面，通常我們?nèi)庋垡约捌渌目梢?jiàn)光檢測(cè)系統(tǒng)是不可見(jiàn)的。人體的淺表靜脈的溫度比周?chē)M織的溫度要高，因此，通過(guò)一個(gè)熱攝像機(jī)獲取手背靜脈的圖像。在這項(xiàng)工作中，使用了一個(gè)NEC熱跟蹤儀來(lái)獲取手背圖像。
    索尼公司2009年2月2日宣布了一項(xiàng)命名為“mofiria”的超薄型的手指靜脈識(shí)別技術(shù)的開(kāi)發(fā)成果，它采用了獨(dú)特的方法：一個(gè)CMOS感應(yīng)器斜向捕捉手指靜脈內(nèi)部透過(guò)的散射光，從而形成一個(gè)平面圖案；可以實(shí)現(xiàn)微型和更為靈活的設(shè)計(jì)以將此項(xiàng)技術(shù)植入移動(dòng)設(shè)備中，如圖10所示?？紤]到雜光干擾的影響，此技術(shù)能否實(shí)際應(yīng)用還不得而知。

    國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)在靜脈圖像采集裝置上的研究投入較少，多為局部的改進(jìn)，如2008年北京大學(xué)的Yanggang Dai等使用了非均勻紅外光源補(bǔ)償，使手指的紅外圖像亮度均勻，使得圖像灰度標(biāo)準(zhǔn)差降低48．4％，靜脈長(zhǎng)度和分叉?zhèn)€數(shù)兩種特征值分別增加了44．1％和31．4％。
2．2 算法研究
    靜脈識(shí)別算法的研究主要集中在紅外圖像的預(yù)處理，特征抽取和模式匹配這三個(gè)環(huán)節(jié)。紅外圖像的預(yù)處理主要研究圖像濾波，圖像增強(qiáng)和二值化等方面。有關(guān)算法仍然在不斷完善和改進(jìn)，中值濾波，形態(tài)學(xué)濾波，直方圖均衡化等方法都被廣泛使用。特征抽取和匹配算法緊密結(jié)合，目前基于血管骨架的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和特征點(diǎn)的匹配方法比較流行，基于圖像Hu不變矩判定、二維隨即信號(hào)相關(guān)函數(shù)計(jì)算、灰度統(tǒng)計(jì)等比對(duì)方法都有嘗試。由于國(guó)內(nèi)外對(duì)于圖像識(shí)別的研究近年一直是熱點(diǎn)，紅外圖像的預(yù)處理，特征抽取和模式匹配這三個(gè)環(huán)節(jié)都有大量算法借鑒，國(guó)內(nèi)一些研究機(jī)構(gòu)開(kāi)展了應(yīng)用研究，限于篇幅，這部分內(nèi)容不再一一介紹。根據(jù)近年的研究結(jié)果，單一的特征很難保證識(shí)別的效果，因此多種特征識(shí)別方法的融合成為了研究的重點(diǎn)。
    生物識(shí)別技術(shù)仍然在不斷的發(fā)展中，指紋識(shí)別、掌紋識(shí)別、虹膜識(shí)別、人臉識(shí)別和靜脈識(shí)別等等不斷涌現(xiàn)的新算法相互借鑒，促進(jìn)了各自技術(shù)研究的深入。包括基于圖像的植物和動(dòng)物自動(dòng)識(shí)別技術(shù)都與傳統(tǒng)的生物身份識(shí)別技術(shù)發(fā)生了技術(shù)交流現(xiàn)象，如植物葉脈識(shí)別和昆蟲(chóng)自動(dòng)識(shí)別的算法和指紋、掌紋、虹膜及靜脈識(shí)別技術(shù)的算法就發(fā)生了相互滲透，如文獻(xiàn)等。

3 常用參數(shù)和術(shù)語(yǔ)
3．1 驗(yàn)證(Verification)和識(shí)別(Identification)
    驗(yàn)證是1：1的匹配過(guò)程，用戶需要提供自己的ID，系統(tǒng)將預(yù)先存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中此ID的特征調(diào)出與用戶本次被采集的特征進(jìn)行匹配。目前市場(chǎng)上的生物識(shí)別產(chǎn)品絕大多數(shù)是驗(yàn)證型的，如圖11所示。識(shí)別是1：N的匹配過(guò)程，系統(tǒng)將本次采集到的特征與數(shù)據(jù)庫(kù)中所有特征匹配，挑選出得分最高者或因得分低于閥值而認(rèn)定特征不在數(shù)據(jù)集合中，如圖12所示。

3．2 不匹配率(FNMR)和錯(cuò)誤匹配率(FMR)
    不匹配率(False Non-Match Rate，F(xiàn)NMR)定義為：
   
3．3 拒真率FRR和認(rèn)假率FAR
    在某些文獻(xiàn)中將FNMR與FRR，F(xiàn)AR與FMR等同了，嚴(yán)格意義上是有區(qū)別的。拒真率和認(rèn)假率用于評(píng)價(jià)整個(gè)系統(tǒng)的判決錯(cuò)誤情況，包含了因系統(tǒng)的判決策略而導(dǎo)致的匹配不成功和特征獲取不成功的組合。對(duì)基于單次嘗試的驗(yàn)證系統(tǒng)，很明顯有以下公式：
   
    式中：FTA(failure to acquire rate)為特征獲取不成功率。
3．4 等錯(cuò)誤率EER(Equal Error Rate)
    將判別的門(mén)限逐漸提高時(shí)，F(xiàn)AR由最高逐漸降低降低直到接近零，但同時(shí)FRR會(huì)由接近零開(kāi)始逐漸增加，如圖13所示，當(dāng)判別門(mén)限值達(dá)到最大(例如相似度要100％才能通過(guò)辨識(shí))，F(xiàn)RR的值也處于最大值，F(xiàn)AR及FRR的交匯點(diǎn)被稱(chēng)為EER(Equal Error Rate)也就是2種辨識(shí)率相同的點(diǎn)，該點(diǎn)是FRR及FAR和的最小值，將判別門(mén)限設(shè)定于ERR時(shí)會(huì)有最均衡的效能，一般會(huì)用ERR的數(shù)值大小來(lái)做為辨識(shí)系統(tǒng)性能高低的指標(biāo)，ERR的值越低表示辨識(shí)系統(tǒng)的性能越好。

    某些地方使用了識(shí)別率GAR(Genuine Accept Rate)的概念，表示真實(shí)的身份被識(shí)別的比率，也稱(chēng)為T(mén)AR(Ture Accept Rate)，通常GAR=1-FRR。

4 目前存在的問(wèn)題
    基于紅外圖像的靜脈識(shí)別技術(shù)有著自身的缺陷。由于自然界中某些物質(zhì)對(duì)紅外線有較強(qiáng)的吸收率，如碳素墨水，這使得偽造一份靜脈圖像并不難。2008年美國(guó)FBI的一份報(bào)告中公布了一些針對(duì)手靜脈識(shí)別技術(shù)的攻擊方法，通過(guò)拍攝人手的紅外照片可以繪出人手的血管圖，將繪制的血管圖貼在熱水瓶上進(jìn)行注冊(cè)，然后再將繪制的血管圖貼人手上驗(yàn)證通過(guò)。實(shí)際上對(duì)大多數(shù)的手靜脈識(shí)別儀用任何一幅圖片都可以注冊(cè)和驗(yàn)證通過(guò)，并沒(méi)有驗(yàn)證其他的生命體征，這使得作弊變得相當(dāng)容易，比如某單位的考勤系統(tǒng)使用了靜脈識(shí)別系統(tǒng)，員工甲可能通過(guò)紅外拍攝方法繪出自己的手部血管圖，交給員工乙驗(yàn)證代為簽到。
    在實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中還發(fā)現(xiàn)下面問(wèn)題：
    (1)溫差變化劇烈可能影響識(shí)別率，正常注冊(cè)成功的用戶將手放入冷水中十幾秒鐘后立即取出進(jìn)行驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)通過(guò)率明顯降低；
    (2)長(zhǎng)時(shí)間生理特征變化可能影響識(shí)別率，如某個(gè)人在經(jīng)過(guò)了數(shù)月的鍛煉后，血管會(huì)增粗，這都會(huì)影響到識(shí)別率；
    (3)紅外吸收材料的干擾可能影響識(shí)別率，由于靜脈采集設(shè)備依賴(lài)于紅外成像，對(duì)紅外線吸收明顯的附著物可能影響識(shí)別效果，有學(xué)者還特別研究了體毛對(duì)識(shí)別的影響；
    (4)雜光干擾可能影響識(shí)別率，尤其是日光強(qiáng)烈的地方，紅外圖像采集的質(zhì)量下降，導(dǎo)致識(shí)別率下降；
    (5)手在晃動(dòng)時(shí)，可能采集到變化的圖像，對(duì)于手指靜脈識(shí)別產(chǎn)品，手指快速抖動(dòng)的方法就可能突破他人的身份認(rèn)證；
    (6)不同制造商采集的用戶特征值不能通用，由于缺少行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，目前任何兩家的靜脈識(shí)別產(chǎn)品都不能通用。

5 結(jié)語(yǔ)
    未來(lái)靜脈識(shí)別技術(shù)研究的方向有3個(gè)：
    (1)針對(duì)前面提出的問(wèn)題，需要研究新型的靜脈識(shí)別傳感器，研究更為理想的圖像采集裝置和圖像處理及識(shí)別算法，增強(qiáng)靜脈識(shí)別系統(tǒng)的識(shí)別率和易用性；
    (2)針對(duì)入侵攻擊，研究積極防御的識(shí)別算法；
    (3)促進(jìn)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的制定，為靜脈圖像制定統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，允許靜脈信息在不同類(lèi)型設(shè)備間傳遞。
    ISO／IEC／JTC1“信息技術(shù)”聯(lián)合技術(shù)委員會(huì)于2002年成立了“生物統(tǒng)計(jì)學(xué)”分技術(shù)委員會(huì)(SC37)，其任務(wù)是研究制定身份證、護(hù)照等文件中用于身份識(shí)別的生物統(tǒng)計(jì)學(xué)標(biāo)準(zhǔn)。我們看到血管圖像已經(jīng)被WG3列為標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式之一。采納ISO／IEC 19794-9：2007，由信息產(chǎn)業(yè)部電子工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化研究所制訂的國(guó)標(biāo)《信息技術(shù)生物特征識(shí)別數(shù)據(jù)交換格式第九部分：血管圖像數(shù)據(jù)》也將于2010年完成。作為一種生物識(shí)別技術(shù)，和其他同類(lèi)技術(shù)相同，靜脈識(shí)別不可能完全解決身份識(shí)別的問(wèn)題，必須走向多種生物信息的融合，不斷提高整體性能，從而實(shí)現(xiàn)全人類(lèi)統(tǒng)一的身份證。目前歐洲已經(jīng)在規(guī)劃統(tǒng)一身份證相應(yīng)的技術(shù)綱要，初步可能實(shí)現(xiàn)包含指紋、聲紋、靜脈、虹膜和照片等信息的電子身份證，未來(lái)生物身份識(shí)別的前景非常光明。