指紋識別中的圖像處理研究------背景與基礎名詞解釋（一）

　　1.1傳統(tǒng)安全技術(shù)的弊端及其所面臨的挑戰(zhàn)

　　以信息技術(shù)為代表的現(xiàn)代科學技術(shù)大大地推動了現(xiàn)代社會的進步和發(fā)展，為人類提供了更為快捷與便利的交流手段，同時它也給各個國家和社會的管理者帶來一個全新的重要課題：如何及時、準確地驗證每個社會成員的身份。

　　傳統(tǒng)的身份驗證方法是驗證該人是否持有有效的證明文件或信物。從本質(zhì)上來說，這種方法驗證的是該人持有的某種“物”，而不是驗證其本人。只要“物”的有效性得到確認，則持有該“物”的人的身份也就隨之得到確認。這種以“物”認人的辦法明顯存在以下漏洞：

　?、?。合法的人如果遺失驗證其身份的“物”(如密碼、鑰匙等)，則合法的人本身得不到合法的驗證。

　　②。各種偽造證件、信物以及密碼被破譯或盜用又使非法的人得到合法的驗證。例如一些罪犯通過偽造證件進入機密場所竊取機密信息;另一個例子是考勤機，它的使用方便了企業(yè)進行職工的考勤管理，但使領導頭疼的是經(jīng)常有人弄虛作假，代別人打卡，代替別人打考勤

　?、?。如果丟了需要驗證的“物”，例如鑰匙，則不僅打不開門，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。

　　現(xiàn)行的許多計算機系統(tǒng)中，包括許多非常機密的系統(tǒng)，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(tǒng)。調(diào)查表明，因為忘記密碼而產(chǎn)生的問題已經(jīng)成為IT廠商售后服務的最常見問題之一;密碼被別人盜取則是一件更可怕的事情，因為用心不良的人可能會進一步竊取公司機密數(shù)據(jù)、可能會盜用別人的名義做不正當?shù)氖虑?、甚至從銀行、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、姓名、電話號碼或者其他一些信息猜出你的密碼，這就顯得極不安全。眾所周知，高度機密的美國一些軍事機構(gòu)計算機網(wǎng)絡(包括五角大樓和國防部)曾不止一次被黑客侵入，黒客們實際上就從是破解這些計算機網(wǎng)絡的某一合法用戶的密碼而入侵的。盡管現(xiàn)行系統(tǒng)可以通過要求用戶定時改變他們的口令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。表1.1給出了美國在1996年因為身份驗證引起的欺詐損失。

　　上述這些問題表明，傳統(tǒng)的依賴于信物或口令的系統(tǒng)安全性技術(shù)已經(jīng)面臨嚴峻的挑戰(zhàn)。盡管它們具有簡單、方便集成的優(yōu)點，但隨著網(wǎng)絡社會的到來，電子商務的日趨普及，人們更想通過一些更為安全可靠的信息，來確認在網(wǎng)絡的另一端與其交易的人是他宣稱的那個人。而正是由于人體特征具有不可復制的優(yōu)點，目前已經(jīng)成為安全技術(shù)研究的熱點。

　　1.2生物識別系統(tǒng)簡介

　　所謂生物識別，就是利用人體的生理特征或行為動作來認證人的身份。因為這些特征是每個人所獨有的，其它人無法復制取代，用它們來識別人的身份，顯然比使用口令或信物的方式要安全得多。用于驗證個人身份的生物特征要求具有下列性質(zhì)。

　　(1)特征的普遍性，即是說要人人都具有，比如只有一部分人才有的胎記或疤痕，就無法用于大范圍的身份識別;

　　(2)特征的唯一性，即每個人所具有的特征都應與其他人不一樣;

　　(3)特征的穩(wěn)定性，即特征或行為應在一個相當長的時間內(nèi)保持不變，經(jīng)常變化的特征是無法保證識別系統(tǒng)的魯棒性的;

　　(4)可采集性，即是否可以方便地獲取并量化這些特征或行為。

　　然而，在實際操作中，僅僅滿足上述四個性質(zhì)還是不夠的，還需要考慮到以下問題：

　　(1)系統(tǒng)整體的性能，也就是說采用這種特征來識別人的身份，其速度、精度以及系統(tǒng)的魯棒性是否能夠達到規(guī)定的指標要求;

　　(2)采用這種生物特征人們是不是可以接受，是否干涉了人的隱私或?qū)θ梭w有傷害，以及是否操作方便等等。

　　綜上所述，對于一個實用的生物識別系統(tǒng)而言，應具備以下特征：

　　(1)用于識別的生物特征可以被人們所接受;

　　(2)可以方便地獲取這些生物特征;

　　(3)系統(tǒng)的識別精度和速度能夠滿足應用需要;

　　(4)對于各種欺騙手段，系統(tǒng)應有足夠的適應性。

　　圖1.1所示的是一個通用的生物識別系統(tǒng)的框圖。從圖上我們可以看出，生物識別系統(tǒng)就是一個通過驗證人的生理特征或行為動作來識別人的身份的模式識別系統(tǒng)。從體系上來說，該系統(tǒng)可以分為登記和認證兩大模塊。登記模塊的作用是把人體的生物特征存入識別系統(tǒng)，在這個階段，首先利用生物特征采集器獲取人體特征產(chǎn)生特征的原始信息，為了減少生物特征信息的存儲量、節(jié)省存儲介質(zhì)、方便后續(xù)的特征模式匹配過程，這些原始信息一般需要進行進一步處理，壓縮信息量，提取最有效的特征信息(一般稱之為模板Template)，最后根據(jù)不同的應用工程的需要，將特征信息存入用戶數(shù)據(jù)庫或用戶IC卡上;生物特征認證模塊用于在訪問控制中驗證人的身份。在這個階段，同樣需要用采集器來獲取人體的生物特征，然后使用類似于登記模塊中的處理方法，用一種更緊湊的形式來描述獲取的信息。最后匹配子模塊使用模板數(shù)據(jù)庫中的模板與獲取的壓縮生物特征信息進行比較，并且給出判斷結(jié)果。

　　如圖1.1所示的生物識別系統(tǒng)，根據(jù)其應用目的的不同，可以分為兩大類，即驗證(Verification)和辨識(Identification)。驗證就是通過把現(xiàn)場采集到的生物特征與一個己經(jīng)登記的模板進行“一對一的比對(one-to-one matching)”來確認身份的過程。這種一對一的驗證回答了這樣一個問題：他是他自稱的這個人嗎?。辨識則是把現(xiàn)場采集到的生物特征同數(shù)據(jù)庫中的模板逐一對比，從中找出與現(xiàn)場特征相匹配的模板。這也叫“一對多匹配(one-to-many matching)”，記作“1：N”比對。辨識這種比對方式回答了這樣一個問題：他是誰?驗證和辨識在比對算法和系統(tǒng)設計上各具特點。例如：驗證系統(tǒng)對比對算法的速度要求不如辨識系統(tǒng)高，但更強調(diào)易用性;另外在辨識系統(tǒng)中，一般要使用分類技術(shù)來加快查詢的速度或采用快速的比對算法。

　　基于信物或口令的系統(tǒng)，由于人為的造假或者驗證人的疏忽，會引起驗證的錯誤，這些錯誤主要表現(xiàn)在誤識別上面。生物識別系統(tǒng)作為一種典型的模式識別系統(tǒng)，它的判斷結(jié)果是一個有一定置信度的結(jié)果，這個有一定置信度的結(jié)果有可能出現(xiàn)兩種錯誤判斷，一是把正確的匹配當成錯誤的而拒絕(拒真率False Reject Rate， FRR)，又叫拒識率;另一種則是把原本不匹配的當成正確的而接納(誤識率False Accept Rate， FAR)，又叫誤識率。對于一個實際的應用系統(tǒng)，如果系統(tǒng)的拒識率FRR較大，就會造成用戶多次輸入而無法確認其身份，使用戶感到不便，進而對該系統(tǒng)產(chǎn)生不信任和厭惡感;如果系統(tǒng)的誤識率FAR較大，就會降低系統(tǒng)的安全性，對合法的用戶造成損失。在一個生物識別系統(tǒng)中，系統(tǒng)的拒識率和誤識率是一對相互矛盾的參數(shù)，不可能使兩個參數(shù)同時達到最低。一個參數(shù)的減少必然會導致另外一個參數(shù)的增加。因此在實際的應用工程中，我們只能根據(jù)用途的不同，調(diào)整系統(tǒng)的參數(shù)，使其滿足不同目的的需求。對于高度機密的訪問控制，則可適當提高拒識率，把誤識率降到最小;反之，一般安全等級用途的用戶，適當?shù)慕档途茏R率。

　　對于一個生物識別系統(tǒng)，我們一般用ROC(Receiver Operating Curve)曲線來描述系統(tǒng)的整體性能。曲線上的每一點，都對應了一定安全閾值下系統(tǒng)的FRR和FAR.圖1.2給出了ROC曲線的一個實例。在實際應用中，因為各廠商和研究機構(gòu)實際只是給出了最好的FRR和FAR，而這兩個參數(shù)并不是對應同一個安全閾值，所以，一個更為科學的評估參數(shù)———等錯誤率(ERR)被廣泛應用，所謂等錯誤率，是指FRR與FAR相等時的FRR和FAR的取值(如圖1.2所示)。很顯然，ERR越小，系統(tǒng)的整體安全性越高。另外，系統(tǒng)的匹配速度也是系統(tǒng)性能的一個重要指標，該指標通常是能夠影響ROC曲線的。特別是對于辨識系統(tǒng)，由于做“一對多”的指紋匹配，速度就顯得格外重要。