生物认证在刑事侦查中的应用

2010-01-29刘猜

铁道警察学院学报 2010年2期

刘猜

(铁道警官高等专科学校成人教育处,河南郑州 450053)

国际生物认证协会 ( IB IA)将生物认证定义为:根据生理和行为来识别或验证一个有生命个体的自动方法。生物认证既是古老的认证方法,也是新兴的应用技术。最早的生物认证实例可以追溯到1000多年以前,我国古代制陶工将自己的指纹印在陶器上作为表明身份的印记,古代的滴血认亲、捺印文契等也是古老的生物认证的应用。系统科学的生物认证技术应司法诉讼的需求产生于 19世纪。将生物认证看作是一门新兴的应用技术,是因为借助于计算机技术的生物认证技术的历史还不长,现代化的生物认证技术最终依赖于计算机技术的发展。到了 20世纪 70年代,生物认证逐步商业化,出现了生物认证的商品仪器。生物认证应用的一个重要领域是刑事案件侦查,其作为刑事技术鉴定的重要手段在日益升级的刑事犯罪侦查中发挥着越来越大的作用。

一、生物认证的特点

人的生物特征可分为两类:一类是生理特征,如指纹、脸型、虹膜等。另一类是行为特征,如步态、笔迹、声音等。生物特征人各有异、终生 (几乎)不变、随身携带。生物认证就是通过计算机与光学、声学、电子学、生物传感器和生物统计学原理等高科技手段的密切结合,利用人体固有的生理特性和行为特征来进行个人身份鉴定的技术。目前,越来越强大的计算能力、越来越好的算法以及越来越廉价的存储成本都促进了生物认证技术进一步向着功能多样化和易用普及化等方向发展。具体来说,生物认证具有以下三个典型特点。

第一个特点是“足够有效”的匹配原则。生物认证与口令认证系统中采取的匹配原则不大一样。在口令认证系统中采取的是精确匹配的原则,被认证者提交的口令必须与数据库中存储的口令数据完全一致,差一个字符都不能通过。而在生物认证系统中,匹配软件把当前收集到的被认证者的生物特征数据和存储在数据库中的模板进行匹配,不是看是否绝对完全的匹配,而是看匹配的结果是否在有效范围内(是否达到阈值),可以把这种匹配模式称为“模糊匹配”,它涉及模糊数学的理论。

第二个特点是系统使用的是认证对象的生物特征的典型数据,并非生物特征的完整记录。基于生理特征如指纹、掌纹、脸型、虹膜等的生物鉴定主要是对认证对象的典型特征数据进行鉴定。基于行为特征的生物鉴定主要是对认证对象的典型行为进行测量。如签名识别主要记录签名人在签名时的形态,签名的图形,所用时间,用笔压力,用笔方向等典型特征数据。语音识别是通过对语者说话的音调、节奏以及重音等进行分析并生成音频模板。击键特征是通过测量击键者击键的停留时间以及击键的间隔速度,确认击键者的身份。

第三个特点是系统在认证对象每次出示生物特征时采集到的特征数据是不同的。如采集指纹时,每次手指按压的力度和手指在指纹读取器上的相对位置都不可能完全一样,因此采集到的手指指纹的特征数据可能不同。

二、生物认证的原理

生物认证包括对生物特征进行采集、提取、处理、存储、传输、匹配、认证等技术,涉及计算机技术、网络技术、电子学、微电子学、光学、医学、生物学、人工智能等近代学科的理论和应用技术。利用生物特征技术设计生物认证系统,由以下几部分组成。

(一)数据采集——现场检材的提取,这是生物特征的采集环节。包括传感器、数据读入装置、编码装置等设备和相关技术。其作用是采集认证目标的生物特征数据,并把它转化成数字信息。

(二)数据传输——这是指生物认证系统中各个基本功能组件之间的数据传输设备和相关技术。

(三)数据处理——这是数据处理环节,即对未加工的生物特征原始数据进行预处理,为模式匹配做准备。数据处理的步骤包括数据分割(是指将相关的生物特征数据从背景信息中分割出来。比如,分割一段语音样本,去掉讲话之前和之后的无意义的噪音信号),隔离并提取有关特征,生成生物特征。将生物特征以数字化形式存储在数字设备 (如计算机、智能设备等)中。

(四)样本数据库的建立——将按照上述方法采集的用于与认证目标匹配的生物特征数据,存储到数据库,也称生物特征模板数据库中。用于安全认证的系统,需要通过用户注册,事先提取每个合法用户的生物特征样本作为模板,并把它们存入数据库,以备认证时进行比对。对于用于刑事案件侦查的样本数据库,可以采集有前科的违法犯罪人员的生物特征数据。将现场检材数据与样本数据库放到相同的数据系统中,用于确定案件中涉及的相关人员的身份,如嫌疑人、受害人等。

(五)匹配——这是认证环节。用匹配算法把认证目标的生物特征和数据库中相应的模板进行比对,作为基于算法比对的结果,应该得到匹配的分值,它表示模板之间的相似程度,相似程度可以用 0～100%之间的百分比表示,也可以用数值表示。

(六)认定或鉴定——这是系统产生输出的最后一步,也就是最终对匹配的结果做出“是”、“趋向是”、“不定”、“趋向否”、“否”等若干可以采纳的结论。在司法鉴定中常用这种方式。商业生物认证的一般鉴定方法是给认证目标特征的数据得分和匹配得分各设置一个阈值,当两个得分都大于阈值时,就认为匹配成功。如果达到了质量阈值而没有达到匹配阈值,则认为匹配失败。如果质量阈值没有达到,那么就认为数据的质量太差,系统可以拒绝匹配,并要求重新输入新数据。最后的判定结果要返回给应用系统。

不管采取何种生物特征技术,生物认证系统从结构和处理流程上都是相似的。

三、生物认证的应用

生物认证作为刑事技术鉴定的重要手段运用于刑事案件侦查方面在近些年取得了长足的进展。目前,在刑事案件侦破中使用较多的生物认证技术主要是指纹、笔迹鉴定和 DNA等识别技术,特别是DNA识别结果在命案、强奸案等涉及生物检材时是非常有力的诉讼证据。下面笔者对传统和现代、历史和新兴等诸多生物认证技术的应用枚举介绍,考察其优缺点,以求转变办案人员观念,扩大视野,拓展思路,综合运用,为打击犯罪、提高办案效率提供技术支持。尤其是新兴生物认证技术对传统侦查技术注入了新的活力,增添了新的光彩,比如脑电波识别技术的运用,使得生物识别技术正在向着更深、更广、更精尖的方向发展。

(一)虹膜识别技术

虹膜识别的发展历程可以追溯至 19世纪 80年代。1885年,Alphonse Bertillon将利用生物特征识别个体的思路应用在巴黎的刑事监狱管理中,当时所用的生物特征就包括虹膜、耳朵的大小、脚的长度等。

虹膜是眼睛瞳孔周围圆形色素隔膜,其中的肌肉可以调整进入眼睛的光通量。圆盘状的虹膜以中央的瞳孔为中心,向周围有辐射状的纹理和小凹,犹如裙子褶。瞳孔缩小时纹理变直,瞳孔扩大时纹理呈波浪形,形成复杂、丰富的纹理。虹膜呈现由里到外的辐射型结构,包含许多相互交错的类似斑点、细丝、冠状、条纹、隐窝等形状。虹膜上的纹理、血管、斑点等细微特征人各不同,虹膜与手指纹一样,每个虹膜所包含的信息都不相同,是独一无二的,不具遗传性(即使是同卵双胞胎虹膜也各不相同),人的左右眼的虹膜也是不同的。虹膜在人的一生中都极其稳定,出生前(胎儿 7个月时)已经形成,出生 6—18个月后定型,此后终身不变。一般性疾病不会对虹膜组织造成损伤,不会因职业等因素造成磨损。因此,虹膜的可靠性、稳定性和唯一性为生物识别提供了一种良好方法。有统计表明,到目前为止,虹膜识别的错误率是各种生物特征识别中最低的。

虹膜识别技术的优点是:虹膜识别是获取、分析和比较其图案,在采集虹膜时,从一定距离即可获得虹膜数字图像,被采集人无需接触采集设备,对人身没有侵犯,因而容易被公众接受;建立虹膜数据库,查询速度快,准确性高;在虹膜识别中,计算机识别系统自动完成,不用人工干预。虹膜识别技术的缺点是:虹膜采集设备的成本高,依赖于周围的环境,不易普及;需要特殊的光源才能显示出利于采集的虹膜图案;对于盲人和眼睛有疾病的人不适用虹膜识别技术;对黑眼睛的识别比较困难。

每个人的视网膜图纹也都是不同的,在法庭科学上眼底视网膜血管图是一种个人识别的优选方法。视网膜识别技术的应用与虹膜识别技术的应用相同。

(二)指纹识别技术

利用指纹进行身份鉴别有着悠久的历史。1880年,苏格兰医生 Henry Faulds在英国《Nature》上发表论文,指出指纹人各有不同,恒久不变,并且可以利用现场遗留的指纹,对嫌疑人进行鉴定,从此揭开了现代指纹的研究序幕。1892年,英国科学家高尔顿出版专著《指纹》,并提出在 640亿人中才能找到一对特征完全相同的指纹。指纹是公认的个人认定绝对可靠的标志,并已在法庭科学中得到很长时间的应用。现在人们利用计算机技术和网络技术,建立了庞大的数字化指纹数据库中心,数据库资源得到共享,可以在全国范围内进行指纹检索,在侦破历史遗留案件和并案中发挥了巨大的作用。

指纹识别技术的优点是:指纹是相当稳定的,不易随着年龄、身体状况发生变化;每个人的指纹各不相同,重复的概率极低;指纹便于采集,易于推广使用;指纹特征易于使用现在成熟的算法处理,特征数据量小,为建立大指纹数据库和网络快速指纹检索提供了有利的条件。指纹识别技术的缺点是:采集普通公民的指纹,在法律上和人们的接受上还有待认可。但这是刑事案件侦查的需要,同时也是发展的大趋势,如果能够实现的话,将为案件办理及相关安全管理提供极大方便。随着网络化的更加普及,指纹识别在刑事案件侦查中的应用将更加广泛。

(三)DNA识别技术

DNA识别技术在法庭科学中的主要应用是对生物物证的个体识别鉴定,对其进行种属、性别、ABO血型的基因分型,乃至通过 DNA检验可以对人的部分外观特征如头发颜色、下颌形状等进行初步描述,为案件的侦查和诉讼的各个环节提供科学的证据,对现场发现的来自人体的任何生物组织进行个体来源鉴定,从而直接认定罪犯。特别是利用DNA数据库资源对异地案件快速排查,在串并案中发挥了重要作用。DNA在重大灾难事件调查、打击恐怖犯罪活动中可以提供坚实可靠的有力证据。

DNA识别技术的优点是:采集的检材少,如脱落的表皮和毛发等;可以对嫌疑人父母兄妹样品进行检验,认定犯罪嫌疑人员;为案件的侦查排查提供方向,节约时间、警力和财力。DNA识别技术的缺点是:对双胞胎无法使用DNA技术进行个体识别; DNA鉴定必须在实验室中进行;某些特殊疾病可能改变人体DNA的结构,系统无法对这类人群进行识别,有一定局限性。

(四)人脸识别技术

人脸自动识别是模式识别和人工智能领域中的一个热点,是近年来发展较快的身份认证技术。当前人脸识别的发展趋势是三维人像识别,即从正常行走的人群中,采集若干张不同角度的脸部照片,利用计算机三维图像重现技术,还原人脸的立体形象,可以避免由于角度、光线、化妆等因素对二维照片带来的影响。与指纹数据库一样,人脸识别技术需要建立标准人头像数据库管理系统。目前人脸识别技术主要有人脸识别监控、人脸识别比对检索、身份确认三种应用模式。

人脸识别技术的优点是:人脸采集速度快、方便、直观、成本低,对人友好,最易于配合;可以隐蔽和远距离采集人脸,适用于监控场所;可以利用现有的各种证书、用人单位人事部门的人像照片资源。人脸识别技术的缺点是:人脸存在一定差异,就目前的图像处理算法,误识率较高;人脸随着个体的健康状态变化而发生一定的变化,如胖瘦;利用整形改变脸型易于伪装;采集人像时,受环境的光线亮度和方向影响,受采集人像的角度影响;面部表情的细微变化、丰富的感情语言在计算机自动识别中很困难。总的来说,人脸识别率不如DNA、指纹、虹膜等生物特征识别。

(五)耳廓识别技术

人耳识别技术是 20世纪 90年代末开始兴起的一种生物特征识别技术。被称为人类身份识别的科学先锋的 Alphonse Bertillon教授认为,几乎不可能有两个完全相同的耳朵。美国最早用于耳廓识别的是法学教授 Alfred V.Iannarelli。英国国家犯罪科学支持训练中心建立有耳廓数据库,用于耳廓识别。耳廓特征识别与人脸特征识别结合起来,将大大提高个体身份认证的可靠性。目前的人耳识别技术是在特定的人耳图像库上实现的,一般通过摄像机或数码相机采集一定数量的人耳图像,建立人耳图像库,用于耳廓比对。

耳廓识别技术的优点是:耳朵的采集面积小,空间压缩比高;耳朵图像的颜色在转换为灰色图像时,能够保留几乎所有的颜色信息;耳廓有相对的稳定形状和外观,成人的耳形不会发生明显的变化。耳廓识别技术的缺点是:在人的自然行为中,不易获得耳廓照片;耳朵在挤压时容易变形;采集耳廓时,受光线和灯光的影响。

(六)热成像识别技术

根据红外物理学理论,不同组织结构的物体具有不同的红外波长的电磁辐射,也称热辐射。红外传感器接收到热辐射后形成可见的图像,称为热成像或红外图像。在脸部皮肤表层下分布着许多细微的血管,当使用红外线摄影机拍摄时,则可得到血液在脸部细胞组织间流通所产生热量分布的情形。热成像识别技术是利用人脸的热成像分布图辨别人身份的一项生物认证技术。

热成像识别技术的优点是:每一张人脸的热成像分布图是唯一的且不易经由伪装而被假冒,甚至经脸部整形手术后,若其内部血管没有被重新绕道而移位,则其脸部热成像分布仍旧会维持原样;热成像不会受到环境可见光的变化而影响图像的亮度,故在环境光线无法严格控制的情况下,人脸热感应的系统仍可以正常运作来辨识使用者的身份。热成像识别技术的缺点是:人的脸部的静脉和组织虽然是相对稳定的,但血液的流动是变化的,人在不同的环境、不同的心理活动、不同的行为、不同的健康状态下,会影响血液流通的状况,其热成像是有区别的,如激动时血液会加速流动,而忧伤时血液则流动缓慢,因此对同一人而言,其人脸热感应分布可能会有较大的变化差异;人体温度在一天中会随着不同时段而变化,通常早晨体温较低,而傍晚体温较高,这也会造成热成像分布的不同;周围电器的使用也会影响脸部的热成像。

(七)脑电波识别技术

大脑活动时产生生物电位,将脑电位的变化以波形的形式记录下来,称为脑电波。1929年德国精神病学者 Berger首次报告从头皮上记录到人的脑电波,1934年 Adrian和 Davis首次将其用于临床,以后逐渐得到普及应用。此后 60多年来,脑电波的记录手段的改进都可看成是 Berger记录方法的发展和完善。对特别安排的事件刺激引出的电位,称作“诱发”电位。事件相关电位是当人对某客体进行认知加工(如注意、记忆、思维)时,通过平均叠加从头颅表面记录到的大脑电位,它是一种特殊的诱发电位,反映认知过程中大脑的神经电生理改变,因此有人将其称作是“认知电位”。该电位能反映大脑对客体的认知痕迹,也有人称“脑指纹”,因此脑电波识别成为“窥视”人们心理活动的方法。简单地说,人的大脑储存一个人的经历。在犯罪嫌疑人面前播放与作案现场有关的图片或录像 (视觉刺激)、录音(听觉刺激)时,如果这些画面或声音与嫌疑人记忆中的情况相吻合,那么他们的大脑就会产生微弱的电位,可通过脑电波测试仪记录波形,并对其无意识的大脑活动进行分析,然后就能判断他们是否熟知现场的情况,从而确定其与案件的关系。现在该方法逐渐应用到了刑事案件侦查中。

脑电波识别技术的优点是:它是一种相对简单、快速的测谎技术方法,与传统测谎技术相比,采集人的中枢神经系统的脑电指标反应,可以更客观直接反映被试的心理状态;被测人不用回答询问人的问题,不易伪装。脑电波识别技术的缺点是:成本相对较高,法律上目前不认可该方法的鉴定结果作为指证的依据。现在它主要用于辅助案件侦破,为刑事案件侦破提供线索,节省人力、物力和时间。

(八)步态识别技术

步态是指人走路等运动行为的姿态,广义上应该包括运动中的空间和时间特征,即四肢运动幅度和速度变化,还包括运动时引起外界的变化 (如脚步声的大小和轻重等)。步态与行为动作、体重、健康状态、年龄、穿载负重、鞋型、情感状态、环境等有关。医学研究认为人的步态是唯一的,也有人将个体步态特征称为“步态签名”。根据步态重建三维人体模型,可以用于个体识别。在视频监控录像中,对于遮掩脸部或看不清脸部的录像,步态识别技术是一种可利用的生物识别途径。步态识别技术在侦查工作中有广阔的应用前景,但是目前还处在初期阶段,其发展还面临许多艰难的挑战。

步态识别技术的优点是:步态识别没有侵犯性;可以远距离采集步态视频图像,可以隐蔽采集步态视频图像;对采集设备的分辨率要求低;可以与人脸、耳廓一起进行生物识别。步态识别技术的缺点是:步态与人的残疾、穿戴、负重、行为关系较大;可以有意模仿他人步态,伪造行为步态。

(九)语音识别技术

语音识别是对说话的内容和说话人的发音特征等进行波形特征分析和自动识别的一项技术。人的声音同人的面孔一样,具有个人的特定性,而且成年人的声音定型以后,不容易发生变化,所以人的声音具有相对稳定性,一般情况下能区别不同人的声音或判断是否同一人的声音。在刑事案件侦破中,对于各种电话勒索、绑架、电话人身攻击等案件,利用语音识别技术可以在一段录音中查找出嫌疑人或缩小侦查范围。该技术可以作为在法庭上提供身份确认的证据。

语音识别技术的优点是:语音识别技术不依赖于特定文字,不需记忆,使用方便;非接触的采集声音的方式,使被采集者接受程度高,由于不涉及隐私问题,被采集者无任何心理障碍;利用语音进行身份识别是最自然和最经济的方法之一。声音输入设备造价低廉,特别是通信网络技术的普及,在刑事案件中的语音证据越来越多,使得语音识别技术在个体识别中的地位日显重要。语音识别技术的缺点是:由于音量、语速、语气、人的状态等变化,容易产生识别上的误差,例如人们在感冒时的声音变得嘶哑,语音识别系统对此也是敏感的;易于进行声音欺骗,现代技术的发展使得声音欺骗变得更加容易和简单。

除了以上枚举介绍的物特征识别技术之外,还有人体气味识别技术、牙印或咬痕识别技术、掌纹识别技术、皮肤光泽识别技术、汗毛孔识别技术、血管纹路识别技术、手形识别技术、甲底识别技术、签名识别技术、击键动力学识别技术等诸多生物认证技术,这些生物认证技术除了可广泛用于政府、军队、银行、社会福利保障、电子商务、安全防务等领域外,都具有在刑事案件侦查中进行个人身份鉴定应用的价值,我们应该加强对这些生物认证技术的认识,综合有效运用生物认证技术,为打击犯罪提供更多的技术支持,从而提高案件侦破的效率。

四、多生物特征融合技术

用于身份认证的各种生物特征的指标对比表。

普遍性独特性持久性可采集性识别精度易接受性防欺骗性指标特性生物特征虹膜高高高中高低高视网膜高高中低高低高指纹中高高中高中中掌纹中高高中高中中DNA 高高高低高低高人脸高低中高低高低语音中低低中低高低步态中低低高低高中耳廓中中高中中高中脑电高高中中高中高热成像高高低高中高高击键低低低中低中中签名低低低高低高低人体气味高高高低低中高手形中中中高中中中手静脉血管中中中中中中高

从上表可以看出,没有哪一种生物特征识别技术在各种指标上全都是最佳的,也不能认为哪一种生物特征识别技术在某个指标上是最佳和应用价值最大的。对于刑事案件现场而言,只要是能够提取到的生物特征,就有一定的价值。多种生物特征采用信息融合的方法,将会使识别系统的准确性、可靠性和适用性得到很大提高,这就是多种生理特征或行为特征进行人的身份识别的技术,即多生物特征融合技术。

多生物特征融合技术的优点是:1.提高身份认证的准确性;2.增加了生物特征欺骗的难度,提高了系统的可靠性;3.可以在一定程度上排除干扰特征,利用有价值的特征进行身份认证;4.在一定范围内,可以避免由于某些生物特征的变化带来的影响;5.多种生物特征融合技术是计算机技术和人工智能技术结合的方法,可以在特征的细节上和在整个系统的决策上,得出更为客观和理想的结果。

在刑事案件侦查中,信息融合已经开始初步使用。对于主要用于身份认证上的生物特征融合,目前国外已有研究表明利用人脸和指纹结合以及人脸、指纹和语音结合等方法进行身份识别,能显著提高识别准确性,在相同误识率的情况下,多生物特征识别系统的拒识率最低。也有研究利用人脸和虹膜以及人脸、指纹和虹膜等进行多生物特征信息融合而达到提高识别系统性能的目的。多生物特征识别系统相对复杂,数据存储量大,计算量显著增加,这是它的弱点。但随着计算机技术的高速发展以及高性能价格比的专用芯片的出现,多生物特征融合技术将得到更进一步的发展,必将成为生物识别技术的发展主流。