好莱坞影片中不再神秘的生物特征识别技术

本刊编辑 李月成 龙思羽 苗雪

当我们还不熟知人脸识别、虹膜扫描、指纹识别等生物技术时，好莱坞已将这些新兴技术毫不吝啬地搬上荧屏，让观众一饱高科技奇观的眼福。毫无疑问，这也成为好莱坞八大影业公司确保票房的噱头和卖点，由此奥斯卡从第68届起增设“科技奖”，以鼓励电影制作人对创新科技的探索。暂不说电影制作后期所运用的数字特效是如何为影迷精心打造一幕幕异乎寻常、惊叹不已的“魔幻世界”和“英雄传说”，单是炫酷的高科技产品就已经让人们眼花缭乱，如在电影中无孔不入的虹膜扫描仪，通过地铁、街道的视频监控摄像设备，随时掌握主线人物的行踪；《碟中谍4》中，具有人脸技术识别的隐形眼镜、触屏操作的汽车挡风玻璃；《惊天危机》中临危受命的查宁·塔图姆，用虹膜扫描确认匹配进入地库等，这些镜头让每个电影技术控过足了“眼瘾”，同时一次次掀起人们对“未来世界”的探讨与向往。

在科技发展迅速的今天，虽然科幻影像中的技术不可完全复制、粘贴到现实生活中，但人们已通过相应的技术原理着手研发出可适用于一些领域的生物特征识别技术产品，逐步拉近镜头中抽象、虚拟的高新技术与现实应用技术的距离。对此，本期专题策划将聚焦指纹识别技术、声纹识别技术、虹膜识别技术、面部识别技术、静脉设别技术等生物特征识别技术，通过好莱坞影片中的精彩镜头，诠释生物特征识别技术应用与发展。

我国生物特征识别技术的发展历程

中国的生物特征识别技术起步于20世纪90年代初期，至今已有近20年的发展史，指纹识别、面部识别、虹膜识别、静脉识别、声纹识别等技术已逐步形成相关应用体系。生物特征识别技术的发展历史可划分为三个阶段。

第一阶段：

1990年- 1997年。整个市场只有欧美澳不超过十家产品和系统供应商，国内厂商只充当分销商和系统集成商的角色——引进国外产品或做一些简单的集成应用，如门禁系统等。

第二阶段：

1998年- 2002年。通过学习和借鉴国外技术和产品，中国厂商逐渐攻克了核心软件、硬件处理平台、采集器件以及应用系统设计等关键技术，开始有少量国内设计和制造的产品出现。

第三阶段：

中国生物特征识别技术和产品在商业应用领域占据越来越多的市场份额。国外厂商开始转向复杂大系统、多技术融合等中高端产品及应用口。

全方位技术诠释指纹识别技术

《复仇者联盟》——这是一部以雷神托儿、黑寡妇、鹰眼侠、美国队长、钢铁侠、绿巨人为主要出场嘉宾，以携手制敌、争夺阿斯加德人魔方为剧情主线，宣扬美国英雄主义的特效大片。在这场地球保卫战中，英雄与英雄难免会出现意见分歧，影片第56分钟，“实验产物”Rogers与“老年盔甲战士”Tony 相互揭短，但在敌军应时应景地炸毁一个机翼后，两人言和，进入备战状态，Tony手握透明遥控器，一指按下启动键，在识别身份后，启动了他的专属“钢壳”。

概念诠释

指纹识别技术得益于运用现代电子集成制造技术，是根据人体指纹的纹路、细节特征等信息对操作或被操作者进行身份鉴定的一种识别技术。主要涉及读取指纹图像、提取特征、保存数据和比对四项功能。

种类分析

目前，常见的指纹识别技术有光学识别技术、温差感应式识别技术、半导体硅感技术（电容式技术）、超声波技术。四种指纹识别技术的优缺点如表1所示。

表1 指纹识别技术优缺点

技术原理

每个人的指纹都是独一无二的，不可能遗忘、丢失并难以窃取和伪造，通过事先采集并录入指纹图像，与需要验证和识别的指纹图像进行认证和特征对比，从而进行身份鉴别，这就是指纹识别技术的基本原理。

应用领域

指纹识别技术多用于对安全性要求比较高的商务及政府办公领域；在民用生活中，指纹识别技术除运用在指纹锁、考勤、门禁、指纹保管箱外，现也应用于笔记本电脑指纹登陆模块、手机指纹开机验证模块、指纹网上银行等信息安全更大众化的领域中。此外，具备指纹识别功能的iPhone6即将问世，便携式指纹市场及NFC手机电子支付将成为未来市场发展的巨大增长点。

制约因素

在具体的应用中，指纹识别技术也受到客观因素的制约。

·HID大中华区销售总监赵建邦

指纹识别技术容易受到稳定性、安全系数、环境、系统集成等因素制约。该技术的稳定性包括识别速度、识别质量及准确性。随着指纹识别技术的广泛应用，应该进一步拓宽其应用领域，这就需要提高指纹的识别率和形变指纹以及对残缺和污损指纹的识别质量。指纹识别技术安全系统应根据不同背景情况而采用不同的操作方式，其安全性也会随之变化。例如，现时部分指纹识别读卡器可支持多种认证方式（密码+智能卡或密码+智能卡+指纹），或要求读取两位授权人士的指纹才能开启门禁，因此，要考虑该应用区域的安全要求。

使用环境对使用者的性别、年龄、工作性质有更高的要求，不同的环境与应用对高精度的生物特征识别设备的使用效果影响较大。系统集成应充分考虑与其他子系统的集成可行性，要从系统设计、硬件稳定性、软件接口、管理流程、系统操作等多方面进行综合考虑，同时还要充分考虑最终用户的实际需求。这些都是阻碍指纹识别技术普及应用的客观因素。

·汉王科技副总裁石践

指纹识别技术是一种接触性的识别技术，因此指纹采集头较容易损坏，尤其是在使用次数较多的场景下，几个月就得更换一次采集头。据不完全统计，5%左右的人指纹比较浅，是不能使用指纹识别，这就大大制约了指纹的应用领域。

解决方案

针对指纹识别技术的阻碍因素，HID大中华区销售总监赵建邦给出3种解决方式，其一是提高生物识别技术来提升生物识别的准确率，降低环境对识别效果的影响，从而实现生物识别更好的利用。其二是指纹识别技术对皮肤、皮下层和不同结构具有专一的特性，能识别到皮下层特征的指纹技术将减少对识别环境的要求及简单皮肤表皮破损时的影响。其三是支持指纹机SDK 开发包，为开发者、集成商等提供SDK 开发包，提高指纹识别技术在更多领域的集成应用。

发展趋势

指纹识别技术的发展，需满足消费者的需求，而消费者对于高科技产品的使用一般都是追求简单、便捷的使用功能，而指纹识别技术最能体现的就是简单“识别”功能。

指纹识别技术的多元化反映在产品应用的多元化上，不仅是指纹锁、指纹储物箱、指纹钥匙等，还包括消费者生活方式等应用，同时还可满足更多市场消费者的需求。指纹识别的双认证、多认证比单认证更安全，至少理论上可以这样理解，但多一次认证意味着多一次识别，识别过程更加繁琐。因此，未来指纹识别产品将朝着技术安全可靠，功能简单；多元化功能、生活化；双认证或多认证的产品方向发展。

表2 声纹识别技术优缺点

声纹识别技术

《美国队长2》——独眼“海盗”尼克与局长谈妥推迟“洞察计划”后，在回家的路上遭遇警队突袭，尼克与他的全自动语音识别战车上演了一场好莱坞经典追车大战，这辆美国雪佛兰箱车可根据语音命令，启动垂直起飞、导航摄像头等功能，但根据剧情的发展，虽然尼克逃出警队的袭击，却被配有金属手臂和防毒面具的黑衣人三枪毙命。

概念诠释

声纹识别是通过分析使用者声音的物理特性来进行识别身份的技术。这是一项根据语音提取反映说话人生理和行为特征的语音参数，并自动识别说话人身份的技术。主要涉及语音信号处理、声纹特征提取、声纹建模、声纹比对、判别决策功能。

种类分析

声纹识别主要分为说话人辨认及说话人确认两种，前者解决“多选一”问题，后者解决“一对一判别”问题。不同的任务和应用会使用不同的声纹识别技术，如缩小刑侦范围时可能需要辨认技术，而银行交易时则需要确认技术。不管是辨认还是确认，都需要先对说话人的声纹进行建模。其技术优缺点如表2所示。

技术原理

声纹识别是用电声学仪器显示的携带言语信息的声波频谱。人类语言的产生是人体语言中枢与发音器官之间一个复杂的生理物理过程，人在讲话时使用的发声器官包括舌、牙齿、喉头、肺、鼻腔，在尺寸和形态方面，每个人的差异很大，所以任何人的声纹图谱都有差异。语音声学特征既有相对稳定性，又有变异性，不是绝对、一成不变的。这种变异可能来自生理、病理、心理、模拟、伪装，也与环境干扰有关。在一般情况下，人们仍能区别不同人或判断是否是同一人的声音。

应用领域

目前，声纹识别技术主要应用于以下领域。

1）在电话交易方面的应用。采用声纹识别技术一方面提高了交易的安全性，使交易过程更加简单和人性化，降低交易系统使用成本；另一方面降低欺诈可能性，提高电话订购商品效率，推动“电话商务”的发展。

2）在PC以及手持式设备上的应用。无须记忆密码，保护个人信息安全，大大提高系统的安全性，方便用户使用。

3）在保安系统以及证件防伪中的应用。可用于信用卡、银行卡、门、车的钥匙卡、授权使用的电脑、声纹锁以及特殊信道口的身份卡，在卡上事先存储持卡者的声音特征码，即可使用。

4）与二维条码技术相结合的防伪应用。通过二维条码识别出用户的声纹特征并输入到声纹确认仪器中，同时与持证人的声音进行对比，从而完成证件和身份确认。声纹二维条码技术也可以应用于物流配送。

5）在刑事侦查和军队国防领域的应用。对于破获各种电话勒索、绑架、电话人身攻击等案件起积极作用。

发展趋势

声纹识别技术与其他生物特征识别技术相比，由于它具有简便、准确、经济及可扩展性良好等众多优势，目前在世界范围内广泛应用于众多领域。当然，声纹识别也还存在一些技术上的难点，如用很短的语音进行模拟训练和识别、有效地区分模仿声音和真正声音、消除或减弱声音变化带来的影响等，不过总体来说，声纹识别技术作为生物特征识别技术的代表之一，具有十分广阔的应用前景。

虹膜识别技术

《生化危机5—惩罚》——爱丽丝及其好友在俄罗斯组建一支大战僵尸的“敢死队”，在展示完乱枪扫射及飙车甩尾索命僵尸后，终于在地下通道与穿越时间维度的女儿贝姬小聚，为探寻一条生路，爱丽丝从靴子里掏出一样“神器”，虽然其外部结构与普通眼镜没有什么区别，但却可通过视觉与镜片的接触，辨认出口方向。虽说现代科技水平尚未达到镜头里花哨炫酷的高端功能，但虹膜识别技术肯定是该项技术的鼻祖。

概念诠释

虹膜是一种在眼睛瞳孔内的织物状的各色环状物，每一个虹膜都包含一个独一无二的基于像冠、水晶体、细丝、斑点、结构、凹点、射线、皱纹和条纹等特征的结构，虹膜识别技术是以人的虹膜纹理为依据的人体生物终身身份标识技术之一。技术过程分为虹膜图像获取、图像预处理、特征提取和特征匹配4个步骤。

种类分析

主流虹膜特征提取和识别方法分：基于图像、相位、奇异点、多通道纹理滤波统计特征、频域分解系数、虹膜信号形状特征、方向特征及子空间的方法。

技术特点

虹膜的定位可在1s内完成，产生虹膜代码的时间也仅需1s，数据库的检索时间较短。处理器速度是大规模检索的一个瓶颈，另外网络和硬件设备的性能也制约着检索速度的进步。由于虹膜识别技术采用的是单色成像技术，因此，一些图像很难把它从瞳孔的图像中分离出来。但是虹膜识别技术所采用的算法允许图像质量在某种程度上有所变化。相同的虹膜所产生的虹膜代码也有25%的变化，但在识别过程中，虹膜代码的变化只占整个虹膜代码的10%，所占代码比例较少。

应用领域

目前，国内外虹膜技术并不成熟，1998年我国中科院自动化所开始对虹膜方面进行研究，2000年成功开发出我国具有自主知识产权的虹膜识别技术。目前，虹膜识别技术已慢慢渗入到电子商务、电子金融、机场、监狱等领域，具体应用案例如下。

1）2002年2月8日，英国伦敦希思罗机场开始对一种先进的保安系统进行测试，新系统可扫描乘客的眼睛，以代替检查乘客的护照。

2）2003年3月18日，阿布扎比(阿拉伯联合酋长国之一)宣布世界上第一套国家级的基于虹膜识别技术的针对被驱逐的外国人虹膜追踪与国界控制系统开始启用。

3）2012年8月29日，美国某机场采用虹膜扫描技术，该技术通过扫描乘客的眼球2s即可快速识别出6英尺（约为1.83m）之外的人的身份。

制约因素

长期以来，因居高不下的产品价格和识别精度的技术缺陷阻碍了虹膜识别技术的普及，使得虹膜识别技术总给人高成本、高端应用、易用性差、性能可靠性及稳定性尚有待观望的负面印象，用户对于虹膜产品的认可还需要一定的时间。另外，虹膜识别的市场还没有形成规范化，致使市场难以推进。这些因素是阻碍虹膜识别技术普及的客观因素。随着国内企业的集聚增长、核心技术的逐步掌握、产品价格的逐步下落、标准的逐步完善、市场应用的逐步认可，作为生物识别技术中最精确、最难伪造、处理速度最快的虹膜识别技术将会得到更广泛的应用。

发展趋势

我国虹膜识别产业步入迅速发展的成长期，产品体系已建立，技术标准逐步完善，各领域应用逐步普及，行业体系已成型。目前已经在企业考勤、银行保险柜、金库门禁等控制领域崭露头角。另一方面，从市场来看，虹膜市场在不断细化，虹膜研发企业数量不断增加，相关技术逐渐进入人们的日常生活当中。但从整体情况来看，国内虹膜识别产业的发展仍然处于“消化吸收”的阶段，与其他生物特征识别技术相比，虹膜产业还未形成规模化、普遍化的应用，有待更进一步的发展。

虹膜识别是当前应用最为方便和精确的一种技术，并被看做21世纪最具发展前途的生物特征认证技术，未来的安防、国防、电子商务等多种领域的应用，也必然会以虹膜识别技术为重点。这种趋势已经在全球各地的各种应用中逐渐开始显现出来，市场应用前景广阔。

面部识别技术

《钢铁侠3》——在“特洛伊木马”这一桥段中，钢铁爱国者罗德上校被满大人的精兵将领假包替换，拉开一场激烈追杀美国领导人并挟持总统的情节，那个类似中国经典动画片里会喷火的葫芦娃兄弟，穿着金刚不破的战袍，运用多种特异功能将BOSS打得火光四溅、翻滚自如，该兄弟带动颈部运动神经，180°旋转铁头盔，运用“人脸识别”技术，将核心领导人准确定位。

概念诠释

面部识别又称人脸识别、面像识别、面容识别等。面部识别使用通用的摄像机作为识别信息获取装置。以非接触的方式获取识别对象的面部图像，计算机系统在获取图像后与数据库图像进行比对，完成识别过程。

种类分析

面部识别主要包括基于主动光源的人脸识别、可见光人脸识别等。面部识别功能和优缺点如表3所示。

表3 面部识别技术优缺点

技术原理

1）完成一对一验证匹配或多对一鉴别匹配；

2）面向检测：可在静止图像与视频流甚至在复杂的情景中发现面部图像；

3）面向编码生成：生成84bit大小的且可用计算机处理数字编码，可用计算机进行面像识别；

4）面向压缩：生成人可读图像，大小为100到1000bit；

5）图像质量：为面像识别获取高质量的面像。

制约因素汉王科技副总裁石践

人脸识别最核心的技术是识别算法。目前主要的识别算法有可见光人脸识别算法、红外人脸识别算法及立体人脸识别算法3类。但这3类识别算法或受年龄、姿态、表情、光线的影响，或受运算复杂、成本高等因素的阻碍，都难以大规模商用。

解决方案

面对全球人脸识别的难题和困境，汉王科技潜心研究推出全球独创，拥有自主知识产权的识别算法——“双目立体人脸识别技术”。该算法把可见光和红外技术融合起来，采用专用双摄像头，就好像一个人的一双眼睛，识别速度快，正确识别率达到99%以上，而目前全球其他人脸识别系统的识别率在70%～90%，双目立体人脸识别技术遥遥领先。同时石践还指出，除了核心算法外，功耗也是人脸识别技术的一大难点。由于人脸识别运算比指纹识别复杂20～30倍，因此，耗电量也是指纹识别的20～30倍，电池难以满足供电需求。为了降低功耗，汉王将人脸识别从计算机转移到了自身的芯片上，降低了功耗，从而抛开外加电源，实现电池供电。

应用领域

面部识别的应用范围很广，主要分为接入控制、监控、智能卡、执法、人脸数据库、多媒体管理、人机交互等，应用在设备存取、车辆访问、智能ATM、电脑接入、程序接入、网络接入；反恐报警、登记、体育场观众扫描、计算机安全、网络安全；公园监控、街道监控、电网监控、网络安全；嫌疑犯识别、欺骗识别；人脸重建、低比特率图片和视频传输等领域。

发展趋势

面部识别技术应用非常广泛，在国内，金融、公安等是面部识别市场应用的主要场所，而在这两个行业的应用也推动了面部识别市场的快速发展。除了金融行业、公安监狱、政府行业、边境管制等对安保系统有较高要求外，更是安全、可靠、易用的身份鉴别手段，从而提升整个网络信息系统的安全性能，有效遏止各类网络违法犯罪活动。目前，面部识别技术在传统的安防领域可以便捷地与原有技术实现紧密的结合，大大提升原有系统的智能化程度，拓展了原有系统的应用领域，从而促进了传统产业的升级。从市场发展前景来看，面部识别技术的发展空间不可小觑。

静脉识别技术

《变形金刚4》——KSI集团的CEO“光头强”约书亚无时无刻地不在演绎他“无边无际、超凡脱俗”的节奏，电影中，当他启动公司机密科技——“变形元素”，即一种结构不稳定但可编程的稀有金属时，炫酷的荧屏魔术再次上演，它成了“光头强”手中随时可幻化的神奇玩物，说实话有点儿像孙大圣从耳后根拔下的那根猴毛。不知道，在电影院里观影的你是否注意到该技术是约书亚用手掌所激活的。

概念诠释

静脉识别系统的运行方式，一种是通过静脉识别仪取得个人静脉分布图，依据专用比对算法从静脉分布图提取特征值，另一种是通过红外线 CCD摄像头获取手指、手掌、手背静脉的图像，将静脉的数字图像存贮在计算机系统中，实现特征值存储。静脉比对时，实时采取静脉图，运用先进的滤波、图像二值化、细化手段对数字图像提取特征，采用复杂的匹配算法同存储在主机中静脉特征值比对匹配，从而对个人进行身份鉴定，确认身份。

种类分析

静脉识别分为指静脉识别和掌静脉识别，掌静脉由于保存及对比的静脉图像较多，识别速度较慢。指静脉识别由于其容量大，识别速度快，但是两者都具备精确度高，活体识别等优势，在门禁安防方面各有千秋。总之，指静脉识别反应速度快，掌静脉安全系数更高。两种技术特点如表5所示。

表5 静脉识别技术特点

应用领域

静脉识别在2006年被纳入生特征物识别技术行列，一般运用在金融及信息网络安全等领域。其中掌静脉识别是日本各家银行ATM系统的基本配置还可运用在门禁系统、监控等领域；手指静脉技术在监狱安防、教育考试、社保管理、金融银行门禁等系统也有应用。

发展趋势

静脉识别在我国的应用还处于起步阶段，由于这些产品的应用范围不是很广，已生产产品的种类数量较少，目前主要集中在门禁领域或对安全防范要求场所。在这种情况下，由于人们的知晓度与了解度不高，概念普及与产品的推广需要一定的时间，市场还在开发阶段，产品初期的成本价格较高，但随着研发的深入，这项技术可以应用到更多不同的领域。

后记

纵然好莱坞大片炫酷的科技镜头让观众啧啧称赞，但随着现代科技飞速发展，我们有理由相信科幻电影中镜头中“高大上”的生物特征识别技术会跳出荧屏，真正走进现实生活。有人说：“生物识别技术将向多模态和多种生物特征融合技术方向发展，更易于集成分析、监控、管理为一体的设备”，与此同时，指纹识别、面部识别、虹膜识别、掌纹识别、步态识别以及静脉识别、心电图识别等技术将会运用到更多的领域，为更多人所受用。正如清华大学苏光大教授在接受本刊采访时所说：“生物特征识别技术在许多行业已经开始应用，当前已进入产业发展的黄金时代。”