指静脉识别技术应用研究

邱建华 徐 伟,2,3 王亚菲

1(北京智慧眼科技股份有限公司 北京 100097)2(全国安防标委会人体生物特征识别应用分技术委员会 北京 100097)3(中国金融学会金融信息化专业委员会 北京 100097) (qjh@a-eye.cn)



指静脉识别技术应用研究

邱建华1徐 伟1,2,3王亚菲1

1(北京智慧眼科技股份有限公司 北京 100097)2(全国安防标委会人体生物特征识别应用分技术委员会 北京 100097)3(中国金融学会金融信息化专业委员会 北京 100097) (qjh@a-eye.cn)

随着各国对公共安全、信息安全等的重视，生物识别技术已逐渐融入人们工作与生活的各个方面，其中，指静脉识别技术凭借天然活体、极难被盗与被仿制等优点成为各研究机构、企业关注的焦点.基于在指静脉识别多年的研究成果，详细阐述指静脉识别的原理、优势、系统与终端设备、发展现状以及未来应用方向.

生物识别；指静脉识别；生物特征；信息安全；防欺骗性

2014年3月8日凌晨2点40分，马来西亚航空公司MH370失联，直到现在都无下落.新闻曝光了马航消失的飞机上冒用护照的2人机场安检的视频，过程十分顺利并且迅速，8 s即完成全身检查，安检人员毫无置疑.

据国际刑警组织披露，其丢失旅行文件(SLTD)数据库里有4 000万余条记录，每年被搜索超过8亿次.也就是说，全球被盗的护照至少有4 000万本.截止2013年,有超过6万份旅行证件被偷.国际刑警组织秘书长罗纳德·诺布尔先前一直认为，假护照是全球最大安全威胁之一.然而，“系统查询”这套数据库的成员国仍然屈指可数，去年未经数据库护照核对而登机的旅客超过10亿人次.

这是一组令人震惊的数据，我们应该关注如何去避免此类问题的发生——引入生物特征识别技术，做到科学的验证“人证合一”.其中，手指静脉技术在这方面是具有较大优势的.这种系统可以在人员办理护照的同时将本人指静脉信息存储在电子护照中或后台系统中，当进行登机检查时，利用现场的静脉采集装置与存储的静脉信息进行比对，有效避免他人冒用护照的现象；全自动控制的生物特征识别电子安检更加方便，大大节省人力成本.

1 指静脉识别技术

1.1 指静脉识别的原理与系统组成

指静脉识别技术是根据血液中的血红素有吸收红外线光的特质来进行身份识别，将只感红外的相机对近红外照射的手指进行拍照，即可采集到手指内部的血管脉络灰度图，然后对血管脉络灰度图进行增强、滤波、归一化、二值化和特征提取等多个处理过程，获得可以反映静脉空间拓扑结构的特征，从而可靠准确地确定一个人的身份[1-2].

一个完整的指静脉身份识别系统是由指静脉图像采集、质量判断、预处理、特征提取、特征比对5个部分组成的[3]，如图1所示：

图1 指静脉系统组成

1.2 指静脉识别的优势及研究的瓶颈

1.2.1 指静脉识别的优势

在众多生物特征识别技术中，指静脉识别技术相比于其他生物特征识别方式具有以下的优势(相关比较见图2)：

1) 更高的普遍性.适用群体广泛，几乎所有人都可以使用指静脉识别进行身份认证.

2) 更好的独特性.根据医学证明，不同人之间的手指静脉分布完全不同，左手和右手的静脉分布也不同，就算是双胞胎的相同手指，其中的静脉分布也是不同的，而且手指静脉的纹路分布在成年后是不会变化的.对于未成年人，当他们手指静脉随着年龄的增长变化后，只需要30 s就可以完成新的注册登记.

3) 更高的稳定性.指静脉识别是利用人身体末端的生物特征(静脉血管的图形)来识别人员的身份，该特征也很少受到人体生理状况、病变等因素的影响.

4) 更高的可采集性.指静脉信息采集方便、快捷、准确，只有在人体血液正常流动的情况下才能进行识别，不受皮肤表面的褶皱、纹理、粗糙度、干湿度等任何缺陷和瑕疵的影响.

5) 更优异的性能.因为采样样本是在人体内部，所以匹配过程中受到外界的干扰非常小.手指静脉的准确性很高，认假率(FAR)为0.0001%；拒真率(FRR)为0.01%；注册失败率(ETER)为0.03%.

6) 更高的接受程度.采用非接触成像技术.非接触方式容易被大众接受.

7) 更高的防欺骗性.指静脉认证是利用人体内部的生物特征，人们在使用时不会留下任何痕迹，且静脉血管的图像不利用特有的技术和设备是无法获取的，认证时只有在人体血液正常流动的情况下才能进行，因此即便是获取到了一个人的静脉血管图形，利用目前的技术也完全不能进行活体复制，是真正的活体识别.静脉特征无法被他人获取，更无法复制.

图2 手指静脉识别与其他生物特征的比较

8) 对人体健康无危害.由于指静脉识别是采用近红外线穿透人体的手指来获取静脉血管的图像.对人的身体是没有任何影响的.太阳光中就含有大量该波长的近红外线.

9) 更小的特征.静脉图像的特征一般都小于1 KB，相比人脸的特征小很多.

1.2.2 指静脉识别研究的瓶颈

手指静脉识别技术作为生物特征识别家族中的新成员，近几年随着研究的深入取得了很多研究成果，但也面临着一些问题和局限：

1) 尽管手指静脉识别具有高安全性、高准确率等优点，但因手指静脉采集时无法像人脸或步态那样可以以一种隐蔽的方式获取，使其在特定领域的应用受到一定的限制.

2) 手指静脉采集技术有待提高.低质量和形变的手指静脉图像是导致识别性能降低的一个主要因素.

2 指静脉识别技术在国内外的发展情况

由于每个人的每根手指的手指静脉图像都不相同，所以，基于手指静脉图像原理的识别技术就有可能成为现实.直到1992年，日本北海道大学生物工程系的Shimizu[4]认为可以利用人体手血管红外成像作为身份识别依据，此文被认为是日本和韩国进行手静脉识别技术研究的源头.

手指静脉识别技术作为一种新的生物特征识别技术得到研究人员的青睐，1997年，韩国的BK System公司发布了亚洲第1个商用手背静脉识别产品BK-100，日立公司推出了系列手指静脉识别产品，发表了相关论文[5]和手指静脉认证白皮书*源自日立公司〈www.hitachi.com〉官方发布的白皮书(http://www.hitachi.eu/veinid/documents/veinidwhitepaper.pdf).，从此，手指静脉技术逐步从实验室走向商用市场，并逐渐成为生物特征识别中的新宠.

中国对静脉识别技术的研究起步较晚.2003年，《清华大学学报》报道了该校利用自行设计的近红外血管图像采集仪提取血管的原始图像及识别结果.近年来，我国越来越多的研究团体加入到手指静脉识别技术研究队伍中[6-7].

哈尔滨工程大学王科俊课题组[8]、山东大学、中国民航大学天津市智能信号与图像处理重点实验室的Yang科研团队[9-11]、吉林大学Ma课题组[12-13]、重庆理工大学Yu课题组等在该领域做出了很多创造性的工作[14-15].北京大学将相关研究成果应用于学生考勤，并在2010年3月公开了第1版PKU手指静脉数据库.

2011年3月“生物特征识别数据交换格式第9部分：血管图像数据”标准在国家标准评审会上顺利通过评审.此举对我国生物特征识别领域基于血管图像的身份识别技术的规范化以及产业发展将产生重要影响.

2012年1月，国防科技大学谢剑斌团队正式宣布，该校经过近10年的攻关，成功研制出一种手指静脉特征识别认证系统，经测试“识假率”可低至十万分之一，并已取得5项国家发明专利授权，打破了日、韩等国的技术垄断[16].

2012年11月，由中国科学院自动化研究所发起的国家生物特征识别产业技术创新战略联盟成立，为产学研合作和产业发展带来了良机，包括静脉识别在内的生物特征识别技术领域，各自为战、缺乏合作的局面得到缓解.

目前，手指静脉识别作为生物特征识别家族中的重要成员，已在国际上得到公认，并因其是利用外部看不到的生物内部特征进行认证的技术，所以作为具有高防伪性的第2代生物认证技术备受瞩目.

值得一提的是，2015年由国际模式识别联合会(IAPR)生物特征识别技术委员会(TC4)举办的世界级的指静脉识别竞赛(The ICB-2015 Competition on Finger Vein Recognition, ICFVR2015)，国内外厂商及科研机构积极参与.本次比赛共有12个参赛单位，北京智慧眼科技股份有限公司以绝对优势获得大赛第1名(见图3)，这标志着中国的指静脉识别算法已经达到国际一流水平[17].

图3 ICFVR2015指静脉挑战赛测试报告截图

3 指静脉识别技术在国内外的应用

目前，指静脉核心技术厂商主要是以日立为代表的日系品牌厂商及其在中国的代理销售商或者是其借壳公司，都是日立核心保密技术分散形成的公司.日立是世界上较早掌握相关技术的厂商，2011年前才推出了成熟的产品，价格动辄几万元的指静脉门禁终端，甚至是几十万至上百万的指静脉门禁系统，在国内的目标客户仅限于银行金库、监狱等高安全需求的场所，而这些高保密、高机密等场所又碍于日立是日本企业，拥有的是国外技术而不敢应用.

日系的产品自我体系较封闭，接口开放程度不高，软件汉化过程不完整，使用不太适合国内习惯，市场反应不灵活，产品中规中矩，行业下游产品二次开发的范围小，产品的价格极为昂贵，加之主要技术人员都在国外，如果遇到技术上的问题都必须通过其驻地办事处或者自己通过英语或日语文件发送Email至国外，等待他国的技术支持才能得到帮助.另一方面，在生物特征身份识别这种涉及国民基础数据和隐私秘密的特殊领域，国内安全的等级要求越来越高，斯诺登事件以及不断发生的国外窃取机密间谍事件提醒我们，对于安保产品采用国外技术开始变得越来越不再保险和安全，反倒成为安全的隐患.

国外核心技术在国内安防领域的应用存在涉密的根本问题，这也是日立的技术在国内并未被广泛应用的一大原因.国内一些没有核心技术而简单包装日系模块的厂商在国内高安全高机密市场推广时也存在着同样的问题.

国外技术价格高、应用难，可喜的是国内有些研发企业拥有了自主的指静脉核心技术.国内从2005年就开始了手指静脉技术的研发及实验.自2014年开始，以北京智慧眼科技股份有限公司为首的国内指静脉产品生产厂商，不仅在静脉识别算法上达到了国际顶尖水平，还投入了大量的研发资源降低设备成本，尝试改变国内指静脉价格居高不下的尴尬局面.目前该产品已经得到大面积的落地应用，且价格能做到日系产品的三分之一，产品性能和使用体验也更中国化，在某些方面还有明显优势.更重要的是国内正在积极通过应用案例来完善从模块到一体化门禁考勤、门锁等全系列产品的应用升级，预示着指静脉识别技术有望掀起一场生物识别领域的新高潮.

4 指静脉识别技术未来的发展前景及发展方向

现在，国家相关机构也在制订并计划实施相关的产品技术标准，例如《安防指静脉识别应用系统设备通用技术要求》、《安防指静脉识别应用系统图像技术要求》等.

指静脉识别设备也逐步走向微型化， 2010年全球最小的指静脉采集装置被开发出来(厚度为3 mm)，如图4所示.未来可望应用至手机等设备上.

图4 3 mm指静脉采集装置

先前的指静脉技术主要使用单一镜头拍摄手指静脉进行识别，因镜头厚度存在，使得镜头与手指间需要一定距离，限制微型化的指静脉技术发展，因此先前指静脉识别设备多需通过外接方式连上电脑，或是内建于门禁系统、保险箱等较大设备[18].

新的微型化指静脉识别技术使用新开发的接触式平面感应器，配置多个短焦距镜头，以此缩短手指与感应器间距，开发出厚度只有3 mm的薄型指静脉识别设备.另外，微型识别设备狭小区域拍摄静脉影像容易歪斜，以及环境光对识别正确性的影响较大，但经过算法改进，微型采集技术的错误识别率与现有技术相同.

新的微型化技术推出后，未来将进行技术产品化并开始量产，期望1年能销售数百万台.同时，微型化技术有望将指静脉识别技术从需要身份识别的大型设备、系统转移至小型便携式设备上，例如需要更高安全保护的手机或笔记本.

目前指静脉技术在国内逐步普及，应用领域也逐步增加.例如用于银行ATM，用指静脉特征取代银行卡或密码，或是在自动贩卖机上嵌入指静脉识别模块，用户无需再用信用卡或零钱，而是刷手指静脉来购买饮料.图5为北京智慧眼科技股份有限公司推出的一款带指静脉识别的便携式认证终端，具有脱机和联机认证功能，适用于上门和移动身份认证服务，比如医院、社区等需要指静脉身份认证的场所.

图5 便携式指静脉认证终端

我们可以预见，在未来指静脉可以被广泛地应用到各行各业[19]：

1) 指静脉监狱通道管理系统.

手指静脉识别技术可以实现电子化身份和物理身份的高度统一，从而可以有力支持利用现代化计算机技术实现对监狱的全方位数字化管理.手指静脉识别技术可以应用于监狱管理的方方面面，从而真正帮助监狱实现管理智能化.

2) 指静脉教育考试管理系统.

防止考生冒名替考现象；防止监考人员弄虚作假，数据批量处理、高安全、高效率、高精准；节省人力成本与各类证件费用的支出，确保考试的公正与公平.

3) 指静脉社保管理系统.

有效杜绝养老金冒领现象，社会经济效益显著，受到全国社保机构的普遍关注，在此基础上可实现符合省级应用的省、市、县3级体系结构的全面解决方案，以及面向全国的整体方案规划，以期彻底解决冒领等问题，防止财政流失.

4) 指静脉金融银行门禁系统.

金融行业是货币集中流通的行业，属于高风险行业，对安全防范系统的防护等不能等同于普通单位.出入人员控制智能门禁系统是安防系统中的一个很重要的组成部分，而在银行、金库等金融行业的应用场所，网络门禁系统更是金融行业的“守护神”，其作用至关重要.指静脉识别技术的安全优势和特点，为这种高安全需求提供了更好的解决方案.

自助银行门禁系统：将个人指静脉数据存入银行客户数据中，每次取款不再输入数字密码，从根本上限制了被仿制的危险.

银行金库：指静脉的不可复制性，可以完全杜绝人为手段非法进出库区.

收银营业网点：可以通过指静脉技术对员工出入进行监控和考勤统计.

数据处理安全：金融系统除了存储大量的现金和非常贵重的物品外，同时保存了大量的资料信息.使用指静脉识别系统，则不存在U盘或者权限卡被盗用和仿制的风险.

5) 指静脉监狱门禁系统.

使用指静脉识别技术可建设一个完整、可靠、高效、安全、易操作的监狱安防门禁系统.

6) 电子护照和第2代身份认证.

7) 公安和司法，如逃犯追踪、司法刑侦等方面的应用.

8) 电子商务行业支付.

9) 信息安全如文件加密、密码学和指静脉识别技术的结合.

5 结 论

综上所述，手指静脉识别技术几乎可以应用于所有需要个人信息识别的领域，其让身份识别、信息保密和管理工作提升到一个新境界.相信通过国内有实力的核心技术厂商及上下游伙伴通力合作，中国指静脉识别技术及产品发展的前景必定十分广阔.同时在国家大力推动产业升级、科技创新的背景下，指静脉识别技术的国产化必将推动相关产业的升级.

[1]Huang Beining, Liu Shilei, Li Wenxin, A finger posture change correction method for finger-vein recognition[C]//Proc of IEEE Symp on Computational Intelligence for Security and Defence Applications. Piscataway, NJ: IEEE, 2012

[2]Miura N. Feature extraction of finger-vein patterns based on repeated line tracking and its application to personal identification[J]. Machine Vision and Applications, 2004 (25): 194-203

[3]Li Yang, Yang Gongping, Yin Yilong. Finger vein image quality evaluation using support vector machines[J].Optical Engineering, 2013, 52(2): 027003-1-027003-9

[4]Shimizu K. Optical trans-body imaging—Feasibility of optical CT and functional imaging of living body[J]. Medicinal Philosophica, 1992 (11): 620-629

[5]Miura N, Nagasaka A, Miyatake T. Extraction of finger-vein patterns using maximum curvature points in image profiles[J]. IEICE Trans on Information and Systems, 2007, 90(8): 1185-1194

[6]Lee H C, Kang B J, Lee E C, et al. Finger vein recognition using weighted local binary pattern code based on a support vector machine[J].Journal of Zhejiang University: Science Computers & Electronics, 2010, 11(7): 514-524

[7]Lee E C, Jung H, Kim D. New finger biometric method using near infrared imaging[J].Sensors, 2011, 11(3): 2319-2333

[8]王科俊, 袁智. 基于小波矩融合PCA变换的手指静脉识别[J]. 模式识别与人工智能, 2007, 20(5): 692-697

[9]Yang Jinfeng, Shi Yihua. Finger-vein ROI localization and vein ridge enhancement[J]. Pattern Recognition Letters, 2012, 33(12): 1569-1579

[10]Yang Jinfeng, Zhang X. Feature-level fusion of fingerprint and finger-vein for personal identification[J]. Pattern Recognition Letters, 2012, 33(5): 623-628

[11]Yang Jinfeng, Li Xu. Efficient finger vein localization and recognition[C]//Proc of the 20th Int Conf on Pattern Recognition(ICPR2010). Piscataway, NJ: IEEE, 2010: 1148-1151

[12]Zhang Zhongbo, Ma Siliang, Han Xiao. Multiscale feature extraction of finger-vein patterns based on curvelets and local interconnection structure neural network[C]//Proc of the 18th Int Conf on Pattern Recognition (ICPR 2006). Piscataway, NJ: IEEE, 2006: 145-148

[13]Zhang Zhongbo, Wu Danyang, Ma Siliang, et al. Multiscale feature extraction of finger-vein patterns based on wavelet and local interconnection structure neural network[C]//Proc of Int Conf on Neural Networks and Brain. Piscataway, NJ: IEEE, 2005: 1081-1084

[14]Yu Chengbo, Qing Huafeng, Zhang Lian. A research on extracting low quality human finger vein pattern characteristics[C]//Proc of the 2nd Int Conf on Bioinformatics and Biomedical Engineering. Piscataway, NJ: IEEE, 2008: 1876-1879

[15]Zhang Lian, Zhang Rui, Yu Chengbo. Study on the identity authentication system on finger vein[C]//Proc of the 2nd Int Conf on Bioinformatics and Biomedical Engineering. Piscataway, NJ: IEEE, 2008: 1905-1907[16]Li Peiqin, Xie Jianbin, Liu Tong, et al. Finger vein recognition algorithm based on optimized GHT[J]. Optik-International Journal for Light and Electron Optics, 2014, 125(6): 1780-1783

[17]Xian Ran, Ni Liao, Li Wenxin. The result of the ICB-2015 competition on finger vein recogniton[C] //Proc of ICB-2015 Competition on Finger Vein Recogniton. Beijing: Peking University, 2015

[18]Qin Bin, Du Geguo, Cao Guangzhou, et al. The finger vein image acquisition device: China, 200910109915[P]. 2011-01-26

[19]邱建华, 冯敬, 郭伟, 等. 生物特征识别——身份认证的革命[M]. 北京: 清华大学出版社, 2015

邱建华

北京智慧眼科技股份有限公司创始人、董事长，主要研究方向为计算机视觉技术的研究与应用.

qjh@a-eye.cn

徐 伟

北京智慧眼科技股份有限公司副总经理，全国安防标委会人体生物特征识别应用分技术委员会委员、全国金融学会金融信息化专业委员会理事.主要研究方向为静脉识别、人脸识别、指纹识别等生物特征识别的研究与应用.

xw@a-eye.cn

王亚菲

北京智慧眼科技股份有限公司研发部经理，主要研究方向为图像处理与生物识别.

wangyafei@a-eye.cn

Study of Finger Vein Recognition Application

Qiu Jianhua1, Xu Wei1,2,3, and Wang Yafei1

1(BeijingAthenaEyesScience&TechnologyCo.,LTD,Beijing100097)2(BiometricsApplicationBranchofStandardizationTechnicCommitteeforSecurity&ProtectionAlarmSystemsofChina,Beijing100097)3(FinancialInformationizationProfessionalCommitteeofChinaSocietyforFinaceandBanking,Beijing100097)

With the national attention on public safety and information security, biometric technology has been gradually integrated into every aspect of people’s work and life. Based on the lots of advantages, such as natural living, difficult theft, difficult imitation and etc., fingervein recognition technology becomes the research focus for the research institutions and enterprises. With the development of technology, China’s finger vein recognition technology has reached the world first-class level.Based on the research resultsr on finger vein recognition for years, the paper has described the theory, advantage, system and terminal equipment of finger vein recognition, compared current development of the domestic and foreign finger vein recognition technology, and pointed out the future application direction of finger vein recognition. It can be predicted that the finger vein recognition can be more applied to people’s work and life.

biological recognition; finger vein recognition; biological feature; information security; anti-deceptive

2015-12-10

徐伟(xw@a-eye.cn)

TP391