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    摘要：本文詳細(xì)介紹了手指靜脈特征識別技術(shù)的原理與特點，并與其他生物識別技術(shù)進(jìn)行了比較，最后介紹了日立制作所手指靜脈技術(shù)在門禁系統(tǒng)的應(yīng)用。

    關(guān)鍵詞：生物技術(shù) 指靜脈

    1 概述

    隨著基于計算機網(wǎng)絡(luò)的信息技術(shù)飛速發(fā)展，全球經(jīng)濟(jì)一體化，個人信息的保護(hù)顯得越來越重要。選擇合理的技術(shù)是保證信息安全的必要因素。早期的技術(shù)是基于個人密碼，而密碼被破解或偷窺的概率越來越高。后來出現(xiàn)了智能IC卡，但這種方式同樣存在被復(fù)制或者偷盜的安全隱患。

    生物將成為今后幾年IT產(chǎn)業(yè)的重要變革。生物特征是通過計算機利用人體固有的生理特征或行為特征鑒別個人身份。生物識別技術(shù)具有不易遺忘和丟失，不易偽造和被盜，可以“隨身攜帶”，隨時隨地使用等優(yōu)點，已經(jīng)被全世界所關(guān)注，并應(yīng)用于身份、出入口管理，安防監(jiān)控，電子商務(wù)、電子政務(wù)等各個領(lǐng)域。

    生物識別包括指紋識別、虹膜識別、人臉識別、掌紋識別、靜脈識別、聲音識別、簽名識別、筆跡識別、手形識別及多種生物特征綜合識別等多種類，已經(jīng)有成熟的產(chǎn)品并有了一定的市場應(yīng)用[1]。

    縱觀生物識別技術(shù)的發(fā)展史，20世紀(jì)60年代末，美國有人提出用計算機圖像處理和模式識別方法進(jìn)行指紋分析以代替人工對比，這就是指紋識別技術(shù)。從20世紀(jì)90年代起，掌形識別、臉部識別、虹膜識別的產(chǎn)品紛紛走向市場，每種技術(shù)都有各自的優(yōu)缺點，占據(jù)一定的市場份額[2]。

圖1.1日立制作所指靜脈門禁系統(tǒng)

    2002年，由日立制作所研制的指靜脈生物產(chǎn)品發(fā)布，這是生物領(lǐng)域的一項全新技術(shù)。指靜脈技術(shù)通過對手指中靜脈圖像進(jìn)行活體識別來達(dá)到目的，安全性高、識別率高、簡單宜用。這些優(yōu)點使其迅速被市場認(rèn)可。指靜脈識別技術(shù)被廣泛應(yīng)用于金融系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)、電腦安全等領(lǐng)域。

    2007年夏天，日立制作所又向全球推出最新的非接觸式小型“指靜脈設(shè)備”及軟件開發(fā)套件（SDK），為信息安全提供了一個新型解決方案。 

     2 指靜脈系統(tǒng)原理

    手指靜脈是一種新的生物特征識別技術(shù)，它利用手指內(nèi)的靜脈分布圖像來進(jìn)行身份識別。醫(yī)學(xué)研究證明，手指靜脈的形狀具有唯一性和穩(wěn)定性，即每個人的手指靜脈圖像都不相同，同一個人不同的手指的靜脈圖像也不相同；健康成年人的靜脈形狀不再發(fā)生變化[3][4]。這就為指靜脈提供了醫(yī)學(xué)依據(jù)。

圖2.1   指靜脈流程圖

     圖2.1為手指靜脈系統(tǒng)的流程圖。分以下四個步驟：

    （1）靜脈掃描：LED在手指一方發(fā)射近紅外線，透射手指，在手指另一方，照相機拍攝靜脈圖像；

 （2）圖像校正：調(diào)整圖像的位置和角度，使其符合規(guī)格；

 （3）特征提?。焊鶕?jù)以上得到的圖像，提取靜脈分布圖像，得到特征圖；
 

 圖2.2 靜脈分布圖提取
 

    （4）圖像對比與匹配：將以上得到的特征圖與數(shù)據(jù)庫中的原始模版進(jìn)行比較，計算相關(guān)性。如果相匹配則通過，不匹配則被拒絕。

    3 指靜脈相對于其他生物識別的優(yōu)點

    現(xiàn)有的生物主要有指紋識別、虹膜識別、面部識別技術(shù)、簽名識別技術(shù)、聲音識別技術(shù)、掌形識別技術(shù)、指靜脈識別技術(shù)、掌靜脈識別技術(shù)等，這些識別技術(shù)都已經(jīng)很成熟，并走向市場。生物具有其固有的優(yōu)點，但對每種識別又分別有其優(yōu)缺點。

    作為一種安全性高，使用方便的方式，手指靜脈技術(shù)有如下一些區(qū)別于其它生物技術(shù)的突出特點：

    （1）安全性高

    前面已經(jīng)介紹到，手指靜脈系統(tǒng)的原理是匹配手指內(nèi)部靜脈的紋路圖。因為靜脈血管是隱藏在手指內(nèi)部的，因此極難復(fù)制和盜取，與別的利用人體體外特征進(jìn)行的技術(shù)相比較，這種方式的安全性更高。同時，靜脈能感知手指內(nèi)的血液流動和血壓情況，能夠在識別的過程同時進(jìn)行活體檢測。

    （2）準(zhǔn)確率高

    因為采樣樣本是在人體內(nèi)部，所以匹配過程中受到外界的干擾非常小。手指靜脈的準(zhǔn)確性很高，根據(jù)嚴(yán)格的醫(yī)學(xué)證明和數(shù)學(xué)統(tǒng)計，F(xiàn)RR（拒真率）小于0.01%，F(xiàn)AR（認(rèn)假率）小于0.0001%，F(xiàn)TE（登錄失?。?%。

 

    （3） 唯一性

    根據(jù)醫(yī)學(xué)證明，不同人之間的手指靜脈分布完全不同，左手和右手的靜脈分布也不同，就算是雙胞胎的相同手指，其中的靜脈分布也是不同的。而且手指靜脈的紋路分布在成年后是不會變化的[4]。對于未成年人，當(dāng)他們手指靜脈隨著年齡的增長變化后，只需要花30秒就可以完成重新的注冊登記。

    （4）非接觸式

    相對于某些生物識別技術(shù)，手指靜脈認(rèn)識技術(shù)是非接觸式的，在公共場合會比較衛(wèi)生。

    （5） 樣本文件小

    由于手指的靜脈血管相對穩(wěn)定并且很容易拍攝下來，因此使用低分辨率的攝像頭就可以達(dá)到取樣要求。這樣生成的靜脈模板文件小，匹配速度快。

    4 指靜脈在門禁系統(tǒng)的應(yīng)用與展望

    門禁系統(tǒng)的歷史由來已久，人類幾千年來僅僅依靠機械裝置與鑰匙來進(jìn)行出入管理，而無論這種結(jié)構(gòu)設(shè)計得怎樣精妙與堅固，總能夠通過各種手段打開。而且如果一套系統(tǒng)中有一人將鑰匙丟失的話，出于安全的考慮，系統(tǒng)管理人員不得不更換所有人的鑰匙與門鎖，這就是個非常。

 

    后來出現(xiàn)了磁卡門禁系統(tǒng)，克服了以上的困難，管理人員可以方便地注銷丟失的磁卡。但是磁卡本身容易被復(fù)制，磨損度高，而且容易消磁，可靠性和準(zhǔn)確性差。

    目前廣泛應(yīng)用的非接觸IC卡解決了以上的問題，不但不容易磨損，某些高檔的IC卡還提供用戶信息加密的功能，極難復(fù)制。但是用戶也必須隨身攜帶IC卡，給使用帶來不便。

    隨著近代生物技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代化安全防范系統(tǒng)要求原始的使用鑰匙或卡片的門禁系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為以人體特征為基礎(chǔ)的高安全性、高可靠性的系統(tǒng)。指靜脈由于其安全性高、準(zhǔn)確率高、唯一性、非接觸等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于門禁安全領(lǐng)域，為從辦公環(huán)境到安居環(huán)境提供了一個理想的安全解決方案。

 &

    （1）員工需要隨身攜帶IC卡片，可能發(fā)生丟失、損壞的情況；

    （2）對于大型公司或者工廠，在人數(shù)上千人的情況下，需要為每位員工配備IC卡片，這將提高系統(tǒng)的成本和工作流程繁鎖程度；

    （3） 由于IC卡并不是與人體生物特征相互依存，因此會經(jīng)常出現(xiàn)員工代打卡的情況，對公司、工廠的管理造成混亂。

    應(yīng)用了生物技術(shù)的門禁系統(tǒng)更方便員工使用，不需要員工使用或攜帶額外的標(biāo)志，比如密碼、IC卡等。

    指紋技術(shù)最早應(yīng)用于門禁系統(tǒng)，但是指紋識別方式本身存在比較嚴(yán)重的安全隱患，這種暴露在人體外部的生物特征比較容易被復(fù)制，另外在公司這樣用戶比較多的場合，接觸式的指紋方式并不符合衛(wèi)生要求。而應(yīng)用了手指靜脈技術(shù)的門禁系統(tǒng)相對于指紋技術(shù)來講，使用更加方便、衛(wèi)生，更加人性化。

    目前也有些企業(yè)重要部門應(yīng)用了虹膜識別技術(shù)，我們知道這種技術(shù)和手指靜脈一樣，是隱藏在人體內(nèi)部的生物特征，因此極難復(fù)制，并且不容易受外界影響。但是虹膜識別系統(tǒng)要求對人的眼球掃描，會讓用戶的內(nèi)心存在一定的抗拒感，同時戴眼鏡的用戶也不太方便使用。

    在實際的使用環(huán)境中，手指靜脈系統(tǒng)能夠和企業(yè)安防系統(tǒng)以及考勤系統(tǒng)相結(jié)合，詳細(xì)記錄員工出入管理日志，可按照不同的查詢條件查詢，并在發(fā)生危險的時候報警。

    日立制作所的手指靜脈系統(tǒng)還具備雙重功能，只有不同兩人的不同手指先后通過，才有權(quán)限進(jìn)入安全級別要求更高的場所。這將是高端企業(yè)比較好的安全解決方案。
 

圖 4.1 手靜靜脈系統(tǒng)應(yīng)用于企業(yè)門禁管理

    4.2 應(yīng)用于公共場所

    隨著社會的發(fā)展和生活節(jié)奏的加快，像地鐵出入口，辦公樓大廳，圖書館等公共場所的人流量越來越大，控制這些場所的正常運行和安全成為管理機構(gòu)的重要任務(wù)。在這些場所的人數(shù)比在某個企業(yè)的員工數(shù)量大許多，使用IC卡片式的出入管理裝置將是低率和不安全的做法。方便快捷的生物識別技術(shù)將是比較適合這些公共場所的生物識別技術(shù)。

    手指靜脈在新加坡的日立塔已經(jīng)得到應(yīng)用，這座寫字樓有近2000名各公司員工。在上下班的高峰期，快速的手指靜脈系統(tǒng)解決了擁堵的現(xiàn)象，并且將日立塔提升為高安全性的公共場所。

 

圖4.2 新加坡日立塔手指靜脈門禁系統(tǒng)

    4.3 應(yīng)用于智能樓宇系統(tǒng)

    最近幾年，中國的房地產(chǎn)市場飛速發(fā)展，人們對住宅的要求也越來越高，期望一種舒心、便利，同時更安全的居住條件。智能樓宇技術(shù)應(yīng)運而生，它融合了通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)、安全技術(shù)等。

    在人們在享受高科技帶來的高質(zhì)量生活的同時，居住環(huán)境的安全成為這一切的根本。目前某些高檔住宅已經(jīng)使用IC卡控制電子鎖。但是往往出現(xiàn)老人和小孩忘記攜帶卡片的情況，造成生活上的不便。使用IC卡也容易被另有用心之人復(fù)制或者盜竊，造成財產(chǎn)的損失和人身的安全。

    而應(yīng)用了手指靜脈系統(tǒng)的智能樓宇系統(tǒng)，能夠給住戶帶來更加方便和安全的居住體驗。主人回家只需要輕輕將手指插入靜脈系統(tǒng)。系統(tǒng)就能夠驗證有效性，并記錄出入日志。更進(jìn)一步，日立手指靜脈系統(tǒng)能夠和智能樓宇系統(tǒng)中的電梯聯(lián)動。當(dāng)用戶在大堂門插入手指通過的瞬間，電梯將會自動降到一樓，并在住戶進(jìn)入電梯的時候，根據(jù)手指靜脈系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的記錄，自動運行到用戶所在樓層。而整個過程中，住戶不用按任何按鈕，能夠方便快捷地回到家，這將是一種全新的生活體驗。
 

圖4.3 手指靜脈系統(tǒng)應(yīng)用于智能住宅

    與智能住宅系統(tǒng)類似，將手指靜脈系統(tǒng)應(yīng)用于酒店管理也將會是非常方便，并且能夠提升酒店檔次的安全解決方案。

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    參考文獻(xiàn)：

    [1] 詹小四. 生物認(rèn)證-人類未來身份認(rèn)證的主要方式. 阜陽師范學(xué)院學(xué)報: 自然科學(xué)版. 2004年 21卷 2期
    [2] 張麗, 趙洋. 身份認(rèn)證技術(shù)的研究與安全性分析. 計算機與現(xiàn)代化. 2007年, 5期
    [3] Finger Vein Authentication: White Paper. Hitachi Ltd.
    [4] Takashi Yanagawa,Satoshi Aoki,Tetsuji Ohyama. Human finger vein images are diverse and its patterns are useful for personal identification. Faculty of Mathematics Kyushu University Fukuoka, JAPAN