生物識別技術(shù)在近幾年有了長足的進(jìn)展，但要使生物識別從理論研究走向?qū)嶋H應(yīng)用，眾多的科研單位還需要突破和解決其中一系列的關(guān)鍵技術(shù)。從統(tǒng)計的意義上講人類的指紋、掌形、虹膜等生理特征存在著唯一性。因而這些特征都可以作為鑒別用戶身份的依據(jù)。

　　1 生物特征傳感器技術(shù)

　　通過某種原理可以測量生物特征，并將其轉(zhuǎn)化成計算機(jī)可以處理的數(shù)字信號，這就是生物特征傳感器的主要任務(wù)，也是生物特征識別的第一步。大部分的生物特征都是通過光學(xué)傳感器如CCD 或 CMOS 形成圖像信號，例如人臉、指紋、虹膜、掌紋、手形、靜脈等。但是虹膜和靜脈圖像需要主動的紅外光源才可以得到細(xì)節(jié)清晰的個性特征。由于外加主動光源能夠克服可見光線變化對生物特征的影響，所以最近在人臉識別領(lǐng)域有研究人員設(shè)計了紅外成像設(shè)備，來克服人臉模式隨光照變化的類內(nèi)差異，從而大幅度提高了人臉識別的精度。

　　為了提高生物識別系統(tǒng)的易用性、舒適性和用戶的接受程度，同時又要保證生物特征信號的質(zhì)量，此外還要小巧精致、成本低廉，生物特征傳感器技術(shù)還有許多需要改進(jìn)的地方。例如最近已經(jīng)有通過非接觸方式采集的3D指紋傳感器技術(shù)。生物特征傳感器的核心技術(shù)包括:

　　生物特征獲取裝置必須讓用戶和識別系統(tǒng)處于合適的距離和位置才可以捕獲合格的生物特征信號。最理想的方案是讓采集裝置自動判別用戶的位置，然后主動調(diào)節(jié)光學(xué)系統(tǒng)或者直接通過機(jī)械裝置移動采集設(shè)備，這樣就可以降低對用戶的要求，采集方式更加智能化和人性化。

　　2 活體檢測技術(shù)

　　為了防止惡意者偽造和竊取他人的生物特征用于身份認(rèn)證，生物識別系統(tǒng)必須具有活體檢測功能，即判別向系統(tǒng)提交的生物特征是否來自有生命的個體。一般生物特征的活體判別技術(shù)利用的是人們的生理特征，例如活體指紋檢測可以基于手指的溫度、排汗、導(dǎo)電性能等信息， 活體人臉檢測可以基于頭部的移動、呼吸、紅眼效應(yīng)等信息，活體虹膜檢測可以基于虹膜振顫特性、睫毛和眼皮的運(yùn)動信息、瞳孔對可見光源強(qiáng)度的收縮擴(kuò)張反應(yīng)特性等。

　　此外，基于生物特征圖像的光譜學(xué)信息也是進(jìn)行活體檢測的有效途徑。例如打印的圖像會形成有規(guī)律的紙質(zhì)紋理特征，可以用頻譜特征進(jìn)行檢測。此外，還可以通過人機(jī)互動的形式檢測生物特征的活體特性; 使用多模態(tài)生物特征識別系統(tǒng)也可以提高偽造的難度。

　　從現(xiàn)有的技術(shù)水平看，活體檢測功能一直是生物識別系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，已經(jīng)有研究人員使用偽造的指紋和人臉攻破了現(xiàn)有的系統(tǒng)，引發(fā)了有些用戶對生物識別技術(shù)的信任危機(jī)。所以活體檢測技術(shù)將是生物識別系統(tǒng)進(jìn)入高端安全應(yīng)用的最大瓶頸。

　　3 生物特征信號質(zhì)量評價技術(shù)

　　在自動身份識別系統(tǒng)中，生物特征一般是以連續(xù)的視頻流或者音頻流的形式進(jìn)行獲取。由于有效的生物特征采集范圍總是有限的，再加上人的運(yùn)動、姿態(tài)變化等因素，傳輸?shù)接嬎銠C(jī)的生物特征信號大部分都是不合格的。而高質(zhì)量的生物特征信號是進(jìn)行特征表達(dá)和身份識別的基礎(chǔ)，低質(zhì)量的生物特征信號有可能引起錯誤接收或錯誤拒絕，降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性(系統(tǒng)的健壯性)，浪費(fèi)大量的計算資源在無效的生物特征信號處理上。

　　生物特征信號的質(zhì)量評價可看做一個兩類模式識別問題——將采集到的生物特征分為合格和不合格兩種情況。如果要對合格信號量化打分，還要將評價指標(biāo)定量化。生物特征信號的質(zhì)量評價問題是一個比較困難的問題，因?yàn)樵斐商卣餍盘栙|(zhì)量差的原因千差萬別，即負(fù)樣本的種類太多，不勝枚舉，很難設(shè)計一個分類器將所有的正負(fù)樣本區(qū)分開。需要通過質(zhì)量評價來過濾的低質(zhì)量生物特征一般包括存在離焦模糊或運(yùn)動模糊的圖像，信噪比太低的信號，遮擋的圖像等。一般可以從空域和頻域兩個角度出發(fā)去設(shè)計質(zhì)量評價算法。

　　4 生物信號的定位與分割技術(shù)

　　從生物特征獲取裝置采集得到的原始信號一般不僅包括生物特征本身，還包括背景信息，例如原始的虹膜圖像中包括虹膜、瞳孔、鞏膜、眼皮和睫毛等多個區(qū)域，真正能有效鑒別人們身份的圖像內(nèi)容也就在虹膜區(qū)域。所以必須從原始信號中分割出感興趣內(nèi)容進(jìn)行特征提取。定位和分割算法一般都是基于生物特征在圖像結(jié)構(gòu)和信號分布方面的先驗(yàn)知識。例如人臉檢測就是要從圖像中找到并定位人臉區(qū)域，一直是計算機(jī)視覺領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

　　5 生物特征信號增強(qiáng)技術(shù)

　　得到了分割后的特征區(qū)域后，有的生物特征識別方法需要在特征提取前對感興趣區(qū)域進(jìn)行增強(qiáng)，主要目的包括去噪和凸顯特征內(nèi)容。例如人臉和虹膜圖像一般用直方圖均衡化的方法增強(qiáng)圖像信息的對比度; 指紋一般用頻域的方法得到脊線分布的頻率和方向特征后進(jìn)行紋路增強(qiáng); 對于比較模糊的生物特征信號，可以考慮使用超分辨率的方法或者逆向?yàn)V波的方法進(jìn)行增強(qiáng)。

　　6 生物特征信號的校準(zhǔn)技術(shù)

　　為了克服不同時刻采集的生物特征信號之間的平移、尺度和旋轉(zhuǎn)變換，需要將參與比對的兩個生物特征進(jìn)行對齊。有的生物特征校準(zhǔn)在特征提取之前完成，例如常用主動形狀模型(Active Shape Model)和主動表觀模型(Active Appearance Model)進(jìn)行人臉對齊; 有的生物特征校準(zhǔn)的過程就是特征匹配的過程。生物特征信號的校準(zhǔn)結(jié)果對于識別精度的影響很大，所以也有學(xué)者認(rèn)為生物特征識別最重要的問題是校準(zhǔn)技術(shù)。

　　7 生物特征表達(dá)與抽取技術(shù)

　　對于生物特征識別，不管是外行還是內(nèi)行，人們首先想到的問題就是: 機(jī)器是用什么特征進(jìn)行身份識別的?什么是生物特征信號中凸現(xiàn)個性化差異的本質(zhì)特征?這就是生物識別的基本的、原理性的問題。對于這個問題在個別的生物特征識別領(lǐng)域得到了共識，例如指紋識別，大家都公認(rèn)細(xì)節(jié)點(diǎn)(包括末梢點(diǎn)和分叉點(diǎn))是描述指紋特征的最佳表達(dá)方式，所以國際上就有統(tǒng)一的基于細(xì)節(jié)點(diǎn)信息的指紋特征模板交換標(biāo)準(zhǔn)，給不同廠商的指紋識別系統(tǒng)的兼容性和數(shù)據(jù)交換帶來了便利。但是在其他生物識別領(lǐng)域，例如人臉、虹膜、掌紋等領(lǐng)域研究人員還在不斷探索最佳的特征表達(dá)模型。雖然這些領(lǐng)域的特征表達(dá)方法的種類繁多，部分算法也已經(jīng)取得了很好的識別性能，但是人臉識別、虹膜識別、掌紋識別的根本問題—— “什么是人臉、虹膜或掌紋圖像的本質(zhì)特征及其有效表達(dá)?”一直沒有得到權(quán)威和普遍認(rèn)同的回答。

　　這是因?yàn)槊總€人臉、虹膜和掌紋圖像的特征表達(dá)方法都是基于某種信號處理方法或者某個計算機(jī)視覺或者某個模式識別的理論，“公說公有理，婆說婆有理”，大家對于這些圖像的本質(zhì)特征表達(dá)還沒有進(jìn)行深入的研究。現(xiàn)在生物特征表達(dá)領(lǐng)域的流行趨勢是把各種經(jīng)典的或者新提出的圖像分析方法依次去試，有點(diǎn)撞大運(yùn)的感覺，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的根源是大家沒有基礎(chǔ)理論的指導(dǎo)，不知道向哪個方向努力好。由于各種方法各自為“政”，造成生物特征模板的數(shù)據(jù)交換格式難以統(tǒng)一和標(biāo)準(zhǔn)化。例如人臉、虹膜和掌紋的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)只能基于圖像，這是因?yàn)榇蠹艺也坏揭粋€統(tǒng)一的、權(quán)威的圖像特征表達(dá)方法。

　　8 生物特征的匹配技術(shù)

　　特征匹配就是計算兩個生物特征樣本的特征向量之間的相似度。圖匹配算法也在指紋細(xì)節(jié)點(diǎn)模式、人臉模式、虹膜斑塊模式的相似性度量中得到成功應(yīng)用。

　　9 生物特征數(shù)據(jù)庫檢索與分類技術(shù)

　　隨著生物特征識別技術(shù)在人類日常生活中的普及，使用人數(shù)的增長必然導(dǎo)致生物特征數(shù)據(jù)庫的不斷擴(kuò)大。這種規(guī)模的擴(kuò)大不僅僅表現(xiàn)在數(shù)據(jù)存儲量的擴(kuò)大，還表現(xiàn)在從數(shù)據(jù)庫中搜索某一條記錄所耗費(fèi)的時間的增加。例如在一對多的超大規(guī)模(如一個城市、一個國家、一個行業(yè)的人群)生物識別應(yīng)用中，完成一次識別的時間的長度將會讓人無法忍受。這是任何一項(xiàng)成熟的生物識別技術(shù)從小規(guī)模應(yīng)用向大規(guī)模應(yīng)用轉(zhuǎn)化時不可避免的問題。

　　10 生物特征識別系統(tǒng)的性能評價

　　迄今為止，任何的生物特征識別系統(tǒng)或者方法都有出錯的可能。對系統(tǒng)的識別精度給出客觀、準(zhǔn)確的評估其實(shí)是一個很復(fù)雜的問題，它受測試樣本的數(shù)量、質(zhì)量、評估指標(biāo)等因素的影響，但是這對應(yīng)用單位和司法部門卻是一個很關(guān)注的焦點(diǎn)問題。所以生物特征識別方法的性能測評已成為生物特征識別研究的一個重要方向。對于1∶1比對的身份驗(yàn)證系統(tǒng)，錯誤有兩種情況: 一是把不同人的生物特征識別為同一類，稱為錯誤接收; 另一種可能是把同一人的生物特征識別為不同類，稱為錯誤拒絕。

　　為了使生物識別技術(shù)在安全性要求較高的場合得到應(yīng)用，除了算法設(shè)計外，保護(hù)系統(tǒng)自身的安全性、提高對各種黑客攻擊的抵抗能力也很重要。為了提高識別系統(tǒng)的安全程度，對生物特征數(shù)據(jù)、特征模板和應(yīng)用程序采取加密、數(shù)字簽名、加時間戳等方法將是一個可行的研究方向。