指紋、虹膜和人臉之后，身份認證領域的新熱點：手背靜脈識別?

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手背靜脈身份識別作為生物特征識別的方法之一，是近十幾年來新發展起來的一種生物特征識別方法，也是目前身份認證領域最關注的熱點之一。

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手背靜脈

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手背靜脈擁有很好的唯一性和普遍性，在人與人之間和同一個人的兩只手之間，手背靜脈的血管紋理結構是不相同的，并且個人的血管紋理結構不隨時間變化；手背靜脈血管位于體表內部，不易受到污染和劃傷等外界因素的影響，并且不易被仿制；手背靜脈圖像在采集過程中相對于人體其他部位的采集更易被接受，所有的這些特性使得手背靜脈身份識別技術成為一個合格的生物特征識別技術。

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現有生物識別方法存在的不足

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雖然指紋、人臉和虹膜識別近年來經過不少學者和專家的研究，得到了長遠的發展，而且已經找到了許多魯棒性好、速度快的識別方法，但是，各種生物特征識別方法都具有難以克服的缺點。

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1.指紋識別

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指紋是人生而就有的物理表皮結構，每個人指尖的溝壑紋理是不同于其他人的。指紋識別是最古老的生物特征識別，其概念被大眾所熟悉，所以現代指紋識別技術容易被人接受，只需要少量指導便可實現輕松采集。此外，指紋特征占據的存儲空間較小，設備輕巧，易于和移動設備結合。但是，由于指紋是暴露在外面的表皮紋理，其結構信息會受到灰塵、油、水等環境因素的影響；斷紋、無指紋以及脫皮和傷痕等問題影響圖像采集質量，導致指紋識別困難。

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手指脫皮

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另外，當手與一些物體接觸時，會在這些物體表面留下指紋，這樣就容易被別人仿造，制造出各種指紋套，欺騙指紋識別系統。而且，對指紋套的活體防偽檢測也是當前的難點問題。

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指紋套

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2.虹膜識別

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虹膜識別是采集人眼虹膜區域的近紅外圖像進行識別。虹膜的紋理結構與生俱來，不會隨時間改變，其中含有豐富的信息量，大約是指紋紋理結構中所含信息量的6 倍。虹膜識別是世界上精度最高的生物特征識別技術，應用于高安全級別部門如軍隊、銀行等。但在虹膜識別中，一個最為主要的問題是使用者容易存在心理上的排斥，所以，通過近紅外光照射人眼獲取虹膜圖像，不易被人接受。另外，在虹膜圖像采集過程中，需要眼部注意力集中在一個點上，通過適當的訓練才能夠獲得更好的采集效果，這會很大程度地影響虹膜識別技術的推廣。

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虹膜圖像及其采集識別

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3.人臉識別

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人臉識別系統根據采集圖像的維數可以分為二維人臉識別系統和三維人臉識別系統。在二維人臉識別中，人臉會因為生長發育而發生變化，從而影響識別率，如長胖、變瘦、長出胡須等；另外，由于人具有豐富多彩的表情，也降低了識別的準確性；而且，人臉還受周圍環境，如遮擋、光照等影響。

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人臉的衰老情況

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人臉表情變化

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三維人臉識別雖然不會受光照和拍攝角度影響，但是在大規模數據庫中效率緩慢，所以目前仍處在研發階段。

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手背靜脈識別的鮮明特色

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近年來，研究者一直在試圖尋找更為魯棒的身份識別手段。新型生物特征身份識別的研究受到越來越廣泛的關注，耳形、掌紋、步態等身份識別方法也時有報道，其中手背靜脈身份識別在各種新型生物特征識別手段中脫穎而出，成為目前研究和應用的熱點之一。

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手背靜脈身份識別的原理框圖

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相比較指紋、虹膜和人臉識別，手背靜脈識別具有鮮明的特色。

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1.手背靜脈特征具有很好的普遍性和唯一性。

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解剖學著作Gray's Anatomy（《格式解剖學》）已經證明，個體的手背靜脈在形成、發育生長過程中具有很強的唯一性，手背靜脈身份識別技術即使是雙胞胎或者同一個人的左右手，也會因為發育過程的隨機性導致手背靜脈分布結構的差異。當人體發育成熟，20 歲后手背靜脈的分布結構除非進行手術或藥物作用，否則不再變化，因此手背靜脈作為一種新的生物特征是可行的。

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2. 活體識別特性和內部特性。

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由于血液和皮下脂肪對近紅外光的吸收率不同，通常采用近紅外反射成像，獲得對比度清晰的手背靜脈紋理圖像，進而完成特征提取與識別研究。另外，手背靜脈血管位于體表內部，不易受到污染和劃傷等外界因素的影響，所以手背靜脈很難被仿造，安全性較高。

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3.近紅外反射成像設備屬于非接觸類型，且造價低廉，用戶和制造商容易接受。

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在部分國家特別是日本、韓國和新加坡等，手背靜脈識別產品如韓國的VP-II 和日本富士通的Palm Secure，都已經進入了實用領域。

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靜脈識別技術的發展歷程

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靜脈識別技術最早是由研究者MacGregor 和Welford 于1991 年提出的，并開始受到關注。1995 年，Cross 和Smith發表的綜述性文章對手背靜脈識別的整個過程進行了完整描述，從此手背靜脈識別技術進入了快速發展階段。1997 年，韓國BK System公司發布了亞洲第一個商用手背靜脈驗證產品BK-100。2006 年IBG 對日立公司的靜脈驗證產品TS-E3F1 和富士通公司的靜脈驗證產品Palm Secure 的測試結果表明，靜脈識別技術和虹膜識別技術的性能指標相當。在算法研究方面，2005 年新加坡南洋理工大學的Leedham 等利用熱紅外成像技術，使用局部自適應分割方法提取手背靜脈特征，2008 年Leedham 等提出了基于細節特征分析的熱紅外手背靜脈識別方法，2009 年香港理工大學的Kumar 等提取靜脈血管的結構信息和關節信息作為特征，并使用決策融合的方式進行識別，2010 年克盧日-納波卡技術大學的Septimiu 等提出了低成本設備的成像質量控制問題，2011 年在香港舉辦了第一屆關于手的生物特征識別國際會議，人們對手背靜脈身份識別科學問題的研究越來越重視。

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在國內，從2002 年開始，清華大學的林喜榮等發表了多篇文章，自主設計了近紅外血管圖像采集儀，提取血管造影的原始圖像，并對采集到的圖像進行歸一化和增強處理，對特征提取和特征匹配算法進行了初步的研究。在2006 年，他們利用分水嶺算法提取特征點，并使用二階矩和統計的方法進行多分辨率濾波得到多維特征向量。

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2005 年，哈爾濱工程大學的王科俊等發表了三篇文章，針對手背靜脈圖像的特點提出了自己的細化算法和分割算法。吉林大學的韓笑等在文章中提出了利用帶方向因子的小波（脊波）對手背靜脈血管和手指靜脈血管進行增強，并使用神經網絡進一步判斷血管特征點的方法。2006 年，靜脈識別技術首次獲得了國家自然科學基金的資助，這也是目前國內靜脈識別領域第一項獲得國家自然科學基金資助的研究。2007 年同濟大學設計了嵌入式的手背靜脈輔助定位系統。2010 年北京大學的李文新等采用迭代的線性追蹤方法提取線性特征并將其分塊編碼，實現手指靜脈在大型數據庫中的搜索。2011 年天津大學的劉鐵根、王云新和李秀艷提出了一種基于加速魯棒性特征的手背靜脈識別算法，并設計了k 近鄰分類器和支持向量機相融合的分類器進行識別。2010 年復旦大學的鄭英杰和顧曉東使用二維Gabor 相位編碼特征與直方圖特征相結合的方法提取手背靜脈特征。2011 年東北大學的賈旭等使用多尺度下輪廓波變換的子帶能量作為特征，分別建立了隱馬爾可夫模型并進行融合，實現真假匹配的區分。這些研究工作說明手背靜脈技術越來越受到研究工作者的重視，同時說明該項研究工作具有較高的理論意義。

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雖然手背靜脈識別技術的研究在國內外取得了豐富的理論研究成果和商業應用價值，但是目前比較成功的商用系統，如韓國的VP-II 和日本富士通PSN800 都是采用身份認證技術（即1∶1 驗證），很少有系統關注1∶N 身份識別問題。研究身份識別問題，尤其是大樣本條件下的手背靜脈身份識別，非常有限，目前發表的研究論文雖然對識別問題進行了研究，但實驗大多在較小規模的數據上進行，并且研究中未針對在大樣本情況下的手背靜脈識別實際問題深入研究。面對我國人口眾多、人員流動頻繁的具體情況，十分有必要研究大樣本條件下手背靜脈身份識別的關鍵問題。

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手背靜脈身份識別技術存在的關鍵問題

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相比指紋、人臉和虹膜識別技術的成功，如何在大樣本條件下實現手背靜脈的魯棒身份識別，開展相關的科學研究工作對深入推動手背靜脈身份識別技術的理論研究和應用研究具有重要意義。

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當前在大樣本條件下，手背靜脈身份識別技術存在的關鍵問題如下。

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1.樣本集規模與識別精度的理論問題。

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下表是幾種典型的手背靜脈識別方法，其結果都具有較高的識別精度，但這些結果都是在幾十人的小樣本情況下得到的。從理論上講，樣本集規模的增大，會導致識別率的下降。目前關于樣本集規模與識別精度之間理論分析的研究未見報道。

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表 ?手背靜脈識別方法

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2.大規模近紅外手背靜脈圖像的質量問題。

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手背靜脈圖像質量與識別率有直接的關系，Lin 和Fan 在文獻中通過實驗證明了圖像亮度的改變對識別率有著直接的影響。顯然，除了圖像亮度，圖像的其他質量參數也會影響識別率，但是現有的各種手背靜脈數據庫的圖像質量在亮度、灰度分布、對比度、平滑度、尺寸大小和圖像活體性等方面存在一定差異。為了建立統一的大規模手背靜脈數據庫，進行各種識別算法的比較，急需研究手背靜脈圖像質量問題。

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3.大規模數據庫中多人種、老齡化和非線性形變的魯棒特征提取問題。

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西方人手背毛發濃密，手背靜脈圖像中毛發噪聲的隨機分布會嚴重影響識別效果。隨著年齡的增加，皮膚彈性變化造成血管粗細的變化和皮下脂肪對近紅外光吸收和反射特性的變化，也將導致血管粗細和分布特征的不穩定。在識別過程中，使用者手的握力和姿態等各種非線性形變同樣會造成特征的不穩定。針對多人種、老齡化和各種非線性形變的特殊情況，魯棒特征提取是必須研究的問題。

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4. 面向大規模數據庫實時識別系統的分類決策問題。

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目前發表的研究論文雖對識別問題進行了研究，但實驗大多在較小規模的數據上進行，小樣本情況下的距離分類器、支持向量機（Support Vector Machine，SVM）分類器和融合分類器等都有報道，也都取得了較高的識別率。但在大樣本情況下，分類決策如何保證識別精度，同時滿足識別速度的要求，仍有許多理論與方法問題需要解決，動態模型在線學習和快速相關處理分類器是較好的解決方案之一。

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綜上所述，相比較指紋、虹膜和人臉識別技術的成功使用和存在的問題，綜合分析前期國內外關于手背靜脈身份識別的研究成果，可以看到，在大樣本情況下，手背靜脈身份識別在樣本集規模與識別精度理論分析，手背靜脈圖像的質量評價標準，多人種、老齡化和非線性形變的特征魯棒和面向大規模數據庫的實時識別四方面需要深入的研究。對這些問題的研究有助于建立手背靜脈身份識別的理論框架體系，建立統一的評價標準，解決實時識別速度與實用性問題。

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本文由劉四旦摘編自王一丁著《手背靜脈身份識別技術》一書。

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ISBN 978-7-03-045857-5

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《手背靜脈身份識別技術》是作者團隊在手背靜脈身份識別方面多年研究成果的歸納與總結。全書共9 章，首先分析了指紋、虹膜和人臉識別技術的成功使用和存在的問題，并討論了手背靜脈身份識別的鮮明特色和重要研究意義，然后從手背靜脈圖像采集設備的設計和實現、手背靜脈圖像數據庫的建立、手背靜脈圖像的質量評價、手背靜脈圖像的容量分析、手背靜脈圖像紋理結構的特征提取、手背靜脈圖像的分類決策、手背靜脈圖像的活體檢測和手背靜脈身份識別系統這幾方面展開深入的研究，相關的科學研究工作對深入推動手背靜脈身份識別技術的理論研究和應用研究具有重要意義。

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來源：科學網-博客精選

鏈接：http://blog.sciencenet.cn/blog-528739-929966.html

編輯：丁一

總結

以上是生活随笔為你收集整理的指纹、虹膜和人脸之后，身份认证领域的新热点：手背静脉识别的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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