基于RFID技術(shù)的多模態(tài)生物特征識別系統設計

引言

未來(lái)戰爭主要是信息戰，為適應這種新的作戰形態(tài)，21世紀戰場(chǎng)士兵的身份也應通過(guò)信息網(wǎng)絡(luò )實(shí)現數字化、隱形化、安全化。生物特征識別技術(shù)是利用人體固有的生理或行為特征來(lái)進(jìn)行身份識別和鑒定的科學(xué)，它比傳統的基于口令和身份號碼的方法更為安全、可靠和有效，正在越來(lái)越被人們所關(guān)注，并應用于各個(gè)領(lǐng)域。軍人身份牌，又稱(chēng)/士兵牌0或/生命牌0，早在美國南北戰爭時(shí)，美軍就開(kāi)始配發(fā)這種小金屬牌，作為士兵隨身攜帶的身份標志物。為了適應現代高技術(shù)局部戰爭的需要，利用生物特征識別技術(shù)的特點(diǎn)，基于無(wú)限射頻識別技術(shù)（ RadioFrequency Ident i ficati on ，簡(jiǎn)稱(chēng)RFID），將人體信息如指紋、面像及DNA等，通過(guò)信息融合技術(shù)儲存在后臺數據庫中，并將檢索關(guān)鍵信息載入RFID卡，即/士兵牌0.用它來(lái)作為士兵身份準確識別的唯一依據，并通過(guò)計算機終端與網(wǎng)絡(luò )數據庫服務(wù)器組建成了/戰場(chǎng)個(gè)人身份識別系統0.

目前，基于各種生物特征識別技術(shù)的身份識別系統，正在越來(lái)越受人們的青睞，并逐步應用于各個(gè)領(lǐng)域。但是，由于單個(gè)生物特征識別的信息表達和特征描述存在一定的局限性，為此，采用信息融合技術(shù)，通過(guò)對指紋、面像及DNA等信息融合處理的個(gè)人多模態(tài)生物特征識別系統，不僅加強了身份識別的安全性，更提高了它的準確性，并將填補我軍類(lèi)似/軍人牌0或/士兵牌0在相關(guān)領(lǐng)域的研究空白。

1 系統總體設計

目前，基于各種生物特征識別技術(shù)的身份識別系統，正逐步應用于各個(gè)領(lǐng)域。但是，在/戰場(chǎng)個(gè)人身份識別系統0中是否需要在后臺數據庫中存儲指紋、面像及DNA等大容量的人體信息，必須根據應用需求進(jìn)行確定。為此，針對/士兵牌0作為士兵隨身攜帶的身份標志物，應具有價(jià)格低廉、防水、防磁、耐高溫、使用壽命長(cháng)等要求。我們針對生物特征信息的特點(diǎn)，主要對部分生物特征進(jìn)行采集和信息處理。同時(shí)，按照具體作戰環(huán)境的需求，依據總體設計，分別擴展了不同的內容和功能，比如：多生物特征信息融合和GPS定位等等。

個(gè)人多模態(tài)生物特征識別系統主要通過(guò)計算機終端，首先將指紋、面像和DNA等，以及文字信息，采集輸入微處理器，進(jìn)行信息融合后，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )寫(xiě)入后臺個(gè)體生物特征信息數據庫管理系統，并可與其他有關(guān)軍人的軍事信息，政治信息，醫療、被裝、工薪、住房等供應關(guān)系信息等進(jìn)行數據關(guān)聯(lián)。同時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)唯一的ID序列號，并由RFI D讀寫(xiě)器及其生物特征輔助信息寫(xiě)入RFI D卡中。然后，識別時(shí)只需用RFID讀寫(xiě)器讀取ID和生物特征輔助信息，輸入計算機終端后，經(jīng)由無(wú)線(xiàn)通訊網(wǎng)絡(luò )或局域網(wǎng)在個(gè)體生物特征信息數據庫中對其進(jìn)行匹配查詢(xún)。如圖1：

其中計算機終端可應用基于Windows . net操作系統的微型計算機，內部配置RFID讀寫(xiě)器，并由擴展接口，連接生物特征采集器，除DNA外，目前可對其他特征實(shí)時(shí)采集、讀寫(xiě)。RFI D卡中的信息在寫(xiě)入的同時(shí)需對其進(jìn)行加密保護。最終建立個(gè)體生物特征信息數據庫。以下主要針對生物特征的采集、多模態(tài)生物特征信息的融合與RFID系統的設計詳細論述。

2 生物特征的采集設計

2.1 生物特征識別技術(shù)

生物特征識別技術(shù)就是指通過(guò)計算機與光學(xué)聲學(xué)和生物統計學(xué)原理等相結合，利用人體固有的生理或行為特征，來(lái)進(jìn)行個(gè)人身份識別和鑒定的科學(xué)。人們通常將生理特征和行為特征統稱(chēng)為生物特征。生理特征與生俱來(lái)，多為先天性的；行為特征則是習慣使然，多為后天性的。然而，人類(lèi)任何生理或行為特征為實(shí)現身份識別，必須滿(mǎn)足以下幾個(gè)條件：

第一，普遍性：即必須每個(gè)人都具備這種特征；

第二，唯一性：即任何兩個(gè)人的特征是不一樣的；

第三，可采集性：即特征可測量；

第四，穩定性：即特征在一段時(shí)間內不改變。

同時(shí)，在實(shí)際應用時(shí)，還應考慮其他因素：實(shí)時(shí)性和準確性等等。常用的生物特征包括：指紋、掌紋、人臉、虹膜、視網(wǎng)膜、DNA、手形、簽名、語(yǔ)音、步態(tài)等。與傳統的基于口令和身份號碼的身份識別方法相比，生物特征識別技術(shù)具有不易遺忘或丟失；防偽性能好，不易偽造或被盜；隨身攜帶0，隨時(shí)隨地可用；價(jià)格低廉、易用性高、安全保密等諸多優(yōu)點(diǎn)。下面分別介紹系統中用到的生物特征識別技術(shù)。

2.2 指紋識別技術(shù)

指紋識別技術(shù)主要包括：讀取指紋圖像、特征提取、模式匹配。首先通過(guò)指紋讀取設備讀取到人指紋的圖像，再對原始圖像進(jìn)行預處理，使之更清晰。接下來(lái)進(jìn)行特征提取，指紋特征提取算法由以下三步組成： （圖2）

（a）讀取指紋圖像；（ b）區域定位；（ c）脊特征圖形；（d）細節提取

方向場(chǎng)估計：即對輸入圖像的方向場(chǎng)進(jìn)行估計。確定可用區域

脊特征提?。杭刺崛〖固卣鞑⑦M(jìn)行細化

細節檢測及后處理：即從細化的脊特征圖中提取細節，確定脊特征參數坐標、方向角及和脊相互關(guān)系。

用指紋識別技術(shù)建立指紋的數據庫，從指紋上找到被稱(chēng)為/細節0的數據點(diǎn)，也就是那些指紋紋路的分叉、終止或打圈處的坐標位置。有的算法把節點(diǎn)和方向信息組合產(chǎn)生了更多的數據，這些方向信息表明了各個(gè)節點(diǎn)之間的關(guān)系，也有的算法針對整幅指紋圖像進(jìn)行處理。把兩個(gè)指紋的模板進(jìn)行比較，計算出它們的相似程度，最終得到兩個(gè)指紋的匹配結果，從而達到鑒別個(gè)人身份的目的（圖3）。

指紋自動(dòng)識別系統是通過(guò)將輸入的指紋與數據庫里的指紋相比較從而實(shí)現識別的，因此它要求數據庫的容量足夠大，同時(shí)，實(shí)驗表明指紋識別系統的輸入傳感器對大約4 %的人的指紋不能提供足夠高質(zhì)量的指紋圖像以用于識別，包括手指上的皮膚有傷疤、有繃帶包扎、長(cháng)繭、皮膚干燥、干濕度、病態(tài)的皮膚、老皮膚、特別光滑的皮膚、手指窄小和輸入傳感器受污染等都會(huì )影響指紋的識別效果。

2.3 人臉信號的采集

人臉識別系統的原理如圖4所示。首先，，由傳感器如CCD攝像機捕獲人臉圖像；其次經(jīng)預處理來(lái)提高圖像的品質(zhì)；再根據人臉檢測來(lái)定位人臉并將人臉圖像設置成預先定義的尺寸；特征提取用于抽取有效特征以降低原模式空間的維數，分類(lèi)器則根據特征來(lái)做出決策分類(lèi)。最后，將已檢測到的待識別的人臉與數據庫中的已知人臉進(jìn)行比較匹配，得出識別結果。

人臉識別方法主要有：基于側面人臉幾何特征的方法、正面人臉特征方法、正面人臉特征和側面人臉特征的混合法、模板匹配法、主元分析法、等密度線(xiàn)圖法、多模板相關(guān)方法、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的模板匹配法等。

2.4 其他個(gè)人基本信息

DNA識別是利用人體細胞中DNA分子結構的獨特性和永久性，進(jìn)一步深度識別個(gè)體身份，以致彌補指紋和面像識別技術(shù)中的不足，完善系統識別的準確性。然而，與指紋、人臉信息相比，人體每一個(gè)細胞和組織的DNA序列都是一樣的。這種識別方法的準確性?xún)?yōu)于其他任何生物特征識別方法，因此，廣泛應用于犯罪偵破。它的主要問(wèn)題是使用者的倫理問(wèn)題和實(shí)際的可接受性， DNA模式識別必須在實(shí)驗室中進(jìn)行，難以達到實(shí)時(shí)以及抗干擾，耗時(shí)長(cháng)是另一個(gè)問(wèn)題，從而限制了DNA識別技術(shù)的使用；此外，某些特殊疾病也可能改變人體DNA的結構，系統無(wú)法對這類(lèi)人群進(jìn)行識別。由于DNA識別周期太長(cháng)，序列的測繪最快也需一個(gè)月。因此，它的實(shí)時(shí)性、抗干擾性，以及某些疾病引起人體DNA的結構改變，是構成影響DNA識別實(shí)際應用于識別系統的主要問(wèn)題。