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指紋識(shí)別系統(tǒng)及其應(yīng)用
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我們手掌及其手指、腳、腳趾內(nèi)側(cè)表面的皮膚凸凹不平產(chǎn)生的紋路會(huì)形成各種各樣的圖案。這些紋路的存在增加了皮膚表面的摩擦力，使得我們能夠用手來抓起重物。人們也注意到，包括指紋在內(nèi)的這些皮膚的紋路在圖案、斷點(diǎn)和交叉點(diǎn)上各不相同，也就是說，是唯一的。依靠這種唯一性，我們就可以把一個(gè)人同他的指紋對(duì)應(yīng)起來，通過比較他的指紋和預(yù)先保存的指紋進(jìn)行比較，就可以驗(yàn)證他的真實(shí)身份。這種依靠人體的身體特征來進(jìn)行身份驗(yàn)證的技術(shù)稱為生物識(shí)別技術(shù)，指紋識(shí)別是生物識(shí)別技術(shù)的一種。
1、現(xiàn)行的系統(tǒng)受到的挑戰(zhàn)
安全性是許多系統(tǒng)要首先考慮的問題，盡管使用者一向都相當(dāng)討厭安全檢查機(jī)制介入他們的工作中，但管理者仍然需要這樣的一種檢查訪問與使用情形的手續(xù)與方法。如果沒有辦法清楚明確的辨認(rèn)使用者身分的話，那么你也將無法確認(rèn)是那位使用者，以及他究竟操作了什么行動(dòng)。所以使用者會(huì)被強(qiáng)迫去進(jìn)行一些密碼機(jī)制或硬件標(biāo)志以幫助我們?nèi)プ粉櫨烤故钦l做了些什么？
現(xiàn)行的許多計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，包括許多非常機(jī)密的系統(tǒng)，都是使用“用戶ID+密碼”的方法來進(jìn)行用戶的身份認(rèn)證和訪問控制的。實(shí)際上，這種方案隱含著一些問題。例如，密碼容易被忘記，也容易被別人竊取。而且，如果用戶忘記了他的密碼，他就不能進(jìn)入系統(tǒng)，當(dāng)然可以通過系統(tǒng)管理員重新設(shè)定密碼來重新開始工作，但是一旦系統(tǒng)管理員忘記了自己的密碼，整個(gè)系統(tǒng)也許只有重新安裝后才能工作。有關(guān)機(jī)構(gòu)的調(diào)查表明，因?yàn)橥浢艽a而產(chǎn)生的問題已經(jīng)成為IT廠商售后服務(wù)的最常見問題之一；密碼被別人盜取則更是一件可怕的事情，因?yàn)橛眯牟涣嫉娜丝赡軙?huì)進(jìn)一步竊取公司機(jī)密數(shù)據(jù)、可能會(huì)盜用別人的名義做不正當(dāng)?shù)氖虑椤⑸踔翉逆@行、ATM終端上提取別人的巨額存款。實(shí)際上，密碼的盜取比較容易，別人只要留意你在計(jì)算機(jī)終端前輸入口令時(shí)的擊鍵動(dòng)作就可以知道你的密碼，甚至可以通過你的生日、年齡、姓名或者其他一些信息猜出你的密碼--許多人使用自己的生日作為密碼，密碼還可以被解破--眾所周知，高度機(jī)密的美國一些軍事機(jī)構(gòu)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)曾不止一次被黑客侵入，黑客們實(shí)際上就是解破了這些計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的某一合法用戶的密碼來開始的。盡管現(xiàn)行系統(tǒng)通過要求用戶及時(shí)改變他們的口今來防止盜用口令行為，但這種方法不但增加了用戶的記憶負(fù)擔(dān)，也不能從根本上解決問題。
隨著科技的進(jìn)步，指紋識(shí)別技術(shù)已經(jīng)開始走入了我們的日常生活之中。目前在世界上許多公司和研究機(jī)構(gòu)都在指紋識(shí)別技術(shù)的研究中取得一些突破性技術(shù)，從而推出了許多新產(chǎn)品，這些產(chǎn)品己經(jīng)開始在請多領(lǐng)域得以運(yùn)用。除了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及其應(yīng)用系統(tǒng)外，一些傳統(tǒng)的需要進(jìn)行身份驗(yàn)證的場合，也存在著類似的安全性問題。例如證件的偽造和盜用、不正當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)借等。一些犯罪通過偽造證件進(jìn)入機(jī)密場所以竊取機(jī)密信息，有的犯罪偽造簽證和護(hù)照非法入境或移民，這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)的證件使用了易于偽造、未經(jīng)加密的紙制證件。另一個(gè)例子是考勤機(jī)，它的使用方便了企業(yè)進(jìn)行職工的考勤管理，但使領(lǐng)導(dǎo)頭疼的是經(jīng)常有人弄虛作假，代別人打卡。
丟了鑰匙不僅打不開門，還要當(dāng)心壞人拾到你的鑰匙盜取你的家財(cái)，其他使用鑰匙的場合同樣也有如此的問題……
這些問題都說明，現(xiàn)行的系統(tǒng)安全性技術(shù)己經(jīng)遭遇嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)!
2、指紋識(shí)別是成熟的生物識(shí)別(Biometric)技術(shù)
由于人體的身體特征具有不可復(fù)制的特點(diǎn)，人們把目光轉(zhuǎn)向了生物識(shí)別技術(shù)，希望可以籍此技術(shù)來應(yīng)付現(xiàn)行系統(tǒng)安全所面臨的的挑戰(zhàn)。要把人體的特證用于身份識(shí)別，這些特征必須具有唯一性和穩(wěn)定性。研究和經(jīng)驗(yàn)表明，人的指紋、掌紋、面孔、發(fā)音、虹膜、視網(wǎng)膜、骨架等都具有唯一性和穩(wěn)定性的特征，即每個(gè)人的這些特征都與別人不同、且終生不變，因此就可以據(jù)此識(shí)別出人的身份�；谶@些特征，人們發(fā)展了指紋識(shí)別、面部識(shí)別、發(fā)音識(shí)別等多種生物識(shí)別技術(shù)，目前許多技術(shù)都己經(jīng)成熟并得以應(yīng)用，其中的指紋識(shí)別技術(shù)更是生物識(shí)別技術(shù)的熱點(diǎn)。
指紋識(shí)別技術(shù)的發(fā)展得益于現(xiàn)代電子集成制造技術(shù)和快速可靠的算法的研究。盡管指紋只是人體皮膚的一小部分，但用于識(shí)別的數(shù)據(jù)量相當(dāng)大，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)也不是簡單的相等與不相等的問題，而是使用需要進(jìn)行大量運(yùn)算的模糊匹配算法�，F(xiàn)代電子集成制造技術(shù)使得我們可以制造相當(dāng)小的指紋圖象讀取設(shè)備，同時(shí)飛速發(fā)展的個(gè)人計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度提供了在微機(jī)甚至單片機(jī)上可以進(jìn)行兩個(gè)指紋的比對(duì)運(yùn)算的可能。另外，匹配算法可靠性也不斷提高，指紋識(shí)別技術(shù)己經(jīng)非常實(shí)用。
二、 驗(yàn)證和辨識(shí)
應(yīng)用系統(tǒng)利用指紋識(shí)別技術(shù)可以分為兩類，即驗(yàn)證(Verification)和辨識(shí)(Identification)。 驗(yàn)證就是通過把一個(gè)現(xiàn)場采集到的指紋與一個(gè)己經(jīng)登記的指紋進(jìn)行一對(duì)一的比對(duì)（one-to-one matching），來確認(rèn)身份的過程。作為驗(yàn)證的前提條件，他或她的指紋必須在指紋庫中已經(jīng)注冊。指紋以一定的壓縮格式存貯，并與其姓名或其標(biāo)識(shí)（ID，PIN）聯(lián)系起來。隨后在比對(duì)現(xiàn)場，先驗(yàn)證其標(biāo)識(shí)，然后，利用系統(tǒng)的指紋與現(xiàn)場采集的指紋比對(duì)來證明其標(biāo)識(shí)是合法的。驗(yàn)證其實(shí)是回答了這樣一個(gè)問題："他是他自稱的這個(gè)人嗎？"這是應(yīng)用系統(tǒng)中使用得較多的方法。
辨識(shí)則是把現(xiàn)場采集到的指紋同指紋數(shù)據(jù)厙中的指紋逐一對(duì)比，從中找出與現(xiàn)場指紋相匹配的指紋。這也叫“一對(duì)多匹配（one-to-many matching）”。驗(yàn)證其實(shí)是回答了這樣一個(gè)問題：“他是誰？”辨識(shí)主要應(yīng)用于犯罪指紋匹配的傳統(tǒng)領(lǐng)域中。一個(gè)不明身份的人的指紋與指紋庫中有犯罪記錄的人指紋進(jìn)行比對(duì)，來確定此人是否曾經(jīng)有過犯罪記錄。
驗(yàn)證和辨識(shí)在比對(duì)算法和系統(tǒng)設(shè)計(jì)上各具技術(shù)特點(diǎn)。例如驗(yàn)證系統(tǒng)一般只考慮對(duì)完整的指紋進(jìn)行比對(duì)，而辨識(shí)系統(tǒng)要考慮殘紋的比對(duì)；驗(yàn)證系統(tǒng)對(duì)比對(duì)算法的速度要求不如辨識(shí)系統(tǒng)高，但更強(qiáng)調(diào)易用性；另外在辨識(shí)系統(tǒng)中，一般要使用分類技術(shù)來加快查詢的速度。
除了驗(yàn)證的一對(duì)一和辨識(shí)的一對(duì)多比對(duì)方法，在實(shí)際應(yīng)用中還有“一對(duì)幾個(gè)匹配（one-to-few matching）”。一對(duì)幾個(gè)匹配主要應(yīng)用于只有“幾個(gè)(few)”用戶的系統(tǒng)中，比如一個(gè)家庭的成員要進(jìn)入他們的房子。 “幾個(gè)”所包含的數(shù)目一般為5～20人。一對(duì)幾個(gè)匹配一般使用與一對(duì)一匹配相同的方法。
三、 可靠性問題
由于計(jì)算機(jī)處理指紋時(shí)，只是涉及了指紋的一些有限的信息，而且比對(duì)算法并不是精確匹配，其結(jié)果也不能保證100%準(zhǔn)確。指紋識(shí)別系統(tǒng)的特定應(yīng)用的重要衡量標(biāo)志是識(shí)別率。主要由兩部分組成，拒判率(FRR)和誤判率(FAR)。我們可以根據(jù)不同的用途來調(diào)整這兩個(gè)值。FRR和FAR是成反比的。用0-1.0或百分比來表達(dá)這個(gè)數(shù)。ROC(Receiver Operating Curve)-曲線給出FAR和FRR之間的關(guān)系。
盡管指紋識(shí)別系統(tǒng)存在著可靠性問題，但其安全性也比相同可靠性級(jí)別的“用戶ID+密碼”方案的安全性高得多。例如采用四位數(shù)字密碼的系統(tǒng)，不安全概率為0.01%，如果同采用誤判率為0.01%指紋識(shí)別系統(tǒng)相比，由于不誠實(shí)的人可以在一段時(shí)間內(nèi)試用所有可能的密碼，因此四位密碼并不安全，但是他絕對(duì)不可能找到一千個(gè)人去為他把所有的手指（十個(gè)手指）都試一遍。正因?yàn)槿绱耍瑱?quán)威機(jī)構(gòu)認(rèn)為，在應(yīng)用中1%的誤判率就可以接受。
FRR實(shí)際上也是系統(tǒng)易用性的重要指標(biāo)。由于FRR和FAR是相互矛盾的，這就使得在應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，要權(quán)衡易用性和安全性。一個(gè)有效的辦法是比對(duì)兩個(gè)或更多的指紋，從而在不損失易用性的同時(shí)，極大地提高了系統(tǒng)安全性。
四、 嵌入式系統(tǒng)(Embedded System)與連接PC的桌面應(yīng)用
利用指紋識(shí)別技術(shù)的應(yīng)用系統(tǒng)常見有兩種方法，即嵌入式系統(tǒng)和連接PC的桌面應(yīng)用系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的完整系統(tǒng)，它不需要連接其他設(shè)備或計(jì)算機(jī)就可以獨(dú)立完成其設(shè)計(jì)的功能，象指紋門鎖、指紋考勤終端就是嵌入式系統(tǒng)。其功能較為單一，應(yīng)用于完成特定的功能。而連接PC的桌面應(yīng)用系統(tǒng)具有靈活的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并且可以多個(gè)系統(tǒng)共享指紋識(shí)別設(shè)備，可以建立大型的數(shù)據(jù)庫應(yīng)用。當(dāng)然，由于需要連接計(jì)算機(jī)才能完成指紋識(shí)別的功能，限制了這種系統(tǒng)在許多方面的應(yīng)用。
當(dāng)今市場上的指紋識(shí)別系統(tǒng)廠商，除了提供完整的指紋識(shí)別應(yīng)用系統(tǒng)及其解決方案外，可以提供從指紋取像設(shè)備的OEM產(chǎn)品到完整的指紋識(shí)別軟件開發(fā)包，從而使得無論是系統(tǒng)集成商還是應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)商都可以自行開發(fā)自己的增值產(chǎn)品，包括嵌入式的系統(tǒng)和其他應(yīng)用指紋驗(yàn)證的計(jì)算機(jī)軟件。
五、 指紋識(shí)別技術(shù)應(yīng)用實(shí)例
指紋識(shí)別技術(shù)可以通過幾種方法應(yīng)用到許多方面。本文在上面已經(jīng)介紹的通過使用指紋驗(yàn)證來取代各個(gè)計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序的密碼就是最為典型的實(shí)例�？梢韵胂笕绻�(jì)算機(jī)上的所有系統(tǒng)和應(yīng)用程序都可以使用指紋驗(yàn)證的話，人們使用計(jì)算機(jī)就會(huì)非常方便和安全，用戶不再討厭必要的安全性檢查，而IT開發(fā)商的售后服務(wù)工作也會(huì)減輕許多． 把指紋識(shí)別技術(shù)同IC卡結(jié)合起來，是目前最有前景的一個(gè)方向之一。該技術(shù)把卡的主人的指紋（加密后）存儲(chǔ)在IC卡上，并在IC卡的讀卡機(jī)上加裝指紋識(shí)別系統(tǒng)，當(dāng)讀卡機(jī)閱讀卡上的信息時(shí)，一并讀入持卡者的指紋，通過比對(duì)卡上的指紋與持卡者的指紋就可以確認(rèn)持卡者的是否卡的真正主人，從而進(jìn)行下一步的交易。在更加嚴(yán)格的場合，還可以進(jìn)一步同后端主機(jī)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫上的指紋作比較。指紋IC卡可以廣泛地運(yùn)用于許多行業(yè)中，例如取代現(xiàn)行的ATM卡、制造防偽證件（簽證或護(hù)照、公費(fèi)醫(yī)療卡、會(huì)員卡、借書卡等）。目前ATM提款機(jī)加裝指紋識(shí)別功能在美國已經(jīng)開始使用。持卡人可以取消密碼 (避免老人和孩子記憶密碼的困難)或者仍舊保留密碼，在操作上按指紋與密碼的時(shí)間差不多。
近年來，自動(dòng)發(fā)送信息的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，帶給人們的方便與利益，正在快速增長之中，但也因此產(chǎn)生了很多的問題，尤其在信息安全方面。無論是團(tuán)體或者個(gè)人的信息，都害怕在四通八達(dá)的網(wǎng)絡(luò)上傳送而發(fā)生有損權(quán)益的事情。由于指紋特征數(shù)據(jù)可以通過電子郵件或其他傳輸方法在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行傳輸和驗(yàn)證，通過指紋識(shí)別技術(shù)，限定只有指定的人才能訪問相關(guān)信息，可以極大地提高網(wǎng)上信息的安全性，這樣，包括網(wǎng)上銀行、網(wǎng)上貿(mào)易、電子商務(wù)的一系列網(wǎng)絡(luò)商業(yè)行為，就有了安全性保障。在SFNB(Security First Network Bank安全第一網(wǎng)絡(luò)銀行)，就是通過互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行資金劃算的，他們目前正在實(shí)施以指紋識(shí)別技術(shù)為基礎(chǔ)的保障安全性的項(xiàng)目，以增強(qiáng)交易的安全性。
在醫(yī)院里，指紋識(shí)別技術(shù)可以驗(yàn)證病人身份，例如輸血管理。指紋識(shí)別技術(shù)也有助于證實(shí)尋求公共救援、醫(yī)療及其他政府福利或者保險(xiǎn)金的人的身份確認(rèn)。在這些應(yīng)用中，指紋識(shí)別系統(tǒng)將會(huì)取代或者補(bǔ)充許多大量使用照片和ID的系統(tǒng)。
總之，隨著許多指紋識(shí)別產(chǎn)品已經(jīng)開發(fā)和生產(chǎn)，指紋識(shí)別技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)開始進(jìn)入民用市場，并且發(fā)展迅猛，相信這一技術(shù)的普及應(yīng)用已經(jīng)指日可待。
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