摘要：本文详细介绍了手指静脉特征识别技术的原理与特点，并与其他生物识别技术进行了比较，最后介绍了日立制作所手指静脉技术在门禁系统的应用。

    关键词：生物技术 指静脉

    1 概述

    随着基于计算机网络的信息技术飞速发展，全球经济一体化，个人信息的保护显得越来越重要。选择合理的技术是保证信息安全的必要因素。早期的技术是基于个人密码，而密码被破解或偷窥的概率越来越高。后来出现了智能IC卡，但这种方式同样存在被复制或者偷盗的安全隐患。

    生物将成为今后几年IT产业的重要变革。生物特征是通过计算机利用人体固有的生理特征或行为特征鉴别个人身份。生物识别技术具有不易遗忘和丢失，不易伪造和被盗，可以“随身携带”，随时随地使用等优点，已经被全世界所关注，并应用于身份、出入口管理，安防监控，电子商务、电子政务等各个领域。

    生物识别包括指纹识别、虹膜识别、人脸识别、掌纹识别、静脉识别、声音识别、签名识别、笔迹识别、手形识别及多种生物特征综合识别等多种类，已经有成熟的产品并有了一定的市场应用[1]。

    纵观生物识别技术的发展史，20世纪60年代末，美国有人提出用计算机图像处理和模式识别方法进行指纹分析以代替人工对比，这就是指纹识别技术。从20世纪90年代起，掌形识别、脸部识别、虹膜识别的产品纷纷走向市场，每种技术都有各自的优缺点，占据一定的市场份额[2]。

图1.1日立制作所指静脉门禁系统

    2002年，由日立制作所研制的指静脉生物产品发布，这是生物领域的一项全新技术。指静脉技术通过对手指中静脉图像进行活体识别来达到目的，安全性高、识别率高、简单宜用。这些优点使其迅速被市场认可。指静脉识别技术被广泛应用于金融系统、门禁系统、电脑安全等领域。

    2007年夏天，日立制作所又向全球推出最新的非接触式小型“指静脉设备”及软件开发套件（SDK），为信息安全提供了一个新型解决方案。 

     2 指静脉系统原理

    手指静脉是一种新的生物特征识别技术，它利用手指内的静脉分布图像来进行身份识别。医学研究证明，手指静脉的形状具有唯一性和稳定性，即每个人的手指静脉图像都不相同，同一个人不同的手指的静脉图像也不相同；健康成年人的静脉形状不再发生变化[3][4]。这就为指静脉提供了医学依据。

图2.1   指静脉流程图

     图2.1为手指静脉系统的流程图。分以下四个步骤：

    （1）静脉扫描：LED在手指一方发射近红外线，透射手指，在手指另一方，照相机拍摄静脉图像；

 （2）图像校正：调整图像的位置和角度，使其符合规格；

 （3）特征提取：根据以上得到的图像，提取静脉分布图像，得到特征图；
 

 图2.2 静脉分布图提取
 

    （4）图像对比与匹配：将以上得到的特征图与数据库中的原始模版进行比较，计算相关性。如果相匹配则通过，不匹配则被拒绝。

    3 指静脉相对于其他生物识别的优点

    现有的生物主要有指纹识别、虹膜识别、面部识别技术、签名识别技术、声音识别技术、掌形识别技术、指静脉识别技术、掌静脉识别技术等，这些识别技术都已经很成熟，并走向市场。生物具有其固有的优点，但对每种识别又分别有其优缺点。

    作为一种安全性高，使用方便的方式，手指静脉技术有如下一些区别于其它生物技术的突出特点：

    （1）安全性高

    前面已经介绍到，手指静脉系统的原理是匹配手指内部静脉的纹路图。因为静脉血管是隐藏在手指内部的，因此极难复制和盗取，与别的利用人体体外特征进行的技术相比较，这种方式的安全性更高。同时，静脉能感知手指内的血液流动和血压情况，能够在识别的过程同时进行活体检测。

    （2）准确率高

    因为采样样本是在人体内部，所以匹配过程中受到外界的干扰非常小。手指静脉的准确性很高，根据严格的医学证明和数学统计，FRR（拒真率）小于0.01%，FAR（认假率）小于0.0001%，FTE（登录失败）为0%。

 

    （3） 唯一性

    根据医学证明，不同人之间的手指静脉分布完全不同，左手和右手的静脉分布也不同，就算是双胞胎的相同手指，其中的静脉分布也是不同的。而且手指静脉的纹路分布在成年后是不会变化的[4]。对于未成年人，当他们手指静脉随着年龄的增长变化后，只需要花30秒就可以完成重新的注册登记。

    （4）非接触式

    相对于某些生物识别技术，手指静脉认识技术是非接触式的，在公共场合会比较卫生。

    （5） 样本文件小

    由于手指的静脉血管相对稳定并且很容易拍摄下来，因此使用低分辨率的摄像头就可以达到取样要求。这样生成的静脉模板文件小，匹配速度快。

    4 指静脉在门禁系统的应用与展望

    门禁系统的历史由来已久，人类几千年来仅仅依靠机械装置与钥匙来进行出入管理，而无论这种结构设计得怎样精妙与坚固，总能够通过各种手段打开。而且如果一套系统中有一人将钥匙丢失的话，出于安全的考虑，系统管理人员不得不更换所有人的钥匙与门锁，这就是个非常。

 

    后来出现了磁卡门禁系统，克服了以上的困难，管理人员可以方便地注销丢失的磁卡。但是磁卡本身容易被复制，磨损度高，而且容易消磁，可靠性和准确性差。

    目前广泛应用的非接触IC卡解决了以上的问题，不但不容易磨损，某些高档的IC卡还提供用户信息加密的功能，极难复制。但是用户也必须随身携带IC卡，给使用带来不便。

    随着近代生物技术的发展，现代化安全防范系统要求原始的使用钥匙或卡片的门禁系统转化为以人体特征为基础的高安全性、高可靠性的系统。指静脉由于其安全性高、准确率高、唯一性、非接触等优点被广泛应用于门禁安全领域，为从办公环境到安居环境提供了一个理想的安全解决方案。

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    （1）员工需要随身携带IC卡片，可能发生丢失、损坏的情况；

    （2）对于大型公司或者工厂，在人数上千人的情况下，需要为每位员工配备IC卡片，这将提高系统的成本和工作流程繁锁程度；

    （3） 由于IC卡并不是与人体生物特征相互依存，因此会经常出现员工代打卡的情况，对公司、工厂的管理造成混乱。

    应用了生物技术的门禁系统更方便员工使用，不需要员工使用或携带额外的标志，比如密码、IC卡等。

    指纹技术最早应用于门禁系统，但是指纹识别方式本身存在比较严重的安全隐患，这种暴露在人体外部的生物特征比较容易被复制，另外在公司这样用户比较多的场合，接触式的指纹方式并不符合卫生要求。而应用了手指静脉技术的门禁系统相对于指纹技术来讲，使用更加方便、卫生，更加人性化。

    目前也有些企业重要部门应用了虹膜识别技术，我们知道这种技术和手指静脉一样，是隐藏在人体内部的生物特征，因此极难复制，并且不容易受外界影响。但是虹膜识别系统要求对人的眼球扫描，会让用户的内心存在一定的抗拒感，同时戴眼镜的用户也不太方便使用。

    在实际的使用环境中，手指静脉系统能够和企业安防系统以及考勤系统相结合，详细记录员工出入管理日志，可按照不同的查询条件查询，并在发生危险的时候报警。

    日立制作所的手指静脉系统还具备双重功能，只有不同两人的不同手指先后通过，才有权限进入安全级别要求更高的场所。这将是高端企业比较好的安全解决方案。
 

图 4.1 手静静脉系统应用于企业门禁管理

    4.2 应用于公共场所

    随着社会的发展和生活节奏的加快，像地铁出入口，办公楼大厅，图书馆等公共场所的人流量越来越大，控制这些场所的正常运行和安全成为管理机构的重要任务。在这些场所的人数比在某个企业的员工数量大许多，使用IC卡片式的出入管理装置将是低率和不安全的做法。方便快捷的生物识别技术将是比较适合这些公共场所的生物识别技术。

    手指静脉在新加坡的日立塔已经得到应用，这座写字楼有近2000名各公司员工。在上下班的高峰期，快速的手指静脉系统解决了拥堵的现象，并且将日立塔提升为高安全性的公共场所。

 

图4.2 新加坡日立塔手指静脉门禁系统

    4.3 应用于智能楼宇系统

    最近几年，中国的房地产市场飞速发展，人们对住宅的要求也越来越高，期望一种舒心、便利，同时更安全的居住条件。智能楼宇技术应运而生，它融合了通信网络技术、计算机技术、自动控制技术、安全技术等。

    在人们在享受高科技带来的高质量生活的同时，居住环境的安全成为这一切的根本。目前某些高档住宅已经使用IC卡控制电子锁。但是往往出现老人和小孩忘记携带卡片的情况，造成生活上的不便。使用IC卡也容易被另有用心之人复制或者盗窃，造成财产的损失和人身的安全。

    而应用了手指静脉系统的智能楼宇系统，能够给住户带来更加方便和安全的居住体验。主人回家只需要轻轻将手指插入静脉系统。系统就能够验证有效性，并记录出入日志。更进一步，日立手指静脉系统能够和智能楼宇系统中的电梯联动。当用户在大堂门插入手指通过的瞬间，电梯将会自动降到一楼，并在住户进入电梯的时候，根据手指静脉系统数据库的记录，自动运行到用户所在楼层。而整个过程中，住户不用按任何按钮，能够方便快捷地回到家，这将是一种全新的生活体验。
 

图4.3 手指静脉系统应用于智能住宅

    与智能住宅系统类似，将手指静脉系统应用于酒店管理也将会是非常方便，并且能够提升酒店档次的安全解决方案。

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    参考文献：

    [1] 詹小四. 生物认证-人类未来身份认证的主要方式. 阜阳师范学院学报: 自然科学版. 2004年 21卷 2期
    [2] 张丽, 赵洋. 身份认证技术的研究与安全性分析. 计算机与现代化. 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