基于RFID技術(shù)的多模態(tài)生物特征識別系統(tǒng)設(shè)計

引言 

　　未來戰(zhàn)爭主要是信息戰(zhàn)，為適應(yīng)這種新的作戰(zhàn)形態(tài)，21世紀(jì)戰(zhàn)場士兵的身份也應(yīng)通過信息網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)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進行身份識別和鑒定的科學(xué),它比傳統(tǒng)的基于口令和身份號碼的方法更為安全、 可靠和有效,正在越來越被人們所關(guān)注,并應(yīng)用于各個領(lǐng)域。軍人身份牌， 又稱/士兵牌0或/生命牌0，早在美國南北戰(zhàn)爭時，美軍就開始配發(fā)這種小金屬牌，作為士兵隨身攜帶的身份標(biāo)志物。為了適應(yīng)現(xiàn)代高技術(shù)局部戰(zhàn)爭的需要，利用生物特征識別技術(shù)的特點，基于無限射頻識別技術(shù) ( RadioFrequency Ident i ficati on , 簡稱 RFID)，將人體信息如指紋、 面像及 DNA 等，通過信息融合技術(shù)儲存在后臺數(shù)據(jù)庫中，并將檢索關(guān)鍵信息載入 RFID 卡， 即/士兵牌0。用它來作為士兵身份準(zhǔn)確識別的唯一依據(jù),并通過計算機終端與網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器組建成了/戰(zhàn)場個人身份識別系統(tǒng)0。

　　目前，基于各種生物特征識別技術(shù)的身份識別系統(tǒng),正在越來越受人們的青睞,并逐步應(yīng)用于各個領(lǐng)域。但是，由于單個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),通過對指紋、 面像及 DNA 等信息融合處理的個人多模態(tài)生物特征識別系統(tǒng)，不僅加強了身份識別的安全性,更提高了它的準(zhǔn)確性，并將填補我軍類似/軍人牌0或/士兵牌0在相關(guān)領(lǐng)域的研究空白。 

1  系統(tǒng)總體設(shè)計 

　　目前，基于各種生物特征識別技術(shù)的身份識別系統(tǒng)，正逐步應(yīng)用于各個領(lǐng)域。但是, 在 /戰(zhàn)場個人身份識別系統(tǒng)0中是否需要在后臺數(shù)據(jù)庫中存儲指紋、 面像及DNA 等大容量的人體信息，必須根據(jù)應(yīng)用需求進行確定。為此，針對/士兵牌0作為士兵隨身攜帶的身份標(biāo)志物,應(yīng)具有價格低廉、 防水、防磁、 耐高溫、 使用壽命長等要求。我們針對生物特征信息的特點，主要對部分生物特征進行采集和信息處理。同時，按照具體作戰(zhàn)環(huán)境的需求，依據(jù)總體設(shè)計，分別擴展了不同的內(nèi)容和功能，比如：多生物特征信息融合和 GPS定位等等。 

　　個人多模態(tài)生物特征識別系統(tǒng)主要通過計算機終端, 首先將指紋、面像和 DNA等，以及文字信息，采集輸入微處理器,進行信息融合后,通過網(wǎng)絡(luò)寫入后臺個體生物特征信息數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，并可與其他有關(guān)軍人的軍事信息，政治信息，醫(yī)療、被裝、工薪、住房等供應(yīng)關(guān)系信息等進行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)。同時，產(chǎn)生一個唯一的ID序列號，并由 RFI D讀寫器及其生物特征輔助信息寫入 RFI D 卡中。然后，識別時只需用 RFID讀寫器讀取ID和生物特征輔助信息，輸入計算機終端后,經(jīng)由無線通訊網(wǎng)絡(luò)或局域網(wǎng)在個體生物特征信息數(shù)據(jù)庫中對其進行匹配查詢。如圖1：

　　其中計算機終端可應(yīng)用基于Windows . net操作系統(tǒng)的微型計算機，內(nèi)部配置 RFID讀寫器，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時采集、讀寫。RFI D卡中的信息在寫入的同時需對其進行加密保護。最終建立個體生物特征信息數(shù)據(jù)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(tǒng)的設(shè)計詳細(xì)論述。 

2  生物特征的采集設(shè)計 

　　2 . 1  生物特征識別技術(shù) 

　　生物特征識別技術(shù)就是指通過計算機與光學(xué)聲學(xué)和生物統(tǒng)計學(xué)原理等相結(jié)合，利用人體固有的生理或行為特征，來進行個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(tǒng)稱為生物特征。生理特征與生俱來,多為先天性的;行為特征則是習(xí)慣使然,多為后天性的。然而，人類任何生理或行為特征為實現(xiàn)身份識別,必須滿足以下幾個條件：

　　第一，普遍性: 即必須每個人都具備這種特征; 

　　第二，唯一性: 即任何兩個人的特征是不一樣的; 

　　第三，可采集性:即特征可測量; 

　　第四，穩(wěn)定性:即特征在一段時間內(nèi)不改變。 

　　同時，在實際應(yīng)用時,還應(yīng)考慮其他因素:實時性和準(zhǔn)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、語音、步態(tài)等。與傳統(tǒng)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， 隨時隨地可用；價格低廉、易用性高、安全保密等諸多優(yōu)點。下面分別介紹系統(tǒng)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。首先通過指紋讀取設(shè)備讀取到人指紋的圖像,再對原始圖像進行預(yù)處理,使之更清晰。接下來進行特征提取, 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(qū)域定位；( c) 脊特征圖形；(d)細(xì)節(jié)提取 

　　方向場估計：即對輸入圖像的方向場進行估計。 確定可用區(qū)域 

　　脊特征提?。杭刺崛〖固卣鞑⑦M行細(xì)化

　　細(xì)節(jié)檢測及后處理：即從細(xì)化的脊特征圖中提取細(xì)節(jié)，確定脊特征參數(shù)坐標(biāo)、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(shù)據(jù)庫，從指紋上找到被稱為/細(xì)節(jié)0的數(shù)據(jù)點，也就是那些指紋紋路的分叉、終止或打圈處的坐標(biāo)位置。有的算法把節(jié)點和方向信息組合產(chǎn)生了更多的數(shù)據(jù)，這些方向信息表明了各個節(jié)點之間的關(guān)系，也有的算法針對整幅指紋圖像進行處理。把兩個指紋的模板進行比較，計算出它們的相似程度，最終得到兩個指紋的匹配結(jié)果，從而達到鑒別個人身份的目的(圖 3)。

　　指紋自動識別系統(tǒng)是通過將輸入的指紋與數(shù)據(jù)庫里的指紋相比較從而實現(xiàn)識別的，因此它要求數(shù)據(jù)庫的容量足夠大，同時，實驗表明指紋識別系統(tǒng)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影響指紋的識別效果。 

　　2 . 3  人臉信號的采集 
人臉識別系統(tǒng)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(yù)處理來提高圖像的品質(zhì)；再根據(jù)人臉檢測來定位人臉并將人臉圖像設(shè)置成預(yù)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(shù)，分類器則根據(jù)特征來做出決策分類。最后，將已檢測到的待識別的人臉與數(shù)據(jù)庫中的已知人臉進行比較匹配，得出識別結(jié)果。 

　　人臉識別方法主要有: 基于側(cè)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(cè)面人臉特征的混合法、 模板匹配法、 主元分析法、 等密度線圖法、 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  其他個人基本信息 

　　DNA識別是利用人體細(xì)胞中 DNA 分子結(jié)構(gòu)的獨特性和永久性, 進一步深度識別個體身份,以致彌補指紋和面像識別技術(shù)中的不足, 完善系統(tǒng)識別的準(zhǔn)確性。然而, 與指紋、 人臉信息相比,人體每一個細(xì)胞和組織的 DNA 序列都是一樣的。這種識別方法的準(zhǔn)確性優(yōu)于其他任何生物特征識別方法, 因此, 廣泛應(yīng)用于犯罪偵破。它的主要問題是使用者的倫理問題和實際的可接受性, DNA 模式識別必須在實驗室中進行, 難以達到實時以及抗干擾, 耗時長是另一個問題, 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?nèi)梭w DNA 的結(jié)構(gòu), 系統(tǒng)無法對這類人群進行識別。由于 DNA 識別周期太長,序列的測繪最快也需一個月。因此,它的實時性、 抗干擾性,以及某些疾病引起人體 DNA 的結(jié)構(gòu)改變,是構(gòu)成影響 DNA識別實際應(yīng)用于識別系統(tǒng)的主要問題。 

3  多模態(tài)生物特征信息的融合 

　　多模態(tài)融合是對多種生物特征指示器( I nd ica -tors)的信息融合，此類系統(tǒng)集成多個生物特征源提供的證據(jù)評分以做出更為準(zhǔn)確和快速的決策。多模態(tài)生物特征識別系統(tǒng)集成的信息可以來自一種或多種生物特征指示器。一般多模態(tài)單生物特征識別系統(tǒng)是指通過綜合一種生物特征提供的多種證據(jù)來改進系統(tǒng),在多模態(tài)生物特征識別系統(tǒng)( Mult- i b i ome- tric Syste m )中，一般采用指紋的多模態(tài)信息融合，從而,滿足數(shù)據(jù)量和準(zhǔn)確性的雙向要求。然而，為了進 
一步提高準(zhǔn)確性，可采用融合多個生物特征的方法，以提供特殊環(huán)境下的精確識別。

　　一般來說,融合可以在模式識別三個層次的任一個層次上進行， 即數(shù)據(jù)層融合、特征層融合和決策層融合。目前關(guān)于生物特征數(shù)據(jù)融合的研究主要集中在決策層上，不同的單個特征分別進行獨立的處理，然后進行匹配，得到匹配分?jǐn)?shù)，最后經(jīng)過一定的融合算法綜合得到結(jié)果。可采用的融合算法有許多種，如多數(shù)投票法、加法和乘法法則、K- NN分類器、SVM、貝葉斯決策、支持向量機、決策樹等人工智能算法。

　　3 . 1  特征層的融合 

　　特征層融合是輸入數(shù)據(jù)經(jīng)過前端處理后對每種生物特征分別得到其特征描述向量, 不同的特征向量集用不同的方法來構(gòu)成新的高維特征向量, 用這個高維特征向量來代表多個生物特征的融合。特征層的融合比前兩層的融合效率高。 

　　3 . 2  匹配層的融合 

　　匹配層的融合模塊的輸入是若干個生物認(rèn)證系統(tǒng)的匹配模塊輸出的分?jǐn)?shù)。匹配層的融合就是針對這幾個輸入來進行的。在三種融合方式中, 匹配層的融合是最常見的。這是因為匹配層的融合既具有相對比較小的實現(xiàn)難度,又融合了若干個特征各自的信息量。匹配層融合過程中重要方面之一是對不同系統(tǒng)得出的分?jǐn)?shù)進行歸一化。在進行歸一化以后,不同系統(tǒng)得出的分?jǐn)?shù)就被映射到一個 N維的空間,在這個空間里再對所有的點進行分類。 

　　3 . 3  決策層的融合 

　　不同的單個特征可以分別進行獨立的處理，然后進行匹配得到匹配分?jǐn)?shù)，最后通過決策融合的過程,將多個匹配結(jié)果經(jīng)過一定的融合算法進行綜合，得到最終的結(jié)果。在決策層進行融合相對來說比較簡單，可利用的信息量也比較少。由于決策層的輸入已經(jīng)是單個生物認(rèn)證的邏輯輸出，因此決策層的融合可以分為兩種形式：

　　(1) OR規(guī)則:在這種系統(tǒng)中, 如果用戶被子系統(tǒng) H1拒絕,子系統(tǒng) H2將對用戶再進行一次驗證,如果通過則確定為真實用戶。 

　　(2) AND規(guī)則:在這種系統(tǒng)中用戶只有同時被子系統(tǒng) H1和子系統(tǒng)H 2接受,方能夠被確認(rèn)為真實用戶。

　　在具體的應(yīng)用中, 每種融合方式都有各自的優(yōu)缺點。特征層融合雖然效率比較高, 但是不易集成實用的單生物認(rèn)證系統(tǒng)。匹配層融合既實現(xiàn)了信息能算法的融合，實現(xiàn)起來又不是非常困難,且具有較好的應(yīng)用價值。決策層雖然信息融合的程度比較小, 但是可以用于一些集成的系統(tǒng)當(dāng)中。

　　目前關(guān)于生物特征數(shù)據(jù)融合的研究也主要集中在決策研究上,但僅進行決策階段的研究是不夠的,因為在處理過程中忽略了特征之間的關(guān)聯(lián)所帶來的作用和影響, 同時, 主要集中于融合算法的討論, 而忽略了對生物特征的更多考慮, 因此尚需進行數(shù)據(jù)層和特征層的融合。 

4  身份識別工作站的設(shè)計 

　　4.1  RFID系統(tǒng) 

　　4.1.1  RFID技術(shù)概述 

　　RFI D射頻識別是一種非接觸式的自動識別技術(shù),它通過射頻信號自動識別目標(biāo)對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù),識別工作無須人工干預(yù)。與傳統(tǒng)的條形碼相比,具有非接觸、 可擦寫、 快速掃描、 穿透性好、 安全性高、 數(shù)據(jù)存儲容量大, 以及防水、 防磁、 耐高溫、使用壽命長、 讀取距離大等優(yōu)點,可適應(yīng)現(xiàn)代高技術(shù)局部戰(zhàn)爭復(fù)雜的環(huán)境要求。最基本的 RFID系統(tǒng)由三部分組成：

　　標(biāo)簽:也被稱為電子標(biāo)簽或智能標(biāo)簽,由耦合元件及芯片組成,每個芯片具有唯一的電子編碼, 芯片中存儲有能夠識別目標(biāo)的信息。

　　讀寫器: 由發(fā)送器、接收儀、控制模塊和收發(fā)器組成。收發(fā)器和控制計算機或可編程邏輯控制器( PLC )連接,，讀取(寫入)標(biāo)簽信息,設(shè)計為手持式。

　　天線:在標(biāo)簽和讀寫器間無線傳遞射頻信號。 

　　4.1.2 　RFID的工作頻率及其應(yīng)用 

　　RFID系統(tǒng)的工作頻率是其最重要的一項參數(shù),無線電頻率是一項公用資源,在使用過程中,如果不同的應(yīng)用系統(tǒng)在時間、 空間和頻率三方面出現(xiàn)重疊,則有可能發(fā)生相互干擾。系統(tǒng)間相互干擾的程度與無線電信號的重疊程度及信號的強度有關(guān)。因此,無線電應(yīng)用的規(guī)則是各種應(yīng)用系統(tǒng)必須遵循的基本原則。 

　　目前國際上制定 R I FD標(biāo)準(zhǔn)的組織比較著名的有三個: ISO、 以美國為首的 EPC globa l以及日本的Ub i qu i tous ID C enter(縮寫為U ID)。常用的RFID國際標(biāo)準(zhǔn)主要有 I SO /IEC18000標(biāo)準(zhǔn)(包括 7個部分,涉及 125 KH z , 13 . 56MH z , 433MHz , 860) 960MH z ,2 . 45GH z等頻段)。

　　其中，由于工作頻率為 13.56MHz的高頻標(biāo)簽便于做成卡片狀，第二代電子身份證采用的標(biāo)準(zhǔn)是I S014443 TYPE B協(xié)議。這種標(biāo)簽是目前的主流應(yīng)用之一。其一般采用無源方案，識讀距離一般可達 20 cm左右, 最遠可達 1 . 5M,可適用于普通的/士兵牌0。有源的識別距離不小于 9m, 實際感應(yīng)區(qū)域可根據(jù)具體情況進行設(shè)置，識別距離 1~10m可以調(diào)整?？煽孔R別[ 100 Km /h的高速移動目標(biāo)(人、車、 物)。 

　　4.2  個體生物特征信息數(shù)據(jù)庫的建立 

　　通過集成 RFID讀寫器的采集系統(tǒng), 把士兵的I D和生物特征信息相繼寫入卡中和發(fā)送到計算機終端再存入服務(wù)器后。計算機將個人生物特征經(jīng)過處理錄入服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，并綜合其他信息,最終基于數(shù)據(jù)庫平臺,建立一個完整的與生物特征信息相關(guān)數(shù)據(jù)庫,通過數(shù)據(jù)庫的查詢功能,進行戰(zhàn)時、平時個人的信息的管理。同時，可以利用信息化網(wǎng)絡(luò)共享的數(shù)據(jù)庫，建立數(shù)據(jù)倉庫，使用人工智能方法進行數(shù)據(jù)挖掘, 利用有效的數(shù)據(jù)信息，從而，使個體生物特征信息數(shù)據(jù)庫的利用率達到最大化，并有益于科學(xué)研究和管理決策。 

　　4．3  其他功能的擴展 

　　按照戰(zhàn)場傷員搜救的需要，或其他特殊作戰(zhàn)環(huán)境的需求，系統(tǒng)可采用有源方案，選用超高頻的RFI D系統(tǒng)，通過構(gòu)建無線通訊網(wǎng)絡(luò)，并由計算機終端擴展GPS定位功能。主要包括：使用在有源RFID標(biāo)簽和讀寫模塊，此類卡的厚度和成本與無源 RFID相比都會增加。其次，利用藍牙等無線通訊模塊將計算機終端和GPS定位系統(tǒng)連接，在有效范圍內(nèi)，實時發(fā)送方位信息，并由主機選擇確認(rèn)跟蹤目標(biāo)，進行定位。從而，實現(xiàn)戰(zhàn)場傷員的搜救工作以及指揮工作。 

　　5  展望 

　　國內(nèi)外研究已表明，利用指紋和面像結(jié)合，以及指紋、面像和語音結(jié)合等等生物特征識別技術(shù)進行身份識別，提高識別的準(zhǔn)確性，已廣泛應(yīng)用于機場港口的安全系統(tǒng)、身份認(rèn)證系統(tǒng)、金融領(lǐng)域、門禁系統(tǒng)、考勤系統(tǒng)、流動人口管理以及電子商務(wù)、電子政務(wù)等方面。但是,由于融合指紋、面像和 DNA 圖譜的識別系統(tǒng)是基于無限射頻識別技術(shù)，導(dǎo)致多模態(tài)生物特征信息數(shù)據(jù)存儲量大、 運算速度慢,而有源和無源射頻卡的存儲容量和無線讀寫速度和距離有限，難以適應(yīng)現(xiàn)代高技術(shù)局部戰(zhàn)爭和未來戰(zhàn)爭的實際需要，成為了制約多模態(tài)生物特征識別系統(tǒng)廣泛應(yīng)用的主要瓶頸。相信隨著后續(xù)研究不斷的創(chuàng)新和相關(guān)硬件技術(shù)的高速發(fā)展，多模態(tài)生物特征識別技術(shù)終將能得到更廣泛應(yīng)用，并在戰(zhàn)場個人身份識別中發(fā)揮其更重要角色。