2018年2月26日

獨一無二的身體特徵-生物辨識起源與演進

黃炳森/銘傳大學電子工程學系教授、英國 University of Southampton 電子與計算機科學博士、美國電子電機工程師協會(IEEE)Senior Member。



根據日常生活經驗,在每天所接觸的人群當中,我們可以依據五官接收到這些人的外在資訊(影像、聲音或氣味等),輕易地識別出自己的親友。仔細想想,我們究竟是如何處理這些資訊,並做成正確的判斷?這些經由人類五官所接收到的人體外在資訊,稱為生物特徵。

生物特徵的分類大致可區分為生理特徵(physiological characteristics)與行為特徵(behavioral characteristics)。常見的生理特徵包括指紋、人臉、虹膜、靜脈、掌紋及掌形等,又稱為靜態的特徵;行為特徵涵蓋聲紋、心跳、步態及簽名等,則屬於動態的特徵。圖一為科學界普遍用來識別身分所使用的生物特徵。而發展最成熟且實際運作的辨識系統則大都使用指紋、人臉與虹膜等三項特徵。生物辨識技術(biometrics)泛指利用生物特徵之比對來達成識別身分的方法。


驗證或識別
利用獨一無二的生物特徵,我們可以辨識出個人的身分。在實際比對時,辨識(recognition)將區分成兩種模式:「驗證(authentication)」與「識別(identification)」。通常在設計生物特徵辨識系統之前,必須先行決定所採取的辨識模式。「驗證」屬於一對一的比對,先由擷取裝置(如指紋掃描器)取得使用者之生物特徵,再由系統將事先儲存之該人特徵與此資訊進行比對。「識別」則歸類於一對多的比對,則是在使用者提供個人特徵資訊後,接著系統在龐大的生物特徵資料庫內進行搜尋比對,找出最佳的比對結果,最後確認身分。「驗證」模式的比對速度快且準確性高,不需建立資料庫。「識別」模式則需事先建立資料庫,比對速度較慢且準確性略差。為了提高準確性,「識別」模式通常需結合多項生物特徵進行交叉比對以降低誤判率,例如指紋與人臉。

圖一:辨識個人身分常用的生物特徵。(Pixabay)


圖二所示為一般的「生物辨識系統架構」。首先,系統需先藉助擷取裝置(如攝影機或麥克風等)取得受測者的生物特徵(指紋、人臉或語音等),接著再經由演算法從中萃取出利於比對的特徵(feature)。之後的運作方式可以分成兩個階段:註冊階段(enrollment stage)與辨識階段(recognition stage)。

(1) 註冊階段:系統在取得欲建檔的個人特徵後,會將其儲存至資料庫中,同時賦予一個相對應於該人的識別碼。

(2) 辨識階段:系統在取得受測人的生物特徵後,首先萃取其特徵(feature)集合,接著根據辨識工作為「驗證」或「識別」,再與資料庫當中的資料進行一對一或一對多的比對,最後按照設定的標準決定比對結果。


起源及演進
生物辨識技術發展的構想起源在於,人類具有藉由個人外在的靜態或動態生物特徵,識別出特定人員身分的能力。根據這個推理基礎,科學家們即開始設計演算法與利用計算機來發展生物辨識技術,設法從各種不同的生物特徵當中,萃取出足以區分每個人不同身分的唯一特性並進行識別。設定的目標為,希望將來能讓電腦具有超越人類的能力,可以藉由蒐集到的個人生物特徵,自動判斷出正確的身分。

生物辨識的起源可以追溯至1869 年於英國通過的慣犯法案(Habitual Criminals Act)。該法案要求所有的犯罪者都必須留下可以辨識身分的記錄(如照片、疤痕及外觀特徵等)。若將來以此記錄來比對身分為再犯者,將會被加重刑罰。在1896 年,法國的貝迪永(Alphonse Bertillon)警官(如圖三所示)進一步設計了一個方式。他利用較精準的人工丈量法,量測與記錄犯罪者的資料(如身高、體重、臂長、頭圍與膚色特徵等),以便將來進行比對。然而,因為此系統的記錄過程繁瑣且易出錯,很快地就被人工比對指紋的方法所取代。指紋辨識技術的興起則要歸功於高爾頓(Francis Galton)爵士等3 位專家的貢獻,他們在1892 年分析蒐集到的指紋檔案,並找出許多特定紋路的唯一性。這些特徵也都成為爾後開發自動指紋辨識系統的重要參考。這些珍貴資料都記錄於《指紋》(Finger Prints)一書當中。根據文獻記載,最早利用生物特徵進行自動辨識身分的研究可回到1963 年,由陶溫(Mitchell Trauring)在國際知名的Nature 期刊所發表關於自動指紋比對的論文。其他的生物特徵,如語音、人臉及簽名等識別技術,也在1960 年代開始萌芽。經過了50 多年的發展,同時拜電腦軟硬體技術進步之賜,生物辨識技術現已開花結果,並衍生出不同的分枝。同時,已有許多實際的應用,如指紋與人臉辨識系統,出現於各大國際機場,擔任海關出入境旅客身分認證的重要工作。

圖二:生物辨識系統架構。

指紋辨識技術
......【更多內容請閱讀科學月刊第579期】

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