假指紋蒙混過關(guān)、指紋缺失識別困難？
指紋識別新技術(shù)可提取皮下3毫米生物信息
利用3D打印技術(shù)、特制膠水等仿造指紋，從而破解手機(jī)、指紋鎖……類似的手法早已從銀幕被搬進(jìn)現(xiàn)實。作為目前使用最廣的生物識別技術(shù)，指紋識別正面臨攻擊花樣繁多以及識別率有待提升這兩大挑戰(zhàn)。
近日，記者從浙江工業(yè)大學(xué)獲悉，該校計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院梁榮華教授團(tuán)隊與公安部第一研究所合作，研發(fā)出了新一代手指內(nèi)部多模態(tài)生物特征采集技術(shù)和相應(yīng)儀器設(shè)備，可獲得手指皮膚表面下1至3毫米深度的信息，采集到包含內(nèi)部指紋的高分辨率三維皮下結(jié)構(gòu)信息，既為指紋識別安全增加防御屏障，也解決了指紋信息采集效果不佳等痛點(diǎn)。相關(guān)研究成果刊登于《IET圖像處理》。
采集三維信息 填補(bǔ)傳統(tǒng)技術(shù)漏洞
將手指放在指紋識別處，與之相連的顯示屏隨即投映出集內(nèi)外指紋及汗腺汗孔在內(nèi)的立體掃描影像——位于浙江工業(yè)大學(xué)智能感知與系統(tǒng)教育部工程研究中心實驗室內(nèi)，記者看到了團(tuán)隊研制的新型手部生物特征采集設(shè)備樣機(jī)。
指尖皮膚主要由表皮層和真皮層組成。表皮層的頂部是角質(zhì)層，其輪廓提供了外部指紋的詳細(xì)表示，而在角質(zhì)層和活性表皮層之間存在著活表皮連接區(qū)域，該區(qū)域的波動可代表人體的指尖內(nèi)部指紋。
“指尖內(nèi)部指紋是外部指紋紋線的來源，不容易被破壞，可作為外部指紋的補(bǔ)充。”團(tuán)隊成員、浙江工業(yè)大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院王海霞副教授介紹。
“現(xiàn)有指紋采集/識別技術(shù)通過光線反射、電容傳感和射頻等方式來獲取手指表面紋路，對紋路進(jìn)行圖形化處理，根據(jù)紋路特征信息進(jìn)行對比，實現(xiàn)身份認(rèn)證�！蓖鹾Ｏ冀榻B，但是傳統(tǒng)方式采集的指紋只有外部信息，很容易受到諸如灰塵、汗水、疤痕、傷口等環(huán)境的影響，加之隨著人的年齡增長皮膚褶皺增多，導(dǎo)致指紋質(zhì)量及識別精度較差。
公安部統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，我國有5%的人口其表皮指紋無法識別。與此同時，指紋識別技術(shù)還面臨偽造攻擊的干擾，假指紋膜制造成本低廉，工藝簡單，使得指紋識別的安全性大大降低。
2019年8月，央視《每周質(zhì)量報告》對指紋智能鎖進(jìn)行檢測，28個品牌的32款智能鎖可用假指紋膜解鎖。此外，國外已有科研人員利用電子產(chǎn)品指紋識別系統(tǒng)的漏洞，借助智能算法嘗試研究“萬能指紋”。
“當(dāng)今社會信息化技術(shù)快速發(fā)展，信息安全與人身安全已經(jīng)成為國家日益關(guān)注的焦點(diǎn)問題�！蓖鹾Ｏ急硎荆瑔我簧眢w特征或行為特征有時不足以證明個人身份，團(tuán)隊通過采集包含內(nèi)部指紋的高分辨率三維皮下結(jié)構(gòu)信息，運(yùn)用人工智能技術(shù)對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，成功獲取皮下指紋、皮下汗腺和汗孔等生物識別特征。
王海霞介紹道，這些手指皮下生物特征的優(yōu)勢在于復(fù)雜的皮膚內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)特征使得其偽造難度極大，人工偽造的指紋膜只具有表面指紋紋路，并不具有皮下指紋信息、汗腺等信息，可對傳統(tǒng)指紋識別技術(shù)存在的缺陷進(jìn)行填補(bǔ)。
攻克四項難點(diǎn) 研發(fā)智慧安防利器
“超聲波在組織中的衰減較強(qiáng)，還會受噪聲影響，對皮下指紋的探測深度有限且成像分辨率不高。”王海霞介紹，由于皮下組織結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，光波在其內(nèi)部經(jīng)過多次散射，會使得成像中出現(xiàn)散斑。
記者了解到，研究初期，團(tuán)隊總結(jié)了大面積皮下生物特征信息成像、強(qiáng)散斑干擾下低質(zhì)量信息增強(qiáng)、自適應(yīng)角質(zhì)層深度差異化提取、跨平臺下多模態(tài)特征信息采集這四項技術(shù)難點(diǎn)。
通過將棱鏡、濾光片、熒光光源、工業(yè)相機(jī)、光纖耦合器等器件精心設(shè)計組裝，團(tuán)隊在全球范圍內(nèi)首次提出了一種分別利用全內(nèi)反射(TIR)和光學(xué)相干斷層掃描(OCT)同步采集外部指紋和內(nèi)部指紋的指紋采集系統(tǒng)，結(jié)合了兩個完全不同的光路系統(tǒng)，并使用自制的梯形棱鏡將其融合。
值得一提的是，該系統(tǒng)采用小光斑光纖準(zhǔn)直器和長焦透鏡保證光學(xué)相干層析成像有足夠的面積，采用自制的梯形棱鏡組合TIR和OCT光路，實現(xiàn)相同的測量面積和同步采集。
“每個人的皮膚角質(zhì)層厚度不完全一致，團(tuán)隊為此開發(fā)出深度自適應(yīng)多卷積融合技術(shù)，運(yùn)用智能算法可根據(jù)不同人體組織深度，正確獲取皮下特征。”王海霞解釋道。
團(tuán)隊成員、浙江工業(yè)大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2020級博士生于洋先后用特制假手指和指紋膜對樣機(jī)進(jìn)行測試欺騙攻擊。記者透過顯示器看到，由于沒有內(nèi)部指紋和皮下三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，假手指所得成像僅淺淺一層，即有效信息僅來自其表面的人造指紋。
“在指紋膜極薄的情況下，儀器甚至可以透過它提取到我本人的真實指紋信息，而指紋膜的指紋紋路信息與我真實手指的指紋信息是不一致的。”于洋解釋道，相當(dāng)于內(nèi)外指紋等皮下結(jié)構(gòu)信息，都是指紋解鎖密碼的組成部分，要準(zhǔn)確識別必須用整套密碼。
“此前，團(tuán)隊已建有包含百余人的指紋數(shù)據(jù)庫，準(zhǔn)備再將數(shù)據(jù)容量擴(kuò)大至千人�！蓖鹾Ｏ急硎�，下一步，團(tuán)隊將聯(lián)合企業(yè)對設(shè)備性能進(jìn)行持續(xù)驗證，同時降低制造成本，助力我國智慧安防建設(shè)。
洪恒飛 本報記者 江 耘
