摘要：  本文将以门禁识别系统在环保应用现状中所面临挑战为例述起，从而引发具备环保节能的新颖指纹识别技术总体设计的开拓，并以所研发闻世的手指静脉识别技术及其产品为例，对其技术特征与应用作研讨，与此同时也对其与常规门禁系统特性作比较说明。

关键字：  环保节能，生物特征，近红外线，静脉图样，识别与匹配

当今节能环保再次成为全球关注的问题，而作为快速发展的安防行业也不例外，并出现了具备环保节能特征安防产品的新潮。众所周知，人体生物特征技术与产品是安防行业的重要产业之一，在应用极为广泛与发展的同时，不能忽视对环境潜移默化的影响。其中门禁识别系统也是一典型，它也应从自身产品入手，去实现节能，去做到环保。为此本文将以门禁识别系统在环保应用现状中所面临挑战为例述起，从而引发具备环保节能的新颖指纹识别技术总体设计的开拓，并以所研发闻世的手指静脉识别技术与产品为例，对其技术特征与应用作研讨，与此同时也对其与常规门禁系统特性作比较说明。基于叙述方便本文先从常规门禁系统面临的挑战述起。
1 常规门禁系统面临挑战与安全隐患
1.1 常规门禁系统基本架构
门禁系统管理是现代安全防范系统的重要组成部分，随着国内对门禁系统的安全性、先进性和稳定性要求的提高，目前比较常用门禁系统主要有指纹、掌形、虹膜和以射频卡为代表的生物特征识别系统。通常门禁系统又称出入管理控制系统，是一种管理人员进出的智能化管理系统，其功能可概括为：管理什么人什么时间可以进出那些门，并提供事后的查询报表等等。常见的门禁系统有：密码门禁系统、接触卡门禁系统、非接触卡门禁系统、生物识别门禁系统等。如用途广泛的指纹门禁系统就是一典例。指纹门禁统系统以手指取代传统的钥匙及现有的IC、ID卡功能，它利用人体指纹的各异性和不变性，为用户提供安全可靠的加密手段，使用时只需将手指平放在指纹采集仪的采集窗口上，即可完成开锁任务，操作十分简便。而且避免了传统机械锁、识别卡、密码锁等由于钥匙的丢失与盗用、识别卡的伪造或密码锁的破译所造成的损失，同时系统还具有屏幕汉字显示功能，从而增强门禁的防护措施，实现了安全管理的功能。由于它是利用人体生物特征指纹来进行身份安全识别，采用高科技的数字图像处理、生物识别及DSP算法等技术，用于门禁安全、进出人员识别控制，应该说是符合安防要求的门禁系统。
虽则指纹、掌形、虹膜等生物特征识别的门禁系统它们不仅要在安全性，方便性，易管理性等方面都各有特长，但随着节能环保的大趋势与新要求，很重要的是门禁系统应有新的开拓与突破。
1.2 问题的提出--新的挑战与安全隐患
应用广泛的是接触式卡与非接触式卡两种门禁识别系统。接触式卡要求持卡者将门禁卡与识别器相接触，以此读取卡内信息；而非接触卡门禁系统的门禁卡在距门禁识别器的短距离内，就可以进行信息识别与记录。虽然这两种主流门禁识别系统可以说是识别度高，准确率高，门禁卡体积小，携带起来方便，但面临新的挑战与安全隐患。
如典型的指纹技术是最早应用于门禁系统，但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，接触式的指纹认证方式并不符合卫生要求。指纹识别的不足还体现在几个方面：对环境的要求很高，对手指的湿度、清洁度等都很敏感，脏、油、水都会造成识别不了或影响到识别的结果；某些人或某些群体的指纹特征少，甚至无指纹，所以难以成像；对于脱皮、有伤痕等低质量指纹存在识别困难、识别率低的问题，对于一些手上老茧较多的体力劳动者等部分特殊人群的注册和识别困难较大；每一次使用指纹时都会在指纹采集头上留下用户的指纹印痕，而这些指纹痕迹存在被用来复制指纹的可能性；指纹识别时的操作规范要求较高。[#page#]
生物识别使得人们无需在手持数张门禁卡，只需与人脸、眼部虹膜或者指纹识别器接触或者在近距离内扫描，即可识别成功，可以大量减少了门禁卡的生产。然而，生物识别技术就完美无缺了吗？据了解，生物识别对环境以及使用者要求都较高。比如指纹不能出现划伤、眼睛不能出现红肿出血、面部不能有伤等情况，甚至胡子的多少都会影响识别器的准确度与灵敏度。同时，安装高度与使用者高度不好调节。倘若生物识别成为主流门禁识别系统，那么它所产生的节能环保意义将会比这一技术本身带来的价值大很多，因此生物识别门禁系统的普及对于安防行业节能环保有着重要的意义。
需要指出的是，银行卡、公交一卡通都是门禁识别卡的延伸应用，适用范围已经渗透到生活中的方方面面。随着社会的发展和生活节奏的加快，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保障公众安全成为管理机构的重要任务。从节能环保的角度考虑，中国有过亿的人口，门禁卡持有量是相当可观的，那么各式门禁卡的发行量也是无法估量的。因此考虑，若是大力推广多卡合一的一卡通，不仅可以方便携带使用。还可以大大减少发行其他卡类的数量。这在一定程度上正缓解了卡资源的浪费情况，同时还符合节能环保的理念。
然而如何将医学科学、生物识别节能优势与传统门禁卡的优势结合起来，这才是安防门禁企业需要深思的问题。面对门禁系统面临新的挑战，于是新颖指纹识别技术呼之而出。
2 新颖指纹识别技术总体设计思想
指纹生物识别技术指使用指纹特征来对人进行识别。那末新颖指纹识别技术总体设计思想如何呐？
首先采用的是指纹传感器，它可以运用电容、光学、压力或热感技术来获取手指特征的图像。最常用的指纹传感器解决方案首先使用激光或近红外线或LED灯照亮指纹，然后使用CCD或价格较为低廉的CMOS传感器进行图像采集。指纹传感器通常为自包含模块，其包括可将模拟信息转换成数字化数据流的模数转换器。分辨率、动态范围和像素密度均是决定图像质量并影响传感器精确度的因素。一旦采集到图像，数字信息将被传输到数字信号处理器以生成匹配。匹配过程的第一步即调节扫描的指纹。指纹阅读器很少将完整指纹用于识别。而是DSP使用算法提取每个指纹的特征和样式，以生成独特的数字代码。软件流中的第二步是读取从扫描的图像中生成的代码，然后将其与数据库的潜在匹配项进行比较。比较步骤将需要系统访问联网数据库或非易失性存储器中的指纹信息。
在生物识别指纹扫描中对实时信号处理的需要使C55x DSP成为这一应用的一个引人注目的解决方案。C55x在主动和被动模式下的低功耗功能使其成为指纹扫描应用的绝配，因为在绝大部分的时间里，处理器都处于低功耗模式。C55x DSP的外设集成包括片上LDO、片上存储器和用于连接的USB Phy。安装片上外设凭借简化电路板布局和减少芯片总数降低了系统总成本。当通信外设与处理器被安装在同一芯片上时，保护您的器件免受ESD的来源的伤害也很重要。可以与人体接触的所有IO或通信外设或ESD的其它来源均应受到保护。像TPD3E001这样的器件可以为USB 2.0接口提供高达15kV的多通道ESD保护。 [#page#]
C55x上发现的LCD桥接器可用于显示消息或选项菜单。如TSC2003触摸屏控制器与应用的集成为用户提供了一种从显示的菜单选择选项的方法。此应用还内置了音频功能，可以警报和预先录制的语音命令两种形式为用户提供反馈。这可以通过C55x的音频处理功能，为音频DAC提供数字音频流。如用DAC3120等器件包含能够驱动2.5瓦单声道扬声器的内置AB类放大器，可以将数字音频流转换成模拟信号并提高系统集成的能力。由此所构建新颖指纹识别总体设计方案见图1所示框图。
在图1新颖指纹识别总体设计方案框图中灰色虚线区内为指纹识别器基本部件，而白色虚线区内为指纹识别器可选用的外设特性。该新颖指纹识别技术用于各种应用，包括电子门禁系统、智能卡、车辆点火开关控制系统、带指纹控制存取功能的USB记忆棒及许多其它应用。指纹扫描仪中的数字信号处理元件可执行滤波、转换、特征提取、匹配运算及其它算法等复杂的 DSP 功能。
有了指纹传感器和实时信号处理DSP，然后再通过医学应用科学的结合就成为新颖指纹识别总体设计思想，并由此构建出有环保特征的典型产品--手指静脉识别装置。值此以构建的新型指纹识别器-手指静脉识别装置为例作分析。
3 基于吸收近红外线作用的手指静脉识别技术
3.1 手指静脉识别技术架构
医学依据  手指静脉是一种新的生物特征识别技术，它源于医学科技领域对人类大脑功能活动管理的高级开发项目，在这项开发中，近红外线被用来观察血液流量的增加情况，当近红外线透过人体组织时，静脉血管中的血红蛋白对近红外线具有明显的吸收作用，从而使静脉血管分布特征在图像中以不同的灰度值得到表征。由于伸长方向的随机性，使得个体的指静脉血管分布呈现各异的结构，因此能够确定两幅静脉图像是否来自于同一个手指。同时发现，这种技术同时也适用于手指静脉图像的采集工作。那末手指静脉识别技术架构又是怎样呐？
技术架构  手指静脉识别采用了光传播技术来进行手指静脉对比和识别的工作。近红外线穿过人类的手指时，部分射线就会被血管中的血色素吸收，从而捕捉到独有的手指静脉图样，然后再和预先注册的手指静脉图样进行比较，对个人进行身份鉴定，其手指静脉识别技术架构见图2所示。经医学实践证明，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，这就为指静脉提供了医学依据。所以，基于手指静脉图像原理的识别技术就有可能成为现实。从而可利用手指内的静脉分布图像来进行身份识别。[#page#]
手指静脉系统识别流程  图3为手指静脉系统的识别流程图。
从图3可知，先是静脉扫描，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。从提取到手指静脉影像的过程主要是捕捉到手指静脉影像，然后提取手指静脉特征信息（即手指静脉形状，其形状见图3中下端放大的示意图），并与事先注册的手指静脉特征进行比对从而确认登录者的身份。为通过扫描图样和原有注册登记的图样进行对比，就可得出相关识别结果。
其指静脉识别算法采用纹理追踪的方法提取指静脉中的线结构信息，通过线结构的匹配进行个体识别，可运行在PC环境和嵌入式DSP平台上。
3.2 手指静脉识别技术突出特点
同其它生物识别技术相比较而言，该手指静脉识别技术具备以下三大主要优势：其一、由于手指静脉藏匿于身体内部，所以不存在仿制或失窃的风险，人类手部表面的皮肤条件不会对识别工作造成影响。其二、 非侵入性和非接触性成像技术对红外线的采用，可以确保使用者的便捷性和清洁性。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。其三、 由于手指静脉形状的相对稳定性和捕捉影像清晰性，所以可对低分辨率相机拍摄的图样资料进行小型的简单数据影像技术处理。其四、安全性高。手指静脉识别技术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认证的技术相比较，这种方式的安全性更高。同时，静脉认证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。其五、准确率高 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。手指轻轻一放，触发高度准确识别。根据严格的医学证明和数学统计，FRR（拒真率）为0.01%，FAR（认假率）为0.0001%，FTE（注册失败率）为0%。
尤其是准确可靠，其它生物识别技术是无可此比喻。这是为什么呐？其因是光传播技术可以确保能够拍摄到高对比度的手指静脉影像，而不受皮肤表面的褶皱、纹理、粗糙度、干湿度等任何缺陷和瑕疵的影响。由于手指静脉图样对比只需要少量的生物统计学数据，所以日立公司可以开发出世界上最为快速和精准的个人身份识别系统，并将其在体形小巧、界面友好、价格适宜的个人身份识别装置中得以有效应用。
由此可知，与其它生物识别技术的比较，手指静脉识别技术在复制与盗取上比脸型、掌型、指纹及虹膜其难度要大得多；在识别准确度与使用便携度上比脸型、掌型、指纹及虹膜要高得多。尤其是相对于指纹技术来讲，使用更加方便、卫生，更加人性化。指静脉识别则有效的避免传统门禁系统安全隐患上的不足，为环保节能的生物特征识别技术与产品开拓了一条切实保护人身财产安全的新路[#page#]
4 手指静脉识别系统应用
手指静脉识别技术所拥有的优势使其迅速被市场认可，为此它被广泛应用于金融系统、门禁系统、电脑安全等。
手指静脉识别门禁系统构建与在企业门禁管理中的应用
手指静脉由于其安全性高、准确率高、唯一性、非接触等优点可被广泛应用于门禁安全领域，为办公环境到安居环境提供了一个方便、卫生，更加人性化的理想安全解决方案。那末典型的手指静脉识别门禁系统（以日立产为例）结构组成是怎样的呐？其图4.1(a)为组成示意图。从图4.1(a)可知其主要组成有I/O控制器、ID管理服务器、IC卡读写器、手指静脉识别注册终端构建。其主要功能指标如下：项目一为最大注册用户数量，包括：其一、ID管理服务器多达56000个ID；其二、识别终端有ID+手指静脉注册，每个系统最多6，000个ID（2根手指/ID）和单独使用门禁卡，每个系统最多50.000个ID。项目二为识别方式：其一为1：1识别方式，6，000个ID，12，000根手指（每个ID注册2根手指）；其二为1：N识别方式，64个ID128根手指（每个ID注册2根手指）。项目三为：支持语种英文、中文简体字。项目四为：支持汇卡种类：其一为HID iCLASS门禁卡(16k/2)[卡内可以储存手指静脉数据；其二为Mifare门禁卡（仅支持序列号比照．卡内无法储存手指静脉数据）。项目五为：手指静脉注册时间小于1秒（1根手指）；手指静脉识别时间小于1秒（1根手指）。项目六为：FAR（认假率）0.000l％；FRR（拒真率）为 0.01％。项目七为：通信接口：其一为RS485；其二为 Wiegand 26—44bit（用途：与第三方控制器相连接）；其二为LAN（用途：与服务器相连接）。项目八为：电源，电压 DCl2V(DCl2V±5％) ，电流3A。其图4.1(b)为手指静脉识别终端放大及应用示意图。其图4.1(b)为手指静脉识别终端放大示意图。
在实际的使用环境中，手指静脉系统能够和企业（公司、工厂门禁）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。如新型（日立产）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要求更高的场所。这将是高端企业比较好的安全解决方案。其图4.2为手静静脉系统应用于企业门禁管理示意，也是将图4.1(a)的为手指静脉识别终端放大及应用示意图。
应用于地铁出入口、办公楼大厅等公共场所
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。用手指静脉系统可解决近数千名人员或各公司员工，在进出高峰或上下班的高峰期拥堵的现象，并且将提升为高安全性的公共场所。
为居住环境安全增加防护层。智能楼宇系统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。有它可避免往往出现忘记携带卡片或容易被人复制及盗窃的情况发生，又避免造成人身不安全与财产的损害。能够给住户带来更加方便和安全的居住体验。即当主人回家或回房时只需要轻轻将手指插入静脉系统，系统就能够验证有效性。更进一步，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，并在或用户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。同样与智能住宅系统类似，对酒店管理也将会是非常方便，实现了管理的智能化，也能够提升酒店档次的一种安全解决方案。
5 后话
综上所述，具备环保节能特征是安防产品将受到制造厂商与消费者的青睐，因为它不仅满足了人们对“环保与高度安全”的需求，而且识别率高、简单易用，为各种环境的安防提供了理想的解决方案。除上述的新颖指纹识别总体设计方案是一典例外，又如智能视分析模块及应用等多种安防技术与产品的开发，相信在不久的将来，将得到更广泛的应用。