生物处理技术综述

摘要：水的生物处理技术具有运行成本低、节能、剩余污泥量少、可以处理高浓度和好氧条件下生物难降解有机物质，具有良好的环境效应和经济效应。水的生物处理技术有：塔式生物滤池、生物转盘反应器、生物膨胀床与流化床、生物接触氧化法、膜生物反应器、电生物反应器等。

关键词：环境 水污染 废水处理 生物技术

Biological treatment technology overview

Abstract：Water biological treatment technology with lower cost, energy saving, excess sludge quantity is little, can handle high-concentration oxygen conditions be reconciled biological hard-degradation organic material, have good environmental effect and economic effect. Water biological treatment technology are: tower biological filter, rotating bio-disc reactor, biological expansion bed with fluidized bed, biological contact oxidation, the membrane bioreactor, electricity bioreactor, etc.

Key words: environment water pollution waste water treatment biotechnology 正文：

1.背景分析：

随着我国经济的飞速发展和人们生活水平的不断提高，我国的能源、资源和环境问题日益突出。在大面积的地区性缺水的同时，伴随着严重的水污染问题，使得多数江河湖海水质下降甚至失去了使用功能，这进一步加剧了水资源的短缺，形成恶性循环的局面。同时，由于我国矿物能源资源的匮乏和使用的低效，使得我国对再生能源的需求日益增长。在水处理工艺中，采用传统的处理方法要消耗大量能源，并产生大量需要二次处理的污泥，所以世界各国都在不断探索和研究高效低能耗的新型废水处理技术。水的生物处理技术由于具有运行成本低、节能、剩余污泥量少、可以处理高浓度和好氧条件下生物难降解有机物质的特点等，近年来已成为国内外环境科学与工程领域研究的热点。

与其他水处理的技术相比，水的生物处理技术具有以下优势：

①与物理和化学净化技术相比，生物处理更为经济有效。就现代净水技术而言。生物预处理已成物理化学处理工艺的必要补充。该方法投资少。见效快，能去除常规传统工艺不能去除的污染物，操作管理简单，只需增加预处理单元，对后续常规处理单元影响小，同时能使后续工艺简单易行，运行费用增加少，处理效果比较理想，出水水质明显改善，适于大规模推广，适合中国国情。

②对铁、锰、酚、色、嗅、味、浊度及色等均有较好的去除效果。如果设置在沉淀出水后，则可以减轻后续处理的负荷，还可以和其他工艺联合使用，延长过滤或活性炭吸附等物化处理工艺的使用周期，使炭不必再生，仅需经常地反复冲洗即可长期运行，并且可以和臭氧等结合进行深度处理，优势互补，最大可能地发挥水处理工艺的整体作用，提高出水水质，

降低水处理费用。

2.生物处理技术

水源水生物处理技术的本质是水体天然净化的人工化，通过微生物的降解，去除水源水中包括腐殖酸在内的可生物降解的有机物及可能在加氯后致突变物质的前驱物和NH3—N，NO2—等污染物，再通过改进的传统工艺的处理，使水源水水质大幅度提高。常用方法有生物滤池、生物转盘、生物流化床，生物接触氧化池和生物活性炭滤池。这些处理技术可有效去除有机碳及消毒副产物的前体物，并可大幅度的降低NH3—N，对铁、锰、酚、浊度、色、嗅、味均有较好的去除效果，费用较低，可完全代替预氯化。

一、 塔式生物滤池

轻质滤料的开发与采用，为塔式生物滤池的应用创造了条件。生物塔滤增加了滤池高度，分层放置填料，通风良好克服了普通生物滤池（非曝气）溶解氧不足的缺陷。国外广泛采用塑料材质大孔径波纹孔板滤料，我国常采用环氧树脂固化玻璃钢蜂窝填料。塔式生物滤池的净化作用也是通过填料表面的生物膜的新陈代谢活动来实现的。塔式滤池的优点是负荷高、产水量大、占地面积小，对冲击负荷水量和水质的突变适应性较强。缺点是动力消耗较大，基建投资高，运行管理不便。

二、 生物转盘反应器

生物转盘在污水处理中已广泛采用，目前在给水处理领域，对某些污染程度较为严重的微污染水进行了一些研究。日本、我国台湾地区以及国内学者的试验研究表明，采用生物转盘预处理在适宜水力负荷下改善微污染水水质是有效的。

生物转盘的特点表现为，生物膜能够周期的运行于空气与水相两者之中，微生物能直接从大气中吸收需要的氧气（减少了溶液中氧传质的困难性），使生物过程更为有利的进行。转盘上生物膜生长面积大，生物量丰富，不存在类似于生物滤池的堵塞情况，有较好的耐冲击负荷的能力，脱落膜易于清理处置。但存在的不足是生物氧化接触时间较长，构筑物占地面积大，盘片价格较贵，基建投资高。

三、生物膨胀床与流化床

生物膨胀床是介于固定床和流化床之间的一种过渡状态，流化床中的填料随水、气流的上升流速的增加而逐渐由固定床经膨胀床最后成为流化床。生物膨胀床与流化床通过选用适度规格粒径（约为0.2~1.0mm）的生物载体，如砂、焦碳、活性炭、陶粒等，采用气、水同向混合自下而上，使载体保持适度膨胀或流化的运转状态。与固定床相比，从两个方面强化了生物处理过程：一方面，载体粒径变小，比表面积增大，单位溶剂的比表面积可达到2000~3000m2/m3，这大大提高了单位生物池的生物量。另一方面，由于颗粒在反应器中处于自由运动（膨胀或流化）状态，避免了生物滤池的堵塞现象，提高了水与生物颗粒的接触机会；同时可采用控制膨胀率的办法来控制水流紊动对生物颗粒表面的剪力水平，进而控制填料上生物膜的厚度，有利于形成均匀、致密、厚度较薄且活性较高的生物膜。这些都大大的强化了水中可生物降解基质向生物膜内的传递过程，使生物膨胀床、流化床的单位容积的基

质降解速率得到提高。生物膨胀床、流化床含有活性高的较大生物量，处理水力负荷增大，并保证出水水质良好。

采用生物膨胀床与流化床，可解决固定填料床中常出现的堵塞问题，进一步提高净化效率，且占地面积少。但由于保持膨胀或流化状态，消耗的动力费用较高，且维护管理复杂，尤其是当池体比较大的情况，如一旦停止运行，再启动很困难，运行中水力学条件难以控制等。在运行过程中还存在流化介质跑料现象，其工程应用还很少见。

四、 生物接触氧化法

生物接触氧化工艺是利用填料作为生物载体，微生物在曝气充氧的条件下生长繁殖，富集在填料表面上形成生物膜，其生物膜上的生物相丰富，有细菌、真菌、丝状菌、原生动物、后生动物等组成比较稳定的生态系统，溶解性的有机污染物与生物膜接触过程中被吸附、分解和氧化，氨氮被氧化或转化成高价形态的硝态氮。反应过程如下：

有机污染物氧化反应： 4CxHyOz+(4x+y-2z)O2——4xCO2+2yH2O+Q （1）

氨氮氧化方程式： 2NH4++3O2——2NO2—+4H++2H2O+Q （2）

2NO2—+ O2——2NO3—+Q （3）

生物接触氧化法的主要优点是处理能力大，对冲击负荷有较强的适应性，污泥生成量少；缺点是填料间水流缓慢，水力冲刷小，如果不另外采取工程措施，生物膜只能自行脱落，更新速度慢，膜活性受到影响，某些填料，如蜂窝管式填料还易引起堵塞，布水布气不易达到均匀。另外填料价格较贵，加上填料的支撑结构，投资费用较高。

现有生物接触氧化法在曝气充氧方式、生物填料上都有所改进。国内填料已从最初的蜂窝管式填料，经软性填料、半软性填料，发展到近几年的YDT弹性立体填料；曝气充氧方式也从最初的单一穿孔管式，发展到现在的微孔曝气头直接充氧以及穿孔管中心导流筒曝气循环式。在一定程度上，促进了膜的更新，改善了传质效果。

五、 膜生物反应器

膜生物反应器是指以超滤膜组件作为取代二沉池的泥水分离单元设备，并与生物反应器组合构成的一种新型生物处理装置，英文称之为Membrane Bioreactor。由于超滤膜能够很好的截留来自生物反应器混合液中的微生物絮体、分子量较大的有机物及其他固体悬浮物质，并使之重新返回生化反应器中，这就使反应器内的活性污泥浓度得以大大提高，从而能够有效的提高有机物的去除率。用于膜生物反应器的膜有微滤膜和超滤膜。

水处理容量小是膜生物反应器法经济，水处理容量大时活性污泥法经济。

六、 电生物反应器

将电极装置与生物反应器组合起来就构成了所谓电生物反应器（英文名称为

Electro-Bioreactor）。Mellor等的研究表明，在外加电流的条件下，由于电子的产生，生物膜和固定化酶的反硝化作用得以强化，其反应方程为：

2H++2e—H2 （1）

2H2O+2e—H2+2OH— （2）

2NO3—+5H2+2H+—N2+6H2O （3）

显然，通过对水的电解，阴极提供电子，产生氢，而氢作为电子供体与硝酸盐发生了方程

（3）所示的反应，使生化反应速率及去除率得以提高，从而减少了水中硝酸盐的含量。从原理上讲，这种方法除了可以实现反硝化处理外，还可以去除水体中的有机物，但目前对电生物反应器尚处于基础理论和动力学研究阶段，离实际应用还有相当一段距离。

3、技术展望

水源水的水质问题越来越受到人们的重视。上述这些工艺去除有机物的原理是吸附、氧化、生物降解、膜滤等，几种工艺组合起来，互相取长补短，可以综合起到多种去除作用，效果更好。因此，生物处理和其他水处理技术联合应用是目前国内水厂改善出水水质的发展趋势。

此外，生物预处理工艺出水对人体健康的影响还有待进一步研究，如果要从根本上解决水源水水质问题，还须加强污水处理。提高污水处理率．从源头上控制污染物，即加强水源保护。这不仅有利于饮用水水质的提高，水源水水质的改善，更是恢复生态平衡，造福子孙后代的大事。综上所述，可知生物处理工艺，有着十分广阔的发展前景，对于获得有利于人类健康优质水和消除环境污染具有重大的意义。

4、参考文献

［ 1 ］王文祥，齐水冰，刘铁梅等编 《厌氧生物处理技术发展概况》广东省环境保护职业技术学校，文章编号：1007-0370(2009)02-0078-09

［ 2 ］黄源伟。《微污染水源水的生物处理技术》湖南省司法警官学院，文章编号：1006—8937(2008)ll一0035—03

［ 3 ］宋海亮，杨小丽。《膜生物处理技术的机理及应用研究》东南大学，文章编号：1005- 8 29X( 2006)0 8- 0 001-0

［ 4 ］赵立军，滕登用，刘金玲，沈凤丹，栗 毅。《废水厌氧生物处理技术综述与研究进展》中国地质科学院环境工程技术设计研究院，2001

［ 5 ］马伟，王增长。《SBR污水生物处理技术研究》太原理工大学环境工程学院，文章编号:1005-6033(2007)02-0169-0

［ 6 ］肖本益，曲久辉，林估侃。《常温厌氧生物处理技术》国科学院生态环境研究中，2007

第二篇：生物技术综述

文献调研及综述

课题：生物特征识别技术现状综述

学 院：物理与光电工程学院 专 业：电子科学与技术

年级班别：2009级4班

学 号：3109008748

学生姓名：王永毅

指导教师：黄梅

2013 年 1 月 10 日

一、文献调研部分

1. 中英文切题期刊论文9篇

（1）生物特征识别技术的标准化进程

【期刊】清华大学学报(自然科学版) , Journal of Tsinghua University(Science and Technology)，20xx年02期

【作者】 林喜荣，黄析伟，苏晓生，周斌， 戴晓清

【机构】 清华大学精密仪器与机械学系精密测试技术及仪器国家重点实验室； 清华大学深圳研究生院 北京100084； 北京100084； 深圳518055；

【摘要】 以指纹识别为代表的生物特征识别技术近年来开始广泛地应用在网络安全、公共安全、金融服务等领域,已成为一个独立的新兴产业。生物特征识别技术的标准化工作在国际上进展非常迅速,新确立的正式或非正式标准在数据格式、应用编程接口(AP I)、系统安全、系统特性描述和系统评估方法等方面对生物特征识别的技术细节进行了全面的规范。该文概述了近年来国内外生物特征识别技术的标准化进程,并全面介绍了已确立或即将确立的各类技术标准,以唤起国内业界对生物特征识别标准及标准化工作的关注。

【关键词】 生物特征识别； 标准化； ISO； 数据标准； API标准

（2）生物特征识别国际标准化现状分析

【期刊】信息技术与标准化, Information Technology & Standardization, 20xx年11期

【作者】 霍红文，冯敬

【机构】 中国电子技术标准化研究院

【摘要】 分析了生物特征识别国际标准化工作的进展、市场需求、重点任务、未来趋势等,着重阐述了生物特征识别国际标准化工作的近期工作重点,包括发展战略和工作优先计划。

【关键词】 生物特征识别； 标准； 国际标准化； 市场需求；

（3）生物特征识别技术的现状与发展趋势概述

【期刊】信息与电脑(理论版) , China Computer & Communication, 20xx年04期

【作者】 王希光

【机构】 中国人民公安大学

【摘要】 生物特征识别技术是利用人的生理特征或行为特征,来进行个人身份的鉴定。文章论述了现有得各种生物特征识别技术的原理,特征的优缺点,介绍生物特征识别技术的发展趋势。

【关键词】 身份鉴别； 人体生物特征； 发展趋势

（4）生物特征识别技术的现状与发展

【期刊】武汉公安干部学院学报, Journal of Wuhan Public Security Cadre`s College，20xx年01期

【作者】 熊肃，邵义初

【机构】 武汉市公安干部学院侦查系； 武汉市公安干部学院侦查系 湖北武汉430034； 湖北武汉430034

【摘要】 生物特征识别技术广泛应用于政府、军队、银行、安全防务等领域,其应用快捷,安全可靠,技术潜力无限。本文就指纹、虹膜、面像、声纹、笔迹等几个具有代表性的生物特征识别技术的梗概、长处和不足进行了探讨,以期读者更加关注生物特征识别技术,更加期待生物特征识别技术在识别方法和研究领域方面不断向前发展。

【关键词】 生物信息； 特征识别

（5）生物特征识别系统的应用

【期刊】警察技术, Police Technology, 19xx年03期

【作者】 王雨潦

【摘要】 <正>生物特征的自动识别系统包括生理特征和行为特征两部分。生理特征是相对稳定的物理特征,如:指纹,手的几何形状、视网膜、虹膜和面貌特征。这些特征基本不变,除非个别损伤。

【关键词】 生物特征； 识别系统； 错误拒绝率； 生理特征； 行为特征； 视网膜； 入口控制； 说话人识别； 错误接受率； 指纹识别

（6）生物特征识别技术综述

【期刊】电子学报, Acta Electronica Sinica, 20xx年S1期

【作者】孙冬梅，裘正定

【机构】 北方交通大学信息所；北方交通大学信息所 北京100044； 北京100044；

【摘要】 生物特征识别技术作为一种身份识别的手段 ,具有独特的优势 ,近年来已逐渐成为国际上的研究热点 .本文综述了各种生物特征识别技术的基本原理和一些关键技术 ,对每种生物特征的优势和不足进行了分析 ,并对生物特征识别技术中存在的问题和未来的研究方向进行了讨论

【关键词】 生物特征识别； 身份识别； 身份认证； 人脸识别； 指纹识别； 虹膜识别； 手形识别； 掌纹识别； 签名识别； 说话人识别

（7）Biometric identification（生物特征识别）

【Magazine】Communications of the ACM CACM. Volume 43 Issue 2, Feb. 2000 :Pages 90-98

【Authors】Anil Jain，Lin Hong，Sharath Pankanti

【Abstract】When it comes to working biometric identification technologies, it’s not only our fingerprints that do the talking. Now, our eyes, hands, signature, speech, and even facial temperature can ID us.

【摘要】当你工作时的生物识别技术，它不仅是我们的指纹，说话。现在，我们的眼睛，手，签名，演讲，甚至面部温度可身份证我们。

【Key Words】Measuring Performance；Applications Flourish；Biometric Technologies

【关键词】性能测量；应用蓬勃发展；生物识别技术

（8）Gait recognition: a challenging signal processing technology for biometric identification（步态识别：一个具有挑战性的信号处理技术，生物特征识别）

【Magazine】Signal Processing Magazine, IEEE，Nov. 2005：78 - 90

【Authors】Boulgouris，King's Coll，Hatzinakos, Plataniotis

【Abstract】This article provides an overview of the basic research directions in the field of gait analysis and recognition. The recent developments in gait research indicate that gait technologies still need to mature and that limited practical applications should be expected in the immediate future. At present, there is a potential for initial deployment of gait for recognition in conjunction with other biometrics. However, future advances in gait analysis and recognition - an open, challenging research area - are expected to result in wide deployment of gait technologies not only in surveillance, but in many other applications as well. This article exposes the gait analysis and

recognition problem to the signal processing community and it will stimulates the involvement of more researchers in gait research in the future.

【摘要】本文概述了基本的研究方向领域中的分析和识别步态。近年研究表明，步态步态技术仍然需要成熟的和有限的实际应用，应该预计在不久的将来。目前，有一个潜在的初步部署的步态识别与其他生物特征识别。然而，未来进步，步态分析与识别-一个开放的，具有挑战性的研究领域——结果预计将在广泛部署的步态技术不仅在监视，但在许多其他应用程序以及。本文揭露了步态分析和识别问题的信号处理社会和它会刺激更多的参与研究人员在步态研究的未来。

【Key Words】biometric identification；gait analysis；gait recognition；signal processing technology

【关键词】生物特征识别；步态识别；步态分析；信号处理技术

（9）Iris recognition: an emerging biometric technology（虹膜识别：一个新兴的生物识别技术）

【Magazine】Proceedings of the IEEE，Sep 1997：1348 - 1363

【Authors】Wildes R.P；Sarnoff Corp；Princeton NJ

【Abstract】This paper examines automated iris recognition as a biometrically based technology for personal identification and verification. The motivation for this endeavor stems from the observation that the human iris provides a particularly interesting structure on which to base a technology for noninvasive biometric assessment. In particular the biomedical literature suggests that irises are as distinct as fingerprints or patterns of retinal blood vessels. Further, since the iris is an overt body, its appearance is amenable to remote examination with the aid of a machine vision system. The body of this paper details issues in the design and operation of such systems. For the sake of illustration, extant systems are described in some amount of detail.

【摘要】本文探讨自动虹膜识别作为生物特征的识别技术与验证。这一努力的动机源于观察人类虹膜提供了一个特别有趣的结构，在此基础上技术无创生物评估。特别是生物医学文献表明，虹膜是独特的指纹或模式的视网膜血管。此外，由于虹膜是一个公开的机构，它的出现是适合远程考试与援助的机器视觉系统。本文的主体部分细节问题的设计和操作系统。为便于说明，现存的系统中所描述的一些细节的数量。

【Key Words】biometric technology；iris recognition；machine vision；noninvasive biometric assessment；object recognition；pattern recognition；personal identification

【关键词】生物识别技术；虹膜识别；机器视觉；无创生物评估；目标识别；模式识别；个人识别

2. 学位论文2篇

（1）【中文题名】人体生物特征的综合分析与应用

【英文题名】Comprehensive Analysis and Application of Biological Characteristics

【作者】 刘欢喜

【导师】 刘允才

【作者基本信息】 上海交通大学， 模式识别与智能系， 2010， 博士

【摘要】 在日常生活的许多场合中,我们经常需要向别人明示自己的身份以便获得某种权利或者许可。例如,在登陆操作系统时,我们通过输入用户名和密码向计算机证明自己的身份,以便获得使用计算机的权利;在登机时,我们通过出示证件向机场安检人员证明自己的身份,以便获得登机的许可;在出入海关时,我们通过虹膜识别或者指纹识别向海关出入境管理人员证明自己的身份,以便获得出入境的许可,等等。因此,如何有效、方便、快捷地进行个人

身份认证,保障人们的合法权益和各种社会活动的合法性和有效性,已经成为一个必须解决的关键社会问题。身份认证就是通过各种技术或者非技术手段,向对方证明自己的身份,以便获得某种权利或者许可。传统的身份认证方式主要通过身份标识知识(如密码、口令等)和身份标识物品(如钥匙、身份证等)来证明身份,但由于主要借助体外物,一旦证明身份的标识知识(或标识物品)泄露(或被盗),其身份就容易被他人冒充(或取代)。因此,传统的身份认证方式给我们的生活带来了诸多不便和很多安全隐患,已经越来越难以满足社会的需求。人的生物特征(如虹膜、视网膜、指纹等)由于具有唯一性、终生不变性、且不会被遗忘和丢失、不易伪造和被盗等优点,

【Abstract】In many occasions in daily life, we often need to express their identity in order to obtain some right or license. For example, on the operating system, the input user name and password to the computer to prove their identity, in order to obtain computer use rights; on the plane, we show the certificates to the airport security personnel to prove his identity, in order to obtain permission from boarding; in customs, we through the iris recognition and fingerprint recognition to the customs entry and exit management personnel to prove his identity, in order to obtain entry permit, etc.. Therefore, how to effectively, convenient, quickly for personal identity authentication, safeguard the legitimate rights and interests of the people and all kinds of social activities of the legality and effectiveness, has become a critical social problem. Identity authentication is through a variety of technical or non-technical means, to prove his identity, in order to obtain some right or license. Traditional authentication mode mainly through the identification of knowledge (such as a password, password) and identity of objects (such as keys, identity cards and the like ) to prove the identity, but mainly through the body material, once the identity identification of knowledge ( or mark items ) leak ( or stolen ), its identity is easily by other people fake ( or replace). Therefore, the traditional authentication mode of our lives to bring a lot of inconvenience and many safe hidden trouble, is getting more and more difficult to meet the demand of the society. Human biological characteristics ( such as iris, retina, fingerprints ) due to its uniqueness, invariability, and won't be forgotten and lost, not easy forgery and theft etc.

【关键词】 指纹识别； 指纹方向场估计； 人脸识别； 人脸图像超分辨率； 单模态生物特征识别系统； 局部拓扑结构保存映射； 基于指纹和人脸的多模态融合； 性别识别

【Key words】Fingerprint identification; fingerprint orientation field estimation; face recognition; face image super resolution; single-mode biological characteristic recognition system; local topology preserving map; based on fingerprint and face the multimodal fusion; sex identification

（2）【中文题名】生物识别技术及其嵌入式应用研究

【英文题名】Research on Biometric Identification Technology and Embedded Application

【作者】 蒲东兵

【导师】 周春光

【作者基本信息】 吉林大学， 计算机应用技术， 2009， 博士

【摘要】 二十一世纪的一个显著特征就是身份信息的数字化和隐性化,在这个网络化、信息

化的时代,如何准确鉴定一个人的身份,保护信息安全已经成为必须解决的一个关键社会问题。传统的身份鉴别技术已经不能完全满足现代社会经济活动与发展的需要,采用人体自身所固有的生物特征来鉴别身份被认为是本世纪最安全的身份鉴别手段,若将它们与传统身份认证技术相结合,势必大大提高身份鉴别的安全性和准确性。本文对人脸、掌纹、指纹和虹膜等几种生物识别的基本原理和主要方法进行了综述,重点研究了人脸和掌纹识别的基本理论和相关技术。在基于彩色图像的人脸检测中,提出了在考虑光照影响的情况下,将色度空间与Hough变换相结合的快速人脸检测定位算法。对基于Haar-like特征与AdaBoost学习算法的人脸检测方法进行了探讨,对级联分类器的构建给出了分析和评价,指出了级联分类器构建过程中参数的选择方法。在掌纹识别方面,提出了一种新的基于关键点加权的掌纹识别方法,并在此基础上设计了一个同时利用手的几何特征和掌纹的纹理特征进行掌纹识别的多模态掌纹识别系统。该系统将掌纹识别的过程分为粗匹配和精细匹配两个阶段。在粗匹配阶段对掌纹图像进行预处理,得到...

【Abstract】Twenty-first Century is a significant feature is the identity information and hidden, in the network, the information age, how to accurately identify a person's identity, the protection of information security has become a crucial problem. The traditional identification technology has been unable to fully meet the modern social economic activity and development needs, using the body's own inherent biological characteristics to identify identity is considered to be the most secure identification methods, combining them with the traditional identity authentication technology of combining, is bound to greatly improve the safety and accuracy of identification. In this paper, the palm face, fingerprint and iris several biological recognition to the basic principles and main methods are reviewed, focusing on the face and palm print recognition theory and related technology. In face detection based on color image, is proposed in consideration of influence of illumination conditions, the color space of Hough transform and the combination of fast face detection algorithm. Based on the features of Haar-like and Ada Boost learning algorithm for face detection methods were discussed in the paper, the cascade classifier construction gives analysis and evaluation, points out the cascade classifier construction process parameter selection method. In the recognition, present a new method based on weighting key point identification methods, and on this basis to design a hand while using the geometric features and palm print texture recognition multi-mode palm print identification system. The system will be a palm print recognition process is divided into rough matching and fine matching two stage. In the coarse matching of palm print image preprocessing, get ...

【关键词】 生物识别； 特征提取； 人脸识别； 掌纹识别； 嵌入式

【Key words】Biometric recognition; feature extraction; face recognition; pattern recognition; embedded system

3. 相关的图书

《生物特征识别技术》

作 者：苑玮琦 , 柯丽 , 白云

出版社: 科学出版社; 第1版 (20xx年3月1日)

丛书名: 华夏英才基金学术文库

平装: 259页

语种： 简体中文

开本: 16

ISBN: 7030214897, 9787030214898

条形码: 9787030214898

商品尺寸: 23.6 x 16.6 x 1.4 cm

商品重量: 422 g

品牌: 科学出版社

ASIN: B0025ZAJMM

图书描述：《生物特征识别技术》系统地总结了包括虹膜、人脸、人耳、指纹、掌纹、手形、静脉在内的几种生物特征识别技术，内容取材于作者以及国内外研究人员近几年来在生物特征识别方面的研究成果。主要包括两部分：第一部分为头部特征识别，包括虹膜识别、人脸识别和人耳识别；第二部分为手部特征识别，包括指纹识别、掌纹识别、手形识别和静脉识别。对每一种生物特征识别，分别按照预处理、特征提取、匹配分类等步骤介绍了国内外近些年的最新研究成果，并给出了发展趋势。各章之间相互独立，读者可以根据需要选读部分章节，每章后面所附的参考文献可以引领读者进一步查阅相关内容。

《生物特征识别技术》适合从事生物特征识别理论研究和工程应用的专业技术人员参考，也可供对该领域感兴趣的高校本科高年级学生和研究生学习参考。

4．相关的法律法规标准 【英文标准名称】

【原文标准名称】

【标准号】

【标准状态】

【国别】

【发布日期】 Terms for biometric recognition in security and protection systems 安防生物特征识别应用术语 GA/T 893-2010 现行 中国 2010-12-02

【实施或试行日期】 2010-12-02

【发布单位】

【起草单位】 行业标准-公共安全标准(CN-GA) 清华大学;中国科学院自动化研究所;中国科学院计算技术研究所

本标准规定了安全防范系统生物特征识别应用术语。本标准适用于安全防范系统生物

特征识别应用领域。

【中国标准分类号】 A91

【国际标准分类号】 13_310

【页数】

【正文语种】 30P;A4 汉语

【摘要】

5. 相关的标准及专利

（1）生物特征识别性能测评和诊断优化系统

【申请号】

【公开号】

【申请人】 CN201010102229.8 CN102136024A 中国科学院自动化研究

所 【申请日】 【公开日】 【地址】 2010-01-27 2011-07-27 100080 北京市海淀区中关村东路95号

【发明人】

【专利代理机

构】

【国省代码】 谭铁牛;孙哲南 中科专利商标代理有限责任公司 11021 11

本发明涉及一种生物特征识别性能测评和诊断优化系统,本系统包括性能测试、数据分析、

薄弱环节诊断、优化建议、信息集成五个模块,前四个模块分别有生物特征识别专业领域

的测试样本数据库、数据分析模型库、薄弱环节诊断规则库、优化策略知识库辅助决策支【代理人】 梁爱荣

【摘要】 持,最后系统的信息集成模块综合前四个模块的结果信息生成生物特征识别性能测评和优

化建议报告。本系统具有自动化和智能化的特点,不仅可以提供生物特征识别技术的性能

指标参数,还能分析被测对象存在的薄弱环节并给出优化建议,在生物特征识别的技术咨

询、产品开发和测评认证等诸多领域具有重要的应用价值。

一种生物特征识别性能测评和诊断优化系统,其特征在于,包括：性能测试模块、数据分析

模块、薄弱环节诊断模块、优化建议模块和信息集成模块串联连接,其中：性能测试模块

连接生物特征测试样本数据库和生物特征识别研发机构提交测试的生物特征识别技术,性

能测试模块读取生物特征测试样本数据库的生物特征测试样本数据,利用生物特征测试样

本数据对生物特征识别研发机构提交测试的生物特征识别技术的性能指标参数进行测试,

生成生物特征识别技术的性能指标参数和测试过程中产生的中间结果信息；数据分析模块

分别连接性能测试模块和生物特征识别测试数据分析模型库,数据分析模块提取生物特征

识别测试数据分析模型库存储的生物特征识别测试数据分析模型,数据分析模块还读取并

分析生物特征识别技术的技术性能指标参数和测试过程中产生的中间结果信息,利用生物

特征识别测试数据分析模型对生物特征识别技术的技术性能指标参数和测试过程中产生

的中间结果信息进行分析,对比分析被测生物特征识别技术性能指标参数和生物特征识别

测试数据分析模型中的基准生物特征识别性能指标参数之间的性能优劣、细化统计不同属

性生物特征样本错误率的分布、对比分析生物特征识别技术受到各种干扰前后性能差异变

化大小、分析生物特征识别技术对各种生物特征假体的防御能力,获得被测生物特征识别

技术的测试数据分析结果信息；薄弱环节诊断模块分别连接数据分析模块和生物特征识别

薄弱环节诊断规则库,薄弱环节诊断模块提取生物特征识别薄弱环节诊断规则库存储的生

物特征识别薄弱环节诊断规则,薄弱环节诊断模块还读取被测生物特征识别技术的测试数

据分析结果信息,利用生物特征识别薄弱环节诊断规则推导出被测生物特征识别技术的薄

弱环节和不足之处,获得生物特征识别技术薄弱环节的诊断结果；优化建议模块分别连接

薄弱环节诊断模块和生物特征识别优化策略知识库,优化建议模块读取薄弱环节诊断模块

输出的关于被测生物特征识别技术薄弱环节的诊断结果,优化建议模块根据诊断结果检索

生物特征识别优化策略知识库,找到针对被测生物特征识别技术存在的薄弱环节的优化策

略,输出生物特征识别技术的优化建议；以及信息集成模块对前四个模块的输出结果信息

进行总结归纳,生成测评报告,测评报告包括性能测试模块输出的测试结果信息、数据分析

模块输出的分析结果信息、薄弱环节诊断模块输出的诊断结果信息和优化建议模块输出的

优化建议信息；生物特征识别研发机构接收信息集成模块输出的生物特征识别技术的测评

报告,根据测评报告中的反馈信息对生物特征识别技术性能进行优化,提高生物特征识别

技术的性能指标参数。 【主权项】

【页数】

【主分类号】 14 G06F19/00

【专利分类号】 G06F19/00;G06K9/62

（2）基于手指纹络生物特征的身份识别系统

【申请号】

【公开号】

【申请人】

【发明人】

【专利代理机

构】

【国省代码】 CN201110146968.1 CN102222216A 天津理工大学 【申请日】 【公开日】 【地址】 2011-06-02 2011-10-19 300384 天津市南开区红旗南路延长线天津理工大学主校区 杨晓苹;李飞;朱亚东;李波;吴喆明;曹丽丽;陈志宏 天津佳盟知识产权代理有限公司 12002 12

一种基于手指纹络生物特征的身份识别系统。该系统包括手指纹络采集单元,生物特征识

别单元,数据库单元；两个采集单元同时对手指纹与手指背纹进行图像采集,并将接收到的【代理人】 侯力;李益书

【摘要】 原始图像信号送到生物特征识别单元,生物特征识别单元通过对采集的图像进行预处理,

分别提取出手指纹与手指背纹特征模板,利用统计学方法把两个特征模板进行融合为一

体,并将最终模板与之前数据库单元中存储的模板进行对比识别,做出判断,得出最后身份

识别认证结果。该系统优点：认证错误率低,抗噪性好,具有人机友好,抗伪造性等特点。

一种基于手指纹络生物特征的身份识别系统,其特征在于该系统包括手指纹络采集单元,

生物特征识别单元,数据库单元；系统将手指纹络采集单元采集到的图像信号送到生物特

征识别单元,生物特征识别单元提取出手指纹络的特征并与数据库单元中的生物特征模板

作比较,最后得出身份识别结果；所述的手指纹络采集单元包括两个独立的分别用于获取

手指纹与手指背纹图像的可见光成像装置,置于成像装置周围的、用于向被识别手指照射

可见光的手指纹络采集主动成像光源模板,在可见光成像装置与被识别手指之间各设置有

一个用于滤除外界其他光源干扰的滤波片；所述的生物特征识别单元由DSP构成,用于分

别对获取的手指纹与手指背纹进行图像归一化、图像分割、质量分析、图像增强、图像二

值化、图像细化,然后对每一幅图分别提取出指纹与指背纹特征模板,利用统计学方法把两

个特征模板融合为一体,并将最终模板与存储在数据库中的模板进行对比识别,做出判断,

得出最后的身份识别认证结果；所述的数据库单元由FLASH存储器构成,用于存储预先采

集提取的特征手指纹络数据。 【主权项】

【页数】

【主分类号】 14 G06K9/00

【专利分类号】 G06K9/00

二、综述部分

【摘要】对不同生物特征识别技术的识别原理、特征、应用的优缺点进行了较为详细的论述。对生物特征识别技术的应用前景和发展方向进行了分析。对传统的身份鉴别手段和现代生物特征识别技术产生背景进行了综述, 介绍目前典型的生物特征识别技术的原理和发展趋势, 分析了实际应用中存在的优缺点, 并探讨了基于个人生物特征融合的多生物特征识别技术和生物特征信息保护问题, 强调了生物识别技术在身份认证领域的重要性。

【Abstract】On the different biometrics recognition principle, characteristics, advantages and

disadvantages are discussed in detail. The biometric identification technology application prospect and development direction are analyzed. The traditional identification methods and modern biological feature identification technology background are reviewed in this paper, the typical biological feature identification technology principle and development trend, analysed the advantages and disadvantages existing in the actual application, and discusses the personal biometric feature fusion based on multi biometric feature recognition technology and biological feature information protection, emphasize biometric identification technology in the authentication field importance.

【关键词】生物测定学；身份识别；人脸识别；安全性; 有效性

【Key Words】Biometrics; identification; face recognition; safety; validity

引言

在现代社会中，随着计算机及网络技术的高速发展，信息安全显示出前所未有的重要性。身份鉴定是保证系统安全的必要前提，在金融、国家安全、司法、电子商务、电子政务等应用领域，都需要准确的身份鉴定。如某人是否有权进入安全区域（安全系统），是否有权进行特定交易，是否是本国居民，为了安全在公司计算机网络和因特网上单独设置口令或密钥进行保护等【1】。生物特征识别技术是利用人体的生理或行为特征进行个人身份识别认证的技术，其使用的常见生物特征包括指纹、掌纹、虹膜、手部静脉血管、掌形、人脸、步态、签名、语音、DNA等【2】。生物特征识别技术在网络安全、公共安全和金融服务等方面有非常广阔的应用前景。

正文

随着网络与通信技术的飞速发展和人类物理与虚拟活动空间的不断扩大, 现代社会对于人类自身身份识别的准确性、安全性与实用性提出更高要求。传统的身份识别方法已经远 远不能满足这种要求, 人类必须寻求更为安全可靠、使用方便的身份识别新途径。身份识别时, 往往遇到的尴尬局面是: 人就在面前, 却由于表示其身份的事物不在身边而不能确定其身份。实际上, 人既然在此, 为什么还要用身外的一些事物来证明他的身份, 为什么不用他自己来证明他自己呢? 生物识别悄然兴起, 并应运而生为一种新的身份识别技术。针对传统的身份识别方法存在的问题, 科研人员在不断探索新的身份识别方法。基于生物特征的身份识别受到了身份识别领域的关注, 人既然在此, 还要用人身外之物来证明此人是谁, 这在逻辑上有问题。用自己来证明自己, 这就是生物特征识别认证。生物特征识别技术是 IT 产业的重要革新, 将会在个人身份认证方面占据重要的地位。所谓生物特征识别, 指的是利用计算机技术, 通过采集人的生物特征样本进行人的身份识别。根据能够利用的生物特征的特点, 将生物特征分为生理特征和行为特征。其中:

a) 生理特征是人 生来就 具有的, 如人 脸、指纹、虹膜 和DNA 等。

b) 行为特征是人后天习惯养成的, 如签名笔迹、走路姿态、击键节奏等。

利用这些生物特征同样可以完成身份识别的两种方式:

a) 认证, 通过一个人提供的特征和他所声明身份的特征进行比对, 完成一对一的比较, 这种方式速度快, 可以获得不同精度级别的认证;

b) 识别, 通过采集一个人的生物特征, 并与库中的身份特征逐一进行比较, 从中确定待识别者的身份, 这种方式由于是一对多的比较, 实时性与数据库中的特征模板排序有关, 平均搜索长度为数据库总类的一半, 查找速度与库的大小有关。

生物特征识别概述

1.指纹识别

指纹识别是一种非常有效的生物特征识别技术, 已经经过了实际应用检验, 是目前应用最为广泛的生物特征识别技术,占市场份额的 40% 以上, 其精度之高已被人们所接受【3, 4】。指纹是指人类手指上的条状纹路, 通常由交替出现的宽度大致相同的脊和谷来构成, 指纹的特征点包括脊、谷、分叉点和端点等。指纹特征的形成具有随机性, 因人而异, 一般会改变, 具有长期稳定性。指纹识别需要通过分析指纹的全局特征和局部特征来区别不同的人。指纹的采集设备最初是墨水和纸的方式, 现在已经被光学传感器、电容传感器、温度传感器和超声传感器等数字采集设备取代。

2.手型识别

手形识别是利用手的外部轮廓所构成的几何图形进行身份识别的方法。手形的几何信息包括手指不同部位的宽度、手掌宽度和厚度、手指的长度等。手形在一段时期具有稳定性。手形的摆放需要使用者配合, 在使用过程中由于使用者必须与设备接触, 可能会带来卫生方面的问题【5, 6】。手形识别可以结合掌纹特征进行识别, 将手掌纹理的特征引入, 可以取得更高的识别率和提高可靠性。掌纹具有的特征多于手形。

3.人脸识别

人脸识别是一种近年来非常活跃的研究领域, 具有直观性好、方便、友好、更容易被人接受的特点。它是通过采集人的一幅或多幅图像, 由计算机提取其中的面部特征, 并与数据库中的特征逐一比较, 确定待识别人的身份【7】。人脸识别包括人脸检测和人脸识别两个研究领域, 这两个方面都是极具挑战性的工作。

目前的人脸检测算法主要有四类: 基于知识、基于特征、基于模板和基于表象的方法。在彩色图像中, 由于肤色是人脸的重要信息, 不依赖于面部特征, 对于旋转、表情变化都能适应,具有相对稳定性和与大多数背景的可区别性, 肤色具有重要的价值。人脸识别需要利用面部稳定特征进行识别, 此类算法有基于 LDA、PCA、ICA、Gabor 和特征脸等方法。人脸识别的优点是非接触式的, 直观性好、被动识别、不需要人的主动配合; 人脸识别的缺点是容易受到光照、视角、遮挡物、环境、表情等的影响, 造成识别困难。

4.耳廓识别

人耳识别技术是 20 世纪 90 年代末开始兴起的一种生物特征识别技术【8】。人耳具有独特的生理特征和观测角度的优势, 使人耳识别技术具有相当的理论研究价值和实际应用前景。从生理解剖学上, 人的外耳分耳廓和外耳道, 人耳识别的对象实际上是外耳裸露在外的耳廓, 也就是人们习惯上所说的耳朵。一套完整的人耳自动识别系统一般包括人耳图像采集、图像的预处理、人耳图像的边缘检测与分割、特征提取、人耳图像的识别等过程。

5.虹膜识别和视网膜识别

虹膜识别被认为是最安全、最精确的识别方法。它利用人眼图像中虹膜区域的特征( 环状物、皱纹、斑点、冠状物) 形成特征模板, 通过比较这些特征参数完成识别【9】。由于虹膜是瞳孔和巩膜之间的环状区域, 瞳孔、虹膜与巩膜之间存在灰度阶梯变化, 会形成一个较明显的边缘, 便于虹膜检测。瞳孔会随着光照强度的变化伸缩, 这种特性可以用于进行虹膜活体检测, 因此, 想要利用死去的虹膜或者虹膜照片欺骗识别系统是不可能的。人的眼睛是非常精细的组织, 通过手术改变虹膜的纹理特征危险性极高, 使得虹膜识别具有极高的防伪性。

6.声音识别

声音识别是对基于生物学和行为特征的说话人嗓音和语言学模式的运用, 是通过分析语音的惟一特性, 如通过发音的频率来识别说话的人【10】。声音信号获取方便, 并可以通过电话进行鉴别, 它不同于语音识别( 识别说话的内容) , 是一种比较受欢迎的、低成本的识别方法。

7.温谱识别

人体的各个部位都在向外散发热量, 而这种散发热量的方式就是一种生物特征, 这一特征可以通过红外设备获取到反映各个部位发热程度不同的图像。人脸的温谱分布情况因人而异, 可以用来作为身份识别的特征。温谱数据的采集无须被识别人合作, 所以该识别方法可 用于隐蔽方式的身份识别。特别是对于光照不理想的情况下,温谱相对来说获取较容易, 温图也常用于吸毒检测和流行病造成的发热症状检测。

8.签名识别

签名识别有助于判断签名的有效性。签名是一种基于行为特征的生物识别技术,通过分析签名的笔迹和签名过程的压力及速度作出身份确认。签名识别的问题在于获取在辨识过程中使用的度量方式以及签名的重复性。事实表明, 签名与当时的心情、书写工具等许多因素有关, 特别是签名还是可以模仿的, 防欺骗性差。

9.步态识别

步态识别是利用人们行走时的序列信息进行身份鉴别的一种方式【11】, 这是一种复杂的行为特征, 提取的特征是人体每个关节部位的运动轨迹。尽管步态不是每个人都不相同, 但它也提供了用于识别不同人身份的一定的信息, 该方法用于远距离识别。

10.击键力度、节奏识别

击键力度、节奏识别也是一种基于人的行为的身份鉴别方法。它是基于人击键时的特性, 如击键的持续时间、击不同键之间的时间、出错的频率以及力度大小等而达到身份识别的目 的。击键的节奏、力度, 人和人之间也会有较明显的差别, 在一定情况下也可以用来区别不同的人。

11.DNA 识别

DNA 被称为最终的身份标志符, DNA 存在于一切有核的动植物中, 生物的全部信息都存储在 DNA 分子里。DNA 识别是利用不同人具有不同的 DNA 分子结构来区别不同人的身份。DNA 分子在人的整个一生中具有稳定性和惟一性, 即使人死去, 其 DNA 分子仍然在相当长的时间里存在。人体的任何一个部分都含有相同的 DNA 信息, 在每一部分里 DNA 信息是完全一样的, 这种方法的准确性优于其他的生物特征识别方法, 广泛用于识别罪犯。DNA 具有遗传性, 亲属之间的 DNA 分子具有很高的相似性, 另外孪生兄弟之间的 DNA 分子相同, 这样 DNA 识别很难区分这种情况, 会降低识别正确率。DNA 识别还没有实现全自动, 速度慢、价格高, DNA 分子模式分析必须在实验室进行, 不能达到实时处理; 其耗时长, 需要具有专业技术的人员才能完成, 需要实际取样, 这就限制了它的广泛应用; 另外, DNA 识别还会涉及到被检测者的隐私和伦理问题, 人们不一定愿意接受这种识别方式, DNA 信息中也会包含家族的一些 DNA 结构, 会涉及家族的隐私。在特殊情况下, 某些特殊的疾病也可能改变人体的 DNA 结构, 这时系统也就无法对这些人进行有效识别。DNA 识别一般只是进行一对一的比较, 用于确定亲属关系或者刑侦方面对嫌疑人进行鉴别。

12.体味识别和脚印识别

很明显, 人们由于具有不同的免疫基因, 会产生不同的体味, 这种体味特征也可作为身份标志。在许多的公安刑侦中,可以利用训练有素的警犬或电子鼻来识别不同的气味协助破 案。这种识别在应用时需要有犯罪嫌疑人留的气味, 这种气味因人而异, 属于弱信号, 容易受到其他东西的干扰, 训练一只警犬也是很难的, 研制能够完成这一工作的电子人造鼻子具有相当大的难度。现在已经研制出了一些特殊气体的传感器, 如瓦斯、煤气等传感器, 实现了这些气体的自动检测和分类系统, 但是, 这些人造鼻子还不能够有效实现对所有气体的识别, 采用体味进行个人身份识别理论上是可能的, 但是实际难度很大。人的体味从手掌中可以轻易获得。首先将手掌握过的物品用一块经过特殊处理的棉布包裹住, 放进一个密封的容器,然后通入氮气, 让气流慢慢地把气味分子转移到棉布上, 这块棉布就成了保持人类味纹的档案。脚印在公安刑侦中也具有重要的作用, 有经验的刑侦人员能够根据脚印的大小、深浅对嫌疑人的身高、职业作出判断, 然后结合其他的证据实施破案。这种方法很难量化, 要实现计算机识别很难。

上述识别方法都有各自的缺点和局限性。如果将两种或两种以上的生物特征结合，将会使识别系统的性能得到很大提高。多生物特征识别技术就是结合多种生理或行为特征进行人的身份识别的技术。目前国外已有研究表明利用人脸和指纹结合以及人脸、指纹和语音结合等方法进行身份识别能显著提高识别准确性，在相同误识率的情况下，多生物特征识别系统的拒识率最低。也有利用人脸和虹膜以及人脸、指纹和虹膜等进行多生物特征信息融合而达到提高识别系统性能的目的。多生物特征识别系统相对复杂，数据存储量大，计算量显著增加，这是它的弱点。但随着计算机技术的高速发展以及高性能价格比的专用芯片的出现，多生物特征识别技术将得到更进一步的发展，必将成为生物识别技术的发展主流。

结论

总之，人体生物识别技术不但在学术上有极大的研究价值，而且有极广泛的应用领域。生物特征识别技术为我们提供了一个方便、可靠的识别身份的途径。人体生物识别技术以其巨大的优点，显示出了强大的生命力。近几年，其研究成果和应用产品的数量直线上升。生物特征扫描器的广泛开发减少了对密码和个人身份证号码的需要，这也是它真正的价值所在—取代过时的、旧的、不安全的身份认证方法。

参考文献：

【1】孙冬梅，裘正定. 电子学报[J], Acta Electronica Sinica, 20xx年S1期:15-19

【2】 包桂秋，林喜荣，苏晓生，等.基于人体生物特征的身份鉴别技术发展概况[J]．清华大学学报(自然科学版)，2001，41(4／5)：72—76

【3】Anil Jain，Lin Hong，Sharath Pankanti. Communications of the ACM CACM[J], Volume 43 Issue 2, Feb. 2000 :Pages 90-98

【4】 霍红文，冯敬 . 信息技术与标准化[J], Information Technology & Standardization, 20xx年11期: 25-26

【5】 王希光. 信息与电脑(理论版)[J] , China Computer & Communication, 20xx年04期:63-34

【6】 陈磊. 基于高斯混合模型( GMM) 的手形识别方法研究[ D] . 吉林: 长春大学, 2008

【7】 ADINI Y, MOSES Y, ULLMAH S. Face recognition: the problem of compensating for changes in illumination direction [ J] . IEEE Transon Pattern Analysis and Machine Intelligence, 1997, 19 ( 7 ) :721- 732

【8】CHEN H, BHANU B. Human ear detection from side face range images[ C] , Proc of the 17th Internal Conference on Pattern Recognition 2004: 574- 577

【9】Wildes R.P, Sarnoff Corp, Princeton NJ.Proceedings of the IEEE[J]，Sep 1997：1348 - 1363

【10】 林琳. 基于模糊聚类与遗传算法的说话人识别理论研究及应用[ D] . 长春: 吉林大学, 2007 .

【11】Boulgouris，King's Coll，Hatzinakos, Plataniotis. Signal Processing Magazine[J], IEEE，Nov. 2005：78 - 90