基于生物特征识别的门禁系统技术综述

季静敏 1 黑啸吉 1 刘英杰 张晶 李杰 徐庆

摘要：

目前，门禁系统智能控制在安全防范中的发挥的作用日渐增强。随着生物特征识别技术的不断发展成熟，生物特征识别技术在门禁系统中的应用逐渐变成主流，本文从专利文献的角度对基于不同生物特征进行识别的门禁系统进行了分析和总结，重点阐述了基于六种生物特征识别技术的门禁系统，分别基于人脸识别、手势识别、指纹识别、掌纹识别、虹膜识别、语音识别来实现，将专利布局与主要技术分支、重要申请人相结合，使得读者对实现门禁智能控制的几种主要方式有一个较为清晰的认识。

关键词：门禁控制，生物特征，安全防范

Patent Overview of the Access Control Systems Based on Biometrics Identification

Abstract:

At present, access control plays an increasingly important role in security prevention. With the continuous development of biometrics, the application of biometrics identification technology in access control systems has gradually become mainstream. This paper analyzes and summarizes the intelligent control technology of access control system based on different biometric identification technology from the perspective of patent literature, focusing on six access control technology based on biometrics, including face recognition, gesture recognition, fingerprint recognition, palmprint recognition, iris recognition, speech recognition, combining patent layout with major branches and important applicants, making a clear understanding of the access control technology for readers.

Keyword: access control, biometrics identification technology, security prevention

1.门禁系统技术概述

随着计算机技术以及互联网的快速发展，传统的门禁验证方式已经不能不满足人们的需求，“无卡化”、“安全化”已经成为当今信息安全领域的研究热点。并且，由于个人信息越来越容易被获取，人们的安全保护意识也在不断加强，由此，人们对于安全可靠的防卫系统要求越来越高。而门禁系统由于具备智能化、自动化等特定，并且关系着用户的家庭安全，因此其在整个安防系统设计中占据着举足轻重的地位，深受整个社会的重视。传统门禁系统的主要有钥匙、密码、NFC磁卡等身份验证方式，另外，随着当前智能终端设备的发展，衍生出了APP远程控制、二维码扫描等通过智能终端进行控制的门禁系统。然而，由于上述这些门禁方式通常需要有单独的实体来执行，既增加了用户携带的不便程度，也容易被他人破译和盗取，在一定程度上不能满足当今安防需求。而对于用户的生物特征来说，由于其是用户本身所具有的特征，通常不会脱离于用户而存在，便于携带，具备较好的可获取性以及信息的唯一性，将生物特征技术应用于门禁系统可以很好的提升安全性与可靠性。

所谓生物特征，是指包括人脸、手势、掌纹、指纹、虹膜、语音等用户本体所具有的特征，这些特征通常可以被传感器获取，生物特征识别技术（Biometric Identification Technology），就是通过高精度传感器，如摄像头、指纹扫描仪、音频接收器等，采集并提取用户的生物特征，结合计算机程序算法，与数据库中预存的信息进行特征比对，从而实现对用户身份的验证。相比于传统的门禁验证方式，基于生物特征识别的门禁优势主要体现在：（1）具有唯一性，不易被他人伪造和盗取；（2）携带及使用方便，不易丢失或遗忘；（3）通过信息采集，能够获取危险人员的信息。目前，随着社会趋向数字化和智能化的发展，人们对生物特征识别技术也有了越来越高的重视程度，并且已经广泛应用于智能监控系统、手机支付、门禁控制等多种前沿领域中。

本文主要从门禁系统中人脸识别、手势识别、指纹/掌纹识别、虹膜识别、语音识别等多个主流技术分支入手，从专利文献的角度出发，对每个技术分支的重点专利申请进行了梳理、分析与总结，以其得出相关技术的专利申请现状和技术发展脉络。

2.专利申请现状分析

为了更好的获取基于生物特征识别的门禁系统技术的专利申请现状，本文在专利检索与服务系统中，选择中国专利文献数据库（CNABS）和德温特世界专利索引数据库（DWPI），并利用相关的关键词以及IPC、CPC分类号进行检索分析，检索日期截至2019年9月27日。本小节分别从基于生物特征识别的门禁系统领域在华及全球专利申请量年度变化趋势、专利申请地域分布、主要申请人等几个方面出发，对相关技术的专利申请现状进行了总体分析。

图1 全球专利申请概况

图1所示的是在华及全球专利申请量变化趋势对比图，从图中可以看出，通过分析DWPI数据库，可以得出全球有关生物特征识别的门禁系统的专利申请年变化趋势大致可分为三个阶段：

第一阶段(1980-1990年)：这一阶段，全球申请量较少，从侧面说明该阶段全球的生物特征识别技术还处于播种期，由于计算机技术也处于初级阶段，此时人们对于生物识别技术没有形成完整的定义，因此将该技术应用于门禁系统还处于摸索阶段；第二阶段（1990-2010年）：全球申请量处于缓慢增长的阶段，其中1990-1995年间申请量只有241件，而到了2005-2010年间申请量则上升到1450件，全球专利申请量增长了5倍，从侧面说明此时随着计算机技术以及传感器等硬件水平的发展，生物特征识别技术也得到一定程度的认知，并且越来越多的申请人开始将技术应用于门禁系统；第三阶段（2010-2019）：这一阶段，全球申请量呈井喷式增长，并且年均申请量也呈倍数增加，其中年均申请量达到1228.6件，从侧面说明随着计算机、互联网、智能终端等技术及其应用的飞速发展，生物特征识别技术作为信息安全的重要技术进一步成熟，并且该技术在门禁系统中得到了广泛的普及。

而分析CNABS数据库中在华申请的基于生物特征识别的门禁系统专利年申请量可以看出，在2010年之前我国的生物特征识别技术及其应用要明显落后于世界上的其他国家，在2010年之前，相关申请人在我国总的申请量仅为362件，然而到了2010年之后，我国的生物特征识别技术及其应用专利年申请量呈线性增长，从2005年到2010年的不足300件申请量增长到2015年到2019年间的4000多件的申请量，增长率高达1300%以上。细追究其原因可以得出，在2010年之后，随着我国智能终端及其相关技术的应用普及，“无卡化”、“安全化”等已经成为门禁系统迫切需要解决的问题，将能够满足相关需求的生物特征识别技术应用于门禁系统中，成为众多申请人的研究热点和重点。

图2 专利申请量的地域分布

图2示出了全世界基于生物特征识别的门禁技术专利申请量排名靠前的主要国家，主要分布在中国、美国、日韩及欧洲各国，其中在中国的专利申请量占据总申请量的70%以上，主导了该领域的专利申请，虽然生物特征识别技术在中国的起步较晚，但是随着国家政策的支持、计算机技术的发展以及巨大的人口红利在日常生活中对于人脸识别技术的应用需求较高，各个公司着重加强了对该技术专利的申请，成为将生物特征识别技术应用于门禁系统的最大专利申请国，为世界生物特征识别技术的发展做出了突出的贡献。

图3 全球主要申请人

从图3中可以看出，在全球领域，国家电网在基于生物特征识别的门禁领域占据了一定的主导地位，而在排名前10位的申请人中，中国申请人占据了其中的8位，由此可见，我国的申请人对于该领域的重视程度以及技术积累具备较强的竞争力。

另外，为了避免基于生物特征识别的相关技术被国外企业和机构垄断，国家电网、苏州福丰等企业申请了大量的专利，以期占据一定的技术主动权。而在发展自身技术的同时，中国企业要密切地关注西门子等欧美企业，以及美和等日本企业的技术发展，要做好全球专利布局，把握好相关技术的发展方向，为中国企业走向世界做好准备。

3. 主要技术分支下的重点专利分析

基于生物特征识别的门禁系统的实现方法主要包括六个技术分支：基于人脸识别、基于手势识别、基于指纹识别、基于掌纹识别、基于虹膜识别、基于语音识别。图4示出了上述六个技术分支下的重点专利分布图，现以该图为基础，对上述各技术分支下的重点专利进行分析。

图4 基于生物特征识别的门禁系统重点专利分布

3.1 人脸识别

在所有生物特征识别技术中，现阶段最受瞩目的并迅速发展的是人脸识别，人脸识别指的是通过比较人脸的视觉特征信息从而进行身份鉴别的技术。基于人脸识别的门禁控制方法是较为常见的门禁系统的智能控制方法，通过人脸识别可以快速识别用户的身份，从而提高家居等场所的安全性。

例如，日本株式会社东芝（TOSHIBA CORP）的专利申请JP2008-140024A提供了一种公寓入口的门禁控制装置，控制单元控制用户的进入，并将注册者的进入信息、人脸图像与身份ID信息存储在控制单元中，基于存储的信息对待进入的用户进行面部认证，仅当存储的面部图像和ID信息与允许进入入口的用户的面部图像和ID信息相匹配时，才允许该用户进入入口。又如，国家电网的专利申请CN109979057A提供了一种基于云计算的电力通信安防人脸智能识别系统，通过摄像模块根据相关规则获取到核验人脸图像和核验全身图像，之后利用人脸识别模块对核验人脸图像进行识别，一旦识别成功后，获取到对应人员的人员姓名，并将核验全身图像标记为待确认全身图像，之后将待确认全身图像传输到云计算单元，利用云计算单元和云存储单元对面部比和半身比进行判定，当结合相关规则和算法判定到是该人员的时候，打开门禁，并形成进入记录。又如，苏州福丰的专利申请CN203287965U提供了一种基于人脸识别的防尾随门禁系统，包括门体、安装在所述门体上的门禁控制器，所述门体上还设有人脸识别器、与所述人脸识别器连接的人体接近传感器和摄像装置，所述人脸识别器与所述门禁控制器连接，所述摄像装置包括第一摄像头、位于所述第一摄像头两侧的第二摄像头。该实用新型通过在门体上设置人脸识别器，当第一摄像头和第二摄像头所拍摄的人脸图像与人脸识别器中的人脸图像库进行比对，需要同时通过才能允许门禁控制器将门体打开，安全系数高，若出现危险时可通过报警器发出警报，吓跑犯案人员，保证了人身和财产安全。

由于人脸识别门禁系统能够远距离、快速、无接触式地识别、记录人脸，在有条件的建筑和小区可将门禁系统连接黑名单数据库或公安机关数据库并实时比对，可及时发现可疑人员并自动预警，实现智慧安防管理；但是，人脸识别的困难在于人脸器官的结构外形具有一定的相似性，不同个体之间的区别不大，且同一个体的人脸外形具有易变性，这就导致人脸识别门禁控制潜在一定的不安全的因素。

3.2手势识别

手势识别是将模型参数空间里的轨迹(或点) 分类到该空间里某个子集的过程，其包括静态手势识别和动态手势识别，动态手势识别最终可转化为静态手势识别。手势识别属于人机交互的重要组成部分，其研究发展影响着人机交互的自然性和灵活性。

例如，郭萌的专利申请CN204614079U提供了一种手势控制锁具，其包括锁体；所述锁体设置控制装置、以及与所述控制装置连接的手势识别装置；所述手势识别装置用于识别手势得到手势识别结果，并传输到所述控制装置；所述控制装置用于控制所述锁体。采用上述方案，本实用新型通过手势识别装置，识别手势，控制锁体，极大提升了用户体验，便于用户使用，具有很高的市场价值。又如，Newtonoid Technologies LLC的专利申请EP3404512A1提供了一种基于智能手势控制的安全系统，该安全系统包括：能够监视实时手势的照相机，可操作用于存储数据的存储器，具有锁定状态和解锁状态的锁定组件，以及通信地耦合到所述存储器，所述锁定组件和处理器的处理器。该系统利用相机检测手势，将检测到的手势与存储的手势进行比较，并且仅在确定实时手势在存储的手势的预定阈值之内时，才将锁定组件从锁定状态变为解锁状态。

3.3指纹识别

指纹中包含许多特征点，特征点提供了指纹唯一性的确认信息，这是进行指纹识别的基础，在指纹识别时，通过将识别对象的指纹进行分类比对从而实现用户身份的判断。由于指纹识别时扫描指纹的速度很快，使用非常方便，指纹采集头可以更加小型化，并且价格会更加的低廉，因而，指纹识别在门禁控制领域有着广阔的应用前景。例如，国家电网的专利申请CN204515888U公开了一种10千伏环网柜智能门禁系统，采用指纹识别器能够对主控室子系统的使用进行管控，防止被人盗用，增强了主控室的安全性；采用主输入设备输入需要查看的环网柜位置信息以及授权人员信息，并通过显示器显示选定的环网柜位置信息和授权人员信息，增强了现场开启柜门的安全性。又如，韩国ALL IT TOP CO LTD的专利申请KR101883676B1也公开了一种具有指纹和或指静脉读取器装置的门锁，当手指的指纹和/或手指静脉放置在指纹和/或手指静脉读取器设备上时，指纹和/或手指静脉读取器设备确定指纹和/或手指静脉是否匹配，匹配时打开门锁。

指纹的唯一性较好，但是对图像质量要求较高，指纹图像中约有4-5%是难于识别的劣质图像，手指皮肤的干燥度、被粘污程度和被损伤程度都会影响图像的质量，从而导致不能有效进行指纹识别。

3.4掌纹识别

掌纹是指手指末端到手腕部分的手掌图像，所含的信息比较丰富，利用掌纹的纹线特征、点特征、纹理特征、几何特征完全可以确定一个人的身份。掌纹具有较高的稳定性和唯一性，具有比指纹更好的分类性能和更高的识别能力，对图像分辨率要求也较低，并且采集方法简单方便。因而，人们逐渐将掌纹识别技术应用于门禁控制系统中，例如，CN102385766A公开了一种基于掌纹的认证开锁方法，该方法包括：移动终端获取用户掌纹图像；对掌纹图像进行处理，获取掌纹特征参数；根据掌纹特征参数及本地数据库对用户进行身份认证；当认证通过后，指示门禁系统开锁。

3.5虹膜识别

利用虹膜进行身份认证时，获取的是虹膜的图像特征，该特征是只有活体才存在的特征，非活体的眼部是得不到虹膜图像特征的，也就无法伪造，因此安全性较高。由于虹膜特征的采集对技术要求较高，因而虹膜识别技术在门禁控制领域发展得较晚，其中，US2017/0193723A1公开了一种利用虹膜识别的门锁及其系统，门锁包括：唤醒模块，识别用户的访问或根据用户的按键输入来驱动上述门锁；以及虹膜识别模块，若利用上述唤醒模块来驱动上述门锁，则将输入于上述门锁的虹膜图案与已存储的虹膜图案进行比较，并根据上述比较结果对访问上述门锁的用户进行认证。

3.6语音识别

近年来，语音识别技术取得了显著进步，且语音识别的效率较高，可实现快速的人机交互控制，例如，CN109544745A公开了一种智能门锁控制方法，该方法先获取输入的初始语音信号；对初始语音信号进行声纹识别，得到语音身份信息；判断预设的授权信息是否包括语音身份信息；如果授权信息包括语音身份信息，控制智能门锁执行开启操作；WO2017/128416A1公开了一种具有声控开关功能的门锁及其操作方法，门锁包括用于将被锁物体锁紧或开启的电子锁芯和用于实现声音信号的采集和存储的声音采集模块，还包括用于处理声音采集模块所采集的语音信号，并与声音采集模块所存储的语音信号进行对比识别的处理控制模块，处理控制模块分别与电子锁芯和声音采集模块电连接。

4 总结

随着生物特征识别技术的不断深入研究，生物特征识别技术在门禁系统中的应用逐渐变成主流，本文基于生物特征识别的门禁控制技术专利申请情况，分析了该技术的整体发展态势，并对国际上的重要申请国家以及主要技术分支进行了重点深入分析，客观展现了基于生物特征识别的门禁控制技术领域的专利布局现状。生物特征识别技术在安全性，方便性，易管理性等方面都各有特长，但不同生物识别技术各有长短，因此，多重生物识别组合使用是未来发展趋势，将多种生物识别技术组合运用到门禁系统中，是未来门禁控制系统中的主要研究方向。（第二作者对本文贡献等同于第一作者）

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注：1季静敏和黑啸吉为本文做出同等贡献，为共同第一作者