基于头部透视图像的身份识别

摘要：利用X射线扫描头部骨骼所成图像，对特殊职业中由于事故导致死亡的人员进行身份识别，在身份识别中能起到较好的辅助作用。

关键词：X射线；识别

中图分类号：TP311文献标识码：A文章编号：1009-3044(2010)20-5582-02

Head-Clairvoyance-Image-based Identification

YAN Feng-ting

(College of Information Science and Engineering, SUST, Qingdao 266510, China)

Abstract: In the particular occupation many workers would be died for the accident. To find the identification, we can scan the head bone by using the X-ray to make a image. The X-ray-based identification would be useful for the identification.

Key words: X-ray; identification

在类似汶川大地震、抗洪抢险这类重大灾害事故救灾中，救援人员的生命安全时刻面临着危险。一旦在相对集中的地点，出现大量救援人员牺牲，而时间又过了很久，才寻找到腐烂的尸首，为确定其真实身份，就需要做身份鉴定。在国家安全部门工作的人员，如特工、卧底警察等人员，在执行特殊任务时，往往有人员意外牺牲。依据其生物特征，进行身份鉴定也是必须的。消防人员在执行任务时，可能会发生工作人员多人牺牲事故，牺牲人员的面部特征，手指纹理特征、虹膜特征有时会遭到破坏，为辨别牺牲人员的身份，需要做身份鉴定。在军队中，尤其是海军，在执行任务或军事演习中，一旦全体船员牺牲，长时间的海水浸泡，使得面目全非，为精确确定牺牲人员身份，需做身份鉴定。同样需要做身份鉴定的人群有：船员等。有过犯罪记录的人，出现特殊死亡的几率比较高，当发现不明身份尸首时，可从有过犯罪记录人员的信息中检索头骨的X光照片[1]，进行身份识别[2]。

1 X射线与头骨识别

1.1 研究背景

对于非正常死亡人员身份鉴定，通常采用DNA指纹鉴定来确定死者身份，DNA指纹鉴定[3]准确率高。但由于DNA鉴定技术本身的瑕疵，使得采取任何一种鉴定方法都存在错误的可能性，不同个体的DNA结构也有偶然重合的可能性，因此DNA鉴定只能作为一种参照判别的依据，其准确率并达不到100%。另外，采用DNA指纹鉴定，鉴定时间较长，鉴定一个身份一般需要三个工作日以上，当出现需要做大量身份鉴定这类突发事件时，就会遇到很大的困难。同时，DNA鉴定技术要求非常严格，对于样本的量和质有一定的要求。

特殊职业的特殊人群出现的特殊死亡，采用当前广泛开发使用的指纹识别、虹膜识别以及语音识别[4]或人脸识别[5]等方法，都无法做到身份的正确识别。如果死者皮肤烧焦或已腐烂掉，指纹信息已遭破坏，必将无法进行指纹识别。同样，如果虹膜遭到破坏，虹膜识别方法也将无法进行身份识别。人脸识别方法、语音识别方法都将无法采用。

基于以上原因，本文提出了基于X射线头骨成像的身份识别方法，对于身份鉴定可以起到一定的辅助作用。对于上面提到的特殊人群，可在进行体检时，采用X射线一次性头骨成像，将采集到的头骨图像存入头骨图像库，同时与该人其他身份资料建立索引，例如采集到头骨对象的相关照片等资料。当遇到需要身份鉴定的情况下，第二次利用X射线采集其头骨图像，依据面部骨骼的几何特征，由电脑进行自动身份识别，验明其身份。

1.2 国内外研究现状

目前，国内外身份验证的方法多种多样，比较成熟的有指纹识别、虹膜识别，均利用了人体生物特征中，不同个体所具有的生物特征的唯一性，进行的身份验证，这两种技术已基本成熟。

当前，语音识别、人脸识别依据其独有的便利性和无强迫性，在模式识别和计算机语言及视觉领域中成为非常活跃的研究课题，在国家安全、军事等领域有着广泛的应用前景，一直受到很多研究学者的关注。

在特殊职业领域中进行的身份验证，通常采用DNA指纹身份识别方法，该方法准确率高， 应用广泛，但其技术本身也存在缺点，依然无法实现100%的身份识别率。在该身份识别领域中，采用本文提出的基于X射线头骨图像的身份识别，可在身份鉴定中起到较好的辅助作用。

1.3 X射线与其应用原理

X射线的特征是波长非常短，频率很高，其波长约为（20～0.06）×10-8厘米之间。X射线是由于原子在能量相差悬殊的两个能级之间的跃迁而产生的，所以X射线光谱是原子中最靠内层的电子跃迁时发出来的，而光学光谱则是外层的电子跃迁时发射出来的。X射线在电场磁场中不偏转。这说明X射线是不带电的粒子流，因此能产生干涉、衍射现象。

X射线光谱由连续谱和标识谱两部分组成 ，标识谱重叠在连续谱背景上，连续谱是由于高速电子受靶极阻挡而产生的轫致辐射，其短波极限λ 0 由加速电压V决定：λ 0 = hc /( ev )为普朗克常数 ，e 为电子电量，c 为真空中的光速。标识谱是由一系列线状谱组成，它们是因靶元素内层电子的跃迁而产生，每种元素各有一套特定的标识谱，反映了原子壳层结构 。同步辐射源可产生高强度的连续谱X射线，现已成为重要的X射线源。

X射线具有很高的穿透本领，能透过许多对可见光不透明的物质，如墨纸、木料等。这种肉眼看不见的射线可以使很多固体材料发生可见的荧光，使照相底片感光以及空气电离等效应。波长越短的X射线能量越大，叫做硬X射线，波长长的X射线能量较低，称为软X射线。当在真空中，高速运动的电子轰击金属靶时，靶就放出X射线，这就是X射线管的结构原理。

2 头骨图像独具特色的几何特征

人的正面头骨本身具有丰富的几何特征。通过X射线所形成的头骨图像，其几何特征比较明显。尤其是双眼眉骨的几何特征，眼眶的轮廓，眼眶四周拐角处的弧度值，鼻骨处各小骨的大小形状特征，以及比例特征，都非常明显。

从图3我们可以看到，人的头骨骨节较人脸面部具有更多的识别特征，将主要特征位置用一组数组表示，这些特征位置是左右对称的。右边骨节用一组一位数据表示，图3中是从1到9给予标出的。同样，左边骨节依据对称法同样采用一组一维数组给予标出。采用基于几何特征的头骨识别方法、基于模板匹配的头骨识别方法和基于模型的头骨识别方法，利用隐马尔科夫算法，我们对头骨进行识别，以实现对对象的身份识别。

3 实验过程

3.1实验流程图

上文中所提到的特殊人群，在体检中利用X射线对生物人脸扫描成像，二值灰度化处理后存入图像库，同时和该图像采集对象的其它详细信息建立检索，做好身份识别的准备工作，以建立身份信息的完备数据库。

在图像数据库建立前提下，对事故后的人脸首先采用X射线扫描提取信息，形成人脸图像，随后对图像做二值灰度化处理。提取出特征点灰度数值，利用面部头骨结构中丰富的几何特征，综合采用多种算法，在事先建立好的头骨图库中，识别出匹配度最高的头骨图像，对应的显示出人脸头部图像，实现身份识别。

3.2 实验结果

在一个210人的数据库上识别率为83%-92%。通过计算面部各处骨骼宽度和长度、嘴巴位置、下巴形状以及鼻骨处等多处骨骼的几何特征进行骨骼识别，在一个49人的图像库上的识别率为99%。然而，简单的模板匹配方法在同一头骨图像库上的识别率为100%。利用侧影(Profile)识别从头骨的侧影轮廓线上提取特征点，将侧影转化为轮廓曲线，从中提取基准点，根据这些点之间的几何特征来进行识别。由于侧影识别相对较简单且应用面小，对侧影识别的研究较少。基于几何特征的方法非常直观，识别速度快，内存要求较少，提取的特征在一定程度上对面部表情的变化、光照的变化，由于其它原因造成的面部皮肉的变化不会影响识别结果，从而使得头骨图像识别具有较好的可靠性，这为人的身份识别提供了很好的辅助作用。

4 结论

基于X射线头骨图像的身份识别，在遇难人员的身份鉴定中，起到一定的辅助作用。对于当前主要采用的DNA身份鉴定，是一个很好的补充。但是，基于X射线头骨图像的身份识别，也存在着许多缺点需要进一步研究和改进。首先，X射线透视对人体细胞有一定的杀伤作用，造成了其适用人群的局限性；第二，X射线图像采集设备价格较昂贵，所成图像清晰度需要进一步提高；第三，头骨识别的算法还需要进一步改进，识别方法有待进一步研究，识别准确率有待进一步提高。

参考文献:

[1] T・普尔特.X射线成像设备和方法[P].荷兰: A61B6/12,2008-04-30.

[2] 王蕴红,谭铁牛.现代身份鉴别――生物特征识别技术[J].中国基础科学,2000,12(4):32-34.

[3] 谭铁牛,孙哲南,李子青.基于人体生理图像中排序测度特征的自动身份识别方法[P].中国: G06K9/00,2007-09-05.

[4] 马志欣，王宏，李鑫。语音识别技术综述[J].昌吉学院学报,2006(3):23-27.

[5] Samal and P.Iyengar. Automatic recognition and analysis of human faces and facial expession:A Survey Pattern Recognition,2004,5(1):45-71.