专利名称：用于基于ecg/ppg的生物统计的模板合成的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种通过使用从个体物理特征得到的生物统计数据来 检验个体身份的方法和设备。
背景技术：
对物理对象的鉴定可用于很多应用中，比如有条件的进入安全建筑
物，或者有条件的访问数字数据(如存储在计算机或可移动存储介质
中)，或用于识别目的(例如对特定活动的已识别个体进行收费)。
使用生 物统计学来进行识别和/或鉴定范围不断增加，其被认为是对 如密码和个人身份号码代码等传统识别方法的更好的替代。需要以密码
/个人身份号码代码的形式进行识别的系统的数目稳定增加，并因此，系 统用户必须记住的密码/个人身份号码代码的数目也稳定增加。在生物统 计识别中，用户唯一的特征，如指紋、虹膜、耳朵、面貌等等都用来提 供用户的身份识别。很明显，用户不会丟失或者遗忘他/她的生物统计特 征，也不需要将这些写下来或者记住。
在对用户进行识别和鉴定时，将用户的生物统计特征与参考数据进 行比较。如果发生匹配，将认为用户是被识别的/被鉴定的。在较早的所 谓注册阶段，已经获得用户的参考数据并将之存储在如数据库或智能卡 里。^箭因此是初始化过程，在这个过程中注册管理机构获取用户的生 物学统计模板，即用户将她的生物统计数据提供给注册管理机构 (authority)的注册设备，其对生物统计数据进行处理以提取并存储特 征集合。将所存储的个体特征集合作为个体生物统计模板。在蟲、發过程 中，即当对用户进行识别或鉴定时，她再次提供她的生物统计数据到系 统，系统处理数据并产生模板，其中所存储的模板被重新获得(如果需 要的话进行解密)，并对存储的模板和提供的模板实施匹配。
也可以通过处理心电图(ECG)信号来实现识别，心电图信号反映 了心脏的电活动。这是通过分析形成ECG的典型周期(PQRST周期) 的特性来完成的。这些信号主要用于诊断，并且看来似乎依据不同因素 而因人而异，这些因素例如心脏的解剖学区别、性别、相对体重、胸腔构造等等。与心电图有关的血流波形也可用于识别。光电容积描记法
(photoplethysmography PPG)是一种用于监测血流的方法，这种方法通 过对组织进行照明并测量反射光来对穿过组织的血液的灌注进行;险测。 得到的信号叫做光电容积描记图。
在当前使用基于心电图的生物统计数据进行识别的方法中，从 PQRST周期提取出个体的生物统计模板，特别考虑PQRST周期的P、 Q、 R、 S和T峰值的相对位置和幅度。这种方法公开于L.Biel, O.Pettersson, L.Philipson和P.Wide的"EGG Analysis: A New Approach in Human Identification ，， ， IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2001年第50巻第3号，第808 - 812页。
实际上，PQRST峰值不能以自动的方式准确地确定。的确，某些心 电图不能显示所有这些峰值(比如当使用某些电极配置或在病理学的情 形下)。此外，有限的采样频率和检测过程中的误差促成在确定峰值位 置时的不确定性。
必须针对心率变化性对生物统计才莫板进行校正，这当注册期间的心 率与检验期间表现出来的心率不同时是特别重要的。由于在检验时提供 的^t板将永远不可能与注册^^板精确 一致，尽管事实上她应该被授权， 该用户还是很可能被拒绝。因此，期望不要错误地拒绝被授权的个体， 即需要低的错误拒绝率(FRR)。相反，不应该错误地对个体授权，即 需要低的错误接受率。必须在这两个参数之间进行平衡。在理想的设置 下，生物统计模板由在注册期间以每个可能的心率提取的特征集合组 成。但是，这是很不便的，实际上，在注册期间建立这样一个详尽的特 征集合是不可实行的。
发明内容
本发明的 一个目的是克服涉及现有技术生物统计识别系统的上述问题。
这个目的是通过依照权利要求1通过使用从个体物理特征获得的生 物统计数据来检验个体身份的方法，以及用于依照权利要求9通过使用 从个体物理特征获得的生物统计数据来检验个体身份的设备来实现的。
从属权利要求对优选实施例进行了限定。
在本发明的第一方面中，提供一种方法，该方法包括获取表示所述
5生物统计数据的信号的步骤，以及通过将所获取的该信号的至少一个预 定特性的值作为标准化参数来标准化该信号的步骤。此外，使用至少两 个信号、借助于将预定特性值的函数用作合成参数来合成候选信号，所 述两个信号选自由经归一化的所获取信号和至少两个不同的表示生物 统计数据的先前注册的信号组成的组，所述先前注册的信号使用标准化 参数来归一化。最后，该方法包括确定合成的候选信号是否与组中任何 一个剩余信号相对应，在合成候选信号或组成剩余信号时使用了标准化 的获取信号，其中如果在合成的候选信号与所述任何一个剩余信号之间 存在对应，则检验了个体的身份。
在本发明的第二方面中，提供一种设备，其包括获取表示所述生物 统计数据的信号的装置，以及用于通过将该信号的至少一个预定特性的 值作为标准化参数来对获取的信号进行标准化的装置。此外，该设备包 括用于使用至少两个信号、借助于将预定特性值的函数用作合成参数来 合成候选信号的装置，所述两个信号选自由经归一化的所获取信号和至 少两个不同的表示生物统计数据的先前注册的信号组成的组，所述先前 注册的信号使用标准化参数来归一化。而且，该设备包括用于存储注册 信号的装置，以及用于确定合成的候选信号是否与组中任何一个剩余信 号相对应的装置，在合成候选信号或组成剩余信号时使用了标准化的获 取信号，其中如果在合成的候选信号与所述任何一个剩余信号之间存在
对应，则检验了个体的身份。
本发明的基本构思在于，当使用这些作为生物统计数据的表征的信
号来对个体的身份进行检验时，不是确定诸如ECG或PPG信号之类的
周期信号中的峰值的位置，而是考虑这些信号的形状或承在。在形成
ECG的PQRST周期中，可以使用R-R片^a的形态作为在生物统计测量 和生物统计模板之间进行比较的手段。尽管PQRST周期中独特图案的 相对位置是可以改变的，R-R片段的形态却保持基本不变。 一般将R-峰值作为参考，因为它们存在于每个电极配置中，并且由于他们组成了 ECG中最高的峰值，能够更精确和清楚地被确定。PQRST周期的所有 单元都被包含在R-R片段中。虽然整个说明书中讨论的是借助于从R-R 片段中提取特征数据集合来对个体进行识别，但是本领域技术人员应该 清楚地理解到可以考虑其它片段，以及从中选取片段的其它合适信号。 此外，为了改善生物统计识别的性能，在检验过程中可以使用R-R片段的序列。
为了能够通过使用从个体物理特征中提取的生物统计数据来对个 体身份进行检验，要对所讨论的物理特征进行测量，比如个体的ECG。
因此在这个特例中产生了 ECG形式的信号。该信号由多个PQRST周期 组成，所述周期代表了个体的生物学统计数据。在本发明的一个示例中， ECG信号被数字化并被分段成R-R片段，尽管对于本发明来说分段是可 选的。因为个体心率的变化性，所以ECG记录中的R-R片段具有不同 的持续时间。因此，对于相同个体的ECG的两份不同测量，PQRST周 期可能在长度上不同，这将导致效果假设采样频率相同，两份测量将 包括不同数目的样本。为了解决这个问题，相对R-R片段的长度(即形 成R-R片段的样本数目)对R-R片段进行标准化。应该注意到，可以对 信号的一些其它特性进行标准化，例如幅度，能量等。此外，在标准化 过程中，可以使用特性的组合。但是，在这个特例中，在检验期间记录 的每一个R-R片段都被标准化以包括相等预定数量的样本，即将预定值 L用作标准化参数。
在对个体的身份进行检验之前，已经在系统中对个体进行了注册， 因为表示生物统计数据的信号的至少两个片段已经被记录并保存。这通 常被称作个体的生物统计模板。在这些至少两个片段被标准化以后，使 用这些至少两个片段来形态学地合成候选片段。利用当归一化在检验期 间获得的信号时所使用的特性的相同L值来进行标准化。就是说，既然 使用值L关于在检验期间记录的R-R片段的长度对该R-R片段进行了标 准化，那么所注册的片段也将使用值L来标准化。在合成过程中，使用 在标准化中使用的特性值的函数。假设使用长度标准化参数L (对注册 信号进行标准化时也使用该参数)关于在检验期间记录的信号的长度对 该信号进行了标准化，那么在进行合成时使用该特性的函数。例如，可 以使用检验期间记录的R-R片段的实际长度p。最后，确定将被检验的 标准化片段是否与合成的注册片段相对应。如果认为两个片段在一定程 度上彼此相似，则检验了个体的身份。这种确定可以通过使用例如所谓 12标准来获得"相似度分数"而完成。为了确定所提出的身份的真实性， 经常将这个分数与阈值进行比较。
可选的，通过使用注册片段(在其被标准化之后)以及检验期间获 得的标准化片段中的至少 一个、再次将例如在检验期间获得的片段的实际长度用作合成参数来对候选片段进行形态学上的合成。其后，使用合 成的候选片段和剩余的标准化注册片段中的 一 个进行相应性的检查。
正如所看到的，在检验期间获得并被标准化的片段必须
1) 在对候选片段进行合成时使用或者(如果在合成期间没有使用)
2) 在进行相应性检查时与合成的候选片段进行比较。
因为最终将进行相似度比较的两个片段在标准化以后都具有相同 的长度，4艮容易使用例如lp距离来对它们进行比较。通过使用时间标准 化(或对准)概念来比较至少两个片段来执行形态学上的合成。时间标 准化本质上用于将不在相同空间演化的单变量或多变量时间序列进行 匹配。时间标准化算法包括4'^^/^斩，必和动态时间变形。这里使用 后者。
有利地，根据本发明的生物统计识别，能够仅仅使用两个注册生物 统计模板和检验期间提供的一个生物统计模板来对将用于检验个体身 份的候选生物统计模板进行合成。尽管不是严格必需的，优选地，在其 中ECG用于生物统计识别过程中的特殊实例中，从两个展现极端长度 的ECG中提取至少两个注册片段。因此， 一个注册的生物统计才莫版从 展现低心率的ECG(即关于样本数量的"长，，片段)中获得，而另一个 从展现高心率的ECG(即关于样本数量的"短"片段)中获得。这暗示 构建用于合成的生物统计模型只需要两个R-R片段，这两个R-R片段的 长度处于各自的极值。 一种可能的注册策略在于通过松弛和身体活动来 诱发低和高的心率。
应该注意到其它表示生物统计数据的信号也可以用于根据本发明 识别个体。在第一个例子中，所使用的生物统计是指紋，用于标准化以
及合成过程中的信号的特性是个体施加至记录实际指紋的传感器的压 力。在第二个例子中，所使用的生物统计是个体走路姿势的外观。在这 样一个例子中，对个体进行拍摄，并且个体行走中的步调和节奏用作标 准化和合成参数。
当研究所附权利要求和接下来的描述时，关于本发明更多的特征和 优点将更加明显。本领域的技术人员认识到可以对本发明的不同特征进 行组合来产生除接下来详细描述的那些之外的实施例。
接下来，将结合附图对本发明的优选实施例进行详细的描述，其中
图1示出了其中指示出PQRST周期的心电图。
图2示出了用于根据本发明一个实施例对个体身份进行检验的系统。
图3示出了信号的分段和预处理。
具体实施例方式
图1示出了记录的ECG图解，其中已经显示出所谓的PQRST周期。 正如之前所讨论的，可以使用PQRST周期的特性来提取个体的特征集 合，或者生物统计模板。不是确定PQRST周期峰值的位置，而是使用 R-R片段的形状来进行生物统计识别。
图2示出了根据本发明一个实施例对个体身份进行检验的系统。在 该系统中，分段模块101将数字化的ECG信号进行分段。从R-R片段 中得到片段的实际长度p 。标准化模块102对R-R片段S进行长度标准 化使其包含L个样本。因此把L称做标准化参数。在附图2中，标准化 模块102输出长度标准化后的R-R片段并将该片段表示为f。进一步将 长度标准化参数L与R-R片段的实际长度^一起输入到合成模块103。 因此，虽然将被检验的R-R片段包括例如250个样本，先前注册的R-R 片段包括例如320个样本，但是将两个R-R片段进行标准化使得两者都 包括相同数目的样本，比如说300个。
对于每一个将^L识别的个体，将从两个表示为n和r2的不同R-R片 段中提取的至少两个注册生物学统计^t板存储在数据库104中。正如上
表示特定个体i的注册片段，/表i针对该个体注册的片段的数目。
在合成模块103中，使用从一个群组中选择出来的两个片段来对长 度标准化的片段，进行合成，其中该群组由两个片段n和r2以及来自于 标准化才莫块102的片段》组成。当然，数据库104可以包含将被识别的 个体的其他注册片段，在这种情况下，在合成中将使用多于两个的片段。 在这个特定例子中，在合成过程中使用n和r2。最后，将合成的片段f和 来自标准化模块102的片段S提供给比较模块105。由于两个片段都具 有相同的长度，因此很容易使用例如lp距离来对它们进行比较。如果认 为这两个片段在一定程度上彼此相似，则检验了个体的身份。因此，在本发明根据图2描述的实施例中，使用当前R-R片段的长 度p ，标准化参数L和生物统计才莫板n和r2，对表示为，的长度标准化 R-R候选片段进行合成。
在图2系统中的不同模块一般借助于微处理器和其它一些具有计算 能力的适当的设备来实现，例如ASIC (专用集成电路)，FPGA(现场 可编程门阵列)，CPLD (复杂可编程逻辑器件)等。可以进一步有利 地将系统实现在一个单独的设备中，如移动电话，或者甚至是一张智能 卡。可能地，这样的设备可能必须设有一个用于测量心率的传感器。此 外，设备还包括存储装置，并一般配置有一个如在图2中所示的模拟-数字转换器，用于将测量的模拟数值转化为数字位串以便进一步处理。 在实现本发明方法的不同实施例中的步骤时，微处理器一般执行下载到 设备并保存在存储装置中的适当的软件。
接下来，将详细描述合成过程。对R-R片段进行形态学上的合成的 过程将如下形成。给定一组共享一个公共形态1.》《)^"的R-R才莫板， 即与主体i关联的模板，具有各个长度j^l/^〈p"+j和pgj^J,应该生 成与〖w }里的单元具有相同形态的长度为L的标准化R-R片段泉。因为禽 等于~使得 =",所以情形pej^」不重要。通过使用时间标准化(或 对准)的概念来对两个信号进行比较，从而解决了形态学合成的问题。 时间标准化本质上用于将不在同 一 空间演化的单变量或多变量时间序 列进行匹配。时间标准化算法包括线性时间标准化和动态时间变形 (DTW)。这里使用后者。DTW主要用于对语音信号进行语序列比较， 用以计算参考信号和测试信号之间距离的度量。为此，计算这些信号之
间所有可能的样本-样本绝对差，并且将它们的距离定义为沿最小差路径 (DTW路径)的累计绝对差。在形态学上增加的DTW路径对参考信号 与测试信号之间的匹配时间才莫式进4亍4交准。
因为表示为4"的DTW路径对匹配的时间模式进行校准，保持如 下关系式(l)。指标n和m分别用于指^ (参考信号)的样本和^ (测 试信号)的样本。<formula>formula see original document page 11</formula>(i)
其中^(附)是&(—的估计值。根据关系式(l),从参考信号^和路径g 可以得到测试信号&的估计值。由于其时间性质，假设路径4力是单调 的。(1)中的关系式可以作为从U合成，.的依据。从k,J中任意选择 一个参考模板n,k,接下来
<formula>formula see original document page 11</formula>(2)
可以通过F函数从模板间的路径A,w…,^,^,估计DTW路径
<formula>formula see original document page 11</formula>(3)
根据线性加权估计(4),选择一个在这里合适的特定F'
<formula>formula see original document page 11</formula>(4)
通过约束加权系数a,力或者后加工处理，以确保巧，&，&的单调性, 后加工处理的一种可能的形式定义如下
<formula>formula see original document page 11</formula>(5)通过使用(2)
<formula>formula see original document page 12</formula>
获得线性组合系数的 一种可能的方法是使用如下拉格朗日插置
公式:
<formula>formula see original document page 12</formula>
现在，参考图3,将更详细的描述对分段信号的分段(将结合图2 进行描述)和预处理。ECG信号可能含有因外部噪音源(如电源线)， 基线和主体移动导致的伪差。因此，在检测R峰值之前，可以使用(SG) 时域平滑滤波器。该滤波器可以被认为是信号的多项式函数的逐帧最小 二乘拟合。对PQRST周期组成单元的识别构成ECG分析的一个基础步 骤，因为其作为临床诊断的依据。基于算法的数学形态学(MM)可以 方便地使用，因为它们可以去除甚低频的成分(基线漂移)，而不需要 除了 PQRST波峰与波谷清晰度之外的任何特定假设，并且其计算效率 很高。在图3a中，示出了一个"未经处理的"ECG，，信号(x)。然后获得 一个R峰值加强信号(xenh)(如图3中所示)，将其从x中减去从而 得到图3c中的R峰值增强信号。后者使得可以应用阈值来进行简单的R 峰值检测。然后，计算基线校正信号(xbase)(图3d)，将其从x中 减去从而得到图3e中的基线校正信号。图3e中的粗体垂直线指示出R 峰值的位置。
尽管，结合其特定实施例对本发明进行了描述，对于本领域的技术 人员来说，4艮多不同的变型和修改等也将是明显。因此所述实施例并不 是用于将本发明限制在从属权利要求定义的范围。
权利要求
1. 一种通过使用从个体的物理特征中提取的生物统计数据来检验个体身份的方法，该方法包括步骤获取表示所述生物统计数据的信号；通过将所述信号的至少一个预定特性的值用作标准化参数来归一化所获取的信号；使用至少两个信号、借助于将预定特性值的函数用作合成参数来合成候选信号，所述两个信号选自由经归一化的所获取信号和至少两个不同的表示生物统计数据的先前注册的信号组成的组，所述先前注册的信号使用所述标准化参数来归一化；以及确定合成的候选信号是否与所述组中的任一个剩余信号相对应，在合成候选信号时或构建所述剩余信号时，使用所述标准化的获取信号，其中如果在合成的候选信号与所述任一个剩余信号之间存在对应，则检验了个体的身份。
2. 如权利要求1所述的方法，其中通过使用至少两个不同的先前注 册信号来合成候选信号，并且如果在合成的候选信号与标准化的获取信 号之间存在对应，则检验了个体的身份。
3. 如权利要求1所述的方法，其中通过使用标准化的获取信号和至 少一个不同先前注册信号来合成候选信号，并且如果在合成的候选信号 与所述至少两个不同先前注册信号中剩余的一个之间存在对应，则检验 了个体的身份。
4. 如权利要求l所述的方法，其中使用曲线拟合法来完成标准化。
5. 如权利要求l所述的方法，其中使用内插法来完成标准化。
6. 如权利要求1所述的方法，其中表示生物统计数据的信号包括心脏信号。
7. 如权利要求1所述的方法，其中获得表示生物统计数据的信号的 片段，并且在合成中使用各个至少两个注册信号的片段。
8. 如权利要求7所述的方法，其中信号的片段是心脏信号的R-R片段。
9. 一种用于使用从个体的物理特征中提取的生物统计数据，来检验 个体身份的设备，该设备包括用于获取表示所述生物统计数据的信号的装置(101);用于将所述信号的至少 一 个预定特性的值作为标准化参数来对获取的信号进行标准化的装置(102);用于使用至少两个信号、借助于将预定特性值的函数用作合成参数 来合成候选信号的装置(103),所述两个信号选自由经归一化的所获 取信号和至少两个不同的表示生物统计数据的先前注册的信号组成的组，所述先前注册的信号使用所述标准化参数来归 一化； 用于存储注册信号的装置(104);以及用于确定合成的候选信号是否与所述组中的任一个剩余信号相对 应的装置(105),在合成候选信号时或构建所述剩余信号时，使用所 述标准化的获取信号，其中如果在合成候选信号与所述任一个剩余信号 之间存在对应，则检验了个体的身份。
10. 如权利要求9所述的设备，其中所述用于合成候选信号的装置 (103)使用至少两个不同的先前注册信号，并且如果在合成的候选信号与标准化的获取信号之间存在对应，则确定装置(105)检验了个体 的身份。
11. 如权利要求9所述的设备，其中所述用于合成候选信号的装置 (103)使用标准化的获取信号和至少一个不同的先前注册信号，并且如果在合成的候选信号与所述至少两个不同先前注册信号中剩余的一 个之间存在对应，则确定装置(105)检验了个体的身份。
12. 如权利要求9所述的设备，进一步包括用于对获取信号进行分 段的装置(101),存储装置(104)包括注册信号的相应片段。
13. —种计算机程序产品，包括可执行部件，当所述部件在所述设 备中执行时，所述部件用于使具有计算能力的设备执行权利要求1中所 述的步骤。
全文摘要
本发明涉及一种通过使用由个体物理特性得到的生物统计数据，来鉴定个体身份的方法和设备。本发明的基本构思在于，在使用这些表征生物统计数据来对个体的身份进行鉴定时，不是确定如ECG或PPG信号这类周期信号峰值的位置，而是考虑这些信号的形状或形态。
文档编号G06K9/00GK101523409SQ200780036517
公开日2009年9月2日 申请日期2007年9月25日 优先权日2006年9月29日
发明者A·A·M·L·布鲁克斯, C·普雷素拉, G·N·加西亚莫利纳, M·C·达姆斯特拉 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司