虹膜識別技術(shù)是一種我們既熟悉又陌生，十分科幻神秘，又比較常見的感知識別技術(shù)，我們常常在科幻作品中看到它，甚至在日常生活中也可能會遇見它，虹膜識別技術(shù)號稱是最精準(zhǔn)最不可作偽的感知識別技術(shù)，這就更增添了它的神秘感。

 

什么是虹膜？

 

人眼的外觀由鞏膜、虹膜、瞳孔三部分構(gòu)成，鞏膜即眼球外圍的白色部分，眼睛中心為瞳孔部分，虹膜位于鞏膜和瞳孔之間，包含了最豐富的紋理信息。外觀上看，虹膜由許多腺窩、皺褶、色素斑等構(gòu)成，是人體中最獨(dú)特的結(jié)構(gòu)之一。

 

 

脊椎動物眼球角膜和晶狀體間呈球狀有色彩的膜。為血管膜的一部分、中央是瞳孔。虹膜前面被覆一層內(nèi)皮;中層為富于血管和色素細(xì)胞的疏松結(jié)締組織。色素的多少可使虹膜呈現(xiàn)不同的顏色，無色素時(shí)為藍(lán)色，當(dāng)色素由少至多時(shí)，虹膜可出現(xiàn)灰色、棕色及棕黑色；虹膜后面襯有兩層色素上皮，其內(nèi)層上皮分化為平滑肌。肌纖維由內(nèi)向外呈放射狀排列的稱瞳孔開肌、受交感神經(jīng)支配、司瞳孔放大;圍繞瞳孔緣呈環(huán)狀排列的稱瞳孔括約肌。受副交感神經(jīng)支配,司瞳孔縮小。

 

 

1.角膜緣2.前房3.晶狀體4.瞳孔5.角膜6.虹膜7.前房角8.鞏膜9.球結(jié)膜10.睫狀體11.后房12.晶狀體懸韌帶13.距齒緣14.視網(wǎng)膜15.脈絡(luò)膜16.黃斑17.視神經(jīng)乳頭18.視神經(jīng)19.玻璃體

 

虹膜的特性

 

唯一性

 

每個(gè)虹膜所包含的信息都不相同，出現(xiàn)形態(tài)完全相同的虹膜組織的可能性遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他組織。英國劍橋大學(xué)John Daugman教授提出的虹膜相位特征證實(shí)了虹膜圖像有244個(gè)獨(dú)立的自由度，即平均每平方毫米的信息量是3.2比特。虹膜的纖維組織細(xì)節(jié)復(fù)雜而豐富，并且它的形成與胚胎發(fā)生階段該組織局部的物理化學(xué)條件有關(guān)，具有極大的隨機(jī)性，即便使用克隆技術(shù)也無法復(fù)制某個(gè)虹膜。同卵雙胞胎的虹膜紋理信息不同，同一個(gè)人左右眼的虹膜紋理都不會相互認(rèn)同。英國國家物理實(shí)驗(yàn)室的測試結(jié)果表明：虹膜識別是各種生物特征識別方法中錯(cuò)誤率最低的。

 

 

穩(wěn)定性

 

虹膜從嬰兒胚胎期的第3個(gè)月起開始發(fā)育，到第8個(gè)月虹膜的主要紋理結(jié)構(gòu)已經(jīng)成形。除非經(jīng)歷危及眼睛的外科手術(shù)，此后幾乎終生不變。由于角膜的保護(hù)作用，發(fā)育完全的虹膜不易受到外界的傷害。

 

防偽性

 

虹膜是人眼的可見部分，處在鞏膜的保護(hù)下，具有極強(qiáng)的生物活性。例如，瞳孔的大小隨光線強(qiáng)弱變化；視物時(shí)有不自覺的調(diào)節(jié)過程；有每秒可達(dá)十余次的無意識瞳孔縮放；在人體腦死亡、處于深度昏迷狀態(tài)或眼球組織脫離人體時(shí)，虹膜組織即完全收縮，出現(xiàn)散瞳現(xiàn)象。這些生物活性與人體生命現(xiàn)象同時(shí)存在，共生共息，所以想用照片、錄像、尸體的虹膜代替活體的虹膜圖像都是不可能的，從而保證了生理組織的真實(shí)性

 

非接觸

 

虹膜是一個(gè)外部可見的內(nèi)部器官，不必緊貼采集裝置就能獲取合格的虹膜圖像，識別方式相對于指紋、手形等需要接觸感知的生物特征更加干凈衛(wèi)生，不會污損成像裝置，影響其他人的識別。

 

便于信號處理

 

在眼睛圖像中和虹膜鄰近的區(qū)域是瞳孔和鞏膜，它們和虹膜區(qū)域存在著明顯的灰度階變，并且區(qū)域邊界都接近圓形，所以虹膜區(qū)域易于擬合分割和歸一化。虹膜結(jié)構(gòu)有利于實(shí)現(xiàn)一種具有平移、縮放和旋轉(zhuǎn)不變性的模式表達(dá)方式。

 

 

唯一性，穩(wěn)定性，防偽性，而這些都是包括二維碼，RFID等其他感知識別技術(shù)所無法比擬的，加上虹膜作為唯一可以從外部直接觀測的人體內(nèi)部組織，自身蘊(yùn)含豐富信息，虹膜識別成為了一項(xiàng)非常重要的，特別適用于保密性要求高的環(huán)境的感知識別技術(shù)

 

虹膜識別技術(shù)的起源

 

1885年ALPHONSEBERTILLON將利用生物特征識別個(gè)體的思路應(yīng)用在巴黎的刑事監(jiān)獄中，當(dāng)時(shí)所用的生物特征包括：耳朵的大小、腳的長度、虹膜等。

 

1987年，眼科專家ARAN SAFIR和LEONARDFLOM首次提出利用虹膜圖像進(jìn)行自動虹膜識別的概念，到1991年，美國洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗(yàn)室的JOHNSON實(shí)現(xiàn)了一個(gè)自動虹膜識別系統(tǒng)。

 

1993年，JOHNDAUGMAN實(shí)現(xiàn)了一個(gè)高性能的自動虹膜識別原型系統(tǒng)。今天，大部分的自動虹膜識別系統(tǒng)使用DAUGMAN核心算法。

 

國內(nèi)在2000年以前在虹膜識別方面一直沒有自己的核心知識產(chǎn)權(quán)，中科院自動化所在多年研究的基礎(chǔ)上于2000年初開發(fā)出了虹膜識別的核心算法，成為了世界上少數(shù)幾家掌握了虹膜識別核心算法的單位之一。

 

虹膜識別技術(shù)的原理

 

虹膜識別通過對比虹膜圖像特征之間的相似性來確定人們的身份，其核心是使用模式識別、圖像處理等方法對人眼睛的虹膜特征進(jìn)行描述和匹配，從而實(shí)現(xiàn)自動的個(gè)人身份認(rèn)證。虹膜識別的主要步驟包括虹膜圖像的獲取、預(yù)處理、特征提取與編碼和分類。

 

 

虹膜圖像獲取

 

虹膜圖像獲取是指使用特定的數(shù)字?jǐn)z像器材對人的整個(gè)眼部進(jìn)行拍攝，并將拍攝到的圖像通過圖像采集卡傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中存儲。虹膜圖像的獲取是虹膜識別中的第一步，同時(shí)也是比較困難的步驟，需要光、機(jī)、電技術(shù)的綜合應(yīng)用。因?yàn)槿藗冄劬Φ拿娣e小，如果要滿足識別算法的圖像分辨率要求就必須提高光學(xué)系統(tǒng)的放大倍數(shù)，從而導(dǎo)致虹膜成像的景深較小，所以現(xiàn)有的虹膜識別系統(tǒng)需要用戶停在合適位置，同時(shí)眼睛凝視鏡頭(Stop and Stare)。另外東方人的虹膜顏色較深，用普通的攝像頭無法采集到可識別的虹膜圖像。不同于臉像、步態(tài)等生物特征的圖像獲取，虹膜圖像的獲取需要設(shè)計(jì)合理的光學(xué)系統(tǒng)，配置必要的光源和電子控制單元。

 

 

由于虹膜圖像獲取裝置自主研發(fā)的技術(shù)門檻高，限制了國內(nèi)虹膜識別研究的開展。中國科學(xué)院自動化研究所在1999年研制出國內(nèi)第一套自主知識產(chǎn)權(quán)的虹膜圖像采集系統(tǒng)，其特點(diǎn)是小巧、靈活、低成本、圖像清晰。經(jīng)過不斷地更新?lián)Q代，自動化所最新開發(fā)的虹膜成像儀已經(jīng)可以在20—30cm距離范圍通過語音提示、主動視覺反饋等技術(shù)采集到合格的虹膜圖像。

 

圖像預(yù)處理

 

圖像預(yù)處理是指由于拍攝到的眼部圖像包括了很多多余的信息，并且在清晰度等方面不能滿足要求，需要對其進(jìn)行包括圖像平滑、邊緣檢測、圖像分離等預(yù)處理操作。

 

虹膜圖像預(yù)處理過程通常包括虹膜定位、虹膜圖像歸一化、圖像增強(qiáng)三個(gè)部分。

 

虹膜定位

 

 

一般認(rèn)為，虹膜的內(nèi)外邊界可以近似地用圓來擬合。內(nèi)圓表示虹膜與瞳孔的邊界，外圓表示虹膜與鞏膜的邊界，但是這兩個(gè)圓并不是同心圓。通常，虹膜靠近上下眼皮的部分總會被眼皮所遮擋，因此還必須檢測出虹膜與上下眼皮的邊界，從而準(zhǔn)確地確定虹膜的有效區(qū)域。虹膜與上下眼皮的邊界可用二次曲線來表示。虹膜定位的目的就是確定這些圓以及二次曲線在圖像中的位置。常用的定位方法大致分為兩類，一是，邊緣檢測與Hough變換相結(jié)合的方法；二是，基于邊緣搜索的方法。這兩種方法共同的缺點(diǎn)是運(yùn)算時(shí)間長，因此出現(xiàn)了一些基于上述兩種策略的改進(jìn)方法，但是速度并沒有數(shù)量級的提高。定位仍然是虹膜識別過程中運(yùn)算時(shí)間最長的步驟之一。

 

虹膜圖像歸一化

 

 

虹膜圖像歸一化的目的是將虹膜的大小調(diào)整到固定的尺寸。到目前為止，虹膜紋理隨光照變化的精確數(shù)學(xué)模型還沒有得到。因此，從事虹膜識別的研究者主要采用映射的方法對虹膜圖像進(jìn)行歸一化。如果能夠?qū)缒ぜy理隨光照強(qiáng)度變化的過程建立數(shù)學(xué)模型或者近似模擬這個(gè)過程，將會對虹膜識別系統(tǒng)性能的提高有很大幫助。

 

圖像增強(qiáng)

 

圖像增強(qiáng)的目的是為了解決由于人眼圖像光照不均勻造成歸一化后圖像對比度低的問題。為了提高識別率，需要對歸一化后的圖像進(jìn)行圖像增強(qiáng)。

 

特征提取

 

特征提取是指通過一定的算法從分離出的虹膜圖像中提取出獨(dú)特的特征點(diǎn)，并對其進(jìn)行編碼。

 

主流的虹膜特征提取和識別方法可分為八大類。

 

一是，基于圖像的方法，將虹膜圖像看成是二維的數(shù)量場，像素灰度值就構(gòu)成聯(lián)合分布，圖像矩陣之間的相關(guān)性就度量了相似度。

 

二是，基于相位的方法，這種方法認(rèn)為圖像中的重要細(xì)節(jié)，如點(diǎn)、線、邊緣等“事件”的位置信息，大多包含在相位中，所以在特征提取時(shí)舍棄反映光照強(qiáng)度和對比度的幅值信息。

 

三是，基于奇異點(diǎn)的方法，虹膜圖像中的奇異點(diǎn)分兩種，過零點(diǎn)和極值點(diǎn)。

 

四是，基于多通道紋理濾波統(tǒng)計(jì)特征的方法，虹膜圖像可以看成是二維紋理，在頻域中的不同尺度和方向上會有區(qū)分性強(qiáng)的統(tǒng)計(jì)特征可供識別，這也是紋理分析中常用的方法。

 

五是，基于頻域分解系數(shù)的方法，圖像可以看成是由很多不同頻率和方向的基組成，通過分析圖像在每個(gè)基投影值的大小分布可以深入認(rèn)識圖像中具有規(guī)律性的信息。

 

六是，基于虹膜信號形狀特征的方法，虹膜信號形狀特征包括兩方面的信息，虹膜曲面凹凸起伏的二維形狀信息和沿著虹膜圓周的一維形狀信息。

 

七是，基于方向特征的方法，方向（Direction）或者朝向（Orientation）是一個(gè)相對值，對光照、對比度變化的魯棒性較強(qiáng)，而且可以描述局部灰度特征，是一種比較適合虹膜圖像特征表達(dá)的形式。

 

八是，基于子空間的方法，子空間的方法需要在較大規(guī)模的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集上根據(jù)定義的最優(yōu)準(zhǔn)則找到若干個(gè)最優(yōu)基，然后將原始圖像在最優(yōu)基上的投影系數(shù)作為降維的圖像特征。

 

特征匹配

 

特征匹配是指根據(jù)當(dāng)前采集的虹膜圖像進(jìn)行特征提取得到的特征編碼與數(shù)據(jù)庫中事先存儲的虹膜圖像特征編碼進(jìn)行比對、驗(yàn)證，從而達(dá)到識別的目的。

 

虹膜識技術(shù)的主要系統(tǒng)

 

目前影響力較大的虹膜識別系統(tǒng)主要有Daugman系統(tǒng)、Wildes系統(tǒng)、Boles系統(tǒng)和中科院虹膜系統(tǒng)等。

 

Daugman系統(tǒng)

 

目前國際上很多虹膜識別產(chǎn)品都使用了英國劍橋大學(xué)的Daugman博士提出的虹膜識別算法。算法中利用積分微分算子(Integro-differentialoperator)檢測虹膜的內(nèi)外圓邊界：

 

 

濾波后提取相位信息，并將所得到的相位信息量化為二值的虹膜編碼，共計(jì)2048比特。利用兩幅虹膜圖像所得到的二值編碼間的歸一化海明距離作為相似形度量對虹膜進(jìn)行比對識別。

 

另外此系統(tǒng)也采用了一種比較簡單、直觀的方法解決了虹膜紋理的旋轉(zhuǎn)性問題。原虹膜紋理的旋轉(zhuǎn)對應(yīng)著歸一化后的左右平移，所以Daugman采用將虹膜編碼左右平移較少的位數(shù)后分別比對，找出其中最小的海明距離作為兩個(gè)虹膜之間的相似性度量。

 

Wildes系統(tǒng)

 

Wildes系統(tǒng)與Daugman系統(tǒng)進(jìn)行對比，采用了不同的識別過程。首先，利用擴(kuò)展的Hough變換進(jìn)行虹膜內(nèi)外圓的檢測。在克服虹膜的平移、縮放和旋轉(zhuǎn)問題上，采用了圖像配準(zhǔn)的方法，而沒有將其歸一化到統(tǒng)一的矩形區(qū)域內(nèi)。

 

Wildes認(rèn)為僅采用2048比特的編碼來表示虹膜的紋理特征可能包含的信息量過少，所以其系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)量較大。他提出利用各向同向的高斯-拉普拉斯濾波器：

 

 

在不同分辨率下對圖像進(jìn)行濾波之后，逐次進(jìn)行1/2采樣，得到不同尺度的數(shù)據(jù)構(gòu)成4層金字塔結(jié)構(gòu)，利用這些數(shù)據(jù)作為虹膜識別的特征。最后使用Fisher分類器進(jìn)行分類。

 

Boles系統(tǒng)

 

Boles利用小波變換的過零點(diǎn)和兩個(gè)連續(xù)過零點(diǎn)之間的小波變換的積分平均值來表示虹膜特征。在對虹膜紋理圖像編碼前，先沿著以虹膜中心為圓心的同心圓對虹膜圖像采樣，把兩維的虹膜圖像變?yōu)橐痪S的信號，然后利用特定的小波函數(shù)對它進(jìn)行變換。這里“特定的”小波函數(shù)定義為某一光滑函數(shù)的兩階導(dǎo)數(shù)，即定義小波母函數(shù)為：

 

 

中科院虹膜系統(tǒng)

 

中國科學(xué)院的馬力、譚鐵牛等在他們的系統(tǒng)中不但提出了利用傅立葉變換來對虹膜圖像進(jìn)行質(zhì)量評估，并且在Daugman利用Gabor濾波器進(jìn)行特征提取的基礎(chǔ)上，將Gabor濾波器的調(diào)制函數(shù)進(jìn)行改進(jìn)，使其具有圓對稱的特性，表達(dá)式如下：

 

 

然后將濾波后的圖像分塊，提取每塊的均值和方差形成虹膜的特征向量。最后利用Fisher線形判據(jù)降低特征向量的維數(shù)，根據(jù)最近鄰分類器進(jìn)行特征匹配。與其它兩種經(jīng)典方法Daugman和Boles的方法相比，此方法也能取得較好的識別效果。

 

虹膜識別技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

 

電力/核電站/軍事領(lǐng)域

 

為了提高電站的網(wǎng)絡(luò)化、智能化、信息化，提升管理效率及安全性，采用目前國際上先進(jìn)的虹膜識別技術(shù)，結(jié)合計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)在數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)檢索、系統(tǒng)控制等方面優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)主要通道（出入口）的門禁管理、工作人員的人事考勤管理。并可根據(jù)變電站的設(shè)備現(xiàn)狀，改造成為具有虹膜身份認(rèn)證的防誤閉鎖系統(tǒng)，大大提高操作的安全性

 

工礦/企事業(yè)單位領(lǐng)域

 

 

礦井虹膜考勤系統(tǒng)是煤礦安全生產(chǎn)管理的重要組成部分，它可以使企業(yè)管理者及時(shí)了解井下生產(chǎn)狀況和人員組成，有效改進(jìn)安全生產(chǎn)管理和勞動組織方式，是提高安全生產(chǎn)效率的重要手段。市場上常見的是磁卡、IC卡、射頻卡等技術(shù)實(shí)現(xiàn)的考勤機(jī)，它無法解決替代性問題，而指紋等生物識別技術(shù)，也因?yàn)樽R別精度不夠，無法適應(yīng)井下惡劣環(huán)境、設(shè)備維護(hù)困難等問題不能滿足需要。虹膜識別考勤系統(tǒng)可以從根本上杜絕考勤時(shí)的替代現(xiàn)象，它的高安全性、快速識別和它在礦井井下獨(dú)具的易用性，是其它生物識別系統(tǒng)無法相比的。

 

監(jiān)獄/看守所/反恐／公安領(lǐng)域

 

 

監(jiān)獄：緩沖區(qū)門禁：對出入門禁的地方進(jìn)行虹膜認(rèn)證，確定身份。

 

流動人員的管理：對探監(jiān)人員進(jìn)行虹膜采集，探監(jiān)完成后進(jìn)行虹膜識別，以確定進(jìn)出的是否是同一人。

 

公安刑偵：準(zhǔn)確甑別犯罪嫌疑人；快速確認(rèn)罪犯身份；驗(yàn)證死刑犯身份等。

 

公安出入境管理：身份證/護(hù)照：可以通過虹膜來進(jìn)行身份識別。

 

路巡系統(tǒng)：檢查可疑人員

 

反恐：可以抓拍虹膜信息，與反恐怖分子信息比對識別。

 

新農(nóng)合/城鄉(xiāng)居民養(yǎng)老保險(xiǎn)／醫(yī)療衛(wèi)生/疾控/違禁藥品／病毒實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)域

 

社保社會化以后，因?yàn)閱挝坏陌徇w、變更、關(guān)閉等原因，造成投保人員流動、分散。所以確定投保人的生存狀況一直是社保支付理賠工作中的一個(gè)難題，解決這一難題的唯一出路只有采用生物識別技術(shù)進(jìn)行身份鑒別。

 

可以采用的生物識別技術(shù)有多種，例如，指紋、掌紋、聲紋、眼虹膜、面容、耳型、體味、DNA（人體細(xì)胞遺傳基因）等等。生物特征具有客觀性和唯一性，人各有異，終生不變，具有無法仿制的特點(diǎn)。

 

就各種生物識別技術(shù)來比較，從技術(shù)成熟度和使用方便角度來講，目前首推虹膜自動識別技術(shù)，特別適合社保系統(tǒng)的使用要求，同時(shí)也是最安全，精度最高的生物技術(shù)。

 

新型農(nóng)村合作醫(yī)療：在辦理新農(nóng)合時(shí)進(jìn)行虹膜采集，然后每次進(jìn)行虹膜驗(yàn)證時(shí)，只有通過驗(yàn)證后方可辦理相關(guān)業(yè)務(wù)。

 

金融/銀行/稅務(wù)領(lǐng)域

 

隨著金融行業(yè)的不斷發(fā)展，金融市場競爭日益加劇，銀行的管理也日趨規(guī)范化，安全問題成為重中之重，虹膜識別產(chǎn)品在銀行業(yè)的應(yīng)用是大勢所趨。

 

 

銀行金庫門禁：可以將有權(quán)限進(jìn)入金庫的人員的虹膜信息保存下來，在每次進(jìn)入金庫的時(shí)候都要進(jìn)行虹膜驗(yàn)證，通過驗(yàn)證方可進(jìn)入。也可以設(shè)置多人驗(yàn)證、異地驗(yàn)證，加強(qiáng)銀行金庫的安全性管理。

 

運(yùn)鈔車的管理：將運(yùn)鈔車相關(guān)人員的虹膜信息進(jìn)行采集保存，在出勤的時(shí)候進(jìn)行虹膜驗(yàn)證，同時(shí)也可以設(shè)置開啟錢柜的權(quán)限，只有具有權(quán)限的人員才能打開錢柜，有效保證了資金的安全性。

 

信貸人員的身份驗(yàn)證：將每次借貸的人員先進(jìn)行虹膜驗(yàn)證，如果存在此人的虹膜信息，則說明此人已借貸，可以停止發(fā)放貸款；如果沒有此人的虹膜信息，則保存起來，防止再一次的借貸，有效杜絕了資金的流失。

 

民航／機(jī)場/海關(guān)／口岸領(lǐng)域

 

 

虹膜識別系統(tǒng)已在國內(nèi)外許多領(lǐng)域正發(fā)揮著越來越大的作用，如在機(jī)場與海港海關(guān)的生物識別通關(guān)自動系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)及警方使用的身份檢測行動裝置等。虹膜身份識別系統(tǒng)可在需要的重點(diǎn)防范區(qū)域、通道、口岸應(yīng)用，對已認(rèn)證人員授予不同的權(quán)限，并對試圖強(qiáng)行通過的未經(jīng)認(rèn)證的人員，系統(tǒng)會自動采取措施將其封閉在警戒空間。自動快速通關(guān)是虹膜識別的一個(gè)典型應(yīng)用，它的應(yīng)用不僅使機(jī)場安全等級上升，緩解人流壓力，也會為機(jī)場帶來經(jīng)濟(jì)效益。在公共安全成為熱點(diǎn)問題的今天，虹膜識別技術(shù)在國內(nèi)機(jī)場的應(yīng)用必將和國際上一樣成為發(fā)展趨勢。

本文轉(zhuǎn)載自傳感器技術(shù)。

 

 

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