虹膜识别重在看人眼色行事.pdf

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1、Feature生物识别生物识别重要技术应用概览之虹膜识别重在看人“眼色”行事何召锋虹膜是位于人眼表面黑色瞳孔和白色巩膜之间的环状区域，在红外光下呈现出丰富的纹理信息，如斑点、条纹、细丝、冠装、隐窝等细节特征。虹膜识别技术采用专用光学图像采集仪采集人眼虹膜图像，然后通过数字图像处理技术、模式识别和人工智能技术对采集到的虹膜图像进行处理、存储、比对，实现对人员身份的认证和识别。在众多的生物特征识别技术中，虹膜识别因为其超群的唯一性、稳定性和非侵犯性而具有特殊的优势。近年来，虹膜识别得到了来自学术界、产业界、政府和军队等的广泛关注。虹膜识别的原理与系统虹膜是眼睛的一个组成部分，位于角膜的后方，晶状体

2、的前方，连接在眼睛的睫状肌上。它是眼睛有颜色的部分，虹膜的收缩和扩张决定了瞳孔的大小，从而使进入眼睛的光线正好适量。虹膜是眼睛的一个内部器官，位于虹膜之前的角膜是透明的，因此虹膜又是外部可见的。从外部看来，虹膜是位于人眼的黑色瞳孔和白色巩膜之间的圆环状区域。虹膜在一定波长的红外光 ( 一般在 700-900纳米之间 ) 照射下，总体上呈现一种由里到外的放射状结构，包含许多相互交错的类似于斑点、条纹、隐窝等形状的细微结构。通常，我们将这些细微特征称为虹膜的纹理特征。虹膜中包含有丰富的色素细胞，当外部光线照射到眼睛上时，由于不同人的色素细胞对光有不同的吸收率，使得虹膜呈现不同的颜色。但对同一种族的

3、人来说，虹膜具有十分相似的颜色，如中国人的虹膜绝大多数都呈现深褐色。从识别的角度来说，虹膜的颜色信息并不具有广泛的区分性，而那些相互交错的类似于斑点、细丝、冠状、条纹、隐窝等形状的细微特征才是虹膜唯一性的体现。这些细微特征在彩色图像和灰度图像中是一致的，因此我们采用灰度眼睛结构图和虹膜纹理示意图眨“眼”篇CNITSEC62 / 2013.03 Y:_b_J_O_E_E_ _焦点Focus图像进行虹膜身份识别的研究。计算机进行自动虹膜身份识别的原理就是利用特殊的图像采集装置获取虹膜的图像，然后采用一定的算法将虹膜图像中细微的特征转化为对应的特征向量，通过计算特征向量的相似性区分不同的虹膜，从而实

4、现身份鉴别的目的。虹膜身份识别系统涉及光学工程、机械设计、电子电路、计算机科学、信息科学、数学、模式识别、信号处理、数字图像分析、认知与心理学等多学科、多门类的技术，集理论与应用于一体。虹膜身份识别系统可以粗略的划分为图像获取、预处理和特征提取三个大步骤。虹膜识别系统中各个模块的功能概述如下：由于受成像时光照变化、睫毛和眼皮遮挡、瞳孔形变等因素的影响，同一只眼睛在不同时刻采集的虹膜图像不可能完全相同。一个好的虹膜特征描述方法应该对于类内图像的上述个体差异具有鲁棒性。在提高虹膜特征抗噪能力的同时，又要保证虹膜特征表达模型对类间图像纹理差异的敏感性。另外，随着虹膜识别应用范围的不断推广，虹膜数据库

5、的规模不断增加，用于虹膜图像比对和分类的时间也相应增加，一个好的虹膜分类器要能够快速高效地对大规模数据库进行搜索和比对。目前，主流的虹膜识别算法在单机单核情况下，每秒钟能够匹配100万人以上。虹膜识别的优势虹膜纹理具有很多适合用于人的身份认证的优良属性：唯一性： 生理学研究表明，虹膜纹理的细节特征是由胚胎发育环境的随机因素决定的，这种纹理细节的随机分布特性为虹膜的唯一性奠定了生理基础。研究表明，即使双胞胎、同一人左右眼的虹膜图像之间也具有显著的差异。第二个证据来源是发育生物学。科学家发现，尽管虹膜的基本结构依赖于内在的遗传基因，但是个体胚胎发育时的内环境却对虹膜独特的细微结构起着决定性作用。因

6、此，自然界不可能出现完全相同的两个虹膜。稳定性：虹膜从婴儿胚胎期的第 3 个月前开始发育，到第 8 个月虹膜的主要纹理结构已经形成。同时，由于角膜的保护作用，发育完全的虹膜不易受到外界的伤害。因此，由外部物理接触而导致虹膜改变的概率十分小。科学家们发现，除非经历危及眼睛的外科手术，虹膜纹理几乎终生不变。非接触性：虹膜是一个外部可见的内部器官，相对于指纹等需要接触采集的生物特征更加卫生、方便。这一点与指纹、脸像等人体外部器官有很大的区别：通过非接触 ( 甚至远距离 ) 的采集装置就能获取合格的虹膜图像。这在实际的应用中非常重要。防伪性：清晰虹膜纹理的获取需要专门的虹膜图像采集装置和用户的配合，所

7、以一般情况下（相对于指纹和人脸）很难盗取其他人的虹膜图像。此外，眼睛也具有很多优良的光学和生理特性可用于活体虹膜检测。 国外技术及应用现状基于虹膜识别的身份鉴别思想最早可以追溯到19世纪80年代，但是直到最近十几年来，虹膜识别才有了飞速的发展。由于眼科医生经常检查病人的眼睛，最早是由他们发现了虹膜的独特性, 并在20世纪80年代提出了利用虹膜进行人的身份识别的思想。但是第一套成功的虹膜识别算法则是由英国剑桥大学的John Daugman博士在1993年提出。虹膜识别极高的学术研究价值和广阔的市场应用前景吸引了来自学术界、企业界、政府机关的高度重视，虹膜图像的分析与识别技术及其应用也得到了迅猛的

8、发展。在国外，虹膜识别已经在军事、反恐、出CNITSEC2013.03/63Y:_b_J_O_E_E_ _Feature生物识别入境管理、机场安全管理、电子身份证件和人道主义援助等领域实现了规模化应用。如阿联酋已经建立了一个超大规模的虹膜识别架构，在 35 个入境口岸安装了虹膜识别仪，对驱逐出境者留存虹膜信息并对初次入境者扫描虹膜用于防止被驱逐出境者再次入境及进行恐怖分子黑名单对比。美国政府将虹膜识别作为重要的建设内容纳入其主导的四大生物特征识别工程（即美国国防部的自动生物特征识别系统（ABIS）、美国联邦调查局的下一代身份识别系统（NGI）、美国国土安全部的出入境管理系统（US-Visit）

9、和美国联邦政府的国土安全第12 号总统令（HSPD-12）；据不完全统计，仅在美国就有不少于 100 个监所应用了虹膜识别系统。澳大利亚新南威尔士州的监狱管理部门已在其所管辖的34个监所中应用了虹膜识别系统。为解决身份冒用阻碍国家发展的问题，印度已于 2009 年开始着手为全国 12 亿人口建立国民身份数据库，启动印度生物识别身份证项目（UID），其中就包括搜集所有人的虹膜及指纹信息用于身份验证，目前已经发出 1 亿张身份证，4年内将完成6亿人身份证的分发。墨西哥在 2011 年 1 月开始向国民发放新一代的身份证，该身份证中包含了国民的虹膜信息。在中东地区的多家银行，由英国 IrisGuar

10、d 公司开发的虹膜识别系统 iBank 已进入到银行核心业务系统，实现了基于虹膜识别的ATM机存取款、柜台交易、大额交易授权、客户背景检查（防止内部欺诈和非法交易）等服务。值得一提的是，IrisGuard 公司采用的虹膜识别核心技术由我国的中科院自动化所和中科虹霸提供，表明我国在虹膜识别核心技术研发方面已处于国际领先水平。 国内技术及应用现状在国家 973 计划、863 计划、国家自然科学基金等科研项目的资助下，中科院自动化所面向国家与公共安全领域的战略需求，“十年磨一剑”，组建了一支包括光学、电路、算法、系统等多学科领域精锐力量的科研团队，并成立了北京中科虹霸科技有限公司，专门从事虹膜识别技

11、术研究、产品研发和系统集成工作，先后历经三次技术革新，全面突破了虹膜识别领域的成像装置、图像处理、特征抽取、识别检索、安全防伪等一系列关键技术，不断突破虹膜识别易用性、鲁棒性、安全性、实时性的应用瓶颈，建立了关于虹膜识别比较系统的计算理论和方法体系，荣获国家技术发明二等奖，达到世界先进水平。在国际虹膜识别算法竞赛 NICE.I 和 NICE.II 中，中科院自动化所和中科虹霸团队提交的算法以绝对优势获得 NICE 系列虹膜识别算法竞赛的冠军。中科虹霸也成为国际上继美、英之后掌握虹膜识别核心技术的企业，也是目前国内唯一掌握成熟虹膜识别技术的国家级高新技术企业。在我国，虹膜识别技术仍然是一项新型的

12、高新技术，尚未进入普虹膜识别国际应用图例CNITSEC64 / 2013.03 Y:_b_J_O_E_E_ _焦点Focus通民众的日常应用中，但是市场增长速度较快，发展潜力巨大。目前，虹膜识别技术在国内最广泛、最成功、最迫切的应用在矿山安全生产领域。中国是一个产煤大国，同时也是矿难大国。尽管国家、政府、企业采取了多项措施，确保煤炭安全生产，但是全国煤矿安全生产形势依然严峻。人员身份认证是煤矿人员监管体系中最重要和核心的一部分。煤矿企业陆续建立了矿山人员管理系统，但目前多采用签到、矿灯号、IC 卡、射频卡等传统监管方式，存在着严重的易丢失、易伪造、易替代、易徇私舞弊等问题，无法根本上解决他人替

13、代打卡所带来的入井作业人数不确定、入井人员与登记人员不一致等问题，易导致现有的人员监测系统“形同虚设”。同时，政府监管部门缺乏有效的、信息化的人员监测技术，过份依赖人工监督检查，无法对辖区内煤矿井下人员信息进行实时准确监控。而相对于其他行业，煤矿应用环境恶劣，受煤粉、光照等环境因素，而且矿工从事繁重的体力活动，对矿工的身体，如手指、手掌、面部容易造成污染以及破损，因此致使无法通过这些特征进行身份认证。虹膜身份识别相对与其他生物认证技术（如指纹、脸像和声纹等）的高精确度、虹膜在人一生中的稳定性以及其友善的非接触式采集识别方式，使得虹膜身份识别特别适合煤矿行业应用。据了解，中科虹霸虹膜识别安全管理

14、监测平台已经在全国数百家煤炭企业应用，并受到各矿企的大力好评。此外，虹膜识别产品已广泛应用于我国国家安全部门、银行、军队门禁控制、监狱人员安全管理监测、灾区户籍管理、计生人员验证、考生身份识别等众多领域，并均取得了良好的应用效果，真正地将我国具有自主知识产权的虹膜识别技术推向了市场，打造了中国虹膜识别领域的民族品牌，提升了中国生物识别产业的国际竞争力。技术应用趋势随着一些巨型国家级项目（如生物护照、生物身份证等）的启动，整个全球生物认证产业的规模将有望达到数百亿美元的市场规模。虹膜识别技术是生物特征识别领域的新兴技术，相对指纹识别技术而言，进入市场较晚，但是发展速度很快，被广泛认为是二十一世纪

15、最具有发展前途的生物识别技术，必然会在未来生物识别市场占据主流地位。虹膜识别的良好发展前景已经得到了普遍的共识，全球知名调研公司 Acuity Market Intelligence 则进行了更为长期的预测，他们认为到 2015 年全球虹膜识别市场收入将超过 14 亿美元，占据 16% 的生物特征识别市场份额，超过指纹、人脸等，成为最大市场的单模态生物识别技术。为此，Panasonic、LG、OKI、IrisGuard、L1 等国际著名企业纷纷在虹膜成像技术上投入大量的人力、物力，新产品层出不穷，并在门禁、司法等多个领域得到成功应用。虹膜识别技术具有准确性高、稳定性强、速度快、防伪性强等优点，适合于大规模人群的身份识别，未来虹膜识别将广泛应用于矿山安全生产、监所人员管理、银行客户认证、电子护照、新一代身份证、国防军事、机场通关等领域。虹膜识别独有的“防黑脸”优势CNITSEC2013.03/65Y:_b_J_O_E_E_ _