虹膜識(shí)別

　　人的眼睛結(jié)構(gòu)由鞏膜、虹膜、瞳孔晶狀體、視網(wǎng)膜等部分組成。虹膜是位于黑色瞳孔和白色鞏膜之間的圓環(huán)狀部分，其包含有很多相互交錯(cuò)的斑點(diǎn)、細(xì)絲、冠狀、條紋、隱窩等的細(xì)節(jié)特征。而且虹膜在胎兒發(fā)育階段形成后，在整個(gè)生命歷程中將是保持不變的。這些特征決定了虹膜特征的唯一性，同時(shí)也決定了身份識(shí)別的唯一性。因此，可以將眼睛的虹膜特征作為每個(gè)人的身份識(shí)別對(duì)象。

　　例如，在好萊塢大片中，通過掃描眼睛視網(wǎng)膜開啟保密房間或保險(xiǎn)箱的炫酷場(chǎng)景，大家一定還記憶猶新吧！使用虹膜識(shí)別技術(shù)，為需要高度保密的場(chǎng)所提供了高度安全保障。

　　概述

     虹膜識(shí)別技術(shù)是人體生物識(shí)別技術(shù)的一種。

　　人眼睛的外觀圖由鞏膜、虹膜、瞳孔三部分構(gòu)成。鞏膜即眼球外圍的白色部分，約占總面積的30%；眼睛中心為瞳孔部分，約占5%；虹膜位于鞏膜和瞳孔之間，包含了最豐富的紋理信息，占據(jù)65%。外觀上看，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。虹膜的形成由遺傳基因決定，人體基因表達(dá)決定了虹膜的形態(tài)、生理、顏色和總的外觀。人發(fā)育到八個(gè)月左右，虹膜就基本上發(fā)育到了足夠尺寸，進(jìn)入了相對(duì)穩(wěn)定的時(shí)期。除非極少見的反常狀況、身體或精神上大的創(chuàng)傷才可能造成虹膜外觀上的改變外，虹膜形貌可以保持?jǐn)?shù)十年沒有多少變化。另一方面，虹膜是外部可見的，但同時(shí)又屬于內(nèi)部組織，位于角膜后面。要改變虹膜外觀，需要非常精細(xì)的外科手術(shù)，而且要冒著視力損傷的危險(xiǎn)。虹膜的高度獨(dú)特性、穩(wěn)定性及不可更改的特點(diǎn)，是虹膜可用作身份鑒別的物質(zhì)基礎(chǔ)。

　　在包括指紋在內(nèi)的所有生物識(shí)別技術(shù)中，虹膜識(shí)別是當(dāng)前應(yīng)用最為方便和精確的一種。虹膜識(shí)別技術(shù)被廣泛認(rèn)為是二十一世紀(jì)最具有發(fā)展前途的生物認(rèn)證技術(shù)，未來的安防、國防、電子商務(wù)等多種領(lǐng)域的應(yīng)用，也必然的會(huì)以虹膜識(shí)別技術(shù)為重點(diǎn)。這種趨勢(shì)已經(jīng)在全球各地的各種應(yīng)用中逐漸開始顯現(xiàn)出來，市場(chǎng)應(yīng)用前景非常廣闊。

　　虹膜識(shí)別研究機(jī)構(gòu)主要有美國的Iridian，Iriteck，韓國的Jiris公司、北京中科虹霸、北京虹安翔宇，日本松下。Iridian公司掌握虹膜識(shí)別核心算法，是目前全球最大的專業(yè)虹膜識(shí)別技術(shù)和產(chǎn)品提供商，它和LG、松下、OKI、NEC 等企業(yè)進(jìn)行合作（如IRISPASS®，BM-ET300，IG-H100®等產(chǎn)品），以授權(quán)方式提供虹膜識(shí)別核心算法，支持合作伙伴生產(chǎn)虹膜識(shí)別系統(tǒng)。Iridian 的核心技術(shù)還包括圖像處理協(xié)議和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)PrivateID®，識(shí)別服務(wù)器KnoWho®，KnoWho®開發(fā)工具及虹膜識(shí)別攝像頭等。

　　國內(nèi)在2000年以前在虹膜識(shí)別方面一直沒有自己的核心知識(shí)產(chǎn)權(quán)，經(jīng)過10年的不斷努力，截止2013年，國內(nèi)以形成北京為主虹膜研發(fā)生產(chǎn)聚集地，在多年研究的基礎(chǔ)上也均開發(fā)出了各自虹膜識(shí)別的核心算法，成為了世界上少數(shù)幾家掌握了虹膜識(shí)別核心算法的單位之一，通過在礦山苛刻的環(huán)境下使用，證明了中國的虹膜產(chǎn)品不管是在識(shí)別速度、設(shè)備穩(wěn)定、解決礦工黑臉問題上，都遠(yuǎn)勝國外虹膜產(chǎn)品。

　　作為中國首個(gè)開始虹膜識(shí)別機(jī)理研究的研究基地，中科院自動(dòng)化所模式識(shí)別國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的虹膜識(shí)別活體檢測(cè)技術(shù)不僅填補(bǔ)了中國活體虹膜識(shí)別技術(shù)在國際領(lǐng)域的空白，而且可以和世界主流的算法相媲美。2005年，實(shí)驗(yàn)室的虹膜識(shí)別科研成果榮獲“國家科學(xué)技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)”。2006年9月，模式識(shí)別國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室作為中國虹膜識(shí)別技術(shù)的權(quán)威，參加了由國際生物特征識(shí)別組織舉辦的生物識(shí)別技術(shù)測(cè)評(píng)（2006 Biometric Consortium Conference and 2006 Biometrics Technology experiment）， 其虹膜識(shí)別算法的速度和精度得到了國際同行的認(rèn)可。此外，模式識(shí)別國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的虹膜圖像數(shù)據(jù)庫已成為國際上最大規(guī)模的虹膜共享庫。已有70個(gè)國家和地區(qū)中的2000多個(gè)研究機(jī)構(gòu)申請(qǐng)使用，其中國外單位1500多個(gè)。

　　虹膜識(shí)別技術(shù)

　　虹膜是一種在眼睛中瞳孔內(nèi)的織物狀各色環(huán)狀物，每一個(gè)虹膜都包含一個(gè)獨(dú)一無二的基于像冠、水晶體、細(xì)絲、斑點(diǎn)、結(jié)構(gòu)、凹點(diǎn)、射線、皺紋和條紋等特征的結(jié)構(gòu)，據(jù)稱，沒有任何兩個(gè)虹膜是一樣的。

　　2識(shí)別過程虹膜識(shí)別就是通過對(duì)比虹膜圖像特征之間的相似性來確定人們的身份。虹膜識(shí)別技術(shù)的過程一般來說包含如下四個(gè)步驟：

　　1． 虹膜圖像獲取

　　使用特定的攝像器材對(duì)人的整個(gè)眼部進(jìn)行拍攝，并將拍攝到的圖像傳輸給虹膜識(shí)別系統(tǒng)的圖像預(yù)處理軟件。

　　2． 圖像預(yù)處理

　　對(duì)獲取到的虹膜圖像進(jìn)行如下處理，使其滿足提取虹膜特征的需求。

　　l 虹膜定位：確定內(nèi)圓、外圓和二次曲線在圖像中的位置。其中，內(nèi)圓為虹膜與瞳孔的邊界，外圓為虹膜與鞏膜的邊界，二次曲線為虹膜與上下眼皮的邊界。

　　l 虹膜圖像歸一化：將圖像中的虹膜大小，調(diào)整到識(shí)別系統(tǒng)設(shè)置的固定尺寸。

　　l 圖像增強(qiáng)：針對(duì)歸一化后的圖像，進(jìn)行亮度、對(duì)比度和平滑度等處理，提高圖像中虹膜信息的識(shí)別率。

　　3． 特征提取

　　采用特定的算法從虹膜圖像中提取出虹膜識(shí)別所需的特征點(diǎn)，并對(duì)其進(jìn)行編碼。

　　4． 特征匹配

　　將特征提取得到的特征編碼與數(shù)據(jù)庫中的虹膜圖像特征編碼逐一匹配，判斷是否為相同虹膜，從而達(dá)到身份識(shí)別的目的。

　　優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)

　　1.便于用戶使用；

　　2.可能會(huì)是最可靠的生物識(shí)別技術(shù)；

　　3.不需物理的接觸；

　　可靠性高

　　快捷方便：擁有本系統(tǒng)，不需要攜帶任何證件，就能實(shí)現(xiàn)門控，可單向亦可雙向；既可以被授權(quán)控制一扇門，也可以控制開啟多扇門；

　　授權(quán)靈活：本系統(tǒng)根據(jù)管理的需要，可任意調(diào)整用戶權(quán)限，隨時(shí)了解用戶動(dòng)態(tài)，包括客戶身份、操作地點(diǎn)、功能及時(shí)間次序等，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)智能管理；

　　無法復(fù)制：本系統(tǒng)以虹膜信息為密碼，不可復(fù)制；且每一次活動(dòng)，都可自動(dòng)記錄，便于追溯、查詢，非法情況則自動(dòng)報(bào)警；

　　配置靈活多樣：使用人和管理者可根據(jù)自身喜好、需要或場(chǎng)合的不同，設(shè)定不同的安裝及運(yùn)行方式。比如在大堂等公共場(chǎng)所，可以只采用輸入密碼的方式，但在重要場(chǎng)合，則禁止使用密碼，只采用虹膜識(shí)別方式，當(dāng)然也可以兩種方式同時(shí)使用；

　　投入少、免維護(hù)：裝配本系統(tǒng)可以保留原來的鎖，但其機(jī)械運(yùn)動(dòng)件減少，且運(yùn)動(dòng)幅度小，門栓的壽命更長(zhǎng)；系統(tǒng)免維護(hù)，并可隨時(shí)擴(kuò)充、升級(jí)，無須重新購置設(shè)備。長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，效益顯著，并可使管理檔次大大的提高［1］ 。

　　應(yīng)用行業(yè)廣泛：廣泛應(yīng)用于煤礦、銀行、監(jiān)獄、門禁、社保、醫(yī)療等多種行業(yè)；

　　缺點(diǎn)

　　1.很難將圖像獲取設(shè)備的尺寸小型化；

　　2. 設(shè)備造價(jià)高，無法大范圍推廣；

　　3.鏡頭可能產(chǎn)生圖像畸變而使可靠性降低；

　　4. 兩大模塊：硬件和軟件

　　5. 一個(gè)自動(dòng)虹膜識(shí)別系統(tǒng)包含硬件和軟件兩大模塊：虹膜圖像獲取裝置和虹膜識(shí)別算法。分別對(duì)應(yīng)于圖像獲取和模式匹配這兩個(gè)基本問題。

　　發(fā)展歷程

追溯至19世紀(jì)80年代。1885年，ALPHONSEBERTILLON將利用生物特征識(shí)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(zhǎng)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(dòng)虹膜識(shí)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(dòng)虹膜識(shí)別系統(tǒng)。

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

　　虹膜是位于眼睛黑色瞳孔和白色鞏膜之間的圓環(huán)狀部分，總體上呈現(xiàn)一種由里到外的放射狀結(jié)構(gòu)，由相當(dāng)復(fù)雜的纖維組織構(gòu)成，包含有很多相互交錯(cuò)的類似于

　　斑點(diǎn)、細(xì)絲、冠狀、條紋、隱窩等細(xì)節(jié)特征，這些特征在出生之前就以隨機(jī)組合的方式確定下來了，一旦形成終生不變。虹膜識(shí)別的準(zhǔn)確性是各種生物識(shí)別中最高的。

　　·采集

　　從直徑11mm的虹膜上，Dr.Daugman的算法用3.4個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)來代表每平方毫米的虹膜信息，這樣，一個(gè)虹膜約有266個(gè)量化特征點(diǎn)，而一般的生物識(shí)別技術(shù)只有13個(gè)到60個(gè)特征點(diǎn)。266個(gè)量化特征點(diǎn)的虹膜識(shí)別算法在眾多虹膜識(shí)別技術(shù)資料中都有講述，在算法和人類眼部特征允許的情況下，Dr. Daugman指出，通過他的算法可獲得173個(gè)二進(jìn)制自由度的獨(dú)立特征點(diǎn)。在生物識(shí)別技術(shù)中，這個(gè)特征點(diǎn)的數(shù)量是相當(dāng)大的。

　　·算法：

　　第一步是通過一個(gè)距離眼睛3英寸的精密相機(jī)來確定虹膜的位置。當(dāng)相機(jī)對(duì)準(zhǔn)眼睛后，算法逐漸將焦距對(duì)準(zhǔn)虹膜左右兩側(cè)，確定虹膜的外沿，這種水平方法受 到了眼瞼的阻礙。算法同時(shí)將焦距對(duì)準(zhǔn)虹膜的內(nèi)沿（即瞳孔）并排除眼液和細(xì)微組織的影響。 單色相機(jī)利用可見光和紅外線，紅外線定位在700-900mm的范圍內(nèi)（這是IR技術(shù)的低限，美國眼科學(xué)會(huì)在他們對(duì)macularcysts研究中使用同樣的范圍。） 在虹膜的上方，算法通過二維Gabor子波的方法來細(xì)分和重組虹膜圖象，第一個(gè)細(xì)分的部分被稱為phasor，要理解二維gabor子波的原理需要很深的數(shù)學(xué)知識(shí)。

　　·精確度：

　　虹膜識(shí)別技術(shù)是精確度最高的生物識(shí)別技術(shù)，具體描述如下：兩個(gè)不同的虹膜信息有75%匹配信息的可能性是1:106等錯(cuò)率：1:1200000兩個(gè)不同的虹膜產(chǎn)生相同虹膜代碼的可能性是1:1052

　　·錄入和識(shí)別：

　　虹膜的定位可在1秒鐘之內(nèi)完成，產(chǎn)生虹膜代碼的時(shí)間也僅需1秒的時(shí)間，數(shù)據(jù)庫的檢索時(shí)間也相當(dāng)快。處理器速度是大規(guī)模檢索的一個(gè)瓶頸，另外網(wǎng)絡(luò)和硬 件設(shè)備的性能也制約著檢索的速度。由于虹膜識(shí)別技術(shù)采用的是單色成像技術(shù)，因此一些圖像很難把它從瞳孔的圖像中分離出來。但是虹膜識(shí)別技術(shù)所采用的算法允許圖像質(zhì)量在某種程度上有所變化。相同的虹膜所產(chǎn)生的虹膜代碼也有25%的變化，這聽起來好像是這一技術(shù)的致命弱點(diǎn)，但在識(shí)別過程中，這種虹膜代碼的 變化只占整個(gè)虹膜代碼的10%，它所占代碼的比例是相當(dāng)小的。

　　應(yīng)用案例

　　美國新澤西州肯尼迪國際機(jī)場(chǎng)和紐約奧爾巴尼國際機(jī)場(chǎng)均安裝了虹膜識(shí)別儀，用于工作人員安檢，只有通過虹膜識(shí)別系統(tǒng)的檢測(cè)才能進(jìn)入例如停機(jī)坪和行李提取處等受限制場(chǎng)所。德國柏林的法蘭克福機(jī)場(chǎng)、荷蘭史基浦機(jī)場(chǎng)以及日本成田機(jī)場(chǎng)也安裝了虹膜出入境管理系統(tǒng)，應(yīng)用于乘客通關(guān)。

　　2006年1月30日，美國新澤西州的學(xué)校在校園里面安裝了虹膜識(shí)別的裝置進(jìn)行安全控制，學(xué)校的學(xué)生以及員工都不再使用任何形式的卡片與證件，只要他們?cè)诤缒z像頭之前經(jīng)過，他們的位置，身份便被系統(tǒng)識(shí)別出來，所有外來的人員都必須進(jìn)行虹膜資料的登錄才能進(jìn)入到校園中。同時(shí)，通過中央登錄與權(quán)限控制系統(tǒng)對(duì)進(jìn)入這個(gè)活動(dòng)范圍進(jìn)行控制。系統(tǒng)安裝以后，校園內(nèi)的各種違反校規(guī)以及侵犯、犯罪活動(dòng)大大減少，極大的減輕了校園管理難度。

　　在阿富汗，聯(lián)合國（UN）與美國聯(lián)邦難民署the United Nations refugee agency （UNHCR）使用虹膜識(shí)別系統(tǒng)鑒定難民的身份，以防止同一個(gè)難民多次領(lǐng)取救濟(jì)品。同樣的系統(tǒng)在巴基斯坦與阿富汗的難民營中使用?？偣灿谐^200萬的難民使用了虹膜識(shí)別系統(tǒng)，這套系統(tǒng)對(duì)于聯(lián)合國供品的分配人道主義援助物資起到了很關(guān)鍵的作用。

　　阿聯(lián)酋自2002年10月開始對(duì)被驅(qū)逐出境的外國人進(jìn)行虹膜注冊(cè)，通過在機(jī)場(chǎng)以及一些邊境檢查中使用虹膜識(shí)別系統(tǒng)，來阻止所有被阿聯(lián)酋所驅(qū)逐的外國人再次進(jìn)入阿聯(lián)酋。該系統(tǒng)不僅能防止被驅(qū)逐者再次入境，還能防止正在阿聯(lián)酋接受司法檢查的人員偽造證件擅自出境逃脫法律制裁。

　　2002年11月，德國巴伐利亞Bad Reichenhall市的市醫(yī)院的嬰兒房安裝了虹膜識(shí)別系統(tǒng)來確保嬰兒的安全。這是虹膜識(shí)別技術(shù)首次應(yīng)用在嬰兒保護(hù)方面。這套安全系統(tǒng)只允許嬰兒的母親、護(hù)士或者醫(yī)生進(jìn)入。一旦嬰兒出院，其母親的虹膜代碼數(shù)據(jù)就被從系統(tǒng)中刪除，而不再允許進(jìn)入。

　　華盛頓，pennsyvania和阿拉巴馬這三個(gè)城市的醫(yī)療保健體系是基于虹膜識(shí)別系統(tǒng)。該系統(tǒng)保證了病人醫(yī)療記錄不會(huì)在未授權(quán)的情況下被人看到。HIPPA采用了類似的系統(tǒng)來保證個(gè)人信息隱私以及安全。

　　2004年，位于波士頓的隸屬于金普頓酒店集團(tuán)的Nine Zero 酒店中的Cloud Nine penthouse 套房和員工通道安裝了LG IrisAccess 3000虹膜識(shí)別儀。

　　位于曼哈頓的Equinox Fitness 俱樂部的體育館中應(yīng)用了虹膜識(shí)別系統(tǒng)，用于俱樂部的VIP會(huì)員進(jìn)入配備全新設(shè)備和最好教練的專用區(qū)域。

　　美國Iriscan研制出的虹膜識(shí)別系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用在美國德克薩斯州聯(lián)合銀行的營業(yè)部，儲(chǔ)戶辦理銀行業(yè)務(wù)，只要攝像機(jī)對(duì)用戶的眼睛進(jìn)行掃描就可以對(duì)用戶的身份進(jìn)行檢驗(yàn)。

　　我國的第二代身份證就為虹膜、指紋等生物特征識(shí)別預(yù)留了空間。早在2004年4月10日，國際民用航空組織 （ICAO） 已經(jīng)要求 188 個(gè)成員國將含有持證人信息、虹膜、指紋等特定生物信息的IC芯片嵌入電子護(hù)照。

　　由于恐怖襲擊的存在，安全防范一直以來都是歷屆奧運(yùn)會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)，虹膜識(shí)別技術(shù)也以其獨(dú)有的優(yōu)點(diǎn)正越來越多地被應(yīng)用在奧運(yùn)安防中。例如，在1998年日本長(zhǎng)野冬季奧運(yùn)會(huì)中，虹膜識(shí)別系統(tǒng)被應(yīng)用在運(yùn)動(dòng)員和政府官員進(jìn)入奧運(yùn)村的控制，并使用虹膜識(shí)別技術(shù)對(duì)射擊項(xiàng)目的槍支進(jìn)行安全管理。2004年雅典奧運(yùn)會(huì)中，雅典奧組委啟用了包括虹膜識(shí)別在內(nèi)的生物特征識(shí)別身份鑒別系統(tǒng)，通過人臉、眼睛、指紋等身體器官及聲音、步態(tài)、筆跡等肢體行為的全套生物特征識(shí)別技術(shù)來確認(rèn)一個(gè)人的身份，對(duì)所有進(jìn)出機(jī)場(chǎng)、海關(guān)、火車站、奧運(yùn)場(chǎng)館的人通過攝像機(jī)自動(dòng)識(shí)別。