虹膜識(shí)別技術(shù)：原理及應(yīng)用

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生物識(shí)別是目前最方便、最安全的識(shí)別技術(shù)。它不需要攜帶任何證書或記住任何密碼。是一種方便、快捷、可靠的鑒別方法。生物特征識(shí)別是一種通過個(gè)體固有的生理或行為特征來識(shí)別個(gè)體的技術(shù)。常見的生物特征包括指紋、掌紋、虹膜、視網(wǎng)膜、臉型、聲音、筆跡和 DNA。

虹膜識(shí)別技術(shù)是一種我們既熟悉又陌生的感知識(shí)別技術(shù)，非常神秘但又比較常見。我們經(jīng)常在科幻小說中看到它，甚至在我們的日常生活中也可能遇到它。虹膜識(shí)別技術(shù)號(hào)稱是目前最準(zhǔn)確、最不假的感知識(shí)別技術(shù)，更增添了它的神秘感。

人眼的外觀由鞏膜、虹膜和瞳孔組成。鞏膜是眼球外圍的白色部分，眼睛的中心是瞳孔部分。虹膜位于鞏膜和瞳孔之間，含有最豐富的紋理信息。顯然，虹膜是人體中最獨(dú)特的結(jié)構(gòu)之一，由許多腺窩、褶皺和色素斑組成。

在脊椎動(dòng)物眼球的角膜和晶狀體之間，球狀和有色的膜是血管膜的一部分，其中心是瞳孔。虹膜前部覆蓋有一層內(nèi)皮；中間層是疏松結(jié)締組織，富含血管和色素細(xì)胞。不同的色素含量可使虹膜呈現(xiàn)不同的顏色，虹膜無色素時(shí)呈藍(lán)色；色素由少到多時(shí)，虹膜可呈灰色、棕色至棕黑色。

虹膜后有兩層色素上皮，其內(nèi)部上皮分化為平滑肌。由內(nèi)向外呈放射狀排列的肌纖維稱為瞳孔張開肌。瞳孔受交感神經(jīng)支配，瞳孔擴(kuò)大，肌纖維在瞳孔邊緣呈圓形排列，稱為瞳孔括約肌。受副交感神經(jīng)支配，瞳孔縮小。

每個(gè)虹膜所包含的信息是不同的，相同虹膜組織的可能性遠(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)虹膜圖像具有 244 個(gè)獨(dú)立的自由度，即每平方毫米的平均信息量為 3.2 位。

虹膜纖維組織的細(xì)節(jié)復(fù)雜而豐富，其形成與胚胎發(fā)生過程中組織局部的理化條件有關(guān)。它具有很大的隨機(jī)性。即使是克隆技術(shù)也無法復(fù)制虹膜。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也會(huì)不同。國家物理實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試結(jié)果表明，在所有生物特征識(shí)別方法中，虹膜識(shí)別的錯(cuò)誤率最低。

虹膜從胚胎期的第三個(gè)月開始發(fā)育，到第八個(gè)月，虹膜的主要紋理結(jié)構(gòu)已經(jīng)形成。除非經(jīng)歷過危及眼睛的手術(shù)，否則虹膜幾乎在余生中都將保持不變。由于角膜的保護(hù)作用，發(fā)達(dá)的虹膜不易受到外界的傷害。

虹膜是人眼可見的部分。虹膜受鞏膜保護(hù)，具有很強(qiáng)的生物活性。例如，瞳孔的大小隨著光強(qiáng)的變化而變化；看物體時(shí)有一個(gè)無意識(shí)的調(diào)整過程；每秒無意識(shí)的瞳孔放大十次以上；當(dāng)人腦死亡、處于深度昏迷狀態(tài)或眼球組織與人體分離時(shí)，虹膜組織完全萎縮，瞳孔擴(kuò)大。這些生物活動(dòng)與人類的生命現(xiàn)象是共生的，因此無法用照片、視頻或尸體的虹膜來代替活體虹膜圖像，這就保證了生理組織的真實(shí)性。

虹膜是一種外部可見的內(nèi)部器官，可以在不依賴采集設(shè)備的情況下獲得合格的虹膜圖像。該識(shí)別方法比指紋、手形等需要接觸感知的生物特征更清潔、更健康，并且不會(huì)降低成像設(shè)備的性能，也不會(huì)影響他人的識(shí)別。

在眼睛圖像中，與虹膜相鄰的區(qū)域是瞳孔和鞏膜。這兩者與虹膜區(qū)域之間存在明顯的灰度變化，區(qū)域的兩個(gè)邊界都接近圓形，因此虹膜區(qū)域易于擬合、分割和歸一化。虹膜結(jié)構(gòu)有利于具有平移、縮放和旋轉(zhuǎn)不變性的模式表示。

唯一性、穩(wěn)定性和防偽性是二維碼、RFID等其他感知識(shí)別技術(shù)無法比擬的。此外，虹膜作為人類唯一可以從外部直接觀察到的內(nèi)部組織，包含著豐富的信息。虹膜識(shí)別已經(jīng)成為一種非常重要的環(huán)境感知識(shí)別技術(shù)，尤其是對(duì)于高保密要求的識(shí)別技術(shù)。

虹膜識(shí)別通過比較虹膜圖像特征之間的相似性來確定人的身份。虹膜識(shí)別的核心是利用模式識(shí)別和圖像處理方法對(duì)人眼的虹膜特征進(jìn)行描述和匹配，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的個(gè)人身份認(rèn)證。虹膜識(shí)別的主要步驟包括虹膜圖像采集、預(yù)處理、特征提取、編碼和分類。

虹膜圖像采集是指利用特定的數(shù)碼相機(jī)設(shè)備對(duì)整個(gè)人眼進(jìn)行拍照，將捕捉到的圖像通過圖像采集卡傳輸?shù)接?jì)算機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)。虹膜圖像的獲取是虹膜識(shí)別的第一步，也是困難的一步。它需要光學(xué)、機(jī)械和電氣技術(shù)的綜合應(yīng)用。

由于人眼的面積較小，如果要滿足識(shí)別算法對(duì)圖像分辨率的要求，就必須提高光學(xué)系統(tǒng)的放大倍數(shù)，從而導(dǎo)致虹膜成像的景深變小。因此，現(xiàn)有的虹膜識(shí)別系統(tǒng)要求用戶停在合適的位置，同時(shí)眼睛盯著鏡頭（Stop and Stare）。此外，東方虹膜顏色較深，無法用普通相機(jī)拍攝可識(shí)別的虹膜圖像。不同于人臉圖像和步態(tài)等生物特征的圖像采集，虹膜圖像采集需要設(shè)計(jì)合理的光學(xué)系統(tǒng)，配備必要的光源和電子控制單元。

圖像預(yù)處理是指由于捕獲的人眼圖像包含大量冗余信息，在清晰度等方面不能滿足要求，需要進(jìn)行圖像平滑、邊緣檢測(cè)、圖像分離等預(yù)處理操作。

虹膜圖像預(yù)處理的過程通常包括虹膜定位、虹膜圖像歸一化和圖像增強(qiáng)。

? 虹膜定位

一般認(rèn)為虹膜的內(nèi)外邊界可以用圓形近似擬合。內(nèi)圈代表虹膜和瞳孔的分界線，外圈代表虹膜和鞏膜的分界線，但這兩個(gè)圓不是同心圓。

通常，虹膜靠近上下眼瞼的部分總是被眼瞼覆蓋，因此需要檢測(cè)虹膜與上下眼瞼的邊界，從而準(zhǔn)確確定虹膜的有效面積。虹膜與上下眼瞼之間的邊界可以用兩度曲線表示。虹膜定位的目的是確定這兩個(gè)圓和兩個(gè)度數(shù)曲線在圖像中的位置。常用的定位方法大致可以分為兩類：一類是邊緣檢測(cè)與霍夫變換的結(jié)合；另一種是基于邊緣搜索的方法。

這兩種方法的共同缺點(diǎn)是運(yùn)算時(shí)間長，所以在上述兩種策略的基礎(chǔ)上有一些改進(jìn)的方法，但是速度并沒有提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。定位仍然是虹膜識(shí)別中最長的操作步驟之一。

? 虹膜圖像標(biāo)準(zhǔn)化

虹膜圖像歸一化的目的是將虹膜調(diào)整到固定大小。到目前為止，還沒有得到虹膜紋理隨光照變化的準(zhǔn)確數(shù)學(xué)模型。因此，從事虹膜識(shí)別的研究人員主要采用映射方法對(duì)虹膜圖像進(jìn)行歸一化。如果能夠近似模擬或模擬虹膜紋理隨光照強(qiáng)度變化的過程，將有助于提高虹膜識(shí)別系統(tǒng)的性能。

? 照片增強(qiáng)

圖像增強(qiáng)的目的是解決人眼圖像光照不均導(dǎo)致歸一化圖像對(duì)比度低的問題。為了提高識(shí)別率，需要對(duì)歸一化圖像進(jìn)行增強(qiáng)。

特征提取是通過一定的算法從分離的虹膜圖像中提取獨(dú)特的特征點(diǎn)并對(duì)其進(jìn)行編碼。主要的虹膜特征提取和識(shí)別方法可以分為八類。

1）基于圖像，將虹膜圖像視為二維量場(chǎng)，像素的灰度值形成聯(lián)合分布，圖像矩陣之間的相關(guān)性衡量相似度。

2）基于相位，該方法認(rèn)為圖像中的大部分重要細(xì)節(jié)，如點(diǎn)、線、邊緣等“事件”的位置信息，都包含在相位中，因此幅度信息反映了光照強(qiáng)度和對(duì)比度在特征提取中被丟棄。

3）基于奇異點(diǎn)，虹膜圖像有兩種奇異點(diǎn)：零交叉點(diǎn)和極值點(diǎn)。

4）基于多通道紋理濾波的統(tǒng)計(jì)特征，虹膜圖像可以看成二維紋理，在頻域不同尺度和方向上會(huì)有很強(qiáng)的判別統(tǒng)計(jì)特征進(jìn)行識(shí)別，這也是一種常用的識(shí)別方法。紋理分析中使用的方法。

5) 基于頻域的分解系數(shù)，可以將一幅圖像看作是由許多不同頻率和方向組成的基。通過分析圖像各個(gè)基投影值的分布，可以深入了解圖像中信息的規(guī)律性。

6）基于虹膜信號(hào)的形狀特征，虹膜信號(hào)的形狀特征包括兩個(gè)方面：虹膜凹凸表面的二維形狀信息和虹膜周邊的一維形狀信息。

7）基于方向特征，方向或定向是一個(gè)相對(duì)值，對(duì)光照和對(duì)比度變化具有魯棒性，可以描述局部灰度特征。是一種更適合虹膜圖像特征表達(dá)的形式。

8）基于子空間，子空間方法需要根據(jù)定義的最優(yōu)準(zhǔn)則在一個(gè)大的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集上找到幾個(gè)最優(yōu)基，然后在最優(yōu)基上取原始圖像的投影系數(shù)作為降維的圖像特征。

特征匹配是指將當(dāng)前獲取的虹膜圖像的特征編碼與預(yù)先存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中的特征編碼進(jìn)行比較驗(yàn)證，從而達(dá)到識(shí)別的目的。

為提高電廠的網(wǎng)絡(luò)化、智能化、信息化、管理效率和安全性，采用國際先進(jìn)的虹膜識(shí)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)檢索和系統(tǒng)控制等方面的優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)主要通道（出入口）的門禁管理和人員考勤管理。根據(jù)變電站設(shè)備狀態(tài)，可改造為帶有虹膜身份認(rèn)證的防誤鎖系統(tǒng)，大大提高了操作安全性。

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?？梢允蛊髽I(yè)管理人員及時(shí)了解井下生產(chǎn)情況和人員構(gòu)成，有效改進(jìn)安全生產(chǎn)管理和勞動(dòng)組織模式。是提高安全生產(chǎn)效率的重要手段。

市場(chǎng)上常見的是磁卡、IC卡、射頻卡等實(shí)現(xiàn)的考勤機(jī)，不能解決替代問題，指紋等生物識(shí)別技術(shù)不能適應(yīng)苛刻的環(huán)境。地下環(huán)境，因?yàn)樗淖R(shí)別精度不夠。設(shè)備維修困難等問題不能滿足需要。虹膜識(shí)別考勤系統(tǒng)從根本上杜絕了考勤替代現(xiàn)象，安全性高。性能、快速識(shí)別及其在地下礦井中的獨(dú)特用途是其他生物識(shí)別系統(tǒng)無法比擬的。

• 監(jiān)獄：緩沖區(qū)訪問控制：虹膜認(rèn)證和出入口區(qū)域的識(shí)別。

• 流動(dòng)人員管理：采集虹膜，來訪后識(shí)別虹膜，判斷是否為同一人

• 刑偵：準(zhǔn)確識(shí)別犯罪嫌疑人；快速識(shí)別犯罪分子；核實(shí)死囚身份。

• 出入境管理：身份證/護(hù)照：虹膜識(shí)別。

• 道路巡邏系統(tǒng)：查出可疑人員

• 反恐：捕捉虹膜信息，與反恐信息進(jìn)行比對(duì)。

• 社保社會(huì)化后，因單位搬遷、變更、關(guān)閉，參保人員流動(dòng)分散。因此，在社會(huì)保險(xiǎn)繳費(fèi)結(jié)算工作中，確定參保人的生存狀況一直是一個(gè)難題。解決這個(gè)問題的唯一方法是使用生物特征識(shí)別技術(shù)來識(shí)別被保險(xiǎn)人。

• 社保社會(huì)化后，因單位搬遷、變更、關(guān)閉等原因，造成參保人流動(dòng)、分散。因此，確定被保險(xiǎn)人的生活狀況一直是社保繳費(fèi)和理賠中的一個(gè)難題。解決這個(gè)問題的唯一方法是使用生物特征識(shí)別技術(shù)進(jìn)行識(shí)別。

• 可以使用的生物識(shí)別技術(shù)有很多種，例如指紋、掌紋、聲紋、虹膜、面部、耳形、體味、DNA（人類細(xì)胞遺傳基因）等等。生物特征是客觀獨(dú)特的，人因人而異，終生不變，不可復(fù)制。

• 與其他生物識(shí)別技術(shù)相比，從技術(shù)成熟度和便捷性來看，虹膜自動(dòng)識(shí)別特別適合社保系統(tǒng)的使用，也是最安全、最準(zhǔn)確的生物技術(shù)。

• 新型農(nóng)村合作醫(yī)療：在新型農(nóng)村合作醫(yī)療管理過程中進(jìn)行虹膜采集，之后每次進(jìn)行虹膜核驗(yàn)，核對(duì)后才能辦理相關(guān)業(yè)務(wù)。

• 隨著金融業(yè)的發(fā)展，金融市場(chǎng)的競爭越來越激烈，****的管理越來越規(guī)范，安全問題成為最重要的問題。虹膜識(shí)別在****業(yè)的應(yīng)用是大勢(shì)所趨。

• ****金庫門禁：可以保存有權(quán)進(jìn)入****金庫的人的虹膜信息，每次進(jìn)入金庫都要進(jìn)行虹膜驗(yàn)證，只能通過驗(yàn)證才能訪問。還可以設(shè)置多人驗(yàn)證和遠(yuǎn)程驗(yàn)證，加強(qiáng)****金庫的安全管理。

• 收銀車管理：收集并保存收銀員相關(guān)人員的虹膜信息，在值班時(shí)進(jìn)行虹膜校驗(yàn)，同時(shí)還可以設(shè)置打開收銀柜的權(quán)限，只有持有人權(quán)限可開啟現(xiàn)金柜，有效保證資金安全。

• 信貸人員身份驗(yàn)證：首先對(duì)每個(gè)借款人進(jìn)行虹膜驗(yàn)證。如果有借款人的虹膜信息，則表示借款人已經(jīng)借款，應(yīng)停止發(fā)放貸款?？梢苑乐乖俅谓杩睿行ё柚官Y金流失。如果沒有此人的虹膜信息，則保存。

虹膜識(shí)別系統(tǒng)在很多領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用，例如機(jī)場(chǎng)和港口海關(guān)之間的自動(dòng)生物特征清關(guān)系統(tǒng)，檢測(cè)系統(tǒng)和警察使用的身份檢測(cè)設(shè)備等。 虹膜識(shí)別系統(tǒng)可以使用在需要的重點(diǎn)防御區(qū)域、通道和口岸，對(duì)經(jīng)過認(rèn)證的人員授予不同的權(quán)限，并自動(dòng)采取措施將試圖強(qiáng)行通過的未授權(quán)人員封閉在警戒空間內(nèi)。

自動(dòng)快速通關(guān)是虹膜識(shí)別的典型應(yīng)用。不僅提高了機(jī)場(chǎng)的安全水平，緩解了客流壓力，還為機(jī)場(chǎng)帶來了經(jīng)濟(jì)效益。在公共安全成為熱點(diǎn)問題的今天，虹膜識(shí)別技術(shù)在機(jī)場(chǎng)的應(yīng)用將成為國際上的發(fā)展趨勢(shì)。

1. 虹膜識(shí)別有什么用？

虹膜識(shí)別是一種生物特征識(shí)別的自動(dòng)化方法，它使用數(shù)學(xué)模式識(shí)別技術(shù)對(duì)個(gè)人眼睛的一個(gè)或兩個(gè)虹膜的視頻圖像進(jìn)行識(shí)別，虹膜的復(fù)雜模式是獨(dú)特的、穩(wěn)定的，并且可以在一定距離內(nèi)看到。

2. 虹膜識(shí)別是如何工作的？

虹膜掃描測(cè)量虹膜中的獨(dú)特圖案，即人眼中的彩色圓圈。生物特征虹膜識(shí)別掃描儀的工作原理是用不可見的紅外光照射虹膜，以獲取肉眼看不到的獨(dú)特圖案。

3. 是什么讓虹膜掃描成為識(shí)別人的有效技術(shù)？

虹膜識(shí)別是一種生物識(shí)別方法，可根據(jù)眼睛瞳孔周圍環(huán)形區(qū)域內(nèi)的獨(dú)特模式識(shí)別人。每個(gè)虹膜對(duì)個(gè)人來說都是獨(dú)一無二的，使其成為生物特征驗(yàn)證的理想形式。

4. 為什么虹膜識(shí)別最好？

虹膜掃描比指紋更具包容性，無法以可接受的質(zhì)量提供它們的人更少。它們對(duì)于身份驗(yàn)證也更加精確，在接受和拒絕錯(cuò)誤之間具有更好的權(quán)衡曲線。

5、虹膜識(shí)別的優(yōu)缺點(diǎn)是什么？

虹膜識(shí)別的優(yōu)缺點(diǎn)

? 掃描時(shí)沒有身體接觸（更衛(wèi)生）。

? 準(zhǔn)確的匹配性能。

? 可以遠(yuǎn)距離捕獲（使用高級(jí)軟件和光學(xué)器件）。

? 虹膜受角膜保護(hù)，因此不會(huì)隨著年齡的增長而發(fā)生太大變化。

? 難以欺騙。

6. 虹膜和指紋哪個(gè)更安全？

贏家是虹膜掃描儀。指紋掃描儀更便宜，而且安全性較低。我們?cè)谖覀兘佑|的每個(gè)表面上都會(huì)留下指紋。該傳感器也不適用于過度臟污或潮濕的手指。

7. 虹膜會(huì)隨時(shí)間變化嗎？

假設(shè)虹膜作為生物識(shí)別標(biāo)識(shí)符在一段時(shí)間內(nèi)是穩(wěn)定的。... 雖然現(xiàn)有結(jié)果對(duì)于錯(cuò)誤拒絕隨時(shí)間的增加是正確的，但我們觀察到這主要是由于其他協(xié)變量的存在，例如模糊、噪聲、遮擋和瞳孔擴(kuò)張。

8. 你的虹膜和指紋一樣獨(dú)特嗎？

用于虹膜 ID 掃描的算法針對(duì)虹膜中的大約 240 個(gè)獨(dú)特特征來確定身份。這大約是指紋識(shí)別的 5 倍。錯(cuò)誤率大約為百萬分之一——當(dāng)您將其與另一項(xiàng)生物識(shí)別掃描（如指紋識(shí)別和面部識(shí)別）相關(guān)聯(lián)時(shí)，錯(cuò)誤率甚至更低。

9. 什么是虹膜碼？

虹膜代碼是一組位，每個(gè)位指示在虹膜圖像上的給定點(diǎn)應(yīng)用的給定帶通紋理濾波器是否具有負(fù)或非負(fù)結(jié)果。

10. 最常見的虹膜圖案是什么？

你的虹膜是顏色和圖案的萬花筒。三種最常見的虹膜圖案是色素環(huán)、隱窩和溝紋。