虹膜識(shí)別終端系統(tǒng)限制因素分析及研究

虹膜屬于眼球中層，位于血管膜的最前部，在睫狀體前方，有自動(dòng)調(diào)節(jié)瞳孔的大小，調(diào)節(jié)進(jìn)入眼內(nèi)光線多少的作用。位于血管膜的最前部，虹膜中央有瞳孔。在馬、牛瞳孔的邊緣上有虹膜粒。在未來的世界里，我們不再需要隨身攜帶身份證明文件，因?yàn)檠劬缒y(cè)試系統(tǒng)將會(huì)全面普及。只要利用激光儀掃一掃你的虹膜，便可即時(shí)確認(rèn)你的身份。你還可以利用這種系統(tǒng)在家中發(fā)布各種指令；出外購(gòu)物亦不需帶現(xiàn)金或信用卡；甚至處理各種商貿(mào)業(yè)務(wù)或出外遠(yuǎn)行也一掃了之。要享受這種方便，你就得放棄個(gè)人隱私，因?yàn)槟闼鞯娜魏谓灰?，均?huì)被電腦記錄在案，并且有可能被別人竊取。人類眼睛的虹膜與手指紋一樣，是獨(dú)一無二的。正因?yàn)檫@樣英國(guó)劍橋大學(xué)的約翰·多曼博士便發(fā)明了虹膜身份測(cè)定技術(shù)。簡(jiǎn)單地說，虹膜測(cè)定技術(shù)是將虹膜的外觀特征轉(zhuǎn)化為512比特的虹膜密碼，再儲(chǔ)存在模板內(nèi)備作確認(rèn)?；驹碇饕峭ㄟ^對(duì)比虹膜紋理圖像特征之間的相似性來確定人體的身份，其核心是經(jīng)計(jì)算機(jī)進(jìn)行大量的多種算法，使用模式識(shí)別、圖像處理等方法對(duì)人眼的虹膜紋理特征進(jìn)行描述和匹配（如早期應(yīng)用Gabor小波對(duì)虹膜紋理編碼，用漢民距離對(duì)虹膜模版進(jìn)行匹配），從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的人體身份鑒別。

1 虹膜識(shí)別系統(tǒng)的構(gòu)成

虹膜識(shí)別系統(tǒng)是英國(guó)劍橋大學(xué)開發(fā)的一種利用人的眼虹膜生物信息特征進(jìn)行身份鑒定的技術(shù)。研究表明，每個(gè)人的虹膜特征各不相同，這一點(diǎn)連雙胞胎也不例外。早在20世紀(jì)30年代，人們就提出了利用眼虹膜進(jìn)行身份識(shí)別的設(shè)想，但直到英國(guó)劍橋大學(xué)的約翰？多格曼研究出一種新的數(shù)學(xué)編碼方式，眼虹膜識(shí)別技術(shù)才最終走入實(shí)用階段。后來開發(fā)的眼虹膜識(shí)別系統(tǒng)，都是以這一數(shù)學(xué)編碼為基礎(chǔ)的。利用該編碼系統(tǒng)，只要用相機(jī)將不同人的虹膜特征拍攝下來并儲(chǔ)存到計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫中，就可以作為身份識(shí)別的依據(jù)。

虹膜識(shí)別系統(tǒng)由軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)組成，其中軟件系統(tǒng)即虹膜信息處理系統(tǒng)，用以實(shí)現(xiàn)虹膜圖像處理、用戶登記、用戶識(shí)別、虹膜圖像存儲(chǔ)管理、虹膜特征存儲(chǔ)管理等功能。構(gòu)成框圖如圖1所示。硬件系統(tǒng)包括虹膜圖像采集系統(tǒng)以及支持虹膜信息處理系統(tǒng)運(yùn)行的硬件環(huán)境。

目前市場(chǎng)上較成熟的計(jì)算機(jī)核心算法有英國(guó)劍橋大學(xué)的Daugman技術(shù)、英國(guó)巴斯大學(xué)的MJRLIN技術(shù)以及中國(guó)科學(xué)院的技術(shù)。本文實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用英國(guó)巴斯大學(xué)的MIRLIN技術(shù)。　

2 受限條件下的虹膜紋理圖像采集技術(shù)分析

國(guó)際人眼安全標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)要求虹膜圖像采集裝置為實(shí)時(shí)自動(dòng)無侵害的虹膜光學(xué)成像裝置。目前世界上主流的虹膜鏡頭采用640×480像素以上的CMOS逐行掃描攝像頭，其中在人眼虹膜直徑范圍內(nèi)要求至少有100個(gè)像素采集點(diǎn)以上，盡可能地保留原始虹膜圖像的特征。根據(jù)ISO/IEC 19794-6圖像標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)確保黑暗環(huán)境下拍攝的需要，光源選擇波長(zhǎng)為720~900nm的近紅外光源，輻照功率<0.5mW/cm2,對(duì)眼睛無傷害。攝像頭的傳輸速率設(shè)為251幀/s,保證視頻流的實(shí)時(shí)傳輸。拍攝過程中，中央處理模塊對(duì)每幀圖像作實(shí)時(shí)分析，直至該幀圖像滿足判別標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)該數(shù)據(jù)幀被傳輸?shù)胶缒ぷR(shí)別處理器核心模塊做相應(yīng)的判別處理。整體硬件設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖2所示。　

在共計(jì)352730次試驗(yàn)中我們發(fā)現(xiàn)，實(shí)際系統(tǒng)虹膜圖像采集成功與否的幾個(gè)重要限制因子包括人機(jī)的交互配合、光強(qiáng)度等系統(tǒng)外界限制。因此系統(tǒng)的適用性設(shè)計(jì)十分重要。為達(dá)到全自動(dòng)智能化虹膜采集，通過數(shù)萬次的實(shí)驗(yàn)，我們總結(jié)出系統(tǒng)設(shè)計(jì)有如下幾方面的考慮：

2.1 距離感應(yīng)

首先，攝像頭模塊須外置用戶距離感應(yīng)傳感器用以監(jiān)測(cè)個(gè)體的存在。傳感器的選型可為接觸式（如讀卡器或密碼開關(guān)模塊等）和非接觸式模塊（如紅外感應(yīng)或雙肩探頭模塊等），考慮到系統(tǒng)今后的兼容性，與CPU的接口設(shè)計(jì)建議使用GPIO連接。

傳感器是一種物理裝置或生物器官，能夠探測(cè)、感受外界的信號(hào)、物理?xiàng)l件（如光、熱、濕度）或化學(xué)組成（如煙霧），并將探知的信息傳遞給其他裝置或器官。它能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。傳感器是一種檢測(cè)裝置，能感受到被測(cè)量的信息，并能將檢測(cè)感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。它是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié)。

2.2 人機(jī)交互

攝像頭內(nèi)置應(yīng)用軟件可以使用多國(guó)語言指導(dǎo)用戶作相應(yīng)的上機(jī)操作。根據(jù)內(nèi)嵌的距離感應(yīng)傳感器模塊將用戶的距離反饋到中央處理器，然后以語音輸出的形式指導(dǎo)用戶調(diào)整頭部位置直至進(jìn)入合適的成像區(qū)域?；蛘呤褂靡曈X上的多色指示燈也可以滿足這個(gè)效果。

2.3 可調(diào)成像深度

攝像頭的成像深度是另外一個(gè)限制條件。為減少該限制因子的影響，提高系統(tǒng)的使用性能，攝像頭應(yīng)該有一定范圍的成像深度。在這個(gè)范圍內(nèi)，光學(xué)鏡頭可以自動(dòng)調(diào)節(jié)焦距實(shí)時(shí)成像。本試驗(yàn)系統(tǒng)的成像深度在22~36cm范圍內(nèi)均可正常成像。減小了系統(tǒng)對(duì)用戶操作的限制。

2.4 頭部?jī)A斜檢測(cè)

攝像頭同時(shí)需要具有"頭部?jī)A斜檢測(cè)"功能模塊，來檢測(cè)用戶的頭部是否傾斜超過一定范圍導(dǎo)致無法正常進(jìn)行后續(xù)的匹配判別。消除用戶因頭部位置不當(dāng)導(dǎo)致認(rèn)證失敗的限制，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.5 眼鏡/墨鏡檢測(cè)

眼鏡鏡片會(huì)對(duì)攝像頭入射的閃光燈進(jìn)行反射，從而導(dǎo)致采集的虹膜圖像有強(qiáng)烈的反射亮斑。如果該亮斑位于虹膜區(qū)域內(nèi)，將導(dǎo)致匹配誤差。因此攝像頭需要有特制的偏光性能，消除反光，同時(shí)使色彩更鮮艷，增強(qiáng)圖像的對(duì)比度以及圖像特征的提取。圖3為實(shí)驗(yàn)中佩戴眼鏡所采集的未偏光與偏光后虹膜成像效果的對(duì)比。

2.6 高度可調(diào)

不同用戶高矮差異是制約虹膜采集系統(tǒng)的另外一個(gè)限制因素。本系統(tǒng)使用滑道工業(yè)設(shè)計(jì)允許攝像頭升降（如圖4所示），從而達(dá)到普適性。

2.7 其他限制因素

本研究的所有虹膜采集方式均是靜態(tài)或半靜態(tài)的，即要求用戶在采集虹膜的過程中保持相對(duì)靜止的狀態(tài)。這對(duì)人體在行進(jìn)中的動(dòng)態(tài)圖像采集存在一定的技術(shù)困難。在行動(dòng)中實(shí)時(shí)采集虹膜圖像方面美國(guó)有較成熟的技術(shù)，但產(chǎn)品價(jià)格相對(duì)比較昂貴，廣泛應(yīng)用還有待改進(jìn)。采用先進(jìn)技術(shù)的同時(shí)還要大大降低硬件成本，才有望實(shí)現(xiàn)在我國(guó)廣泛應(yīng)用。

本文針對(duì)目前虹膜識(shí)別系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用過程中遇到的幾點(diǎn)限制因素進(jìn)行了相應(yīng)的分析以及提出了解決方案。對(duì)現(xiàn)有虹膜識(shí)別終端系統(tǒng)的工業(yè)設(shè)計(jì)和自動(dòng)化開發(fā)具有廣泛的指導(dǎo)意義。生物識(shí)別技術(shù)有很多種類，而逐步應(yīng)用的虹膜識(shí)別技術(shù)其應(yīng)用前景十分明顯。中國(guó)目前在電子和信息產(chǎn)品領(lǐng)域的制造實(shí)力在全球處于領(lǐng)先地位。中國(guó)生物識(shí)別技術(shù)制造企業(yè)在虹膜識(shí)別產(chǎn)品的生產(chǎn)方面也正在趕超世界先進(jìn)。2007信息安全技術(shù)《虹膜識(shí)別系統(tǒng)技術(shù)要求》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布并實(shí)施，對(duì)虹膜識(shí)別技術(shù)在我國(guó)身份認(rèn)證領(lǐng)域的快速推廣應(yīng)用提供了有力的保證。虹膜識(shí)別技術(shù)因其獨(dú)有的特點(diǎn)，在中國(guó)這個(gè)占世界人口十分之一大國(guó)里，將為解決人體身份鑒別起到至關(guān)重要的作用，應(yīng)用前景不可估量。