基于智能手機(jī)的虹膜身份識(shí)別

錢(qián)自安

【摘要】近年來(lái)，人們?cè)絹?lái)越關(guān)注智能手機(jī)的安全性。本文提出了一種基于智能手機(jī)的虹膜身份識(shí)別系統(tǒng)。虹膜身份識(shí)別具有識(shí)別率高、誤據(jù)率低、不易偽造、匹配迅速等優(yōu)點(diǎn)，已在非智能機(jī)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。所提系統(tǒng)包含了由紅外補(bǔ)光燈、含紅外濾光片的附加攝像頭組成的經(jīng)濟(jì)可行的硬件設(shè)計(jì)，以及基于圖像濾波的準(zhǔn)確快速的虹膜定位算法。實(shí)驗(yàn)表明，所提系統(tǒng)識(shí)別率可以達(dá)到98.9%。所提算法可能應(yīng)用于手機(jī)解鎖、犯罪調(diào)查、出入境等諸多領(lǐng)域。

【關(guān)鍵詞】智能手機(jī)身份認(rèn)證虹膜身份識(shí)別紅外補(bǔ)光燈圖像濾波

一、引言

近年來(lái)，智能手機(jī)正得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。據(jù)估計(jì)，2013年，全球智能手機(jī)出貨量約10億部，幾乎每七個(gè)人就會(huì)買(mǎi)一部新的智能手機(jī)。與此同時(shí)，智能手機(jī)的應(yīng)用也日益廣泛，從最初單純用來(lái)打電話、發(fā)短信的工具，發(fā)展到儲(chǔ)存?zhèn)€人通訊錄、日歷行程、記事本，再到接收驗(yàn)證碼、用做支付、管理金錢(qián)賬戶。典型的例子是支付寶手機(jī)錢(qián)包，持有手機(jī)的用戶甚至可以不用密碼，直接支配其中的余額。與應(yīng)用的迅速增長(zhǎng)相比，智能手機(jī)的安全技術(shù)發(fā)展的相對(duì)緩慢，因此正越來(lái)越受到用戶與廠商的關(guān)注[1，2]。生物特征識(shí)別因?yàn)閿y帶方便、不易丟失等特點(diǎn)，為智能手機(jī)的身份認(rèn)證提供了一種可行的解決方案[1，3]。有些公司先行一步，比如蘋(píng)果公司，已經(jīng)開(kāi)始使用指紋作為解鎖工具。

虹膜身份識(shí)別作為一種生物特征識(shí)別技術(shù)，因?yàn)樽R(shí)別率高、誤據(jù)率低、不易偽造、匹配迅速等優(yōu)點(diǎn)[4，5]，在傳統(tǒng)身份識(shí)別領(lǐng)域正得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。在智能手機(jī)領(lǐng)域，也有研究人員嘗試應(yīng)用虹膜身份識(shí)別。Ben等論證了智能手機(jī)領(lǐng)域?qū)Χ喾N安全技術(shù)的需求，把虹膜身份識(shí)別作為一種候選方案[1]。Shin等研究了基于智能手機(jī)的移動(dòng)銀行服務(wù)的集成安全框架[2]。Johns等提出了EyePhone（eye是眼睛，phone是手機(jī)）的概念，探討了在移動(dòng)設(shè)備中使用虹膜身份識(shí)別的可能[6]。在全球知名的虹膜身份識(shí)別公司IRIS的一篇碩士論文中，也提出了一種智能手機(jī)虹膜身份識(shí)別技術(shù)[7]。

本文首先分析了智能手機(jī)攝像頭的現(xiàn)狀，通過(guò)附加近紅外補(bǔ)光燈與帶紅外濾波片的攝像頭，給出使用智能手機(jī)獲取可用于虹膜身份識(shí)別的虹膜圖像的硬件解決方案；然后基于智能手機(jī)運(yùn)算能力較弱的現(xiàn)狀，提出一種計(jì)算量小的虹膜定位算法，并且通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試了匹配結(jié)果。

二、適用于虹膜身份識(shí)別的智能手機(jī)硬件

虹膜是瞳孔周?chē)幕疑珔^(qū)域[8]。虹膜具有豐富的紋理，在胎兒形成的前八個(gè)月定型，并且終生幾乎不變[9]，因此是用作生物特征識(shí)別的理想生物特征。虹膜身份識(shí)別通常包含四個(gè)模塊：圖像獲取、虹膜定位、特征提取與虹膜匹配[5]。圖像獲取通常需要在近紅外光下獲得，因?yàn)楹缒ぴ诮t外光下展現(xiàn)出最清晰的紋理結(jié)構(gòu)[10]。然而近來(lái)也有在可見(jiàn)光下進(jìn)行虹膜身份識(shí)別的研究[11]。

智能手機(jī)通常自帶攝像頭，有些還有前置與后置攝像頭，用作虹膜身份識(shí)別有先天的優(yōu)勢(shì)。然而，觀察用iPhone4S拍攝的虹膜圖像，如圖1（a）所示，可見(jiàn)使用智能手機(jī)，在可見(jiàn)光下獲得的虹膜特征不夠明顯。而在紅外補(bǔ)光燈下拍攝的虹膜圖像，紋理特征則相對(duì)清晰，如圖1（b）所示。

LED補(bǔ)光燈與額外的覆蓋了紅外濾光片的攝像頭，如圖2所示，借此獲得近紅外光下的虹膜圖像。

所提方案有成熟的應(yīng)用可以借鑒，同時(shí)價(jià)格低廉。紅外補(bǔ)光燈廣泛用于網(wǎng)絡(luò)攝像頭與監(jiān)控?cái)z像頭中，所提方案所需只是一枚近紅外LED，成本不過(guò)幾分錢(qián)。加裝的攝像頭只需普通的攝像頭即可，因?yàn)槠胀〝z像頭也可以捕獲近紅外光，紅外濾光片濾去非近紅外光，拍到的即是紅外光下的虹膜圖像。因此所提方案既具有技術(shù)上的可行性，又具有經(jīng)濟(jì)性。

三、虹膜身份識(shí)別算法

截至目前，商用的虹膜身份識(shí)別算法很多是基于Daugman的方法[10，12-15]。也有研究者提出全然不同的方法，如Wildes[16，17]。

本文所提的虹膜身份識(shí)別算法，主要由三個(gè)部分組成：虹膜定位、特征提取與虹膜匹配。

首先是虹膜匹配。Daugman使用積分微分算子（IDO）定位虹膜邊緣，如式1所示。

為了驗(yàn)證所提算法的效果，本文用智能手機(jī)攝像頭加裝紅外濾光片，在紅外LED下拍攝了10只眼睛各10圖片，進(jìn)行了9，801次虹膜匹配。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提算法識(shí)別率為98.9%，達(dá)到智能手機(jī)身份認(rèn)證的需求。通過(guò)使用多個(gè)虹膜模板，以及多生物特征（如指紋+虹膜），可以在現(xiàn)在的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步顯著提高識(shí)別率。

四、結(jié)論

隨著智能手機(jī)的日益普及以及智能手機(jī)應(yīng)用的快速增長(zhǎng)，智能手機(jī)的安全性受到越來(lái)越多的關(guān)注。虹膜身份識(shí)別技術(shù)因?yàn)樽R(shí)別率高、不易偽造等特點(diǎn)，成為智能手機(jī)安全認(rèn)證的一個(gè)可靠方案。然而，虹膜身份識(shí)別在紅外光下效果更佳，而且智能手機(jī)運(yùn)算能力不如計(jì)算機(jī)。據(jù)此本文提出在智能手機(jī)上加裝紅外補(bǔ)光LED與帶紅外濾光片的攝像頭的方案，并提出了一種基于濾波的快速虹膜定位算法。所提硬件方案價(jià)格低廉，技術(shù)成熟；所提虹膜定位算法定位準(zhǔn)確，計(jì)算迅速。實(shí)驗(yàn)表明，所提硬件、軟件方案可以達(dá)到98.9%的識(shí)別率。

參考文獻(xiàn)

[1] BEN-ASHER， N.， KIRSCHNICK N.， SIEGER H.， et al. On the need for different security methods on mobile phones[C]// Proceedings of the 13th International Conference on Human Computer Interaction with Mobile Devices and Services， 2011： ACM： 465-473.

[2] SHIN， Y.-N.， CHUN M. G.， Integrated framework for information security in mobile banking service based on smart phone， in Communication and Networking. 2010， Springer. p. 188-197.

[3] FENSKE， J. Biometrics in new era of mobile access control[J]. Biometric Technology Today， 2012， 2012（9）： 9-11.