基于人臉—虹膜融合的身份鑒定在公安系統(tǒng)中的應(yīng)用

●吳 凱

一、人臉識(shí)別的發(fā)展及其在公安系統(tǒng)的應(yīng)用

人臉識(shí)別是目前最常用和最主要的生物特征身份識(shí)別技術(shù)之一。學(xué)術(shù)界對(duì)人臉識(shí)別相關(guān)問題的研究已然趨近成熟，當(dāng)前研究正關(guān)注于消除化妝、表情、姿態(tài)、光照及年齡變化等對(duì)人臉識(shí)別的影響。在工業(yè)和產(chǎn)業(yè)界，人臉識(shí)別技術(shù)應(yīng)用在近幾年取得了飛速發(fā)展，特別是自2014年深度學(xué)習(xí)應(yīng)用于人臉識(shí)別后，基于深度學(xué)習(xí)的人臉識(shí)別系統(tǒng)超過了人識(shí)別臉的精度。國(guó)際和國(guó)內(nèi)均出現(xiàn)了一批優(yōu)秀的人臉識(shí)別科技公司，為公安、銀行、安防等多行業(yè)提供人臉識(shí)別身份認(rèn)證解決方案。

從人臉識(shí)別的算法發(fā)展角度看，人臉識(shí)別技術(shù)的主要發(fā)展過程經(jīng)歷了幾何特征、特征臉、人工設(shè)計(jì)特征、基于深度網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)特征的多個(gè)算法階段。文獻(xiàn)提出的基于幾何特征的人臉識(shí)別，識(shí)別出面部特征點(diǎn)，通過測(cè)量特征點(diǎn)之間的相對(duì)距離描述每個(gè)面部特征矢量特征?；赑CA的人臉識(shí)別方法有多種研究和應(yīng)用。局部二值模式（LBP）是最為典型和常用的人工設(shè)計(jì)特征之一，可用于人臉檢測(cè)和識(shí)別。近期的人臉識(shí)別算法主要基于深度卷積網(wǎng)絡(luò)，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、損失函數(shù)、人臉圖像生成、訓(xùn)練方案有大量研究。從人臉生物特征獲取的角度看，傳統(tǒng)的人臉識(shí)別技術(shù)主要是針對(duì)可見光人臉圖像進(jìn)行，少量研究基于近紅外圖像采集人臉圖像進(jìn)行識(shí)別。為解決黑暗環(huán)境中的識(shí)別，星光級(jí)相機(jī)被研發(fā)用于微光環(huán)境下的人臉識(shí)別。蘋果公司的iPhone率先采用結(jié)構(gòu)光三維人臉識(shí)別，極大推動(dòng)了三維人臉識(shí)別技術(shù)的發(fā)展。

近幾年，人臉識(shí)別技術(shù)在公安行業(yè)已開始廣泛應(yīng)用，應(yīng)用主要有幾種類型：一是實(shí)時(shí)的布控預(yù)警，即通過視頻監(jiān)控前端采集視頻，實(shí)時(shí)以人臉識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)重點(diǎn)人員的檢測(cè)預(yù)警；二是實(shí)現(xiàn)人證合一的人員身份核查，即通過人臉識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)人員和人員所持身份證的比對(duì)；三是事中或事后人員身份核查，首先通過身份證臉像，通過警用智能終端或系統(tǒng)上傳目標(biāo)人臉圖像，后端從海量的人臉數(shù)據(jù)庫(kù)中尋找匹配的人臉圖像及其關(guān)聯(lián)的身份信息。當(dāng)前的難度在于不同業(yè)務(wù)形成的人臉數(shù)據(jù)質(zhì)量有較大差異，如何實(shí)現(xiàn)多源復(fù)雜人臉數(shù)據(jù)的高精度識(shí)別，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效利用仍需技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)工作的繼續(xù)深入。

二、虹膜識(shí)別的發(fā)展及其在公安系統(tǒng)的應(yīng)用

虹膜是人眼中瞳孔和鞏膜中間的環(huán)形區(qū)域，虹膜識(shí)別技術(shù)以精度高、比對(duì)速度快、防偽能力強(qiáng)、非接觸采集等優(yōu)點(diǎn)，成為其它生物識(shí)別技術(shù)的重要補(bǔ)充，是最具前景的識(shí)別手段技術(shù)之一。虹膜識(shí)別技術(shù)的核心步驟是使用模式識(shí)別、圖像處理等方法對(duì)虹膜特征進(jìn)行描述、匹配和分類，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的人員身份認(rèn)證。

完整的虹膜識(shí)別系統(tǒng)由虹膜圖像采集裝置和虹膜圖像分析算法兩部分構(gòu)成。最早的虹膜識(shí)別算法可追溯至1993年，由劍橋大學(xué)的Daugman博士提出，主要使用積分微分算子進(jìn)行虹膜邊界的定位和Gabor相位方法提取虹膜特征。后續(xù)虹膜識(shí)別研究越來越深入和細(xì)致，分割虹膜區(qū)域的主流方法有模型擬合法、能量最大化推拉實(shí)現(xiàn)虹膜區(qū)域分割、基于深度學(xué)習(xí)的像素級(jí)分割方法等，虹膜識(shí)別特征提取的主流方法有相關(guān)濾波器、定序測(cè)量特征、深度網(wǎng)絡(luò)特征等。虹膜圖像采集的質(zhì)量和方便性直接決定了虹膜識(shí)別系統(tǒng)的性能和用戶體驗(yàn)，虹膜光學(xué)成像是虹膜識(shí)別的瓶頸技術(shù)。傳統(tǒng)的虹膜圖像采集系統(tǒng)大多采用低分辨率和窄視角的鏡頭，現(xiàn)階段可實(shí)用虹膜圖像采集系統(tǒng)的工作距離有所擴(kuò)展，但仍在1米以內(nèi)，中遠(yuǎn)距離虹膜成像技術(shù)的相關(guān)研究仍在進(jìn)行中。

虹膜識(shí)別的特點(diǎn)與警務(wù)應(yīng)用中對(duì)人員的精準(zhǔn)篩查與快速識(shí)別需求不謀而合，在公安監(jiān)管場(chǎng)所、執(zhí)法辦案場(chǎng)所或派出所、移動(dòng)警務(wù)街面盤查核錄、特殊場(chǎng)景隱蔽式識(shí)別、大型活動(dòng)或會(huì)議安全保衛(wèi)、旅店等社會(huì)單位身份識(shí)別、公安社會(huì)化服務(wù)等領(lǐng)域?qū)?huì)出現(xiàn)越來越多的虹膜系統(tǒng)應(yīng)用。自2019年2月，公安部下發(fā)《全國(guó)刑偵信息專業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)虹膜身份核查子系統(tǒng)建設(shè)與管理指南（征求意見稿）》和《全國(guó)刑偵信息專業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)虹膜身份核查子系統(tǒng)建設(shè)方案（征求意見稿）》，明確提出虹膜識(shí)別核查子系統(tǒng)的建設(shè)要求及建設(shè)周期，虹膜識(shí)別技術(shù)在公安行業(yè)的應(yīng)用布局有序啟動(dòng)開展，從大規(guī)模虹膜數(shù)據(jù)庫(kù)開始，逐步形成大規(guī)模應(yīng)用的架構(gòu)體系和服務(wù)技術(shù)方案，實(shí)現(xiàn)多種類型的應(yīng)用試點(diǎn)。逐步形成與人臉識(shí)別應(yīng)用功能相似的應(yīng)用模式，一是實(shí)時(shí)布控預(yù)警，二是事中或事后人員身份核查。虹膜識(shí)別暫不涉及人證合一核查應(yīng)該模式。

三、虹膜與人臉的互補(bǔ)性

被公認(rèn)可用于身份認(rèn)證的生物特征本身具有區(qū)分個(gè)體的特性，但由于受到采集、環(huán)境、遮擋、用戶習(xí)慣或不配合等因素影響，不同的生物特征顯現(xiàn)出不同的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)。人臉特征和指紋特征采集容易但容易受到影響，DNA信息準(zhǔn)確度高但獲取困難，虹膜特征獲取難度和穩(wěn)定性適中。人臉識(shí)別和虹膜識(shí)別均使用視頻或者圖像采集的方式采集，對(duì)圖像進(jìn)行分析提取特征并完成比對(duì)識(shí)別，筆者主要討論人臉和虹膜兩種生物特征融合的身份識(shí)別。

（一）人臉識(shí)別的特點(diǎn)

1.人臉識(shí)別的優(yōu)點(diǎn)：

（1）人臉識(shí)別與其他生物識(shí)別方式相比，優(yōu)勢(shì)在于自然性、不被察覺性等特點(diǎn)。人臉識(shí)別知識(shí)對(duì)人臉進(jìn)行拍照取樣的過程，對(duì)受鑒定的人不會(huì)造成什么損害，數(shù)據(jù)錄入快捷迅速。

（2）人臉識(shí)別技術(shù)不要受鑒定的人強(qiáng)制性的接受拍照檢查，可以通過其他視頻錄入設(shè)備進(jìn)行分析調(diào)查，存在著一定的方便性和隱秘性。

（3）人臉識(shí)別技術(shù)通過算法可以快速有效的實(shí)現(xiàn)多個(gè)個(gè)體的身份鑒定，提升了身份鑒定的效率。

2.人臉識(shí)別的缺點(diǎn)：

（1）人臉識(shí)別技術(shù)對(duì)視頻圖像質(zhì)量有一定的質(zhì)量要求，如人臉要正對(duì)攝像機(jī)才能實(shí)現(xiàn)對(duì)人身份的有效鑒定。人臉的外形很不穩(wěn)定，人可以通過臉部的變化產(chǎn)生很多表情，而在不同觀察角度，人臉的視覺圖像也相差很大。人臉識(shí)別還受光照條件、人臉的很多遮蓋物、年齡、拍攝的姿態(tài)角度等多方面因素的影響。

（2）由于不同個(gè)體之間的人臉特征區(qū)別不大，誤識(shí)風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較高。所有的人臉結(jié)構(gòu)都相似，甚至人臉器官的結(jié)構(gòu)外形都很相似，例如雙胞胎靠臉部特征識(shí)別的難度非常大。

（3）人臉識(shí)別技術(shù)容易被有意識(shí)的屏蔽或者哄騙。如臉部的遮擋物，或者有意識(shí)的避開信息收集設(shè)備。人臉識(shí)別一般采用可見光攝像機(jī)采集人臉圖像，容易受到偽造物的攻擊，偽造嘗試成本低廉，不利于系統(tǒng)安全性。

（4）基于三維人臉圖像的人臉識(shí)別基于特殊的采集設(shè)備，且成像計(jì)算開銷大，對(duì)推廣具有負(fù)面效果。

（二）虹膜識(shí)別的特性

1.虹膜識(shí)別的優(yōu)點(diǎn)：

（1）虹膜具有唯一性，虹膜紋理的細(xì)節(jié)特征是由胚胎發(fā)育環(huán)境的隨機(jī)因素決定的，這種紋理細(xì)節(jié)的隨機(jī)分布特性為虹膜的唯一性奠定了生理基礎(chǔ)。即使雙胞胎、同一人左右眼的虹膜圖像之間也具有顯著的差異。

（2）虹膜具有穩(wěn)定性，雖然一些醫(yī)療和外科手術(shù)可以影響虹膜的顏色和整體形狀，但虹膜的精細(xì)結(jié)構(gòu)在術(shù)后幾十年里仍然非常穩(wěn)定。

（3）虹膜識(shí)別不需要物理接觸，虹膜是一個(gè)外部可見的內(nèi)部器官，虹膜采集是拍照方式，避免了疾病的可能的接觸傳染。

（4）虹膜是一個(gè)內(nèi)部器官，一般不會(huì)受到損害和磨損，由外部物理接觸而導(dǎo)致虹膜改變的概率十分小，具有高準(zhǔn)確性。因?yàn)槿藢?duì)視覺的要求，虹膜一般不會(huì)被遮蔽，在清晰的隱形眼鏡、眼鏡和非鏡像太陽(yáng)鏡下仍然可以正常工作。

2.虹膜識(shí)別的缺點(diǎn)：

（1）普通的相機(jī)無法采集到清晰的虹膜紋理，虹膜紋理在可見光下呈現(xiàn)不明顯，需采用近紅外光的配合和特殊的虹膜攝像機(jī)，設(shè)備成本相對(duì)高，推廣難度大。

（2）虹膜識(shí)別的精度受到圖像質(zhì)量的影響較大，為保證虹膜圖像質(zhì)量，虹膜生物特征的獲取較為嚴(yán)格，用戶體驗(yàn)感較差、易用性較低。

（3）虹膜面積很小，要采集到可識(shí)別的虹膜圖像難度較高，要保證對(duì)一定范圍的用戶高效采集識(shí)別難度很高，對(duì)于超過幾米的遠(yuǎn)距離用戶識(shí)別難度更高。

（4）傳統(tǒng)的虹膜識(shí)別儀通常不具備自動(dòng)調(diào)焦或者自動(dòng)云臺(tái)，對(duì)于不同身高不同距離的用戶很難自動(dòng)適應(yīng)，需要用戶的配合。新一代的虹膜識(shí)別設(shè)備具備自動(dòng)調(diào)節(jié)捕捉用戶虹膜的功能，但會(huì)給成本較高的虹膜識(shí)別設(shè)備造成額外的成本。

（5）虹膜受到眼皮保護(hù)，較難偽造，但虹膜識(shí)別系統(tǒng)仍然有被攻擊哄騙的可能性，例如，佩戴有紋理的美瞳眼鏡、義眼、玻璃眼球、部分打印圖像、以及多種攻擊手段復(fù)合的攻擊方法等。

（三）多模態(tài)融合的優(yōu)越性

由于單項(xiàng)生物特征識(shí)別技術(shù)有其固有而難以克服的缺點(diǎn)，任何基于單項(xiàng)生物特征的身份識(shí)別系統(tǒng)都無法完全滿足公安系統(tǒng)身份管理的實(shí)際應(yīng)用要求。多生物模態(tài)融合使用是必然的選擇，公安行業(yè)也已經(jīng)把多種生物模態(tài)納入身份管理的應(yīng)用中，同時(shí)也正在探索多模態(tài)互補(bǔ)的高效融合協(xié)作模式。

美國(guó)西弗吉利亞大學(xué)的Ross等人2006年出版了第一本多模態(tài)生物特征識(shí)別專著。根據(jù)生物特征融合的層次各種分類器融合方法可分為數(shù)據(jù)層融合、特征層融合、匹配層融合和決策層融合。其中，數(shù)據(jù)層融合研究和應(yīng)用均較少；特征層融合是對(duì)不同的生物特征經(jīng)各自的前端處理后，將各生物特征分別得到的初始特征向量進(jìn)行融合處理，轉(zhuǎn)化成更高維的融合特征向量。特征層融合可利用的信息量最大；匹配層融合是對(duì)多個(gè)生物認(rèn)證系統(tǒng)的匹配輸出分?jǐn)?shù)，采用適當(dāng)?shù)娜诤喜呗赃M(jìn)行綜合得到結(jié)果，實(shí)現(xiàn)難度相對(duì)??；決策層融合是在各分類器單獨(dú)決策后按一定規(guī)則得出最優(yōu)決策。現(xiàn)階段，匹配層和決策層融合比較適合實(shí)際情況靈活應(yīng)用。常用的多模態(tài)生物特征融合策略有加權(quán)平均、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、Fisher可分性分析、Bayes融合、基于Neyman-Pearson準(zhǔn)則的決策融合、基于Dempster-Shafer證據(jù)理論的融合方法等。

人臉與虹膜融合的身份識(shí)別，可有效克服單一生物特征存在的缺陷，在出現(xiàn)一種生物特征不適于識(shí)別的情況下，由另一種生物特征得到補(bǔ)償，使識(shí)別系統(tǒng)保持高效運(yùn)作，為實(shí)際應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。文獻(xiàn)提出采用匹配層融合，對(duì)人臉與虹膜兩種生物特征分別進(jìn)行特征提取，并通過各自的分類器得到相應(yīng)的匹配輸出后，利用融合策略將兩種匹配輸出進(jìn)行綜合處理，獲得最終的結(jié)果。

四、“人臉—虹膜”融合身份認(rèn)證平臺(tái)

我國(guó)已經(jīng)確定在第二代身份證和電子護(hù)照中嵌入生物特征信息，這些身份證件在教育、社保、金融、通關(guān)、電信、交通、旅游等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用離不開國(guó)家級(jí)生物識(shí)別基礎(chǔ)設(shè)施平臺(tái)的支撐。研究自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的超大規(guī)模生物識(shí)別應(yīng)用系統(tǒng)體系架構(gòu)具有重要性和緊迫性，為我國(guó)相關(guān)項(xiàng)目例如新一代社?？ā⒌谌矸葑C、電子護(hù)照的生物特征比對(duì)奠定基礎(chǔ)。

為充分發(fā)揮人臉識(shí)別和虹膜識(shí)別融合識(shí)別的互補(bǔ)優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)適用于公安行業(yè)的人臉和虹膜融合身份認(rèn)證平臺(tái)，融合身份認(rèn)證平臺(tái)既可基于已有的人臉或者虹膜識(shí)別身份認(rèn)證平臺(tái)改造，也可是完整設(shè)計(jì)建設(shè)的多模態(tài)生物特征識(shí)別身份認(rèn)證平臺(tái)。多模態(tài)生物識(shí)別系統(tǒng)包括分布到各應(yīng)用的前端采集設(shè)備（包括人臉及虹膜采集識(shí)別一體化設(shè)備、人臉采集識(shí)別設(shè)備、虹膜采集識(shí)別系統(tǒng)）、多模態(tài)生物特征識(shí)別統(tǒng)一服務(wù)平臺(tái)、人臉和虹膜數(shù)據(jù)庫(kù)、以及各種具體落地應(yīng)用。

1.體系架構(gòu)和建設(shè)模式。體系架構(gòu)與建設(shè)模式是大規(guī)模生物特征識(shí)別公安應(yīng)用的頂層設(shè)計(jì)，首先需要梳理公安應(yīng)用對(duì)多模態(tài)生物特征識(shí)別的各項(xiàng)應(yīng)用需求，深入了解已經(jīng)形成的生物特征識(shí)別體系架構(gòu)和應(yīng)用模式，設(shè)計(jì)并構(gòu)建與公安已有架構(gòu)和平臺(tái)相適應(yīng)的全局層面的多模態(tài)融合應(yīng)用體系架構(gòu)，形成人臉與虹膜相互支撐補(bǔ)充的公安行業(yè)格局。

2.應(yīng)用場(chǎng)景。多模態(tài)生物特征識(shí)別應(yīng)用與人臉識(shí)別和虹膜識(shí)別的應(yīng)用場(chǎng)景相似，包括實(shí)時(shí)布控預(yù)警、人證合一的身份驗(yàn)證、以及多用途的人員身份核查。多模態(tài)融合的實(shí)時(shí)布控預(yù)警比單一的人臉識(shí)別或者虹膜識(shí)別具有更廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景，實(shí)現(xiàn)易用性和準(zhǔn)確性的互補(bǔ)。對(duì)于安全性要求相對(duì)低、通過效率要求高的布控場(chǎng)景，人臉或者虹膜二者比對(duì)任意一項(xiàng)即可；對(duì)于安全要求高的布控場(chǎng)景，要求人臉和虹膜同時(shí)比對(duì)完成。人證合一的身份驗(yàn)證仍然是通過人臉比對(duì)，通過人臉識(shí)別技術(shù)實(shí)現(xiàn)人員和人員所持身份證的比對(duì)，在合規(guī)情況下可在人臉身份認(rèn)證時(shí)進(jìn)行虹膜的采集、標(biāo)注和入庫(kù)，在已有身份證人臉數(shù)據(jù)庫(kù)基礎(chǔ)上快速建成與已有身份證信息數(shù)據(jù)庫(kù)關(guān)聯(lián)的虹膜生物特征數(shù)據(jù)庫(kù)。在實(shí)時(shí)性要求相對(duì)低的多用途人員身份核查中，多模態(tài)融合可發(fā)揮更充分的作用。

以刑偵應(yīng)用為例，由于信息的不完全和隨機(jī)性，某一種生物特征的采集具有隨機(jī)性，多種生物特征模態(tài)均可被用于嫌疑人或被害人的身份認(rèn)證和識(shí)別。傳統(tǒng)的融合應(yīng)用方式基本由人工分析判斷完成，每種生物特征的識(shí)別分別進(jìn)行，多種生物特征識(shí)別結(jié)果的分析、佐證和綜合由人完成。新一代公安多模態(tài)生物特征識(shí)別中，多種生物特征融合平臺(tái)的方法、策略及后處理可形成服務(wù)及可定制的服務(wù)流程。針對(duì)不同任務(wù)進(jìn)行人臉和虹膜圖像的有效采集，篩選滿足質(zhì)量要求的圖像用于多種比對(duì)任務(wù)，配合任務(wù)驅(qū)動(dòng)的人臉及虹膜識(shí)別技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多場(chǎng)景多設(shè)備的多源異構(gòu)生物特征數(shù)據(jù)精準(zhǔn)識(shí)別，達(dá)到單一生物特征無法達(dá)到的識(shí)別性能。

五、結(jié)語(yǔ)

在復(fù)雜的實(shí)際公安應(yīng)用環(huán)境下，利用多種生物特征的融合識(shí)別來提高身份識(shí)別可靠性是目前的研究熱點(diǎn)和發(fā)展方向。人臉和虹膜均是人臉部區(qū)域的生物特征，均采用攝像機(jī)采集的方式識(shí)別，融合使用這兩者進(jìn)行身份鑒別具有自然性。通過可見光相機(jī)和近紅外相機(jī)同時(shí)采集人臉和虹膜圖像，可有效提高系統(tǒng)的通過率、準(zhǔn)確性和安全性。通過融合發(fā)揮人臉識(shí)別和虹膜識(shí)別的互補(bǔ)優(yōu)勢(shì)，可顯著提升對(duì)大規(guī)模人群的身份管理能力和效率，特別適合公安行業(yè)對(duì)于身份鑒別的高要求。