虹膜識別技術(shù)特點(diǎn)分析

宋彥民

摘要：目前生物識別技術(shù)中比較熟悉又神秘是虹膜識別技術(shù)，虹膜識別技術(shù)是目前生物特征識別技術(shù)中最方便最安全的識別技術(shù)。本文主要從優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)兩個(gè)方面介紹虹膜識別技術(shù)應(yīng)用的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：虹膜識別;技術(shù)特點(diǎn)

中圖分類號：TP18 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）20-0187-03

虹膜識別技術(shù)就是利用人體眼睛中虹膜組織進(jìn)行身份鑒別的一種生物識別技術(shù)。該技術(shù)與其他應(yīng)用的生物識別技術(shù)比較，虹膜識別技術(shù)具有準(zhǔn)確性高、安全性好、活體檢測、應(yīng)用方便等特點(diǎn)，形成非常高的綜合安全性能優(yōu)勢。

1虹膜識別技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

歸納起來，虹膜識別技術(shù)有以下幾個(gè)方面優(yōu)點(diǎn)。

1.1唯一性

是指人體眼睛中每個(gè)虹膜組織形態(tài)和結(jié)構(gòu)都不相同，在人體組織中虹膜組織形態(tài)完全相同的可能性遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他，目前來講在世界范圍內(nèi)獨(dú)一無二。據(jù)有關(guān)資料介紹，英國劍橋大學(xué)John Daugman教授提出的虹膜相位特征證實(shí)了虹膜圖像有244個(gè)獨(dú)立的自由度，即平均每平方毫米的信息量是3.2比特。虹膜的纖維組織細(xì)節(jié)非常復(fù)雜，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于人體其他組織結(jié)構(gòu)數(shù)千倍，而且在胚胎發(fā)育階段該虹膜的形成受局部的物理化學(xué)條件影響，決定了虹膜形成的隨機(jī)性非常大，因而即使利用克隆技術(shù)也無法復(fù)制某個(gè)虹膜。也就是說外貌特征完全相同的同卵雙胞胎的虹膜結(jié)構(gòu)信息不同，其虹膜特征也不一樣。對一個(gè)人來講，左眼右眼的虹膜紋理都不會相互相同。有關(guān)資料顯示虹膜相同的可能性，人體虹膜完全相同的可能性是1/1078，而目前的虹膜技術(shù)采用266個(gè)特征采樣點(diǎn)，人體產(chǎn)生虹膜特征相同的可能性也只有1/1052，l/1052數(shù)量級對于身份識別技術(shù)應(yīng)用來說已經(jīng)非常滿意了。具有極高的唯一性，兩個(gè)人擁有同一虹膜的概率是10的78次方分之一，舉一個(gè)例子，一年掉落到地球表面的雪花的總片數(shù)也只有10的23次方。與雪花片數(shù)相比這個(gè)概率是極其的低，因而就保證虹膜是唯一的，如果應(yīng)用在身份生物識別方面，便成為這個(gè)人唯一的不可更改的身份標(biāo)識。正是獨(dú)一無二和不可改變特性，因而采穩(wěn)定性用虹膜識別身份具有極高的安全性。

1.2穩(wěn)定性

遺傳基因決定人體虹膜組織的形成，也就是說虹膜組織的形態(tài)、皺紋、紋理、顏色和總的外觀都是人體遺傳基因決定的。虹膜的形成是在胎兒發(fā)育階段，經(jīng)過八個(gè)月左有時(shí)間就基本上發(fā)育成型和成熟，然后進(jìn)入了相對穩(wěn)定的時(shí)期。除非常罕見的不正常狀況、身體或精神上極大的創(chuàng)傷可能造成虹膜特征的改變外，虹膜組織結(jié)構(gòu)始終保持終生不會變化。也就是說，隨著年齡的增長、環(huán)境變化、常見疾病所帶來的影響，人體的體重增減、聲音變化等都會有所變化，而虹膜組織卻不會因此而發(fā)生任何變化，一生不會變化，非常穩(wěn)定。

虹膜從胚胎期開始發(fā)育，到8個(gè)月主要紋理結(jié)構(gòu)形成。由于角膜的保護(hù)作用，發(fā)育完全的虹膜不會受到外界的傷害，外界物理傷害導(dǎo)致的虹膜改變的可能性非常小?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，除非利用危及眼睛失明外科手術(shù)，虹膜結(jié)構(gòu)特征幾乎終生不變。由于虹膜是一個(gè)外部能夠看到的內(nèi)部器官，永遠(yuǎn)處于角膜的保護(hù)作用，發(fā)育完全的虹膜不易受到外界的傷害。人體發(fā)育成熟后，此后終身不變。不會由于一般性疾病對虹膜組織造成損傷，更不會因職業(yè)等因素造成磨損，因而發(fā)育完全的虹膜不易受到外界的傷害。也就是說，一個(gè)人從出生到死亡，虹膜受到角膜的保護(hù)始終保持不變。

另外而言，人體唯一一個(gè)外部能夠看見的，但又屬于內(nèi)部器官組織是虹膜，位置處于角膜后面同時(shí)受其保護(hù)。如果要改變器官組織虹膜，就要冒著視力損傷的較大危險(xiǎn)進(jìn)行非常精細(xì)的外科手術(shù)。所以將虹膜特征識別有著更好的“長期安全性”。虹膜的形成由遺傳基因決定，不會因?yàn)槟挲g的增長而變化，也不會由于環(huán)境因素的影響而改變，只會受到破壞性疾病和傷害而變化。人們對于眼睛的保護(hù)是非常謹(jǐn)慎和認(rèn)真的，絕對不會輕易對眼睛進(jìn)行任何破壞性活動，所以虹膜特征的穩(wěn)定性相當(dāng)高。因此，也就決定了虹膜識別從而也被認(rèn)為是目前世界上僅次于DNA最安全的生物識別技術(shù)。

1.3特征點(diǎn)多

生物識別技術(shù)資料顯示人體一個(gè)虹膜約有266個(gè)量化特征點(diǎn)，而其他的生物識別技術(shù)只有13個(gè)到60個(gè)量化特征點(diǎn)。266個(gè)量化特征點(diǎn)的虹膜識別算法在眾多虹膜識別技術(shù)資料中都有講述，在目前已有的虹膜識別技術(shù)算法和人類眼部特征允許的情況下，虹膜算法可獲得173個(gè)二進(jìn)制自由度的獨(dú)立特征點(diǎn)。與其他生物識別技術(shù)特征點(diǎn)相比較，虹膜技術(shù)量化特征點(diǎn)的數(shù)量與其他識別技術(shù)量化特征點(diǎn)數(shù)量不在一個(gè)數(shù)量級上，差別相當(dāng)大，相差一個(gè)數(shù)量級。從而就提高了虹膜識別技術(shù)安全性。

在眼睛結(jié)構(gòu)圖像中，鞏膜在外，瞳膜在內(nèi)，瞳孔和鞏膜與虹膜鄰近的，眼球球體形狀形成鞏膜區(qū)域、瞳膜區(qū)域與虹膜區(qū)域有著明顯的灰度變化，并且虹膜區(qū)域與瞳膜和鞏膜區(qū)域邊界都近似于同心圓，故而虹膜區(qū)域很容易擬合分割和歸一化。虹膜結(jié)構(gòu)非常吻合具有平移、縮放和旋轉(zhuǎn)不變性的模式表達(dá)方式。

1.4非接觸式

距離一定間隔空間看著鏡頭即可獲得虹膜數(shù)字圖像，不需要用戶身體直接接觸圖像設(shè)備，對人身沒有任何侵犯，因而被用戶容易接受。虹膜是一個(gè)外部能夠看見的人體內(nèi)部器官，不必與圖像采集設(shè)備物理接觸，也不需要與虹膜識別機(jī)器進(jìn)行接觸，就能獲取合格的虹膜圖像。識別過程只需要眼睛與機(jī)器保持一定距離的非接觸式識別技術(shù)。識別方式相對于其他生物識別技術(shù)需要接觸感知的生物特征一是更加干凈衛(wèi)生，二是不會污損成像裝置而影響其他人的識別。三是不會留下生物殘留，其生物特征也就難以被復(fù)制，進(jìn)一步提高可靠性。

常見的指紋識別技術(shù)，是一種接觸式識別技術(shù)，對手指指紋表面的清潔度和干燥度要求很高，手指任何臟物、濕潤、油漬等都將可能造成機(jī)器識別出錯(cuò)。進(jìn)行指紋識別驗(yàn)證時(shí)，手指捺印角度不同、力度大小不同等因素都會造成識別出現(xiàn)錯(cuò)誤。另外，指紋識別采集時(shí)，被檢測者的指紋痕跡都會在指紋采集器上遺留，這樣用戶的指紋就有被復(fù)制的可能，識別安全性降低許多。

在特定場景下應(yīng)用更為方便。比如在雙手沾有污物或雙手占用進(jìn)行識別檢測操作時(shí)，虹膜識別只需要看一看檢測鏡頭就完成圖像采集顯然比需要其他物理接觸識別方法更方便。

虹膜識別圖像采集和識別使用的是特定波長紅外線光波，光照強(qiáng)度跟自然光相差不多，對眼睛傷害可以忽略不計(jì)。而且紅外線輻射，對人體的傷害小到比打一分鐘電話還少。

1.5活體信息

虹膜組織生物活性極其強(qiáng)大。例如，光線明暗變化，瞳孔的大小也隨著變化;并有一個(gè)不斷調(diào)節(jié)過程和可達(dá)每秒十余次的縮放;瞳孔會隨著光線收縮或擴(kuò)張并牽動虹膜的擴(kuò)張或收縮，一般情況下很難被盜取，使其具有天然的防偽性。人體死亡、昏迷不醒、眼球組織脫離眼睛時(shí)，完全收縮虹膜組織，產(chǎn)生虹膜消失現(xiàn)象。虹膜生物活性與人體生命活性共生共亡，故利用照片、錄像、尸體的虹膜代替活體的虹膜圖像都不可能產(chǎn)生相同的虹膜代碼，進(jìn)一步增強(qiáng)了生理組織的真實(shí)性。

虹膜是不可被復(fù)制的，而且當(dāng)一個(gè)人死亡后，瞳孔會白然放大，從而造成虹膜消失，也不可能產(chǎn)生虹膜圖像;當(dāng)眼球被剝離人體后，虹膜同樣會隨瞳孔放大失去活性，所以只有活體才能有虹膜。由于只有活人人體才有虹膜，因而利用照片或者視頻上的虹膜圖片都不能復(fù)制成代碼的，照片和視頻圖像的虹膜也就不能被識別。因此，虹膜識別的安全性更高。由于虹膜具有天然生物活性特征，虹膜識別技術(shù)活性特征也就決定它是新世紀(jì)最具有發(fā)展前途的生物識別技術(shù)，未來的安全防務(wù)、國防、電子商務(wù)等多種領(lǐng)域的應(yīng)用，必將會成為以應(yīng)用虹膜識別技術(shù)為重點(diǎn)。

既不可能在對視力無嚴(yán)重影響的情況下利用外科手術(shù)改變虹膜特征，也不可能將一個(gè)人體的虹膜組織特征改變得到和某一個(gè)特定對象人的虹膜特征相同，更不可能利用照片、錄像、尸體的虹膜圖像代替活體的虹膜圖像，這就是虹膜不可復(fù)制性。

1.6性能指標(biāo)

在人體生物特征識別領(lǐng)域十分重要的指標(biāo)是認(rèn)假率，認(rèn)假率的數(shù)值越低，就是說識別時(shí)出錯(cuò)的概率越小，也就表示識別性能越好。一般情況下虹膜識別的認(rèn)假率為1/1500000，與指紋識別，人臉識別等技術(shù)相比較其認(rèn)假率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他識別技術(shù)。因此生物識別技術(shù)方面專家認(rèn)為，虹膜識別準(zhǔn)確度是在生物識別技術(shù)中僅次于DNA識別，而高于其他生物識別技術(shù)。

根據(jù)富士通方面的虹膜識別數(shù)據(jù)顯示，其錯(cuò)誤識別率可達(dá)1/1500000，其準(zhǔn)確率是當(dāng)前指紋準(zhǔn)確率的三十倍，加之又是非接觸式的識別方式，非常方便高效。綜合安全性能上占據(jù)絕對優(yōu)勢，其誤識率（FAR，把假的認(rèn)成真的概率）約為千萬分之一，拒識率（FRR把真的當(dāng)作假的概率）約為千分之一。

根據(jù)英國國家物理實(shí)驗(yàn)室的測試結(jié)果顯示：在目前實(shí)際應(yīng)用的生物識別技術(shù)中，錯(cuò)誤率最低的識別技術(shù)是虹膜識別技術(shù)。

2虹膜識別技術(shù)的缺點(diǎn)分析

2.1市場規(guī)模比較小

從全球生物識別市場占有率的調(diào)查數(shù)據(jù)來看，占有率第一是指紋識別，市場占有率為58%;占有率第二是人臉識別，市場占有率為18%，虹膜識別緊隨人臉識別，市場占有率份額為7%。而技術(shù)準(zhǔn)確性比較高的虹膜技術(shù)，由于應(yīng)用技術(shù)開發(fā)較晚，實(shí)際應(yīng)用速度較慢使其目前來看整體市場體量還是較小，未能形成規(guī)?；瘧?yīng)用，究其原因主要有以下幾點(diǎn)。

（1）虹膜圖像采集成本昂貴。相比人臉識別時(shí)只需要借助現(xiàn)存普通攝像機(jī)即可完成圖像采集，而虹膜采集需要專門的圖像采集攝像機(jī)完成。實(shí)際虹膜識別系統(tǒng)應(yīng)用中的主要技術(shù)問題就是獲取高質(zhì)量的虹膜圖像需要用戶高度配合的要求和虹膜采集設(shè)備性能要求，圖像采集設(shè)備成本也比較高。從而導(dǎo)致當(dāng)前虹膜設(shè)備成本仍比較昂貴。

當(dāng)前，國外相關(guān)虹膜識別設(shè)備均價(jià)在30萬元以上，而國內(nèi)相關(guān)虹膜識別機(jī)器批量售價(jià)接近萬元。虹膜設(shè)備硬件部分仍需要很長時(shí)間解決造價(jià)成本，由此看來虹膜技術(shù)要規(guī)模化應(yīng)用仍需很長時(shí)間。

目前，在虹膜識別技術(shù)應(yīng)用企業(yè)中，國內(nèi)有五六家做虹膜識別技術(shù)設(shè)備的廠家，基本都是做近距離識別設(shè)備;國外有三四家做虹膜技術(shù)的廠家，專做算法，不做設(shè)備。從目前了解情況來計(jì)算，國內(nèi)國外虹膜識別技術(shù)廠家總數(shù)大概不會超過20家。國內(nèi)公司中，大部分虹膜識別技術(shù)企業(yè)，基本上主要都是近距離虹膜識別技術(shù)，而要進(jìn)入到遠(yuǎn)距離虹膜識別技術(shù)層次更是不容易，投入成本和代價(jià)都將非常高，導(dǎo)致設(shè)備成本居高不下。

從軟件方面，為了提高采集圖像質(zhì)量問題，又需要采用高分辨率技術(shù)及圖像處理新技術(shù)來解決問題，還要通過各種各樣的方式提醒用戶配合圖像采集;這樣解決了采集圖像質(zhì)量問題，但也進(jìn)一步增加了設(shè)備費(fèi)用。在進(jìn)一步要求應(yīng)用環(huán)境中的安全等級提高，增加虹膜圖像的活體檢測和防止虹膜圖像盜用;對于虹膜圖像的數(shù)據(jù)格式，數(shù)據(jù)接口要有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，加強(qiáng)數(shù)據(jù)共享，方便人員之間的交流及虹膜識別產(chǎn)品的評測，這些需要進(jìn)一步完善虹膜識別技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化。

對用戶虹膜圖像采集時(shí)的配合要求較高，例如對圖像采集距離的要求。目前國內(nèi)最常用的技術(shù)水平可達(dá)到的范圍是40CM-60CM，有資料顯示國內(nèi)最先進(jìn)技術(shù)水平可以達(dá)到120cm，隨著技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展，未來采集距離將會隨著技術(shù)發(fā)展而逐漸擴(kuò)大。同時(shí)，不同配置的鏡頭也會影響采集距離，同時(shí)不同配置的攝像鏡頭也會影響成像的結(jié)果。由于應(yīng)用需求不同、應(yīng)用場景不同，對鏡頭配置的要求也會不同。目前，采集的距離還無法做到更遠(yuǎn)，所以無法應(yīng)用到那種遠(yuǎn)距離大場景監(jiān)控領(lǐng)域識別，而是應(yīng)用在一般近距離識別通道。

（2）虹膜對環(huán)境的要求比較多，如虹膜對環(huán)境的光線要求比較多，光線亮度太亮或者太暗容易影響圖像質(zhì)量，導(dǎo)致虹膜設(shè)備在室外的識別效果相對會差一些。

2.2目前虹膜識別距離較近適應(yīng)不了遠(yuǎn)距離方面應(yīng)用

據(jù)有關(guān)資料介紹，目前人臉識別距離可以達(dá)到十米以外的區(qū)域，而虹膜識別現(xiàn)在識別距離大部分處在40Cm-60cm的識別范圍，最遠(yuǎn)距離大約是120cm。從識別距離來衡量，虹膜識別距離較近而無法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離范圍監(jiān)控領(lǐng)域的應(yīng)用。

虹膜識別技術(shù)發(fā)展方向需要進(jìn)一步解決識別距離關(guān)鍵技術(shù)難題，虹膜識別能夠遠(yuǎn)距離實(shí)現(xiàn)識別，也可利用人工智能技術(shù)自動跟蹤檢測，達(dá)到自動、快速識別虹膜的無感識別;同時(shí)還要在較遠(yuǎn)距離大范圍的情況下仍然能精準(zhǔn)定位，并且識別距離將會隨著識別距離擴(kuò)大要求而逐漸擴(kuò)大。

2.3虹膜識別技術(shù)應(yīng)用中的安全隱患

虹膜識別技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)是唯一性和穩(wěn)定性，且由于最大優(yōu)點(diǎn)具有終身不變的特性，也就是說生物特征一旦丟失，就預(yù)示著永久地丟失，無法重新修補(bǔ)來彌補(bǔ)損失。這就是虹膜識別技術(shù)存在的最大缺點(diǎn)-安全性隱患，也正是安全性隱患嚴(yán)重牽制著基于虹膜識別技術(shù)應(yīng)用進(jìn)一步發(fā)展。目前應(yīng)用虹膜技術(shù)過程中，造成安全性隱患主要表現(xiàn)在虹膜應(yīng)用技術(shù)中圖像的泄露和利用虹膜特征模板進(jìn)行圖像復(fù)原兩個(gè)方面，具體表現(xiàn)如下。

（1）虹膜應(yīng)用技術(shù)中圖像的泄露，虹膜技術(shù)中圖像采集、傳輸、存儲、鑒別等四個(gè)應(yīng)用環(huán)節(jié)，哪一個(gè)環(huán)節(jié)都離不開圖像，而圖像又是最重要的個(gè)人隱私數(shù)據(jù)。所以來講四個(gè)環(huán)節(jié)中的不管哪個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都可能引起圖像數(shù)據(jù)隱私泄露。如果一旦發(fā)生圖像數(shù)據(jù)隱私泄露，肯定會產(chǎn)生嚴(yán)重的、無法彌補(bǔ)的損失和不可預(yù)測的負(fù)面社會影響，就是存在的圖像泄露安全隱患。

（2）利用虹膜特征模板進(jìn)行圖像復(fù)原：虹膜代碼既能進(jìn)行身份識別，也能進(jìn)行逆向算法運(yùn)算還原成虹膜圖像，即就是還原成的圖像不一定與原始圖像完全相吻合，但也包含較大部分生物特征，利用這些生物特征照樣可以應(yīng)用于虹膜識別及進(jìn)行虹膜算法，就是存在的圖像復(fù)原安全隱患。

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【通聯(lián)編輯：唐一東】