虹膜鑒定特征研究

張翌陽， 唐云祁

(中國人民公安大學(xué)偵查學(xué)院， 北京 100038)

0 引言

近年來，生物特征識別技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于公安機(jī)關(guān)核驗人員身份的工作當(dāng)中，虹膜成為繼指紋、人臉、DNA后，又一生物特征識別應(yīng)用研究熱點[1]。虹膜識別是一個典型的模式識別問題，主要步驟包括圖像獲取、預(yù)處理、特征提取與比對[2]。虹膜識別的核心思想就是通過比較虹膜圖像特征之間的相似性來確定人們的身份。這種模式之下的虹膜識別精度極高，同時能夠進(jìn)行一對多識別，特別適合用于大規(guī)模人群的身份識別[3]。虹膜識別技術(shù)在世界上已有很多成功的應(yīng)用案例，印度的Aadhaar計劃[4]于2008年啟動，到2016年為12億人創(chuàng)建生物識別身份，是世界上最大的生物身份識別系統(tǒng)，這個項目將印度公民的身份證編號與本人的虹膜信息以及手機(jī)號、銀行賬戶進(jìn)行綁定，印度公民直接在網(wǎng)上通過虹膜識別即可完成身份識別和驗證，進(jìn)而使印度公民很方便地享受數(shù)字化的醫(yī)療、社保、培訓(xùn)、就業(yè)、移動業(yè)務(wù)辦理以及網(wǎng)上支付等服務(wù)。阿聯(lián)酋的出入境虹膜識別系統(tǒng)[5]是迄今為止國家級規(guī)模中最大的虹膜識別系統(tǒng)，所有進(jìn)出阿聯(lián)酋的旅客的虹膜都會進(jìn)行登記，并實時與已登記的中央數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比較，據(jù)統(tǒng)計該識別系統(tǒng)每天要進(jìn)行約27億次虹膜交叉比對，錯誤匹配率非常低。

至今，虹膜識別技術(shù)已經(jīng)非常成熟，識別結(jié)果的準(zhǔn)確度很高。但目前在司法審判過程中，虹膜識別結(jié)果還無法直接成為司法證據(jù)來使用。相比于DNA和指紋，虹膜還缺少一種鑒定方法，使其識別結(jié)果以鑒定文書的形式成為法定證據(jù)之一。想要設(shè)計一種虹膜鑒定方法， 最關(guān)鍵的問題是尋找依據(jù)哪些特征來進(jìn)行比對，因此本文的研究聚焦在虹膜鑒定方法中的特征選擇問題上。

虹膜是位于人眼黑色瞳孔和白色鞏膜之間的圓環(huán)狀區(qū)域，在紅外光下呈現(xiàn)出豐富的紋理信息，虹膜從嬰兒胚胎期的第3個月左右開始發(fā)育，到第8個月左右虹膜的主要紋理結(jié)構(gòu)已經(jīng)成型，除非經(jīng)過眼外科手術(shù)，此后幾乎終生不變[6]。虹膜紋理的形成既受遺傳因素的控制，同時也受外界環(huán)境的影響，即使同一人的左右眼紋理也不盡相同。在研究可用于鑒定的虹膜特征的過程中，基于生物解剖學(xué)基礎(chǔ)上對虹膜特性的描述是最基本的問題。虹膜的生理結(jié)構(gòu)以及虹膜上各種紋理的形成機(jī)理從根本上解釋了每一只眼睛的虹膜圖像都不相同，虹膜具有唯一性和穩(wěn)定性[7]。本文結(jié)合人眼的解剖學(xué)研究，通過觀察現(xiàn)有公開虹膜數(shù)據(jù)庫，研究虹膜紋理的形成和紅外光下虹膜紋理的成像特點，并探討在虹膜鑒定過程中紋理特征的選擇與使用問題。

1 研究現(xiàn)狀

虹膜識別從上世紀(jì)90年代就已經(jīng)開始興起，1993年，John Daugman博士[8]研究出基于Gabor變換的虹膜識別算法，實現(xiàn)了一個高性能的虹膜識別系統(tǒng)，使虹膜識別技術(shù)有了突破性的進(jìn)展。目前，大部分的自動虹膜識別系統(tǒng)都沿用了Daugman核心算法流程。1996年，Wildes[9]研制成功基于虹膜的身份認(rèn)證系統(tǒng)。在國內(nèi)，1998年底中科院自動化所譚鐵牛博士[10]開始虹膜識別方面的研究，2000年成功開發(fā)出具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的虹膜識別系統(tǒng)，填補了國內(nèi)空白。2000年后，關(guān)于虹膜識別算法的科研論文激增。目前的虹膜識別算法在特征提取和比對這一步上可以分為兩大類：

第一類算法在虹膜識別過程中將虹膜圖像中像素間的灰度變化作為紋理特征，利用濾波器將這種變化信息轉(zhuǎn)換為某種編碼形式，然后再進(jìn)行比對。最具有代表性的就是Daugman利用多尺度二維Gabor濾波器提取歸一化虹膜圖像的紋理特征，在此基礎(chǔ)之上，一些學(xué)者進(jìn)一步發(fā)展了該方法。此類虹膜識別算法經(jīng)過濾波后得到的特征參數(shù)很難用人眼去觀察和理解，也很難和虹膜圖片上的紋理一一對應(yīng)，雖然識別精度很高，但是卻忽略了虹膜本身的紋理形狀特征，因此我們無法利用此類虹膜識別模式來完成虹膜的人工鑒定。

第二類算法利用虹膜中的隱窩、裂縫、色素斑和條紋等宏觀紋理特征作為匹配和識別的特征參數(shù)，其中，Shen F等人[11-13]通過實驗證實了隱窩作為虹膜識別特征的有效性，并設(shè)計了基于虹膜隱窩特征的虹膜識別算法，同時總結(jié)了隱窩紋理的4個特點：①在近紅外照明下，隱窩的顏色更深。②隱窩的邊緣輪廓明顯。③隱窩通常位于卷縮輪附近。④隱窩的形狀大多是圓形或橢圓形的組合。但對于其他虹膜紋理，并沒有后續(xù)的研究。劉笑楠等人[14-16]基于虹膜診斷學(xué)的理論，提出了將可見光下的虹膜紋理分為坑洞、色素斑、裂縫、環(huán)狀條紋4種，又將4種紋理分為塊狀紋理、線狀紋理和環(huán)狀紋理3大類，有效地將虹膜紋理進(jìn)行分類，方便后續(xù)對各類紋理的識別?？梢姽庀碌暮缒ぜy理相對于紅外光下虹膜紋理的成像特點略有不同，光下的虹膜紋理更為清晰和有立體感，對于虹膜診斷學(xué)而言更好的細(xì)節(jié)特征更有利于得到精確的診斷結(jié)果。

第二類算法的研究對我們研究虹膜鑒定有著重要的借鑒意義，基于這類論文對虹膜紋理的初步認(rèn)識，后續(xù)開始有人對虹膜紋理特征進(jìn)行更加深入的研究。陳子龍等人[17]研究基于虹膜圖像的人工特征選擇和標(biāo)注方法，提出將虹膜紋理分為放射狀溝線、向心溝、卷縮輪、隱窩、色素點五類，在虹膜鑒定過程中，虹膜原始圖像和經(jīng)過計算機(jī)歸一化處理后的圖像要分別進(jìn)行比對，以及運用計算機(jī)輔助對虹膜特征標(biāo)注的方法。這一研究是虹膜識別技術(shù)在檢驗鑒定領(lǐng)域應(yīng)用的初步探索，給出了一種運用計算機(jī)輔助人工進(jìn)行虹膜比對的模式。

目前針對虹膜鑒定特征問題的研究仍然無法脫離計算機(jī)算法的輔助，尤其對于規(guī)格不同的虹膜圖像，其中主要指虹膜圖片瞳孔大小不一致的情況，仍然需要進(jìn)行歸一化處理后再對虹膜紋理特征進(jìn)行選擇和標(biāo)注。因此，現(xiàn)有大部分對虹膜紋理特征的研究也是以計算機(jī)算法能夠識別的紋理特征為主，如虹膜卷縮輪紋理就是在原始虹膜圖片上常為不連續(xù)的，邊界也相對模糊，需要在歸一化處理后才能夠較為清晰的識別。本文在前人對虹膜紋理研究的基礎(chǔ)上，將虹膜圖像上虹膜紋理的成像特點進(jìn)行更為詳細(xì)的闡述，并且將可用于鑒定的虹膜紋理特征進(jìn)行粗分類，同時研究了各類虹膜特征在鑒定過程中的使用問題。

2 虹膜簡介

2.1 虹膜及其組織結(jié)構(gòu)

虹膜是眼球的重要組成部分，位于眼角膜之后，晶狀體之前，將眼房分為前房和后房。從組織學(xué)上分析，虹膜組織由前向后分為6層：內(nèi)皮細(xì)胞層、前界膜層、基質(zhì)層、肌肉層、后色素上皮層和內(nèi)界膜層[18-20]。

虹膜的直徑約為12 mm、厚度約為0.5 mm，四周與睫狀體相連，中央的圓孔稱為瞳孔。瞳孔會隨著光線的變化擴(kuò)展和收縮，這一過程由虹膜的開大肌和括約肌完成。虹膜表面有很多放射狀紋理，瞳孔縮小時，紋理變直；開大時，紋理呈波浪狀。放射狀紋理的實質(zhì)是血管的輪廓。在徑向方向上，虹膜由距離瞳孔約1.5 mm的虹膜小環(huán)(或虹膜卷縮輪)分為瞳孔區(qū)和睫狀區(qū)兩大部分[21]，見圖1。

1.瞳孔； 2.瞳孔區(qū)域； 3.睫狀區(qū)域； 4.鞏膜

瞳孔區(qū)，虹膜中靠近瞳孔一側(cè)的區(qū)域，各處寬度不一，其寬度隨瞳孔大小而改變，瞳孔縮小時增寬，開大時變窄。瞳孔區(qū)可以分為兩個區(qū)域，靠近瞳孔一側(cè)的區(qū)域紋理特征主要表現(xiàn)為放射狀溝線；靠近卷縮輪附近的區(qū)域，紋理特征通常不再呈放射狀而是相互交錯呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，網(wǎng)狀的凹陷部分，稱為虹膜隱窩。

睫狀區(qū)，虹膜中靠近鞏膜一側(cè)的區(qū)域，可以分為3個區(qū)域，內(nèi)側(cè)區(qū)域靠近卷縮輪附近，紋理特征主要表現(xiàn)為虹膜隱窩和色素斑；中部區(qū)域紋理特征主要表現(xiàn)為環(huán)狀條紋，瞳孔散大時更為明顯；外側(cè)即虹膜根部，邊緣處也會出現(xiàn)隱窩，但相比于瞳孔區(qū)，此處隱窩較窄且多。

2.2 4種虹膜紋理

通過現(xiàn)有虹膜解剖學(xué)對虹膜紋理形成機(jī)理的認(rèn)知，再經(jīng)過對中科院CASIA[22]和吉林大學(xué)JLU[23]虹膜數(shù)據(jù)庫中大量虹膜圖片的觀察分析，結(jié)合相關(guān)論文，將虹膜紋理分為以下4種：隱窩、色素斑、環(huán)狀條紋、放射狀溝線[14]，見圖2。

1.隱窩； 2.色素斑； 3.環(huán)狀條紋； 4.放射狀溝線

2.2.1 隱窩

隱窩大多位于睫狀區(qū)和虹膜卷縮輪附近，呈現(xiàn)為類橢圓形的立體凹陷，隱窩的大小不等、邊緣不規(guī)則。成像時隱窩紋理內(nèi)部相對較暗，輪廓明顯，在瞳孔放縮的過程中同一隱窩也可能會呈現(xiàn)出不同的形狀。

2.2.2 色素斑

色素斑常位于睫狀區(qū)內(nèi)，多數(shù)呈不規(guī)則形狀，顏色深淺不一，褐色到黑色均有。成像時色素斑紋理與隱窩較為接近，但色素斑紋理內(nèi)部灰度分布比較均勻。相比于其他紋理，虹膜色素斑大多是平面的。

2.2.3 環(huán)狀條紋

環(huán)狀條紋通常位于睫狀區(qū)靠近虹膜外邊緣處，多為淺白色的凹溝，且與虹膜內(nèi)外邊緣呈近似同心圓的環(huán)狀，顏色深淺不一。成像時大多成組出現(xiàn)，對應(yīng)弧度不超過180°。

2.2.4 放射狀溝線

放射狀溝線是虹膜表面最常見的紋理，瞳孔區(qū)內(nèi)部非常豐富，在虹膜上呈現(xiàn)出從中心向外擴(kuò)散的輻射狀，數(shù)目不定，長短不一，也有部分線條從瞳孔區(qū)出發(fā)穿過卷縮輪至睫狀區(qū)。成像時，放射狀溝線顏色有深有淺，走向一般為直線型，但也不是絕對規(guī)則的直線，具備一定的長寬比。瞳孔區(qū)出現(xiàn)的放射狀條紋的形成多是由于虹膜前界層及基質(zhì)層中的纖維細(xì)胞和色素細(xì)胞排列不同，還有一部分從瞳孔區(qū)穿過卷縮輪至睫狀區(qū)的溝線是由于虹膜基質(zhì)萎縮，虹膜表面纖維分裂而形成的長形溝。

3 虹膜鑒定可用特征研究

3.1 虹膜鑒定可用特征的分類

現(xiàn)有虹膜庫大多采用近紅外采集設(shè)備進(jìn)行圖像采集，得到的虹膜圖像中，上述4種虹膜紋理受圖像清晰度的限制往往難以明確區(qū)分。直接將4種虹膜紋理當(dāng)作虹膜紋理特征，在實際鑒定過程中會出現(xiàn)對同一紋理認(rèn)識不清的情況。如隱窩和色素斑成像特點相近，都為深色塊狀，經(jīng)過觀察兩種紋理大多出現(xiàn)于睫狀區(qū)和卷縮輪附近，紋理區(qū)域內(nèi)灰度都明顯低于周圍，且有明顯的分界線。另外，虹膜圖像上紋理復(fù)雜，由于人眼的辨識能力有限，并不是所有的紋理都可以成為鑒定時的特征點，在做鑒定的過程中需要挑選清晰且有代表性的特征。因此按照4種紋理的形態(tài)特點將其又分為塊狀、線狀和環(huán)狀3大類，并且明確了在鑒定過程中如何選擇各類特征。

3.1.1 塊狀特征

虹膜隱窩是一種立體紋理特征，色素斑是一種平面紋理特征，但因為兩者在虹膜圖像中形狀相似，大多都呈現(xiàn)出容易辨識的塊狀特性，因此將虹膜隱窩和色素斑歸為塊狀特征。通過對虹膜圖像的觀察，塊狀特征多出現(xiàn)在卷縮輪附近，此處的虹膜紋理特征非常明顯。在選擇塊狀特征作為鑒定虹膜的特征點時，需要注意以下幾個問題。

首先是塊狀特征的定義問題，即一幅虹膜圖像上哪些是塊狀特征，屬于塊狀特征的前提是屬于虹膜隱窩或色素斑，塊狀特征主要還是以類橢圓形為主，要盡量選擇邊緣輪廓清晰的塊狀特征作為特征點，最后按逆時針方向進(jìn)行標(biāo)號。

其次是塊狀特征的定位問題，此過程中需要用類似于極坐標(biāo)系的方式對塊狀特征的位置進(jìn)行描述，并引入長軸與短軸兩個參數(shù)。將虹膜近似看成同心圓環(huán)，以瞳孔中心為原點，在圖像右側(cè)選擇一清晰的塊狀特征標(biāo)記為1號，1號塊狀特征的中心為第二定點，瞳孔中心與特征中心兩點連線為極軸。將虹膜劃分為與瞳孔同心的四個圓環(huán)，從內(nèi)到外依次標(biāo)記為A,B,C,D。規(guī)定塊狀特征邊界上相隔最遠(yuǎn)的兩點連線的線段為長軸，與此垂直且最長的與邊界的兩個交點間的線段為短軸，長軸和短軸的交點坐標(biāo)來描述特征的位置，如圖3。這里的塊狀特征中心坐標(biāo)用(i，θ)來表示，其中i表示塊狀特征中心所處第i圓環(huán)內(nèi)，θ類似于極坐標(biāo)中的極角，取(0°，360°)，如圖4中1號塊狀特征坐標(biāo)為(C，0)，2號塊狀特征的坐標(biāo)為(C，θ)。使用塊狀特征中心點的大概位置代替極徑的具體數(shù)值，是考慮到塊狀特征會隨瞳孔的放縮而產(chǎn)生一定變化，也是為了方便后續(xù)對塊狀特征進(jìn)行比對。

圖3 塊狀特征長短軸示意圖

最后是塊狀特征形狀和方向的描述問題，使用長軸和短軸兩個參數(shù)對形狀進(jìn)行描述，同時極軸繞瞳孔圓心逆時針旋轉(zhuǎn)至與塊狀特征長軸所在直線平行時轉(zhuǎn)過的最小角度α為塊狀紋理的方向。實際進(jìn)行虹膜比對時，同一塊狀特征在瞳孔放縮程度不同時，形狀和方向都會產(chǎn)生較大變化，因此不適合對所得參數(shù)直接進(jìn)行比對。塊狀特征標(biāo)注示例見圖4。

圖4 塊狀特征標(biāo)注示意圖

3.1.2 線狀特征

放射狀溝線是虹膜圖像中出現(xiàn)最多的虹膜紋理，根據(jù)其均為徑向放射狀直線的特點，將其單獨歸為線狀特征。線狀特征起點出現(xiàn)的區(qū)域為虹膜瞳孔區(qū)靠近瞳孔邊緣，終點為虹膜卷縮輪附近，有很少一部分會穿過卷縮輪到達(dá)睫狀區(qū)。

在選擇線狀特征作為鑒定虹膜的特征點時，需要對線狀特征的位置、方向進(jìn)行討論。線狀特征對虹膜圖像的清晰度要求比較高，同塊狀特征一樣，逆時針依次標(biāo)號。線狀特征的形狀雖然大多呈現(xiàn)為直線型，但實際上是一個長條狀的特征，也具有一定的寬度，因此線狀特征也有相應(yīng)的長軸與短軸。線狀特征的位置和塊狀特征位置的描述方法一樣，用長短軸交點作為線狀特征的中心，中心坐標(biāo)即為線狀特征的位置。這里坐標(biāo)系的建立和表示和塊狀特征相同，在沒有明顯的塊狀特征時，在圖像右側(cè)選擇一條清晰的線狀特征作為極軸，并標(biāo)記為1號線狀特征，如圖5所示。線狀特征的方向與塊狀特征略有不同，由于線狀特征大多都是徑向放射狀的直線，因此線狀紋理的方向均為由瞳孔邊緣指向虹膜外邊緣，用角度β表示，如圖5中2號線狀特征的方向如箭頭所示。

圖5 線狀特征標(biāo)注示意圖

3.1.3 環(huán)狀特征

環(huán)狀條紋主要位于睫狀區(qū)虹膜外邊緣附近，因為環(huán)狀線條的形狀為與虹膜內(nèi)外邊緣近似同心的一段圓弧，因此將虹膜環(huán)狀條紋單獨歸為環(huán)狀特征。

在選擇環(huán)狀特征作為鑒定虹膜的特征點時，需要注意不是每枚虹膜上都有環(huán)狀條紋這種紋理。當(dāng)環(huán)狀特征成組出現(xiàn)時，依次由內(nèi)向外對每條特征進(jìn)行標(biāo)號。環(huán)狀特征的位置用兩端點的坐標(biāo)表示，端點坐標(biāo)的表示與塊狀特征相同。

3.2 3種特征在鑒定中的應(yīng)用

下面通過示例來說明如何運用以上3種特征進(jìn)行鑒定和比對。圖6中有3幅虹膜圖像，其中檢材1與樣本來自同一只眼睛，但瞳孔的大小不同；檢材2來自另一只眼睛，但和樣本之間有一些相似之處。圖6中3幅虹膜圖像的分辨率一致，后續(xù)使用PS軟件測量特征的長軸和短軸時單位為像素。在進(jìn)行特征標(biāo)注時，先在樣本虹膜圖像上挑選比較清晰的特征進(jìn)行標(biāo)注，再在檢材上找出與樣本特征相對應(yīng)或位置相近的特征進(jìn)行依次標(biāo)注。圖6樣本和檢材中的12、13、14、15號特征為線狀特征，其余均為塊狀特征。

圖6 虹膜鑒定示例

對比表1和表2可以看出檢材1和樣本在選擇的17個特征中參數(shù)i的值完全相同，θ值的偏差不超過3°，有10個特征在方向這一參數(shù)上的偏差不超過5°，但長軸和短軸的長度與樣本差距比較大。對比表1和表3可以看出，檢材2和樣本在選擇的17個特征中，有15個特征參數(shù)i的值相同，7個特征θ值偏差不超過3°，僅有3個特征在方向這一參數(shù)上偏差不超過5°，長軸和短軸的長度與樣本同樣差距較大。

表1 樣本特征參數(shù)表

表2 檢材1特征參數(shù)表

表3 檢材2特征參數(shù)表

經(jīng)過綜合分析，虹膜由于瞳孔放縮，對各類特征的大小和形狀影響很大，但對特征的相互位置關(guān)系以及特征的方向影響比較小，因此認(rèn)為長軸和短軸的長度與樣本差距較大屬于非本質(zhì)差異，特征的相互位置關(guān)系和特征方向與樣本的不同屬于本質(zhì)差異。因此，圖6中檢材1基本可以與樣本認(rèn)定同一，而檢材2則可以看到與樣本明顯的差異，可以給出否定的結(jié)論。

4 結(jié)論

隨著生物識別技術(shù)的發(fā)展，虹膜識別技術(shù)在公安領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛，虹膜鑒定工作是虹膜識別技術(shù)應(yīng)用的最后一個環(huán)節(jié)，其結(jié)論以鑒定書的形式成為法定證據(jù)之一，對使用虹膜圖像認(rèn)定人身，拓展虹膜識別技術(shù)在刑事技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用具有極為重要的意義。本文通過閱讀相關(guān)文獻(xiàn)，將虹膜紋理總結(jié)為隱窩、色素斑、環(huán)狀條紋、放射狀溝線4種，并依據(jù)其形態(tài)特點和鑒定需要，將4種虹膜紋理分為3大類可用于虹膜鑒定的特征，其中隱窩和色素斑屬于塊狀特征，放射狀溝線屬于線狀特征，環(huán)狀條紋屬于環(huán)狀特征。并根據(jù)不同紋理的特點，對3類紋理的特征使用方法分別進(jìn)行討論，解決了虹膜人工鑒定中的特征選擇和使用問題。但是本文只是虹膜鑒定研究的第一步，后續(xù)想要形成一套系統(tǒng)的虹膜鑒定方法還需要接下來進(jìn)一步研究。