中遠距離虹膜識別的專利分析

華李健 胡曉敏 安增娟

摘 要：【目的】中遠距離虹膜識別是一種具有高可靠性和高穩(wěn)定性的生物特征識別技術，通過中遠距離虹膜識別的專利分析，了解該技術的發(fā)展趨勢。【方法】對中遠距離虹膜識別技術專利的申請趨勢、技術專業(yè)等方面進行分析?！窘Y果】目前中遠距離虹膜識別處于技術成長期，以中國科學院孵化企業(yè)為代表的國內企業(yè)虹膜識別產品在國內占有率高于國外產品，整體上處于產業(yè)鏈前端?！窘Y論】我國在該技術領域具有較強的研發(fā)實力和專利保護意識，在產業(yè)后續(xù)發(fā)展過程中，可重點關注產業(yè)培育、招商路徑、關鍵技術及應用安全性等方面。

關鍵詞：虹膜識別；生物識別；中遠距離；專利分析

中圖分類號：G306? ? ? 文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1003-5168（2024）04-0142-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.04.027

Patent Analysis of Medium and Long Range Iris Recognition

HUA Lijian? ? HU Xiaomin? ? AN Zengjuan

（Tianjin Intellectual Property Protection Center， Tianjin 300384， China）

Abstract： [Purposes] Medium and long distance iris recognition is a highly reliable and stable biometric identification technology. By analyzing the patents related to medium and long distance iris recognition， the development trends of this technology can be determined. [Methods] The application trend of medium and long distance iris recognition patents and technical expertise were analyzed. [Findings] At present， medium and long distance iris recognition is in the stage of technological growth. Domestic companies， represented by Chinese Academy of Sciences-incubated enterprises， have a higher market share in iris recognition products compared to foreign products， positioning themselves at the forefront of the industry chain. [Conclusions] China has strong research and development capabilities and a high awareness of patent protection in the field of medium and long distance iris recognition. In the subsequent development of the industry， attention should be focused on industry cultivation and investment promotion， key technologies， and application security.

Keywords： iris recognition; biometrics; medium and long distance; patent analysis

0 引言

隨著社會經濟的進步，網(wǎng)絡化和信息化技術深入發(fā)展，人們對身份識別提出了更高的要求［1］。虹膜特殊、復雜的生理特性，使虹膜具有穩(wěn)定性、非侵犯性、唯一性、防偽性和極坐標性等特點，使其在身份識別中具有非常大的優(yōu)勢［2］。近年來，虹膜識別得到了學術界、產業(yè)界和政府的廣泛關注。我國人口基數(shù)大、人口流動性強是社會治理面臨的難題，中遠距離虹膜識別技術的發(fā)展對于我國的社會穩(wěn)定及國防安全都有很重要的戰(zhàn)略意義。因此，應重視該技術領域的自主研發(fā)、技術儲備及應用，實現(xiàn)虹膜識別技術的自主可控，打造符合國家安全要求的、技術領先的虹膜識別系統(tǒng)。

虹膜識別是20世紀90年代興起的生物特征識別技術，在近十年的研究中，虹膜識別技術已經取得了較大進展，但由于人眼結構的復雜性、應用環(huán)境的多樣性，虹膜識別領域還有很多亟待解決的問題。中遠距離虹膜識別是相對于近距離虹膜識別而言的，一般認為人眼距離虹膜攝像頭0.2～1 m的距離為中距，1～3 m的距離為遠距。中遠距離虹膜識別在保證其高可靠性和高穩(wěn)定性的同時，具有更高的非侵犯性，也具有更高的技術接受程度。隨著人工智能產業(yè)的不斷發(fā)展，虹膜識別技術在未來的智能安防、智能制造、智能家居、智能醫(yī)療、智慧城市的建設當中，會有更為廣闊的應用前景［3］。

1 專利數(shù)據(jù)來源

本研究的專利文獻數(shù)據(jù)主要來自incoPat數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)檢索截止時間為2022年12月31日。利用相關檢索結果對中遠距離虹膜識別技術的全球專利進行檢索分析。

2 中遠距離虹膜識別專利數(shù)據(jù)分析

2.1 全球專利申請趨勢

全球中遠距離虹膜識別專利的總申請量達3 164項，其中大部分為虹膜識別算法。中遠距離虹膜識別技術的全球專利趨勢如圖1所示。由圖1可知，虹膜識別技術的相關專利申請態(tài)勢可分為4個階段。

2.1.1 技術探索期（1996—2000年）。雖然遠距離虹膜識別的產品于2006年才開始進入市場，然而相關的專利申請時間卻遠遠早于該時間點。1996年12月，美國的Sarnoff公司提出的專利申請US6714665B1，公開了遠距離虹膜識別設備硬件的技術方案。1999年3月，日本OKI公司提出了專利申請JP2000259817A，可以測量虹膜識別器與用戶之間的距離，通過對用戶距離加以引導，可以在中距離上實現(xiàn)虹膜識別。2000年3月，韓國人KIM HOE YUL提出了KR100397750A專利申請，可以在中距離上快速鎖定虹膜位置。1996—2000年申請量均較少，屬于中遠距離虹膜識別技術的起步階段?？傮w而言，隨著虹膜識別遠距離需求的到來，這一階段是遠距離虹膜識別技術的儲備階段，可以稱為技術探索期。

2.1.2 中距快速發(fā)展期（2001—2004年）。該階段，專利申請量呈現(xiàn)出顯著增長。這種顯著增長的原因有多種，如國際反恐行動、互聯(lián)網(wǎng)廣泛應用等，這些能使生物識別技術炙手可熱，因此許多公司投入了大量人力、財力進行相關產品和技術的研發(fā)。指紋識別應用中出現(xiàn)的不準確、易偽造等特性，促使了虹膜識別技術受到重視，同時對于虹膜識別成本、安全性、非配合性的改善或提升促使遠距離虹膜識別的研發(fā)得到了快速發(fā)展。從最早的貼近式虹膜識別設備發(fā)展到幾米遠的虹膜識別，需要考慮光學采集設備的適應度、識別算法、設備成本等諸多因素，因而虹膜識別的距離也由近及遠地發(fā)展。這一階段專利申請技術主題主要涉及中距離虹膜識別技術，總申請量中約72%的申請涉及中距離虹膜識別，其余則是關于遠距離和非配合的申請?？傮w來說，這一階段是第一次中距離虹膜識別技術快速發(fā)展期。

2.1.3 遠距快速發(fā)展期（2005—2011年）。2005年，美國Sarnoff公司研發(fā)了一種可以在3米遠進行遠距離虹膜識別的原型系統(tǒng)Iris-on-the-move（I0M）并逐漸投放市場。該系統(tǒng)利用高像素攝像機組成的陣列在遠距離拍攝虹膜圖像，當人走過一個固定位置時，系統(tǒng)就可以抓拍下他的虹膜圖像并進行識別，成為虹膜識別技術發(fā)展中的一個具有里程碑性質的突破。該階段專利申請量維持穩(wěn)定，但虹膜識別的距離則呈現(xiàn)出由中距離向遠距離發(fā)展的態(tài)勢，專利申請主題主要涉及1 m以上遠距離虹膜識別技術?？傮w來說，這一階段各國對于遠距離虹膜識別的研發(fā)投入都很大，處于遠距技術的快速發(fā)展期。值得一提的是，這一階段是中國國內遠距離虹膜識別專利申請開始增長的階段，主要申請主體為國內高校和科研機構，如中國科學院自動化所等。

2.1.4 發(fā)展高峰期（2012—2021年）。此階段，僅2012年一年的申請量就達到了100項，之后申請量逐年快速增長并保持高位。這一時期涉及中距離、遠距離和非配合技術的專利申請量較為均衡，虹膜識別設備的硬件不斷在改進，算法也在進一步探索，技術發(fā)展方面已由單純的識別距離發(fā)展為對中遠距離識別低成本和高識別率的追求。

2.2 首次申請國家/地區(qū)分析

全球中遠距離虹膜識別專利的首次申請國家/地區(qū)分布如圖2所示，可以看出中、日、美、韓四國占據(jù)了首次申請國家/地區(qū)的前四名。

其中，中國以將近50%的占比排名榜首，反映出中國在該技術領域方面較強的研發(fā)實力和較強的專利保護意識。以中國為首次申請國家/地區(qū)的專利大多集中在算法和系統(tǒng)應用上，主要涉及分類號大類G06（IPC含義：計算；推算；計數(shù)）。經分析，中國的申請人數(shù)量眾多也是中國的中遠距離虹膜識別專利技術排名第一的原因之一。

美國以14%占比排在中國之后。但是與中國情形不同的是，美國專利申請在算法方面集中度更高，超過85%的專利申請均為算法方面專利，體現(xiàn)出美國在原創(chuàng)性算法和人工智能識別領域的技術優(yōu)勢。其次是韓國12%、日本6%?？傮w上看，中美韓日四國專利申請占比之和達到了80%，說明該四國在虹膜識別技術領域占據(jù)著統(tǒng)治地位。

各國中遠距離虹膜識別的專利申請隨年份變化如圖3所示。美國較早在該技術領域進行了基礎性專利布局，而我國首件專利申請出現(xiàn)得較晚，并且在2011年以前都未超過30項。2012年之后，我國專利申請量快速增長，2018年已達到單年240項，這與我國近年來產業(yè)轉型升級、大力發(fā)展人工智能和新一代信息技術、科技人員創(chuàng)新能力不斷提升是密不可分的。美國近些年的虹膜識別技術發(fā)展態(tài)勢與中國的發(fā)展態(tài)勢相類似，美國的專利技術在2016年前每年申請量不超過30項，但在2017年后每年申請量迅速增加，2018年達到62項，領先于韓國和日本。

綜合來看，雖然各國在虹膜識別技術方面申請量在近幾年都維持在高位，但是各國的技術發(fā)展并不均衡。中國虹膜識別技術發(fā)展勢頭迅猛，已經逐步形成技術優(yōu)勢，這對提高我國在虹膜識別技術領域的話語權具有重要意義。

2.3 主要申請人分析

2.3.1 LG集團。LG集團在獲得Iridian虹膜識別核心軟件技術授權的基礎上開發(fā)虹膜識別產品，在市場上占據(jù)重要地位。Iridian的兩項專利US4641349A和US5291560A作為虹膜識別領域的核心專利，分別從概念上和算法上提出了虹膜識別技術。LG集團本身并不具備該核心專利的專利權，但通過獲得Iridian的虹膜識別核心技術專利權許可，并以此為基礎進行了大量的外圍專利申請，分別采用不同的申請策略進行了外圍專利的布局。LG集團的專利布局策略可以為我國暫不具備核心專利技術的虹膜識別相關企業(yè)，尤其是硬件生產和集成相關企業(yè)提供參考。

從技術主題來看，LG集團專利申請同時涵蓋了作為底層技術的核心算法和硬件設備，以及作為上層應用的人機交互和應用擴展，并且以硬件設備改進為主，核心算法的改進次之，這與其主要以硬件生產為主、虹膜識別產品使用Iridian授權許可的核心算法有關。從技術功效來看，圖像采集是其研發(fā)重點，LG集團在圖像采集的易用性方面進行了大量的專利布局，這也在一定程度上反映出虹膜識別硬件系統(tǒng)的研發(fā)側重于虹膜圖像采集過程中如何提升用戶體驗。

2.3.2 北京中科虹霸科技有限公司。北京中科虹霸科技有限公司（以下簡稱中科虹霸）由中國科學院自動化研究所設立，是專業(yè)從事機器視覺、生物特征識別等人工智能領域的技術研究、產品開發(fā)與成果轉化的國家級高新技術企業(yè)。中科虹霸專利申請的主要發(fā)明人是原中國科學院自動化研究所研究人員，主要研究思路和專利布局均延續(xù)中國科學院自動化所研發(fā)思路，且有10項專利是由中國科學院自動化所轉讓所得，也能說明二者合作關系非常緊密。該公司專利類型覆蓋較全，包括產品外觀、核心算法、產品構造等，專利布局較完善。

2.3.3 中國科學院自動化研究所?；趥鹘y(tǒng)教學研究體系，發(fā)明人關系多為師生關系，其中譚鐵牛、孫哲南是中遠距離虹膜識別的主要發(fā)明人，二人合作申請了大量虹膜識別相關專利，為中遠距離虹膜識別技術鋪平了國內產業(yè)化的道路，奠定了中國科學院團隊在國內中遠距離虹膜識別領域的領導地位。中國科學院自動化研究所團隊提出的一系列中遠距離虹膜識別技術，不僅延續(xù)了虹膜識別領域Daugman、Wildes和Boles 三大系統(tǒng)，而且獨創(chuàng)了基于定序測量的虹膜識別技術，是相關技術成果能夠迅速產業(yè)化的基礎。

2.4 重點專利分析

US5291560A：該專利屬于虹膜識別系統(tǒng)應用的最早申請，申請人為John Daugman，受讓人為IriScan（現(xiàn)已被法國莫弗公司收購）。該專利提出了一種搜索虹膜的中心和半徑的方法來定位虹膜的邊緣，其思想就是在虹膜圖像中一定的區(qū)域內以一個圓形邊緣探測器反復尋找虹膜的內外邊緣，直至找到最佳匹配的兩個圓。該算法的速度很大程度上依賴于對虹膜圖像庫的先驗信息。其先大致確定瞳孔的圓心區(qū)域，由該區(qū)域的點組成瞳孔圓心的候選集，以候選集的每一個點為圓心，沿半徑方向搜尋圓形模板，這是一個很耗時的搜索過程，而候選點集的準確性和大小也影響了算法的速度。John Daugman首先通過圓形模板來檢測虹膜的內外邊界，然后應用2-D Gabor變換將經過預處理的虹膜圖像進行濾波，并映射到一個虹膜代碼（Iris Code），最后利用歸一化的Hamming距離來實現(xiàn)虹膜特征匹配，通過和CCD設定閾值的比較，最終實現(xiàn)識別認證［4］。

US5751836A：該專利技術允許用戶在不需要任何物理接觸的情況下獲取虹膜圖像，不受初始空間條件限制，通過使用歸一化的空間相關性進行比較，將用戶的虹膜空間定位數(shù)據(jù)與存儲數(shù)據(jù)進行模式匹配，然后判斷虹膜的圖案是否與存儲數(shù)據(jù)匹配。

US4641349A：該專利的發(fā)明人為Leonard Flom，該項專利為虹膜識別的最早概念性專利。其與US5291560A相比，雖然沒有涉及具體的虹膜識別系統(tǒng)的設計問題，但是提出了可以使用虹膜進行身份識別的概念，因此也被認為是虹膜識別領域開創(chuàng)性的專利之一。該專利自1987年2月3日授權以來，累計引證頻次642次，具有10項同族申請，同時該專利也受讓給了IriScan。IriScan利用該專利，對其他采用虹膜進行身份識別的公司進行了大量的專利訴訟和專利許可，實現(xiàn)了其專利效益的最大化。

US6247813B1：該專利的發(fā)明人為韓國金大訓（KIMDAEHOON），受讓人為韓國Iritech。該專利具有虹膜識別活體檢測部分，其特征在于有抓取虹膜圖像以建立虹膜圖像信號的照相機的虹膜圖像獲取單元。虹膜圖像獲取單元由控制單元操作，其接口連接有數(shù)據(jù)處理單元用于將輸入的圖像信號預處理為處理后信號。處理后數(shù)據(jù)由從參數(shù)組中選擇的一系列的用于虹膜識別的一個參數(shù)所表示，此參數(shù)組包括：1采用頻率變換方法的虹膜纖維結構的密度和結構；2瞳孔反射；3瞳孔的形狀；4自主神經環(huán)反射；5自主神經環(huán)的形狀；6暗點的存在；7暗點的位置和8暗點的形狀?？刂茊卧刹僮饔糜趯⑻幚砗蟮臄?shù)據(jù)同參數(shù)比較以判斷是否標示有匹配的識別確認。該專利近年來累計引證頻次達286次，具有11件同族申請，也是虹膜識別的重要專利之一。

US6526160B1：該專利的申請人為日本媒體技術公司，該項專利能夠極大減少從虹膜圖像拾取裝置到產生虹膜識別碼的時間，簡化系統(tǒng)。目前該專利還處于有效狀態(tài)，累計引證頻次184次。

3 結論及建議

3.1 產業(yè)培育及招商路徑方面

通過梳理國內外中遠距離虹膜識別產業(yè)主體的專利布局情況可知，國外中遠距離虹膜識別技術研究主體主要是企業(yè)，具有一定專利儲備的科研院所相對較少。對于國內創(chuàng)新主體而言，可以通過跟蹤該技術領域專利申請量較多的申請主體合作、引育初創(chuàng)企業(yè)了解競爭對手實力儲備，甚至尋找產業(yè)轉化客戶來源。從產業(yè)角度來看，一方面要做好產業(yè)發(fā)展配套措施，給予足夠的產業(yè)扶持政策、人才引進計劃，并給予創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)孵化方面的便利措施。另一方面要結合智能產業(yè)“十四五”規(guī)劃，引入國外優(yōu)勢企業(yè)，激活產業(yè)集群的競爭，促進產業(yè)健康發(fā)展。而未來在進行本領域的招商引資時，可重點考慮該領域技術實力較為突出的創(chuàng)新主體。技術往往與專利直接關聯(lián)，因此專利是考評企業(yè)技術實力的較好抓手。

3.2 關鍵技術方面

關鍵技術方面，建議產業(yè)鏈上企業(yè)重點關注以下三方面。

3.2.1 虹膜采集設備。虹膜采集設備是中遠距離虹膜識別技術的基礎，同時也是實現(xiàn)起來比較困難的步驟。由于虹膜識別的有效采集面積小，需要高倍光學系統(tǒng)來支撐識別算法所需的圖像分辨率，因此對光、機、電技術都有很高的要求。企業(yè)需要重點關注動態(tài)、中遠距離、快速獲取高質量虹膜圖像相關技術。此外針對虹膜顏色較深這一情況，在虹膜圖像采集的攝錄設備上有著更高要求，因此光學系統(tǒng)、配置光源和電子控制單元等技術需要根據(jù)采集人種特點進行合理化設計。

3.2.2 虹膜圖像識別。針對采集到的虹膜圖像的質量判定及虹膜定位是虹膜自動識別的重要一環(huán)。由于圖像采集過程中存在多種干擾因素，虹膜定位及虹膜特征的選擇也是重點研究方向，如何在虹膜識別和注冊過程中選取更穩(wěn)定的特征來進行分析識別也是技術發(fā)展面臨的重點問題之一。

3.2.3 提升虹膜識別魯棒性。虹膜識別圖像實際采集過程中通常面臨著圖像采集不完整、強弱光環(huán)境干擾、采集人員配合性低等情況，針對此類情況對于更高效的采集設備和降噪算法的研究對于虹膜識別技術的實際應用具有重要意義。

3.3 應用安全性方面

目前虹膜識別技術在應用過程中，還存在安全隱患，主要表現(xiàn)為虹膜原始圖像的泄露和虹膜特征模板的圖像復原，企業(yè)應關注該方面技術研發(fā)和儲備。在安全性方面應重點關注以下兩點。

一是虹膜原始圖像的泄露。虹膜原始圖像是個人隱私數(shù)據(jù)的集中體現(xiàn)，公安領域虹膜應用過程中的采集、傳輸、入庫、比對等各個環(huán)節(jié)均存在隱私泄露的風險。

二是虹膜特征模板的圖像復原。通過算法利用虹膜的特征模板復原出與采集的原始虹膜圖像不完全一樣的虹膜圖像，但由于符合特征模板中的識別特征，復原的虹膜圖像能達到與原始圖像同樣的識別判定結果，同樣存在安全性風險。

對以上虹膜識別應用的安全隱患，應研究基于密碼學的原始圖像和特征模板保護方案對虹膜數(shù)據(jù)進行安全性保護，以滿足用戶在身份采集、存儲和認證過程中對隱私保護的安全性需求。虹膜特征的唯一性在出現(xiàn)數(shù)據(jù)泄露風險時也可能成為該項技術的缺點，因此虹膜識別技術應用時的數(shù)據(jù)安全問題也是該項技術發(fā)展所面臨的嚴峻考驗之一。

參考文獻：

［1］李星野，劉新亮. 虹膜識別［J］. 上海理工大學學報，2011，33（4）：384-390.

［2］王曉霞. 虹膜識別的專利申請分析［J］. 科技尚品，2017（4）：22.

［3］付振康，方心如. 基于專利的我國虹膜識別技術領域PEST分析［J］. 科技創(chuàng)新與應用，2021，11（24）：1-6，13.

［4］梁艷，曾碧卿. 基于區(qū)域生長與Hough變換的虹膜定位方法［J］. 計算機工程與應用，2012，48（8）：200-202.