我國虹膜識別技術(shù)取得新進展

                                      ——訪中國科學(xué)院自動化研究所模式識別國家重點實驗室孫哲南博士

        提起身份識別，人們首先想到的是指紋、臉像、DNA等?？墒?，該“行業(yè)”中近幾年有一種識別技術(shù)異軍突起，而且在2008年12月份該項識別技術(shù)的國際算法競賽中我國科技人員一舉奪魁，這就是模式識別領(lǐng)域的前沿技術(shù)——虹膜識別技術(shù)。
        近日，本刊記者走進了中國科學(xué)院自動化研究所模式識別國家重點實驗室，采訪了該實驗室的孫哲南博士。
        孫博士不但學(xué)問淵博，而且十分健談，在接近一個小時的采訪中，孫博士滔滔不絕地向記者講述了虹膜識別的發(fā)展歷史與最新突破。
        所謂的生物特征識別，也就是人們常提起的自動化身份識別技術(shù)是構(gòu)建國家和公共安全體系的重要基石。其實人體自身就具備眾多獨特的生物特征，如臉像、指紋、虹膜、手形、語音、筆跡、步態(tài)等，經(jīng)過傳感器采集可形成數(shù)字化信息，然后用計算機程序進行特征分析和模板比對，這種自動化的身份識別方法就稱之為生物特征識別。作為信息科學(xué)領(lǐng)域的尖端高新技術(shù)，生物特征識別在安全性和便捷性方面遠遠優(yōu)于傳統(tǒng)的身份鑒別方式。
        身份識別是維持社會安定和秩序的保障機制，如果鑒定個體身份的方法建立在身外之物的基礎(chǔ)上，如密碼、證件，不法分子就可能盜取和假冒他人身份，損害人民群眾的利益，甚至對國家和公共安全構(gòu)成威脅。例如，在美國由于信用卡密碼被破解，每年至少造成1000萬人500億美元的經(jīng)濟損失；偽造證件是恐怖分子的一貫伎倆，在2008年奧運會期間，國外一些不法分子偽造銀行卡和證件，對我國的金融安全造成了威脅。美國的“9·11”事件、倫敦地鐵爆炸案、印尼巴厘島恐怖活動都和人員識別的管理缺失密切相關(guān)。

    虹膜作為身份標識的唯一性

        這么說來，與其他的身份識別相比，虹膜身份識別是天衣無縫的嗎？
        孫哲南博士說，由于虹膜圖像存在著許多隨機分布的細節(jié)特征，造就了虹膜模式的唯一性。
        虹膜是位于人眼表面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，如斑點、條紋、細絲、冠狀、隱窩等細節(jié)特征。虹膜識別通過對比虹膜圖像特征之間的相似性來確定人們的身份，其核心是使用模式識別、圖像處理等方法對人眼睛的虹膜特征進行描述和匹配，從而實現(xiàn)自動的個人身份認證。
        虹膜是一個外部可見的內(nèi)部器官，不必緊貼采集裝置就能獲取合格的虹膜圖像，識別方式相對于指紋、手形等需要接觸感知的生物特征更加干凈衛(wèi)生，不會污損成像裝置，影響其他人的識別。
        在眼睛圖像中和虹膜鄰近的區(qū)域是瞳孔和鞏膜，它們和虹膜區(qū)域存在著明顯的灰度階變，并且區(qū)域邊界都接近圓形，所以虹膜區(qū)域易于擬合分割和歸一化。虹膜結(jié)構(gòu)有利于實現(xiàn)一種具有平移、縮放和旋轉(zhuǎn)不變性的模式表達方式。
        虹膜的半徑小，在可見光下中國人的虹膜圖像呈現(xiàn)深褐色，看不到紋理信息，具有清晰虹膜紋理的圖像獲取需要專用的虹膜圖像采集裝置和用戶的配合，所以在一般情況下很難盜取他人的虹膜圖像。此外，眼睛具有很多光學(xué)和生理特性可用于活體虹膜檢測。
        研究表明，虹膜圖像可有244個獨立的自由度，即平均每平方毫米的信息量是3.2比特。實際上用模式識別方法提取圖像特征是有損壓縮過程，可以預(yù)測虹膜紋理的信息容量遠大于此。并且虹膜細節(jié)特征主要是由胚胎發(fā)育環(huán)境的隨機因素決定的，即使克隆人、雙胞胎、同一人左右眼的虹膜圖像之間也具有顯著差異。虹膜的唯一性為高精度的身份識別奠定了基礎(chǔ)。
        此間，英國國家物理實驗室的測試結(jié)果表明，虹膜識別是各種生物特征識別方法中錯誤率最低的。
        一般虹膜形成是從嬰兒胚胎期的第3個月起開始發(fā)育，到第8個月虹膜的主要紋理結(jié)構(gòu)已經(jīng)成形。除非經(jīng)歷危及眼睛的外科手術(shù)，此后幾乎終生不變。由于角膜的保護作用，發(fā)育完全的虹膜不易受到外界的傷害。

    虹膜圖像獲取

        虹膜圖像的獲取是虹膜識別中的第一步，同時也是比較困難的步驟，需要光、機、電技術(shù)的綜合應(yīng)用。因為人們眼睛的面積小，如果要滿足識別算法的圖像分辨率要求就必須提高光學(xué)系統(tǒng)的放大倍數(shù)，從而導(dǎo)致虹膜成像的景深較小，所以現(xiàn)有的虹膜識別系統(tǒng)需要用戶停在合適位置，同時眼睛凝視鏡頭。另外東方人的虹膜顏色較深，用普通的攝像頭無法采集到可識別的虹膜圖像。不同于臉像、步態(tài)等生物特征的圖像獲取，虹膜圖像的獲取需要設(shè)計合理的光學(xué)系統(tǒng)，配置必要的光源和電子控制單元。在過去的10年中，從最簡單的近距離圖像獲取裝置到復(fù)雜的遠距離圖像獲取裝置，虹膜圖像的獲取技術(shù)得到了快速的發(fā)展。

        國際上最初的虹膜圖像獲取裝置功能簡單，需要用戶很好的配合，而且拍攝距離很近，可用性比較差。這個時期的裝置多數(shù)是由計算機視覺領(lǐng)域中的科研工作者設(shè)計的。隨后，由于虹膜識別巨大的應(yīng)用市場和潛在的商業(yè)利益，許多公司加入到發(fā)展虹膜識別技術(shù)這一行列。從1995年開始，光學(xué)專家和計算機領(lǐng)域的研究者共同發(fā)展了一些虹膜圖像獲取技術(shù)，包括輔助的用戶自定位技術(shù)、遠距離拍攝技術(shù)、自動拍攝技術(shù)、多攝像機的協(xié)同拍攝技術(shù)等等。他們研制的先進的虹膜成像系統(tǒng)讓虹膜獲取越來越輕松，對用戶配合度的要求也越來越低，從而使得虹膜圖像獲取裝置逐漸實用化。 
        目前，美國Sarnoff公司、Iridian Technologies公司、Mitsubishi公司美國實驗室，英國電信公司，日本松下公司、OKI公司和韓國LG公司都在從事虹膜圖像獲取技術(shù)方面的研究，并且研制出了適用于各種不同應(yīng)用的自動虹膜圖像獲取裝置，如松下公司的BM-ET330、LG公司研發(fā)的IrisAccess 4000等。但是，這些裝置多數(shù)都造價昂貴。2000年，美國國防高級研究項目署（DARPA）啟動了名為HID的研究項目，即遠距離身份識別，其中包括遠距離虹膜識別項目（Iris Recognition at a Distance）。Wildes等人設(shè)計了一套精密的可在5～10米遠的距離內(nèi)拍攝清晰虹膜圖像的裝置。除了必要的硬件設(shè)備外，Wildes還使用了超分辨率等算法來增強圖像的分辨率。軟硬件相結(jié)合，這是今后虹膜圖像獲取的發(fā)展方向。絕大部分的虹膜攝像頭要求用戶在成像時保持相對靜止的姿態(tài)，美國Sarnoff公司近幾年研制了Iris on Move技術(shù)，在3米外識別正常步速行人的虹膜圖像，用戶只需要臉朝正前方，不需要特意去凝視虹膜攝像頭，在不經(jīng)意間實現(xiàn)虹膜圖像的主動捕捉，適合于大規(guī)模流通人群的身份鑒別。LG公司則推出了具有自動變焦功能和可同時識別雙眼的虹膜識別裝置。Iridian公司發(fā)布了能夠用于手機和PDA等移動設(shè)備的虹膜成像儀。
        中國科學(xué)院自動化研究所在1999年研制出國內(nèi)第一套自主知識產(chǎn)權(quán)的虹膜圖像采集系統(tǒng)，其特點是小巧、靈活、低成本、圖像清晰。經(jīng)過不斷地更新?lián)Q代，自動化所目前已經(jīng)研制成功多攝像機協(xié)同成像的遠距離虹膜采集系統(tǒng)，可以主動獲取3米遠的人臉和虹膜圖像，實現(xiàn)了從“用戶配合機器”到“機器主動適應(yīng)人”的虹膜識別新模式，大大拓寬了虹膜識別的應(yīng)用范圍，也體現(xiàn)了虹膜識別高科技“以人為本”的理念。利用自主研制的虹膜圖像獲取裝置，自動化所建立了上萬人的虹膜圖像數(shù)據(jù)庫，其中還有200多對雙胞胎的虹膜圖像數(shù)據(jù)。為了推動虹膜識別的學(xué)科發(fā)展，自動化所提出與國內(nèi)外科研單位無償共享虹膜圖像數(shù)據(jù)資源。目前，CASIA（中科院自動化所的英文縮寫）虹膜圖像數(shù)據(jù)庫已成為目前世界上規(guī)模最大、用戶最多的共享虹膜圖像數(shù)據(jù)庫。已有70個國家和地區(qū)的2600多個研究機構(gòu)采用CASIA虹膜圖像數(shù)據(jù)庫，其中國外單位2200多家。CASIA虹膜庫已經(jīng)成為國際虹膜識別領(lǐng)域公認的測評標準，推動了虹膜識別學(xué)科的發(fā)展。

    虹膜識別技術(shù)的發(fā)展趨勢

        可喜的是，我國越來越多的科研工作者正投身于虹膜識別國產(chǎn)化的進程，雖然起步較晚，但部分研究成果已經(jīng)達到了國際領(lǐng)先水平。中科院自動化所模式識別國家重點實驗室是國內(nèi)最早從事虹膜識別研究的單位之一，從1998年至今已經(jīng)開發(fā)了五代虹膜識別系統(tǒng)，包括虹膜采集裝置、圖像預(yù)處理、特征抽取和匹配等基本模塊。從硬件到軟件都實現(xiàn)了完全自主知識產(chǎn)權(quán)的目標，突破了早期西方國家的技術(shù)壟斷與封鎖。我國虹膜識別研發(fā)的進展已經(jīng)引起了國際同行的關(guān)注。
        國內(nèi)的虹膜識別應(yīng)用已經(jīng)開始啟動，去年的銷售額估計在一億元人民幣左右，發(fā)展勢頭強勁?？梢灶A(yù)計，我國虹膜識別產(chǎn)業(yè)化將迎來一個明媚的春天。

        中科院自動化所與國內(nèi)最大的ATM機廠商廣電運通合作的虹膜識別ATM機，也已經(jīng)研制成功，并參加了中國國際金融（銀行）技術(shù)暨設(shè)備展覽會和國家十五重大科技成就展。煤礦工人的考勤和安全監(jiān)測一直是一個難題，在指紋、人臉識別無法應(yīng)用的情況下，自動化所的虹膜識別技術(shù)已經(jīng)在我國的神華集團、龍煤集團等大型企業(yè)以及河南、陜西、黑龍江、新疆等地的煤礦應(yīng)用，成為精確統(tǒng)計出入井礦工人名、人數(shù)、時間和落實領(lǐng)導(dǎo)和安監(jiān)員下井制度的“先進武器”，取得了非常顯著的應(yīng)用效果。除了在國內(nèi)市場外，從2007年開始，中國科學(xué)院自動化研究所的虹膜識別技術(shù)走出國門，授權(quán)給了美國David Sarnoff公司、歐洲IrisGuard公司和美國肯塔基大學(xué)，開創(chuàng)了我國虹膜識別技術(shù)授權(quán)國外企業(yè)和研究機構(gòu)的先河。這些進展標志著我國在虹膜識別領(lǐng)域通過自主創(chuàng)新掌握了核心技術(shù)，突破了國外早期的技術(shù)封鎖和產(chǎn)品壟斷，并且從受制于人的被動局面走向技術(shù)出口的主動局面。
        2003年國際民航組織公布的規(guī)劃將要求在個人護照中加入生物特征（面相識別、虹膜識別、指紋識別）并在進入各個國家的邊境時進行個人身份的確認。我國遲早會加入這個計劃，出于國家安全的考慮，國產(chǎn)虹膜識別系統(tǒng)將有較大的競爭優(yōu)勢。我國的第二代身份證也為生物認證技術(shù)的實施預(yù)留了空間。
        隨著光電器件生產(chǎn)成本的不斷下降和應(yīng)用規(guī)模的不斷擴張，虹膜識別系統(tǒng)已經(jīng)不再是科幻電影中高不可攀的尖端科技，虹膜識別技術(shù)將成為我們生活中不可或缺的一部分，我們可以充分享受它給我們的生活帶來的方便性，例如，出門不用帶鑰匙，商場購物不用帶錢包，登錄電腦不用記密碼等等。
        和主動認證不同的是，在被動身份認證中被識別對象不一定希望自己通過認證，甚至可能采取抵制的策略，例如化妝、不配合等。這樣就給高質(zhì)量虹膜圖像的獲取帶來了極大的困難。為了實現(xiàn)被動身份鑒別，我們就必須研究非配合情況下的自動虹膜識別技術(shù)，在虹膜圖像獲取、特征識別等方面都必須進行攻關(guān)。例如在監(jiān)控場景下的虹膜識別系統(tǒng)中，我們可以使用廣角攝像頭、人臉檢測和跟蹤技術(shù)在視頻序列中找到眼睛區(qū)域后再將感興趣區(qū)域放大，再配合一些圖像增強技術(shù)來得到高分辨率的虹膜圖像，這樣識別精度就可以得到保證。這樣的系統(tǒng)安裝在大廈前門、電梯進出口等位置，當(dāng)出現(xiàn)本單位人員時可以起考勤的作用，出現(xiàn)可疑分子時可以報警。監(jiān)控場景中的生物識別系統(tǒng)如果安裝在火車站、碼頭、機場等場所就可以用于網(wǎng)上追逃、反恐、防間諜等?？梢钥隙ǖ氖?，虹膜識別系統(tǒng)易用性會越來越好，采集過程對用戶配合程度的要求越來越低，總的發(fā)展趨勢就是朝著非配合、行進中的生物識別目標努力。
        為了提高生物特征識別的精度和防偽性能，多模態(tài)的生物識別系統(tǒng)將成為一種趨勢。例如，在遠距離的身份識別系統(tǒng)中，攝像頭可以同時采集到人的步態(tài)、人臉、虹膜等生物特征，有效融合這些生物特征的識別結(jié)果將提高系統(tǒng)決策的可靠性。除了不同生物特征的融合，同一生物特征不同信息的融合也將成為一種趨勢，因為每種表達模型只是從一個側(cè)面反映了生物數(shù)據(jù)中的可區(qū)分內(nèi)容，不同的特征表達方法之間存在著互補的關(guān)系，例如混合指紋匹配方法在指紋識別領(lǐng)域得到了很好的應(yīng)用。此外，一些輔助的生物特征信息（Soft Biometrics），如人的身高、體形在遠距離生物識別系統(tǒng)中也可能得到利用。