王元卓 中國科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所

張 琨 中國科學(xué)院計(jì)算技術(shù)研究所

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在電影《鋼鐵俠》系列電源以及《復(fù)仇者聯(lián)盟》中，智能大腦賈維斯對(duì)于鋼鐵俠戰(zhàn)甲來說就是第一道防線，賈維斯具備生物特征識(shí)別的能力，確保鋼鐵俠托尼·史塔克本人進(jìn)入戰(zhàn)甲完成虹膜識(shí)別之后才能啟動(dòng)戰(zhàn)甲，以保證戰(zhàn)甲不被其他人侵入，如圖1所示。

圖1 《鋼鐵俠》電影中的片段

雖然在現(xiàn)實(shí)生活中人們沒有像鋼鐵俠那樣的戰(zhàn)甲，但類似識(shí)別虹膜啟動(dòng)戰(zhàn)甲的生物特征識(shí)別技術(shù)已經(jīng)出現(xiàn)在人們的日常生活中。當(dāng)前已經(jīng)成功投入使用的生物特征識(shí)別技術(shù)包括：人臉識(shí)別、指紋識(shí)別、聲紋識(shí)別和虹膜識(shí)別等。其中，人臉識(shí)別和指紋識(shí)別技術(shù)在日常生活中的使用頻率是非常高的。具體來說，人臉識(shí)別包括面部識(shí)別和面部認(rèn)證兩方面，已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了快速而高精度的身份認(rèn)證。除了人臉識(shí)別，指紋識(shí)別也有相當(dāng)廣泛的應(yīng)用，因?yàn)槿祟愔讣y重復(fù)的概率只有150億分之一，所以指紋識(shí)別已經(jīng)被很多國家的政府、企業(yè)、機(jī)構(gòu)接受與認(rèn)可。相比于這兩種常見的識(shí)別技術(shù)，聲紋識(shí)別作為一種非接觸識(shí)別也有一定的應(yīng)用，但是聲音會(huì)隨著音量、音速和音質(zhì)的變化而變化。影片中鋼鐵俠使用的虹膜識(shí)別技術(shù)是這4種生物特征識(shí)別技術(shù)中錯(cuò)誤率最低的，那它到底是怎么實(shí)現(xiàn)的呢？

我們先來看什么是虹膜。虹膜就是環(huán)繞在瞳孔四周的、有色彩的環(huán)形薄膜，它類似于光學(xué)照相機(jī)的光圈，虹膜的收縮和擴(kuò)張決定了瞳孔的大小。同時(shí)，虹膜具有斑點(diǎn)、細(xì)絲、冠狀、條紋、隱窩等形狀豐富的細(xì)微特征，每個(gè)人的虹膜特征各不相同，自然界不會(huì)出現(xiàn)完全相同的兩個(gè)虹膜，即使是同卵雙胞胎，他們的虹膜也是不一樣的。虹膜紋理在人出生8個(gè)月后穩(wěn)定成形，且終身不變，這就為生物特征識(shí)別提供了很好的客觀條件。接下來看看人們?cè)趺蠢煤缒硗瓿缮矸葑R(shí)別。虹膜識(shí)別講解圖如圖2所示。

圖2 虹膜識(shí)別講解圖

第一步是虹膜圖像提取。想要獲取虹膜圖像，需要使用特定的數(shù)字?jǐn)z像器材對(duì)人的整個(gè)眼部進(jìn)行拍攝，并將拍攝到的圖像通過圖像采集卡傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中存儲(chǔ)。這是虹膜識(shí)別的第一步，也是比較困難的一步，需要綜合應(yīng)用光、機(jī)、電技術(shù)。因?yàn)槿说难劬Φ拿娣e小，如果要滿足識(shí)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)，這導(dǎo)致虹膜成像的景深較小，因此現(xiàn)有的虹膜識(shí)別系統(tǒng)需要用戶停在合適位置，同時(shí)眼睛凝視鏡頭。

目前虹膜圖像提取的便捷性是虹膜識(shí)別系統(tǒng)應(yīng)用的最大瓶頸，實(shí)驗(yàn)表明，在波長為850 nm的近紅外線下拍攝的虹膜圖像是最清楚的。

第二步是對(duì)拍攝下來的眼睛圖像進(jìn)行預(yù)處理。由于拍攝到的眼部圖像包括很多多余的信息，并且清晰度等不能滿足要求，需要將虹膜圖像分離出來，去除眼瞼、眼液及微小組織的影響，去除反光等造成的噪聲干擾，進(jìn)行邊緣檢測(cè)、活體檢測(cè)、質(zhì)量評(píng)估、虹膜定位、歸一化處理，以及圖像增強(qiáng)等操作，從而更好地為下一步特征提取做支撐。

第三步特征提取就是通過一定的算法從分離出的虹膜圖像中提取出特征點(diǎn)，并對(duì)其進(jìn)行編碼。將虹膜圖像轉(zhuǎn)化成一個(gè)可以量化表示的數(shù)字序列，如可以用一個(gè)由0和1組成的8個(gè)數(shù)的序列來表示一個(gè)虹膜特征。

最后一步是特征匹配。對(duì)當(dāng)前采集的虹膜圖像進(jìn)行特征提取，將得到的特征編碼與數(shù)據(jù)庫中事先存儲(chǔ)的虹膜圖像特征編碼進(jìn)行對(duì)比、驗(yàn)證，從而達(dá)到識(shí)別的目的。通過比較兩個(gè)虹膜的特征碼，判斷兩個(gè)虹膜是否來自相同個(gè)體，比較虹膜特征碼A和虹膜特征碼B的n位的每一位，n可以取1 024或2 048。

那與其他生物特征識(shí)別相比，虹膜識(shí)別到底表現(xiàn)如何呢？我們從4個(gè)維度分別進(jìn)行對(duì)比。首先是準(zhǔn)確率方面，虹膜識(shí)別是最準(zhǔn)確的，其出錯(cuò)的概率只有百萬分之一；第二是防偽性方面，人臉和指紋是相對(duì)容易被偽造的，而虹膜很難造假；第三是穩(wěn)定性方面，人的面部特征會(huì)隨著年齡增長而不斷變化，因此人臉識(shí)別相對(duì)而言并不穩(wěn)定，指紋也會(huì)因?yàn)槟p而出現(xiàn)特征變化，但是虹膜是終身保持不變的，非常穩(wěn)定；最后是特征多樣性方面，特征越豐富，可區(qū)別度也就越高，而虹膜的特征尤其多樣。

隨著虹膜識(shí)別的不斷發(fā)展，其主要應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)或即將覆蓋人們生活的眾多方面。比如高端門禁方面，虹膜識(shí)別可用于國家機(jī)關(guān)、高檔住宅樓宇、銀行、軍事基地、保密部門、計(jì)算機(jī)機(jī)房等的出入門禁；公安刑偵方面，虹膜識(shí)別可用于出入境管理、嫌疑犯排查及抓逃、失蹤兒童尋找、司法證據(jù)收集等；網(wǎng)絡(luò)安全方面，虹膜識(shí)別可用于網(wǎng)絡(luò)訪問、電腦登錄等場(chǎng)景。