浅谈虹膜识别的原理与应用

浅谈虹膜识别的原理与应用湖南大学信息科学与工程学院物联网工程1102吕小峰20110808211陈奎20110808212张松20110808215胡标20110808217黄明乐20110808222有多种感知识别技术•光符号识别技术信息密度高，价格昂贵，系统复杂•语音识别技术方便，不适于保密安全方面•指纹识别应用广泛，较为方便•IC卡技术应用广泛，方便快捷•条形码技术应用广泛，成本低廉，方便快捷•射频识别技术应用广泛，方便快捷，易于识别•最保密最可靠的感知识别方式？•虹膜识别技术虹膜识别技术•虹膜识别技术是一种我们既熟悉又陌生，十分科幻神秘，又比较常见的感知识别技术，我们常常在科幻作品中看到它，甚至在日常生活中也可能会遇见它，虹膜识别技术号称是最精准最不可作伪的感知识别技术，这就更增添了它的神秘感。那么虹膜识别技术究竟是怎样的一门技术呢？•对于感知技术中的条形码二维码识别技术我们已经非常熟悉了，事实上，虹膜识别技术就是一种超级版的条形码二维码识别技术，只不过它识别的不是条形码二维码上蕴含的信息而是人的虹膜上的隐藏的丰富信息，而且其优良的特性也是条形码二维码所无法比拟的。什么是虹膜？•脊椎动物眼球角膜和晶状体间呈球状有色彩的膜。为血管膜的一部分、中央是瞳孔。虹膜前面被覆一层内皮;中层为富于血管和色素细胞的疏松结缔组织。色素的多少可使虹膜呈现不同的颜色,无色素时为蓝色,当色素由少至多时,虹膜可出现灰色、棕色及棕黑色;虹膜后面衬有两层色素上皮,其内层上皮分化为平滑肌。肌纤维由内向外呈放射状排列的称瞳孔开肌、受交感神经支配、司瞳孔放大;围绕瞳孔缘呈环状排列的称瞳孔括约肌。受副交感神经支配,司瞳孔缩小。虹膜眼球的纵切面图1.角膜缘2.前房3.晶状体4.瞳孔5.角膜6.虹膜7.前房角8.巩膜9.球结膜10.睫状体11.后房12.晶状体悬韧带13.距齿缘14.视网膜15.脉络膜16.黄斑17.视神经乳头18.视神经19.玻璃体虹膜虹膜的特点虹膜的特点•唯一性，每个虹膜所包含的信息都不相同，出现形态完全相同的虹膜组织的可能性远远低于其他组织。虹膜的纤维组织细节复杂而丰富，并且它的形成与胚胎发生阶段该组织局部的物理化学条件有关，具有极大的随机性，即便使用克隆技术也无法复制某个虹膜。同卵双胞胎的虹膜纹理信息不同，同一个人左右眼的虹膜纹理都不会相互认同。虹膜的特点•稳定性，虹膜从婴儿胚胎期的第3个月起开端发育，到第8个月虹膜的首要纹理构造成形，一般性疾病不会对虹膜组织造成损伤，不会因职业等因素造成磨损，除非阅历危及眼睛的外科手术，尔后简直终生不变。虹膜的特点•防伪性，虹膜是人眼的可见部分，处在巩膜的保护下，具有极强的生物活性。例如，瞳孔的大小随光线强弱变化；视物时有不自觉的调节过程；有每秒可达十余次的无意识瞳孔缩放；在人体脑死亡、处于深度昏迷状态或眼球组织脱离人体时，虹膜组织即完全收缩，出现散瞳现象。这些生物活性与人体生命现象同时存在，共生共息，所以想用照片、录像、尸体的虹膜代替活体的虹膜图像都是不可能的，从而保证了生理组织的真实性虹膜的特点•唯一性，稳定性，防伪性，而这些都是包括二维码，RFID等其他感知识别技术所无法比拟的，加上虹膜作为唯一可以从外部直接观测的人体内部组织，自身蕴含丰富信息，虹膜识别成为了一项非常重要的，特别适用于保密性要求高的环境的感知识别技术虹膜识别技术的起源与发展•追溯至19世纪80年代。1885年ALPHONSEBERTILLON将利用生物特征识别个体的思路应用在巴黎的刑事监狱中，当时所用的生物特征包括：耳朵的大小、脚的长度、虹膜等。•1987年，眼科专家ARANSAFIR和LEONARDFLOM首次提出利用虹膜图像进行自动虹膜识别的概念，到1991年，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的JOHNSON实现了一个自动虹膜识别系统。•1993年，JOHNDAUGMAN实现了一个高性能的自动虹膜识别原型系统。今天，大部分的自动虹膜识别系统使用DAUGMAN核心算法。•国内在2000年以前在虹膜识别方面一直没有自己的核心知识产权，中科院自动化所在多年研究的基础上于2000年初开发出了虹膜识别的核心算法，成为了世界上少数几家掌握了虹膜识别核心算法的单位之一。虹膜识别技术原理•前面我们已经说过虹膜识别而实际上就是一个超级版的二维码识别技术，不同的就是它的二维码是一种唯一稳定具有极强防伪能力的二维码————虹膜。•人的虹膜图像上包含诸多的信息，这就与二维码一样，虹膜识别就是读取并分析这些信息。虹膜识别技术原理•虹膜图像获取是指使用特定的数字摄像器材对人的整个眼部进行拍摄，并将拍摄到的图像通过图像采集卡传输到计算机中存储。不正确的虹膜图像获取•正确的图像获取。虹膜识别算法虹膜识别技术原理图像预处理是指由于拍摄到的眼部图像包括了很多多余的信息，并且在清晰度等方面不能满足要求，需要对其进行包括图像平滑、边缘检测、图像分离等预处理操作。虹膜图像预处理过程通常包括虹膜定位、虹膜图像归一化、图像增强三个部分。•不合理的虹膜定位虹膜定位一般认为，虹膜的内外边界可以近似地用圆来拟合。内圆表示虹膜与瞳孔的边界，外圆表示虹膜与巩膜的边界，但是这两个圆并不是同心圆。定位仍然是虹膜识别过程中运算时间最长的步骤之一。虹膜识别的原理虹膜识别技术原理虹膜图像归一化的目的是将虹膜的大小调整到固定的尺寸。到目前为止，虹膜纹理随光照变化的精确数学模型还没有得到。因此，从事虹膜识别的研究者主要采用映射的方法对虹膜图像进行归一化。如果能够对虹膜纹理随光照强度变化的过程建立数学模型或者近似模拟这个过程，将会对虹膜识别系统性能的提高有很大帮助。虹膜图像归一化及其增强虹膜识别原理•虹膜识别技术原理•图像增强的目的是为了解决由于人眼图像光照不均匀造成归一化后图像对比度低的问题。为了提高识别率，需要对归一化后的图像进行图像增强。•归一化图像虹膜图像的定位虹膜识别原理•虹膜识别技术原理•特征提取是指通过一定的算法从分离出的虹膜图像中提取出独特的特征点，并对其进行编码。•主流的虹膜特征提取和识别方法可分为八大类：•1）基于图像的方法•2）基于相位的方法•3）基于奇异点的方法•4）基于多通道纹理滤波统计特征的方法•5）基于频域分解系数的方法•6）基于虹膜信号形状特征的方法•7）基于方向特征的方法•8）基于子空间的方法虹膜识别技术的优点•唯一性，稳定性，防伪性，可能会是最可靠的生物识别技术，；•不需物理的接触，虹膜是一个外部可见的内部器官，不必紧贴采集装置就能获取合格的虹膜图像，识别方式相对于指纹、手形等需要接触感知的生物特征更加干净卫生，不会污损成像装置，影响其他人的识别。•用虹膜采集仪采集图像红膜识别技术的缺点•1.一个最为重要的缺点是它没有进行过任何的测试，当前的虹膜识别系统只是用统计学原理进行小规模的试验，而没有进行过现实世界的唯一性认证的试验；•2.很难将图像获取设备的尺寸小型化；•3.需要昂贵的摄像头聚焦，一个这样的摄像头的最低价为7000美元；•4.镜头可能产生图像畸变而使可靠性降低；•5.黑眼睛极难读取；•6.需要较好光源。7.两大模块：硬件和软件•8.一个自动虹膜识别系统包含硬件和软件两大模块：虹膜图像获取装置和虹膜识别算法。分别对应于图像获取和模式匹配这两个基本问题。目前虹膜识别技术的应用•因为自身的高精确性与无法作伪性，红膜识别已在身份验证，安保，签到报告等方面得到广泛应用。•美国新泽西州肯尼迪国际机场和纽约奥尔巴尼国际机场均安装了虹膜识别仪，用于工作人员安检，•2002年11月，德国巴伐利亚BadReichenhall市的市医院的婴儿房安装了虹膜识别系统来确保婴儿的安全•我国的第二代身份证就为虹膜、指纹等生物特征识别预留了空间。•中科虹霸还为我国煤矿工人上下井作业研制了虹膜识别的签到报告的装置。虹膜识别技术的前景与展望•国内对虹膜识别技术的研究和应用已广泛开展，在实际应用方面和理论算法方面均取得了较大的进步。2003年，中科院自动化研究所联合模识科技成功开发了虹膜识别仪，可用于计算机操作系统的登陆，实现了虹膜识别技术实际应用的突破可以预计，我国虹膜识别技术的应用在未来几年内必将在各个领域大规模展开•虹膜识别技术发展趋势：•从2011年到2015年，虹膜识别技术将有望实现30％的年复合增长率，目前，在我国，虹膜识别在公共安全、信息安全、安防等多个领域蕴藏着巨大的市场潜力，随着人们对虹膜识别认知度的逐步提高、产品价格的进一步下降和政府有关部门的重视，市场潜力必将迅速释放，虹膜识别市场将迎来快速发展期虹膜识别技术的前景与展望•虹膜识别技术与其他类别的生物识别技术相融合，共同组成多模式融合的生物识别技术也将是一个发展趋势。由于各种生物特征识别方式都有其一定的适用范围和要求，单一的生物特征识别系统在实际应用中显现出各自的局限性。随着对社会安全和身份鉴别的准确性和可靠性要求的日益提高，融合了多种生物特征识别方式的多模态识别系统将是生物识别技术发展的趋势。That'sover,thankyouverymuch!