（无线电物理专业论文）虹膜识别算法研究及系统实现.pdf

摘要 在互联网迅速发展的今天，信息安全和身份识别成为人们普遍面临和广泛关 注的问题，对身分识别也提出了更高的要求。传统的身份识别方法在准确性、安 全性和实用性等方面己不能满足要求。而基于人体生物特征的生物识别技术由于 具有稳定、便捷、不易伪造等优点，为我们提供一个可靠的替代方案。在众多生 物识别技术之中，虹膜识别技术以其极高的性能引起广泛的重视，被誉为是最可 靠的生物识别技术之一。 本论文首先对虹膜识别技术的各个主要组成部分进行了较为详细的分析和 总结，并对虹膜识别中的关键技术进行了研究。在此基础上提出了一些新的思想 和算法。并设计了一个可行的、实用的虹膜采集识别原型系统。本文的主要贡 献及创新性工作如下： 1 提出一种基于多阈值分割与径向梯度局部极大值相结合的虹膜定位算法。 本算法对虹膜的内、外边界采用不同的定位方法。在定位虹膜内边界即瞳孔边界 时使用的是基于多阈值的分割方法，即使用阈值分割的方法将瞳孔从背景中分割 出来，从而实现瞳孔的定位。但由于虹膜图像中瞳孔区域灰度的分布并不一致， 因此很难设定一个合适的阈值将瞳孔准确地分割出来。故而在本文中通过设定多 个阈值，从最小阈值出发，依次用这些设定的阈值对瞳孔进行分割，并检查分割 出来的瞳孔是否完整，直到分割出完整的瞳孔。利用多个阈值可以既保证分割出 较为完整的瞳孔又能尽量减少被分割出来区域中包含其它的背景，使瞳孔分割中 阈值的选择更加合理。而在虹膜外边界的定位中首先以瞳孔圆心为原点，利用极 坐标将虹膜展开为矩形；然后计算其垂直方向的梯度，并找到各列的最大值点； 从这些找到的最大值点出发，找到相邻列的局部极大值点，并按一定规则将这些 极大值点连成队列，选择其中最长的队列作为虹膜边界，从而确定虹膜外边界的 参数。本算法简单、准确、鲁棒性强，并且由于本算法的搜索空间为n 2 ，因此处 理极为迅速。实验结果表明，在c a s i av 1 0 图库上，本算法的速度可以达到基 于圆积分微分算子的虹膜定位算法的5 0 0 倍以上。 2 提出一种基于屏蔽模板的眼皮和睫毛检测算法，这种算法根据眼皮和睫 毛遮挡程度的不同设计了8 种屏蔽模板；为估计眼皮及睫毛的遮挡程度，在归一 化的虹膜图像中将对应于原始图像中眼皮及睫毛最常出现的上、下两个各9 0 。 区域各分为8 个子块；选择眼皮及睫毛较少出现的左、右两边作为参考区域并计 算出参考区域均值和方差；分别计算各子块中灰度相对于参考区域均值的二阶 矩，并根据参考区域的方差判定子块中是否包含被眼皮及睫毛遮挡的区域：最后 根据这些包含眼皮及睫毛遮挡区域的子块出现的位置确定眼皮及睫毛遮挡的程 度选择合适的屏蔽模板。本算法简单可靠，能够有效地判断出眼皮和睫毛遮挡的 程度及位置，并改善虹膜识别系统的整体性能。 3 提出一种基于脉冲耦合神经网络( p u l s ec o u p l e dn e u r a ln e t w o r kp c n n ) 分割的虹膜特征提取算法。这种算法直接使用虹膜图像中的局部不规则斑块作为 虹膜特征，利用p c n n 神经网络将这些作为虹膜特征的局部不规则斑块分割出 来，并将经过p c n n 神经网络分割的二值化的虹膜图像作为虹膜特征码。然后 通过计算两个虹膜特征码之间的海明距离来估计它们之间的相似程度。这种算法 快速有效、鲁棒性强，并且算法易于实现和调试。 4 在以上工作的基础上设计了一个实用的虹膜采集识别原型系统，详细讨 论了虹膜图像采集过程的的难点及其解决方案，详细阐述了摄像头的选型、摄像 机镜头的要求、自动对焦的实现及系统软、硬件的划分等虹膜采集识别系统的 总体设计方案，并简要介绍了虹膜采集系统的硬件设计方案； 5 介绍了虹膜采集识别系统的软件设计方案，讨论了电机驱动电路的固件 程序设计方法，介绍了电机驱动电路u s b 驱动程序设计方法，并详细介绍了虹 膜识别系统程序设计方案。 关键词：生物特征识别，虹膜识别，虹膜定位，眼皮检测，睫毛检测， 虹膜特征提取，脉冲耦合神经网络 a b s t r a c t i n f o r m a t i o ns e c u r i t ya n di d e n t i t yr e c o g n i t i o na r eb e c o m i n gu n i v e r s a lp r o b l e m a n dg e t t i n gm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n sw i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fi n t e m e tt e c h n o l o g y t r a d i t i o n a li d e n t i t yr e c o g n i t i o nm e t h o d sc a n n o ts a t i s f yt h en e e d si na c c u r a c y , s e c u r i t y a n dp r a c t i c a b i l i t y b i o m e t r i ct e c h n o l o g i e su s i n gh u m a np h y s i c a lc h a r a c t e r i s t i c sh a v e s o m ea d v a n t a g e si nr o b u s t n e s s ，c o n v e n i e n c ea n da n t i f a l s i f i c a t i o na n dg i v eu sa l l a l t e r n a t i v e a m o n gn u m e r o u sb i o m e t r i ct e c h n o l o g i e s ，i r i sr e c o g n i t i o nh a st h eb e s t p e r f o r m a n c ea n di sg e t t i n gm o r ea t t e n t i o n s t h i st h e s i sf i r s tg i v e sd e t a i l e da n a l y s i sa n dc o n c l u s i o nt oe a c hs t e po fa ni r i s r e c o g n i t i o nt e c h n o l o g y , t h e ns t u d i e ss o m ec r u c i a lt e c h n o l o g i e s t h et h e s i s a l s o p r o p o s e s s o m en e wi d e a sa n da l g o r i t h m sb a s e do na b o v ew o r ka n dd e s i g n sa l l e f f e c t i v ea n dp r a c t i c a li r i sc a p t u r ea n dr e c o g n i t i o np r o t o t y p es y s t e m t h em a i n c o n t r i b u t i o n sa n dn o v e l t yo fo u rw o r ka r ea sf o l l o w s ： 1 p r o p o s e da ni r i si o c a t i o nm e t h o db a s e do nm u l t i t h r e s h o l da n dl o c a lm a x i m u m r a d i a lg r a d i e n t t h i sm e t h o da d o p t sd i f f e r e n ts t r a t e g yt ol o c a t ei n n e ra n do u t e r b o u n d a r i e ss e p a r a t e l y s i n c et h ei n t e n s i t yd i s t r i b u t i o ni np u p i la r e ai sn o tu n i f o r m c o m m o n l y , a n di ti sd i f f i c u l tt os e p a r a t et h ep u p i la c c u r a t e l yw i t ho n eu n i v e r s a l t h r e s h o l d s of o ri n n e rb o u n d a r y ( i e p u p i lb o u n d a r y ) l o c a t i o nw eu s ea m u l t i t h r e s h o l db a s e dm e t h o dw h i c hc h a n g e st h r e s h o l de v e r yt i m ef r o mm i n i m u m v a l u et os e g m e n tp u p i lu n t i lt h ew h o l ep u p i la r e ai sf o u n d t h i ss t r a t e g yn o to n l yc a l l g e tm o r ei n t e g r a t e dp u p i lr e g i o nb u ta l s oe x c l u d eb a c k g r o u n da sm u c h a sp o s s i b l e i nt h ep r o c e s so fi r i so u t e rb o u n d a r yl o c a t i o n ，t h ei m a g ei st r a n s l a t e di n t o r e c t a n g u l a rr e g i o nt a k i n gp u p i lc e n t e ra so r i g i n a tf i r s t t h e nc a l c u l a t et h ev e r t i c a l g r a d i e n to fe a c hc o l u m na n df i n dt h em a x i m u m f r o m o n em a x i m u mp o i n tw ec a n f i n dt h el o c a lm a x i m u mg r a d i e n to fn e x tc o l u m na n dl i n kt h o s ep o i n t st of o r ms o m e l i s t sb a s e do nl o c a t i o nr u l e s f i n a l l yt h eo u t e rb o u n d a r yp a r a m e t e r sa r eg o tb y s e l e c t i n gt h el o n g e s tl i s ta si r i so u t e rb o u n d a r y t h em e t h o d i ss i m p l e ，a c c u r a t e ，r o b u s t a n de f f i c i e n ts i n c ei t ss e a r c h i n gs p a c ei sn 2r e l a t e d e x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a t t h es p e e do ft h ep r o p o s e dm e t h o di s5 0 0t i m e sa sf a s ta si n t e g r a ld i f f e r e n t i a lo p e r a t o r u s e di nc a s i av 1 0 2 p r o p o s e sa na l g o r i t h mb a s e do nm a s kt e m p l a t e sf o re y e l a s h e sa n de y e l i d s d e t e c t i o n t h i sm e t h o dd e s i g n se i g h td i f f e r e n tm a s kt e m p l a t e sa c c o r d i n gt ot h e o c c l u s i o nd e g r e eo fe y e l i d sa n de y e l a s h e s i no r d e rt oe s t i m a t et h eo c c l u s i o nd e g r e e ， t w oa r e a sw i t h9 0d e g r e e ss p a ns e p a r a t e l yw h e r ee y e l a s h e sa n de y e l i d so f t e na p p e a ri n i t h en o r m a l i z e di r i si m a g ea r es e l e c t e da n dd i v i d e di n t oe i g h tb l o c k sw i md i f f e r e n ts i z e t h e ns e l e c tt w oa r e a sw i t hl e s se y e l a s h e sa n de y e l i d si nl e l ia n dr i g h tp a r t so ft h e n o r m a l i z e di r i si m a g ea sr e f e r e n c e st oc a l c u l a t et h e i rm e a ni n t e n s i t ya n dv a r i a n c e t h e nc a l c u l a t e st h ei n t e n s i t ys e c o n dm o m e n to fe a c hb l o c kr e l a t i v et or e f e r e n c ea r e a s a n dd e t e r m i n ew h e t h e rt h eb l o c ki so c c l u d e db ye y e l i d sa n de y e l a s h e s f i n a l l ys e l e c t s a l la p p r o p r i a t em a s kt e m p l a t ea c c o r d i n gt ot h ep o s i t i o no ft h eb l o c kw h i c hi so c c l u d e d b ye y e l i d sa n de y e l a s h e s t h em e t h o di ss i m p l e ，r o b u s ta n dc a nd e t e r m i n eo c c l u s i o n d e g r e ee f f i c i e n t l ya n di m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fi r i sr e c o g n i t i o ns y s t e m 3p r o p o s e sas e g m e n t a t i o nb a s e dm e t h o df o ri r i sf e a t u r ee x t r a c t i o nu s i n gp u l s e c o u p l e dn e u r a ln e t w o r k ( p c n n ) t h i sa l g o r i t h mu s e sl o c a li r r e g u l a rb l o c k sa s f e a t u r e sd i r e c t l ya n du s e sp c n nt os e g m e n tt h e s eb l o c k so u t f i n a l l ye s t i m a t e st h e s i m i l a r i t yo ft w oi r i sc o d e sb yc a l c u l a t et h e i rh a m m i n gd i s t a n c e t h i sm e t h o di sf a s t ， e f f i c i e n t ，r o b u s ta n de a s yt oi m p l e m e n ta n dt e s t 4 d e s i g n i n gap r a c t i c a li r i sc a p t u r ea n dr e c o g n i t i o np r o t o t y p ea n dd i s c u s s i n g a b o u tt h ed i f f i c u l tp o i n t sa n dr e s o l u t i o n sc a r e f u l l yb a s e do na b o v ew o r k s t h e ng i v e t h ed e t a i l e dd e s c r i p t i o na b o u tc a m e r as e l e c t i o n ，l e n sr e q u i r e m e n t ，a u t of o c u s i n ga n d d i v i d i n gs t r a t e g yf o rs o f t w a r e h a r d w a r ei na ni r i sc a p t u r e r e c o g n i t i o ns y s t e m a n d b r i e f l yd i s c u s s e sa b o u tt h eh a r d w a r ed e s i g n i n gp r o p o s a l 5 i n t r o d u c e st h es o f t w a r ed e s i g np r o p o s a lo fi r i sc a p t u r e r e c o g n i t i o ns y s t e ma n d d i s c u s s e sa b o u tt h ef i r m w a r ep r o g r a m m i n ga n du s bd r i v e rp r o g r a md e s i g n i n gf o r m o t o rd r i v i n gc i r c u i t a n dg i v et h ed e t a i l e dd e s i g n i n gp r o p o s a lo fi r i sr e c o g n i t i o n s y s t e m k e yw o r d s ：b i o m e t r i c s ，i r i sr e c o g n i t i o n ，i r i sl o c a t i o n ，e y e l i d sd e t e c t i o n ， e y e l a s h e sd e t e c t i o n ，i r i sf e a t u r ee x t r a c t i o n ，p u l s ec o u p l e d n e u r a ln e t w o r k i v 原创性声明 本人郑重声明：本人所呈交的学位论文，是在导师的指导下独立进行研究 所取得的成果。学位论文中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等， 均已明确注明出处。除文中已经注明引用的内容外，不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：主坯垒丝日期：垄翌z 。 ： 兰州人学博f ：学位论文 关于学位论文使用授权的声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属兰州大 学。本人完全了解兰州大学有关保存、使用学位论文的规定，同意学校保存或 巍国家有关部f 1 或机构送交论文的纸矮舨和电子版，允许论文被查阗帮借阅； 本人授权兰州大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进幸亍 检索，可以采用任何复制手段保存和汇编本学位论文。本入离校后发表、使用 学位沦文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，第署名单位仍然为兰州 丈学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 沦文作者签名： 喇导师签名：荔绺| j l l i 期： 1 1 引言 第一章绪论 随着信息时代的到来，特别是互联网迅速发展的今天，人们的生活、娱乐、 经济往来与电脑网络越来越密切，数字化环境中的身份确认问题日益凸显出来。 特别是与经济、军事等重要方面相关的数字化网络，由于网络改变了传统面对面 的交流方式为非面对面，交流的安全感消失，因此身份问题比以往任何时候都显 得重要。即在交流过程中，身份容不得半点虚假，因此网络信息安全成为人们普 遍面临和广泛关注的突出问题，特别是对于身分识别的准确性、安全性和实用性 提出了更高的要求。 身份识别主要用于鉴别用户身份，以保证通信双方身份的不可抵赖性。传统 的身份识别主要通过身份标识物品，如钥匙、证件、信用卡等，以及身份标识知 识，如用户名、密码和暗语等来确定其身份。但两者都存在着缺陷：标识物品易 丢失或被伪造，标识知识易遗忘或错记，其中最关键的是这些方法往往无法区分 标识物品或标识知识拥有者的合法性，一旦被他人获得，很容易给人身和财产带 来极大的威胁。由于生物特征识别的身份鉴定技术具有防伪性能好，不易伪造或 被盗等优点，近年来已逐渐正成为一个重要应用方向。 1 2 生物识别发展概况及分类 由于人体生物特征具有“人各有异、终生不变、随身携带”特点，因此可以 利用人体生理特征进行身份认证和识别。生物特征识另u b i o m e t r i c s 也称生物测量 技术，是利用人体所固有的生理特征( p h y s i o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c s ) 或行为 特征( b e h a v i o r a lc h a r a c t e r i s t i c s ) ，进行个人身份识别的技术n 羽。生理特征 是与生俱来的，多为先天的，如人脸嘲嘲5 1 、虹膜6 m 盯、指纹9 m 叫、掌纹1 等； 行为特征则是习惯使然，多为后天的，如步态n 2 1 、笔迹n 3 儿1 4 1 等。二者统称为生物 特征n 5 】。从理论上讲，只要满足一定的条件，人的生理或行为特征即可被用于身 份识别，主要包括：一是普遍性，即每个人都必须具有：二是唯一性，即不同的 人的该特征必须不同；三是稳定性，即该特征终生不变；四是可采集，即该特征 可以采集到，并且可以量化。与传统的身份鉴定手段相比，基于生物特征识别的 身份鉴定技术具有防伪性能好、稳定、便捷、不易伪造或被盗等优点。从而为我 们提供了一个可靠的解决方案。近年来在经济、军事、社会安全等各方面，生物 识别技术正成为一个重要应用方向。 生物识别技术始于2 0 世纪7 0 年代，最初由于属于高科技和使用成本较高，它 只是被有限的应用于安全级别要求较高的场所，比如原子能实验基地等，并未得 到充分普及。到现在，随着电子计算机技术的高速发展、采集系统的日臻完善、 识别算法的不断优化，各种电子元件成本不断降低，精度不断提高，生物识别技 术已经渗透到金融、医疗、保险、海关、政府机构等诸多领域，日益发挥着重要 的安全认证作用。 “9 1 1 ”之后，普遍增长的公共安全意识也促使各国政府将生物特征识别 技术作为关系国家未来安全的重大关键技术加以发展，从而极大地推动了对生物 特征识别技术的发展和应用。自2 0 0 3 年以来，生物特征识别行业步入成长期，主 要特征有：产品体系己建立，技术标准逐渐完善，行业内企业数量激增( 全球目 前从业公司已上千家) ，产品成本已大幅度下降，技术已获得客户广泛认可，各 领域应用渐趋普及，行业体系也已成型。 我国生物特征识别行业基本与国外同步，上世纪8 0 年代初就开始了，最早 发展的是指纹识别技术，并掌握了核心技术，产业发展相对比较成熟。而对于 人脸识别、虹膜识别、掌形识别等生物认证技术研究则在1 9 9 6 年之后。目前， 在各个领域均已取得了国内或国际领先的研究成果，并且以国内顶级科研单位、 著名高校的生物特征识别科研成果为依托，使一大批生物特征识别领域的高新 技术公司慢慢发展起来，开始诞生了一批在细分市场具有领导优势的企业，如 北京艾迪沃德指纹科技( i d w o r l d ) 、北大高科、中控电子在科刑侦和社保指纹 门锁、指纹考勤等领域，都取得了一定优势。北京中科虹霸科技有限公司在虹 膜识别产业化方面积极探索，于2 0 0 6 年1 0 月研发出国内第一款嵌入式网络化 虹膜识别仪，其性能达到国际领先。另外，还有其他一些企业在技术研发等领 域也取得突破，如亚略特、银晨科技在人脸识别等技术上都取得了领先水平。 2 目前。可用于身份识别的生物特征种类有近二十种之多，它们包括指纹识 别、人脸识趴语音识别、视网膜识别、虹膜识别、手形识别、掌纹识别、静 脉识别、耳廓识别、气味识别、签名识别、步态识别、d n a 识别、击键识别等 等。有些己经付诸应用有些还处于实验研究阶段。 指纹人脸语音视网膜虹膜 涉匮五鬯 圈l 1 生物识别分类 1 指纹识别“是指通过比较不阿指纹的细节特征点，即指纹纹线的起点、 终点、结合点和分叉点等特点来进行身份鉴别。它是目前技术最成熟、应用最 广泛、价格便宜的生物特征识别技术。 图1 2 指纹识别的一般流程 2 静脉识别“训”1 就是通过静脉识别仪取得个人静脉分布图 算法提取特征值并存储。鉴别时，实时采取静脉圈并提取特征值 采用专用比对 运用匹配算 法对静脉特征进行匹配，从而确认身份 获取静脉分布图 静脉特征匹配 圈1 3 静脉识别主要步骤 黪 3 视网膜识别“”是采用低密度的红外线去捕捉视网膜的独特特征，并被记 录下来。崮为视网膜是不可见的，故而不会被伪造。但由于可能给使用者健康 带来影响，加之设备投入昂贵，技术要求较高，因此在普遍推广应用上有一定 的难度。 4 人脸识别“”。1 是指根据人的面部特征进行身份识别的技术，主要包括： 一是标准视频识别即通过普通摄像记录被拍摄者五官形状及相对位置等面部特 征，转换成数字信号，再利用计算机进行身份识别：二是热成像技术即通过分 析面部血液产生的热辐射来产生面部图像，进行身份确认。人脸识别技术具有 非接触性、对被识别对象侵扰少和识别手段隐蔽等优点，不足是处理技术较复 杂，人脸易受影响的因素太多( 表情、光照、环境等) ，给特征提取增加了困难。 5 虹膜识别”m 1 又称眼睛虹膜纹络识别技术是指利用计算机技术与成像 技术主要采用红外成像技术， 将人眼中的虹膜纹络特征图信息输入计算机， 成为特殊的可供自动识别的人体身份证。 6 手掌识别“”就是通过测量使用者的手掌和手指的物理特征来进行识别。 每个人的手掌的立体形状都互不相同，通过识别系统获取手掌的三维图像，分 析确定每个手指的长度、手指不同部位的宽度以及靠近指节的表面和手指的厚 度等特征，并其与模板进行比较得出结果，确认身份。手掌的几何特征的。尽 管容易受生理状况改变的影响，而造成识别率的不稳定，但其稳定性极高，不 易受外在环境的影响而改变，使用比较方便，故在需要时这种技术的准确性可 以非常高，使用的范围较广。 7 d n a 识别n 町乜们是指根据人体细胞d n a 分子的结构因人而异的特点进行身 份鉴别。这种方法的准确性及防伪性都优于其它身份鉴别方法。除了对同卵双 胞胎个体的鉴别外，这种方法更具权威性和准确性。 8 声音识别乜妇1 主要是利用人的声音特点进行身份识别。 9 签字识别n 州h 主要是透过测量签字者的字形及不同笔划间的速度、顺 序和压力特征，对签字者的身份进行鉴别。 1 3 虹膜识别及国内外研究动态 1 3 1 虹膜识别 表1 1 不同生物识别方法技术指标的比较晗3 1 生物特征普遍性唯一性稳定性可采集性识别率可接受性受欺诈的影响 静脉m mmmmml 步态m llhlhm 击键lllmlmm 气味 hh h llml 耳廓mmhmmhm 手掌mmmhmmm 指纹m hhmhmm 人脸hlmhlhh 视网膜hhmlhll 虹膜hhhmhll 掌纹m h hmhmm 语音m l lml hh 签名 lllhlhh d n ahhhlhll 据统计，在众多生物识别技术之中，虹膜识别的错误率是各种生物特征( 指 纹、脸像、声音等) 识别技术中最低的 矧。经计算两个人同一只眼虹膜特征相同 的概率是十万分之一，两眼相同的概率是一千亿分之一。虹膜识别技术以其极高 准确性及其唯一性、稳定性和可采集性而成为其中的佼佼者，被誉为最可靠的生 物识别技术之一。因而具有非常广阔的应用前景乜旧1 ，越来越多的军事机构、金 5 融机构、国家安全机构等都已进入虹膜识别技术的应用和开发进程中，可见。虹 膜识别技术的研究和开发，对于当今网络信息技术无处不在的社会各方面、各行 业具有相当的现实意义。 ，r 艇 圈1 4 眼睛生理解剖圈 圈1 j 虹蔗结构圈 虹膜位于角膜与晶状体之间，呈扁圆盘状，中央为瞳孔( p u p i l ) 。从外部看 眼睛由巩膜、虹膜、瞳孔三部分构成。巩膜即所看到的眼睛外围的白色部分，眼 睛中心为撞孔部分而虹膜就是位于巩膜和瞳孔之间的环形部分，直径约1 l 唧， 厚约05 m m 。虹膜表面高低不平，包含许多相互交错、丰富的斑点、细丝、条纹、 及有凹陷的隐窝和辐射状条纹皱褶，它们构成了常说的虹膜纹理信息脯1 。 虹膜识别就是利用虹膜组织上的这些丰富的纹理信息，作为身份识别的特征，其 6 核心是使用模式识别、图像处理等方法对人眼睛的虹膜特征进行描述和匹配，从 而实现自动的个人身份认证。虹膜识别是一种基于生物特征的身份鉴别方法，在 信息及安全领域有着重要的应用价值。 1 3 2 虹膜识别的特点： 基于虹膜特殊的生理结构，虹膜用于身份识别与其它生物特征识别方式相比 具有以下的特点： 首先是唯一性。虹膜组织细节丰富，其形成与胚胎发生阶段的环境有关，具 有极大的随机性。因而一个人的虹膜组织纹理构成具有高度的独特性，即使是同 卵双胞胎，也不存在特征相同的实际可能性，甚至是同一个人的左右两眼，其细 节特征也不相同。 第二是稳定性。每个人的虹膜的结构各不相同，虹膜组织特征在出生三个月 后就基本保持不变，并且发育生物学家通过大量观察发现当虹膜发育完全以后， 这种独特的虹膜结构在人的一生中几乎不发生变化。而且虹膜的外部有透明的角 膜将其与外界相隔离，因此发育完全的虹膜不易受到外界的伤害而产生变化。一 般性疾病也不会对虹膜组织造成损伤，不会出现无法识别的情况。 第三是防伪性。随着光线强弱变化，虹膜受到睫状肌的牵引而发生形变，瞳 孔尺寸将会改变，虹膜组织纹理的结构也会随之而做出相应变化。因此可以通过 检测虹膜对光线强弱变化的反应，鉴别被识别虹膜是否来自活体【6 】【3 3 】【3 4 】。而活 体检验是一个生物特征识别系统中非常重要甚至是不可或缺的组成部分【3 5 】【3 6 】。 第四是便捷性。虹膜图像可以通过相隔一定距离的摄像机捕获，简单、方便， 不需对人体进行侵犯。 这些特征构成了虹膜作为身份鉴别的重要条件。通过表一也可见，虹膜作为 重要的身份鉴别特征，主要因为它具有随机的细节特征和纹理图像，而且具有相 当高的稳定性，是天然的“光学指纹”。 1 3 3 虹膜识别的主要步骤 虹膜识别的主要步骤包括虹膜图像的采集、虹膜定位、虹膜图像的质量评 价、虹膜图像的归一化处理、虹膜特征提取以及匹配识别等几个关键步骤。 7 周峥国呻网 图1 6 虹膜识别流程田 虹膜采集是指利用拍摄设备快速获取包含清晰可用的虹膜区域的活体人眼 图像。人类虹膜的直径约为1 厘米，为了获得尺寸足够太的虹膜图像需要进行 微距摄影拍摄距离一般为十几几十厘米。而合适的照明对于虹膜图像采集 也是非常重要的，太强的照明会令人眼感到不适。光照太弱会令图像缺乏必要 的灰度对比，增大量化误差。对拍摄的眼部图像还需进行采样、置化，使其成为数 字图像。由于虹膜图像细节丰富，面积较小，获取图象会面临一定困难 3 7 j 。 虹膜定位；虹膜定位也就是虹膜的边界定位，其目的是对人眼图像中的虹膜 区域的内外边界进行检测，井计算出能够弥台其内外边界的是佳曲线以便于分 离出完整的虹膜区域。即从采集得到的眼部图像中提取虹膜信息，为下一步对虹 膜进行分析提供必要的条件。这一步的准确度直接关系到虹膜身份识别的准确 性。由于虹膜是位于瞳孔和巩膜中间的环形区域，它的外边缘和内边缘可以近似 的看作圆形，所以定位的过程就是找出内外两个圆的半径和圆心的过程。d a u 即m n 利用眼睛不同区域灰度差比较大的特点，采用圆形边缘检测器法进行虹膜的内、 外边缘定位。w i l d e s 的定位算法首先是通过边缘检测将图像装换成二值图像，然 后利用h o u g h 变换法进行虹膜的内外边缘定位。尽管两种算法各有优点，但共同 的缺点在于计算量大，占用内存大，提取的参数受参数空间的量化间隔制约。 干扰检测：一般来说，人眼虹膜会被上下眼皮和睫毛或多或少地遮挡，由于 个体本身的生理或年龄特征，上下眼皮常常遮挡住部分虹膜区域，因此损失部分 可用的虹膜纹理。甚至有些虹膜图片受眼睫毛影响很大，在分割出的瞳孔中部分 眼睫毛也同时被分割出来，影响着虹膜识别的准确率，即分割下来的虹膜有时会 包含光斑及睫毛等噪声，对虹膜识别造成影响。为了提高识别率，在识别时应该 将光斑及睫毛区域尽可能地去除，因此，干扰检测目标就是判断眼皮和睫毛对虹 膜的遮挡程度并将相应区域检测出来并加以去除。为了准确的估计出瞳孔的圆心 位置以及半径长度，需要尽量消去睫毛等干扰因素的影响。眼睑检测可以快速准 确地拟合出眼睑边界；眼毛检测可以有效地检测人眼图像中的眼毛。目前常用的 干扰检测方法也是主要来自于j d a u g m a n 和w i l d s 提出的基于圆积分微分算子 【6 】【3 8 - 4 1 】和边缘信息结合h o u 曲变换的算法川 归一化处理：由于瞳孔受光照强度影响会发生缩放，因此不同的人眼图像 中虹膜的宽度是不同的。另外，由于图像采集设备与人眼的距离远近差别也会 造成虹膜的宽度差异。再者虹膜的内外边缘常常也不是同心圆。所有这一切都 会给后续的识别工作带来了不同程度的困难。归一化的作用就是针对对这些变 化和不同进行补偿，将虹膜从人眼图像中分离出来，并将虹膜的大小调整到统一 的尺寸。针对该问题d a u g m a n 采用极坐标归一的方法进行处理， 它的本质是 属于线性映射；w i l d e s 则采用映射函数将输入虹膜图像与数据库中的模板进行 逐点映射，以补偿虹膜的缩放和旋转。 虹膜增强：由于拍摄环境以及照明角度，聚焦程度的影响，使得拍摄到的 虹膜图像常会出现图像对比度过低或图像的亮度不均等情况，有时候甚至很难 辨别其纹理细节，这些将严重影响虹膜识别算法的准确性，因此需要对拍摄到 的图像进行去除噪声，均衡背景照明，增强对比度等处理，以便为后续的特征 提取和识别工作提供可靠的条件。主要步骤为：首先估计图像的背景光照，然 后利用背景光照对图像进行光照调整，最后对图像进行均衡化。 特征提取：由于虹膜纹理的形成过程中的随机性，因此虹膜图像所包含的 细节纹理具有不同的如块状、斑点状、条状等各式各样的形状，并且灰度差别也 9 比较明显，同时它们的分布也是极不均匀的，这些各不相同的纹理就构成了虹 膜的特征虹膜特征提取的目的就是有效地提取并描述虹膜图像中那些能够用于 进行人体身份识别的特征区域。最主要的特征提取方法有d a u g m a n 提出二维 g a b o r 变换法和w i l d e s 提出的高斯拉普拉斯滤波器法 匹配识别：经过特征提取后，虹膜图像被表示为相应的特征向量，匹配识 别所要做的工作就是度量虹膜图像特征向量之间的相似性，并根据相似程度来 决定两幅虹膜图像是否来自于同一个主体。虹膜识别中常用的描述相似性度量 指标有：海明距离州3 8 喇】，加权欧式距离【4 5 】，归一化相关值【3 4 1 ，c o s i n e 相似性 测量值【8 1 1 4 6 1 等。在实际的匹配中，通常选取一个适当的阈值作为依据，当相似 度大于该值则认为相比较的两幅虹膜图像是来自于同一个主体，否则就可认为 是来自于不同主体。 1 3 4 9 膜识别的研究及应用 虹膜识别的发展历程可以追溯至1 9 世纪8 0 年代【4 7 1 。1 8 8 5 年，a l p h o n s e b e r t i l l o n 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。1 9 8 7 年，眼科专家a r a ns a f i r 和l e o n a r df l o m 首次提出利用虹膜图像进行自动身份识别的概念，到1 9 9 1 年， 美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的j o h n s o n 实现了一个自动虹膜识别系统。1 9 9 3 年，j o h nd a u g m a n 实现了一个高性能的自动虹膜识别原型系统。随着2 0 0 5 年 l e o n a r df l o m 和a r a ns a f i r 所申请的包容面甚广的虹膜识别基本思想的专利到 期，开启了其他众多企业研究自己的虹膜识别算法及产品的大门，促进了虹膜 识别研究的快速发展，提出了大量具有重要理论价值和应用价值的虹膜识别算 法【6 】【8 1 1 4 2 1 1 4 3 】【4 8 】【4 9 】。各个国家都设有专门的生物特征识别研究方向和虹膜识别科 研团队，例如：美国的i r i d i a n ，i d t e c k ，韩国的j i r i s 等公司。国内的研究机构主 要有中国科学院自动化研究所，以及浙江大学、华中科技大学等高校。 随之而来的则是虹膜识别技术在各行各业以各种形式的应用。2 0 0 2 年2 月 8 日，英国伦敦希思罗机场开始对一种先进的保安系统进行测试，新系统可扫 描乘客的眼睛，以代替检查乘客的护照。美国“i r i s c a n ”研制出的虹膜识别系统 应用在美国得克萨斯州联合银行的三个营业部内，储户无需银行卡和密码只需 l o 接受对眼睛的扫描，就可以确认身份。联合国( u n ) 与美国联邦难民署t h eu n i t e d n a t i o n sr e f u g e ea g e n c y ( u n h c r ) 使用虹膜识别系统鉴定难民的身份，对于联合 国供品的分配人道主义援助物资起到了关键的作用。新泽西州的肯尼迪国际机 场( j o h nf k e n n e d yi n t e r n a t i o n a l a i r p o r t ) 在它的国际航班第四登机口岸安装了 虹膜识别系统，用来管理和控制进入停机坪的人员，提高了安全性。等等这些 都说明虹膜识别技术的应用趋势正在以较大速度的增强，相信不久的将来虹膜 识别会逐步在各个行业内得到更全面、更广泛地应用。 核心算法方面，现在世界主要的公司基本都采用的是j o h nd a u g m a n 的核心 算法。国内在2 0 0 0 年前在虹膜识别方面一直没有自己的核心知识产权，中科院 于2 0 0 0 年初，在国家模式识别重点实验室1 6 周年的研究基础上，结合谭铁牛、 王阳生的研究成果开发了虹膜识别的核心算法，成了世界上仅有的掌握虹膜核 心算法的公司之一。同时相对于世界上其他公司的核心算法，中科院的核心算 法速度更快，占用的内存空间更小，整体性能更优【5 0 l 。 在硬件采集设备方面，国外现在领先的是日本的松下公司和o k i 公司，秉 承日本企业一贯在制造业和光学产品制造方面的领先优势，松下公司和o k i 公 司基本上为全球几家最重要的产品提供配套的硬件采集设备。在国内，中科院 于2 0 0 0 年研制出了具备完全知识产权的硬件采集设备，但是由于国内在光学制 造方面的弱点，无法生产出世界先进的硬件设备。 于是在2 0 0 3 年，通过于o k i 公司的战略合作，中科院自动化所下属的产 业转化公司：北京中科模式科技有限公司推出了具有世界领先水平的手持式硬 件采集设备，基本上克服了阻碍虹膜识别的技术应用障碍。2 0 0 6 年中科院在 远距离( 3 米以上) 虹膜采集设备上也有所突破，努力向远距离无干扰的虹膜 识别方向发展。 在应用开发上，国外的公司已经有了比较成熟的在各个行业的应用系统， 2 0 0 0 年前，国际上对中国实施虹膜产品的禁运，从2 0 0 0 年以后开始，北京中 科模式科技有限公司经过两年的攻关，在2 0 0 2 年推出了重点针对机场，民航， 银行等高度机密的虹膜识别的应用系统，填补了国内企业在虹膜识别技术应用 方面的空白。 1 4 论文的研究内容及创新之处 本论文首先简单介绍了生物识别技术及其主要种类；其次对虹膜识别技术 的特点、主要内容及国内外研究、应用状况进行了概述；第三，重点对虹膜识 别各个主要组成部分进行了详细的分析和总结，其中对虹膜识别中的关键技术 进行了深入的研究和探讨，并依据实验总结出一些新的思想和算法，提出了相 应的改进及完善的建议。并提出设计一个可行的、实用的虹膜采集识别原型系 统的方案。最后对本文的研究工作进行总结并提出今后有待于继续研究的领域。 整个论文的创新之处包括以下几点： 1 提出一种基于多阈值分割与局部梯度极大值