（通信与信息系统专业论文）基于matlab的虹膜识别系统研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 生物识别技术在当今世界中已经得到了广泛的应用。虹膜识别技术是9 0 年 代发展起来的生物特征识别技术，与其他生物识别技术相比，虹膜认证的错误 接受率和错误拒绝率是很低的，具有很高的可靠性，逐步受到人们的重视。虹 膜作为重要的身份鉴别特征，具有终身不变性和差异性，没有任何虹膜的形状 是完全相同的，即使是一个人的左眼和右眼的虹膜形状也不相同。不同人之间 的虹膜具有随机的细节特征和纹理图像，这些特征在人的一生中均保持相当高 的稳定性，加之进行虹膜识别时，不需对人体进行侵犯，故它是一种理想的生 物识别技术，在不远的将来可能取代其它各种生物识别技术。 虹膜身份识别技术是一项创新技术，它涉及现代数学信号处理、模式识别、 图像处理等多个领域，近些年来虹膜识别技术研究和应用方面都得到了长是的 进步，并表现出广阔的前景和市场，是当今国际计算机应用领域前沿性的研究 课题之一。 本文首先论述了虹膜识别技术的发展与应用，虹膜识别技术与其它生物识 别技术的比较，虹膜纹理的特征以及虹膜识别技术的相关理论，介绍了虹膜技 术的历史发展情况和现阶段国内外的发展状况；虹膜识别系统包括硬件和软件 两大模块：虹膜图像获取装置和虹膜识别算法，分别对应于图像采集和模式匹 配两个基本问题。获取高质量的虹膜图像是虹膜识别的首要任务，也是虹膜识 别最难解决的关键技术之一，精准地采集图像并通过合理的虹膜识别算法处理 才能得到满意的识别效果，而虹膜识别算法则是整个系统的核心部分。在本文 的第二章和第三章分别就这两个基本问题着重研究了基于1 m s 3 2 0 d m 6 4 2 d s p 的虹膜识别系统，给出了系统的硬件和软件实现方案，对图像采集设备和原理 进行了详细地研究分析，讨论了虹膜识别系统的构成以及实现，对d a u g m a n 的 虹膜识别算法进行了研究与实现，并在现有算法的基础上提出了一些改进方法， 其中包括图像的预处理、特征提取、多尺度二维g a b o r 滤波器的构造、参数选 择、虹膜码及h a m m i n g 距离的计算等。最后用m a t l a b 语言对虹膜识别算法 进行了多次仿真实验，得出实验结果，并将算法改进前后的实验结果进行对比， 证明了改进后的方法计算速度较快，识别效果较好。 关键词：虹膜识别；虹膜定位；c r a b o r 滤波器；特征提取：h a m m i n g 距离 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t e c h n o l o g yo fb i o l o g i c a lr e c o g n i t i o nh a sb e e nw i l d l yu s e di nn o w a d a y sw o r l d t e c h n o l o g yo fi r i sr e c o g n i t i o ni sat e c h n o l o g yo fb i o l o g i c a lr e c o g n i t i o nd e v e l o p e d s i n c e1 9 9 0 s p e o p l eg r a d u a l l ya t t a c hw e i g h tt ot h et e c h n o l o g yo fi r i sr e c o g n i t i o n b e c a u s eo fi t sh i 【曲r e l i a b i l i t y , l o wr a t i oo fe w l o rr e c e p t i o na n de l t o rr e j e c t i o nw h e n c o m p a r i n gw i t ho t h e rt e c h n o l o g yo fb i o l o g i c a lr e c o g n i t i o n a sa ni m p o r t a n t c h a r a c t e r i s t i co fp e o p l ei d e n t i f i c a t i o n , i r i so w i i st h eq u a l i t i e so fi n v a r i a b i l i t ya n d d i s c r e p a n c y , a n dt h e r ea r cn ot o t a l l ys a m ei r i s e si nt h ew o r l d ，e v e nt h ei r i so f t h el e f t e y ea n dr i g h te y ef r o mt h e a l n ep e r s o n t h ed e t a i la n dt h et e x t u r ea r a n d o m g e n e r a t e d , d i f f e r e n tp e o p l ea r ed i f f e r e n t , 8 4 ) t h e s ec h a r a c t e r i s t i c sa q u i t es t a b l e i n a d d i t i o n , i nt h ep r o c c 器o fi r i sr e c o z n i t 【o n , t h e r ei s1 1 0n e e dt ot o u c ht h er e c i p i e n t s ， t h e r e f o r ei r i sr e c o g n i t i o ni sa ni d e a lt e c h n o l o g yo fb i o l o g i c a lr e c o g n i t i o n , m a y b ei n n o tf a rf u t u r ei tw i l lt a k et h ep l a c eo f o t h e rt e c h n o l o g yo f b i o l o g i c a lr e c o g n i t i o n i r i si d e n t i f i c a t i o ni sa ni n n o v a t i o nt e c h n o l o g y , w h i c hr e f e r st om a n yf i e l d sl i k e m o d e r nd i g i u ds i g n a lp r o c e s s i n g , p a t t e r ni d e n t i f i c a t i o na n di m a g ep r o c e s s i n g i n r e c e n ty e a r s , i r i si d e n t i f i c a t i o ni s d e v e l o p i n gf a s t i na s p e c t so fr e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o n , a n ds h o w i n gw i l dr e s p e c ta n dh u g em a r k e t i n g , w h i c hi so n eo ff o r w a r d t o p i c sa b o u t i n t e r n a t i o n a lc o m p u t i n ga p p l i c a t i o n i r i si sac i r c l ep a r tp o s i t i o nb e t v v e e nb l a c kp u p i la n dw h i t es e l e r a , w h i c hs h o w i n g ai r r a d i a t e ds t r n c t u r ef r o mi n s i d ee d g et oo u t s i d ee d g e i r i si sc o m p o s e do fm t h e r c o m p l i c a t e df i b r o u ss t r u c t u r e , i n c l u d i n gs o l l l ed e t a i l e df i - a n l ea c r o s $ l i k es p e c k l e , f i l a m e n t , c o r o n a l ，s t r i p e , r e c e s sw h i c hg e n e r a t er a n d o m l yw h e n w ew e r eb o m ，a n di s u n c h a n g e a b l et h o u g ho u rl i f e t i m e t h e r e f o r ei r i sr e c o g n i t i o nh a s t h eh i s ta c c u r a c y o f a l lb i o l o g i c a lr e c o g n i t i o n i nt h i sa r t i c l e ，i v ef i r s ti n t r o d u c e di nm o r ed e t a i la b o u tt h ed e v e l o p m e n ta n d a p p l i c a t i o no ft h et e c h n o l o g yo fi r i sr e c o g n i t i o n , d i s c u s s e di t sv i l - r l eb yc o m p a r i n g w i t ho t h e rt e c h n o l o g i e so fb i o l o g i c a lr e c o g n i t i o na n di n t r o d u c e dt h eh i s t o r ya n dt h e d e v e l o p m e n to fi r i sr e c o g n i t i o nt e c h n o l o g yh o m ea n da b r o a d s y s t e mo fi r i s 武汉理工大学硕士学位论文 r e c o g n i t i o ni n c l u d e st w ow h o l ep a r t s ：i r i si m a g ec a p t u r ee q u i p m e n ta n da l g o r i t h mo f i r i sr e c o g n i t i o n , w h i c hs p e c i f i c a l l yc o r r e s p o n d i n gt ot w ob a s i cp r o b l e m si m a g e c a p t u r ea n dp a r e mm a t c h i n g h o wt oc a p t u r eh i g h - q u a l i t yi r i si m a g ei st h ec h i e f t a s k d u r i n gt h ep r o c e s so fi r i sr e c o g n i t i o n , a n di sa l s oo n eo ft h em o s th a r d - s o l u t e t e c h n o l o g i e s c o m b i n i n g 、】i ，i t l lc a p t u r i n gi m a g e sa c c u r a t e t ya n du s i n gr e a s o n a b l e a l g o r i t h mo fi r i sr e c o g n i t i o n , w ec o u l dl a s tg e ta s a t i s f i e dr e s u l t , w h i l ea l g o f i t h mo f i r i sr e c o g n i t i o ni st h ec o r no f t h ew h o l es y s t e m i nt h es e c o n da n dt h et h i r dp a r to f t h e a r t i c l e ，b a s e do nt h e s et w ob a s i cp r o b l e m si v eg i v e nad e t a i l e dd e s c r i p t i o no ft h e s y s t e mo f k i sr e c o g n i t i o nb a s e do nt m s 3 2 0 d m 6 4 2 d s pa n dah a r d w a r ea n d s o r w a r e s o l u t i o n , a n da n a l y z e dt h ei m a g ec a p t u r ef a c i l i t ya n dt h e o r y ；d e e p l yr e s e a r c h e do nt h e a l g o r i t h mp r o p o s e db yd a u g m a n , a n ds i m u l a t ei tw i t hm a t l a bl a n g u a g e ，i n a d d i t i o n , ip u tf o r w a r d ss o m eo p t i m a lt h o u g h t si na s p e c t so fp r e p a r e dp r o c e s s i n go f i m a g e s ，t h es t r u c t u r eo fm u l t i p l et w o - d i m e n s i o n a lg a b o rf i l t e r , p a r a m e t e rc h o i c ea n d t h ec o m p u t a t i o no f h a m m i n gd i s t a n c eo nt h eb a s i co ft h ee x i s t e dp o p u l a ra l g o r i t h m ， a n dc o n f i r m e db yt h ee x p e r i m e n t , t h e s et h o u g h t sa n di m p r o v e dw a yw o u l d n ti m p a c t t h el a s tr e s u l t , h a v ef a s tc o m p u t i n gs p e e d t h ec h a r a c t e r i s t i c sp i c k e du p 撇b e t t e rt h e n o r m a l k e yw o r d s ：i r i sr e c o g n i t i o n ；i r i sl o c a l i z a t i o n ；g a b o rf i l t e r ；c h a r a c t e r i s t i c sa b s t r a c t i o n ； h a m m i n gd i s t a n c e i i i 独创性声明 本人声明，所呈变的论文是本人在导师指导下进行的研究 作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写的成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构学 位证书而使用过的材料。与我一起_ 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：i j 啦日期：! 牡 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵j j = 此规定) 签名：霉跏躲习红期：硝掣 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课韪研究的目的与意义 自2 0 世纪8 0 年代开展自动生物特征识别技术以来，人们凭借计算机技术 的强大优势来研究和实现自动的身份鉴别系统。近年来，该系统已获得了较广 泛的应用，随着我们迈入数字时代，生物特征的身份鉴别技术愈加显示出其价 值。比尔盖茨曾做过这样的断言：生物技术，即利用人的生理特征，例如指纹、 虹膜等来识别个人身份，将成为未来几年r r 产业的重要革新【l 】。越来越多的个 人、消费者、公司乃至政府机关都承认，现有的基于智能卡、身份证和密码的 身份识别系统是远远不够的，生物特征识别技术将在未来提供解决方案方面占 据重要的地位。 生物识别技术是目前最为方便与安全的识别技术。生物识别技术识别的是 人本身，由于每个人的生物特征具有与其他人不同的唯一性和在一定时期内不 变的稳定性，不易伪造和假冒，所以利用生物识别技术进行身份认定，有安全、 可靠、准确的特点。除此之外，生物识别技术产品均借助于现代计算机技术实 现，很容易配合计算机和安全、监控、管理系统整合，实现自动化管理，众多 因素的共同作用使得生物识别技术有大规模发展的可能性：一是生物识别方案 成本的降低；二是生物识别数据传输速度提高，一对一的识别能够在l s 之内完 成1 1 。 身份是指从行政法律或经济社会方面确定个人的地位或权利。身份识别就 是验证个人的真伪，以防范冒名顶替者的违法犯罪活动。目前，身份识别主要 靠各种证件( 如身份证、智能卡等) 、个人识别码( 如口令、密码等) 及生物特 征识别。由于证件容易被剽窃、转移或丢失，识别码容易被忘记、破解，所以生 物特征识别是目前最为方便与安全的识别技术。它不需要随身携带任何证件， 记住任何密码，是一种方便、快捷、可靠的识别方法【l 】。生物特征识别是通过人 体所固有的生理特征或行为特征对个人身份进行鉴定的技术。常见的生物特征 有指纹、掌纹、虹膜、视网膜、脸形、声音、笔迹、d n a 、人体气味等1 2 1 。i 随着 虹膜测定技术的发展，眼睛也许还会成为各大公司高密房间的钥匙，成为你银 武汉理工大学硕士学位论文 行帐户的秘密，成为你进行电子商务交易时安全链上的一环。 生物测定是指通过对诸如指纹、声音或虹膜图案之类生物特征的测定来进 行身份认证。人们广泛认为，利用生物测定来识别身份是最精确的。而虹膜测 定又是其中翘楚；虹膜识别的误差率只有一百二十一万分之一，它可以捕捉虹 膜上超过2 5 0 个与其他虹膜相异的特征。相较而言，指纹分析系统，通常只能 抓住4 0 6 0 个个体特征。虹膜识别系统创造了判断无误的记录，是最有效的识 别技术 3 1 。 虹膜是位于眼角膜之后，晶状体之前，白色巩膜和黑色瞳孔之间的环状可 视薄膜，总体呈现一种由里到外的放射状结构，包含相互交错的纹理、冠状、 条纹、隐窝、血管和斑点等多个细微特征，这些特征在出生以前就以随机组合 的方式确定下来，一旦形成就终生不会改变，对于每个人来说都是唯一的，其 唯一性主要是由胚胎发育环境的差异决定的。通常人们将这些细微特征信息称 为虹膜的纹理信息。 与其他生物特征( 如面相、指纹、声纹等) 相比，虹膜是一种更稳定、可 靠的生理特征。由于虹膜是眼睛的外在组成部分，因此基于虹膜的身份鉴别系 统对使用者来说是非接触的。另外它具有普遍性、唯一性、稳定性、可靠性、 非侵犯性、可采集性等特点【4 】，是错误接受率和错误拒绝率较低的一种生物识别 技术【5 】，因此虹膜识别具有很高的研究价值和广阔的应用前景。据统计表明，虹 膜识别是各种生物特征识别中准确率最高的识别手段。 1 2 虹膜识别技术的发展历史与国内外研究现状 1 2 1 虹膜识别技术的发展历程及优缺点 现代生物特征的身份识别思想最早可以追溯到1 9 世纪8 0 年代哪。1 8 8 5 年， a l p h o n s eb e r n 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。受技术的 限制，当时的虹膜识别主要依据颜色和形状信息，而且信息通过人的观察获取。 2 0 世纪3 0 年代中期，人们已经开始设想用虹膜来识别身份，1 9 3 6 年，眼 科专家f r a n kb u t c h 指出虹膜具有独特的信息，可用于身份识别。但是，虹膜识 别技术直到9 0 年代才成为现实。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 r a 首次提出利用虹膜图像进行自动虹膜识别的概念，将虹膜特征用于个人身份鉴 2 武汉理工大学硕士学位论文 别，但是他们并没有开发出一个实际的应用系统。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【5 1 。这是有文献记载的第 一个虹膜识别应用系统。随后1 9 9 3 年，英国剑桥大学的j o h nd a u g m a n 博士提出 了虹膜识别算法，实现了一个高性能的自动虹膜识别原型系统，开创了这一领 域的先河。1 9 9 6 年，r i c h a r dw i l d e s 研制成功基于虹膜的身份认证系统，1 9 9 8 年底，中科院自动化所开始虹膜识别方面的研究，2 0 0 0 年成功开发出具有我国 自主知识产权的虹膜识别系统。目前，大部分的自动虹膜识别系统都是使用 d a u g m a n l 6 1 核心算法。 生物识别都是以提取生物特征方式进行比对以达到识别目的，基本的要求 就是这些生物特征需具有唯一性或非共同性 4 1 。虹膜是一种在眼睛中瞳孔状的织 物状各色环状物，每一个虹膜都包含一个独一无二的基于像冠、水晶体、细丝、 斑点、结构、凹点、射线、皱纹和条纹等特征的结构。两个不同虹膜的代码有 7 5 匹配的可能性是1 ：1 0 6 ，完全相同的可能性是l ：1 0 5 2 ，因此没有两个虹膜 是一模一样的，即使是双胞胎、同一人左右眼的虹膜图像也不相刚”。虹膜的稳 定性表现在，当人出生八个月后就已经稳定成型、终身不变。虹膜安全扫描系 统包括一个全自动照相机来寻找眼睛，并在发现虹膜时，就开始聚焦，想通过 眨眼睛来欺骗识别系统是行不同的。虹膜身份认证的可靠性高，虹膜认证的错 误接受和错误拒绝率是最低的，虹膜在眼睛的内部，用外科手术很难改变其结 构；由于瞳孔随光线的强弱变化，想用伪造的虹膜代替活的虹膜是不可能的。 虹膜识别身份认证还具有很强的实用性，3 8 6 以上计算机c c d 摄像机即可满足 对硬件的需求。虹膜认证不让受试者有犯罪感或被调查的感觉，在不接触状态 下摄取图像，对人身没有侵犯，因而容易被公众接受。虹膜识别技术可能成为未 来最可靠的生物识别技术，但它的一个最重要缺点就是技术没有指纹成熟，而且 造价较高。 1 2 2 虹膜识别技术的国内外研究现状 近年来，国内外学者对虹膜识别技术进行了深入和广泛的研究，并取得了 较大的进展。具有虹膜识别功能的自动取款机、出入口虹膜识别系统近年来也 先后在美国、日本、英国等国家开发并应用。我国的虹膜识别技术由于刚刚起 步，投入的人力、物力很少，目前仍没有生产出实用产品。中科院自动化研究 所、深圳思创集团、浙江大学、吉林大学等研究机构均已开展了虹膜识别技术 武汉理工大学硕士学位论文 的研究，并取得了一定的理论和实验成果【1 ，。 在国外，该技术已经得到广泛应用。例如，基因技术已经证明：除了传染 病、外来伤害等，包括亨廷顿氏舞蹈症、帕金森症、神经质、抑郁症、高血压、 老年痴呆等在内的大部分疾病都有其基因基础。对人进行基因识别，从而确定 给予何种保险、劳务待遇，这已经被国外公司广泛采用。例如，由于亨廷顿氏 舞蹈症的基因检测已经相当可靠，英国政府已经允许保险公司使用基因检测的 结果拒绝对某些潜在的该病病人提供保险服务。拥有4 万多员工的美国北圣菲 铁路公司己开始采集应聘者基因信息，并根据基因分析的结论招聘适合从事铁 路工作的员工。尽管美国已经有2 0 多个州通过了禁止根据基因检测结果淘汰应 聘者的法案，但是全美国每万家公司中仍然有3 0 多家根据基因检测的结果招聘 员工。 美国i r i s c a n 公司研制出的虹膜识别系统已经在美国得克萨斯州联合银行的 三个营业部内试运行。储户两手空空地来办理银行业务，无需银行卡，更不需 要输入烦恼的密码。他们在该取款机上取钱时，一台摄像机首先对用户的眼睛 进行扫描，然后将扫描图像转化成数字信息与数据库中的资料匹配，以鉴别用 户身份的真实性。 日本冲电气工业公司2 0 0 6 年依靠最新开发的“移动终端虹膜识别技术”，实 现了利用手机或掌上电脑等移动终端设备，迸行高精确度的虹膜身份认证。推 出的“移动终端虹膜识别技术”，可使手机或掌上电脑的内置通用可见光摄像头具 备虹膜身份识别的能力。采用新技术的移动终端可在2 0 厘米范围内对人眼的虹 膜进行拍摄，然后进行识别，识别所需时间不到0 5 秒，误辨率控制在十万分之 一以下。 出于对国防安全的重大意义，虹膜识别技术的研究已经上升到了战略高度。 2 0 0 0 年美国国防高级研究项目署( d a i 心a ) 就启动了远距离生物特征识别的研 究项目，其中也包括虹膜识别。2 0 0 3 年1 1 月，美国中央情报局( c 队) 也开始 研究用于监控目的的虹膜识别系统。从2 0 0 3 年4 月中旬开始，美国北卡罗来纳 州的夏洛特道格拉斯机场对其工作人员和航空公司乘务员进行了虹膜注册，把 每个职员的虹膜拍摄成数字照片存档。职员在进入限制区域前只要看一眼摄像 机，摄像机就会对用户的眼睛进行扫描，然后将扫描图像转换成数字信息与数 字库中的资料核对，以检验进入者的身份，不仅可以大大减轻机场的身份检验 工作，还可以有效保障机场和乘客的安全。 4 武汉理工大学硕士学位论文 9 1 l 恐怖袭击”之后，西方各国都加大高性能身份认证技术的研发投入，美 国开始在机场、法院、体育馆等大量公共场所安装生物识别装置，用于甄别恐 怖分子。很多的公共场所则采用指纹、虹膜方法甄别恐怖分子。此外，美国虹 膜技术公司的c n 0 0 8 0 0 5 4 4 3 号文献涉及一种虹膜识别系统和通过识别虹膜识别 人的方法，它采集的虹膜信息包括：采用频率变换方法测定的虹膜纤维的密度 和结构；瞳孔反射信息；瞳孔形状：自主神经环反射信息；自主神经环的形状： 暗点的存在、位置和形状等，它的c n 0 3 8 0 2 3 2 5 3 号文献涉及一种利用立体人脸 进行识别的虹膜识别系统和方法，它可以用立体人脸识别来识别虹膜，进而识 别用户身份，它包括两个以上的个人脸部识别相机，用于拍摄用户两幅或更多 幅脸部图像；还包括识别系统，用于从多个人脸识别相机接收后者拍摄的多幅 脸部图像，并根据多幅脸部图像产生立体人脸信息；还包括一个或多个虹膜识 别相机，能利用上述立体人脸信息拍摄被聚焦的用户虹膜，最终进行身份识别【l 】。 美国戴维德芽沙诺夫研究中心的c n 9 5 1 9 5 6 2 8 0 号文献涉及一种无侵害的虹膜自 动识别系统和方法，它允许用户将自己的眼球放置在虹膜成像器的视野内而不 必与识别系统有任何物理接触的对准装置l l 】。 2 0 世纪9 0 年代末期，i r i d i a l lt e c l l l l o l o 西e s 、l g 、o n 、松下等也都投入到 虹膜识别的研究中来。 在我国，从事虹膜识别的研究起步较晚，但是越来越多的科研工作者正投 身于虹膜识别国产化的进程，部分研究成果已经达到了国际领先水平。主要研 究单位有中国科学院自动化研究所( 以下简称中科院自动化所) ，华中科技大 学，浙江大学等。中科院自动化所的模式识别国家重点实验室是国内最早从事 虹膜识别研究的单位之一，从1 9 9 8 年至今已经开发了三代虹膜识别系统，包括 虹膜采集装置、图像预处理、特征抽取和匹配等基本模块。从硬件到软件都实 现了完全自主知识产权的目标，突破了早期西方国家的技术垄断与封锁。他们 还利用研制的虹膜图像获取装置建立和共享了用于研究的虹膜数据库 c a s 认虹膜数据库，这是当前国际上最大的共享虹膜数据库，正逐渐成为 虹膜识别研究领域的公共平台。我国的虹膜识别研发的进展已经引起了国际同 行的关注。 现在国内的虹膜识别应用已开始启动，发展势头强劲。可以预计，我国虹 膜识别产业化将迎来一个明媚的春天。国内虹膜识别的主要应用领域有嗍： ( 1 ) 门禁和考勤。这也是国内其它生物认证产品的最大应用方向，目前国内 武汉理工大学硕士学位论文 销售的国外虹膜识别产品也主要安装在高档的房地产项目上用于访问控制。 ( 2 ) 金融和证券。中科院自动化所、模识科技公司和宁波八一集团共同研发 的基于虹膜识别的银行保险箱、保险柜已经投入市场，国内第一台虹膜识别a t m 也已研制成功，参加了中国国际金融( 银行) 技术暨设备展览会。 ( 3 ) 电子护照和第二代身份证。2 0 0 3 年国际民航组织公布的规划将要求在个 人护照中加入生物特征( 面相识别、虹膜识别、指纹识别) 并在进入各个国家 的边境时进行个人身份的 确认。我国迟早会加入这个计划，出于国家安全的考虑，国产虹膜识别系 统将有较大的竞争优势。我国的第二代身份证也为生物认证技术的实施预留了 空间。 ( 4 ) 医疗保险和养老保险的发放。我国的社会保障事业正在蓬勃发展中，由 于虹膜特征能够保持终身不变，虹膜识别技术将可用于参保人员的身份确认， 防止冒领。 ( 5 ) 公安和司法。如逃犯追踪、司法刑侦等方面的应用。 ( 6 ) 电子商务。我国已经出台电子签名法，如果在数字签名方案中引入虹膜 识别，必将增加网上交易的安全性。 ( 7 ) 信息安全。如文件加密，密码学和虹膜识别的结合。 ( 8 ) 特殊行业。如采矿行业的工人下井归来脸部和手部的生物特征提取都受 影响，必须采用虹膜识别。 1 2 3 虹膜识别技术面临的问题 虹膜识别技术是集数学、光学、电子学、生理学和计算机科学等多学科交 叉的高新技术。该技术的研究虽然取得了很大成绩，但由于我国起步晚，仍然 面临着许多困难。具体表现在【硼：( 1 ) 虹膜纹络是否具有稳定性有待研究。目前医 学理论认为，虹膜纹络具有终身不变的稳定性，但这一认识还有待于接受严格 的实验数据论证。因为虹膜纹络识别技术诞生不久，很难获得同一个人l o 年乃 至于更长时间间隔的虹膜图像。有资料显示，在眼部或其他部分发生病变的情 况下，虹膜纹络会发生部分或全部改变，大致有破裂脱落、穿孔、炎症增生、 萎缩、血管新生等多种情况。( 2 ) 虹膜采集技术有待提高。获取高质量的虹膜图 像是制约虹膜识别技术发展与应用的一个瓶颈。图像获取设备的小型化与方便 化、高分辨率摄像头及其照明技术，是推广虹膜识别技术的主要障碍；镜头可 6 武汉理工大学硕士学位论文 能会使图像畸变而使得可靠性大为降低；黄种人多为深褐色，纹理非常不明显， 很难获取细节清晰、对比度高的虹膜图像。( 3 ) 高重复性的虹膜识别算法有待进 一步开发。当前的虹膜识别算法还不能很好地提取因人而异的特征向量，存在 着匹配还不精细，计算量大等问题。( 4 ) 性能评价体系有待建立。虹膜识别系统 性能评价应该由国家甚至世界性的专门检测机构来进行。该机构应该拥有一个 样本容量足够大的虹膜数据库，制定一套科学严谨的测试方案，能够对各种虹 膜识别系统的性能给出准确、统一、权威的评价。但是，目前对虹膜特征识别 尚无评价机构，尚未形成统一的标准及足够大的虹膜数据库，仍然处于无序状 态。( 5 ) 系统的可行性有待验证。当前的虹膜识别系统只是用统计学原理进行，j 、 规模的试验，而没有进行过现实世界的唯一性认证的试验。 为使虹膜识别技术迅速发展，成为身份鉴别的重要手段，在实际中得到广 泛应用，可考虑从如下几方面入手：( 1 ) 从生理学、色度学、光学等角度对人眼 及虹膜进行理论研究。建立照明光源、虹膜、c c d 摄像头之间的成像系统，确 定它们之伺的最佳匹配关系，以便在虹膜图像采集方面产生突破，构建高精度、 自动化、小体积和低成本的虹膜图像采集装置。( 2 ) 虹膜识别算法( 包括图像预处 理、特征提取和特征匹配) 计算量很大，提高系统实时的快速计算能力是达到系统 特定性能要求的关键。为此，一方面开发高效快速的识别算法，另一方面开发 通用化和兼容性强的虹膜识别芯片即软硬件两方面共同努力。( 3 ) 将信息融合技 术应用于虹膜识别技术中，即将虹膜特征信息与非生物特征识别信息相结合( 如 与智能卡相结合) ，将虹膜特征信息与其他生物信息相结合( 如与指纹、掌纹的结 合) 是克服自身系统局限性，提高系统的准确性和鲁棒性切实可行的方案，是虹 膜识别技术的发展方向。( 4 ) 现在的虹膜特征识别的研究还局限于单机系统，建 立虹膜特征识别的网络身份认证系统是其研究的重要方向，具有广阔的应用前 景。目前的虹膜识别技术还不是很成熟，识别系统的应用也不够广泛，世界上 现只有少数国家将这一技术应用于金融、刑侦等对安全有严格要求的场合。但 是，由于该技术具有许多其他生物识别技术不可比拟的优点，因而吸引人们的广 泛关注。随着识别技术的不断成熟、性能的不断完善、价格的不断降低，必将 广泛地应用于金融、公安人事管理、医疗、电子贸易、智能化门禁系统、通道 控制等诸多领域。将来人眼的虹膜可能成为人们终身的、唯一的、不变的、可 靠的且不用记忆的“密码”，用它便可以不费吹灰之力地在银行取钱、出入下榻宾 馆房间、打开保险箱、通过出入境海关检查等。虹膜特征识别是一项科技含量 7 武汉理工大学硕士学位论文 高、应用范围广、涉及多学科、多领域的高新技术。只要能很好地解决取像、 特征识别等关键技术，该技术的研究必会蒸蒸日上，具有很好的应用前景。 1 3 论文主要工作及内容安排 1 3 1 本文的主要工作 本文对虹膜识别系统进行了深入地研究和分析，具体开展的工作如下： ( 1 ) 了解了虹膜识别技术的背景和现阶段国内外的发展状况。 ( 2 ) 研究了基于t m s 3 2 0 d m 6 4 2 的虹膜图像识别系统的硬件结构和软件实 现，了解了1 m s 3 2 0 d m 6 4 2 芯片的结构特点和工作原理，尤其对虹膜图像的采 集装置和采集原理进行了详细地分析； ( 3 ) 研究和掌握了虹膜图像识别系统的核心算法，并完成代码编写，实现虹 膜图像的识别过程； ( 4 ) 通过多次试验和对实验结果的比较，根据实际情况选择参数，并对现有 算法进行了改进，获得较好的识别结果。 1 3 2 内容安捧 本文共分为五章，具体安排如下： 第l 章绪论，介绍了课题研究的目的与意义、虹膜识别系统的发展历史和 现在国内外的发展情况及面临的问题。 第2 章虹膜识别系统的硬件设计，主要论述虹膜识别系统的硬件组成部分， 对虹膜图像的获取采集设备和虹膜图像的处理及存储过程进行了介绍。 第3 章虹膜识别的核心算法设计，详细介绍了虹膜图像预处理、特征提取 和编码匹配三个过程的原理，并分别给出可行的设计方法。 第4 章算法的改进，根据实验结果和实际情况对现有算法进行改进，并对参 数进行合理化选择，使最终由h a m m i n g 距离算出的匹配结果更好，并对结果进 行总结分析。 第5 章工作总结与展望，对全文研究工作进行了总结，并对未来做了研究 展望。 8 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章虹膜识别的系统设计 从模块化的角度而言，完整的虹膜识别系统可分为两个模块：虹膜图像采 集系统和上位机识别系统。虹膜识别系统的原理框图如图2 1 所示，其中，虹膜 图像采集系统包括虹膜图像采集装置、虹膜图像存储及传输装置两部分。这部 分主要是靠c c d 或c m o s 摄象机和基于d s p 的采集和处理电路来实现。上位 p c 机识别系统由计算机和虹膜识别软件组成。由虹膜图像采集系统获取的虹膜 图像上传到上位p c 计算机进行软件识别处理。 图2 1 虹膜识别系统原理框图 2 1 虹膜识别系统的硬件设计 虹膜识别系统的硬件平台由五部分组成，分别是图像采集、图像处理、数 据存储、图像显示和电源部分。其结构框图如图2 2 所示，系统由d s p 、c c d 数字摄像机、a d 转换器、c p l d 、f l a s h 存储器、s d r a m 等芯片组成，这些 芯片都是虹膜采集系统不可或缺的载体和平台。 c c d 摄像机负责虹膜图像的采集，用分辨率高于6 0 0 线的普通摄像机配以 能进行高倍放大的镜头，就可以满足后继处理对虹膜图像分辨率的要求，光源 的辅助是必须的，因人眼对光线的反射较强，则需要调节光源的入射角度，以 便获得高质量的虹膜图像；a d 转换器，完成模拟视频信号的数字化，转换成数 字信号( y ：u ：v4 ：2 ：2 ) ；s d r a m 同步动态存储器，用于程序执行和虹膜数 9 武汉理工大学硕士学位论文 据暂存；f i f o 芯片主要视频信号的缓冲；c p l d 实现c c d 数字摄像机的配置、 虹膜图像存储空间的地址生成、d s p 寻址片外存储器的页地址管理和d s p 与外 围器件之间通信的仲裁等功能。r s - 2 3 2 用于数据传输，p c 可以通过该接口得到 虹膜特征数据，f l a s h 存储器用于存储程序、初始化数据和虹膜特征数据库。 2 1 1 虹膜图像的采集 图2 2 系统结构框图 虹膜识别的首要任务是获取高质量的虹膜图像，这是虹膜识别最难解决的 关键技术之。由于虹膜面积小，虹膜的区分主要在于纹理细节的不同，而且 虹膜的纹理不是很清晰，不同人种的虹膜颜色有着很大差别，这使得用普通的 摄像头和在正常的光照条件下很难获得清晰的虹膜图像。在实际应用中，虹膜 识别系统还应当能够可靠的鉴别出采集到的图像是否来自有生命的个体，即系 统应具有活体虹膜检测的功能，从而彻底排除利用他人虹膜图像进行非法活动 的可能。 图像采集是将c c d 或c m o s 摄像机采集到的虹膜图像，经高精度的a d 转换后得到数字虹膜图像。a d 转换器采用1 r i 公司的t v p 5 1 4 5 芯片，其采样精 度达到1 0 b i t ，输出支持c c i r - 6 5 6 和b t 6 5 6 等格式。 1 c c d 传感器与c m o s 传感器的比较 现在非接触的虹膜图像采集设备大多采用c c d 和c m o s 两种摄像方式，下 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 面就从结构、技术和性能等几个方面对这两种传感器进行一下综合比较。 ( 1 ) c c d 与c m o s 传感器的结构比较 c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ) ，即“电荷耦合器件”，是一种感光半导体芯 片，用于捕捉图形，但c c d 没有能力记录图形数据，也没有能力永久保存，所 有图形数据都会不停留地送入一个模数转换器( a d c ) ，一个信号处理器以及一 个存储设备。1 9 7 0 美国贝尔实验室发明了c c d 。二十年后，人们利用这一技术 制造了数码相机，将影像处理行业推进到一个全新领域。c m o s ( c o m p l e m e n t a r y m e t a lo x i d es e m i c o n d u c t o r ) ，即“互补金属氧化物半导体”。它是计算机系统内 一种重要的芯片，保存了系统引导所需的大量资料。有人发现，将c m o s 加工 也可以作为数码相机中的感光传感器，其便于大规模生产和成本低廉的特性是 商家们梦寐以求的。c c d 和c m 0 s 在制造上的主要区别主要是c c d 是集成在 半导体单晶材料上，而c m o s 是集成在被称为金属氧化物的半导体材料上，工 作原理没有本质的区别，都是利用感光二极管( p h o t o d i o d e ) 进行光电转换，这 种转换的原理与太阳能电子计算机的太阳能电池效应相近，光线越强、电力越 强；反之，光线越弱、电力也越弱。根据此原理将图像转换为数字数据，而其 主要差异是数字数据传送的方式不同。比较c c d 和c m o s 的结构，数模转换器 的位置和数量是最大的不同。c c d 每曝光一次，在快门关闭后进行像素转移处 理，将每一行中每一个像素的电荷信号依序传入“缓冲器”中，由底端的线路引导 输出至c c d 边缘的放大器进行放大，再串联a d c 输出；而c m o s 的设计中每 个像素旁边都直接连着a d c ，电荷信号直接放大并转换成数字信号。造成这种 差异的原因在于c c d 的特殊工艺可保证数据在传送时不会失真，因此各个像素 的数据可汇聚至边缘再进行放大处理；而c m o s 工艺的数据在传送距离较长时 会产生噪声，因此，必须先放大，再整合各个像素的数据。 ( 2 ) c c d 与c m o s 传感器的技术比较 存储的电荷信息，需在同步信号控制下一位一位地实施转移后读取，电荷 信息转移和读取输出需要有时钟控制电路和三组不同的电源相配合，整个电路 较为复杂而且速度较慢。而c m o s 传感器经光电转换后直接产生电流( 或电压) 信号，信号读取十分简单，还能同时处理各单元的图像信息，速度也比c c d 快 很多。c c d 制作技术起步早，技术成熟，采用p n 结或二氧化硅( s i 0 2 ) 隔离层 隔离噪声，成像质量相对c m o s 有一定优势。由于c m o s 集成度高，各光电传 感元件、电路之间距离很近，相互之间的光、电、磁干扰较严重，噪声对图像 武汉理工大学硕士学位论文 质量影响很大，使c m o s 很长一段时间无法投入实用。近几年，随着c m o s 电 路消噪技术的不断发展，c m o s 的性能已经与c c d 相差无几了。 ( 3 ) c c d 与c m o s 传感器的性能比较 在i s o 感光度方面，由于c m o s 每个像素由四个晶体管与个感光二极管 构成，还包含了放大器与数模转换电路，过多的额外设备缩