（信号与信息处理专业论文）虹膜身份识别系统的研究.pdf

东北大学硕士学位论文 摘要 虹膜身份识别系统的研究 摘要 随着信息技术的发展和日益增长的对安全的需要，基于生物特征的身份识别技术在 近年来有了迅速的发展。在现有的各类生物识别技术中，虹膜识别是相对较新而且具有 巨大潜力的技术。 本文全面阐述了虹膜识别的一些新方法，重点研究了虹膜定位、虹膜特征提取、模 式匹配等方面的内容，针对虹膜识别领域的研究重点和难点提出了几种新的改进算法， 并实现了虹膜身份识别系统。 本文首先对虹膜定位算法进行了深入地研究。针对虹膜内边缘定位，提出了三种定 位方法，即基于小波分析、灰度阈值分割和圆h o u g h 变换相结合的定位法；基于小波阈 值收缩法和圆h o u g h 变换相结合的定位法；基于小波分析、数学形态学和圆的方程相结 合的定位法。并把这三种方法与w i l d c s 提出的二值化与h o u g h 变换相结合的方法进行 了比较研究。针对虹膜外边缘定位，提出了一种改进的h o u g h 变换方法，并把该方法与 d a u g m a n 提出的圆检测算子的方法进行了比较研究。本文提出的虹膜定位算法不仅提高 了虹膜定位的精度，而且定位的时间也有明显的缩短，从而提高了虹膜定位的速度，改 善了传统虹膜定位算法中搜索的盲目性。 对虹膜特征提取的传统方法进行了分析，重点研究了采用l o g - g a b o r 滤波器提取虹 膜纹理特征的方法。在此基础上，提出了一种基于小波包分解的虹膜特征提取方法，该 方法不仅能表征丰富的虹膜纹理特征信息，而且提取的特征向量维数不是很大，从而避 免了维数灾难。 对模式匹配方法与分类器设计进行了研究，提出了一种新的分类器，即r b f 神经 网络( g a d i a sb a s i sf u c f i o n ) 分类器，其识别速度较高。 应用本文的算法，设计并开发了虹膜身份识别系统，该系统具有良好的人机交互界 面，实现了虹膜图像的获取、预处理、特征提取、模式匹配等功能，并在c a s i a 虹膜 图像数据库上进行了实验，取得了良好的识别效果。 关键词：虹膜定位；虹膜特征提取；模式匹配；小波分析；r b f 神经网络 一一 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t r e s e a r c ho ni r i sr e c o g n i t i o ns y s t e m ， a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n dt h eg r o w i n gn e e df o rs e c u r i t y , t h e r e c o g n i t i o nt e c h n o l o g yb a s e do l lb i o m e t r i ci d e n t i f i c a t i o nh a sd e v e l o p e dr a p i d l yi nr e c e n t y e a r s i nt h ee x i s t i n gt y p e so fb i o m e t r i ei d e n t i f i c a t i o nt e c h n o l o g y , i r i sr e c o g n i t i o ni s a r e l a t i v e l yn e wt e c h n o l o g y 稍t hg r e a tp o t e n t i a l t h i sd i s s e r t a t i o nc o m p r e h e n s i v e l ye l a b o r a t e ds o m ei l e wm e t h o d sa b o u ti r i sr e c o g n i t i o n , f o c u s e do nt h ei r i sl o c a l i z a t i o n , f e a t u r ee x t r a c t i o n ，p a r e mm a t c h i n g a i m i n ga tt h ek e yp o i n t o fr e s e a r c hi nt h ef i e l do fi r i sr e c o g n i t i o n , s e v e r a lk i n d so fl l e wi m p r o v e da l g o r i t h m sw c l - e p r o p o s e d a n dr e a l i z ea l li r i sr e c o g n i t i o ns y s t e m f i r s t l y , i r i sl o c a l i z a t i o na l g o r i t h mw a ss t u d i e dt h o r o u g h l y a i m i n ga th i si n n e re d g e l o c a l i z a t i o n , t h r e ek i n d so fi r i sl o c a l i z a t i o na l g o r i t h m sn a m e l yb a s e do nw a v e l e ta n a l y s i s ， g r a y - l e v e lt h r e s h o l ds e g m e n t a t i o na n dc i r c l eh o u g ht r a n s f o r m , b a s e do nw a v e l e tt h r e s h o l d s h r i n ka n dc i r c l eh o u g ht r a n s f o r ma n db a s e do nw a v e l e ta n a l y s i s , m a t h e m a t i c a lm o r p h o l o g y a n dc i r c l ee q u a t i o nw e q ep r o p o s e d t h ea b o v ea l g o r i t h m sw e r ec o m p a r e dw i t ht h em e t h o d w i t hac o m b i n a t i o no ft h eb i n a r ya n dh o u g ht r a n s f o r mw h i c hw a sp r o p o s e db yw i l d e s , a i m i n ga ti r i so u t e re d g el o c a l i z a t i o n , t h ei m p r o v e dh o u g ht r a n s f o r mw a sp r o p o s e da n d c o m p a r e dw i t ht h ec i r c l ed e t e c t i o no p e r a t o rm e t h o dt h a tw a sp u tf o r w a r db yd a u g m a n t h e i r i sl o c a l i z a t i o na l g o r i t h m sp r o p o s e dn o to n l yi m p r o v e dt h ep r e c i s i o no fi r i sl o c a l i z a t i o n ，b u t a l s or e d u c e ds i g n i f i c a n t l yt h el o c a l i z a t i o nt i m e t h e r e b y , t h es p e 甜o fi r i sl o c a t i z a f i o n q v b s e n h a n c e da n dt h et r a d i t i o n a li r i sl o c a l i z a t i o na l g o r i t h mt os e a r c hf o rt h eb l i n d n e s sw a s i m p r o v e d t h et r a d i t i o n a lm e t h o do fi r i sf e a t u r ee x t r a c t i o nw a sa n a l y z e d l o g - g a b o rf i l t e r sw e r e u s e dt oe x t r a c ti r i st e x t u r e o nt h i sb a s i s ，p u tf o r w a r dam e t h o do f i r i sf e a t u r ee x t r a c t i o nb a s e d o nw a v e l e tp a c k e t t h em e t h o dc o u l dn o to n l ye x p r e s st h er i c ht e x t u r ei n f o r m a t i o no fi r i s ，b u t a l s ot h e6 i g e n v e c t o r sd i m e n s i o ne x t r a c t e dw a sn o tl a r g e t h e r e b 茹a v o i dad i m e n s i o ud i s a s t e r s t u d yt h ep a r e mm a i c h i n gm e t h o da n dt h ed e s i g no fc l a s s i f i e r an e wc l a s s i f i e r , n a m e l y r b fn e u r a ln e t w o r kc l a s s i f i e rw a sp r o p o s e d i t sr e c o g n i t i o ns p e e dw a sa l s ou p g r a d e d d e s i g na n dd e v e l o pa ni r i sr e c o g n i t i o ns y s t e mb yu s i n gt h ep r o p o s e da l g o r i t h m t h i s s y s t e mh a dt h eg o o dh u m a nc o m p u t e ri n t e r a c t i o na n dr e a l i z e di r i si m a g ea c q u i r e m e n t , i r i s p r e t r e a t m e n t , i r i sf e a t u r ee x t r a c t i o n , f e a t u r em m h i n ga n ds o o i li th a dc a r d e do nt h e - - i i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t e x p e r i m e n ti nt h ec a s i ai r i si m a g ed a m b a s ea n do b t a i n e dt h eg o o dr e c o g n i t i o ne f f e c t k e yw o r d s ：i r i sl o c a l i z a t i o n ；i r i sf e a t u r ee x t r a c t i o n ；p a t t e mm a t c h i n g ；w a v e l e ta n a l y s i s ；r b f n e u r a ln e t w o r k 一一 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的 研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作 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诚挚 的谢意。 学位论文作者签名：杏1 麓碑 签字日期：如7 、2 1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名：否则视为不同意) 学位论文作者芋名：誊埒夺 导师签名： 签字日 期：列1 2 1 签字日期： 假吖l 0 窑 孔训 东北大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 随着网络与通信技术的飞速发展和人类物理与虚拟活动空间的不断扩大，现代社会 对于人类自身身份识别的准确性、安全性与实用性提出更高要求。身份识别是人们日常 生活中经常遇到的一个基本问题，生活中几乎每时每刻都需要鉴别别人的身份，证明自 己的身份，而传统的身份识别方法主要基于身份标识物品和身份标识知识，身份标识物 品如钥匙、证件、自动取款机的银行卡等，身份标识知识包括用户名、密码等。在一些 安全性要求严格的系统中，往往将这两者结合起来，如自动取款机要求用户同时提供银 行卡和密码。但标识物品容易丢失或被伪造，标识知识容易遗忘或记错，更为严重的是 传统身份识别系统往往无法区分标识物品真正的拥有者和取得标识物品的冒充者，一旦 他人获得标识物品，就可以拥有相同的权力，其带来的隐患一直难以解决；后来又发展了 数码证书和智能卡等，效果也不尽如人意。因而，传统的身份识别方法已经远远不能满 足这种要求，人类必须寻求更为安全可靠、使用方便的身份识别新途径。由于人的身体 特征具有不可复制性、唯一性和稳定性的特点，从而，以人自身的生物特征进行识别的 生物识别技术开始兴起。 1 1 生物特征识别技术 所谓生物特征识别技术就是通过计算机与各种传感器和生物统计学原理等高科技 手段密切结合，利用人体固有的生理特性和行为特征，来进行个人身份的鉴定。生理特 征与生俱来，多为先天性的；行为特征则是习惯使然，多为后天性的。将生理和行为特 征统称为生物特征。 并非所有的生物特征都可用于个人的身份鉴别。身份鉴别可利用的生物特征必须满 足以下几个条件：第一，普遍性：即必须每个人都具备这种特征。第二，唯一性：即任 何两个人的特征是不一样的。第三，可测量性：即特征可测量。第四，稳定性：即特征 在一段时间内不改变。当然，在应用过程中，还要考虑其他的实际因素，比如：识别精 度、识别速度、对人体无伤害、被识别者的接受性等等。现在常用的生物特征有：人脸 识别、虹膜识别、手形识别、指纹识别、掌纹识别、签名识别、声音识别等。 各种生物特征识别技术各有其优缺点，在表1 1 中，将各种生物特征识别技术的性 能进行了一个简单的比较“。”。 东北大学硕士学位论文第一章绪论 生物特征识别技术是基于个人独特的生理和行为特征进行自动身份验证的技术，不 但在学术上有极大的研究价值，而且有着极广泛的应用领域，为信息化社会日益增长的 保密和安全需求提供了很好的解决方案。近年来，其研究成果和应用产品的数量直线上 升。随着生物特征传感器成本的不断下降和人们接受程度的不断提高，生物特征识别技 术必然取代过时的、不安全的身份认证方法，成为保密、安全、方便的身份识别手段。 1 2 虹膜识别技术 1 2 1 虹膜的生理特征 人的眼睛近似球形，位于眼眶内。正常成年人其前后径平均为2 4 m m ，垂直径平均 2 3 r a m 。最前端突出于眶外1 2 1 4 r a m ，受眼睑保护。眼球包括眼球壁、眼内腔和内容物、 神经、血管等组织。眼球壁主要分为外、中、内三层。外层由角膜、巩膜组成。中层又 称葡萄膜，色素膜，具有丰富的色素和血管，包括虹膜、睫状体和脉络膜三部分。内层 为视网膜，是一层透明的膜，也是视觉形成的神经信息传递的第一站，具有很精细的网 络结构及丰富的代谢和生理功能。虹膜在角膜( c o r n e a ) 和晶状体( 1 e n s ) 之间，由不同 - - 2 东北大学硕士学位论文第一章绪论 层组成。最内层是带有色斑的真皮层。在其上的是控制瞳孔肌的肉层。肌肉层上是基质 层，该层由胶状组织连接成弧形状，该层中放射分布着螺旋形的血管，故又称为血管层。 最上面一层是前界膜层，该层分布着色素细胞( c h r o m a t a p h o r e s ) 。虹膜的外观是这四层 综合的结果，如图1 1 所示。 图1 1 虹膜外观 f i g 1 1i r i sa p p e a r a n c e 虹膜表面商度细节化，包含了极为丰富的信息，外观上看由许多腺窝、皱褶、色素 斑等构成，是人体中最独特的结构之一，如图1 2 所示。靠近瞳孔部分的皱襞特别显著， 它是虹膜小动脉的位置标志。虹膜后表面比较平坦。由于虹膜内血管分布不均，使虹膜 表面出现许多无规则的放射性条纹，内有许多放射性隆起，代表虹膜血管的路径。所有 这些无规则的血管和隆起就构成了每个人唯一且终生不变的虹膜纹理“一。 图1 2 虹膜纹理结构图 f i g 1 2i r i st e x t u r es t r u c t l u 虹膜是唯一外部可见的人体内部组织，它是由弹性连接组织和分隔带网络组成的， 其中分隔带网络的形态是在出生之前形成的，更具体的说是在怀孕的第八个月中形成 的。分隔带网络包括那些附着在具有条纹特征的无序网孔上的梳状韧带、纤毛状突起、 小囊、环状物、皱纹状物、冠状物，有时还有斑点、血管等其他特征，因此虹膜的纹理 丰富。人眼虹膜因人种不同而呈现不同的颜色，在出生后半年至一年内发育完全，以后 终身不变。因为虹膜属于表现型特征，而不是基因型特征，所以虹膜组织的纹理结构受 遗传因素影响很小，主要取决于其形成时期胚胎内该部分组织的局部营养状况及生物物 理条件，带有极大的随机性，因此人类几乎没有完全相同的虹膜特征。而且虹膜的特征 - - 3 东北大学项士学位论文第一章绪论 也不会因一般性疾病而改变，又由于虹膜位于角膜之后，也就是说在眼球上，所以也不 能用手术改变其特征。另外，在瞳孔随光线强弱变化而变化时，虹膜受睫状肌的牵引做 高速颤动，其虹膜组织纹理结构也随之变化，这也是用伪造虹膜不能实现的，这是活体 虹膜独具的特征，因此不易伪造旧。 1 ，2 2 虹膜识别的特点 虹膜识别技术之所以能够在多种生物识别技术中独领风骚，并成为生物识别研究的 热点，其主要优点是： ( 1 ) 虹膜与外界隔离开，不易受损。 ( 2 ) 一般手术不能改变虹膜的纹理。 ( 3 ) 瞳孔的大d 1 1 1 1 使注视时也是变化的，虹膜识别系统依然可能在变化中找到不 变的量，同时可以检测出真假虹膜图像。如果盗用他人的虹膜不可能对光线起反应，瞳 孔的大小不发生变化，虹膜识别系统就会捕捉到这种惰性。 ( 4 ) 不须接触，虹膜图像在一定的距离内可以捕获。 ( 5 ) 生来具有的极坐标几何特性，提供天然的极坐标系统。 正是由于这些特点，才使虹膜识别技术得到多方的关注，虹膜识别技术必将成为新 一代生物识别技术研究的热点，它的研究主要涉及到了计算机视觉、数字图像处理、小 波理论、模式识别等众多学科领域。 1 2 3 虹膜识别系统简介 虹膜识别系统需要通过专用的摄像头，录入人的眼部图像。经过适当的图像处理， 提取眼部的虹膜图像。根据虹膜的纹理特征，与计算机内的已有的虹膜数据库比对识别， 做出所需要的判断，达到以虹膜作为人的生物特征进行识别的结果。 系统的整个处理过程如图1 3 所示。 图1 3 虹膜识别系统结构组成 f i g 1 3t h es t r u c t u r eo f i r i sr e c o g n i t i o ns y s t e m d 东北大学硕士学位论文第一章绪论 ( 1 ) 虹膜图像的获取 虹膜图像的摄取是虹膜识别中的第一步，同时也是最困难的一步，是今后研究的难 点问题。虹膜是个很小的器官，直径约十几毫米，不同人种的虹膜颜色有着很大的差别。 白种入的虹膜颜色浅，纹理显著。而黄种人的虹膜则多为深褐色，纹理非常不明显。虹 膜图像获取的关键问题是设计合理的光学系统，包括主动光源波长( 通常选择近红外光 7 0 0 9 0 0 n m ) 、配置必要的光源和电子控制单元及照明角度的选取等，并融入适当的软件 算法( 如图像恢复与增强，聚焦判断等算法) ，降低系统对硬件的要求。 目前，美国i n d i a nt e c h n o l o g i e s 公司、英国电信公司、日本松下公司、o k i 公司和 韩国l g 公司都在从事虹膜图像获取技术的研究，并且研制出了适用于远距离自动虹膜 图像获取装置。在摄取图像时，以下几点需要注意： ( a ) 保证图像具有足够的分辨率和清晰度，这就需要加入辅助光源如红外线光源； ( b ) 保证摄取的虹膜图像有很好的对比度，而且光照既充足又不会使人眼不舒服； ( c ) 摄取的图像要限制在一定的范围内，如图像中除眼睛外，不应包含过多其他 部位( 如鼻子、嘴巴、下领等) ； ( d ) 摄取过程中，人工因素如镜片的反光，光学上的色差( 由于光学部件的物理 缺陷造成的不完美成像) 等应尽可能的消除。 现在，虹膜采集的装置已经有产品闯世，凯平艾森已经是继美国1 r i d i a n 公司。捌 之外国际上第二家独立拥有虹膜识别核心技术，且己实现产品化的公司。如图1 4 所示 是一些虹膜识别实际产品。 北京凯平艾森科技中科模识松下pc版lg 图1 4 部分虹膜产品 f i g 1 4t h ep a r to f i r i sr e c o g n i t i o np r o d u c t i o n 由于实验条件的限制和实验结果比较方便，本文使用中科院c a s i a1 0 版虹膜数据 库嘲，对于每一类虹膜，数据库都包含了在不同时间和条件下采集的虹膜样本，包括8 0 人( 其中男6 2 人，女1 8 人) ，1 0 8 只不同眼睛的虹膜图像样本，每只眼睛有7 幅8 位灰 度图像，分辨率为3 2 0 x 2 8 0 ，一共有7 5 6 个虹膜图像。 一5 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 ( 2 ) 虹膜图像预处理 虹膜图像的预处理包含虹膜定位、归一化和虹膜图像增强。这是因为通过获取装置 采集的虹膜图像通常不可能仅仅包含虹膜，往往还有眼睛的其它部分，比如瞳孔、眼睑， 睫毛、巩膜等，这些都是无用的干扰信息，需要加以去除。因此需要通过定位来准确的 找到虹膜的位置。因为瞳孔和虹膜都是比较标准的圆形，只要找到瞳孔和虹膜的圆心和 半径就可以确定它们的位置了。对于定位精度的要求很高，定位结果在很大程度上将影 响识别效果，不管是圆心还是半径误差较大，都会造成计算虹膜码时的严重偏差，甚至 导致识别结果的错误。而且在高度非侵犯性系统中，由于对被试者不做要求，虹膜在图 像中的位置与大小都会发生变化。因此，在进行虹膜识别之前，必须先确定出虹膜在图 像中的位置并进行大小归一化。而又由于原始图像信号中存在着许多噪声和畸变，一般 要进行滤波、平滑、增强、复原、提取边缘、图像分割等预处理，以便提高图像质量， 并为下一步特征提取提供必要的基础。 ( 3 ) 虹膜的特征提取 特征提取和选择是对预处理后的数据进行分析、去粗存精的过程。由于原始图像数 据量相当大，将原始图像进行存储会消耗很大的空间，因此需要把这些数据转换为若干 特征，这称为特征提取。为了提高分类处理的速度和精度，对提取的特征还需要选择最 有代表性的特征，其信息冗余度最小，而且希望具有比例、旋转、位移不变性。而现在 常用的纹理描述方法并不适用于虹膜纹理的特征提取。比较典型的虹膜纹理特征提取方 法有g a b o r 滤波d 3 1 和二维小波变换呻一。 ( 4 ) 模式匹配 虹膜识别技术的应用一般可以分为两类，一类是身份验证，它的任务是判定测试者 是否与数据库中的某一个特定虹膜特征的一样；另一类是身份查询，它的任务是数据库 中查找和测试和虹膜特征一样的虹膜数据。无论是哪一类问题可以归属为统计判决理论 的框架内。该框架也可以解决给任何这样的识别判决分配置信水平的主要问题。通过这 个方法可以将模式识别问题转化为一个更为更加高效的任务，它只需要执行一个统计独 立性测试即可。 基于已提取的虹膜特征进行虹膜识别，是一个典型的模式匹配问题。比较常用的两 种算法是海明距离( h a m m i n gd i s t a n c e ) 分类法“1 和方差倒数加权欧氏距离分类法“”。 ( 5 ) 虹膜图像特征数据库 虹膜特征数据库中存放的是已知虹膜纹理的特征向量。在虹膜识别过程中，首先要 一6 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 对待识别的虹膜图像进行处理分析得到虹膜特征码，然后将所提取的特征码与数据库中 的特征码模板进行比对，最后得出分类结果。为了将虹膜用于身份识别，在虹膜识别系 统的后台需要一个大型的虹膜特征数据库，以便于对虹膜特征码进行存储和查询。 1 3 虹膜识别的发展现状和应用前景 虹膜识别系统最初是由英国剑桥大学开发成功的，随着9 1 1 事件的发生，各国政府 特别是美国纷纷加强了安全检验措施，高效精确的生物识别技术受到了广泛重视，虹膜 识别作为项精确识别技术正在走入市场。 美国的i r i d i a n t e c h n o l o g y 公司是当前技术领先的虹膜识别技术厂商，它的主要技术 即来源于英国剑桥大学d a u g m a n 教授的专利，目前，该公司和世界一些著名的电子设 备商如l g ，p a n a s o n i e 等公司合作，开发出了多款产品，已在北美及欧洲得到实际应用， 同时，i r i d i a a 公司己在美国本土、加拿大、欧洲、亚太地区建立了分支机构，发展了很 多销售代理商，积极开拓这个有巨大潜力的市场。 美国褥克萨斯州联合银行的三个营业部已经安装了该公司的虹膜识别系统，储户两 手空空地来办理银行业务，无需银行卡，更没有回忆密码的烦恼。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 库中的资料核对，以对用户的身份进行检验。 情报部门、国防部和财政部都使用该公司的虹膜辨别技术，其中大多数用在办公大 楼和敏感资料中。一些监狱也使用这种技术。虹膜扫描系统不仅能辨认新入狱的犯人， 也能辨认离开监狱( 如出庭) 的犯人。比斯坎岛音频美术公司副总裁说，他已把虹膜扫 描技术推广到拉丁美洲，应用在银行，通信和硬件微代码优化器上。 美国眼票公司设计的“虹膜通行证”已于2 0 0 1 年6 月9 日在美国北卡罗来纳州夏 洛特道格拉斯国际机场正式启用。它使用最新眼瞎虹膜识别技术来管理航空公司和机场 职员进出的限制区域，不仅可以大大减轻机场的身份检验工作，还可有效保障机场和乘 客的安全。 美国森萨尔公司开发的虹膜钥匙也十分引人注目，人们只需向自动取款视视孔内窥 望，便可被识别出是不是持卡人，从而简便地在银行提取所需的现款。这种对人眼彩色 部分虹膜扫描定位的数字化编码图像，可提供高精度的识别防伪方法形成眼体位置 更清晰的放大图像。每个人的虹膜各不相同，因而其分布的形态特征较压手印识别真伪 更加可靠。用户输入载有个人眼形特征的虹膜号码后，虹膜扫描定位摄像机即从3 英尺 1 东北大学硕士学位论文第一章绪论 外对虹膜迸行扫描，然后进行数字化编码并存档备案。此后，当用户将个人银行账卡输入 自动取款机时，机内设的摄像机就会对眼睛聚焦，移近瞳孔摄取虹膜图像，并立刻将所摄 虹膜图像与数据库中的存档图像对比，若两者相符无误，自动取款机便付出所需现款。整 个识别和付款过程仅需3 秒钟，十分方便。此外，配置虹膜扫描仪自动取款机的银行还可 代理机票、证券和股票业务，无需担忧业务交往中出现的欺诈行为。 韩国l g 公司和i r i s c a n 公司联合开发出虹膜识别网络门禁系统i r i s a c c e s s t m3 0 0 0 ， 拥有功能强大的网络化系统管理平台，是一种高精度、智能化、网络化的防止非授权人 员进入的全新门禁系统，与其他门禁系统相比具有更高的安全性，且使用方便。 松下公司也已经推出了一个虹膜识别照相系统a u t h e n t i c a r n 。这套新系统包括松 下公司的照相机和i r i d i a n 科技的个人身份虹膜识别与鉴定技术。松下公司介绍说，这套 系统可用于包括网络访问权限设置、自动银行业务、信用卡认可、健康卡管理以及身份 认证在内的各个安全技术应用领域。 英国作为虹膜识别技术的最初拥有国，也已经将虹膜识别系统用于现实生活，英国 伦敦希思罗机场的安全检测系统已经采用了虹膜识别系统，从而大大提高了机场安全检 测的效率。 借鉴国际的领先技术经验，在国内，虹膜识别系统在以下领域会有广阔的市场前景： ( 1 ) 职员或会员管理：内部授权管制、考勤、薪资计算、俱乐部会员确认； ( 2 ) 重要区域的门禁管制：军事基地、枪械库、核能设施，物料放置库房、电脑 机房、政府办公室、保密资料室等； ( 3 ) 金融、证券、保险、社会福利机构的身份确认：如柜台提款、自动提款机、 保险箱、金库、大额取款客户身份确认、公司提现确认、交易终端客户身份确认、远程 交易身份确认、保险受益人等各种社会福利受益人身份确认等； ( 4 ) 个人财产使用管制：如移动电话、个人电脑、笔记本电脑、汽车等； ( 5 ) 住宅安全：包括社区人员进出及访客出入记录： ( 6 ) 社会安全：包括全民证照系统( 身份证、暂住证、驾驶证等) 、海关出入境管 理、机场安全检查、刑侦罪犯查缉过滤、法律上罪犯认定等； ( 7 ) 信息安全：电子交易、网络安全、网上银行及电子商务的安全交易等； ( 8 ) 医疗档案管理：血液管理、公费医疗确认、个人医疗档案管理“”。 一8 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 4 小波分析理论基础 小波分析方法是一种窗口大小( 即窗口面积) 固定但其形状可改变，时问窗和频率 窗都可改变的时频局部化分析方法，即在低频部分具有较高的频率分辨率和较低的时间 分辨率，在高频部分具有较高的时间分辨率和较低的频率分辨率。正是这种特性，使小 波变换具有对信号的白适应性。 小波变换就是将信号在一个函数族上进行分解，该函数族是由一个独立的函数 ( f ) 经过平移和伸缩而得到的。函数空间r ( 尺) 定义：函数空间是定义在整个实轴上 的满足 ) 陋 1 ，6 0 0 ，则对应离散小波函数为： 一9 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 妒( x ) = ( ：7 0 j 2 妒( 啄x 一地) ( 1 6 ) 最常用的是二进制离散小波( 以下简称二进制小波) ，即a o = 2 ，b o = l ， j ( x ) = x 一_ j ) ，7 ，(17),k2 - i 2 u ( 2 - j kz 二进制小波对信号的分析具有变焦的作用。假定有一放大倍数2 叫，它对应为观测 到信号的某部分内容。如果想进一步观测信号更小的细节，就需要增加放大倍数即减小 - ，值；反之，若想了解信号更粗的内容，则可以减小放大倍数，日p j n ；：k ：j 值。 多分辨分析( m u l t i r e s o l u t i o na n a l y s i s ) 与m a l l a t 算法o 。”是小波分析的重要内容。 下面将分别介绍多分辨分析的概念、m a l l a t 分解与重构算法。 1 。4 1 多分辨分析 小波分析能够提供r ( r ) 中具有良好局部化性质的正交基，把l 2 ( r ) 中的函数与 ，2 ( z ) 中的数列等同起来，从而把分析问题转化为代数问题来解决。多分辨分析的思想 就是先在能量有限函数空间l 2 ( r ) 的某个子空间中建立基底，然后利用简单的伸缩与平 移变换，把子空间的基底扩充到l 2 ( r ) 中。 定义1 - - 1 设 巧，是空间r ( r ) 中的一个闭空间列， 巧) 脚被称为多分辨分析， 如果 巧 脚满足如下四个条件： ( i ) c 配1 c k c 巧c - ( 2 ) n = 0 ) ；u = r ( r ) ，z。lez。 ( 3 ) ，( 力巧铮f ( 2 x ) 巧+ ( w z ) ( 4 ) 存在矿巧，使得 贴一力 。是的r i e s z 基，即 ( a ) 2 s p a n 妒( x 一聆) 比 ( b ) 存在o ，e z 是r ( r 2 ) 中的一个多分辨分析，巧。= o 匕，妒为尺度函数，矿为正交 小波函数，它们满足式( 1 1 4 ) 式( 1 1 7 ) 。令 一1 4 以 卵 东北大学硕士学位论文苎二主l 兰堕 哆= 巧。巧，哆= ( 巧o w a e ( 形圆) o ( 呢。巧) ( 1 2 9 ) 其中，p 为张量积运算。 则有： ( 1 ) 呼c 哺，吆，= 哆。哆，形2 上叼，f _ ，； ( 2 ) n 哆= o ) ，u 哆= r ( 醒2 ) ，从而，2 哆= r ( r 2 ) ： ( 3 ) 令 m 力= 伊( x ) 烈j ，) ，甲1 0 ，y ) = 妒( x ) 妒0 ，) 甲2 ，力= y ( z ) 妒( y ) ，、壬，3 0 ，力= y ( x ) o ，) m ，肋 ，力= 纺，t ( x ) 纺，( ) ，) ，掣：如( x ，力= 哆 ( x 妙，( ) ，) 甲幺月 ，y ) = 的 ( 工) 纺月( y ) ，t i ，3 j p ，力= 蚧 0 ) ，。( y ) 则 ( a ) 函数系 m j 舢( x , y ) l k ，聊z ) 构成哆的规范正交基； ( b ) 函数系胛j 舳( x ，力，甲；加( x ，) ，) ，甲k ，y ) lk ，m e z 构成哆的规范正交基，从 而 、壬，：j ，埘0 ，y ) ，甲； ，。( e ) ，) ，甲k ，( x , y ) l j ，k ，肌z 构成r ( 皿2 ) 的规范正交基 设。噶，由暖。= 哆。孵可得，存在z 呼，勺盱有 | a = i + 。| n ? 3 0 ) 利用级数展开可得 山力= 魄。d ， ：塞q ，+ 巧，一甲小磅，甲钳观 ， n 3 d 类似于式( 1 2 5 ) 与式( 1 2 6 ) 的推导，可得如下二维m a l l a t 分解与重构算法： ，= 瓢z t 如。加 巧，= i k 。c j 刖， 嚷，：羲：函， “3 2 ，= 豇。；砌q 帅 q 卅，= 一。k 。c 知+ 噍。，。跣+ a 一磋抽+ 乏g 一，一e ( 1 3 3 ) i i p 1 p 事实上，二维小波分解与重构算法是一维的推广，其中，既有行变换，又有列变换。 一1 5 东北大学硕士学位论文第一章绪论 利用二维m a l l a t 分解算法，可以把一幅图像c = c ，+ 啦，册 抽分解为一个低频子图( 子 带) c ，和水平、垂直与对角线3 个方向的高频子图d ：，d ；与d ；。同样，可以把低频 子图c ，继续分解为c 。和水平、垂直与对角线3 个方向的高频子图d _ ，礞与d 。，。 1 5 本课题的研究意义和内容 虹膜身份识别是近年来发展起来的一种新的生物特征识别方法。通过一定的虹膜识 别算法后，可以达到十分优异的准确度。即使全人类的虹膜信息都录入到一个数据库中， 出现认假和拒识的可能性也相当小，虹膜，作为重要的身份鉴别特征，具有唯一性、稳 定性、可采集性、非侵犯性等优点。非侵犯性( 或非接触式) 的生物特征识别是身份鉴 定研究与应用发展的必然趋势。与脸像、声音等非接触式的身份鉴别方法相比，虹膜具 有更高的准确性。据统计，到目前为止，虹膜识别的错误率是各种生物特征识别中最低 的。虹膜识别技术的高精度使它能够在众多识别技术中占有一席之地。 对于每个人来说，虹膜的结构都是各不相同的，并且这种独特的虹膜结构在人的一 生中几乎不发生变化。这个观点有两方面的依据：第一个依据来源于临床的观察。眼科 学家和解剖学家经过大量的观察发现虹膜具有独特的结构，即便对于同一个人，左眼和 右眼的虹膜区别也是十分明显的。经过迸一步持续的观察，科学家们发现，自童年以后， 虹膜在人的一生中所发生的变化十分微小。支持这一观点的第二个证据来源是发育生物 学。科学家发现，尽管虹膜的基本结构是由内在的遗传基因决定的，但是外界的环境却 对虹膜独特的细微结构起着决定性作用。这种外部环境是指在生命初期，虹膜形成之前 的胚胎发育环境。因此，自然界不可能出现完全相同的两个虹膜。发育生物学家通过大 量观察发现当虹膜发育完全以后，它在人的一生中是稳定不变的，因而具有稳定性。另 外，由于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。所有这些证据表明，每个人都有不同的虹膜结构，并且这种独特 的虹膜结构是稳定的。 综上所述，虹膜适合用于身份识别，基于虹膜的身份识别不仅可行而且必要。本文 对虹膜技术进行了研究，主要的研究工作有如下几点： ( 1 ) 虹膜图像的预处理。虹膜图像预处理包括虹膜图像定位、归一化和增强。针 对虹膜图像定位，研究了如何去除虹膜图像中的噪声以及如何确定虹膜的圆心和半径。 在虹膜内边缘定位中，首先采用小波分析，数学形态学等方法对虹膜图像去噪，然后分 一1 6 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 别用圆方程和h o u g h 变换的方法来确定虹膜内边缘的圆心和半径。在虹膜外边缘定位 中，分别采用圆检测算子和改进的h o u g h 变换来确定虹膜外边缘的圆心和半径。在虹膜 归一化中，为了消除平移、缩放和旋转对于虹膜识别的影响，把虹膜图像从直角坐标变 换到极坐标下，并使其展开成为一个矩形带。最后利用直方图均衡化使归一化的图像增 强，为下一步的特征提取做好准备。 ( 2 ) 虹膜图像的