虹膜识别技术特点分析

宋彦民

摘要：目前生物识别技术中比较熟悉又神秘是虹膜识别技术，虹膜识别技术是目前生物特征识别技术中最方便最安全的识别技术。本文主要从优点和缺点两个方面介绍虹膜识别技术应用的特点。

关键词：虹膜识别;技术特点

中图分类号：TP18 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2020）20-0187-03

虹膜识别技术就是利用人体眼睛中虹膜组织进行身份鉴别的一种生物识别技术。该技术与其他应用的生物识别技术比较，虹膜识别技术具有准确性高、安全性好、活体检测、应用方便等特点，形成非常高的综合安全性能优势。

1虹膜识别技术优点

归纳起来，虹膜识别技术有以下几个方面优点。

1.1唯一性

是指人体眼睛中每个虹膜组织形态和结构都不相同，在人体组织中虹膜组织形态完全相同的可能性远远低于其他，目前来讲在世界范围内独一无二。据有关资料介绍，英国剑桥大学John Daugman教授提出的虹膜相位特征证实了虹膜图像有244个独立的自由度，即平均每平方毫米的信息量是3.2比特。虹膜的纤维组织细节非常复杂，其结构复杂性远远高于人体其他组织结构数千倍，而且在胚胎发育阶段该虹膜的形成受局部的物理化学条件影响，决定了虹膜形成的随机性非常大，因而即使利用克隆技术也无法复制某个虹膜。也就是说外貌特征完全相同的同卵双胞胎的虹膜结构信息不同，其虹膜特征也不一样。对一个人来讲，左眼右眼的虹膜纹理都不会相互相同。有关资料显示虹膜相同的可能性，人体虹膜完全相同的可能性是1/1078，而目前的虹膜技术采用266个特征采样点，人体产生虹膜特征相同的可能性也只有1/1052，l/1052数量级对于身份识别技术应用来说已经非常满意了。具有极高的唯一性，两个人拥有同一虹膜的概率是10的78次方分之一，举一个例子，一年掉落到地球表面的雪花的总片数也只有10的23次方。与雪花片数相比这个概率是极其的低，因而就保证虹膜是唯一的，如果应用在身份生物识别方面，便成为这个人唯一的不可更改的身份标识。正是独一无二和不可改变特性，因而采稳定性用虹膜识别身份具有极高的安全性。

1.2稳定性

遗传基因决定人体虹膜组织的形成，也就是说虹膜组织的形态、皱纹、纹理、颜色和总的外观都是人体遗传基因决定的。虹膜的形成是在胎儿发育阶段，经过八个月左有时间就基本上发育成型和成熟，然后进入了相对稳定的时期。除非常罕见的不正常状况、身体或精神上极大的创伤可能造成虹膜特征的改变外，虹膜组织结构始终保持终生不会变化。也就是说，随着年龄的增长、环境变化、常见疾病所带来的影响，人体的体重增减、声音变化等都会有所变化，而虹膜组织却不会因此而发生任何变化，一生不会变化，非常稳定。

虹膜从胚胎期开始发育，到8个月主要纹理结构形成。由于角膜的保护作用，發育完全的虹膜不会受到外界的伤害，外界物理伤害导致的虹膜改变的可能性非常小。科学家发现，除非利用危及眼睛失明外科手术，虹膜结构特征几乎终生不变。由于虹膜是一个外部能够看到的内部器官，永远处于角膜的保护作用，发育完全的虹膜不易受到外界的伤害。人体发育成熟后，此后终身不变。不会由于一般性疾病对虹膜组织造成损伤，更不会因职业等因素造成磨损，因而发育完全的虹膜不易受到外界的伤害。也就是说，一个人从出生到死亡，虹膜受到角膜的保护始终保持不变。

另外而言，人体唯一一个外部能够看见的，但又属于内部器官组织是虹膜，位置处于角膜后面同时受其保护。如果要改变器官组织虹膜，就要冒着视力损伤的较大危险进行非常精细的外科手术。所以将虹膜特征识别有着更好的“长期安全性”。虹膜的形成由遗传基因决定，不会因为年龄的增长而变化，也不会由于环境因素的影响而改变，只会受到破坏性疾病和伤害而变化。人们对于眼睛的保护是非常谨慎和认真的，绝对不会轻易对眼睛进行任何破坏性活动，所以虹膜特征的稳定性相当高。因此，也就决定了虹膜识别从而也被认为是目前世界上仅次于DNA最安全的生物识别技术。

1.3特征点多

生物识别技术资料显示人体一个虹膜约有266个量化特征点，而其他的生物识别技术只有13个到60个量化特征点。266个量化特征点的虹膜识别算法在众多虹膜识别技术资料中都有讲述，在目前已有的虹膜识别技术算法和人类眼部特征允许的情况下，虹膜算法可获得173个二进制自由度的独立特征点。与其他生物识别技术特征点相比较，虹膜技术量化特征点的数量与其他识别技术量化特征点数量不在一个数量级上，差别相当大，相差一个数量级。从而就提高了虹膜识别技术安全性。

在眼睛结构图像中，巩膜在外，瞳膜在内，瞳孔和巩膜与虹膜邻近的，眼球球体形状形成巩膜区域、瞳膜区域与虹膜区域有着明显的灰度变化，并且虹膜区域与瞳膜和巩膜区域边界都近似于同心圆，故而虹膜区域很容易拟合分割和归一化。虹膜结构非常吻合具有平移、缩放和旋转不变性的模式表达方式。

1.4非接触式

距离一定间隔空间看着镜头即可获得虹膜数字图像，不需要用户身体直接接触图像设备，对人身没有任何侵犯，因而被用户容易接受。虹膜是一个外部能够看见的人体内部器官，不必与图像采集设备物理接触，也不需要与虹膜识别机器进行接触，就能获取合格的虹膜图像。识别过程只需要眼睛与机器保持一定距离的非接触式识别技术。识别方式相对于其他生物识别技术需要接触感知的生物特征一是更加干净卫生，二是不会污损成像装置而影响其他人的识别。三是不会留下生物残留，其生物特征也就难以被复制，进一步提高可靠性。

常见的指纹识别技术，是一种接触式识别技术，对手指指纹表面的清洁度和干燥度要求很高，手指任何脏物、湿润、油渍等都将可能造成机器识别出错。进行指纹识别验证时，手指捺印角度不同、力度大小不同等因素都会造成识别出现错误。另外，指纹识别采集时，被检测者的指纹痕迹都会在指纹采集器上遗留，这样用户的指纹就有被复制的可能，识别安全性降低许多。

在特定场景下应用更为方便。比如在双手沾有污物或双手占用进行识别检测操作时，虹膜识别只需要看一看检测镜头就完成图像采集显然比需要其他物理接触识别方法更方便。

虹膜识别图像采集和识别使用的是特定波长红外线光波，光照强度跟自然光相差不多，对眼睛伤害可以忽略不计。而且红外线辐射，对人体的伤害小到比打一分钟电话还少。

1.5活体信息

虹膜组织生物活性极其强大。例如，光线明暗变化，瞳孔的大小也随着变化;并有一个不断调节过程和可达每秒十余次的缩放;瞳孔会随着光线收缩或扩张并牵动虹膜的扩张或收缩，一般情况下很难被盗取，使其具有天然的防伪性。人体死亡、昏迷不醒、眼球组织脱离眼睛时，完全收缩虹膜组织，产生虹膜消失现象。虹膜生物活性与人体生命活性共生共亡，故利用照片、录像、尸体的虹膜代替活体的虹膜图像都不可能产生相同的虹膜代码，进一步增强了生理组织的真实性。

虹膜是不可被复制的，而且当一个人死亡后，瞳孔会白然放大，从而造成虹膜消失，也不可能产生虹膜图像;当眼球被剥离人体后，虹膜同样会随瞳孔放大失去活性，所以只有活体才能有虹膜。由于只有活人人体才有虹膜，因而利用照片或者视频上的虹膜图片都不能复制成代码的，照片和视频图像的虹膜也就不能被识别。因此，虹膜识别的安全性更高。由于虹膜具有天然生物活性特征，虹膜识别技术活性特征也就决定它是新世纪最具有发展前途的生物识别技术，未来的安全防务、国防、电子商务等多种领域的应用，必将会成为以应用虹膜识别技术为重点。

既不可能在对视力无严重影响的情况下利用外科手术改变虹膜特征，也不可能将一个人体的虹膜组织特征改变得到和某一个特定对象人的虹膜特征相同，更不可能利用照片、录像、尸体的虹膜图像代替活体的虹膜图像，这就是虹膜不可复制性。

1.6性能指标

在人体生物特征识别领域十分重要的指标是认假率，认假率的数值越低，就是说识别时出错的概率越小，也就表示识别性能越好。一般情况下虹膜识别的认假率为1/1500000，与指纹识别，人脸识别等技术相比较其认假率远远低于其他识别技术。因此生物识别技术方面专家认为，虹膜识别准确度是在生物识别技术中仅次于DNA识别，而高于其他生物识别技术。

根据富士通方面的虹膜识别数据显示，其错误识别率可达1/1500000，其准确率是当前指纹准确率的三十倍，加之又是非接触式的识别方式，非常方便高效。综合安全性能上占据绝对优势，其误识率（FAR，把假的认成真的概率）约为千万分之一，拒识率（FRR把真的当作假的概率）约为千分之一。

根据英国国家物理实验室的测试结果显示：在目前实际应用的生物识别技术中，错误率最低的识别技术是虹膜识别技术。

2虹膜识别技术的缺点分析

2.1市场规模比较小

从全球生物识别市场占有率的调查数据来看，占有率第一是指纹识别，市场占有率为58%;占有率第二是人脸识别，市场占有率为18%，虹膜识别紧随人脸识别，市场占有率份额为7%。而技术准确性比较高的虹膜技术，由于应用技术开发较晚，实际应用速度较慢使其目前来看整体市场体量还是较小，未能形成规模化应用，究其原因主要有以下几点。

（1）虹膜图像采集成本昂贵。相比人脸识别时只需要借助现存普通摄像机即可完成图像采集，而虹膜采集需要专门的图像采集摄像机完成。实际虹膜识别系统应用中的主要技术问题就是获取高质量的虹膜图像需要用户高度配合的要求和虹膜采集设备性能要求，图像采集设备成本也比较高。从而导致当前虹膜设备成本仍比较昂贵。

当前，国外相关虹膜识别设备均价在30万元以上，而国内相关虹膜识别机器批量售价接近万元。虹膜设备硬件部分仍需要很长时间解决造价成本，由此看来虹膜技术要规模化应用仍需很长时间。

目前，在虹膜识别技术应用企业中，国内有五六家做虹膜识别技术设备的厂家，基本都是做近距离识别设备;国外有三四家做虹膜技术的厂家，专做算法，不做设备。从目前了解情况来计算，国内国外虹膜识别技术厂家总数大概不会超过20家。国内公司中，大部分虹膜识别技术企业，基本上主要都是近距离虹膜识别技术，而要进入到远距离虹膜识别技术层次更是不容易，投入成本和代价都将非常高，导致设备成本居高不下。

从软件方面，为了提高采集图像质量问题，又需要采用高分辨率技术及图像处理新技术来解决问题，还要通过各种各样的方式提醒用户配合图像采集;这样解决了采集图像质量问题，但也进一步增加了设备费用。在进一步要求应用环境中的安全等级提高，增加虹膜图像的活体检测和防止虹膜图像盗用;对于虹膜图像的数据格式，数据接口要有统一的标准，加强数据共享，方便人员之间的交流及虹膜识别产品的评测，这些需要进一步完善虹膜识别技术的标准化。

对用户虹膜图像采集时的配合要求较高，例如对图像采集距离的要求。目前国内最常用的技术水平可达到的范围是40CM-60CM，有资料显示国内最先进技术水平可以达到120cm，随着技术进一步发展，未来采集距离将会随着技术发展而逐渐扩大。同时，不同配置的镜头也会影响采集距离，同时不同配置的摄像鏡头也会影响成像的结果。由于应用需求不同、应用场景不同，对镜头配置的要求也会不同。目前，采集的距离还无法做到更远，所以无法应用到那种远距离大场景监控领域识别，而是应用在一般近距离识别通道。

（2）虹膜对环境的要求比较多，如虹膜对环境的光线要求比较多，光线亮度太亮或者太暗容易影响图像质量，导致虹膜设备在室外的识别效果相对会差一些。

2.2目前虹膜识别距离较近适应不了远距离方面应用

据有关资料介绍，目前人脸识别距离可以达到十米以外的区域，而虹膜识别现在识别距离大部分处在40Cm-60cm的识别范围，最远距离大约是120cm。从识别距离来衡量，虹膜识别距离较近而无法实现远距离范围监控领域的应用。

虹膜识别技术发展方向需要进一步解决识别距离关键技术难题，虹膜识别能够远距离实现识别，也可利用人工智能技术自动跟踪检测，达到自动、快速识别虹膜的无感识别;同时还要在较远距离大范围的情况下仍然能精准定位，并且识别距离将会随着识别距离扩大要求而逐渐扩大。

2.3虹膜识别技术应用中的安全隐患

虹膜识别技术的最大优点是唯一性和稳定性，且由于最大优点具有终身不变的特性，也就是说生物特征一旦丢失，就预示着永久地丢失，无法重新修补来弥补损失。这就是虹膜识别技术存在的最大缺点-安全性隐患，也正是安全性隐患严重牵制着基于虹膜识别技术应用进一步发展。目前应用虹膜技术过程中，造成安全性隐患主要表现在虹膜应用技术中图像的泄露和利用虹膜特征模板进行图像复原两个方面，具体表现如下。

（1）虹膜应用技术中图像的泄露，虹膜技术中图像采集、传输、存储、鉴别等四个应用环节，哪一个环节都离不开图像，而图像又是最重要的个人隐私数据。所以来讲四个环节中的不管哪个环节出现问题都可能引起图像数据隐私泄露。如果一旦发生图像数据隐私泄露，肯定会产生严重的、无法弥补的损失和不可预测的负面社会影响，就是存在的图像泄露安全隐患。

（2）利用虹膜特征模板进行图像复原：虹膜代码既能进行身份识别，也能进行逆向算法运算还原成虹膜图像，即就是还原成的图像不一定与原始图像完全相吻合，但也包含较大部分生物特征，利用这些生物特征照样可以应用于虹膜识别及进行虹膜算法，就是存在的图像复原安全隐患。

参考文献：

[1]白涛.虹膜识别预处理和特征识别算法研究[D].长春：吉林大学.2009.

[2]陈柳巍.基于虹膜识别技术的应用研究[J].电脑知识与技术，2009，5（21）：5749-5750.

[3]张如彩，赵士伟，王月明.虹膜识别在监所安全管理中的应用研究[J].中国安防，2014（11）：54-58.

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