生物特征识别是目前最为便捷、安全的身份识别技术，无需携带任何证件、无需记住任何密码，是一种方便、快捷、可靠的身份识别方法。生物特征识别是通过人体固有的生理或行为特征来识别人身份的技术。常见的生物特征包括指纹、掌纹、虹膜、视网膜、脸型、声音、笔迹、DNA、人体气味等。其中虹膜识别是个人身份识别的重要手段。

虹膜识别技术是一种我们既熟悉又陌生，非常科幻神秘但又比较常见的感知识别技术，我们在科幻作品中经常看到，甚至在日常生活中也有可能碰到。虹膜识别技术被誉为最准确、最不可伪造的感知识别技术，更增添了它的神秘感。

那么虹膜识别技术到底是什么呢？在感知技术中我们已经非常熟悉条码、二维码识别技术了。其实虹膜识别技术是条码、二维码识别技术的超级版本，唯一的区别在于它识别的是人体虹膜中隐藏的丰富信息，而不是条码、二维码所蕴含的信息，而且其优异的特性也是条码、二维码所无法比拟的。

虹膜是什么？

人眼的外观由巩膜、虹膜、瞳孔三部分组成。巩膜是眼球的白色部分，眼睛的中央是瞳孔，虹膜位于巩膜和瞳孔之间，包含着最丰富的纹理信息。从外观上看，虹膜由许多腺窝、皱纹、色素斑等组成，是人体最独特的结构之一。

脊椎动物眼球角膜与晶状体之间的球形有色膜。是血管膜的一部分，瞳孔位于其中央。虹膜前部被覆一层内皮；中层为疏松结缔组织，富含血管和色素细胞。色素的多少可使虹膜呈现​​不同的颜色，无色素时为蓝色，色素由少到多时，虹膜可呈现灰色、褐色、棕黑色；虹膜后部衬有两层色素上皮，内层上皮分化为平滑肌。从内向外呈放射状排列的肌纤维称为瞳孔扩张肌，由交感神经支配，负责瞳孔扩张；围绕瞳孔边缘呈环状排列的称为瞳孔括约肌，由副交感神经支配，负责瞳孔收缩。

1. 肢体 2. 前房 3. 晶状体 4. 瞳孔 5. 角膜 6. 虹膜 7. 前房角 8. 巩膜 9. 结膜 10. 睫状体 11. 后房 12. 悬韧带 13. 骶缘 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

虹膜的特征

独特性

每个人的虹膜所蕴含的信息都是不同的，出现形态完全相同的虹膜组织的可能性远低于其他组织。英国剑桥大学John教授提出的虹膜相位特征证实，虹膜图像具有244个独立的自由度，即每平方毫米平均信息量为3.2bit。虹膜的纤维组织细节复杂而丰富，其形成与胚胎发生阶段组织局部的物理化学条件有关，具有很大的随机性，即便是克隆技术也无法复制出某一只虹膜。同卵双胞胎的虹膜纹理信息是不同的，同一个人的左右眼虹膜纹理会互相无法识别。英国国家物理实验室的测试结果表明，虹膜识别是各类生物特征识别方法中错误率最低的。

稳定

虹膜在胚胎时期第三个月开始发育，到第八个月时虹膜的主要纹理结构已形成。除非接受危及眼睛健康的手术，否则其终生几乎不会改变。由于角膜的保护作用，发育完全的虹膜不易受到外界的损伤。

防伪

虹膜是人眼的可见部分，受巩膜保护，具有极强的生物活性。如瞳孔大小随光线强弱而变化；看物体时有无意识的调节过程；瞳孔有无意识的扩张、收缩，最高达每秒十次；当人脑死亡、深度昏迷，或眼球组织与人体分离时，虹膜组织会完全收缩，出现瞳孔散大等现象。这些生物活动与人的生命现象同时存在，相互共存、共生。因此，不可能用照片、视频，或尸体的虹膜来代替活人的虹膜图像，从而保证了生理组织的真实性。

非接触式

虹膜是外部可见的内脏器官，无需与采集设备近距离接触即可​​获得合格的虹膜图像，识别方式比指纹、手形等需要接触感知的生物特征更加干净卫生，不会弄脏成像设备，影响他人识别。

轻松信号处理

在眼部图像中，与虹膜相邻的区域为瞳孔和巩膜，其与虹膜区域灰度变化明显，且区域边界接近圆形，因此虹膜区域易于拟合、分割和归一化，虹膜结构有利于实现对平移、缩放、旋转不变的模式表达方法。

唯一性、稳定性、防伪性都是其他感知识别技术包括二维码、RFID等无法比拟的。另外虹膜是唯一可以从外部直接观察到的人体内部组织，蕴含着丰富的信息。虹膜识别已经成为非常重要的感知识别技术，尤其适用于保密性要求高的环境。

虹膜识别技术的起源

1885年，利用生物特征识别个人的理念在巴黎刑事监狱得到应用，当时使用的生物特征包括：耳朵大小、脚长、虹膜等。

1987年，眼科医生ARAN等首次提出了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实现了自动虹膜识别系统。

1993年实现了高性能的自动虹膜识别原型系统，现今大多数自动虹膜识别系统都采用了该核心算法。

2000年以前，我国在虹膜识别方面没有自己的核心知识产权。中国科学院自动化研究所在多年研究的基础上，于2000年初开发出了虹膜识别核心算法，成为世界上少数掌握虹膜识别核心算法的单位之一。

虹膜识别技术原理

虹膜识别是通过比较虹膜图像特征之间的相似性来确定人的身份。其核心是利用模式识别、图像处理等方法对人眼的虹膜特征进行描述和匹配，从而实现个人身份的自动认证。虹膜识别的主要步骤包括虹膜图像采集、预处理、特征提取与编码、分类。

虹膜图像采集

虹膜图像采集是指利用特定的数字摄像设备对人的整个眼睛进行拍摄，并通过图像采集卡将拍摄到的图像传输到计算机中存储。虹膜图像的采集是虹膜识别的第一步，也是比较困难的一步，需要综合应用光学、机电技术。由于人的眼睛面积较小，如果要满足识别算法对图像分辨率的要求，就必须提高光学系统的放大倍数，导致虹膜成像的景深较小。因此，现有的虹膜识别系统需要用户在合适的位置停留并注视镜头（停下）。另外，东方人的虹膜颜色较深，用普通的相机无法拍摄到可识别的虹膜图像。与面部特征、步态等生物特征的图像采集不同，虹膜图像的采集需要合理设计的光学系统以及配置必要的光源和电子控制单元。

由于自主研发虹膜图像采集设备技术门槛较高，限制了我国虹膜识别研究的发展。1999年，中国科学院自动化研究所开发出我国第一台具有自主知识产权的虹膜图像采集系统，其特点是体积小、灵活、成本低、图像清晰。经过不断的升级，自动化研究所最新研发的虹膜成像仪已经可以通过语音提示、主动视觉反馈等技术，在20-30cm的距离内采集到合格的虹膜图像。

图像预处理

图像预处理是指由于采集到的眼睛图像含有大量冗余信息，在清晰度方面不能满足要求，所以需要进行预处理，包括图像平滑、边缘检测、图像分离等。

虹膜图像预处理过程通常包括虹膜定位、虹膜图像规范化、图像增强三部分。

虹膜定位

一般认为，虹膜的内外边界可以用圆来近似拟合，内圆表示虹膜与瞳孔的边界，外圆表示虹膜与巩膜的边界，但这两个圆并不是同心圆。通常，虹膜靠近上下眼睑的部分总是被眼睑遮挡，因此还必须检测虹膜与上下眼睑的边界，才能准确确定虹膜的有效面积。虹膜与上下眼睑的边界可以用二次曲线表示，虹膜定位的目的就是确定这些圆和二次曲线在图像中的位置。常见的定位方法大致可以分为两类：一类是边缘检测与变换相结合的方法；另一类是基于边缘搜索的方法。 这两种方法的共同缺点就是运算时间较长，因此出现了一些基于以上两种策略的改进方法，但速度并没有提高一个数量级，定位依然是虹膜识别过程中运算时间最长的步骤之一。

虹膜图像规范化

虹膜图像归一化的目的是将虹膜的尺寸调整为一个固定的尺寸。目前为止，虹膜纹理随光照变化的数学模型尚无准确描述，因此从事虹膜识别的研究人员主要采用映射的方法对虹膜图像进行归一化。如果能建立虹膜纹理随光照强度变化过程的数学模型或近似模拟这一过程，将对提高虹膜识别系统的性能有很大的帮助。

图像增强

图像增强的目的是为了解决人眼光照不均匀导致归一化图像对比度低的问题，为了提高识别率，需要对归一化图像进行增强。

特征提取

特征提取是指通过一定的算法从分离出来的虹膜图像中提取独特的特征点，并对其进行编码。

目前主流的虹膜特征提取及识别方法大致可以分为八类。

首先，基于图像的方法将虹膜图像视为二维数值场，像素灰度值构成联合分布，通过图像矩阵间的相关性来衡量相似度。

第二种是基于相位的方法，该方法认为图像中的重要细节，如点、线、边缘等“事件”的位置信息大多包含在相位中，因此在特征提取时丢弃反映光强度和对比度的幅度信息。

第三，基于奇异点法，虹膜图像中存在两类奇异点：零交叉点和极值点。

第四，基于多通道纹理滤波统计特征的方法，可以将虹膜图像看作二维纹理，在频域上不同尺度、不同方向上都会存在高度可区分的统计特征可供识别，这也是纹理分析中常用的方法。

第五，基于频域分解系数法，可以将图像看作是由许多不同频率、不同方向的基所构成，通过分析各基的图像投影值的大小分布，可以深刻地了解图像中的规律信息。

第六，该方法基于虹膜信号的形状特征，虹膜信号的形状特征包括两方面的信息：虹膜凸凹表面的二维形状信息和沿虹膜圆周的一维形状信息。

第七，基于方向特征的方法，方向（）或方位（）是一个相对值，对光照、对比度的变化具有更强的鲁棒性，可以描述局部灰度特征，是比较适合表达虹膜图像特征的形式。

第八，基于子空间的方法需要在较大的训练数据集上按照定义的最优准则寻找若干个最优基，然后利用原图像在最优基上的投影系数作为图像特征进行降维。

特征匹配

特征匹配是指根据当前采集的虹膜图像进行特征提取得到的特征码与之前存储在数据库中的虹膜图像特征码进行对比验证，达到识别的目的。

虹膜识别技术的主要体系

目前，影响较大的虹膜识别系统有美国虹膜系统、美国虹膜系统、美国虹膜系统、中国科学院虹膜系统等。

系统

目前国际上很多虹膜识别产品都是采用英国剑桥大学博士提出的虹膜识别算法，该算法利用积分微分算子（-）检测虹膜的内外圆边界：

滤波后提取相位信息并量化为虹膜二进制码，共2048位，以两幅虹膜图像二进制码之间的归一化汉明距离作为相似度度量，对虹膜进行比较识别。

此外，本系统还采用了一种比较简单直观的方法来解决虹膜纹理旋转的问题。原始虹膜纹理的旋转对应着规范化的左右平移，因此将虹膜编码用较少的位数进行左右平移，然后分别进行比较，找到最小的汉明距离作为两个虹膜之间的相似度度量。

系统

该系统与采用不同识别流程的其他系统进行了比较，首先利用扩展变换检测虹膜的内圆和外圆，为了克服虹膜的平移、缩放和旋转问题，采用图像配准的方法代替将其归一化为均匀的矩形区域。

他认为仅使用 2048 位代码来表示虹膜的纹理特征可能包含的信息太少，因此他的系统中的数据量很大。他建议使用各向同性的高斯-拉普拉斯滤波器：

对图像进行不同分辨率滤波后，依次进行1/2采样，得到不同尺度的数据，形成4层金字塔结构，作为虹膜识别的特征，最后利用分类器进行分类。

系统

虹膜特征用小波变换的零点和两个连续零点之间的小波变换的积分平均值来表示。在对虹膜纹理图像进行编码之前，先沿以虹膜中心为中心的同心圆对虹膜图像进行采样，将二维的虹膜图像转化为一维信号，然后利用特定的小波函数对其进行变换。这里，“特定”的小波函数定义为光滑函数的二阶导数，即小波母函数定义为：

中国科学院虹膜系统

中国科学院的马力、谭天牛等人在其系统中不仅提出利用傅里叶变换来评价虹膜图像的质量，而且利用该滤波器对基于特征提取的滤波器的调制函数进行改进，使其具有圆对称性，表达式如下：

然后将滤波后的图像进行分块，提取各块的均值和方差，形成虹膜的特征向量；最后利用线性准则对特征向量进行降维，并基于最近邻分类器进行特征匹配。与其他两种经典方法以及该方法相比，该方法也能取得更好的识别效果。

虹膜识别技术的应用领域

电力/核电站/军事领域

为提高变电站网络化、智能化、信息化水平，增强管理效率和安全性，采用国际先进的虹膜识别技术，结合计算机网络在数据采集、数据通讯、数据检索、系统控制等方面的优势，实现主要通道（出入口）的门禁管理和工作人员的人员考勤管理。并根据变电站设备现状，可改造为虹膜身份认证的防误闭锁系统，大大提高运行的安全性。

工矿企业/企事业单位

矿用虹膜考勤系统是煤矿安全生产管理的重要组成部分，使企业管理者能够及时了解井下生产状况和人员构成情况，有效改进安全生产管理和劳动组织方式，是提高安全生产效率的重要手段。市场上常见的考勤机都是通过磁卡、IC卡、射频卡等技术实现的，无法解决替身问题，而指纹等生物识别技术由于识别精度不够、不能适应井下恶劣环境、设备维护困难等原因，无法满足需要。虹膜识别考勤系统可以从根本上杜绝考勤时的替身现象，其安全性高、识别迅速、矿井独有的易用性是其他生物识别系统无法比拟的。

监狱/看守所/反恐/公安领域

监狱：缓冲区门禁：在门禁点进行虹膜认证以确认身份。

流动人员管理：对来访人员进行虹膜扫描，并在来访后进行虹膜识别，判断进出人员是否为同一个人。

公安刑事侦查：准确识别犯罪嫌疑人；快速确认罪犯身份；核实死刑犯身份等。

公安出入境管理：身份证/护照：可通过虹膜进行身份识别。

道路巡逻系统：检查可疑人员

反恐：可采集虹膜信息，与反恐信息进行比对，进行身份识别。

新型农村合作医疗/城乡居民养老保险/医疗卫生/疾病控制/违禁药品/病毒实验室领域

社保社会化后，由于单位迁址、变更、关闭等原因，参保人员流动性大、分散性强，因此确定参保人员居住状况一直是社保缴费理赔中的难题，而利用生物识别技术进行身份认证是解决这一问题的唯一途径。

可以利用的生物识别技术有很多，比如指纹、掌纹、声纹、虹膜、人脸、耳形、体味、DNA（人体细胞遗传基因）等。生物特征具有客观唯一性，人与人之间有差异，终生不变，不可复制。

对比各种生物识别技术，从技术成熟度和易用性来看，虹膜自动识别技术是目前比较推荐的，它特别适合社保系统的使用要求，也是最安全、最准确的生物识别技术。

新型农村合作医疗：办理新型农村合作医疗时会进行虹膜采集，之后每次办理虹膜验证，通过验证后方可办理相关业务。

金融/银行/税务

随着金融行业的不断发展，金融市场竞争日趋激烈，银行的管理日趋规范，安全问题成为重中之重，虹膜识别产品在银行业的应用是必然趋势。

银行金库门禁：可保存有权限进入金库的人员虹膜信息，每次进入金库均需进行虹膜验证，通过验证的人员方可进入。还可设置多人验证、远程验证，加强银行金库的安全管理。

运钞车管理：对运钞车涉及人员的虹膜信息进行采集保存，执勤时进行虹膜验证。同时还可以设置开启钱箱的权限，只有授权人员才可以开启钱箱，有效保证了资金安全。

信贷人员身份验证：每个借款人都会先进行虹膜验证，如果此人的虹膜信息存在，则表示此人已经借款，可以停止借贷；如果此人的虹膜信息不存在，则会进行保存，防止再次借贷，有效防止资金流失。

民航/机场/海关/港区

虹膜识别系统在国内外许多领域发挥着越来越重要的作用，如机场、港口的生物特征通关自动系统和检测系统，警方使用的身份检测移动设备等。虹膜身份识别系统可以在重点防范区域、通道、口岸等需要的地方使用，对经过身份验证的人员赋予不同的权限，系统会自动采取措施对试图在安全空间内强行通过的未经身份验证的人员进行封堵。自动快速通关是虹膜识别的典型应用，它的应用不仅增加了机场的安全保障水平，缓解了客流压力，还为机场带来了经济效益。在公共安全已成为热点问题的今天，虹膜识别技术在国内机场的应用必将成为一种发展趋势，就像在国际上一样。

源传感器技术

-结尾-

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