李 瑾， 李勝廣，3， 周千里

(1.公安部第一研究所， 北京 100048; 2.北京市公安局， 北京 100740;3.警務(wù)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)公安部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100048)

0 引言

當(dāng)前，公安機(jī)關(guān)在反恐維穩(wěn)、群體性事件處置、涉訪處置、刑事犯罪嫌疑人辨識、旅客盤查等業(yè)務(wù)進(jìn)行過程中，被檢查人身份信息的快速識別與核實(shí)一直是公安機(jī)關(guān)的重點(diǎn)工作。公安機(jī)關(guān)依靠居民身份證、指紋、人臉可解決大部分人員身份核查問題。但依然有部分人員為逃避檢查不帶身份證，或者人臉難以區(qū)分身份等問題，DNA核查需要更嚴(yán)格的應(yīng)用條件，公安機(jī)關(guān)急需一種人員快速、精準(zhǔn)識別的方法，基于此需求，虹膜成為繼指紋、人臉后第三種可見的生物特征，成為識別應(yīng)用研究的熱點(diǎn)。

人的眼睛外觀由鞏膜、虹膜和瞳孔3部分構(gòu)成，見圖1。虹膜是位于鞏膜和瞳孔之間的環(huán)形區(qū)域，約占眼睛總面積的65%，包括凹點(diǎn)、放射紋、色素點(diǎn)和其他斑點(diǎn)等豐富的紋理信息。并且自8個(gè)月年齡開始，虹膜信息趨于穩(wěn)定，終身不再變化。

圖1 虹膜區(qū)域示意圖

1 虹膜識別規(guī)?；瘧?yīng)用

虹膜識別技術(shù)最早在1987年由眼科專家FLOM和SAFIR提出并申請了相關(guān)核心專利，2005年FLOM和SAFIR的專利到期后，國內(nèi)外虹膜識別技術(shù)迅速發(fā)展起來。目前國內(nèi)虹膜識別設(shè)備主要在近紅外光(波長約為850 nm)下采集虹膜圖像，應(yīng)用距離多在60 cm以內(nèi)，景深可達(dá)5～15 cm，對用戶配合度要求較低；也有應(yīng)用距離在60～150 cm范圍的虹膜識別設(shè)備，但對用戶配合度要求較高，成本也較高；應(yīng)用距離在150 cm以上的虹膜識別設(shè)備尚處于實(shí)驗(yàn)室研究階段?？梢哉f目前的采集識別技術(shù)和設(shè)備都已經(jīng)非常成熟，為公安虹膜識別規(guī)?；瘧?yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)和設(shè)備基礎(chǔ)。

但目前虹膜識別僅僅在部分警種進(jìn)行著局部應(yīng)用，難以實(shí)現(xiàn)如同指紋、人臉一樣的規(guī)模化應(yīng)用，主要原因有：

(1)目前沒有虹膜識別的統(tǒng)一服務(wù)平臺；

(2)目前沒有全國統(tǒng)一的虹膜原始圖像庫；

(3)大規(guī)模應(yīng)用還缺少相關(guān)的建庫、安全等標(biāo)準(zhǔn)。

虹膜規(guī)?；瘧?yīng)用架構(gòu)圖見圖2，包括分布到各應(yīng)用的前端采集設(shè)備、虹膜識別統(tǒng)一服務(wù)平臺、虹膜數(shù)據(jù)庫和各種具體落地應(yīng)用。

圖2 虹膜規(guī)?；瘧?yīng)用架構(gòu)圖

虹膜規(guī)?；瘧?yīng)用的步驟：首先，建設(shè)虹膜識別統(tǒng)一服務(wù)云平臺，并支持多種識別算法引擎，為全警種提供服務(wù)。其次，建立全國統(tǒng)一的虹膜原始圖像數(shù)據(jù)庫，依據(jù)圖像質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)各地采集到圖像經(jīng)檢查合格后入庫。最后，在重點(diǎn)場所建立試點(diǎn)，加快面向公共安全應(yīng)用的產(chǎn)品定制和應(yīng)用推廣，結(jié)合公安部門的應(yīng)用需求，及時(shí)開展規(guī)?；瘧?yīng)用，為反恐和社會治安發(fā)揮重要作用。

2 統(tǒng)一服務(wù)平臺

虹膜統(tǒng)一服務(wù)平臺定位為運(yùn)行在公安信息網(wǎng)內(nèi)的高性能身份鑒別平臺，以虹膜識別技術(shù)為核心，以公安內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)和Internet網(wǎng)絡(luò)為信息交換平臺，中心數(shù)據(jù)倉庫和分布式數(shù)據(jù)庫相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)身份認(rèn)證。架構(gòu)如圖3所示，分成服務(wù)器端、Client端和瀏覽器端3部分功能模塊。

服務(wù)器端完成的工作：前端上傳的虹膜圖像入庫；虹膜特征點(diǎn)提取并生成模板數(shù)據(jù)；提供各數(shù)據(jù)庫之間、數(shù)據(jù)庫與便攜式虹膜識別設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸、交換協(xié)議；虹膜設(shè)備、用戶的身份授權(quán)等。

Client端完成虹膜檢測、分割、歸一化和虹膜特征提取等處理工作。虹膜檢測是指檢測當(dāng)前輸入圖像中是否含有虹膜，以及虹膜在圖像中的位置和大小。虹膜圖像分割是指定位虹膜的內(nèi)外邊界并檢測可能的遮擋物，排除瞳孔、鞏膜、眼皮、睫毛、光斑等非虹膜紋理圖像區(qū)域?qū)缒ぬ卣魈崛〉挠绊?。虹膜圖像歸一化則是指將不同的虹膜圖像從直角坐標(biāo)系映射到極坐標(biāo)系下固定大小的矩形中，消除虹膜大小和形變對識別性能的影響。從歸一化后的虹膜圖像中抽取魯棒的個(gè)性化信息，并且用計(jì)算機(jī)能夠存儲和讀取的格式進(jìn)行編碼形成虹膜模板。

瀏覽器端主要用于人機(jī)界面，完成數(shù)據(jù)展示、維護(hù)管理、超級用戶管理等功能。

3 虹膜建庫

虹膜建庫是公安虹膜識別規(guī)?；瘧?yīng)用的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，目標(biāo)是為各級公安機(jī)關(guān)提供虹膜身份核驗(yàn)的統(tǒng)一出入口。前端采集到各類人員的虹膜數(shù)據(jù)按照標(biāo)準(zhǔn)圖像格式存儲入庫，并附加虹膜算法廠商標(biāo)識和虹膜特征模板，這樣既兼顧不同識別設(shè)備的互用性，也兼顧到虹膜識別應(yīng)用的效率。統(tǒng)一服務(wù)為后續(xù)各類規(guī)?；瘧?yīng)用提供統(tǒng)一出口。虹膜建庫包括以下幾個(gè)環(huán)節(jié)。

圖3 虹膜統(tǒng)一服務(wù)平臺系統(tǒng)架構(gòu)圖

(1)重點(diǎn)人員虹膜數(shù)據(jù)庫：建立全國的中心虹膜數(shù)據(jù)庫，在中心庫中按照各地市單位可以建立二級庫。并按照個(gè)人的身份信息對虹膜數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的分類管理。分類包括個(gè)人基本信息以及個(gè)人歷史紀(jì)錄等各種信息。同時(shí)，考慮到虹膜識別與人臉識別的互補(bǔ)性與緊密關(guān)聯(lián)性。在虹膜識別庫建庫時(shí)預(yù)留下人臉建庫的接口與空間。數(shù)據(jù)庫建成后，在全國范圍內(nèi)形成有效的犯罪嫌疑人檢索、查詢系統(tǒng)，有效杜絕嫌疑人假冒身份的現(xiàn)象。

(2)數(shù)據(jù)庫采集范圍：各地公安局、分局、派出所、監(jiān)獄等公安特殊區(qū)域的犯罪嫌疑人。

(3)虹膜采集：采用固定式/便攜式虹膜識別設(shè)備固定場所或者現(xiàn)場采集。并通過虹膜圖像質(zhì)量評估模塊，對不同采集設(shè)備捕獲的靜態(tài)虹膜圖像質(zhì)量進(jìn)行把關(guān)，保證入庫圖像的質(zhì)量。

(4)傳輸方式：通過公安信息網(wǎng)/互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)/便攜式存儲媒介，按照安全模式，傳輸、傳送圖像特征到中心數(shù)據(jù)庫。

4 圖像質(zhì)量

虹膜圖像質(zhì)量評價(jià)技術(shù)和系統(tǒng)在整個(gè)虹膜識別應(yīng)用系統(tǒng)中是入庫虹膜圖像質(zhì)量的重要把控點(diǎn)，但虹膜圖像質(zhì)量的最終提高和應(yīng)用系統(tǒng)性能的提高不僅僅與質(zhì)量評價(jià)相關(guān)，還與虹膜圖像的采集過程及數(shù)據(jù)庫的建設(shè)密切相關(guān)。建庫用虹膜圖像質(zhì)量評價(jià)算法與傳統(tǒng)的虹膜圖像質(zhì)量算法不同。通常，虹膜采集設(shè)備中的質(zhì)量評價(jià)算法面向一個(gè)虹膜圖像序列，并且與自身的識別算法密切相關(guān)。而建庫用虹膜圖像質(zhì)量評價(jià)算法旨在保障入庫虹膜圖像的質(zhì)量，面向不同的虹膜采集設(shè)備獲得的靜態(tài)虹膜圖像，并且數(shù)據(jù)量巨大。

虹膜圖像質(zhì)量與虹膜識別性能密切相關(guān)，NIST組織的IQCE測試表明，應(yīng)用圖像質(zhì)量在前15%的虹膜圖像進(jìn)行識別比圖像質(zhì)量在后15%的虹膜圖像，識別性能能夠高出10倍。因而，在建立虹膜圖像數(shù)據(jù)庫時(shí)，保證入庫圖像的質(zhì)量，對于后續(xù)的識別應(yīng)用具有非常關(guān)鍵的作用。見圖4。

影響虹膜識別性能的質(zhì)量因素有多種，包括虹膜圖像分辨率、瞳孔面積、眼瞼遮擋、散焦模糊、運(yùn)動模糊、光照、光斑等。如何檢測這些質(zhì)量因素，并根據(jù)各分量因素建立統(tǒng)一的質(zhì)量分?jǐn)?shù)是本課題需要重點(diǎn)攻關(guān)的一項(xiàng)研究內(nèi)容。

依據(jù)《GAT1429—2017安防虹膜識別應(yīng)用圖像技術(shù)要求》中規(guī)定的全部虹膜圖像量化指標(biāo)及其限制計(jì)算所得。其中，全部虹膜圖像量化指標(biāo)共10個(gè)，包括圖像格式、灰度等級、灰度等級利用率、虹膜半徑、虹膜采樣分辨率、瞳孔伸縮率、虹膜與鞏膜對比度、虹膜與瞳膜對比度、有效區(qū)域占比和邊界裕量。

這10個(gè)量化指標(biāo)具體描述如圖5所示。

圖5 虹膜圖像量化指標(biāo)

①圖像格式:虹膜圖像格式應(yīng)為RAW、BMP、JPEG、JPEG2000和PNG中的任意一種。

②灰度等級:虹膜圖像應(yīng)為灰度圖像，0表示純黑。每個(gè)像素點(diǎn)位深度應(yīng)不小于8位，即圖像中每個(gè)像素點(diǎn)灰度量化級應(yīng)不小于256級。

③灰度等級利用率:使用圖像灰度直方圖的信息熵來衡量灰度等級利用率，單位為比特。虹膜圖像的灰度等級利用率應(yīng)不小于6比特,圖像灰度直方圖分布越均勻，圖像富含的信息量越高，灰度等級利用率越高。按公式(1)計(jì)算灰度等級利用率：

(1)

公式(1)中：gu為灰度等級利用率；pi為圖像中灰度為i的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)除以圖像總的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)。

④虹膜半徑:虹膜半徑應(yīng)不小于80個(gè)像素。

⑤虹膜采樣分辨率：虹膜采樣分辨率應(yīng)不小于16 pixel/mm。

⑥瞳孔伸縮率：瞳孔伸縮率應(yīng)大于20%且小于70%。瞳孔半徑和虹膜半徑標(biāo)注見圖6。按公式(2)計(jì)算瞳孔伸縮率：

(2)

其中：Rpi為瞳孔伸縮率；rp為瞳孔半徑；ri為虹膜半徑。

圖6 瞳孔伸縮率和虹膜有效占比

⑦虹膜有效區(qū)域占比:虹膜外邊界的擬合圓到圖像上邊界、下邊界、左邊界和右邊界的距離應(yīng)分別大于0.2ri、0.2ri、0.6ri和0.6ri。

⑧虹膜與鞏膜對比度：虹膜與鞏膜對比度應(yīng)不小于5。

圖7中所標(biāo)識的區(qū)域?yàn)椋簠^(qū)域A是以虹膜中心為圓心、內(nèi)圓半徑等于1.1ri、外圓半徑等于1.2ri的環(huán)形區(qū)域。區(qū)域B是以虹膜中心為圓心、內(nèi)圓半徑等于(ri+rp)/2、外圓半徑等于0.9ri的環(huán)形區(qū)域。所標(biāo)識的區(qū)域?yàn)椋簠^(qū)域C是以瞳孔中心為圓心、半徑等于0.8rp的圓形區(qū)域。區(qū)域D是以瞳孔中心為圓心、內(nèi)圓半徑等于1.1rp、外圓半徑等于(ri+rp)/2的環(huán)形區(qū)域。

圖7 虹膜與鞏膜對比度

按公式(3)計(jì)算虹膜與鞏膜對比度：

(3)

式中：ctis為虹膜與鞏膜對比度；vs為區(qū)域A內(nèi)未被眼皮、睫毛和光斑等非虹膜物體遮擋的像素點(diǎn)灰度中值；via為區(qū)域B內(nèi)未被眼皮、睫毛和光斑等非虹膜物體遮擋的像素點(diǎn)灰度中值；vp為區(qū)域C內(nèi)未被眼皮、睫毛和光斑等非虹膜物體遮擋的像素點(diǎn)灰度中值。

⑨虹膜與瞳孔對比度：應(yīng)不小于30。按照下面公式計(jì)算虹膜與瞳孔對比度：

(4)

式中：ctip為虹膜與瞳孔對比度；vp為區(qū)域C 內(nèi)未被眼皮、睫毛和光斑等非虹膜物體遮擋的像素點(diǎn)灰度中值。vib為區(qū)域D內(nèi)未被眼皮、睫毛和光斑等非虹膜物體遮擋的像素點(diǎn)灰度中值。

⑩虹膜有效區(qū)域占比:應(yīng)大于50%。按公式(5)計(jì)算虹膜有效區(qū)域占比：

(5)

公式(5)中：Au為有效虹膜區(qū)域占比；Niris為虹膜環(huán)形區(qū)域的像素點(diǎn)個(gè)數(shù)，虹膜環(huán)形區(qū)域由虹膜內(nèi)邊界擬合圓和外邊界擬合圓確定。Nvalid為虹膜環(huán)形區(qū)域中，未被眼皮、睫毛和光斑遮擋的有效虹膜像素個(gè)數(shù)。

5 數(shù)據(jù)安全

安全可信的身份識別認(rèn)證需求急速增長，但對生物特征圖像和特征模板本身安全性的重視還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。包括虹膜特征在內(nèi)的生物特征具有終身不變的特性，這就預(yù)示著其一旦丟失，就意味著永久地失去，沒有辦法重新修改或者發(fā)布模板來彌補(bǔ)損失。這些安全性威脅的存在，正在嚴(yán)重制約著基于生物特征識別身份認(rèn)證技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

目前虹膜應(yīng)用過程中，安全隱患主要表現(xiàn)為虹膜原始圖像的泄露和虹膜特征模板的圖像復(fù)原，具體如下。

(1)虹膜原始圖像的泄露：公安領(lǐng)域虹膜應(yīng)用過程中的采集、傳輸、入庫、比對等各個(gè)環(huán)節(jié)，虹膜原始圖像是個(gè)人隱私數(shù)據(jù)的集中體現(xiàn)，存在隱私泄露的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)發(fā)生大面積泄露時(shí)，則會造成嚴(yán)重的社會影響，印度虹膜身份證項(xiàng)目中就出現(xiàn)過大量公民虹膜數(shù)據(jù)泄露事件。

(2)虹膜特征模板的圖像復(fù)原：虹膜特征模板通過某些算法，恢復(fù)成可供其他應(yīng)用的虹膜圖像，雖然這個(gè)復(fù)原后的圖像與原始圖像不完全相同，但同樣可以用于虹膜識別或者其他虹膜算法。

對于提到的虹膜應(yīng)用安全隱患，必須研究強(qiáng)有力基于密碼學(xué)的原始圖像和特征模板保護(hù)方案對虹膜數(shù)據(jù)進(jìn)行安全性保護(hù)，以滿足用戶在身份采集、存儲和認(rèn)證過程中對隱私保護(hù)的安全性需求。虹膜特征的終身不變性和系統(tǒng)虹膜圖像和特征數(shù)據(jù)庫中的海量數(shù)據(jù)都對該技術(shù)的研究提出了極大挑戰(zhàn)，尤其是在認(rèn)證技術(shù)諸如正確匹配率、錯(cuò)誤拒絕率、認(rèn)證速度等安全性目標(biāo)的苛刻要求下，更是對該技術(shù)是否能實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步發(fā)展的嚴(yán)峻考驗(yàn)。

對于生物特征安全，國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)主要分為數(shù)據(jù)加密和數(shù)據(jù)混淆兩大技術(shù)流派：基于數(shù)據(jù)加密的方法是將密鑰和圖像/特征信息相綁定，生成密文進(jìn)行傳輸，起到隱私數(shù)據(jù)保護(hù)的目的，但涉及到對稱密鑰分發(fā)的問題。數(shù)據(jù)混淆主要表現(xiàn)為基于模板形變技術(shù)、隨機(jī)數(shù)會話多因子混淆技術(shù)、數(shù)字水印、生物特征數(shù)據(jù)鑲嵌等。兩種方法皆對虹膜采集、傳輸、比對的效率造成一定的損失。

6 應(yīng)用測試

通過已經(jīng)建好的虹膜數(shù)據(jù)庫，對虹膜識別率、拒識率(FRR)、誤識別率(FAR)和正確拒識率進(jìn)行測試。從虹膜統(tǒng)一服務(wù)平臺選取測試圖像18 941幅，分成兩個(gè)目錄：A目錄10 506，B目錄8 435(B目錄作為比對目錄，圖像質(zhì)量比A目錄差)。首先將BMP圖像處理成8位RAW圖像，然后將RAW圖像生成模板，存儲到文件中。全部模板生成后，將A、B兩目錄的模板兩兩比對，得到比對相似度原始記錄文件，共產(chǎn)生比對記錄8千多萬條，通過對比對結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得出ROC原始結(jié)果統(tǒng)計(jì)文件，通過對原始記錄數(shù)量進(jìn)行百分?jǐn)?shù)處理，得到ROC百分比文件，進(jìn)一步可以將ROC百分比文件中的數(shù)據(jù)繪制成圖顯示。百分比統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖8所示，其中橫軸為相似度閾值，從0～100，縱軸為各統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的百分比。由圖8可知，在誤識別率為0.000 09%時(shí)，識別率為99.573 2%。其中綠色為識別率的百分?jǐn)?shù)，紫色為誤識別(FAR)的百分?jǐn)?shù)，紅色是拒識率(FRR)的百分?jǐn)?shù)。

圖8 虹膜ROC百分比

公安領(lǐng)域應(yīng)用中，結(jié)合作者項(xiàng)目組的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，虹膜采集應(yīng)采用雙眼虹膜采集設(shè)備，同時(shí)對被采集人員兩只眼睛的虹膜圖像進(jìn)行采集。采集過程中應(yīng)針對采集到的虹膜圖像進(jìn)行質(zhì)量檢測，確保入庫的虹膜圖像質(zhì)量能夠滿足后續(xù)一比一確認(rèn)和一比多辨認(rèn)等應(yīng)用場景的需要。對滿足質(zhì)量要求的虹膜圖像，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行圖像的裁剪和壓縮，然后所有需要存儲的圖像再經(jīng)過安全手段加密后通過公安網(wǎng)上傳至數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行存儲。

虹膜圖像質(zhì)量應(yīng)依次通過3種手段進(jìn)行保障：

(1)采集設(shè)備質(zhì)量自檢；

(2)利用第三方統(tǒng)一的虹膜質(zhì)量評測軟件進(jìn)行自動檢測，并顯示檢測結(jié)果；

(3)現(xiàn)場采集人員根據(jù)虹膜采集指引進(jìn)行最終的圖像質(zhì)量評判，經(jīng)過現(xiàn)場采集人員確認(rèn)的虹膜圖像才能夠入庫存儲。

虹膜信息采集時(shí)會面臨以下技術(shù)問題。

(1)患有眼疾等特殊人群的虹膜采集：絕大部分人的虹膜圖像質(zhì)量能夠符合特征提取要求，少部分人因患有嚴(yán)重眼疾等原因?qū)е潞缒D像質(zhì)量差，不符合特征提取要求，或者無法采集虹膜。

(2)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的確定和測試方法：不同虹膜識別算法，對于外界環(huán)境、配合程度、圖像格式和質(zhì)量等多方面都有不同的要求，故必須通過算法評測標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行約束，對不同算法、采集設(shè)備需通過第三方的檢測，才能入圍公安應(yīng)用。

(3)虹膜數(shù)據(jù)的互用性：因?yàn)楹缒ぷR別算法的不同，虹膜采集設(shè)備采集到的虹膜特征模板不能互用，虹膜數(shù)據(jù)庫以原始圖像+虹膜算法廠家標(biāo)識+虹膜特征模板的方式，支撐不同采集設(shè)備的互用性。

7 結(jié)語

虹膜識別技術(shù)是生物特征識別領(lǐng)域的新興技術(shù)，被廣泛認(rèn)為是21世紀(jì)最具有發(fā)展前途的生物識別技術(shù)。經(jīng)過十余年的技術(shù)積累和小規(guī)模應(yīng)用示范，虹膜識別技術(shù)已經(jīng)處于大規(guī)模應(yīng)用前的最后沖刺階段。這更需要虹膜領(lǐng)域相關(guān)產(chǎn)、學(xué)、研、用機(jī)構(gòu)更加努力，更加團(tuán)結(jié)，發(fā)揮各自的優(yōu)勢，將整個(gè)虹膜產(chǎn)業(yè)做大做強(qiáng)，真正實(shí)現(xiàn)公安領(lǐng)域的落地應(yīng)用。