周千里 王雅麗 徐雪婧 陳子龍 劉 京 張 慧

1(中國人民公安大學(xué) 北京 100038)2(北京市公安局 北京 100740)3(北京中科虹霸科技有限公司 北京 100190)4(公安部物證中心 北京 100038)

0 引 言

隨著中國社會的發(fā)展和人們生活水平的提高，人民群眾對社會治理和公共安全的要求和期待也越來越高。因此，公安機(jī)關(guān)維護(hù)國家安全和社會穩(wěn)定的任務(wù)也越來越重，業(yè)務(wù)實(shí)戰(zhàn)對科技創(chuàng)新的需求日益迫切。新一代生物特征識別技術(shù)在原有指紋、DNA等采集識別的基礎(chǔ)上將發(fā)揮越來越重要的作用。虹膜是人眼中瞳孔和鞏膜中間的環(huán)形區(qū)域[1]。虹膜識別技術(shù)以其精度高、比對速度快、防偽能力強(qiáng)、非接觸采集等優(yōu)點(diǎn)，成為其他生物識別技術(shù)的重要補(bǔ)充，也將成為最具前景的識別手段技術(shù)之一[2-3]。虹膜識別作為一種精確的身份識別技術(shù)，具有高實(shí)時性、高準(zhǔn)確性和高安全性等優(yōu)勢，這與警務(wù)應(yīng)用中對重點(diǎn)關(guān)注人員的精準(zhǔn)篩查與快速識別需求不謀而合，促使該技術(shù)在公安機(jī)關(guān)在越來越多場景上具有應(yīng)用前景[4-5]。在公安監(jiān)管場所、執(zhí)法辦案場所或派出所、移動警務(wù)街面盤查核錄、特殊場景隱蔽式識別、大型活動或會議安全保衛(wèi)、旅店等社會單位身份識別、公安社會化服務(wù)中“互聯(lián)網(wǎng)+可信身份認(rèn)證”等領(lǐng)域?qū)絹碓蕉嗟爻霈F(xiàn)虹膜系統(tǒng)的應(yīng)用[6]。2019年2月，公安部下發(fā)《全國刑偵信息專業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)虹膜身份核查子系統(tǒng)建設(shè)與管理指南(征求意見稿)》和《全國刑偵信息專業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)虹膜身份核查子系統(tǒng)建設(shè)方案(征求意見稿)》，明確提出虹膜識別核查子系統(tǒng)的建設(shè)要求及建設(shè)周期。本文主要介紹城市級重點(diǎn)人員虹膜識別大規(guī)模應(yīng)用的架構(gòu)體系和服務(wù)技術(shù)方案，分析了大規(guī)模公安虹膜采集和識別的可行性以及面臨的重點(diǎn)和難點(diǎn)問題，同時提出了應(yīng)用場景方案。

1 虹膜技術(shù)簡介

1.1 虹膜識別流程

虹膜識別是一個典型的模式識別和計算機(jī)視覺問題，主要流程包括：① 虹膜圖像的獲取，普通的相機(jī)無法采集到清晰的虹膜紋理，虹膜紋理在可見光下呈現(xiàn)不明顯，一般采用近紅外光的配合；② 虹膜圖像的預(yù)處理，即虹膜區(qū)域有效的檢測、分割、歸一化等處理；③ 虹膜圖像特征提取與比對，這也是虹膜識別比較關(guān)鍵的一步[7]。圖1是虹膜識別系統(tǒng)的主要流程示意圖。

圖1 虹膜識別流程示意圖

1.2 多樣性的虹膜采集設(shè)備

在城市級大規(guī)模公安虹膜采集建庫中，面臨的首要問題就是虹膜采集設(shè)備的多樣性。虹膜圖像采集模塊的任務(wù)是借助合理的光學(xué)和電子電路設(shè)計采集到高質(zhì)量的虹膜圖像。虹膜圖像采集的質(zhì)量直接影響識別過程中特征提取與識別算法的準(zhǔn)確性[8]。按照不同的虹膜識別應(yīng)用場景將設(shè)備類型大概分為近距離固定設(shè)備、近距離移動設(shè)備、大場景遠(yuǎn)距離固定設(shè)備三大類。正是有這些不同特點(diǎn)設(shè)備類型才使得虹膜識別在不同的場景得到很好的應(yīng)用。

1.3 跨設(shè)備虹膜識別方法

然而不同的設(shè)備所采集到的虹膜圖像卻給虹膜識別算法帶來了非常大的挑戰(zhàn)。不同的虹膜采集設(shè)備傳感器的光學(xué)特性、照明、軟件和硬件的不同導(dǎo)致設(shè)備對這些因素的敏感程度不同，采集到的虹膜圖像清晰程度方面有很大的差異，這些都使得跨設(shè)備虹膜識別的難度增大，這些來源廣泛、質(zhì)量各異的虹膜圖像的識別問題就是多源異質(zhì)虹膜圖像識別問題[9-16]。多源異質(zhì)虹膜圖像識別也是城市大規(guī)模公安虹膜采集識別應(yīng)用體系中核心的技術(shù)之一?，F(xiàn)有的跨設(shè)備識別方法從采集設(shè)備分類、圖像增強(qiáng)和虹膜眼周融合等方面給跨設(shè)備虹膜識別問題提供了不同的解決方案，提高了虹膜識別系統(tǒng)的魯棒性。

2 城市級大規(guī)模公安虹膜采集識別可行性分析

以全國城市常住人口及年度流動人口數(shù)量為參考，本文所提到的城市級大規(guī)模公安虹膜采集識別系統(tǒng)包含500萬級虹膜數(shù)據(jù)庫和具有500萬級運(yùn)算能力的虹膜數(shù)據(jù)庫管理應(yīng)用平臺，規(guī)劃未來5年擴(kuò)展到1 000萬規(guī)模。下面分析這樣大規(guī)模下的城市級公安虹膜采集識別系統(tǒng)的可行性。

2.1 算法性能可行性

從虹膜識別算法性能的角度分析，虹膜識別算法的準(zhǔn)確性高，虹膜識別比對系統(tǒng)中錯誤接受率可達(dá)到百萬分之一，錯誤拒絕率可達(dá)到千分之一，滿足百萬級對比的安全性要求[17]；虹膜算法的普適性強(qiáng)，特征抽取成功率高，能處理復(fù)雜的虹膜圖像(如不同人種、不同民族、不同年齡和不同采集場景等)；虹膜算法安全性高，支持活體檢測及美瞳檢測[18-19]；虹膜算法對比速度快，不依賴專有的加速硬件，在i7- 6700 CPU@3.20 GHz上可實(shí)現(xiàn)150萬次/s以上的比對速度。

2.2 大規(guī)模虹膜數(shù)據(jù)庫建設(shè)可行性

從數(shù)據(jù)庫建設(shè)的角度分析，城市級虹膜庫存儲虹膜圖像、虹膜特征和人員身份信息，通過應(yīng)用服務(wù)接口，實(shí)現(xiàn)與城市級虹膜系統(tǒng)的數(shù)據(jù)對接。各地數(shù)據(jù)采集成功后需上傳到城市級虹膜庫，上傳過程中如果出現(xiàn)數(shù)據(jù)重復(fù)問題、圖像質(zhì)量問題、存疑問題等現(xiàn)象時，自動標(biāo)記問題數(shù)據(jù)，由工作人員進(jìn)行人工審核和管控后再重新上傳。進(jìn)一步，可根據(jù)不同的人員身份數(shù)據(jù)進(jìn)行分類存儲，建立城市虹膜專題庫，為不同實(shí)戰(zhàn)業(yè)務(wù)需求提供快速人員身份核查服務(wù)，可以應(yīng)用到監(jiān)控場所、治安反恐等任務(wù)中。

自2019年初開始，在《全國刑偵信息專業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)虹膜身份核查子系統(tǒng)建設(shè)與管理指南》和《全國刑偵信息專業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)虹膜身份核查子系統(tǒng)建設(shè)方案》的指導(dǎo)下，全國公安系統(tǒng)全面開始進(jìn)行人員虹膜采集的工作，基于城市虹膜身份核查系統(tǒng)可以在人員基礎(chǔ)信息一體化采集室和重點(diǎn)卡位(看守所、拘留所、戒毒所、反恐所、公路檢查站)設(shè)置虹膜采集點(diǎn)，便于城市警務(wù)工作人員對重點(diǎn)人員、打擊處理人員和違法犯罪人員進(jìn)行虹膜信息采集，逐步建立城市重點(diǎn)人員虹膜數(shù)據(jù)庫。

2.3 虹膜核查應(yīng)用可行性

從虹膜核查應(yīng)用的角度分析，虹膜身份核查可以實(shí)現(xiàn)多警種、多場景的身份核查及相關(guān)數(shù)據(jù)信息查詢，支持重點(diǎn)卡位和移動場景的身份核查，匹配成功后顯示被核查人的身份信息、身份標(biāo)簽信息、虹膜采集信息(包括采集時間、地點(diǎn)、采集人、采集原因等)和歷史核查記錄(被核查時間、地點(diǎn)等)信息。在進(jìn)行虹膜身份核查時，如發(fā)現(xiàn)被核查人為重點(diǎn)關(guān)注人員、在逃人員、涉恐人員，自動報警并記錄報警信息，并對人員進(jìn)行軌跡分析，為城市公安機(jī)關(guān)實(shí)戰(zhàn)工作提供支持?！度珖虃尚畔I(yè)應(yīng)用系統(tǒng)虹膜身份核查子系統(tǒng)建設(shè)與管理指南》和《全國刑偵信息專業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)虹膜身份核查子系統(tǒng)建設(shè)方案》提出在2019年8月底完成省級虹膜數(shù)據(jù)庫和部級虹膜數(shù)據(jù)庫同步進(jìn)行虹膜身份核查，實(shí)現(xiàn)無證情況下精準(zhǔn)確定人員的真實(shí)身份，為新中國成立70周年大慶安保提供技術(shù)支撐。

3 大規(guī)模虹膜公安應(yīng)用的體系構(gòu)建

在大規(guī)模公安應(yīng)用中，如何構(gòu)建虹膜識別應(yīng)用的體系是當(dāng)前研究的重點(diǎn)。目前，我國已經(jīng)確定在第二代身份證和電子護(hù)照中嵌入生物特征信息，這些身份證件在教育、社保、金融、通關(guān)、電信、交通、旅游等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用離不開國家級生物識別基礎(chǔ)設(shè)施平臺的支撐。因此，研究自主知識產(chǎn)權(quán)的超大規(guī)模生物識別應(yīng)用系統(tǒng)體系架構(gòu)具有重要性和緊迫性，為我國相關(guān)項(xiàng)目例如新一代社?？?、第三代身份證、電子護(hù)照的生物特征比對奠定基礎(chǔ)。在已有公安虹膜建庫和虹膜識別應(yīng)用試點(diǎn)建設(shè)的基礎(chǔ)上，提出大規(guī)模虹膜公安應(yīng)用虹膜規(guī)?；瘧?yīng)用方案，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[16]。根據(jù)大規(guī)模虹膜公安應(yīng)用的研究推進(jìn)過程的技術(shù)體系架構(gòu)和技術(shù)耦合性，本文將其分成以下幾個部分進(jìn)行介紹。

圖2 大規(guī)模虹膜公安應(yīng)用整體方案

3.1 體系架構(gòu)和建設(shè)模式

體系架構(gòu)與建設(shè)模式研究是大規(guī)模虹膜公安應(yīng)用中的頂層設(shè)計，需要梳理公安城市級應(yīng)用對虹膜識別的各項(xiàng)應(yīng)用需求，深入了解目前人臉、指紋等相對成熟的生物特征識別體系架構(gòu)和應(yīng)用模式，設(shè)計并構(gòu)建可與公安已有架構(gòu)和平臺相適應(yīng)的全局層面的虹膜應(yīng)用的整體體系架構(gòu)，逐漸形成虹膜與指掌紋、人臉、DNA等生物特征形成相互支撐、相互補(bǔ)充的公安行業(yè)格局。

3.2 邏輯架構(gòu)

城市級大規(guī)模虹膜識別應(yīng)用體系的邏輯架構(gòu)如圖3所示，由采集端設(shè)備采集虹膜數(shù)據(jù)，然后通過采集系統(tǒng)與虹膜數(shù)據(jù)分發(fā)系統(tǒng)將虹膜數(shù)據(jù)導(dǎo)入虹膜數(shù)據(jù)庫，同時將數(shù)據(jù)傳輸給虹膜數(shù)據(jù)加載系統(tǒng)。虹膜數(shù)據(jù)加載系統(tǒng)負(fù)責(zé)向虹膜比對算法服務(wù)集群分發(fā)虹膜特征。比對服務(wù)是一個分布式的計算集群，通過對比采集到的注冊虹膜樣本和虹膜對比終端提供的虹膜對比數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)虹膜對比功能。接入服務(wù)控制云來實(shí)現(xiàn)比對庫的選擇，提供比對服務(wù)目標(biāo)庫的選擇來實(shí)現(xiàn)比對業(yè)務(wù)劃分功能。還提供對外系統(tǒng)的對接API，從而實(shí)現(xiàn)跨系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸功能。

圖3 虹膜生物特征識別系統(tǒng)邏輯架構(gòu)

3.3 軟件架構(gòu)

虹膜生物特征識別系統(tǒng)的軟件架構(gòu)如圖4所示。該系統(tǒng)支持膜采集注冊、虹膜檢索比對和虹膜數(shù)據(jù)存儲等應(yīng)用，具備虹膜工具、管理開發(fā)工具、擴(kuò)展服務(wù)、數(shù)據(jù)交換服務(wù)等核心服務(wù)系統(tǒng)，具有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、運(yùn)行管理、安全等保障體系，支撐城市級公安大規(guī)模虹膜識別身份認(rèn)證應(yīng)用。

圖4 虹膜生物特征識別系統(tǒng)軟件架構(gòu)

3.4 虹膜識別統(tǒng)一服務(wù)云平臺

虹膜統(tǒng)一服務(wù)云平臺定位為公安系統(tǒng)的高性能身份鑒別平臺，以虹膜識別技術(shù)為核心，以公安系統(tǒng)的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)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，支持多種識別算法引擎，實(shí)現(xiàn)身份認(rèn)證，為全警種提供服務(wù)。統(tǒng)一服務(wù)平臺搭建需要的基本工作包括：

1) 制定公安業(yè)務(wù)中虹膜規(guī)模應(yīng)用的虹膜建庫標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)格式等。

2) 搭建公安信息專網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)為信息交換平臺的高性能虹膜身份鑒別統(tǒng)一服務(wù)平臺。

3) 建立中心虹膜數(shù)據(jù)庫以及各地市單位的二級虹膜數(shù)據(jù)庫。

4) 建立各個數(shù)據(jù)庫之間、數(shù)據(jù)庫與多種虹膜識別設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸，并制定交換協(xié)議。

5) 研發(fā)高并發(fā)的虹膜查詢服務(wù)，實(shí)現(xiàn)虹膜平臺查詢用戶的身份授權(quán)等。

虹膜識別統(tǒng)一服務(wù)云平臺主要包含接入層、業(yè)務(wù)層及數(shù)據(jù)層，應(yīng)支持主流的操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫及中間件，能實(shí)現(xiàn)靈活的部署方式。圖5是一個典型的虹膜云服務(wù)的技術(shù)架構(gòu)。接入層實(shí)現(xiàn)均衡負(fù)載、無單點(diǎn)故障、反向代理、傳輸加密及請求轉(zhuǎn)發(fā)等功能；業(yè)務(wù)層支持實(shí)現(xiàn)所有業(yè)務(wù)組件功能，分布式、服務(wù)自治、消息隊列、智能轉(zhuǎn)發(fā)及動態(tài)擴(kuò)展等；數(shù)據(jù)層支持主流的數(shù)據(jù)庫。

圖5 虹膜識別云服務(wù)技術(shù)架構(gòu)

3.5 大規(guī)模虹膜公安應(yīng)用中的虹膜建庫

公安行業(yè)的虹膜數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)在功能設(shè)計規(guī)劃中要支持以公安部為中心、省(市)級建庫的邏輯構(gòu)架，在部署結(jié)構(gòu)上將部署省(市)級虹膜庫的應(yīng)用平臺，并與國家?guī)斓膽?yīng)用平臺實(shí)現(xiàn)對接，總體邏輯架構(gòu)如圖6所示。在城市級大規(guī)模虹膜數(shù)據(jù)庫建設(shè)中，首先要根據(jù)虹膜識別中的關(guān)鍵技術(shù)和主要影響參數(shù)，建立完整的評測方法和標(biāo)準(zhǔn)體系。與虹膜庫應(yīng)用平臺相關(guān)聯(lián)的外部應(yīng)用系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)交換平臺與虹膜庫進(jìn)行對接，為虹膜庫提供業(yè)務(wù)信息數(shù)據(jù)，或從虹膜庫中調(diào)用相關(guān)服務(wù)。外部系統(tǒng)可以包括執(zhí)法辦案、出入境人員管理、實(shí)驗(yàn)室案件管理、虹膜鑒定工作站等業(yè)務(wù)系統(tǒng)。虹膜數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)庫管理應(yīng)用平臺部署在市公安局，提供虹膜查詢比對服務(wù)給各地辦案人員進(jìn)行使用，虹膜采集終端部署在派出所信息采集室，所采集的虹膜數(shù)據(jù)通過公安專用網(wǎng)絡(luò)上傳到市公安局?jǐn)?shù)據(jù)庫。所有的數(shù)據(jù)都需要加密后才能進(jìn)行訪問和傳輸。

圖6 部-省-市三級虹膜數(shù)據(jù)庫邏輯架構(gòu)

4 多場景應(yīng)用方案

針對不同警務(wù)虹膜采集識別應(yīng)用場景，需要采用合適的虹膜識別設(shè)備和技術(shù)方案。由于涉及多場景多設(shè)備的虹膜圖像采集設(shè)備，場景和設(shè)備存在差異，設(shè)備的成像過程針對不同任務(wù)進(jìn)行設(shè)計，根據(jù)不同硬件設(shè)備、實(shí)際應(yīng)用場景和受眾環(huán)境，進(jìn)行從底層設(shè)計到核心算法再到上層人機(jī)交互的針對性定制，對不同任務(wù)進(jìn)行虹膜圖像的有效采集，滿足虹膜圖像質(zhì)量要求，配合任務(wù)驅(qū)動的虹膜圖像核驗(yàn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多場景多設(shè)備的虹膜數(shù)據(jù)精準(zhǔn)核驗(yàn)技術(shù)，達(dá)到虹膜識別的最優(yōu)性能。主要的應(yīng)用場景有：監(jiān)所人員、執(zhí)法辦案場所/派出所、移動警務(wù)、出入境管理、重點(diǎn)管控區(qū)域、大型活動/會議、社會(旅館)單位身份識別等。針對不同的應(yīng)用場景，主要涉及三類虹膜圖像采集識別設(shè)備，一是人員配合情況下的虹膜圖像采集設(shè)備，用于虹膜注冊和固定場所的人員身份識別；二是便攜式警用虹膜圖像識別終端設(shè)備，用于公安民警在執(zhí)勤過程中對重點(diǎn)關(guān)注人員身份進(jìn)行識別；三是復(fù)雜環(huán)境下的遠(yuǎn)距離隱蔽型虹膜圖像識別設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對重點(diǎn)場所出入人員的監(jiān)控。

5 結(jié) 語

本文面向城市級大規(guī)模公安行業(yè)虹膜識別應(yīng)用的重點(diǎn)和難點(diǎn)問題，首先提出體系構(gòu)建的科學(xué)問題，分析多種應(yīng)用場景的問題和需求，對關(guān)鍵難點(diǎn)技術(shù)、設(shè)備研制、平臺搭建等方面展開綜述和分析評價。經(jīng)過多年的技術(shù)積累和小規(guī)模應(yīng)用示范，我國已經(jīng)形成了全流程的虹膜識別自主研發(fā)能力，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，需要產(chǎn)、學(xué)、研、用的不同機(jī)構(gòu)更緊密的合作，實(shí)現(xiàn)公安行業(yè)虹膜識別的落地應(yīng)用?？梢灶A(yù)見，經(jīng)過多年的實(shí)驗(yàn)室研究和商業(yè)化發(fā)展，虹膜識別技術(shù)很快將在城市級甚至全國公共安全領(lǐng)域身份管理任務(wù)中發(fā)揮重要作用。