虹膜識(shí)別專利技術(shù)綜述

徐雯暉　李志研

【摘 要】虹膜識(shí)別技術(shù)是生物特征識(shí)別技術(shù)的重要研究分支。本文立足于專利文獻(xiàn)，對(duì)國(guó)內(nèi)外有關(guān)虹膜識(shí)別技術(shù)的專利申請(qǐng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，并對(duì)主要申請(qǐng)人進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，最后總結(jié)了虹膜識(shí)別技術(shù)的技術(shù)脈絡(luò)和研究方向。

【關(guān)鍵詞】虹膜識(shí)別;采集;定位;防偽

中圖分類號(hào)： TP391.41文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A文章編號(hào)： 2095-2457（2019）18-0027-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.18.013

0 概述

生物識(shí)別技術(shù)在安全認(rèn)證領(lǐng)域有著廣泛而成熟的應(yīng)用。虹膜特征發(fā)生變化的概率十分微小，且不易受到外界的傷害，因此其特征更穩(wěn)定和可靠，其誤識(shí)率在各種生物特征識(shí)別中也是最低，因此其在近幾年的熱度越來(lái)越高。

具體地，虹膜識(shí)別技術(shù)的研究主要包括以下技術(shù)環(huán)節(jié)：（1）虹膜圖像采集;（2）虹膜圖像的質(zhì)量評(píng)價(jià);（3）虹膜圖像預(yù)處理，主要包括：虹膜定位（包括虹膜內(nèi)外圓的定位、眼瞼定位）、虹膜歸一化、虹膜圖像增強(qiáng)及去噪;（4）虹膜防偽，即活體虹膜的檢測(cè)，檢測(cè)真假虹膜;（5）虹膜特征提取與匹配，以達(dá)到虹膜識(shí)別的目的。因此，本文將虹膜識(shí)別的關(guān)鍵技術(shù)劃分為：圖像采集、質(zhì)量評(píng)價(jià)、預(yù)處理、活體檢測(cè)、特征提取與匹配。

本文主要基于專利檢索系統(tǒng)平臺(tái)分析虹膜識(shí)別技術(shù)的現(xiàn)狀，在中文摘要數(shù)據(jù)庫(kù)、中文全文數(shù)據(jù)庫(kù)、外文數(shù)據(jù)庫(kù)，分別采用關(guān)鍵詞虹膜、采集、預(yù)處理、防偽、活體檢測(cè)、識(shí)別、分類、iris、collect、locate、recognition、class等關(guān)鍵詞檢索相關(guān)專利。截至2019年5月15日，共檢索到關(guān)于虹膜識(shí)別技術(shù)的申請(qǐng)1545件，其中國(guó)內(nèi)申請(qǐng)為1001件，國(guó)外申請(qǐng)為544件，下面將對(duì)這件專利進(jìn)行分析。

1 專利申請(qǐng)總體情況

從國(guó)內(nèi)申請(qǐng)的申請(qǐng)量發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看， 2011年之前，專利申請(qǐng)量增長(zhǎng)速度緩慢，2012-2013年申請(qǐng)量有了小幅提升，在2014年后，虹膜識(shí)別技術(shù)相關(guān)的專利申請(qǐng)量呈暴發(fā)式增長(zhǎng)，2018年部分申請(qǐng)還沒有公開，可以預(yù)見其申請(qǐng)總量依然可觀?？梢姡摷夹g(shù)出現(xiàn)時(shí)間晚，且很長(zhǎng)時(shí)間發(fā)展緩慢，但是近幾年，申請(qǐng)量達(dá)到較高的水平，說(shuō)明該項(xiàng)技術(shù)處于非?；钴S的研究和應(yīng)用時(shí)期，具備良好的應(yīng)用前景。

從全球?qū)＠暾?qǐng)國(guó)別分布可知，申請(qǐng)國(guó)別主要有中國(guó)、韓國(guó)、美國(guó)、日本等。其中，中國(guó)的申請(qǐng)量遙遙領(lǐng)先，占了全球各國(guó)申請(qǐng)量的一半，韓國(guó)和美國(guó)的申請(qǐng)量次之。在中國(guó)的大量申請(qǐng)中，除了對(duì)虹膜識(shí)別算法的改進(jìn)和研究的申請(qǐng)，還存在大量對(duì)該技術(shù)應(yīng)用的申請(qǐng)，韓國(guó)主要是以大公司為代表對(duì)虹膜識(shí)別裝置的研究;美國(guó)對(duì)虹膜識(shí)別技術(shù)的研究最早，其對(duì)該技術(shù)的研究以學(xué)術(shù)研究為主，因此專利申請(qǐng)量并不多。

虹膜識(shí)別技術(shù)專利的主要申請(qǐng)人中，LG電子株式會(huì)社的專利申請(qǐng)量較高，在全球范圍內(nèi)具有一定的競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力。武漢虹識(shí)技術(shù)有限公司是一家專門研究虹膜識(shí)別技術(shù)的一家公司，中國(guó)的廣東歐珀移動(dòng)通信有限公司的申請(qǐng)偏向于虹膜識(shí)別的應(yīng)用，多為將虹膜識(shí)別技術(shù)應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域;北京天誠(chéng)盛業(yè)科技有限公司的申請(qǐng)偏向虹膜識(shí)別技術(shù)相關(guān)的設(shè)備或裝置的研究?？傊?，中國(guó)在虹膜識(shí)別領(lǐng)域的技術(shù)處于世界先進(jìn)水平，且比較重視虹膜識(shí)別技術(shù)在現(xiàn)實(shí)中的應(yīng)用。

2 技術(shù)脈絡(luò)分析

通過(guò)對(duì)虹膜識(shí)別領(lǐng)域的了解以及對(duì)相關(guān)專利文獻(xiàn)的分析研究，確定出本文研究的技術(shù)分支為虹膜圖像采集、虹膜圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)、虹膜定位、虹膜防偽、虹膜特征提取和匹配。

2.1 虹膜圖像采集

虹膜圖像采集是虹膜識(shí)別的基礎(chǔ)，現(xiàn)有的虹膜圖像采集裝置主要分為接觸式和非接觸式的采集裝置。

接觸式的虹膜采集裝置，需要用戶將眼睛固定在采集裝置的某個(gè)部件上，缺點(diǎn)是減弱用戶的接受度。專利申請(qǐng)CN201210257303公開了一種接觸式采集方式，使用者貼近套筒，以便采集到清晰的虹膜圖片，攝像機(jī)板、光源、半透半反境以及毛塑料片等密封在外殼內(nèi)，以提供恒定的采集環(huán)境。

非接觸式的虹膜采集裝置，又分為固定焦距采集裝置和可變焦距采集裝置。固定焦距采集裝置需要用戶自己調(diào)整眼睛的位置，專利申請(qǐng)CN200510024618公開了一種非接觸式自反饋虹膜圖像采集裝置。采集單元、照明單元、反饋單元的主光軸相交于距離液晶屏幾何中心25-35cm處，與定焦攝像頭的成像點(diǎn)重合，且三者集成，構(gòu)成平板狀采集裝置主體，該主體安裝于俯仰機(jī)構(gòu)上，可以快速、準(zhǔn)確地采集虹膜圖像。

可變焦距采集裝置可以自動(dòng)的改變焦距以聚焦用戶的虹膜上。專利申請(qǐng)CN200710121106公開了一種自動(dòng)變焦虹膜圖像采集系統(tǒng)，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制變焦電機(jī)控制電路，使變焦電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，變焦電機(jī)連接可變焦鏡頭組，用于調(diào)節(jié)可變焦鏡頭組的成像距離在最遠(yuǎn)和最近位置之間移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了變焦采集圖像。

專利申請(qǐng)CN201811020015公開了一種虹膜圖像采集方法，圖像采集設(shè)備以第一焦距采集包括眼部圖像的第一圖像，然后通過(guò)人臉識(shí)別算法對(duì)所述第一圖像計(jì)算得出第二焦距，圖像采集設(shè)備將焦距調(diào)整至所述第二焦距，以所述第二焦距采集第一虹膜圖像，從而使圖像采集設(shè)備在較短的時(shí)間內(nèi)得到一個(gè)較為清晰的虹膜圖像。

2.2 虹膜圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)

虹膜圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)指采用一定的客觀評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)圖像內(nèi)容進(jìn)行數(shù)學(xué)描述并對(duì)其質(zhì)量進(jìn)行計(jì)算和評(píng)價(jià)。專利申請(qǐng)US19990449295公開了一種通過(guò)卷積核對(duì)虹膜圖像進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)的方法，對(duì)原始虹膜圖像進(jìn)行卷積運(yùn)算通過(guò)對(duì)散焦的頻譜分析，評(píng)價(jià)一幅圖像的聚焦程度可以通過(guò)計(jì)算該圖像二維傅里葉變換高頻能量，高頻能量越大則圖像越清晰。專利申請(qǐng)CN200610122528公開了一種虹膜識(shí)別方法，并公開了基于快速傅立葉變換和基于小波包分解的虹膜質(zhì)量評(píng)估方法;基于快速傅立葉變換的方法，它對(duì)虹膜區(qū)域上的兩個(gè)矩形塊內(nèi)的像素點(diǎn)進(jìn)行二維快速傅立葉變換，然后通過(guò)對(duì)其高頻、中頻和低頻能量的統(tǒng)計(jì)，分析圖像是否清晰和存在睫毛遮擋。專利申請(qǐng)CN03117074公開了一種綜合考慮圖像清晰度、內(nèi)外偏心度和虹膜可見度三個(gè)質(zhì)量指數(shù)對(duì)虹膜圖像進(jìn)行質(zhì)量評(píng)價(jià)方法。專利申請(qǐng)CN2018103118215公開了一種虹膜圖像質(zhì)量檢測(cè)方法，綜合考慮了虹膜圖像序列各幀圖像的整體清晰度指標(biāo)、虹膜局部清晰度指標(biāo)、虹膜可用度指標(biāo)、虹膜鄰域?qū)Ρ榷戎笜?biāo)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)遠(yuǎn)距離移動(dòng)中識(shí)別的復(fù)雜環(huán)境成像的圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)。

2.3 虹膜定位

虹膜定位是虹膜圖像預(yù)處理中最重要的一環(huán)。專利申請(qǐng)US19960727366公開了一種基于邊緣檢測(cè)與hough變換相結(jié)合的虹膜定位方法，首先將虹膜外邊界和內(nèi)邊界定位，將眼瞼邊界定位，再用Hough變換得到虹膜參數(shù);再將虹膜邊界各部分分離出來(lái)后，將這些部分組合起來(lái)劃定虹膜本身。專利申請(qǐng)CN200810026105公開了一種基于多分辨率分析的虹膜定位方法，首先定位出瞳孔的粗略圓心，然后在粗略圓心附近的若干行上，搜索一定范圍內(nèi)的灰度梯度最大值的坐標(biāo)作為瞳孔邊界點(diǎn)的坐標(biāo)，經(jīng)過(guò)曲線擬合可以定位出瞳孔的精確圓心和半徑;接著根據(jù)取瞳孔粗略圓心附近的各行灰度序列，搜索局部最小值點(diǎn)的坐標(biāo)，作為虹膜的外邊緣邊界點(diǎn)并進(jìn)行曲線擬合得到虹膜外邊緣的精確圓心和半徑。專利申請(qǐng)CN20141050448公開了一種基于徑向梯度檢測(cè)的虹膜定位方法，利用徑向梯度檢測(cè)法定位虹膜區(qū)域的內(nèi)邊界和外邊界，并根據(jù)鄰域內(nèi)的徑向梯度對(duì)外邊界的參考半徑進(jìn)行微調(diào)，實(shí)現(xiàn)快速而精確的虹膜定位。

2.4 虹膜防偽

虹膜防偽即活體檢測(cè)，檢測(cè)采集的對(duì)象是否是有生命的個(gè)體，排除假的虹膜。專利申請(qǐng)CN200710041711提出一種彩色隱形眼鏡的防偽檢測(cè)方法，使用灰度共生矩陣的對(duì)比度及角度二階矩特征進(jìn)行虹膜活體檢測(cè)。專利申請(qǐng)CN200910079803公開了一種虹膜活體檢測(cè)方法，適用于多種偽造虹膜的檢測(cè)，該方法對(duì)訓(xùn)練圖像庫(kù)中的活體虹膜圖像和人工偽造物虹膜圖像進(jìn)行預(yù)處理，在得到的感興趣區(qū)域上進(jìn)行多尺度的局部二值模式特征抽取，并利用自適應(yīng)增強(qiáng)學(xué)習(xí)算法對(duì)得到的候選特征進(jìn)行優(yōu)選，同時(shí)構(gòu)建用于虹膜活體檢測(cè)的分類器，根據(jù)分類器輸出結(jié)果判斷該測(cè)試圖像是否來(lái)自活體虹膜。

2.5 虹膜特征提取和匹配

專利申請(qǐng)US19910729638使用Gabor小波抽取虹膜紋理的二值化相位特征，并使用漢明距離度量?jī)蓚€(gè)特征模板的匹配程度。專利申請(qǐng)CN201110173764公開了一種基于邊緣梯度方向金字塔直方圖的虹膜識(shí)別方法。本發(fā)明第一次把用于場(chǎng)景分類的空間金字塔方法應(yīng)用到虹膜識(shí)別系統(tǒng)中來(lái)，并且采用Sobel算子計(jì)算邊緣點(diǎn)，創(chuàng)新性地采用特征點(diǎn)的梯度角作為分類特征點(diǎn)的依據(jù)，實(shí)現(xiàn)了虹膜的圖像的BOW特征的建立，使得接下來(lái)的金字塔匹配核的順利應(yīng)用。

3 結(jié)論與建議

總體而言，目前針對(duì)虹膜識(shí)別技術(shù)的研究雖然已趨于成熟，但是算法精度和性能仍有待提高，且其對(duì)設(shè)備的依賴性較高，降低成本是其廣泛應(yīng)用的一大前提，未來(lái)還需要從多方面進(jìn)一步改進(jìn)和研究。隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，可以預(yù)測(cè)在虹膜識(shí)別技術(shù)領(lǐng)域?qū)?huì)有更多的專利申請(qǐng)。

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