虹膜識(shí)別原理及算法

前言

隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通信技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代社會(huì)對(duì)人類自身身份識(shí)別的準(zhǔn)確性、安全性與實(shí)用性提出了更高的要求，傳統(tǒng)的身份識(shí)別方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)身份的自動(dòng)和準(zhǔn)確鑒別，生物特征識(shí)別技術(shù)為身份的準(zhǔn)確鑒別和認(rèn)證提供了一種有效的解決途徑。近年來(lái)，生物特征識(shí)別受到各個(gè)國(guó)家和諸多領(lǐng)域的關(guān)注，該技術(shù)采用人自身的生理和行為特征作為身份標(biāo)識(shí)，成了目前身份鑒別領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。虹膜識(shí)別是其中最為重要的一種生物特征識(shí)別技術(shù)，備受專家學(xué)者關(guān)注，在最近二三十年有了迅猛發(fā)展，理論方面不斷完善，實(shí)際應(yīng)用方面技術(shù)不斷成熟。1887年就曾出現(xiàn)了利用虹膜進(jìn)行身份鑒別的情況，但那時(shí)區(qū)分不同的人利用的是虹膜的顏色特征。1988年生物學(xué)家提出了虹膜識(shí)別的概念，認(rèn)為人的虹膜的形成過(guò)程與胚胎時(shí)期的母體環(huán)境有關(guān)，具有隨機(jī)性，導(dǎo)致虹膜紋理存在差異，這一差異性可以用來(lái)鑒別不同人。研究表明：面貌相似的雙胞胎具有不同的虹膜特征，甚至同一人的左、右眼虹膜圖像也不一樣，這一研究結(jié)果確立了虹膜在身份認(rèn)證領(lǐng)域的重要地位。另外，虹膜的長(zhǎng)久穩(wěn)定性和難以偽造性也是相比于其他生物特征優(yōu)越的身份標(biāo)識(shí)所具有的特征。最早的、真正的虹膜識(shí)別系統(tǒng)要追溯到1993年。劍橋大學(xué)的John Daugman博士提出了采用Gabor濾波器提取虹膜的紋理特征，實(shí)現(xiàn)了第一個(gè)虹膜識(shí)別系統(tǒng)，并且在數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的測(cè)試和希思羅機(jī)場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)都表明了該系統(tǒng)具有極小的錯(cuò)誤識(shí)別率，使該識(shí)別方法在一定程度上經(jīng)受住了考驗(yàn)。隨后，Richard P.Wildes在基金資助的情況下，開(kāi)始了虹膜識(shí)別系統(tǒng)的研究，提出并實(shí)現(xiàn)了一套基于圖像匹配相關(guān)性的虹膜識(shí)別技術(shù)，在圖像的比對(duì)、認(rèn)證和識(shí)別中通過(guò)了測(cè)試，表明了虹膜識(shí)別具有良好的性能。由于虹膜識(shí)別在醫(yī)療、救援物資發(fā)放、自動(dòng)取款、登機(jī)、門禁等方面具有其性能優(yōu)勢(shì)，許多國(guó)家在虹膜識(shí)別領(lǐng)域展開(kāi)了應(yīng)用研究。但是，虹膜采集設(shè)備價(jià)格昂貴，無(wú)形中提高了虹膜識(shí)別研究的門檻。一些研究機(jī)構(gòu)（如中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所）能夠免費(fèi)提供虹膜圖像數(shù)據(jù)庫(kù)，為想要從事虹膜識(shí)別理論研究的人們提供了研究的基礎(chǔ)，使得更多的單位和研究所加入這一研究領(lǐng)域，可以看出許多的國(guó)內(nèi)外研究論文都采用該所提供的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行理論研究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。隨著虹膜采集設(shè)備價(jià)格降低和硬件技術(shù)成熟，在實(shí)用性和應(yīng)用推廣方面的研究工作已逐步展開(kāi)。虹膜識(shí)別和其他生物識(shí)別技術(shù)一樣，具有廣泛的應(yīng)用背景。特別是在反恐方面，虹膜識(shí)別能夠提供準(zhǔn)確的身份鑒別，通過(guò)在個(gè)人護(hù)照或者身份證件中增加生物特征數(shù)據(jù)，能夠?qū)植婪肿訉?shí)現(xiàn)有效的跟蹤。虹膜識(shí)別有望成為維護(hù)國(guó)家安全、社會(huì)穩(wěn)定、金融安全、航空安全的重要技術(shù)手段。

內(nèi)容概要

　　《虹膜識(shí)別原理及算法》從生物特征識(shí)別的基本概念入手，簡(jiǎn)要講解相關(guān)生物特征識(shí)別的原理和研究情況，然后介紹虹膜識(shí)別系統(tǒng)及研究現(xiàn)狀，最后介紹虹膜識(shí)別系統(tǒng)中每個(gè)環(huán)節(jié)的具體算法和原理實(shí)現(xiàn)，并給出算法仿真實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析?！逗缒ぷR(shí)別原理及算法》主要分為以下幾個(gè)部分：虹膜識(shí)別系統(tǒng)原理、虹膜圖像的獲取、虹膜圖像的預(yù)處理（濾波、邊界定位、干擾檢測(cè)、邊界點(diǎn)的選擇）、虹膜區(qū)域規(guī)范化、虹膜特征提取、虹膜模式分類算法、虹膜識(shí)別的閾值選擇問(wèn)題、虹膜識(shí)別算法的評(píng)價(jià)指標(biāo)以及虹膜圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)等內(nèi)容?！　　逗缒ぷR(shí)別原理及算法》可作為計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、控制專業(yè)、電子信息等相關(guān)專業(yè)高年級(jí)本科生、研究生和研究人員的科研用書(shū)，也可作為安全系統(tǒng)、生物識(shí)別系統(tǒng)、移民管理系統(tǒng)、刑偵系統(tǒng)、圖像處理和模式識(shí)別系統(tǒng)等研究開(kāi)發(fā)人員和工程技術(shù)人員的參考書(shū)。

書(shū)籍目錄

第1章 緒論1.1 生物特征識(shí)別的產(chǎn)生背景1.1.1 傳統(tǒng)的身份鑒別1.1.2 身份鑒別面臨的挑戰(zhàn)1.2 生物特征識(shí)別概述1.2.1 生物特征識(shí)別技術(shù)簡(jiǎn)介1.2.2 生物特征識(shí)別技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀1.3 典型的生物特征識(shí)別技術(shù)1.3.1 指紋識(shí)別1.3.2 人臉識(shí)別1.3.3 耳廓識(shí)別1.3.4 虹膜識(shí)別和視網(wǎng)膜識(shí)別1.3.5 手形識(shí)別和掌紋識(shí)別1.3.6 聲音識(shí)別1.3.7 簽名識(shí)別1.3.8 步態(tài)識(shí)別1.3.9 擊鍵力度1.3.1 0DNA識(shí)別1.3.1 1人臉溫譜圖識(shí)別1.3.1 2體味識(shí)別和腳印識(shí)別1.4 生物特征識(shí)別的分類1.5 選擇生物特征的原則1.6 多生物特征識(shí)別本章小結(jié)參考文獻(xiàn)第2章 虹膜識(shí)別概述2.1 虹膜概述2.1.1 什么是虹膜2.1.2 虹膜的先天優(yōu)勢(shì)2.2 虹膜識(shí)別系統(tǒng)概述2.2.1 虹膜識(shí)別系統(tǒng)原理2.2.2 虹膜識(shí)別系統(tǒng)組成部分2.3 虹膜識(shí)別的工作模式2.3.1 工作模式2.3.2 身份注冊(cè)系統(tǒng)2.3.3 識(shí)別認(rèn)證系統(tǒng)2.4 虹膜識(shí)別的發(fā)展現(xiàn)狀與應(yīng)用2.4.1 發(fā)展現(xiàn)狀2.4.2 應(yīng)用領(lǐng)域本章小結(jié)參考文獻(xiàn)第3章 虹膜圖像的采集3.1 虹膜圖像獲取技術(shù)的發(fā)展3.2 虹膜圖像采集系統(tǒng)3.2.1 圖像采集的前提3.2.2 幾何測(cè)距法3.2.3 聚焦檢測(cè)方法3.3 虹膜數(shù)據(jù)庫(kù)的建立3.3.1 建立虹膜數(shù)據(jù)庫(kù)的作用3.3.2 虹膜數(shù)據(jù)庫(kù)的建立方法3.4 虹膜數(shù)據(jù)庫(kù)3.4.1 中科院的虹膜數(shù)據(jù)庫(kù)3.4.2 NICE.I競(jìng)賽的測(cè)評(píng)數(shù)據(jù)本章小結(jié)參考文獻(xiàn)第4章 虹膜邊界定位4.1 平滑處理4.1.1 空域平滑4.1.2 頻域平滑4.2 邊緣提取4.2.1 銳化處理4.2.2 虹膜邊緣提取4.2.3 邊緣梯度二值化4.3 虹膜邊界定位算法概述4.4 基于投票機(jī)制的虹膜邊界定位算法4.4.1 基于Hough變換進(jìn)行圓的檢測(cè)4.4.2 由瞳孔位置確定處理圖像大小4.4.3 基于H0ugh變換的虹膜邊界快速定位算法4.4.4 仿真實(shí)驗(yàn)4.5 基于微積分的虹膜邊界定位算法4.5.1 微積分定位邊界原理4.5.2 局部梯度極值的檢測(cè)和消除4.5.3 基于微積分的虹膜邊界快速定位算法4.5.4 仿真實(shí)驗(yàn)本章小結(jié)參考文獻(xiàn)第5章 邊緣點(diǎn)選擇后的虹膜邊界定位5.1 人眼圖像中邊緣點(diǎn)的特點(diǎn)5.2 極坐標(biāo)下的虹膜邊界定位算法5.2.1 極坐標(biāo)下圓的特點(diǎn)5.2.2 極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換5.2.3 極坐標(biāo)下的虹膜邊界定位算法5.2.4 仿真實(shí)驗(yàn)5.3 水平邊緣點(diǎn)的選擇算法5.3.1 邊緣點(diǎn)選擇問(wèn)題的提出5.3.2 水平邊緣點(diǎn)的選擇5.3.3 極坐標(biāo)下邊緣點(diǎn)選擇后的虹膜邊界定位算法5.3.4 仿真實(shí)驗(yàn)5.4 基于邊緣點(diǎn)選擇和圓參數(shù)投票的虹膜邊界定位算法5.4.1 極坐標(biāo)下選擇邊界點(diǎn)5.4.2 極坐標(biāo)到直角坐標(biāo)的變換5.4.3 基于邊緣點(diǎn)選擇和圓參數(shù)投票的虹膜邊界定位算法5.4.4 仿真實(shí)驗(yàn)本章小結(jié)參考文獻(xiàn)第6章 眼皮、睫毛、光源像點(diǎn)檢測(cè)6.1 虹膜區(qū)域的干擾6.2 眼皮輪廓定位6.2.1 眼皮定位概述6.2.2 眼皮定位算法6.2.3 眼皮陰影估計(jì)6.3 睫毛檢測(cè)6.4 光源像點(diǎn)檢測(cè)6.5 仿真實(shí)驗(yàn)本章小結(jié)參考文獻(xiàn)第7章 虹膜區(qū)域規(guī)范化7.1 虹膜尺度、位置和方位7.1.1 平移變化7.1.2 旋轉(zhuǎn)變化7.1.3 伸縮變化7.2 虹膜區(qū)域規(guī)范化處理7.2.1 彈性模型7.2.2 虹膜邊界的表示7.2.3 虹膜區(qū)域的表示7.3 虹膜區(qū)域歸范化方法7.4 虹膜區(qū)域大小的確定7.4.1 低頻特征一致原則7.4.2 分辨率確定7.4.3 仿真實(shí)驗(yàn)本章小結(jié)參考文獻(xiàn)第8章 虹膜特征提取8.1 二值相位編碼的特征提取框架8.1.1 特征提取概述8.1.2 虹膜特征提取框架8.1.3 二值模板的匹配算法8.2 基于二維Gabor濾波的特征提取算法8.3 基于多通道Gabor濾波的特征提取算法8.4 基于圖像匹配的識(shí)別算法8.5 基于空域局部過(guò)零檢測(cè)的特征提取算法8.5.1 空域中的虹膜紋理8.5.2 基于局部過(guò)零檢測(cè)的虹膜特征提取算法8.5.3 仿真研究本章小結(jié)參考文獻(xiàn)第9章 虹膜特征匹配9.1 漢明距離計(jì)算……第10章 改善虹膜識(shí)別性能的方法第11章 虹膜圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)系統(tǒng)第12章 第二屆生物特征識(shí)別競(jìng)賽附錄2 生物測(cè)定學(xué)術(shù)語(yǔ)表

章節(jié)摘錄

插圖：生物特征識(shí)別技術(shù)對(duì)于提高信息安全具有重要作用，可廣泛應(yīng)用于很多領(lǐng)域。本章對(duì)身份鑒別進(jìn)行了介紹，通過(guò)分析傳統(tǒng)的身份鑒別方法存在的問(wèn)題，引出了生物特征識(shí)別技術(shù)，并對(duì)目前典型的生物特征識(shí)別技術(shù)進(jìn)行了綜述。1.1 生物特征識(shí)別的產(chǎn)生背景1-1-1傳統(tǒng)的身份鑒別在許多場(chǎng)合都會(huì)面臨查驗(yàn)身份的問(wèn)題，身份鑒別就是通過(guò)各種技術(shù)或者非技術(shù)的手段，對(duì)鑒別人員的身份進(jìn)行確認(rèn)。傳統(tǒng)的身份鑒別方法是將對(duì)人的身份鑒別問(wèn)題轉(zhuǎn)化為對(duì)一個(gè)人身外之物的擁有上，通過(guò)是否具備這些身外的物品或者知道某些知識(shí)來(lái)證明此人的身份，這些證明人身份的東西可分成兩類：（1）標(biāo)識(shí)身份的物品，如鑰匙、身份證、印章、銀行卡、護(hù)照、駕駛證等；（2）標(biāo)識(shí)身份的特定知識(shí)，如用戶名、密碼、暗語(yǔ)等。這兩類標(biāo)識(shí)身份的東西有時(shí)候也結(jié)合使用，如在使用自動(dòng)取款機(jī)時(shí)需要提供ATM卡和密碼。身份鑒別問(wèn)題是一個(gè)非常普遍而重要的問(wèn)題，與人們的生活、工作、出行密切相關(guān)，只有在身份得到確認(rèn)以后才能獲得某種權(quán)利或者許可。例如，在進(jìn)入某單位大門時(shí)，通過(guò)出示證件向門衛(wèi)證明自己的身份，以獲得進(jìn)人的許可；在登陸計(jì)算機(jī)系統(tǒng)時(shí)，通過(guò)輸入用戶名和密碼向計(jì)算機(jī)系統(tǒng)表明自己的身份，以獲得使用計(jì)算機(jī)的權(quán)利；在通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交易時(shí)，通過(guò)數(shù)字簽名技術(shù)向?qū)Ψ阶C明自己的身份，以獲得交易的許可，許多有權(quán)限的場(chǎng)合都會(huì)遇到身份識(shí)別的問(wèn)題。

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