虹膜鉴定特征研究

张翌阳， 唐云祁

(中国人民公安大学侦查学院， 北京 100038)

0 引言

近年来，生物特征识别技术已经广泛应用于公安机关核验人员身份的工作当中，虹膜成为继指纹、人脸、DNA后，又一生物特征识别应用研究热点[1]。虹膜识别是一个典型的模式识别问题，主要步骤包括图像获取、预处理、特征提取与比对[2]。虹膜识别的核心思想就是通过比较虹膜图像特征之间的相似性来确定人们的身份。这种模式之下的虹膜识别精度极高，同时能够进行一对多识别，特别适合用于大规模人群的身份识别[3]。虹膜识别技术在世界上已有很多成功的应用案例，印度的Aadhaar计划[4]于2008年启动，到2016年为12亿人创建生物识别身份，是世界上最大的生物身份识别系统，这个项目将印度公民的身份证编号与本人的虹膜信息以及手机号、银行账户进行绑定，印度公民直接在网上通过虹膜识别即可完成身份识别和验证，进而使印度公民很方便地享受数字化的医疗、社保、培训、就业、移动业务办理以及网上支付等服务。阿联酋的出入境虹膜识别系统[5]是迄今为止国家级规模中最大的虹膜识别系统，所有进出阿联酋的旅客的虹膜都会进行登记，并实时与已登记的中央数据库进行比较，据统计该识别系统每天要进行约27亿次虹膜交叉比对，错误匹配率非常低。

至今，虹膜识别技术已经非常成熟，识别结果的准确度很高。但目前在司法审判过程中，虹膜识别结果还无法直接成为司法证据来使用。相比于DNA和指纹，虹膜还缺少一种鉴定方法，使其识别结果以鉴定文书的形式成为法定证据之一。想要设计一种虹膜鉴定方法， 最关键的问题是寻找依据哪些特征来进行比对，因此本文的研究聚焦在虹膜鉴定方法中的特征选择问题上。

虹膜是位于人眼黑色瞳孔和白色巩膜之间的圆环状区域，在红外光下呈现出丰富的纹理信息，虹膜从婴儿胚胎期的第3个月左右开始发育，到第8个月左右虹膜的主要纹理结构已经成型，除非经过眼外科手术，此后几乎终生不变[6]。虹膜纹理的形成既受遗传因素的控制，同时也受外界环境的影响，即使同一人的左右眼纹理也不尽相同。在研究可用于鉴定的虹膜特征的过程中，基于生物解剖学基础上对虹膜特性的描述是最基本的问题。虹膜的生理结构以及虹膜上各种纹理的形成机理从根本上解释了每一只眼睛的虹膜图像都不相同，虹膜具有唯一性和稳定性[7]。本文结合人眼的解剖学研究，通过观察现有公开虹膜数据库，研究虹膜纹理的形成和红外光下虹膜纹理的成像特点，并探讨在虹膜鉴定过程中纹理特征的选择与使用问题。

1 研究现状

虹膜识别从上世纪90年代就已经开始兴起，1993年，John Daugman博士[8]研究出基于Gabor变换的虹膜识别算法，实现了一个高性能的虹膜识别系统，使虹膜识别技术有了突破性的进展。目前，大部分的自动虹膜识别系统都沿用了Daugman核心算法流程。1996年，Wildes[9]研制成功基于虹膜的身份认证系统。在国内，1998年底中科院自动化所谭铁牛博士[10]开始虹膜识别方面的研究，2000年成功开发出具有我国自主知识产权的虹膜识别系统，填补了国内空白。2000年后，关于虹膜识别算法的科研论文激增。目前的虹膜识别算法在特征提取和比对这一步上可以分为两大类：

第一类算法在虹膜识别过程中将虹膜图像中像素间的灰度变化作为纹理特征，利用滤波器将这种变化信息转换为某种编码形式，然后再进行比对。最具有代表性的就是Daugman利用多尺度二维Gabor滤波器提取归一化虹膜图像的纹理特征，在此基础之上，一些学者进一步发展了该方法。此类虹膜识别算法经过滤波后得到的特征参数很难用人眼去观察和理解，也很难和虹膜图片上的纹理一一对应，虽然识别精度很高，但是却忽略了虹膜本身的纹理形状特征，因此我们无法利用此类虹膜识别模式来完成虹膜的人工鉴定。

第二类算法利用虹膜中的隐窝、裂缝、色素斑和条纹等宏观纹理特征作为匹配和识别的特征参数，其中，Shen F等人[11-13]通过实验证实了隐窝作为虹膜识别特征的有效性，并设计了基于虹膜隐窝特征的虹膜识别算法，同时总结了隐窝纹理的4个特点：①在近红外照明下，隐窝的颜色更深。②隐窝的边缘轮廓明显。③隐窝通常位于卷缩轮附近。④隐窝的形状大多是圆形或椭圆形的组合。但对于其他虹膜纹理，并没有后续的研究。刘笑楠等人[14-16]基于虹膜诊断学的理论，提出了将可见光下的虹膜纹理分为坑洞、色素斑、裂缝、环状条纹4种，又将4种纹理分为块状纹理、线状纹理和环状纹理3大类，有效地将虹膜纹理进行分类，方便后续对各类纹理的识别。可见光下的虹膜纹理相对于红外光下虹膜纹理的成像特点略有不同，光下的虹膜纹理更为清晰和有立体感，对于虹膜诊断学而言更好的细节特征更有利于得到精确的诊断结果。

第二类算法的研究对我们研究虹膜鉴定有着重要的借鉴意义，基于这类论文对虹膜纹理的初步认识，后续开始有人对虹膜纹理特征进行更加深入的研究。陈子龙等人[17]研究基于虹膜图像的人工特征选择和标注方法，提出将虹膜纹理分为放射状沟线、向心沟、卷缩轮、隐窝、色素点五类，在虹膜鉴定过程中，虹膜原始图像和经过计算机归一化处理后的图像要分别进行比对，以及运用计算机辅助对虹膜特征标注的方法。这一研究是虹膜识别技术在检验鉴定领域应用的初步探索，给出了一种运用计算机辅助人工进行虹膜比对的模式。

目前针对虹膜鉴定特征问题的研究仍然无法脱离计算机算法的辅助，尤其对于规格不同的虹膜图像，其中主要指虹膜图片瞳孔大小不一致的情况，仍然需要进行归一化处理后再对虹膜纹理特征进行选择和标注。因此，现有大部分对虹膜纹理特征的研究也是以计算机算法能够识别的纹理特征为主，如虹膜卷缩轮纹理就是在原始虹膜图片上常为不连续的，边界也相对模糊，需要在归一化处理后才能够较为清晰的识别。本文在前人对虹膜纹理研究的基础上，将虹膜图像上虹膜纹理的成像特点进行更为详细的阐述，并且将可用于鉴定的虹膜纹理特征进行粗分类，同时研究了各类虹膜特征在鉴定过程中的使用问题。

2 虹膜简介

2.1 虹膜及其组织结构

虹膜是眼球的重要组成部分，位于眼角膜之后，晶状体之前，将眼房分为前房和后房。从组织学上分析，虹膜组织由前向后分为6层：内皮细胞层、前界膜层、基质层、肌肉层、后色素上皮层和内界膜层[18-20]。

虹膜的直径约为12 mm、厚度约为0.5 mm，四周与睫状体相连，中央的圆孔称为瞳孔。瞳孔会随着光线的变化扩展和收缩，这一过程由虹膜的开大肌和括约肌完成。虹膜表面有很多放射状纹理，瞳孔缩小时，纹理变直；开大时，纹理呈波浪状。放射状纹理的实质是血管的轮廓。在径向方向上，虹膜由距离瞳孔约1.5 mm的虹膜小环(或虹膜卷缩轮)分为瞳孔区和睫状区两大部分[21]，见图1。

1.瞳孔； 2.瞳孔区域； 3.睫状区域； 4.巩膜

瞳孔区，虹膜中靠近瞳孔一侧的区域，各处宽度不一，其宽度随瞳孔大小而改变，瞳孔缩小时增宽，开大时变窄。瞳孔区可以分为两个区域，靠近瞳孔一侧的区域纹理特征主要表现为放射状沟线；靠近卷缩轮附近的区域，纹理特征通常不再呈放射状而是相互交错呈网状结构，网状的凹陷部分，称为虹膜隐窝。

睫状区，虹膜中靠近巩膜一侧的区域，可以分为3个区域，内侧区域靠近卷缩轮附近，纹理特征主要表现为虹膜隐窝和色素斑；中部区域纹理特征主要表现为环状条纹，瞳孔散大时更为明显；外侧即虹膜根部，边缘处也会出现隐窝，但相比于瞳孔区，此处隐窝较窄且多。

2.2 4种虹膜纹理

通过现有虹膜解剖学对虹膜纹理形成机理的认知，再经过对中科院CASIA[22]和吉林大学JLU[23]虹膜数据库中大量虹膜图片的观察分析，结合相关论文，将虹膜纹理分为以下4种：隐窝、色素斑、环状条纹、放射状沟线[14]，见图2。

1.隐窝； 2.色素斑； 3.环状条纹； 4.放射状沟线

2.2.1 隐窝

隐窝大多位于睫状区和虹膜卷缩轮附近，呈现为类椭圆形的立体凹陷，隐窝的大小不等、边缘不规则。成像时隐窝纹理内部相对较暗，轮廓明显，在瞳孔放缩的过程中同一隐窝也可能会呈现出不同的形状。

2.2.2 色素斑

色素斑常位于睫状区内，多数呈不规则形状，颜色深浅不一，褐色到黑色均有。成像时色素斑纹理与隐窝较为接近，但色素斑纹理内部灰度分布比较均匀。相比于其他纹理，虹膜色素斑大多是平面的。

2.2.3 环状条纹

环状条纹通常位于睫状区靠近虹膜外边缘处，多为浅白色的凹沟，且与虹膜内外边缘呈近似同心圆的环状，颜色深浅不一。成像时大多成组出现，对应弧度不超过180°。

2.2.4 放射状沟线

放射状沟线是虹膜表面最常见的纹理，瞳孔区内部非常丰富，在虹膜上呈现出从中心向外扩散的辐射状，数目不定，长短不一，也有部分线条从瞳孔区出发穿过卷缩轮至睫状区。成像时，放射状沟线颜色有深有浅，走向一般为直线型，但也不是绝对规则的直线，具备一定的长宽比。瞳孔区出现的放射状条纹的形成多是由于虹膜前界层及基质层中的纤维细胞和色素细胞排列不同，还有一部分从瞳孔区穿过卷缩轮至睫状区的沟线是由于虹膜基质萎缩，虹膜表面纤维分裂而形成的长形沟。

3 虹膜鉴定可用特征研究

3.1 虹膜鉴定可用特征的分类

现有虹膜库大多采用近红外采集设备进行图像采集，得到的虹膜图像中，上述4种虹膜纹理受图像清晰度的限制往往难以明确区分。直接将4种虹膜纹理当作虹膜纹理特征，在实际鉴定过程中会出现对同一纹理认识不清的情况。如隐窝和色素斑成像特点相近，都为深色块状，经过观察两种纹理大多出现于睫状区和卷缩轮附近，纹理区域内灰度都明显低于周围，且有明显的分界线。另外，虹膜图像上纹理复杂，由于人眼的辨识能力有限，并不是所有的纹理都可以成为鉴定时的特征点，在做鉴定的过程中需要挑选清晰且有代表性的特征。因此按照4种纹理的形态特点将其又分为块状、线状和环状3大类，并且明确了在鉴定过程中如何选择各类特征。

3.1.1 块状特征

虹膜隐窝是一种立体纹理特征，色素斑是一种平面纹理特征，但因为两者在虹膜图像中形状相似，大多都呈现出容易辨识的块状特性，因此将虹膜隐窝和色素斑归为块状特征。通过对虹膜图像的观察，块状特征多出现在卷缩轮附近，此处的虹膜纹理特征非常明显。在选择块状特征作为鉴定虹膜的特征点时，需要注意以下几个问题。

首先是块状特征的定义问题，即一幅虹膜图像上哪些是块状特征，属于块状特征的前提是属于虹膜隐窝或色素斑，块状特征主要还是以类椭圆形为主，要尽量选择边缘轮廓清晰的块状特征作为特征点，最后按逆时针方向进行标号。

其次是块状特征的定位问题，此过程中需要用类似于极坐标系的方式对块状特征的位置进行描述，并引入长轴与短轴两个参数。将虹膜近似看成同心圆环，以瞳孔中心为原点，在图像右侧选择一清晰的块状特征标记为1号，1号块状特征的中心为第二定点，瞳孔中心与特征中心两点连线为极轴。将虹膜划分为与瞳孔同心的四个圆环，从内到外依次标记为A,B,C,D。规定块状特征边界上相隔最远的两点连线的线段为长轴，与此垂直且最长的与边界的两个交点间的线段为短轴，长轴和短轴的交点坐标来描述特征的位置，如图3。这里的块状特征中心坐标用(i，θ)来表示，其中i表示块状特征中心所处第i圆环内，θ类似于极坐标中的极角，取(0°，360°)，如图4中1号块状特征坐标为(C，0)，2号块状特征的坐标为(C，θ)。使用块状特征中心点的大概位置代替极径的具体数值，是考虑到块状特征会随瞳孔的放缩而产生一定变化，也是为了方便后续对块状特征进行比对。

图3 块状特征长短轴示意图

最后是块状特征形状和方向的描述问题，使用长轴和短轴两个参数对形状进行描述，同时极轴绕瞳孔圆心逆时针旋转至与块状特征长轴所在直线平行时转过的最小角度α为块状纹理的方向。实际进行虹膜比对时，同一块状特征在瞳孔放缩程度不同时，形状和方向都会产生较大变化，因此不适合对所得参数直接进行比对。块状特征标注示例见图4。

图4 块状特征标注示意图

3.1.2 线状特征

放射状沟线是虹膜图像中出现最多的虹膜纹理，根据其均为径向放射状直线的特点，将其单独归为线状特征。线状特征起点出现的区域为虹膜瞳孔区靠近瞳孔边缘，终点为虹膜卷缩轮附近，有很少一部分会穿过卷缩轮到达睫状区。

在选择线状特征作为鉴定虹膜的特征点时，需要对线状特征的位置、方向进行讨论。线状特征对虹膜图像的清晰度要求比较高，同块状特征一样，逆时针依次标号。线状特征的形状虽然大多呈现为直线型，但实际上是一个长条状的特征，也具有一定的宽度，因此线状特征也有相应的长轴与短轴。线状特征的位置和块状特征位置的描述方法一样，用长短轴交点作为线状特征的中心，中心坐标即为线状特征的位置。这里坐标系的建立和表示和块状特征相同，在没有明显的块状特征时，在图像右侧选择一条清晰的线状特征作为极轴，并标记为1号线状特征，如图5所示。线状特征的方向与块状特征略有不同，由于线状特征大多都是径向放射状的直线，因此线状纹理的方向均为由瞳孔边缘指向虹膜外边缘，用角度β表示，如图5中2号线状特征的方向如箭头所示。

图5 线状特征标注示意图

3.1.3 环状特征

环状条纹主要位于睫状区虹膜外边缘附近，因为环状线条的形状为与虹膜内外边缘近似同心的一段圆弧，因此将虹膜环状条纹单独归为环状特征。

在选择环状特征作为鉴定虹膜的特征点时，需要注意不是每枚虹膜上都有环状条纹这种纹理。当环状特征成组出现时，依次由内向外对每条特征进行标号。环状特征的位置用两端点的坐标表示，端点坐标的表示与块状特征相同。

3.2 3种特征在鉴定中的应用

下面通过示例来说明如何运用以上3种特征进行鉴定和比对。图6中有3幅虹膜图像，其中检材1与样本来自同一只眼睛，但瞳孔的大小不同；检材2来自另一只眼睛，但和样本之间有一些相似之处。图6中3幅虹膜图像的分辨率一致，后续使用PS软件测量特征的长轴和短轴时单位为像素。在进行特征标注时，先在样本虹膜图像上挑选比较清晰的特征进行标注，再在检材上找出与样本特征相对应或位置相近的特征进行依次标注。图6样本和检材中的12、13、14、15号特征为线状特征，其余均为块状特征。

图6 虹膜鉴定示例

对比表1和表2可以看出检材1和样本在选择的17个特征中参数i的值完全相同，θ值的偏差不超过3°，有10个特征在方向这一参数上的偏差不超过5°，但长轴和短轴的长度与样本差距比较大。对比表1和表3可以看出，检材2和样本在选择的17个特征中，有15个特征参数i的值相同，7个特征θ值偏差不超过3°，仅有3个特征在方向这一参数上偏差不超过5°，长轴和短轴的长度与样本同样差距较大。

表1 样本特征参数表

表2 检材1特征参数表

表3 检材2特征参数表

经过综合分析，虹膜由于瞳孔放缩，对各类特征的大小和形状影响很大，但对特征的相互位置关系以及特征的方向影响比较小，因此认为长轴和短轴的长度与样本差距较大属于非本质差异，特征的相互位置关系和特征方向与样本的不同属于本质差异。因此，图6中检材1基本可以与样本认定同一，而检材2则可以看到与样本明显的差异，可以给出否定的结论。

4 结论

随着生物识别技术的发展，虹膜识别技术在公安领域的应用也越来越广泛，虹膜鉴定工作是虹膜识别技术应用的最后一个环节，其结论以鉴定书的形式成为法定证据之一，对使用虹膜图像认定人身，拓展虹膜识别技术在刑事技术领域的应用具有极为重要的意义。本文通过阅读相关文献，将虹膜纹理总结为隐窝、色素斑、环状条纹、放射状沟线4种，并依据其形态特点和鉴定需要，将4种虹膜纹理分为3大类可用于虹膜鉴定的特征，其中隐窝和色素斑属于块状特征，放射状沟线属于线状特征，环状条纹属于环状特征。并根据不同纹理的特点，对3类纹理的特征使用方法分别进行讨论，解决了虹膜人工鉴定中的特征选择和使用问题。但是本文只是虹膜鉴定研究的第一步，后续想要形成一套系统的虹膜鉴定方法还需要接下来进一步研究。