中远距离虹膜识别的专利分析

华李健 胡晓敏 安增娟

摘 要：【目的】中远距离虹膜识别是一种具有高可靠性和高稳定性的生物特征识别技术，通过中远距离虹膜识别的专利分析，了解该技术的发展趋势。【方法】对中远距离虹膜识别技术专利的申请趋势、技术专业等方面进行分析。【结果】目前中远距离虹膜识别处于技术成长期，以中国科学院孵化企业为代表的国内企业虹膜识别产品在国内占有率高于国外产品，整体上处于产业链前端。【结论】我国在该技术领域具有较强的研发实力和专利保护意识，在产业后续发展过程中，可重点关注产业培育、招商路径、关键技术及应用安全性等方面。

关键词：虹膜识别；生物识别；中远距离；专利分析

中图分类号：G306      文献标志码：A     文章编号：1003-5168（2024）04-0142-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.04.027

Patent Analysis of Medium and Long Range Iris Recognition

HUA Lijian    HU Xiaomin    AN Zengjuan

（Tianjin Intellectual Property Protection Center， Tianjin 300384， China）

Abstract： [Purposes] Medium and long distance iris recognition is a highly reliable and stable biometric identification technology. By analyzing the patents related to medium and long distance iris recognition， the development trends of this technology can be determined. [Methods] The application trend of medium and long distance iris recognition patents and technical expertise were analyzed. [Findings] At present， medium and long distance iris recognition is in the stage of technological growth. Domestic companies， represented by Chinese Academy of Sciences-incubated enterprises， have a higher market share in iris recognition products compared to foreign products， positioning themselves at the forefront of the industry chain. [Conclusions] China has strong research and development capabilities and a high awareness of patent protection in the field of medium and long distance iris recognition. In the subsequent development of the industry， attention should be focused on industry cultivation and investment promotion， key technologies， and application security.

Keywords： iris recognition; biometrics; medium and long distance; patent analysis

0 引言

随着社会经济的进步，网络化和信息化技术深入发展，人们对身份识别提出了更高的要求［1］。虹膜特殊、复杂的生理特性，使虹膜具有稳定性、非侵犯性、唯一性、防伪性和极坐标性等特点，使其在身份识别中具有非常大的优势［2］。近年来，虹膜识别得到了学术界、产业界和政府的广泛关注。我国人口基数大、人口流动性强是社会治理面临的难题，中远距离虹膜识别技术的发展对于我国的社会稳定及国防安全都有很重要的战略意义。因此，应重视该技术领域的自主研发、技术储备及应用，实现虹膜识别技术的自主可控，打造符合国家安全要求的、技术领先的虹膜识别系统。

虹膜识别是20世纪90年代兴起的生物特征识别技术，在近十年的研究中，虹膜识别技术已经取得了较大进展，但由于人眼结构的复杂性、应用环境的多样性，虹膜识別领域还有很多亟待解决的问题。中远距离虹膜识别是相对于近距离虹膜识别而言的，一般认为人眼距离虹膜摄像头0.2～1 m的距离为中距，1～3 m的距离为远距。中远距离虹膜识别在保证其高可靠性和高稳定性的同时，具有更高的非侵犯性，也具有更高的技术接受程度。随着人工智能产业的不断发展，虹膜识别技术在未来的智能安防、智能制造、智能家居、智能医疗、智慧城市的建设当中，会有更为广阔的应用前景［3］。

1 专利数据来源

本研究的专利文献数据主要来自incoPat数据库，数据检索截止时间为2022年12月31日。利用相关检索结果对中远距离虹膜识别技术的全球专利进行检索分析。

2 中远距离虹膜识别专利数据分析

2.1 全球专利申请趋势

全球中远距离虹膜识别专利的总申请量达3 164项，其中大部分为虹膜识别算法。中远距离虹膜识别技术的全球专利趋势如图1所示。由图1可知，虹膜识别技术的相关专利申请态势可分为4个阶段。

2.1.1 技术探索期（1996—2000年）。虽然远距离虹膜识别的产品于2006年才开始进入市场，然而相关的专利申请时间却远远早于该时间点。1996年12月，美国的Sarnoff公司提出的专利申请US6714665B1，公开了远距离虹膜识别设备硬件的技术方案。1999年3月，日本OKI公司提出了专利申请JP2000259817A，可以测量虹膜识别器与用户之间的距离，通过对用户距离加以引导，可以在中距离上实现虹膜识别。2000年3月，韩国人KIM HOE YUL提出了KR100397750A专利申请，可以在中距离上快速锁定虹膜位置。1996—2000年申请量均较少，属于中远距离虹膜识别技术的起步阶段。总体而言，随着虹膜识别远距离需求的到来，这一阶段是远距离虹膜识别技术的储备阶段，可以称为技术探索期。

2.1.2 中距快速发展期（2001—2004年）。该阶段，专利申请量呈现出显著增长。这种显著增长的原因有多种，如国际反恐行动、互联网广泛应用等，这些能使生物识别技术炙手可热，因此许多公司投入了大量人力、财力进行相关产品和技术的研发。指纹识别应用中出现的不准确、易伪造等特性，促使了虹膜识别技术受到重视，同时对于虹膜识别成本、安全性、非配合性的改善或提升促使远距离虹膜识别的研发得到了快速发展。从最早的贴近式虹膜识别设备发展到几米远的虹膜识别，需要考虑光学采集设备的适应度、识别算法、设备成本等诸多因素，因而虹膜识别的距离也由近及远地发展。这一阶段专利申请技术主题主要涉及中距离虹膜识别技术，总申请量中约72%的申请涉及中距离虹膜识别，其余则是关于远距离和非配合的申请。总体来说，这一阶段是第一次中距离虹膜识别技术快速发展期。

2.1.3 远距快速发展期（2005—2011年）。2005年，美国Sarnoff公司研发了一种可以在3米远进行远距离虹膜识别的原型系统Iris-on-the-move（I0M）并逐渐投放市场。该系统利用高像素摄像机组成的阵列在远距离拍摄虹膜图像，当人走过一个固定位置时，系统就可以抓拍下他的虹膜图像并进行识别，成为虹膜识别技术发展中的一个具有里程碑性质的突破。该阶段专利申请量维持稳定，但虹膜识别的距离则呈现出由中距离向远距离发展的态势，专利申请主题主要涉及1 m以上远距离虹膜识别技术。总体来说，这一阶段各国对于远距离虹膜识别的研发投入都很大，处于远距技术的快速发展期。值得一提的是，这一阶段是中国国内远距离虹膜识别专利申请开始增长的阶段，主要申请主体为国内高校和科研机构，如中国科学院自动化所等。

2.1.4 发展高峰期（2012—2021年）。此阶段，仅2012年一年的申请量就达到了100项，之后申请量逐年快速增长并保持高位。这一时期涉及中距离、远距离和非配合技术的专利申请量较为均衡，虹膜识别设备的硬件不断在改进，算法也在进一步探索，技术发展方面已由单纯的识别距离发展为对中远距离识别低成本和高识別率的追求。

2.2 首次申请国家/地区分析

全球中远距离虹膜识别专利的首次申请国家/地区分布如图2所示，可以看出中、日、美、韩四国占据了首次申请国家/地区的前四名。

其中，中国以将近50%的占比排名榜首，反映出中国在该技术领域方面较强的研发实力和较强的专利保护意识。以中国为首次申请国家/地区的专利大多集中在算法和系统应用上，主要涉及分类号大类G06（IPC含义：计算；推算；计数）。经分析，中国的申请人数量众多也是中国的中远距离虹膜识别专利技术排名第一的原因之一。

美国以14%占比排在中国之后。但是与中国情形不同的是，美国专利申请在算法方面集中度更高，超过85%的专利申请均为算法方面专利，体现出美国在原创性算法和人工智能识别领域的技术优势。其次是韩国12%、日本6%。总体上看，中美韩日四国专利申请占比之和达到了80%，说明该四国在虹膜识别技术领域占据着统治地位。

各国中远距离虹膜识别的专利申请随年份变化如图3所示。美国较早在该技术领域进行了基础性专利布局，而我国首件专利申请出现得较晚，并且在2011年以前都未超过30项。2012年之后，我国专利申请量快速增长，2018年已达到单年240项，这与我国近年来产业转型升级、大力发展人工智能和新一代信息技术、科技人员创新能力不断提升是密不可分的。美国近些年的虹膜识别技术发展态势与中国的发展态势相类似，美国的专利技术在2016年前每年申请量不超过30项，但在2017年后每年申请量迅速增加，2018年达到62项，领先于韩国和日本。

综合来看，虽然各国在虹膜识别技术方面申请量在近几年都维持在高位，但是各国的技术发展并不均衡。中国虹膜识别技术发展势头迅猛，已经逐步形成技术优势，这对提高我国在虹膜识别技术领域的话语权具有重要意义。

2.3 主要申请人分析

2.3.1 LG集团。LG集团在获得Iridian虹膜识别核心软件技术授权的基础上开发虹膜识别产品，在市场上占据重要地位。Iridian的两项专利US4641349A和US5291560A作为虹膜识别领域的核心专利，分别从概念上和算法上提出了虹膜识别技术。LG集团本身并不具备该核心专利的专利权，但通过获得Iridian的虹膜识别核心技术专利权许可，并以此为基础进行了大量的外围专利申请，分别采用不同的申请策略进行了外围专利的布局。LG集团的专利布局策略可以为我国暂不具备核心专利技术的虹膜识别相关企业，尤其是硬件生产和集成相关企业提供参考。

从技术主题来看，LG集团专利申请同时涵盖了作为底层技术的核心算法和硬件设备，以及作为上层应用的人机交互和应用扩展，并且以硬件设备改进为主，核心算法的改进次之，这与其主要以硬件生产为主、虹膜识别产品使用Iridian授权许可的核心算法有关。从技术功效来看，图像采集是其研发重点，LG集团在图像采集的易用性方面进行了大量的专利布局，这也在一定程度上反映出虹膜识别硬件系统的研发侧重于虹膜图像采集过程中如何提升用户体验。

2.3.2 北京中科虹霸科技有限公司。北京中科虹霸科技有限公司（以下简称中科虹霸）由中国科学院自动化研究所设立，是专业从事机器视觉、生物特征识别等人工智能领域的技术研究、产品开发与成果转化的国家级高新技术企业。中科虹霸专利申请的主要发明人是原中国科学院自动化研究所研究人员，主要研究思路和专利布局均延续中国科学院自动化所研发思路，且有10项专利是由中国科学院自动化所转让所得，也能说明二者合作关系非常紧密。该公司专利类型覆盖较全，包括产品外观、核心算法、产品构造等，专利布局较完善。

2.3.3 中国科学院自动化研究所。基于传统教学研究体系，发明人关系多为师生关系，其中谭铁牛、孙哲南是中远距离虹膜识别的主要发明人，二人合作申请了大量虹膜识别相关专利，为中远距离虹膜识别技术铺平了国内产业化的道路，奠定了中国科学院团队在国内中远距离虹膜识别领域的领导地位。中国科学院自动化研究所团队提出的一系列中远距离虹膜识别技术，不仅延续了虹膜识别领域Daugman、Wildes和Boles 三大系统，而且独创了基于定序测量的虹膜识别技术，是相关技术成果能够迅速产业化的基础。

2.4 重点专利分析

US5291560A：該专利属于虹膜识别系统应用的最早申请，申请人为John Daugman，受让人为IriScan（现已被法国莫弗公司收购）。该专利提出了一种搜索虹膜的中心和半径的方法来定位虹膜的边缘，其思想就是在虹膜图像中一定的区域内以一个圆形边缘探测器反复寻找虹膜的内外边缘，直至找到最佳匹配的两个圆。该算法的速度很大程度上依赖于对虹膜图像库的先验信息。其先大致确定瞳孔的圆心区域，由该区域的点组成瞳孔圆心的候选集，以候选集的每一个点为圆心，沿半径方向搜寻圆形模板，这是一个很耗时的搜索过程，而候选点集的准确性和大小也影响了算法的速度。John Daugman首先通过圆形模板来检测虹膜的内外边界，然后应用2-D Gabor变换将经过预处理的虹膜图像进行滤波，并映射到一个虹膜代码（Iris Code），最后利用归一化的Hamming距离来实现虹膜特征匹配，通过和CCD设定阈值的比较，最终实现识别认证［4］。

US5751836A：该专利技术允许用户在不需要任何物理接触的情况下获取虹膜图像，不受初始空间条件限制，通过使用归一化的空间相关性进行比较，将用户的虹膜空间定位数据与存储数据进行模式匹配，然后判断虹膜的图案是否与存储数据匹配。

US4641349A：该专利的发明人为Leonard Flom，该项专利为虹膜识别的最早概念性专利。其与US5291560A相比，虽然没有涉及具体的虹膜识别系统的设计问题，但是提出了可以使用虹膜进行身份识别的概念，因此也被认为是虹膜识别领域开创性的专利之一。该专利自1987年2月3日授权以来，累计引证频次642次，具有10项同族申请，同时该专利也受让给了IriScan。IriScan利用该专利，对其他采用虹膜进行身份识别的公司进行了大量的专利诉讼和专利许可，实现了其专利效益的最大化。

US6247813B1：该专利的发明人为韩国金大训（KIMDAEHOON），受让人为韩国Iritech。该专利具有虹膜识别活体检测部分，其特征在于有抓取虹膜图像以建立虹膜图像信号的照相机的虹膜图像获取单元。虹膜图像获取单元由控制单元操作，其接口连接有数据处理单元用于将输入的图像信号预处理为处理后信号。处理后数据由从参数组中选择的一系列的用于虹膜识别的一个参数所表示，此参数组包括：1采用频率变换方法的虹膜纤维结构的密度和结构；2瞳孔反射；3瞳孔的形状；4自主神经环反射；5自主神经环的形状；6暗点的存在；7暗点的位置和8暗点的形状。控制单元可操作用于将处理后的数据同参数比较以判断是否标示有匹配的识别确认。该专利近年来累计引证频次达286次，具有11件同族申请，也是虹膜识别的重要专利之一。

US6526160B1：该专利的申请人为日本媒体技术公司，该项专利能够极大减少从虹膜图像拾取装置到产生虹膜识别码的时间，简化系统。目前该专利还处于有效状态，累计引证频次184次。

3 结论及建议

3.1 产业培育及招商路径方面

通过梳理国内外中远距离虹膜识别产业主体的专利布局情况可知，国外中远距离虹膜识别技术研究主体主要是企业，具有一定专利储备的科研院所相对较少。对于国内创新主体而言，可以通过跟踪该技术领域专利申请量较多的申请主体合作、引育初创企业了解竞争对手实力储备，甚至寻找产业转化客户来源。从产业角度来看，一方面要做好产业发展配套措施，给予足够的产业扶持政策、人才引进计划，并给予创新创业孵化方面的便利措施。另一方面要结合智能产业“十四五”规划，引入国外优势企业，激活产业集群的竞争，促进产业健康发展。而未来在进行本领域的招商引资时，可重点考虑该领域技术实力较为突出的创新主体。技术往往与专利直接关联，因此专利是考评企业技术实力的较好抓手。

3.2 关键技术方面

关键技术方面，建议产业链上企业重点关注以下三方面。

3.2.1 虹膜采集设备。虹膜采集设备是中远距离虹膜识别技术的基础，同时也是实现起来比较困难的步骤。由于虹膜识别的有效采集面积小，需要高倍光学系统来支撑识别算法所需的图像分辨率，因此对光、机、电技术都有很高的要求。企业需要重点关注动态、中远距离、快速获取高质量虹膜图像相关技术。此外针对虹膜颜色较深这一情况，在虹膜图像采集的摄录设备上有着更高要求，因此光学系统、配置光源和电子控制单元等技术需要根据采集人种特点进行合理化设计。

3.2.2 虹膜图像识别。针对采集到的虹膜图像的质量判定及虹膜定位是虹膜自动识别的重要一环。由于图像采集过程中存在多种干扰因素，虹膜定位及虹膜特征的选择也是重点研究方向，如何在虹膜识别和注册过程中选取更稳定的特征来进行分析识别也是技术发展面临的重点问题之一。

3.2.3 提升虹膜识别鲁棒性。虹膜识别图像实际采集过程中通常面临着图像采集不完整、强弱光环境干扰、采集人员配合性低等情况，针对此类情况对于更高效的采集设备和降噪算法的研究对于虹膜识别技术的实际应用具有重要意义。

3.3 应用安全性方面

目前虹膜识别技术在应用过程中，还存在安全隐患，主要表现为虹膜原始图像的泄露和虹膜特征模板的图像复原，企业应关注该方面技术研发和储备。在安全性方面应重点关注以下两点。

一是虹膜原始图像的泄露。虹膜原始图像是个人隐私数据的集中体现，公安领域虹膜应用过程中的采集、传输、入库、比对等各个环节均存在隐私泄露的风险。

二是虹膜特征模板的图像复原。通过算法利用虹膜的特征模板复原出与采集的原始虹膜图像不完全一样的虹膜图像，但由于符合特征模板中的识别特征，复原的虹膜图像能达到与原始图像同样的识别判定结果，同样存在安全性风险。

对以上虹膜识别应用的安全隐患，应研究基于密码学的原始图像和特征模板保护方案对虹膜数据进行安全性保护，以满足用户在身份采集、存储和认证过程中对隐私保护的安全性需求。虹膜特征的唯一性在出现数据泄露风险时也可能成为该项技术的缺点，因此虹膜识别技术应用时的数据安全问题也是该项技术发展所面临的严峻考验之一。

参考文献：

［1］李星野，刘新亮. 虹膜识别［J］. 上海理工大学学报，2011，33（4）：384-390.

［2］王晓霞. 虹膜识别的专利申请分析［J］. 科技尚品，2017（4）：22.

［3］付振康，方心如. 基于专利的我国虹膜识别技术领域PEST分析［J］. 科技创新与应用，2021，11（24）：1-6，13.

［4］梁艳，曾碧卿. 基于区域生长与Hough变换的虹膜定位方法［J］. 计算机工程与应用，2012，48（8）：200-202.