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8月2日三星推出了搭載虹膜識別的Note 7手機。為什么指紋識別普及了這么長時間，手機虹膜識別才姍姍來遲?虹膜識別的原理是什么?安全性怎么樣?請看下面的科普文章，為你解答這些問題。 一、虹膜識別的由來與簡介 虹膜識別的方法最早由美國的眼科醫(yī)生Leonard Flom 和 Arin Safir在1987年提出來的。虹膜識別的算法是由劍橋大學(xué)John Dargman博士研究出來的。他提出了對虹膜進(jìn)行編碼、比較的數(shù)學(xué)算法。 虹膜是瞳孔周圍的環(huán)狀顏色組織，它有豐富而各不相同的紋理圖案，構(gòu)成了虹膜識別的基礎(chǔ)。虹膜識別技術(shù)是通過一種近似紅外線的光線對虹膜圖案進(jìn)行掃描成像，并通過圖案象素位的異或操作來判定相似程度。虹膜識別過程首先需要把虹膜從眼睛圖像中分離出來，再進(jìn)行特征分析。理論上找到兩個完全相同的虹膜的概率是120萬分之一。這也是目前已知的所有生物識別技術(shù)中最為精確的。 虹膜識別因為設(shè)備復(fù)雜，掃描距離短(一般要求在7英寸范圍以內(nèi))，以及使用者心理上對健康的擔(dān)心，而未能在民用市場大量使用。  一個人的虹膜在發(fā)育成熟后終生不變，且具有極高的唯一性，因此，是一種安全性(密切量)極高的人體生物特征。虹膜是與視網(wǎng)膜不同的概念，它存在于眼的表面(角膜下部)，是瞳孔周圍的有色環(huán)行薄膜，人眼的顏色就是由虹膜決定的，不受眼球內(nèi)部疾病的影響。 虹膜讀取裝置主要是攝像機，只要眼睛正視攝像頭就可完成信息讀取。它的特點是不需要接觸識讀設(shè)備，但也需人體配合(不能閉眼，側(cè)面對攝像機)才能攝取有用信息，因不便嚴(yán)格規(guī)定人的位置，系統(tǒng)的誤識率很低，拒識率則較高。 虹膜作為特征的另一優(yōu)勢是不易仿造，但環(huán)境條件的限制，在安全防范系統(tǒng)中應(yīng)用尚不普遍。 二、基于虹膜的人體特征識別方法研究 虹膜識別技術(shù)的一般過程 虹膜識別技術(shù)的過程一般來說分為：虹膜圖像獲取、圖像預(yù)處理、特征提取和特征匹配四個步驟。 虹膜圖像獲取是指使用特定的數(shù)字?jǐn)z像器材對人的整個眼部進(jìn)行拍攝，并將拍攝到的圖像通過圖像采集卡傳輸?shù)接嬎銠C中存儲。 圖像預(yù)處理是指由于拍攝到的眼部圖像包括了很多多余的信息，并且在清晰度等方面不能滿足要求，需要對其進(jìn)行包括圖像平滑、邊緣檢測、圖像分離等預(yù)處理操作。 特征提取是指通過一定的算法從分離出的虹膜圖像中提取出獨特的特征點，并對其進(jìn)行編碼。 最后，特征匹配是指根據(jù)特征編碼與數(shù)據(jù)庫中事先存儲的虹膜圖像特征編碼進(jìn)行比對、驗證，從而達(dá)到識別的目的。 獲取眼部圖像 本文的虹膜圖像攝取裝置如所示，采用的是卓為(SOVIC)SP-313 攝像頭。該攝像頭采用的是最新CCD效果的CMOS感光芯片，圖像分辨率為 35萬像素(640×480無軟件插值)，內(nèi)置低照度的輔助光源，能最大限度減少對人眼的刺激，使用時配以人工暗室，使人的眼部圖像更清晰、明亮。是本設(shè)計采用的攝像頭獲取到的人眼部圖像。 虹膜圖像攝取裝置 獲取到圖片數(shù)據(jù)后，只需要將其按照一定的圖片格式寫入文件，即可完成需要的眼部圖像在計算機中的存儲。本文程序中采用的是BMP格式的圖像文件，因為BMP圖像文件存儲的圖像數(shù)據(jù)沒有經(jīng)過壓縮，方便以后對圖像進(jìn)行的預(yù)處理。 人的眼部圖像 眼部圖像的預(yù)處理 BMP圖像文件格式主要有1、4、8、16、24和32位等圖像格式。32位BMP圖像文件格式表示該圖像有232種顏色，圖像中的每個像素用32位表示，一般情況下該文件格式?jīng)]有調(diào)色版，32位中的最高8位保留，其余8位表示紅色，8位表示綠色，8位表示藍(lán)色。8位BMP圖像文件表示該圖像有256種顏色。圖像中的每個像素用8位表示，并用這8位作為索引在彩色表中查找該像素的顏色，8位BMP圖像一般也叫做灰度圖像。 在本文獲取到的圖像是32位的彩色BMP圖像。32位的彩色圖像存儲的圖像色彩數(shù)據(jù)較多，圖像文件的尺寸也較大。但是從本文圖像識別的要求來看，這些都是不必要的，因此有必要將其轉(zhuǎn)換為8位的灰度圖像。 轉(zhuǎn)換公式如下所示。 其中Gray (i， j)為轉(zhuǎn)換后的黑白圖像在(i，j)點處的灰度值，由于公式中綠色所占的比重最大，所以轉(zhuǎn)換時可以自接使用G值作為轉(zhuǎn)換后的灰度。轉(zhuǎn)換后的灰度圖像如所示。從圖像上看與32位RGB圖像沒有大的不同，但是圖像文件的尺寸從1.17Mb縮小到了301Kb。 人眼部圖像的灰度圖像 將獲取到的眼部圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像之后，還需要對灰度圖像進(jìn)行去噪聲處理。本文采用的是空域法中的加權(quán)均值濾波，它是用一個有奇數(shù)點的滑動窗口在圖像上滑動，將窗口中心點對應(yīng)的圖像像素點的灰度值用窗口內(nèi)的各個點的灰度值的平均值代替，如果滑動窗口規(guī)定了在取均值過程中窗口各個像素點所占的權(quán)重，也就是各個像素點的系數(shù)。 提取虹膜圖像 此過程需要讀取眼部圖像的數(shù)據(jù)，檢測虹膜圖像的內(nèi)外邊緣，提取內(nèi)圓圓心坐標(biāo)及短半徑，再求出虹膜長半徑，建立極坐標(biāo)系，分離虹膜圖像，最后進(jìn)行特征提取。 和眼睛的其他部分相比，瞳孔的灰度值要小得多，也就是顏色要暗得多，而且在灰度級上有一個明顯的突變，也就是說在瞳孔的灰度級要比其他部分的灰度級“黑得多”。因此，可以充分利用這個特性，對圖 2進(jìn)行直方圖分析，結(jié)果如圖 4所示。 灰度直方圖 對計算結(jié)果可以得出，圖像灰度值從 62開始，且圖中存在若干個峰值點。我們已知瞳孔的顏色最暗，因此可以判定第一個波峰為瞳孔的灰度分布。具體觀察第一個峰值，其基本呈正弦函數(shù)狀分布，以72為波峰(值：884)，左側(cè)62(值：0)為波谷，1/4 周期為10。據(jù)此，我們確定右側(cè)的波谷為82。根據(jù)分析結(jié)果，對圖 4進(jìn)行二值化，閾值為 82，可以求出虹膜的長半徑，如所示。 虹膜長半徑 三、手機虹膜識別 手機應(yīng)用虹膜解鎖是否實用 既然前面網(wǎng)友問到了是否靠譜的問題，那么我們就接著這個問題來延伸著談一談，不考慮技術(shù)問題，如果虹膜解鎖能夠克服環(huán)境的影響，那么將其應(yīng)用在手機中還是比較實用的。 如果可以實現(xiàn)百分百的識別，從生物特性來說，虹膜解鎖，要比指紋掃描、Touch ID更加安全，理論上來說，只有DNA才能超過它。在人體生物特征識別領(lǐng)域，認(rèn)假率是十分重要的指標(biāo)，它的數(shù)值越低，就代表識別越精確，也就越能減少出錯的可能性。虹膜識別的認(rèn)假率為1/1500000，而TouchID的認(rèn)假率為1/50000。而從唯一性來說，當(dāng)人到兩歲以后，人類眼睛的虹膜就幾乎不會再發(fā)生變化，所以將虹膜作為“密碼”有著更好的“長期安全性”。 虹膜識別是否會傷眼睛? 三星Note7的虹膜識別系統(tǒng)包含一個特定光源，以此發(fā)射紅外線輔助掃描，可以保證晚間虹膜識別的正常使用。因此有人不免擔(dān)心，既然有額外的紅外線參與，使用虹膜識別是否也會對眼睛造成傷害?這里我們具體講一下，一般用于虹膜識別的紅外線波長在700-900納米之間，能量小，低于國際安全標(biāo)準(zhǔn)，保持一定的距離使用大可放心，但是不排除一些敏感體質(zhì)會有異常的反應(yīng)，因此特殊人群也要注意。 還有，由于眼鏡的光學(xué)特性，對于虹膜的掃描會造成影響，可能導(dǎo)致虹膜識別失敗，所以并不建議佩戴眼鏡使用虹膜識別。 虹膜識別取代指紋識別? 由于三星的影響力，虹膜識別再次被推到舞臺中央，使其產(chǎn)業(yè)鏈得到普遍關(guān)注，未來在移動端的發(fā)展也是被普遍看好，大有當(dāng)年蘋果推出Touch ID的狀況，關(guān)于虹膜識別即將取代指紋識別的討論也隨之而來。筆者認(rèn)為，還是應(yīng)當(dāng)理性看待虹膜識別，這僅是移動端安全認(rèn)證的另一種選擇。就體驗而言，目前指紋識別已經(jīng)普及，滲透到了隱私加密、支付等場景，使用十分方便。特別是在解鎖的場景中，我們從兜中拿出手機，手指作為最先接觸手機的部位，無疑是解鎖的第一選擇，而眼睛唯有在面對手機時，才有機會開啟解鎖，因此指紋識別的優(yōu)越性依舊明顯。 但是這并不代表虹膜識別就一定處于劣勢，正如開頭所言，虹膜識別的安全性無可附加，因此在一些高層級安全場景中可以發(fā)揮重要作用。比如支付認(rèn)證的情景，用戶剛好面對手機，不用挪動手指，僅需要給手機一個眼神，就可以完成支付，既安全又方便。因此，指紋與虹膜各有優(yōu)勢，適用于不同場景，是一種互補的存在。 總結(jié)起來，指紋識別的產(chǎn)業(yè)成熟，應(yīng)用生態(tài)完善，依舊是移動端的主要選擇。而虹膜識別作為一種更加先進(jìn)的存在，會持續(xù)完善，為高層級的安全認(rèn)證提供有力的支持。 |
