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2016人工智能湖南論壇暨自興人工智能研究院揭牌儀式，來自國內(nèi)外的許多頂級專家在會上給我們做了報告。中國科學(xué)院自動化研究所模式識別國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員、天津中科智能識別產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院院長孫哲南研究員就虹膜識別這一話題做了詳細(xì)的講解。
今年是人工智能60周年，像虹膜、人臉、指紋識別是比較實(shí)用的人工智能，也是發(fā)展利用比較成功的幾個方向?，F(xiàn)在的智能手機(jī)基本上都是用指紋識別來解鎖，最近三星發(fā)布的新手機(jī)就會有虹膜解鎖，因此現(xiàn)在很多人不太了解虹膜識別，我給大家做個科普。
什么是虹膜？
虹膜是位于人眼表面黑色瞳孔和白色鞏膜之間的圓環(huán)狀薄膜，在紅外光下呈現(xiàn)出豐富的視覺特征，如斑點(diǎn)，條紋，細(xì)絲，冠狀，隱窩等。
現(xiàn)在識別人的身份主要有人臉識別和指紋識別，其實(shí)虹膜有很大的優(yōu)勢。
1. 唯一性：虹膜的形成主要是由胚胎發(fā)育環(huán)境的隨機(jī)因素所決定，虹膜紋理中隨機(jī)分布的細(xì)節(jié)特征決定了虹膜模式的唯一性，虹膜具有獨(dú)一無二的紋理結(jié)構(gòu)，虹膜上面的細(xì)節(jié)特征自由度是幾百個的數(shù)量級，因此可以唯一標(biāo)識個體身份。
2. 穩(wěn)定性：虹膜紋理出生八個月后穩(wěn)定成形，終身不變。
3. 非侵犯性：采集非接觸，有可能遠(yuǎn)距離獲取。
4. 安全性：相對指紋、人臉特征不易竊取。虹膜大部分需在紅外線下進(jìn)行識別，因?yàn)楹缒ぴ诤谏耐缀桶咨耐字g，大部分中國人虹膜色素是在近紅外以下才能顯示細(xì)節(jié)特征，可以非常精確識別一個人的身份。
最早是1936年眼科醫(yī)生發(fā)現(xiàn)每一個人的虹膜不一樣，他發(fā)現(xiàn)可以用虹膜進(jìn)行人臉識別，1985年另外兩個眼科醫(yī)生就是在美國申請第一個虹膜識別的專利，他們認(rèn)為虹膜是可以通過計算機(jī)電腦來實(shí)現(xiàn)，但是他們不知道怎么去實(shí)現(xiàn)，后來當(dāng)時在美國哈佛大學(xué)一個研究人員John Daugman發(fā)明了第一個虹膜識別算法，他是把虹膜識別能夠用算法的形式把它表達(dá)出來，并且成功地實(shí)現(xiàn)了虹膜識別。
然后在90年代就有陸續(xù)有一些虹膜識別的產(chǎn)品開發(fā)出來，后來虹膜識別就是被證明是一個非常安全可靠的身份識別技術(shù)之后，在各個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，包括海關(guān)、機(jī)場、國民身份證目前有三個國家作為身份證虹膜的標(biāo)識，像印度每個人都有分配一個編號采集虹膜，現(xiàn)在有10億采集了虹膜識別特征，在印度應(yīng)用非常成功，墨西哥、印度尼西亞，現(xiàn)在他們的國民身份證也加了虹膜特征，中科院自動化研究所是1999年開始研究虹膜產(chǎn)品，后面我們發(fā)明了手機(jī)終端的虹膜應(yīng)用，大概虹膜是這樣的發(fā)展歷史。
目前虹膜識別應(yīng)用領(lǐng)域非常的廣泛，不管是物理空間還是在網(wǎng)絡(luò)空間，只要是人員身份識別都可以使用，包括像安檢通關(guān)都可以用虹膜，或者是安全反恐也是用到的虹膜，一些恐怖分子可以化妝甚至可以易容，或者是用燙傷的方式把指紋換掉，但是防恐要求精確識別，虹膜是很重要的方式。目前我們的技術(shù)也在國外的銀行自助提款機(jī)用虹膜身份證就可以取款。
另外三星新發(fā)布的手機(jī)就是用虹膜識別，支付寶也會虹膜識別，他們也明確將來是虹膜使用很重要的方向，因?yàn)橹讣y可以造假的，很可能通過造假的指紋就可以盜取支付寶里面的資金，包括摸過茶杯水杯的指紋都可以竊取進(jìn)來因?yàn)榘踩簟Ｔ诠菜痉ūO(jiān)獄管理包括煤礦工人的考勤都有使用，在門禁控制方面，虹膜也有廣闊的適用前景。
第一步是虹膜圖像的獲取，虹膜圖像的采集就是普通的相機(jī)不能采集到清晰的虹膜紋理，因?yàn)槿说暮缒の锢沓叽绫容^小，并且需要一些近紅外光的配合。
第二步就是虹膜圖像的處理，我們需要把它有效的分割出來，然后把它進(jìn)行歸一化處理。
第三步就是虹膜圖像特征比對，這也是虹膜比較關(guān)鍵一步。1998年我們發(fā)展了虹膜計算理論和方法。
首先給大家介紹虹膜圖像獲取的過程，虹膜圖像獲取是一個具有挑戰(zhàn)性的問題，一是物理尺寸小，造成成像系統(tǒng)景深是比較小的，然后成像過程用戶眼睛跟攝像機(jī)在一個光軸上，有效對焦就不是很方便，就是傳統(tǒng)的技術(shù)面臨著很大挑戰(zhàn)。比如說戴上眼睛之后會有反光等其他因素的干擾，所以虹膜圖像采集是虹膜識別比較大的瓶頸。
虹膜成像的原理主要是采用近紅外的一個濾光片通過成像系統(tǒng)之后進(jìn)行成像，包括有一些視覺反饋、人和相機(jī)的距離。這個虹膜的系統(tǒng)是一個精密的自動化系統(tǒng)，這是在不同的情況下采集的虹膜圖像，我們東方人虹膜紋理是采用近紅外800多納米光源，虹膜圖像是最清晰的。
當(dāng)前虹膜識別系統(tǒng)主要是近距離的，比如說日本沖電氣最早是手持式，在筆記本上用的虹膜裝備，包括這種便攜式虹膜成像系統(tǒng)，包括還有虹膜成像設(shè)備。當(dāng)前也有公司開發(fā)遠(yuǎn)距離，比如說1米到3米之間可以采集人的虹膜紋理，這樣更方便，也是在安檢通關(guān)方面比較重要的趨勢，主要的科研單位和科研機(jī)構(gòu)，美國的一些公司，Aoptix, Eyelock, Sarnoff等公司都曾經(jīng)研發(fā)近距離虹膜系統(tǒng)。
虹膜圖像的獲取主要有四個跨越，我們是從1998年開始做，1999年實(shí)現(xiàn)了從無到有，當(dāng)時我們從美國買設(shè)備，他們不賣我們，后面通過我們自主的研究，2001年有了很大的進(jìn)步，我們實(shí)現(xiàn)了單眼到雙眼的采集，2006年和2008年都有新的設(shè)備做出來，后面我們研究出來一幅圖像可以先拍照后對焦的光場相機(jī)。
現(xiàn)在我們發(fā)展移動終端的虹膜識別技術(shù)，這是我們最近研發(fā)手機(jī)虹膜識別。這是虹膜識別登記，只要兩三秒鐘就可以實(shí)現(xiàn)虹膜注冊，非常方便。今年年初發(fā)布了第一部虹膜安全手機(jī)，在國家的安全部門在用，包括應(yīng)用自主知識產(chǎn)權(quán)的虹膜設(shè)備，我們也建設(shè)了自己的虹膜項目數(shù)據(jù)庫，目前有1.6萬個科研團(tuán)隊申請使用，包括有各種各樣的數(shù)據(jù)庫，我們通過虹膜圖像的共享使虹膜研究領(lǐng)域活躍度大幅度提升。
采集了虹膜圖像之后，我們要對虹膜圖像進(jìn)行預(yù)處理，就是把虹膜圖像上面一些反光，包括確定初步位置，就是虹膜檢測，然后對虹膜內(nèi)外圓進(jìn)行定位，有時候虹膜并不完全是圓形，包括睫毛和眼睛的檢測，我們也提出新的方法，根據(jù)虹膜分布的規(guī)律，能夠自動建模，然后結(jié)合紋理、虹膜的邊緣、上下眼皮的邊界，再用一些模型把這些睫毛、光斑濾除。
這時怎么對虹膜特征進(jìn)行編碼，傳統(tǒng)的虹膜識別方法都比較復(fù)雜，我們提出比較新穎非常簡單并且實(shí)用，計算速度非常快的定序測量特征，就是統(tǒng)計這個圖像區(qū)域之間絕對值，就計算哪個區(qū)域之間相對哪個區(qū)域更亮，哪個區(qū)域更暗。
這些編碼是符合二項分布的，這樣可以確定如果是不同用戶虹膜比對，匹配分?jǐn)?shù)的分布服從二項分布。Hamming距離匹配分?jǐn)?shù)會非常高。而同一個人絕大部分即使有一些噪聲，定序測量也能夠匹配上，這樣的話很容易識別出來，并且計算速度非常快。后面我們提出了線性規(guī)劃方面解決虹膜和掌紋圖像中定序測量特征選擇問題，在主流的虹膜和掌紋圖像數(shù)據(jù)庫取得了當(dāng)前最好的識別效果。
在完成虹膜技術(shù)識別之后，我們通過技術(shù)轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)換之后，對于監(jiān)獄犯人的管理、機(jī)場安檢、計劃生育、防恐、國外的提款機(jī)都有應(yīng)用，也會發(fā)布今年虹膜安全手機(jī)?，F(xiàn)在虹膜雖然經(jīng)過多年的發(fā)展，可以取得很好的識別效果，但是并不一定完全解決虹膜識別的問題，因?yàn)樵趶?fù)雜場景中，特別是在遠(yuǎn)距離、多目標(biāo)包括溝通量的條件下，怎么精確識別人的身份還需要很大的研究。
包括用戶處于不同的姿態(tài)和速度，環(huán)境不同的光照等等，都是這個系統(tǒng)未來的發(fā)展方向。特別是網(wǎng)絡(luò)條件下，為虹膜識別提出了無處不在新的機(jī)遇，比如說三五米甚至十米之外實(shí)現(xiàn)虹膜采集和識別，包括互聯(lián)網(wǎng)上、移動互聯(lián)網(wǎng)怎么在手機(jī)上進(jìn)行挑戰(zhàn)。我們認(rèn)為有三個挑戰(zhàn)：一是如何便捷性的挑戰(zhàn)。二是魯棒性的挑戰(zhàn)。三是安全性的挑戰(zhàn)。
雖然虹膜內(nèi)在的安全比指紋跟人臉安全很多，但是也有可能別人用這種虹膜文理或者是玻璃眼球，或者是戴有隱性眼鏡來進(jìn)入虹膜識別系統(tǒng)。因此虹膜要從近距離到遠(yuǎn)距離，從被動成像到主動成像，從靜態(tài)成像到動態(tài)成像。以后不管在什么樣情況下，我們可以同時采集多個人的虹膜，包括從遠(yuǎn)距離到近距離，甚至人可以呈現(xiàn)3D的人臉，包括成像的獲取和用戶的配合。我覺得在虹膜在生物特征進(jìn)行上還需要變革的創(chuàng)新，因?yàn)楹缒げ杉膶ο蟆⒕嚯x都是千變?nèi)f化，因此用固定的模式去應(yīng)對變化的場景，很難保證每次都能采集到高質(zhì)量的虹膜成像。
因此我們認(rèn)為現(xiàn)在很大的一切問題，感和知都是單向的流程，做成像的做成像，做識別的做識別，兩者沒有做考慮，就是感和知之間是互相孤立的，因?yàn)槲覀冊诔上襁^程當(dāng)中是可動態(tài)配置傳感框架，因?yàn)橐郧俺上裨O(shè)備都是固定的，包括焦距、光圈都是死的。
以后我們想做成活的，就是可動態(tài)配置可以根據(jù)環(huán)境自身調(diào)整，叫做可動態(tài)配置生物傳感的框架。由自上而下的認(rèn)知驅(qū)動，在任務(wù)的驅(qū)動下選取最優(yōu)的參數(shù)來采集最佳的圖像。在識別過程當(dāng)中，也是自下而上數(shù)據(jù)驅(qū)動，然后在大數(shù)據(jù)驅(qū)動下，可以使用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法得到更好的識別模型，因?yàn)橐郧暗淖R別模型都是人工調(diào)節(jié)濾波器的參數(shù)，很難應(yīng)對復(fù)雜多變的虹膜成像，所以識別算法應(yīng)該是自適應(yīng)性的。
我們面向虹膜識別的需求，采用計算成像主動感知模式，建立可動態(tài)配置視覺傳感模型，采集多維光場的虹膜成像信息。成像過程都是認(rèn)知任務(wù)的驅(qū)動，都是多維的，在信號處理階段都是多維信號處理進(jìn)行計算，比如說成像過程當(dāng)中有計算，識別過程當(dāng)中也有成像的參數(shù)來驅(qū)動。這樣的話我們在成像過程當(dāng)中引入識別任務(wù)的認(rèn)知需求進(jìn)行有針對性的虹膜信息檢測，建立虹膜紋理成像的身份識別。
我們研究研發(fā)了計算光場成像，光場成像基本思路是在成像過程當(dāng)中同時記錄光的方向和記錄光的強(qiáng)度，這樣的話可以得到三維的感知，并且可以先成像后對焦，可以采取計算成像的模式，可以對不同位置的目標(biāo)進(jìn)行重對焦的計算，這樣的話可以得到不同人的虹膜，這樣一張圖像可以采取的多個人虹膜。
我們也研制成功了光場相機(jī)，并且把三維的信息通過計算模型呈現(xiàn)出來，并且可以同時實(shí)現(xiàn)多個目標(biāo)的虹膜成像，因?yàn)樵瓉淼暮缒こ上袷遣捎孟瘸上窈髮梗缓蠛缒こ上襁^程當(dāng)中，可以用活體檢測。比如說用一張白紙根據(jù)眼周區(qū)域、對焦區(qū)域可以實(shí)現(xiàn)真的虹膜還是假的虹膜的自動識別，這樣就非常方便。
像人工智能之父Minsky他認(rèn)為多樣性的數(shù)據(jù)去描述智能模型更有效，因?yàn)楹缒さ谋举|(zhì)就是多樣性和復(fù)雜性的，這樣我們就提出數(shù)據(jù)驅(qū)動，就是用數(shù)據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模型來用虹膜識別大數(shù)據(jù)來定義這樣的方法。比如說用人工設(shè)定的規(guī)則去做虹膜圖像的分割，現(xiàn)在簡單用機(jī)器自動去學(xué)大數(shù)據(jù)模型就會提高19%，這樣就可以實(shí)現(xiàn)虹膜識別概念要素和數(shù)據(jù)定義，包括這種噪聲虹膜圖像分割實(shí)現(xiàn)了非常好的效果。
并且我們把這個方法，同時可以對這個民族進(jìn)行分類，如果是單個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)只有98%的精度，但是用虹膜網(wǎng)絡(luò)可以達(dá)到99%的精度，我們把深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用到虹膜圖像，因?yàn)楹缒D像可以來自于互聯(lián)網(wǎng)或者是移動手機(jī)設(shè)備商，這樣成像都具有差異化，克服這些差異化我們以前也研究了很多的方法，我們采用共同空間的方式去表達(dá)模型，后面我們采用了數(shù)據(jù)驅(qū)動，就是說深度學(xué)習(xí)來做虹膜圖像的識別，也是比傳統(tǒng)的方法提高了很高的精度。
最后一個問題就講一下虹膜系統(tǒng)將來會面臨一些安全的問題，因?yàn)楹缒な切畔踩到y(tǒng)，每個環(huán)節(jié)都可能受到安全的攻擊，比如說傳感器可以偽造數(shù)據(jù)來進(jìn)行攻擊，包括特征提取和體征比對都會有安全攻擊的問題，重點(diǎn)是解決兩個安全分析。比如說前端偽造虹膜紋理怎么去進(jìn)行判斷和識別，后端怎么保護(hù)虹膜特征模板，保護(hù)用戶的隱私。
為識別偽造虹膜紋理，我們采用的是活體檢測的方法。在活體檢測方法中目前主要的方法是紋理分類方法，就是真實(shí)用戶采集的虹膜，是非常自然圓潤的，然后假體的虹膜紋理，成像會形成一些比較粗糙的紋理，因?yàn)槲覀儾捎眉y理分類的方法來進(jìn)行區(qū)別。
我們活體檢測方法也用在人種分類和大規(guī)模數(shù)據(jù)庫粗分類，都取得了很好的效果，我們就是用很多人的虹膜大數(shù)據(jù)去自動實(shí)現(xiàn)層次化的視覺基元詞典，然后在這個投影上進(jìn)行分類，當(dāng)前國外銀行有這樣的需求，因?yàn)榛铙w檢測現(xiàn)在99%以上可以檢測假冒瞳孔虹膜圖像，對于隱形眼鏡可以自動判斷或者是自動報警，并且同樣的模型不僅能夠解決虹膜活體檢測的問題還可以實(shí)現(xiàn)人種的分類。
比如說傳統(tǒng)的虹膜識別，虹膜是跟基因沒關(guān)的，后來我們的研究虹膜跟基因還是有關(guān)系的，亞洲人跟歐洲人的虹膜是有很大的差異，我們可以用自動分類的方法達(dá)到99%的精度，你給我一個虹膜圖像我就知道這是亞洲人還是歐洲人，我們還提出了虹膜密鑰的系統(tǒng)，我們把它跟信息安全相結(jié)合，我們提出了虹膜密鑰的方法，同時保護(hù)虹膜模板同時也可以保護(hù)密鑰，虹膜密鑰是虹膜識別和密碼學(xué)有機(jī)結(jié)合的安全體系，既能保證虹膜特征和密鑰的安全，同時基本的思路采用模糊承諾的方式。
基本原理可以把512字節(jié)的虹膜特征編碼跟密鑰的糾錯編碼生成密鑰編碼進(jìn)行運(yùn)算，然后運(yùn)算完的結(jié)果就是安全的結(jié)果，并且這個結(jié)果很難攻擊出來，除非你知道我這個密鑰，但是只要是本人就可以通過虹膜比對的結(jié)果，即使不能夠百分之百的比對上，只要錯誤誤差在一定的范圍之內(nèi)就可以用這個糾錯編碼把密鑰給解出來，這樣的話可以實(shí)現(xiàn)虹膜特征，是可以可撤銷的。
比如說虹膜模板可以采取新的模板來保護(hù)加密，這樣的話可以保護(hù)虹膜模板的安全，在實(shí)際過程當(dāng)中，虹膜不同的時段采集的不同的成像不能百分之百去匹配上，可能會也一些誤差，然后通過糾錯編碼來克服，另外增強(qiáng)可侵入的密鑰的程度，我們通過了成像的特征和提取模塊，在糾錯編碼方面采取幾種嗎，可以提高安全性，這個虹膜密鑰系統(tǒng)就可以實(shí)現(xiàn)800個密鑰系統(tǒng)的嵌入，并且準(zhǔn)確性非常高的。
我們團(tuán)隊是從虹膜信息獲取的源頭進(jìn)行系統(tǒng)創(chuàng)新，打通了虹膜識別從科學(xué)研究到產(chǎn)業(yè)化的完整鏈條，實(shí)踐了獲取裝置、數(shù)據(jù)資源、識別算法、集成系統(tǒng)、應(yīng)用一個技術(shù)路線，雖然我們已經(jīng)取得一些進(jìn)展，但是虹膜識別我們認(rèn)為在從受控場景到復(fù)雜場景，仍然有很多的問題需要解決，需要解決便捷性、魯棒性、安全性的問題，我們也會再接再勵，做好更好的虹膜系統(tǒng)。
提問：在你剛才講的過程當(dāng)中提到識別精度的問題，我問一下精度是分別在多大的數(shù)據(jù)庫上得到的結(jié)果？
孫哲南：實(shí)驗(yàn)的結(jié)果是在幾百個人，有漢族、蒙古族、藏族做的分類，這個數(shù)據(jù)庫有一個描述，漢族有400多個人，男性有400多個人，女性有200多個人，藏族有178個男性，124個女性，蒙古族的人比較少，有58個男性，72個女性，數(shù)據(jù)量有兩萬多幅圖片。
提問：除了這些測試之外，其他的數(shù)據(jù)庫里面，最大的承受量是多少？就是保持90%精度下。
孫哲南：我們也測過，我們測過上千人基本上可以達(dá)到99%以上，比如說簡單定義兩大類，比如說東方人跟西方人準(zhǔn)確率也是很高的，因?yàn)闁|方人和西方人紋理分布和特征還是不一樣的。
提問：您剛才說到虹膜識別的小組，在今后的話還會做一些什么樣的成果呢？除了剛才說到的幾部虹膜識別的手機(jī)之外。
孫哲南：我們最近剛申請了一個國家重點(diǎn)研發(fā)計劃，云計算與大數(shù)據(jù)專項里面有一個項目，我們將來實(shí)現(xiàn)十厘米遠(yuǎn)多模態(tài)虹膜人臉步態(tài)圖像識別，就是在反恐維穩(wěn)他們就有迫切的需求，因?yàn)橛泻芏鄻O端分子，他的臉整容，名字也換了，指紋全部抹掉了，沒法確認(rèn)這些人的身份，下一個人我們就會公共安全領(lǐng)域去做這個系統(tǒng)，基本上都給重點(diǎn)人員采集虹膜，基本上出國之后也沒法把虹膜給改掉，除非把眼睛弄瞎了，我國反恐還有在怎么在監(jiān)控環(huán)境下怎么遠(yuǎn)距離識別這個人的身份，這個虹膜系統(tǒng)還是有很多領(lǐng)域去研究的。
提問：我想請問一下，彩曈和隱形眼鏡對虹膜識別系統(tǒng)有影響嗎？
孫哲南：如果戴上彩曈或者是美瞳的話會有影響，這個紋理不是這個人的紋理，是疊加上面的紋理，我們必須精確判斷，比如說在國外銀行我們系統(tǒng)能夠自動識別，你當(dāng)時的成像是戴了彩瞳或者是美瞳的，我們這個系統(tǒng)就可以自動識別，必須要求這個人摘下這個彩瞳或者是美瞳。
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