探寻虹膜识别背后的身份密码

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雷锋网 (搜索“雷锋网”公众号关注) 按：本文整理自上海聚虹光电科技CEO宫雅卓在雷锋网硬创公开课上的演讲。宫雅卓是上海交通大学工学博士，专业从事虹膜识别的研究15年，是国内最早、实力最强的虹膜识别研发团队的核心骨干成员。宫雅卓也是雷锋网特邀专栏作者，对虹膜识别技术感兴趣的童鞋可以移步 宫雅卓的专栏 （点击查看）

| 虹膜识别如何识别独一无二的你？

虹膜识别目前是一门新兴的技术，在生物特征识别领域实际上是被认为可以在某种程度上取代今天的指纹和 人脸识别 ，也是精度最高的生物特征识别技术。所以我们今天所做的分享，某种程度上是着眼于未来的分享。

所有对这一主题感兴趣的人，可能都会在很多好莱坞大片中看到有关于虹膜识别的场景展现，比如说汤姆克鲁斯的《少数派报告》，比如说施瓦辛格的《真实的谎言》以及《查理的天使》等等。

这些好莱坞大片其实展示了很多关于虹膜识别的场景，这些场景非常的酷炫，看起来非常具有未来感。特别是在《少数派报告》当中，这部十年前拍就的电影，请到了今天炙手可热的未来学家凯文·凯利作为他的科学顾问。

凯文·凯利在他对于未来的设想当中认为，人能够被识别的最重要的一种特征就是虹膜。所以，在《少数派报告》当中我们可以看到主演汤姆克鲁斯在各个场景之下，无论是地铁还是宾馆还是酒店还是商场被虹膜识别系统追踪。

最后主人公不得不以替换眼球的方式来逃避虹膜识别自动系统的追踪，最后终于洗刷了自己的冤屈。当然这个场景本身是非常具有科幻感的，其实今天我们所研究的某些产品和技术展示已经能够达到好莱坞大片当中所呈现出来的效果。

我们所做的很多虹膜识别技术的研究，其实都是起源于人对于未来及其对人类身份的想象。

在图中我们可以看到很多好莱坞场景当中的虹膜识别的介绍，其中有《查理的天使》《偷天陷阱》、《少数派的报告》和《真实的谎言》。

所有的这些看起来在未来当中才使用的虹膜的场景，今天我们其实都可以用已经获得的虹膜别技术来为大家呈现。

1、虹膜识别的五项全能

这幅图是虹膜的基本的构成，可以看到，虹膜实际上是在瞳孔周围的一圈。灰色的结构中间的黑颜色的那个圆孔，我们称之为瞳孔。虹膜在瞳孔周围形成一个环形红魔的外部有白色的区组成，这个区域一般称为巩膜。

在虹膜的上方是上眼睑，下方是下眼睑，中间的环形呈现放射状纹理的就是虹膜纹理。西方人呈现的是蓝色和绿色，还有一些浅黄色和浅绿色的部分，西方的虹膜纹理非常清晰，而东方人的纹理是成黑色或者黑棕色,在可见光下，东方人的虹膜是黑色的。

虹膜实际上上有若干种特性，我们可以看到在下面我们分成了五类，我们概括地称之为五项全能。

第一是准确性最高

虹膜是目前准确性最高的生物特征识别技术，他远远超过今天广泛使用的指纹和目前方兴未艾的人脸。

1993年剑桥大学的Daugman博士首先在理论上证明了虹膜识别技术的可行性。他认为虹膜识别能够提供2 ²⁶³ 这样高的多样性。这是一个什么概念？如果全世界有七十亿人，每个人都采用虹膜来识别自己的身份，依然是可以支撑下去的。

• DNA的精度受到条件限制

有的朋友可能会提出这样的问题，我认为虹膜可能是不是最高的精度的，DNA才是最高的，因为医学研究的结果表明DNA似乎可以标识每一个人特征，它是遗传的。从各种犯罪影片中我们可以得出这样的结论，但是这其实是有一定的条件限制。比如说同卵双胞胎，无论男性还是女性，他们两个的 DNA的重合度非常高 ，可以达到99.999%以上。

德国就曾经有过这样的案例，一对双胞胎兄弟的某一个人参与了一次抢劫，在现场他遗落了自己的头发和皮屑，德国的检察机关采集到了这些特征并且进行了检验，但验证的结果是无法判断留下的现场痕迹来自于谁，为了保证法律审判的公正，最后这两兄弟都被判无罪。这就是DNA在日常生活当中使用的一个有问题的地方。对同卵双胞胎而言，是没有办法精确地判断两者，因为来自于遗传的生物特征信息几乎是一模一样的。

其次DNA也会有其它问题，比如 很容易受到污染 。一般我们在采集DNA的时候无创采集都是采用口腔上腭细胞，也就是在我们的上牙膛儿用一根棉签取轻轻地刮你的上颚，采集下来的上皮细胞就可以用来检验DNA。在这种过程当中不会流血，所以是无创检查的最好结果。但口腔其实是很容易被外物所污染的，比如中午你吃的猪肉、烤鸡诸如这样的食品，那么可能在口腔上个细胞当中啊会有大量的其他生物体的DNA样本的残留，这可能就会干扰检测。

其次DNA检测的问题在于它 不具有实时性 。日常生活当中最常见的是DNA亲子鉴定，需要两三天的时间才能拿到结果。我们很难很难想象，当我要通过DNA检测识别身份进入一扇门的时候，要在门外等三天。

第二个特性：随身携带最便捷

每一个人都有自己的眼睛，所以只要有眼睛的人就可以通过虹膜识别的方式来鉴别自己的身份。你不用担心你是否没带钥匙、忘记密码，或者是否带了ID卡。

第三点特征是终生不变

虹膜实际上是被眼睑所保护的组织，这个组织始终被眼睑所遮挡，所以在一般的生命过程当中是不太容易受到外伤的。

其次虹膜本身也不容易被疾病所侵扰，我们日常生活当中常见的红眼病、沙眼结膜炎、近视眼手术都不会影响虹膜纹理。唯一可能影响虹膜纹理的疾病我们称之为虹膜色素瘤，红色素瘤的发病率非常低。所以受到这类疾病影响而改变湖北的案例非常的少。

第四点特征：非接触式采集最卫生

指纹识别 实际上是最典型的接触式采集特征，接触式采集的最大的问题在于，每一个被采集的人都必须把手指按在一个公共的传感器上，这个传感器可能被很多人摸过，上面留下了大量的汗渍，灰渍、油渍。在你重复使用这个传感器的过程当中。你就沾染了其他人可能的带菌体，特别在今天的H1N1/HDN9、禽流感、猪流感、非典型肺炎等这种接触性传染的疾病越来越多，带来的危害也就越来越大。所以接触式生物特征识别在今天越来越被挑战，用户的接受度也越来越低。   

而虹膜作为最典型的非接触特征，在使用的过程中是不需要任何的身体部分与虹膜采集设备相接触，一般距离大概在20-30厘米之外，甚至在1-1.5米之外就可以采集到虹膜的准确清晰的图像。这样会使我们在使用类似识别技术的时候，有最小的心理压力同时也不容易暴露在那些恶性的传染病威胁之下。

第五点：虹膜识别不可伪造

很多生物识别其实都受到伪特征的困扰，比如指纹。我们在淘宝上如果花十几二十块钱就可以伪造一个硅胶指纹套，把它套在你的手上就可以骗过指纹识别系统。目前在学术界还出现有人用伪造的虹膜纹理骗过了虹膜识别设备的案例。 最重要的原因是虹膜本身是一个覆盖在透明结构之下的物体，实际上我们的晶状体就覆盖虹膜表面，晶状体表面的区域是非常特殊的，它能够在红外光照射之下呈现出特殊的光斑，而这种球形特征，伪造的生物特征是无法替代的 。

虹膜是特殊的生物体，它在不同的光谱段的光照之下会呈现出不一样的颜色呈现或灰度呈现，这种多光谱照射之下的特征， 成为虹膜非常好的 防伪特征 。

2、虹膜识别设备为何没有普及？

我们在这里选择了指纹掌形、人脸与虹膜做比较。

纵轴是我们比较的若干个维度，包括准确性、防伪性稳定性和特征多样性。从上图我们可以看到虹膜在以上4个指标当中，全面占有优势。那么，既然红膜能够全面战胜其他生物特征，为什么在日常生活当中还很少看到？

答案很简单， 虹膜识别的设备价格比较贵。

| 虹膜识别这个市场怎么样了？

1、Google、Apple、3M等花巨资收购识别技术公司

目前的生存识别领域，很多大公司都开始竞逐具有原创技术的一些生物特征识别厂商。

我们日常生活当中也看到了越来越多的生物特征识别产品，比如说Google在安卓平板当中集成的人脸识别。Apple在iPhone 6 中加入了Touch ID也就是指纹识别，三星在Galaxy S5当中也放入指纹识别，Microsoft的Xbox游戏机当中放入表情识别等。

各大公司都将生物识别技术作为最重要的技术储备，花巨资收购技术公司，比如苹果，Google，3M和SAFRAN。而事实上很多国家也开始在全民平台上实现虹膜注册以满足对于公民的身份特征的需要。

2、印度、阿富汗等国家级虹膜采集项目

我们看上图可以发现这里面举了若干个国家的例子，第一个是印度。从2009年2月开始，印度就启动了全民虹膜注册机话称之为AADHAAR，计划用八年时间也就是到2017年虹膜注册总人数可以达到12亿。截止目前印度已经注册了9.5亿人口，已经具有了全球最大的虹膜特征库，这是非常了不起的事情。

第二大是墨西哥，从2011年开始将虹膜识别技术应用于国民身份证，第一期项目截止2013年注册人数已经达到两千八百万。

第三个是阿富汗。 2013年，北约部队将虹膜识别技术引入到阿富汗，建立全民身份验证系统，总数达到160万。很多朋友可能会困惑，为什么像阿富汗这样的穷国居然能够用虹膜识别这样的高技术来进行是全民的生物认证呢？

主要来自于两个原因。一是联合国难民署在阿富汗所进行的难民救助项目，事实上 是依赖于对阿富汗国民身份的精确认定 的。如何精确地识别他们的身份成为联合国难民署面对的一个技术性问题，于是虹膜识别被选中。事实上，在引入虹膜识别系统之前，阿富汗国内是没有精确的生物认证系统的，也没有一个官方颁布的身份证，所以经常会出现以下这样的尴尬局面：

上午来了一个长着大胡子戴着头巾的阿拉伯人，他宣称自己叫穆罕默德，领走了一份联合国难民署的救济金。下午，同样一个长着大胡子戴着头巾的阿拉伯男人来了，当然他就是上午的穆罕默德，但这个时候他叫拉布拉多，他又领走了一份联合国难民署的救济金。

另外一个原因是阿富汗有大量的激进分子。他们如果拿起枪，就是恐怖分子，如果放下枪看起来常人无异。那么如何去判断这些人呢？从面孔上几乎无法分辨，从着装上我们也无从判断，唯一值得信赖的技术只有虹膜识别。

基于以上两个原因，虹膜识别技术被阿富汗这样的国家快速推广，并且在160万的用户规模当中获得了非常良好的使用体验。

以上案例都是全名注册的千万级或者亿级的项目，所有的虹膜案例都可以与身份证上绑定，与就业医疗社保信用金融平台等全面对接，他所完成的是一个国家内部的综合系统。

3、虹膜识别在金融银行社保的使用。

我们来看虹膜识别系统的一些应用案例，首先我们选择了金融银行社保的 虹膜安全管理系统。

实际上金融银行社保的虹膜识别安全系统分为两大类： 第一类是物理安全，第二类是信息安全。

• 物理安全应用

物理安全 的最常见的应用模式，比如说虹膜识别门禁、基于虹膜识别管理的贵宾通道、虹膜识别轧机，或者是基于虹膜识别的保险柜、保管箱、金库门。

所有这些虹膜识别的物理安全系统都有共同的特点，比如他们都是控制一扇门、控制一个通道、控制一台轧机， 在物理上隔绝非法用户对某一个需要重重设定安全权限的地方进行保护 。

• 信息安全应用

另外的一类应用我们称之为 信息安全应用 ，比如当你在取钱的时候需要输密码，你需要保护你的帐号安全；你在购买理财产品的时候需要设定你的账户信息，所有的这些账户信息的传统的技术手段上基本采用的都是“用户名+密码”的组合方式。

但事实上，目前大量的银行欺诈行为可以从后台数据库窃取你的密码，或者通过偷窥拍照、录像等其他方式窃取密码，这类密码泄漏可能对于用户来说是不知不觉的，账户里的钱也不知不觉被人骗走了。于是银行系统开始升级自己的基于密码和用户名的身份认证，开始采用生物特征，而虹膜识别作为精确度最高的生物特征被银行系统选中。

比如虹膜识别ATM，使用模式是当你插入银行卡的时候，输入密码的同时还需要同时扫描验证你是否是合法用户，只有当虹膜扫描结果和你的账户信息一致后才可以获取提款权限，在相当大的程度上提升了原有的单纯的密码验证的安全等级。

除了提供更好的安全性，也能够提供非常良好的便利性，甚至可以实现基于虹膜识别技术的无卡取款。你只需要在键盘上输入你的身份证号或者输入绑定银行卡的手机号，再进行虹膜识别，即使你没有插入银行卡也可以取钱。由于现场实现了虹膜识别的身份认证，这样对于该用户身份认定的信用等级会明显提高，也就意味着在ATM上我们可以获得更高的取款权限。正常的情况下我们可能一次取款，一天只有两万元的上限，但是如果有虹膜识别这样的高精度生物特征识别技术，可以让一天的ATM取款权限上升到五万元甚至十万元

4、虹膜识别在医疗系统、或病毒实验室的应用

虹膜识别技术的另一个重要的应用领域是医疗系统，或者是病毒实验室。

医院当中有非常多的场景是需要非常高的、严密的安全性的保护，比如说传染病房。

在去年的年终整个亚洲都被一种疾病所困扰，称之为MERS。也是中东呼吸症。中东呼吸症首先在亚洲的韩国爆发，若干个病例被送入了韩国最知名的首尔三星医院。但是由于受三星医院的相关的安保措施不够严密，所有的MERS的病人都可以自由出入自己的病房，甚至外出，导致MERS的患者跟大量的医护人员接触，最终导致了五十多个医护人员被传染，形成了韩国MERS最大的传染源。

三星医院在传染病房的保护方面的没有任何高技术手段作为保证，成了这次MERS在韩国的最主要的罪魁祸首，以至于最后全民在检讨这次MERS的扩散事件的时候，三星医院首当其冲受到批评。

除了传染病房以外，医院中还有很多其他地方也需要严密的安全等级保护。 比如说药房，因为很多药品，除了可以治病以外，还可以提炼一些违禁品；放射性科室也存储了大量的放射性物质，这里的物质如果没有严格管理很容易流失。另外还有细菌培养室、药品库，管制类麻醉品的集中存放区都是需要被严密保护的，而严密保护的前提是必须能够精确识别用户身份，虹膜识别恰好是这个领域里一个非常合适的选择。

5、虹膜识别在民航、海关等领域的使用

除了金融和医疗体系以外，在很多民用场景下，虹膜识别也被广泛地应用。比如说我们在上图当中所看到的民航、机场、海关和口岸。

这些也是虹膜识别技术被广泛应用的一个最典型的案例。目前在全球五十个机场以上都使用了E-passport，E-passport本身是某些VIP客户可以通过虹膜识别的方式在无人值守的VIP通道当中直接通关，而不需要做任何的Check-in， 它极大地方便了相关VIP用户在机场的使用体验，也加快流通速度。

其次，在下图中我们也可以看到，一位阿拉伯妇女在一台虹膜是被设备前进行身份认定。这个阿拉伯妇女的装束非常的典型：戴着面纱，面纱当中只留下了一个非常小的窗口， 身体的所有其他部位都被覆盖，只有眼睛是暴露在外边。这种传统装束 ，让其他的生物特征认证技术几乎无用武之地——没有办法用指纹，也没有办法用人脸，而暴露在外部的只有眼睛，只有采用虹膜识别才能够精确认定她的身份。

2013年，阿联酋的三十五个出入境口岸安装了超过两千台的虹膜识别设备，而采用虹膜识别鉴定旅客的身份，每年可以达到五百万次以上。

如果我们乘坐阿航的班机到欧洲旅游，基本上都会在阿联酋的机场降落。如果我们在阿联酋机场入关你就会发现，每个进入的乘客都需要用虹膜识别系统登记；当离开阿联酋的时候，也会再次用虹膜识别系统来确认你的身份。 在中东地区我们可以认为虹膜识别系统是最精确的、最方便、最适合当地用户需求的生物特征识别技术。

| 为什么选择虹膜识别进行研究？

• 黑色虹膜识别的创新点在哪里？
  

这是我的研究方向的一个介绍。在进行上海交大的博士学习期间我的主要研究方向是东方人的黑色虹膜识别， 事实上黑色虹膜在所有的虹膜分类当中被分为所谓的第五类。也就是：色素最多多，颜色最深，纹理最少，在可见光照下所能采集到的虹膜特征最不明显。

事实上如果按照虹膜识别理论的创立者道克曼博士的看法，他认为第五类虹膜是很难做到高精度识别的，因为它的纹理特征相当少，特别是在虹膜本身做无意识缩放的时候，很多狭窄的纹理都由于瞳孔的缩放而被压缩呈现出大量的形变。

而我们的研究团队将东方人的黑色虹膜识别作为最重要的研究方向。放眼整个东亚：中国、韩国、日本、蒙古和东亚的某些国家，其实都是黑色虹膜。 除了东亚人口以外，还有另外一部分群体也是黑色虹膜，也就是非洲的黑人。

这两类群体加在一起，全球具有黑色虹膜特征的人群总数超过30亿。如何解决这30亿人的通过虹膜进行高精度身份认证的问题，我们觉得是肩负使命的，特别我们自己就是中国人，解决黑色虹膜识别是很有意义的。

• 虹膜研究背后，我们的成果

借这个机会，再这里我来谈谈我们的产品成果。

我们在研究过程当中取得了一系列的成果，发表于中文的最高水准的期刊《中国科学》上专门针对中国人的黑色虹膜提出了最优识别方法，也达到了目前中国黑色虹膜识别的最高性能水准。 聚虹在2011年成立，当时将虹膜识别核心算法送到了上海计量测试技术研究院进行了测试， 给出的检测报告当中，我们的FAR精度超过了五百万分之一，这一精度指标已经超过了松下和LG等国外产品的120万分之一的精度。

当然仅仅进行核心算法检测也是不够的，因为任何核心技术都必须通过产品的形态才能呈现出价值，于是我们也对我们自主研发推出的虹膜识别产品进行了相应检测，如2015年我们自主研发的Neptune I（海王星一号）壁挂式双目虹膜识别系统， 具有俯仰功能，能够适应不同身高的用户，可采集高质量的双眼虹膜图像并加以识别，在识别精度、功能多样性和集成灵活性等方面，均已取得良好成效。

另外还推出虹膜酷客，用于信息安全保护，不用再管理复杂的用户名和密码。 有兴趣的可以参看雷锋网文章： 《“刷脸”没能进入消费领域，但“刷眼”也许可以》