基于人眼虹膜识别的个人身份鉴别方法可行性分析报告

基于人眼虹膜识别的个人身份鉴别方法研究
可行性报告
一、申请单位及课题组基本情况
1、申请单位和协作单位概况（包括单位规模、技术力量、设备和配套等情况）；
沈阳工业大学是一所以工为主，涵盖工、理、经、管、文、法等六大学科门类，工科又涵盖机械、材料、电子、电气、石油、化工、建筑、信息等多个行业的多科性大学。

学校设有17个学院和2 个教学部、1 个工程实践中心。

共设59 个本专科专业，具有学士、硕士、博士三级学位授予权。

23 个学科具有硕士学位授予权。

电气工程一级学科具有博士学位授予权，电机与电器、材料加工工程等6 个二级学科具有博士学位授予权。

电器工程学科为国家重点学科，机械制造及自动化、材料加工工程、电力电子及传动、测试计量技术及仪器、控制理论与控制工程等5 个学科为辽宁省重点学科，电气工程一级学科具有博士后科研流动站。

建有国家稀土永磁电机工程技术研究中心、辽宁省高电压强电流重点实验室、辽宁省复杂曲面数控制造技术重点实验室等一批国家、省、市重点实验室和工程中心。

2、课题组概况（人员情况、技术力量、设备条件等）
（1）人员情况：
课题组成员由中青年组成，年龄结构合理，最大年龄44岁，最小年龄27 岁。

学术层次从教授，副教授，讲师到助教。

学历层次从博士到硕士。

（2）技术力量：
本课题组为沈阳工业大学视觉检测技术研究室的一个组成部分，该研究室目前主要进行的课题包括车辆牌照自动识别系统，虹膜识别系统，指纹识别系统，移动目标跟踪系统，捆钞机人民币号码自动记录系统，图像检索技术，基于DSP的图像处理系统等。

目前在研究室做课题的在读博士生3人，硕士生25人。

研究室每年购买最新的相关图书和资料。

（3）设备条件：
课题组所在研究室拥有5 个工作室，总建筑面积120 平方米，目前拥有先进的图像处理相关设备，总
投资20余万元，包括面阵CCD摄像机及视频图像采集卡4套，线阵CCD摄像机及线阵图像采集卡2套，数码摄录机，数码照相机，扫描仪，活体指纹采集器，虹膜图像采集装置，DSP仿真机，以及时钟在1GHZ
以上的个人计算机16 台，图像处理相关软件，实验室所有计算机均连接宽带网，便于资料检索。

3、项目的组织形式和详细分工，以及项目的组织管理及相关保障措施；
（1）组织形式和详细分工：
课题组长负责总体方案设计，将任务分解为以下几个部分：①虹膜定位算法研究；②虹膜特征提取算
法研究；③虹膜特征匹配算法研究；④用VC++语言进行编程，以及各种算法的验证和与现有方法的比较；
⑤资料检索与综合，虹膜图像的采集与虹膜图库的建立，研究与实验报告归档。

（2）组织管理与相关保障措施：
课题组成员实行八小时坐班制，每天有考核，从时间上保证课题的进
行。

课题组长每周听取一次课题进展情况的工作汇报，及时发现并解决
问题。

4、项目负责人背景资料及主要参加人员;
（1）项目负责人背景资料
苑玮琦，男，I960年生，博士后，沈阳工业大学信息学院教授，博士生导师，学科带头人，视觉检测技术研究室主任。

1997年毕业于东北大学检测技术与自动化专业，获博士学位。

2000年由哈尔滨工业大
学计算机科学与技术博士后流动站出站。

主要讲授的课程：“图像处理技术”，“图像处理系统”，“机械量测试技术”，“单片机原理”，“电子设备”，“机电一体化”，“机械故障诊断”。

主要感兴趣的领域包括：“计算机视觉检测技术”，“生物特征识别技术” ，“DSP图像处理系统”。

目前在“检测技术与自动化装置”，“计算机应用”两个专业指导研究生，主要研究课题包括：（1）虹膜识别方
法研究及软件开发；（2）捆钞机人民币号码在线识别方法研究及系统开发；（3）移动目标跟踪方法研究及
系统开发；（4 ）车辆牌照定位与识别方法研究及系统开发；（5 ）指纹识别方法研究及应用装置开发；（6）基于DSP与可编程器件的图像采集与处理装置的开发。

近些年，发表学术论文60余篇，部分论文被他人引用10余次，还多次被美国《工程索引》EI，美国《科学技术会议录索引》ISTP，英国《科学文摘》INSPEC，美国《化学文摘》CA，日本《科学技术文献速报》等国际著名检索机构收录。

主持完成各类纵向课题10余项，其中包括建设部新产品计划项目，中国博士后科学基金项目，辽宁
省自然科学基金课题，沈阳市自然科学基金课题，辽宁省教育厅科研课题等。

获国家专利3项。

2000年入选辽宁省第二批“百千万人才工程”的百人层次。

2001年被沈阳市委，市政府授予“沈阳
市优秀科技工作者”称号。

2000年、1999年、1998年被评选为“沈阳市科协系统先进工作者”。

2002年
被评选为“辽宁省科协系统先进工作者”。

2002年被评选为“沈阳市科教系统创新楷模”。

2003年被评选
为“沈阳市软件高级人才” 。

括：国际粉体检测与控制联合会工业应用委员会常务理事，秘书长；中国仪器仪表学会理事；中国仪器仪表学会青年工作委员会副主任委员；中国仪器仪表学会传感器分会理事；中国仪器仪表学会管理科学分会理事；中国化工装备协会仪表电器专业委员会委员；沈阳市仪器仪表与自动化学会副理事长，秘书长，法定代表人；沈阳市科协委员；沈阳市科技计划管理咨询专家；沈阳工业大学学术委员会委员。

（2）主要参加人员
于洋，38岁，博士，沈阳工业大学信息学院副教授。

邵虹，32岁，博士，沈阳工业大学信息学院讲师。

于洪霞，29岁，硕士，沈阳工业大学信息学院讲师。

林忠华，27岁，硕士，沈阳工业大学信息学院讲师。

高斌秀，25岁，硕士，沈阳工业大学信息学院研究生。

徐露，25岁，硕士，沈阳工业大学信息学院研究生。

二、项目基本情况
1、项目主要研究内容;
身份确认是每个人经常遇到的一个基本问题。

身份鉴别主要用在银行、海关、公安、电子商务、电子政务、网络安全等一切需要验证个人身份的场合。

传统的身份鉴别方法主要基于身份标识物品（如钥匙、证件、ATM卡等）和身份标识知识（如用户名
和密码等）。

这些方法存在明显的缺点：标识物品容易丢失或被伪造，标识知识容易遗忘或丢失。

基于生物识别的身份确认所依据的是人类自身所固有的生理或行为特征，因此，与传统的身份识别方法比较，更加安全可靠，使用方便。

电子商务与电子政务等网络应用推动了生物识别技术的发展，而9.11事件更是生物识别技术发展的重要转折点。

9.11 事件之后，美国连续签署了爱国者法案、航空安全法案、边境签证法案等3 个国家安全法案，要求必须采
用生物识别技术。

为了防止恐怖主义的威胁，越来越多的国家在重要的基础设施和公共场合中推广应用生物识别技术。

虹膜识别技术是90 年代中后期得到迅速发展的一类生物识别技术。

与指纹识别等其它生物识别技术比较，虹膜识别具有以下几个特点：
（1）虹膜图像通过非接触方式获取，可以避免疾病传播，容易被人接受，而指纹图像需通过接触方式获取；
（2）难以通过手术修改虹膜的纹理结构而不冒影响视力的危险；
（3）约有5%的人群，其指纹无法被指纹识别仪辨别。

主要原因有：手指刀伤、包扎着的手指、手指上的茧、皮肤干燥、皮肤潮湿、皮肤病变、皮肤老化、手指窄小及被弄污的指纹识别仪传感器等。

而虹膜是人体器官，不受外界因素影响；
（4）虹膜识别是可靠性最高的生物测定识别技术，远远高于指纹识别。

本项目主要研究基于人眼虹膜识别的个人身份鉴别方法与系统，主要研究内容如下：（1）虹膜定位是在所拍摄的眼部图像中，自动找到并提取虹膜的中心坐标以及虹膜内、外圆边界，它是虹膜识别过程中运算时间最长的步骤之一。

常用定位方法大致分为两类：1）边缘检测与Hough 变换
相结合的方法；2）基于边缘搜索的方法。

这些方法目前基本上能够满足虹膜定位准确性的要求，但是共同的缺点是运算时间长。

改进上述方法，并提出新的定位方法是本课题的一个主要研究内容。

（2）虹膜特征提取方法目前主要包括：基于相位分析的方法，基于过零点检测的方法和基于纹理分析的方法三大类，其中Daugman 提出的相位分析方法被公认为是目前识别性能最好的方法。

许多人研究Daugman 的方法，但是没有人的实验结果达到Daugman 方法的识别率。

其主要原因是：在特征提取过程中所用到的数学表达式中，部分相关系数的选择问题，在所公开的文献中均没有给出具体数值，而这些系数的具体数值直接影响了特征值的匹配结果。

我们通过分析认为，这些系数的具体值与实验条件密切相关，例如：光线强度，图像分辨率等。

因此，本课题的重点在于通过大量的实验，解决特征提取过程中相关参数的选择问题。

（3）尽管Daugman 的相位分析方法识别率最高，但是，特征提取时间也是最长的。

通过2年多的研究，我们提出利用虹膜纹理边缘信息直接编码，与现有的特征提取方法比较，在算法上将大大简化，从而缩短运算时间。

该方法与目前的过零点检测方法类似，但是实现途径不相同。

我们利用自己研究出的基于方向差分极大值的边缘检测方法，提取虹膜纹理边缘，目前进行了初步探索与实验，其计算时间小于目前基于小波变换的过零点检测方法。

这部分工作需要大量的实验，并不断修改算法的具体实现步骤，希望能够达到较高的提取精度。

（4）对应于我们所提出的边缘检测方法检测纹理边缘，需要给出相应的编码方法。

我们目前只是给出了一种最简单的方法，还不是很理想，需要进一步研究，使识别结果更加具有鲁棒性。

（5）国内目前在研究虹膜识别算法中，通常只是对少数几个虹膜样本进行实验，缺乏说服力，因此，本项目的一个研究内容是，采用大样本来实验识别算法的有效性，从而提高识别算法的稳定性。

2、项目主要技术难点和创新点；
虹膜识别的两个重要参数是正确识别率和识别速度。

影响虹膜正确识别主要因素来自于三个方面：一是来自于人体自身因素，主要包括：瞳孔与虹膜中心不重合；虹膜被眼睑遮挡。

二是来自于光线照射因素，主要包括：因光线强度变化引起瞳孔大小发生变化，从而导致虹膜大小发生变化；虹膜外圆边界不清晰的影响；因光线在眼球上反射形成光斑。

三是来自于人眼与虹膜拍摄装置之间位置的变化，导致图像分辨率发生变化。

四是来自于算法本身的不完善性。

影响虹膜识别速度主要因素来自于虹膜定位，特征提取与模式匹配各个步骤算法的不完善性。

本项目主要技术难点如下：
（1）在通常情况下，人眼瞳孔与虹膜中心存在一定程度的不重合，但有些人的不重合程度比较严重，这导致虹膜区域在结构上严重不对称，必须经过变换成为对称结构，才能进行虹膜特征提取，即编码。

目前有一些方法对虹膜不对称进行修正，但效果并不十分理想，因此，有必要进一步研究，这也是本项目的难点之一。

（2）如果不是刻意追求，许多人眼的虹膜被眼睑部分遮挡，有时还比较严重，导致有效的虹膜区域变小，直接影响特征值的提取、乃至虹膜识别的正确率。

多大的虹膜区域能够满足虹膜识别的要求，是一个值得研究的问题，也是本项目的难点之一。

（3）在拍摄虹膜图像时，光线在眼球上将形成光斑，目前的办法是让受式者调整自己的眼球位置，使光斑位于瞳孔区域。

这种方法需要受试者配合，对于受试者很不方便，更不适合于自动检测。

因此，如果能够给出一种不受上述限
制的方法，非常具有实际意义，也是本项目的难点之一。

我们利用自己研究出的基于方向差分极大值的边缘检测方法，提取虹膜纹理边缘，希望能够达到较高的提取精度，可作为本项目的创新点。

3、相关领域国内外技术、产业现状和发展趋势；
在国外，虹膜识别系统已经有在金融、公安刑侦和国防等领域中试用的报道。

但在国内，虹膜识别还
处于研究阶段。

1991年，美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的Joh nson实现了一个自动虹膜识别系统，这是有文献记载的最早的一个应用系统。

随后，1993 年，John Daugman 实现了一个高性能的虹膜识别原形系统。

目前，大部分自动虹膜识别系统使用Daugman 的核心识别算法。

国际上目前比较有影响的虹膜识别方法有：Daugman 的相位编码方法；Wildes 的基于拉普拉斯金字塔的图像匹配方法；Boles 的一维小波过零点检测方法；Lim 的基于Haar 小波分析的方法。

这些方法均申请了专利，从公开的文献中，只能获得原理性的介绍，技术细节无法得到。

国内从事虹膜识别的研究相对较晚，起始于90 年代末期，近两年，这方面的研究文章有增加的趋势，但主要是对国际上比较有影响的几种算法进行跟踪性质的研究，从论文给出的实验结果来看，在识别率和识别速度上与国际先进水平还有一定的距离。

基于虹膜的生物特征识别技术是一种最新的身份识别技术，在国防、金融、信息安全等领域具有广泛的应用前景。

根据国际生物统计组织“ 2003 年生物统计市场报告” ，生物特征识别相关产品的税收将从2000 年的
3.99 亿美圆上升到2005 年的19 亿美圆。

而在2001 年的市场份额比较中，虹膜识别占生物特征识别市场总额的6.2%。

随着虹膜识别技术的不断成熟，虹膜识别产品的市场份额将有明显的上升。

4、项目的基础条件（与项目相关的现有技术、设备基础和工作基础）；
（1）现有技术基础
本课题组于2001 年开始从事虹膜识别方法的研究，目前基本掌握了上述几种国际上有影响的虹膜识别算法的基本原理，并根据Daugman的相位编码思想，编制了虹膜识别系统软件，对于拍摄质量较好的虹膜图像，能够从几十幅不同人眼虹膜图像中寻找出属于同一个人眼不同次拍摄的虹膜图像，并拒绝不属于同一个人眼，甚至同一个人不同眼球的虹膜。

（2）现有设备基础为研究虹膜识别算法，课题组专门购买了虹膜图像专用采集装置。

其它必备的设备基础包括：个人计算机，宽带网。

较全面地收集了目前国际、国内有关虹膜识别的论文，专利等参考文献，以及与相关算法相关的数学，软件编程等书籍。

（3）相关的工作基础初步完成了虹膜识别软件的编制，并能够简单地实现虹膜识别的操作。

发表了有关虹膜识别的研究论文，主要如下：
[1] Yuan Weiqi, Ma Junfang, Di Wenbin, A New Method Of Iris Location Based On Active Contour, th
Proceedings of 6th Asian Conference on Computer Vision (ACCV 2004): 896-901, January 27-30, 2004, Jeju, Korea
[2] 苑玮琦，马军防，狄文彬，基于主动轮廓线的虹膜定位方法， A New Method of Iris Location Based on
Active Contour ，计算机工程与应用，2003, 39(36): 120-125
[3] 苑玮琦，马军防，狄文彬，基于主动轮廓线的虹膜内边界的定位方法，A New Method of Interior Edge of
Iris Location Based on Active Contour ，红外与激光工程，2003, 32(6): 605-609
[4]苑玮琦，狄文彬，于洪霞，李德胜，基于离散Gabor 变换的虹膜编码方法研究，仪器仪表学报，2003 ，
24(4)增刊: 467-468
5、现有技术的知识产权情况及自主知识产权的拥有设想；本项目提出一种新的虹膜特征提取及匹配方法，与现有国际上典型算法比较，其计算复杂程度可以大大简化，从而提高整个虹膜识别过程的运算速度。

该技术将申请发明专利。

该项目成果的知识产权归沈阳工业大学管理和所有。

三、项目可行性分析
1、资金筹措方案和预算安排；
申请科技经费5 万元。

其中：
资料检索费0.5万元(含ADSL 宽带网服务费每年1200 元，论文库、专利库等资料检索服务费，开题检索费，鉴定检索费，相关资料费，资料打印费及耗材) 。

论文发表费1.5 万元(含国际会议论文发表费每篇5000 元左右)。

差旅费2.0 万元(含调研，参加国际国内会议交通住宿费等) 。

验收鉴定费0.8 万元管理费0.2 万元
2、项目完成后应用可行性分析；
本项目主要完成一个虹膜识别系统的研制。

其中软件部分为本项目的研究重点，硬件部分包括虹膜图像采集装置和计算机，在市场上直接选购。

实际应用设想：将基于虹膜识别的个人身份鉴别方法与个人密码联合使用，首先试用在银行取款业务上，试图解决目前个人密码被盗用，从而存款被冒领的问题。

与指纹识别方法比较，虹膜识别为非接触方式，仪器使用寿命长，更容易被银行和用户接受。

成果推广设想：进一步的应用可以包括在海关，公安，网络通讯，电子政务，电子商务。

3、项目实施及预期成果的经济、社会、环境效益分析；
根据国际生物统计组织“ 2003 年生物统计市场报告” ，生物特征识别相关产品的税收将从2000 年的
3.99 亿美圆上升到2005 年的19 亿美圆。

而在2001 年的市场份额比较中，虹膜识别占生物特征识别市场总额的6.2% 。

随着虹膜识别技术的不断成熟，虹膜识别产品的市场份额将有明显的上升。

4、项目的风险分析(含技术、资金、管理的风险分析等) ；
本项目已经具有了前期工作基础，掌握的虹膜识别的基本技术，对于一些设想进行了实验，并取得了初步的成果。

下一步的工作是不断完善系统各个步骤的相应算法，使其在正确识别率和识别速度上取得进展，努力使其赶上国际先进水平。

四、项目实施计划
1、项目实施年限及年度计划安排；
本项目计划实施2 年。

2004 年7 月完成对各个步骤目前各种典型算法的分析比较。

2004 年12 月完成定位算法的改进及软件调试。

2005 年7 月完成特征提取算法的改进及软件调试。

2005 年12 月完成特征匹配算法的改进及软件调试。

2、项目的研究技术路线；
第一步，完成虹膜识别的系统软件编程，这部分工作已经完成。

第二步，完成定位算法的改进与软件调试。

第三步，完成特征提取算法的改进及软件调试。

第四步，完成特征匹配算法的改进及软件调试。

3、项目实施过程中需要解决的几项关键问题（含技术问题、资金筹措等）；
技术关键问题包括虹膜识别的正确识别率和识别速度。

项目申请经费能够满足项目实施过程中的需要。

4、项目预期总体目标和阶段目标，具体的考核指标（含主要技术经济指标）；
总体目标：完成一个识别率较高，识别速度较快、可执行的虹膜识别软件。

（1）提供一套基于方向边缘检测的虹膜纹理编码方法；（2）提供一套纹理匹配方法；
（3）编制出一套可运行的操作软件；
（4）在微机上验证上述方法的正确性和可行性；
（5）写出项目总结报告；
（6）在国内外重要学术刊物或国际重要学术会议上发表3-5 篇研究论文。

5、项目的关联行动，相关的技术引进、人才引进、国际合作、推广应用等落实情况；通过该项目的研究，使我们能够培养一批掌握高技术的研究生，也有可能吸引高级人才来研究室从事科研工作。

五、有关附件材料核心内容说明（以下所列为必须提供的附件）
1、查新报告
有关虹膜识别的参考文献已经检索到2004 年，可以随时提供。