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虹膜辨識技術
 

【作者: 許鶴齡】   2004年03月25日 星期四

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虹膜作為人的辨識,起源於十九世紀。在1880年代,法國人Alphonse Bertillon 曾經在監獄中對囚犯以虹膜作人身的判定。而到了1980年前後,研究所開始對虹膜辨識的研究提出報告,但虹膜辨識的產品真正問世,則是在2001年以日本松下電器發表BM-ET100US(圖一)後,才真正展開了虹膜辨識產品化的序幕,也成為這兩年在全世界的生物辨識領域裡的一個熱門研究題目。


《圖一 Panasonic所生產的BM-ET100US》
《圖一 Panasonic所生產的BM-ET100US》

虹膜辨識簡介

生物辨識是指利用人的生理或行為特徵作為辨識身份的依據,而生理的特徵可區分為指紋、聲紋、臉型和虹膜等,至於簽名則是行為模式的一種。由於生物辨識主要應用於個人身份的識別與認證,所以需要兼顧高安全性與高便利性。一個眼睛上的虹膜可找出約240個不同的特徵點,由統計的觀點來看,要找出完全相符的機率只有1/10^72,與指紋(約30–40個特徵點)相較,具有更高的準確性,也是目前具有最高安全性的生物辨識方式。此外虹膜在取像時,並不需要直接接觸,對於使用上的接受度也較高。


虹膜辨識的基本原理

眼球的基本構造如(圖二),中央點黑色部份為瞳孔區,其外圍為虹膜區,最外圍白色部分即俗稱的眼白。虹膜表面有許多條紋溝和小坑,其形成的圖像有豐富的紋路和結構性特徵。而虹膜生理結構的特徵,在母體胚胎時即已成形,且終身不變。不過隨著年齡變化,會產生色素沈澱,而隨周圍光線強弱,瞳孔大小會有變化。不同的人種亦有不同的顏色,虹膜辨識就是基於這些微血管分布的變化,來作為個人身分辨識的依據。


由於眼睛是人體極為脆弱的器官,所以很難直接由手術等方式去改變它。此外,眼睛的虹膜特徵具有其非常穩定的特性,從出生一歲後,虹膜特徵的幾乎不會發生變化。即使眼球受到外傷(如穿刺傷),虹膜部分區域會留下一個無法癒合的黑洞,但對於其他部分的虹膜特徵則並不會有太大的影響。


虹膜特徵產生大量變化的原因,主要在於生病(例如癌症或角膜軟化症)時所造成的病變。碰到這些疾病時虹膜會產生肉芽、組織壞死等現象,進而造成虹膜特徵大量改變。


《圖二 人眼虹膜》
《圖二 人眼虹膜》

一般而言,生物辨識系統主要由取像、特徵點抽取及比對等三個部分所組成。以虹膜辨識而言,取像是指經由專業的紅外線攝影機,來讀取視網膜影像;特徵點抽取則是經過一連串複雜的影像處理計算後,抽取特徵點的過程;比對則是將取出的特徵點與資料庫進行比對,來達到識別或認證的效果。


虹膜辨識的取像

在擷取虹膜影像的過程,使用非接觸性、近紅外線的專業攝影機。由於眼睛為靈魂之窗,將紅外線直接在眼睛上掃描,對眼睛造成的影響也是許多人的疑慮,對於光源強度的規範有下面幾個世界標準,分別為ANSI/IESNA RP-27.1-96、IEC 60825-1 Amend.2、Class 1 LED。


一般而言,使用紅外線攝影機擷取虹膜影像的操作距離大約從五吋至二十四吋不等,且操作環境溫度較窄,只有攝氏零度到四十度左右,而操作的角度垂直大約二十五度到三十五度。目前主要紅外線攝影機生產廠商有LG、Panasonic、Oki等。


《圖四 Oki所生產的IRISPASS-WG》
《圖四 Oki所生產的IRISPASS-WG》

雖然虹膜在取像時並不需要接觸到機器,但操作卻較為麻煩。當擺設到一定高度後,個子小的人要站箱子,高個子要彎下身子(可接受垂直視角最多只有正負三十五度),且取像時眼睛必須睜開越大越好。一般而言,要取到虹膜影像需要5秒至15秒,所以市場的接受度並不如指紋或臉型等其他生物辨識技術來得好。此外,一台紅外線攝影機的單價大約在200美元以上,其較高的價位也是令消費者望之卻步的原因之一。


與世界接軌的虹膜辨識

生物辨識目前主要應用於身分認證,在初期的主要應用則為門禁系統,是一個封閉型的系統。但從911事件後,美國機場大力推動生物認證技術,並增加邊境國防安全性。在各國也跟進的情況下,未來資料的可交換性,就變成最重要的考量因素。


雖然目前世界的生物辨識標準制定組織,都有把虹膜辨識列入其標準制定的範圍內,但由於目前各家廠商的虹膜特徵點抽取方法各異,若想要在不同廠商間作資料交換,則必須交換整個虹膜影像。目前國際科技標準委員會(International Committee for Information Technology Standard,INCITS)底下的M 1.3生物辨識工作小組,正致力於制定虹膜影像交換格式(Iris Image Interchange Format)的標準。


其中對影像的解析度、對比、亮度、扭曲和儲存格式等特性做了標準的規範,使得虹膜資料可以在不同廠商間順利運作。一般而言影像大小經過JPEG的壓縮後,容量約25–30K bytes,而原始點陣影像則約300K byte。


結語

虹膜辨識其高準確率傲視其他生物辨識技術,但要在現階段廣泛的應用,仍有許多的問題點,諸如昂貴的紅外線攝影機、操作的不適性,以及較慢的取像、比對速度等。所以目前虹膜辨識的市場規模較小,應用範圍也不若指紋辨識或臉型辨識般普遍。以技術眼光來看,虹膜辨識的技術成熟度晚了指紋辨識五年左右。不過在未來成本降低,及操作便利性改善後,仍能夠期待其高準確率帶給人類更便利和更安全的生活。


<作者任職於星友科技/清華大學資訊工程碩士>


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