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經(jīng)歷三次技術(shù)革新，不斷拓展應(yīng)用場景，中科虹霸憑借的是多年的技術(shù)積累和背后的諸多博士。
2016 年 5 月，印度，新德里。STQC FRR 測試場地，擺放著各個廠家的展示臺，而展示臺上是有待測試的設(shè)備。測試人員依次走過每個展示臺，采集、比對，并記錄測試結(jié)果。
這是印度針對虹膜識別提供商的認(rèn)證測試。虹膜識別，作為與指紋識別、人臉識別并稱的三大模態(tài)之一，能夠作為精確的身份識別。虹膜的形成由胚胎發(fā)育環(huán)境中的隨機(jī)因素決定，這使得每個人都具有獨(dú)一無二的虹膜紋理，哪怕是雙胞胎，都不相同。人臉會隨年齡而改變，指紋會磨損，虹膜紋理在人類出生 8 個月之后，就已穩(wěn)定成型，幾乎終身不變。
作為世界人口第二大國，印度從 2010 年啟動世界上最龐大的生物識別系統(tǒng)工程，采集全國 12 億人口的虹膜數(shù)據(jù)，并與身份信息綁定，從而提升政府管理水平，并將虹膜識別應(yīng)用于各個領(lǐng)域。
無論是虹膜識別方案，還是虹膜識別設(shè)備，只要進(jìn)入印度，就必須通過 STQC 認(rèn)證測試。每個虹膜識別提供商都需要現(xiàn)場采集 5000 多人的虹膜數(shù)據(jù)，實(shí)時傳輸?shù)椒?wù)器進(jìn)行比對，評測指標(biāo)包括比對速度和錯誤拒絕率。
「這個測試非常嚴(yán)格，也非常接近應(yīng)用場景。」中科虹霸算法總監(jiān)李星光對機(jī)器之能說。而在 2016 年 5 月的測試上，中科虹霸卻成為了唯一通過測試的能夠提供兩套移動端虹膜識別方案的企業(yè)。
從大型設(shè)備到小型終端設(shè)備
中科虹霸成立于 2006 年底，專注于虹膜識別核心技術(shù)的研發(fā)。2016 年 1 月，與展訊通信、元心科技共同合作，推出「展訊紫潭安全手機(jī)」，這款手機(jī)采用了展訊椒圖安全芯片以及安卓和元心自主研發(fā)的操作系統(tǒng)，中科虹霸提供虹膜識別解決方案。
作為行業(yè)安全手機(jī)，在黨政企業(yè)中有著廣闊的市場，因?yàn)閷ι婷軝C(jī)構(gòu)或企業(yè)而言，他們需要在普通的安卓系統(tǒng)和國產(chǎn)研發(fā)的安全系統(tǒng)之間進(jìn)行切換，切換時需要身份認(rèn)證，而虹膜識別相對于人臉識別和指紋識別來說，更為精確，因此也成為了最佳的身份認(rèn)證的手段。
「展訊紫潭安全手機(jī)」發(fā)布首日，就與航天系統(tǒng)企業(yè)簽約 10 萬臺。目前，這款手機(jī)已廣泛于國內(nèi)政企市場。
歷經(jīng) 11 年的發(fā)展，中科虹霸的虹膜識別技術(shù)已應(yīng)用于各個應(yīng)用場景。IKEMB220A、IKEMB1000 系列產(chǎn)品具有門禁管理、通道管理、考勤管理等多重功能。專門的通道管理識別機(jī)則能夠配合各類閘機(jī)，進(jìn)行身份識別和通道出入管理。防爆型虹膜識別儀則能適應(yīng)礦井的惡劣工作環(huán)境，用于礦工出入礦井的統(tǒng)計(jì)。
在大型虹膜識別設(shè)備之外，中科虹霸正在向移動端市場拓展，除了與展訊合作推出手機(jī)，合作伙伴還包括國美、達(dá)闥科技、菲律賓 Cherry Mobile、非洲 Fero Mobile 等，他們提供的虹膜識別技術(shù)均已成功應(yīng)用于這些智能終端。
然而，從大型設(shè)備過渡到小型終端設(shè)備，并非易事。硬件和算法都面臨雙重挑戰(zhàn)。
對 2D 人臉識別來說，只要有攝像頭，再搭載人臉識別算法即可。但虹膜識別卻需要專門的硬件。李星光介紹，市面上流行的智能手機(jī)前攝鏡頭擁有廣闊的視場角，因?yàn)樗粌H需要拍攝面部區(qū)域，還需要拍攝更大的區(qū)域。然而，要進(jìn)行虹膜識別，虹膜圖像的質(zhì)量必須達(dá)到一定要求，比如虹膜直徑要大于 160 像素，這就需要視場角更小的攝像頭。此外，通常的手機(jī)攝像頭拍攝的是可見光，但虹膜必須在近紅外光下才能呈現(xiàn)豐富的紋理特征，因而需要可拍攝近紅外光的攝像頭。而虹膜攝像頭的參數(shù)，比如景深等，也與普通攝像頭有所區(qū)別。
因此，如果要在手機(jī)上應(yīng)用虹膜識別，需要對手機(jī)進(jìn)行硬件改造：前置攝鏡頭，用來捕捉圖像；虹膜采集裝置，用來獲取虹膜圖像；近紅外燈，充當(dāng)主動光源，三個模組共同作用，完成對虹膜圖像的采集。
算法的挑戰(zhàn)則表現(xiàn)在，早期的虹膜識別設(shè)備需要用戶主動配合，人眼注視設(shè)備。但是，手機(jī)用戶的習(xí)慣卻多種多樣，讓用戶高度配合，并不現(xiàn)實(shí)。要解決這個問題，就涉及手機(jī)與用戶的交互。
「我們會在整個攝像頭的采集區(qū)域，刻畫出可用實(shí)際范圍，通過算法實(shí)時定位人眼位置，當(dāng)人眼位置被準(zhǔn)確定位之后，內(nèi)部虹膜的位置就會實(shí)時反饋到應(yīng)用上，如果用戶越界，雙眼不在屏幕上的眼睛標(biāo)志內(nèi)，系統(tǒng)就會以用戶理解的語言，比如聲音或屏幕顏色的變化提醒用戶。此外，我們還會通過算法刻畫眼皮關(guān)鍵點(diǎn)，或利用灰度、睫毛的幾何特性構(gòu)建模型，刻畫人眼的睜開程度，提示用戶睜眼或閉眼。」李星光表示，通過這些實(shí)時交互信息，中科虹霸會從體驗(yàn)上引導(dǎo)用戶盡快了解并適應(yīng)這個過程。
而在手機(jī)上應(yīng)用，用戶的光照條件也會相對復(fù)雜，比如環(huán)境光既可能在室內(nèi)，也可能在室外。這些都是獲取優(yōu)質(zhì)虹膜圖像的障礙，但圖像是最重要的數(shù)據(jù)源頭，圖像的質(zhì)量直接決定虹膜的識別。
如何解決？
李星光表示，在圖像分類中，比如場景分類，如何去區(qū)分場景，是在室內(nèi)還是室外，室外是背光還是順光，主要通過根據(jù)所拍照片環(huán)境光的變化和區(qū)域的光照變化進(jìn)行判斷，并通過通用的圖像理解技術(shù)進(jìn)行處理。
因此，在復(fù)雜的光照場景下，他們會實(shí)時捕捉用戶的環(huán)境信息，根據(jù)現(xiàn)有攝像頭的曝光值或增益值，進(jìn)行實(shí)時調(diào)整。「陽光是正射到攝像頭還是背射，是在室外場景高亮的區(qū)域還是室內(nèi)昏暗的區(qū)域，我們會實(shí)時捕捉這種場景信息，并進(jìn)行分析，最終確定一個最適合虹膜圖像獲取的狀態(tài)，去調(diào)整它的主動光源。」李星光說。具體的做法則是，他們會實(shí)時檢測眼睛，進(jìn)行精準(zhǔn)定位，并根據(jù)眼周、瞳孔大小的變化以及眼周周圍區(qū)域的變化，提取圖像中該區(qū)域的特征，從而進(jìn)行分析、判斷和調(diào)整。
而算法在運(yùn)行的時候，也會實(shí)時與上層應(yīng)用溝通，采集的圖像是偏黑還是偏亮，上層應(yīng)用獲得這樣的指標(biāo)后，就會進(jìn)行調(diào)整。比如，圖像偏黑，上層應(yīng)用就會進(jìn)行調(diào)亮處理等。
「對于環(huán)境適用性的改變，算法集成的優(yōu)化，是算法、硬件、上層應(yīng)用聯(lián)合調(diào)動的過程。」李星光總結(jié)道。不過，與傳統(tǒng)大型虹膜識別設(shè)備上的大相機(jī)采集的虹膜圖像相比，手機(jī)鏡頭采集的圖像也會有很大區(qū)別，對此，他們會在保證安全性的情況下，對算法的處理模塊進(jìn)行整體優(yōu)化。
拓展應(yīng)用場景，探索金融支付
獨(dú)一無二，終身不變且較難偽造，這樣的特性，使得對安全級別要求極高的金融支付成為虹膜識別典型的應(yīng)用場景。2016 年 9 月，中科虹霸與民生手機(jī)銀行合作，推出虹膜支付，將虹膜識別技術(shù)應(yīng)用于移動支付領(lǐng)域，如果用戶的手機(jī)具備虹膜識別功能，就可以使用虹膜支付進(jìn)行話費(fèi)充值、便民繳費(fèi)、商城支付等。
「我們提供一套基于安全環(huán)境的解決方案，會告訴手機(jī)的虹膜攝像頭如何獲取用戶的虹膜圖像，支付應(yīng)用會把圖像反饋到底層算法，底層算法處理之后，則反饋給上層應(yīng)用。」李星光說，「整個算法是封裝的，應(yīng)用只會拿到接口。而如果用戶注冊成功，則會把模板存儲在本地的保密區(qū)域。」
在民生銀行之外，中科虹霸還與某線上金融機(jī)構(gòu)共同探索線下支付場景。這家機(jī)構(gòu)正在線下店打造人臉支付范本，使用其賬號刷人臉，用戶即可買單。
「生物識別領(lǐng)域是 1：N 的環(huán)境，也就是說，設(shè)備并不知道你是誰，通過刷你的臉確認(rèn)你是誰。但中國有 10 多億人口，把這些人口全部加載到數(shù)據(jù)庫里，當(dāng)上百萬的人同時被識別的話，比對的時候，就會有問題。」李星光表示，鑒于這種情況，通常情況下，人臉識別時，還會輸入用戶手機(jī)的后四位去匹配，使得匹配的目標(biāo)數(shù)據(jù)庫變小，變成 1：小 N 的場景。
但虹膜識別卻不會有這樣的問題。因?yàn)楹缒ぷR別是采取比特流的比對方式，對計(jì)算機(jī)語言來說，這是特別適合加速的比對方法，舉個例子，在普通單核 PC 上，虹膜識別一秒鐘可以比對一百萬次，速度遠(yuǎn)超指紋識別和人臉識別。如果將虹膜識別做成服務(wù)器集群進(jìn)行比對的話，在比對效率上，虹膜識別具有巨大的優(yōu)勢。
另一方面，盡管人臉識別準(zhǔn)確率很高，但解決雙胞胎的識別，依然棘手。虹膜識別，即使雙胞胎，他們的虹膜紋理，也完全不同。所以該線上金融機(jī)構(gòu)在探索線下人臉支付時，還需要另外的確保手段，人臉識別與虹膜識別結(jié)合，就成了最佳的技術(shù)手段。
然而，對于支付來說，保證支付安全至關(guān)重要。如今的 2D 人臉識別，照片、視頻、人皮面具都可能成為攻擊的手段。虹膜識別也會遇到打印虹膜、視頻回放等呈現(xiàn)攻擊類型。
李星光表示，可以從硬件或算法兩方面進(jìn)行活體檢測。虹膜是活體，蘊(yùn)含大量的生物信息，正常情況下，隨著環(huán)境光的變化，虹膜會抖動，因此可以增加硬件結(jié)構(gòu)，不斷捕捉連續(xù)的變化以及光照的變化。
「我們可以分析假體的紅外圖像（我們具備這個能力），我們也可以拍攝到虹膜圖像（但我們不會給手機(jī)廠商提供這個功能），因此，我們可以把拍攝的圖像打印出來，根據(jù)不同的角度、不同的人、不同的采集項(xiàng)目，進(jìn)行模擬攻擊，根據(jù)模擬攻擊的結(jié)果訓(xùn)練我們的技術(shù)模型，防止被近紅外圖片進(jìn)行算法攻擊。」李星光介紹他們的做法。
而為了避免虹膜圖像或虹膜特征被盜取或篡改，在數(shù)據(jù)的儲存上，李星光認(rèn)為，也不能存儲用戶原始的虹膜圖像，因?yàn)楂@取圖像就意味著掌握了所有的特征變化。他們采取的辦法是，將用戶的虹膜特征存儲到用戶刻畫的安全區(qū)域。「在驗(yàn)證的時候，我們只取特征，也只需要特征。但因?yàn)楹缒ぷR別的模板是一堆比特流，可以撤銷，即使被盜取，也可以換一個加密方式，讓盜取的人無法比對。」李星光說。
實(shí)際上，李星光認(rèn)為，通常情況下，虹膜識別的安全，被攻擊的不是圖像或特征，而是認(rèn)證的鏈路。這就需要在硬件上，必須保證用于圖像獲取的攝像頭專用于虹膜識別。而對于像螞蟻金服、騰訊、銀聯(lián)這樣的上層應(yīng)用企業(yè)，他們同樣在進(jìn)行通信協(xié)議的安全性鏈路認(rèn)證，虹膜識別算法企業(yè)與應(yīng)用企業(yè)協(xié)同保證用戶的安全。
不過，相對指紋識別和人臉識別，在安全方面，虹膜識別卻面臨獨(dú)有的挑戰(zhàn)。那就是美瞳。
虹膜紋理可以伸縮，內(nèi)緣會變小或變大，美瞳卻是固定的，不可能跟隨紋理進(jìn)行伸縮。如果有人佩戴美瞳注冊，另外一個人再佩戴美瞳進(jìn)行識別，那么注冊用戶的賬戶就面臨著風(fēng)險(xiǎn)，如果兩個人都佩戴同樣的美瞳，也可能會造成誤識，因?yàn)椴糠旨y理都相同。因此，當(dāng)檢測到美瞳時，在需要的場景下，中科虹霸會要求用戶摘下美瞳再進(jìn)行識別。
中科虹霸的底氣，是來自多年的技術(shù)積累
從大型虹膜識別設(shè)備到小型終端設(shè)備上的應(yīng)用，再到金融支付場景的探索，中科虹霸在不斷拓展自己的邊界，而背后的支撐正是這家企業(yè)多年的技術(shù)積累。
中科虹霸的技術(shù)積累跟模式識別國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室息息相關(guān)。作為虹膜識別國際上最早的研究者之一，譚鐵牛院士懷揣著將技術(shù)轉(zhuǎn)化為應(yīng)用的夢想，帶著自己課題組的研究成果，在中科院自動化研究所的支持下，創(chuàng)建了中科虹霸。
而在那之前的 9 年時間，這位放棄英國雷丁大學(xué)終身教職回國的科學(xué)家，推動著中科院自動化研究所模式識別國家重點(diǎn)室虹膜識別的研究。他組建了包括光學(xué)、電路、算法、系統(tǒng)等科研團(tuán)隊(duì)。實(shí)驗(yàn)室不僅在國際刊物上發(fā)表了大量虹膜識別的論文，還建立了目前國際上規(guī)模最大的虹膜圖像共享庫，被 150 多個國家和地區(qū)的 2 萬個科研人員和團(tuán)隊(duì)請求使用。
「經(jīng)過 20 年的技術(shù)積累，課題組已經(jīng)培養(yǎng)了 20 多名博士，涉及到虹膜識別算法的多個模塊，我也是其中一份子。」李星光說。
其中，中科虹霸就有 10 多位虹膜識別博士，而他們對虹膜識別的研究也一直在傳承。擔(dān)任中科虹霸總經(jīng)理的馬力，是中國第一個虹膜識別博士，無論是虹膜圖像預(yù)處理，還是虹膜識別特征表達(dá)，他都很擅長。T-PAMI、T-IP 上有他的基于虹膜識別的身份鑒別論文。
2009 年，孫哲南在 T-PAMI 發(fā)表論文《Ordinal Measures for Iris Recognition》，這篇論文基于定序測量的虹膜識別方法，提出了統(tǒng)一的虹膜特征框架，「定序測量的特征維度和參數(shù)非常巨大，足夠刻畫整個虹膜細(xì)節(jié)的信息。」李星光介紹。
中科虹霸副總經(jīng)理何召鋒，則基于啟發(fā)式模型虹膜的預(yù)處理和特征選擇的方法，研究如何挑選最好的虹膜識別特征。副總經(jīng)理邱顯超及其他研究員，致力于基于紋理基元的虹膜粗分類。
作為算法總監(jiān)，李星光研究的是虹膜圖像的質(zhì)量評價(jià)，如何精確刻畫虹膜圖像的質(zhì)量，比如有多少個維度、伸縮率，還有曝光等等，從不同維度刻畫虹膜圖像的質(zhì)量，根據(jù)這些質(zhì)量去處理低質(zhì)量復(fù)雜環(huán)境的虹膜識別。如今，其他研究員則基于深度學(xué)習(xí)框架，研究如何在深度網(wǎng)絡(luò)下做虹膜的預(yù)處理、特征提取和比對。
「科學(xué)院做學(xué)術(shù)比較有延續(xù)性，在一個方向上可以做很長時間，我們培養(yǎng)了很多高質(zhì)量的博士，希望花更多時間把每一件事都做到極致。」李星光總結(jié)道。
濃厚的學(xué)術(shù)氛圍，以及將技術(shù)融入場景的實(shí)踐，也吸引著更多的人才加入。2017 年 9 月，畢業(yè)于中國科學(xué)院自動化研究所，天基綜合信息系統(tǒng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副研究員張慧加入中科虹霸，專門刻畫虹膜的活性眼球，在虹膜模型基礎(chǔ)上做更細(xì)的模型。
在這些人才基礎(chǔ)之上，中科虹霸成立以來，從單目到雙目、靜態(tài)到動態(tài)、近距離到遠(yuǎn)距離，先后經(jīng)歷三次技術(shù)革新，突破了虹膜識別領(lǐng)域的成像裝置、圖像處理、特征抽取、識別檢索、安全防偽等關(guān)鍵技術(shù)，并先后在國際虹膜識別競賽 NICE.I 和 NICE.II 上獲得冠軍。
「這么多年的積累，使我們面對更復(fù)雜的，真正場景應(yīng)用下的算法開發(fā)，具有一定的技術(shù)水平和儲備。也讓我們在解決問題時，眼界更廣，考慮得更多。」李星光說。
撰文 | 藤子
