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經(jīng)歷三次技術(shù)革新，不斷拓展應(yīng)用場(chǎng)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(cè)試場(chǎng)地，擺放著各個(gè)廠家的展示臺(tái)，而展示臺(tái)上是有待測(cè)試的設(shè)備。測(cè)試人員依次走過每個(gè)展示臺(tái)，采集、比對(duì)，并記錄測(cè)試結(jié)果。
這是印度針對(duì)虹膜識(shí)別提供商的認(rèn)證測(cè)試。虹膜識(shí)別，作為與指紋識(shí)別、人臉識(shí)別并稱的三大模態(tài)之一，能夠作為精確的身份識(shí)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(gè)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(huì)隨年齡而改變，指紋會(huì)磨損，虹膜紋理在人類出生 8 個(gè)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(dòng)世界上最龐大的生物識(shí)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(shí)別應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。
無論是虹膜識(shí)別方案，還是虹膜識(shí)別設(shè)備，只要進(jìn)入印度，就必須通過 STQC 認(rèn)證測(cè)試。每個(gè)虹膜識(shí)別提供商都需要現(xiàn)場(chǎng)采集 5000 多人的虹膜數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)傳輸?shù)椒?wù)器進(jìn)行比對(duì)，評(píng)測(cè)指標(biāo)包括比對(duì)速度和錯(cuò)誤拒絕率。
「這個(gè)測(cè)試非常嚴(yán)格，也非常接近應(yīng)用場(chǎng)景。」中科虹霸算法總監(jiān)李星光對(duì)機(jī)器之能說。而在 2016 年 5 月的測(cè)試上，中科虹霸卻成為了唯一通過測(cè)試的能夠提供兩套移動(dòng)端虹膜識(shí)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(shí)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(shí)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(chǎng)，因?yàn)閷?duì)涉密機(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(shí)需要身份認(rèn)證，而虹膜識(shí)別相對(duì)于人臉識(shí)別和指紋識(shí)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(tái)。目前，這款手機(jī)已廣泛于國內(nèi)政企市場(chǎng)。
歷經(jīng) 11 年的發(fā)展，中科虹霸的虹膜識(shí)別技術(shù)已應(yīng)用于各個(gè)應(yīng)用場(chǎng)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(shí)別機(jī)則能夠配合各類閘機(jī)，進(jìn)行身份識(shí)別和通道出入管理。防爆型虹膜識(shí)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(shí)別設(shè)備之外，中科虹霸正在向移動(dòng)端市場(chǎng)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(shí)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(duì) 2D 人臉識(shí)別來說，只要有攝像頭，再搭載人臉識(shí)別算法即可。但虹膜識(shí)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(chǎng)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(shí)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(chǎng)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(shí)別，需要對(duì)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(dòng)光源，三個(gè)模組共同作用，完成對(duì)虹膜圖像的采集。
算法的挑戰(zhàn)則表現(xiàn)在，早期的虹膜識(shí)別設(shè)備需要用戶主動(dòng)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(gè)問題，就涉及手機(jī)與用戶的交互。
「我們會(huì)在整個(gè)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(shí)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(huì)實(shí)時(shí)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(huì)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(huì)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?！估钚枪獗硎?，通過這些實(shí)時(shí)交互信息，中科虹霸會(huì)從體驗(yàn)上引導(dǎo)用戶盡快了解并適應(yīng)這個(gè)過程。
而在手機(jī)上應(yīng)用，用戶的光照條件也會(huì)相對(duì)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(shí)別。
如何解決？
李星光表示，在圖像分類中，比如場(chǎng)景分類，如何去區(qū)分場(chǎng)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?qǐng)鼍跋?，他們?huì)實(shí)時(shí)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(shí)調(diào)整?！戈柟馐钦涞綌z像頭還是背射，是在室外場(chǎng)景高亮的區(qū)域還是室內(nèi)昏暗的區(qū)域，我們會(huì)實(shí)時(shí)捕捉這種場(chǎng)景信息，并進(jìn)行分析，最終確定一個(gè)最適合虹膜圖像獲取的狀態(tài)，去調(diào)整它的主動(dòng)光源?！估钚枪庹f。具體的做法則是，他們會(huì)實(shí)時(shí)檢測(cè)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(shí)候，也會(huì)實(shí)時(shí)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(huì)進(jìn)行調(diào)整。比如，圖像偏黑，上層應(yīng)用就會(huì)進(jìn)行調(diào)亮處理等。
「對(duì)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(dòng)的過程?！估钚枪饪偨Y(jié)道。不過，與傳統(tǒng)大型虹膜識(shí)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(huì)有很大區(qū)別，對(duì)此，他們會(huì)在保證安全性的情況下，對(duì)算法的處理模塊進(jìn)行整體優(yōu)化。
拓展應(yīng)用場(chǎng)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(duì)安全級(jí)別要求極高的金融支付成為虹膜識(shí)別典型的應(yīng)用場(chǎng)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(shí)別技術(shù)應(yīng)用于移動(dòng)支付領(lǐng)域，如果用戶的手機(jī)具備虹膜識(shí)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(huì)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(huì)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?！估钚枪庹f，「整個(gè)算法是封裝的，應(yīng)用只會(huì)拿到接口。而如果用戶注冊(cè)成功，則會(huì)把模板存儲(chǔ)在本地的保密區(qū)域?！?/span>
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(chǎng)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(hào)刷人臉，用戶即可買單。
「生物識(shí)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(shí)被識(shí)別的話，比對(duì)的時(shí)候，就會(huì)有問題?！估钚枪獗硎?，鑒于這種情況，通常情況下，人臉識(shí)別時(shí)，還會(huì)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(chǎng)景。
但虹膜識(shí)別卻不會(huì)有這樣的問題。因?yàn)楹缒ぷR(shí)別是采取比特流的比對(duì)方式，對(duì)計(jì)算機(jī)語言來說，這是特別適合加速的比對(duì)方法，舉個(gè)例子，在普通單核 PC 上，虹膜識(shí)別一秒鐘可以比對(duì)一百萬次，速度遠(yuǎn)超指紋識(shí)別和人臉識(shí)別。如果將虹膜識(shí)別做成服務(wù)器集群進(jìn)行比對(duì)的話，在比對(duì)效率上，虹膜識(shí)別具有巨大的優(yōu)勢(shì)。
另一方面，盡管人臉識(shí)別準(zhǔn)確率很高，但解決雙胞胎的識(shí)別，依然棘手。虹膜識(shí)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(shí)，還需要另外的確保手段，人臉識(shí)別與虹膜識(shí)別結(jié)合，就成了最佳的技術(shù)手段。
然而，對(duì)于支付來說，保證支付安全至關(guān)重要。如今的 2D 人臉識(shí)別，照片、視頻、人皮面具都可能成為攻擊的手段。虹膜識(shí)別也會(huì)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(cè)。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(huì)抖動(dòng)，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(gè)能力），我們也可以拍攝到虹膜圖像（但我們不會(huì)給手機(jī)廠商提供這個(gè)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?！估钚枪饨榻B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(chǔ)存上，李星光認(rèn)為，也不能存儲(chǔ)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(chǔ)到用戶刻畫的安全區(qū)域?！冈隍?yàn)證的時(shí)候，我們只取特征，也只需要特征。但因?yàn)楹缒ぷR(shí)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(gè)加密方式，讓盜取的人無法比對(duì)?！估钚枪庹f。
實(shí)際上，李星光認(rèn)為，通常情況下，虹膜識(shí)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(shí)別。而對(duì)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(shí)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(duì)指紋識(shí)別和人臉識(shí)別，在安全方面，虹膜識(shí)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(huì)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(cè)，另外一個(gè)人再佩戴美瞳進(jìn)行識(shí)別，那么注冊(cè)用戶的賬戶就面臨著風(fēng)險(xiǎn)，如果兩個(gè)人都佩戴同樣的美瞳，也可能會(huì)造成誤識(shí)，因?yàn)椴糠旨y理都相同。因此，當(dāng)檢測(cè)到美瞳時(shí)，在需要的場(chǎng)景下，中科虹霸會(huì)要求用戶摘下美瞳再進(jìn)行識(shí)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(shí)別設(shè)備到小型終端設(shè)備上的應(yīng)用，再到金融支付場(chǎng)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(shí)別國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室息息相關(guān)。作為虹膜識(shí)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(mèng)想，帶著自己課題組的研究成果，在中科院自動(dòng)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(shí)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(dòng)著中科院自動(dòng)化研究所模式識(shí)別國家重點(diǎn)室虹膜識(shí)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(shí)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(gè)國家和地區(qū)的 2 萬個(gè)科研人員和團(tuán)隊(duì)請(qǐng)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(shí)別算法的多個(gè)模塊，我也是其中一份子?！估钚枪庹f。
其中，中科虹霸就有 10 多位虹膜識(shí)別博士，而他們對(duì)虹膜識(shí)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(gè)虹膜識(shí)別博士，無論是虹膜圖像預(yù)處理，還是虹膜識(shí)別特征表達(dá)，他都很擅長。T-PAMI、T-IP 上有他的基于虹膜識(shí)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(cè)量的虹膜識(shí)別方法，提出了統(tǒng)一的虹膜特征框架，「定序測(cè)量的特征維度和參數(shù)非常巨大，足夠刻畫整個(gè)虹膜細(xì)節(jié)的信息?！估钚枪饨榻B。
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(shí)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(píng)價(jià)，如何精確刻畫虹膜圖像的質(zhì)量，比如有多少個(gè)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(shí)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(duì)。
「科學(xué)院做學(xué)術(shù)比較有延續(xù)性，在一個(gè)方向上可以做很長時(shí)間，我們培養(yǎng)了很多高質(zhì)量的博士，希望花更多時(shí)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(chǎng)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(dòng)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(dòng)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(shí)別領(lǐng)域的成像裝置、圖像處理、特征抽取、識(shí)別檢索、安全防偽等關(guān)鍵技術(shù)，并先后在國際虹膜識(shí)別競(jìng)賽 NICE.I 和 NICE.II 上獲得冠軍。
「這么多年的積累，使我們面對(duì)更復(fù)雜的，真正場(chǎng)景應(yīng)用下的算法開發(fā)，具有一定的技術(shù)水平和儲(chǔ)備。也讓我們?cè)诮鉀Q問題時(shí)，眼界更廣，考慮得更多?！估钚枪庹f。
撰文 | 藤子
