中国虹膜识别往事：从讨不来的图像说起
学术
2024-11-18 19:30
北京
日前，中国科学院院士谭铁牛在向《中国科学报》回顾他带领团队攻克虹膜图像获取与识别技术那段历史时，提到了一段难以忘怀的往事。他说，如果不是被国外同行“刺激”，自己或许不会那么坚定地要从零开始做虹膜识别。1999年，是谭铁牛放弃英国雷丁大学终身教职、举家回国的第二个年头。当年，谭铁牛计划在国内继续开展模式识别研究，其中包括他在数年前就看好的方向——虹膜识别。在早些时候，欧美国家就已经开展了这一方向的研究，进展也更快一些。谭铁牛便想从国外购买一台虹膜图像获取设备，先研究虹膜图像识别算法，加快追赶步伐。他没想到这一想法竟遭到拒绝，外方给出的理由是这类设备对中国禁售。于是，他退而求其次询问对方：“能否提供一些图像？”得到的答复更让他大跌眼镜：“可以给你几张，但多了不行。”实实在在尝到“关键核心技术是要不来、买不来、讨不来的”苦涩后，谭铁牛决定从零做起，自主研发。中国虹膜识别技术20多年的自主创新之路，由此悄然开启。时间回到1993年。当时谭铁牛已是雷丁大学一位小有名气的模式识别专家，凭借出色的科研成绩被提升为高级研究员。偶然间，他读到英国剑桥大学教授约翰·道格曼（John Daugman）利用人眼虹膜特征对人员进行识别的一篇论文，非常感兴趣，并展开了深入思考。
相比人脸和指纹等其他生物特征，瞳孔和眼白之间的那一圈虹膜太特殊了。生物遗传学家已经证明，每个人的虹膜都是特有的，它具有丰富、多样的纹理，自胎儿发育形成后直至死亡都不会改变。这种唯一性和极强的稳定性，是天然的身份识别特征。“即便是双胞胎，也能利用虹膜识别技术分辨出来。”谭铁牛说，相较指纹识别与人脸识别，虹膜识别具有伪造难度高、适用性广、误识率低等优点。他还想到，中国人口众多、流动性大，虹膜识别技术未来可能对社会发展和国家安全有重要影响。渐渐地，想要做虹膜识别的种子在谭铁牛心里扎下了根。1996年，谭铁牛当选为英国机器视觉与模式识别学会执行理事，成为该学会有史以来第一位非英国国籍理事。就在这一年，谭铁牛作出了回国的决定。起因是中国科学院拟在模式识别学科引入一位学科带头人，他郑重思考后递交了申请书并如愿入选。随后，谭铁牛夫妻向雷丁大学提交了放弃终身教职的辞职信并卖掉房产、汽车等家当，准备回国。对此，有朋友很是不解，建议他“留条退路”。他却半开玩笑地说：“要革命就得彻底！”回国后，谭铁牛全身心投入到中国科学院自动化研究所（以下简称自动化所）的新工作中。虹膜识别，这个在他心中有千钧重的研究方向，很快开启了。虹膜识别的第一关是“成像”，就是捕捉人眼虹膜图像，并清楚地拍摄下来。
环状的虹膜区域小且颜色暗沉，要拍清楚并不容易。虽然虹膜与眼白的边界形状基本不变，但瞳孔大小会随着进入眼睛光线的多少而变化，虹膜因此也会发生形变。这给虹膜图像获取与识别带来了很大挑战。谭铁牛擅长图像识别算法研究，但对成像硬件并没有涉猎，当时国内也没有现成设备。国外求购遇阻后，他决定带领团队自主研发虹膜成像设备。研发的难度可不小——东方人种的眼睛相对较小，虹膜细纹特征不如西方人种和非洲人细腻丰富，这无疑对成像提出更高要求。此外，依靠可见光通常无法拍摄出纹理清晰的虹膜图像，需要利用特殊波段的光照进行拍摄。“这是第一道坎，也是最大挑战。”谭铁牛说，如果图像拍不清楚，就无法进行正确识别，“必须从头设计虹膜相机或虹膜成像仪”。要“攒”一台这样的设备，涉及光学、机电、工程等方面的知识与技能。没有经验可以借鉴，一切都要摸索着干。那段时间，谭铁牛经常把自己关在实验室，用自己的眼睛做实验。他记不清尝试了多少次——经常一手扶着相机，一手扯着电线连接电路，不断调整光线和照明设备，然后贴近观察拍摄出来的图像。“很多时候绊住脚的并不是理论问题，而是技巧和窍门。”谭铁牛说，为了清楚拍摄虹膜的细节纹理，他们在摄像头前安装了电控的红外主动照明光源；为了有效消除虹膜上光源的高光反射点，他想到使用毛玻璃环来遮挡，以减少虹膜图像的噪声……功夫不负有心人，就这样一点点调试，谭铁牛团队终于搞定了“初代”虹膜图像获取装置。图像获取还只是第一步，如何判断拍摄的图像是否来自活体、如何提高图像分辨率、如何快速精准定位虹膜区域、如何刻画虹膜图像特征等问题，都是虹膜识别技术创新路上的“拦路虎”。困难吓不倒英雄汉。他们集思广益，一步步设法进行活体检测、提出基于定序测量的虹膜图像特征表达方法、利用算法优势赋予机器智能化实现虹膜成像便捷化……2000年，谭铁牛研究团队开发出国内第一套虹膜识别核心算法和原型系统，对外宣告掌握了虹膜识别系统核心知识产权，打破了欧美国家的技术封锁。更重要的是，第一代虹膜图像获取装置的成功研制，实现了虹膜图像实验数据从无到有的历史性突破，为虹膜识别算法研究搭建了基础性实验平台。有了设备，他们很快在保护好个人隐私并获得知情同意的前提下，采集了一定规模的虹膜数据，用于识别算法的研究和验证。2003年，谭铁牛和学生马力、王蕴红等人在国际电子电器工程师学会（IEEE）旗下刊物《模式分析与机器智能汇刊》发表论文，介绍了他们基于虹膜纹理分析的个人身份识别系统研究工作。这篇论文被引用的次数迄今已超1440次， 充分彰显了这篇文章的重要性和影响力。值得一提的是，这篇论文与谭铁牛10年前看到的道格曼的那篇论文发表于同一期刊。这是该期刊时隔10年之久第二篇系统介绍虹膜识别技术的文章。“可见，当时这个领域的研究者有多么少。”谭铁牛说。在介绍虹膜识别系统的这篇论文中，谭铁牛团队对图像获取装置的设计做了简要介绍。但为了保护虹膜相机的知识产权，他们在论文插图中对拍摄的图像进行了“抹除瞳孔”的预处理——在拍摄的图像中，反光点位于瞳孔区，“行家”能从反光点推测出拍摄的灯光排布等设计窍门。抹除瞳孔和反光点的操作丝毫不影响图像的可用性，因为数据区都在虹膜位置，但这给了一些人找碴儿的机会。有国外教授专门发表评论文章，认为处理后的数据不能用于虹膜识别算法的测试，呼吁同行停止使用这些数据，改用由欧美国家主导的数据。谭铁牛团队据理力争，在同一期刊发表文章，回应并驳斥了“经处理数据无法使用”的谬论。这让谭铁牛意识到，要尽快建立属于自己的虹膜图像数据库。“这是一个从被动走向主动的过程。”谭铁牛说，有了自己的数据，就不必再去求人；况且，虹膜识别技术事关个人身份安全与国家安全，必须掌握主动权。在此后的研究活动中，谭铁牛团队特别注重图像数据的保存和归集。他们把研究中用到的虹膜图像集中起来建立了一个“CASIA虹膜图像数据库”（CASIA是自动化所的英文缩写），并开放给全球的研究团队使用。自动化所模式识别实验室研究员、中国科学院大学人工智能学院岗位教授孙哲南告诉记者，这个数据库自2003年有了雏形之后，20年来经过不断更新和完善，已经成为一个拥有6个子集、超过5000名采集对象、数万组标准图片的大规模数据集，是目前国际上公开共享的最大规模的虹膜数据库。它同时也是目前使用最广泛的虹膜图像数据库。截至现在，已有来自180多个国家和地区的1.6万多个科研团队申请使用。谭铁牛自信地说：“全球虹膜识别方面的论文，估计有80%以上使用了我们数据库的图像。”今昔对比，谭铁牛分外感慨：“当初我们想从国外要一些虹膜图像都要不到，现在我们建立的数据库已成为学科研究领域最标准、最权威的数据库。我们掌握了主动权，改写了被动求人的历史，开放共享图像库展现了我们的大国担当和包容胸怀。”孙哲南是谭铁牛培养的我国虹膜识别领域第二位博士。他不仅见证并参与了CASIA数据库的建立与完善，还是虹膜识别技术从稚嫩走向成熟的亲历者。
20多年里，课题组从只能采集一只眼睛的虹膜，到在采集设备中加入冷光镜、利用人机交互完成双眼虹膜采集；从最初只能眼睛贴着设备采集，到改进成像镜头的设计及目标检测算法，将采集距离延长到3米甚至更远；从一次只能处理一个虹膜识别对象，到研发和利用“光场成像技术”“液体镜头”等系列技术，实现多人虹膜识别……时间的河，载着他们这只奋进的小船一步步到达成功的彼岸。一批深入虹膜识别领域的青年才俊迅速崭露头角。马力是谭铁牛回国后培养的国内虹膜识别领域第一个博士研究生，参与了第一代虹膜识别设备的自主研发，并通过开展合作，拓展了虹膜识别在移动端的市场应用。2011年加入自动化所的侯广琦，在远距离虹膜识别设备和动物虹膜识别方面做了许多建设性工作，后来参与了“虹星科技”的创业和孵化。2005年底，谭铁牛凭借“虹膜图像获取与识别技术”项目获得国家技术发明奖二等奖。孙哲南记得，在这之后，向他打听这项技术的人慢慢多起来。其间，他还接待了一个“煤老板”。原来，这家煤矿企业一直在使用虹膜识别设备对煤矿工人进行身份识别，只是设备和技术都从日本公司进口。他们听说自动化所有人在研究虹膜识别技术，于是慕名而来。虹膜识别技术是煤矿企业的“心头好”。矿工的出入井核验是矿山管理当中一个薄弱环节。上完班矿山工人们的脸和手都黑乎乎的，指纹和人脸几乎无法辨别，但虹膜识别不存在这些问题。“日本公司卖给他们的设备太贵了。”孙哲南回忆说，对方迫切想要使用国产替代方案，减少这方面的成本。彼时，谭铁牛早就萌生了孵化虹膜识别技术的想法：“不能让技术只停留在实验室。” 在自动化所的支持下，2006年，掌握具有完全自主知识产权的虹膜识别技术的企业“中科虹霸”宣告成立。2007年，中科虹霸的技术设备在黑龙江龙煤集团落地应用，开启了中国虹膜识别技术的产业化之路。中科虹霸总经理马力介绍，目前虹膜识别技术已经覆盖金融领域、出入境管理、宠物（动物）身份识别等多个行业。基于自动化所虹膜识别技术的中科虹霸产品迅速赢得市场认可，还出口到亚洲、欧洲、非洲相关国家和地区。2018年，世界粮食计划署和联合国难民署采用该所虹膜识别技术，为中东地区300多万难民提供物资和现金服务。2018年，世界粮食计划署和联合国难民署合作，采用自动化所的虹膜识别技术为中东地区300多万难民提供物资和现金服务。自动化所供图孙哲南告诉记者，虽然虹膜识别技术实现了落地应用，但与人脸识别等相比，在成本和易用性上还有进步空间，未来发展“需要耐心和信心”。在模式识别领域摸爬滚打了数十年，有件事让谭铁牛一直耿耿于怀，这件事也是傅京孙40年前一项未竟的事业。
傅京孙创办了《模式分析与机器智能汇刊》，在全球模式识别领域享有盛誉。他长期致力于模式识别基础及应用研究，是国际上该学科的主要组织者和领导人。1973年，他以大会主席身份，组织召开首届国际模式识别会议（ICPR）。1984年，傅京孙怀着对祖国的朴素感情，力主1988年第9届ICPR由中国主办，在北京举行。由于其在国际模式识别领域的巨大声望，此事在当年已成定局。但不幸的是，1985年4月29日，傅京孙突发心脏病在美国逝世。据曾在美国普渡大学访学时受傅京孙指导的中南大学教授蔡自兴记述，傅京孙去世后，国际模式识别学术界立即“掉转马头”取消了中国的主办权。“傅京孙先生离世后，中国在国际模式识别界的话语权受到了很大影响。”谭铁牛暗下决心，“一定要争回这口气。”时间来到2010年，中国虹膜识别技术及产品已经名声在外。凭借在虹膜等生物特征识别、图像理解与视频分析等方面的学术成就，谭铁牛于2010年当选为国际模式识别学会副主席；2012年，谭铁牛经票选成为IEEE生物识别理事会主席。“这是我国模式识别研究国际影响力不断攀升的印证。”谭铁牛觉得，“找回场子”的时机到了。2014年，第22届ICPR在瑞典斯德哥尔摩举行。按照惯例，大会要确立2018年第24届ICPR的主办方和举办地。会上，谭铁牛将“中国·北京”的方案带到了议事桌上。那次会上的竞办演讲，差不多是他控制时间最精准的一次：限时10分钟，他讲了9分50秒。后来，经过国际模式识别学会理事会几十位理事的无记名投票，北京拿到了2018年的主办权。这些年来，谭铁牛一直牢记自主创新的重要性、自身实力对于话语权的关键性。“没有这些，我们不可能在这个领域取得今天的地位。”他说。《中国科学报》 (2024-11-18 第4版 专题)
