虹膜弹性运动的不对等性

随着图片采集设备的发展，虹膜识别对特征点定位的准确性要求也越来越高，传统的橡胶板模型已无法满足虹膜识别对精准度的要求。为削弱瞳孔扩张和收缩运动对识别结果的影响，本文根据开大肌和括约肌组织结构的不同，提出了一种虹膜向外、向内弹性变化的不对等性模型。该模型从组织动力学入手，结合不同运动状态下虹膜组织弹性变化的特点，分析应力和剪应力在形变过程中占位的重要程度，深入文章引用: 王丹, 羿旭明. 虹膜弹性运动的不对等性[J]. 计算机科学与应用, 2018, 8(5): 721-729.

生物识别是一门基于个体的身体或行为特征建立起人类身份的科学，如指纹、脸、虹膜、声音、步态和签名识别等[1]。从智能手机到边境安全等多种身份管理和访问控制系统中，均需利用生物特征识别系统，这表明了利用生物特征识别技术进行人类识别的潜力，尤其是虹膜识别系统。

在虹膜识别算法中，最经典的归一化方法是Daugman 提出的橡胶板模型[2]，除此之外，Wyatt 等[3]提出的虹膜磨损最小的网状结构模型和Yuan 等[4]提出的线性与非线性结合的归一化模型， 以及Thornton等[5]提出的虹膜图像变形模式匹配的贝叶斯方法等，都有很好的识别性能。本文在Clark 等[6]提出的虹膜动力学的理论模型的基础上，提出了一种结合房水折射和瞳孔扩张、收缩的弹性运动不对等性模型， 对虹膜特征点位置进行偏差校正，此模型改善了房水折射对特征点定位的影响，同时很好的描述了瞳孔的运动。

本文第2 节详细给出了本文提出的弹性动力学不对等模型和算法，在第3 节将本文所提出模型与其他模型的归一化图像类内匹配结果进行比较，通过实验验证了算法的有效性，第4 节是文章结语，讨论了本文模型的优缺点以及探讨模型改进的方向。

2. 本文模型 从生理学的角度来看，瞳孔的直径可从1.5 毫米变化到7 毫米，所引起的虹膜组织在切向上的变化可达到5 倍以上(靠近瞳孔附近变化较大)，在径向的变化可达到2 倍以上，Daugman 的橡胶板模型已经不足以表达复杂的虹膜变形物理性质，需考虑房水折射和弹性组织特性引起的虹膜变形。如图1 所示， 虹膜组织内有环绕瞳孔排列的平滑肌，叫瞳孔括约肌，外有在虹膜外边界附近呈放射状排列的平滑肌， 为瞳孔开大肌。光线微弱时，瞳孔开大肌向外扩张，增加光线进入;强光照射眼睛时，瞳孔括约肌向内收缩，减少光亮进入。

2.1. 房水折射 虹膜是位于前房后面、晶状体前面的一个环状组织[7]，中间瞳孔的扩张和收缩调节眼球进光量。前房是眼球中角膜后方与虹膜、晶状体前方之间的空腔，其内部充满房水。正常的角膜为球面，可以把前房和角膜的折射看作单折射球面模型[8]，采集虹膜图像时，采集仪器与人眼的距离在15~20 cm之间，而虹膜的直径约为12.5 mm，两者差别非常大，所以在虹膜采集过程中，可以把3D眼睛结构看作平行光线的球面折射模型，见图2所示。

观测到的虹膜图像是经角膜和房水折射后的图像， 本文根据解剖精确的人眼模型建立三维折射模型， 将虹膜重建到它的非折射状态，改善房水折射对初始定位的影响。