综述：法医科学中虹膜生物识别技术的应用与挑战

本文综述了虹膜生物识别技术在法医科学中的应用与挑战，强调其在多场景的潜力及面临问题。

　　# 法医科学中虹膜生物识别技术：现状、挑战与未来展望

一、引言

在当今数字化时代，传统的安全认证方式，如密码和登录名，正面临日益严峻的安全挑战，黑客攻击频繁，效率也不尽人意。虹膜生物识别技术作为一种高度安全的替代方案，凭借其独特且复杂的纹理模式，被形象地称为 “活体密码”，在众多领域展现出巨大的应用潜力，尤其是在法医科学领域。本文对虹膜生物识别技术在法医科学中的应用及面临的挑战进行了全面综述，旨在为该技术的进一步发展和应用提供参考。

二、虹膜的结构与功能

虹膜是眼睛中环绕瞳孔的可见彩色部分，在胚胎发育的第三个月开始形成，大约八个月时基本发育完成。其颜色主要由黑色素的含量决定，受 50 多个基因影响，不同人种的虹膜颜色多种多样，像蓝色眼睛的黑素体最少，而棕色眼睛的黑素体最多。同时，青光眼、年龄相关性黄斑变性（ARMD）、糖尿病患者的白内障以及葡萄膜色素瘤等眼部疾病，也会改变虹膜的颜色。

虹膜位于角膜和晶状体之间，由角膜保护，主要功能是通过控制瞳孔的直径和大小，调节进入视网膜的光线量。这一过程依赖于虹膜中的两种肌肉 —— 括约肌和扩张肌，它们协同工作，确保瞳孔大小能根据视网膜的需求进行精准调节。

虹膜的纹理和特征极为独特，由许多胶原纤维、收缩沟、凹坑、蜿蜒的血管、环、冠、雀斑、裂缝、隐窝、锯齿状的虹膜卷缩轮等组成。这些特征可分为可见特征、颜色特征、纹理特征、宏观特征和几何特征，每个人的虹膜纹理都是独一无二的，即使是同卵双胞胎，其虹膜模式也存在差异，这为虹膜生物识别技术提供了坚实的生物学基础。

三、虹膜生物识别技术在法医科学中的应用

3.1 法医识别

在法医科学领域，准确识别个体身份至关重要。与其他生物识别方式，如脱氧核糖核酸（DNA）或牙科记录相比，虹膜模式具有显著优势。虹膜拥有多达 266 个独特的特征点，而其他生物识别方式通常只有 16 - 20 个特征点。并且，虹膜模式独一无二、结构复杂，极难被人为改变，同卵双胞胎的虹膜模式也各不相同。此外，虹膜生物识别采用非侵入性、非接触的方式，更为便捷和可接受。在活体识别中，正常虹膜对光线的自然反应，如瞳孔的振动、收缩和扩张，可有效检测假虹膜，提高识别的可靠性。

值得注意的是，死后虹膜识别也成为了法医鉴定的重要手段。研究发现，人死后，在特定时间段内，虹膜仍可用于生物识别认证。通常情况下，死后 5 - 7 小时内，死后虹膜识别的准确率接近完美，甚至在死后 21 天，部分情况下仍可进行有效识别。这一特性为法医在处理尸体身份识别案件时，提供了新的有力工具。

3.2 眼部疾病与眼部手术后的虹膜识别

尽管虹膜识别在所有生物识别方法中被认为是最可靠的，但一些眼部疾病和手术会影响其准确性。以白内障手术为例，术后虹膜生物识别的成功率会降至 75%。白内障手术会改变虹膜的特征，导致色素沉着减少、局部虹膜萎缩、Fuchs 隐窝大面积缺失、出现放射状和环状皱纹以及瞳孔变为椭圆形等。此外，白内障手术后的后粘连、前房植入物遮挡虹膜、虹膜萎缩、瞳孔扩大或缩小等情况，都会干扰虹膜生物识别的准确性。国际电工委员会（IEC）的标准也指出，瞳孔扩张或收缩、虹膜炎、无虹膜症、角膜炎、小角膜和大角膜等病理状况，以及白内障手术、虹膜切开术、虹膜切除术等眼部手术，都会对虹膜模式识别造成阻碍。

对于患有白内障和前葡萄膜炎等眼部疾病的患者，在进行虹膜识别时也面临着诸多困难。即使是表现良好的 Daugman 算法，在识别患有葡萄膜炎且伴有瞳孔粘连的患者时，也可能遇到障碍，这类患者可能需要药物散瞳来辅助识别。接受眼内手术的患者，通常建议在生物识别虹膜系统中重新注册，以确保识别的准确性。不过，像准分子激光原位角膜磨镶术（LASIK）这类眼部屈光矫正手术，不会对虹膜识别造成明显影响。

3.3 尸体眼睛的虹膜识别

利用虹膜识别系统对尸体眼睛进行识别是法医科学中的新兴领域。过去，法医主要关注死后间隔时间的估算，即确定死亡时间与发现尸体时间之间的间隔。而现在，随着生物识别技术的发展，从尸体眼睛中获取虹膜数据成为可能。研究表明，人死后，尽管虹膜会逐渐退化，不再对光线产生反应，但在死后一段时间内，仍可提取其可见的虹膜特征。例如，在死后 17 天内，通常可以从尸体眼睛中提取虹膜特征；在冬季，尸体存放在户外时，虹膜在死后 34 天仍可被读取。

在实际操作中，近红外（NIR）成像技术发挥了重要作用。由于尸体眼睛的角膜会出现混浊，在可见光下，虹膜纹理会被严重遮挡，但近红外光能够更好地穿透混浊的角膜，清晰显示虹膜纹理，从而提高识别的成功率。在印度，庞大的 Aadhaar 身份注册项目拥有超过 12 亿人的身份数据，这些数据可用于快速准确地比对犯罪现场或大规模伤亡事件中的生前和死后虹膜数据，有助于及时准确地识别尸体身份，推动法医案件的侦破，并确保尸体能得到妥善、及时的处理。

四、虹膜识别面临的挑战

4.1 虹膜模式作为生物识别方式的威胁

随着虹膜成像技术在眼科研究和法医科学中的迅速发展，虹膜识别的安全性受到了新的挑战。尽管虹膜被视为 “活体密码”，但虹膜欺骗攻击却对其安全性构成了严重威胁。常见的虹膜欺骗攻击方式包括打印攻击（使用真实虹膜的打印图像进行识别）、隐形眼镜攻击（将虹膜图案打印在隐形眼镜上）、视频攻击（使用已注册人员的视频）、尸体攻击（将尸体眼睛用于生物识别系统）和合成攻击（使用假眼模仿真实人员特征）。

此外，随着智能手机摄像头分辨率的不断提高，如今的手机摄像头能够轻松解析直径超过 300 像素的虹膜图像，远远超过了所需的 70 像素 / 虹膜半径的识别精度要求。这虽然提高了虹膜识别的便利性，但也带来了隐私风险。黑客可能在用户不知情或未经同意的情况下，远程获取公民数据库中的虹膜信息，利用从网上上传的面部图像中提取的虹膜特征，非法使用个人数据。因此，开发有效的虹膜去识别技术至关重要，该技术可在上传照片和视频时，保护虹膜区域不被泄露，防止个人数据被滥用。

4.2 虹膜扫描作为生物识别方式的局限性

虹膜位于角膜后方，角膜的任何表面混浊都会干扰虹膜成像。为实现准确的虹膜识别，需要配备专门的近红外成像仪器，其波长应在 700 - 900nm 之间，且最小分辨率需达到 70 像素 / 虹膜半径。然而，眼部疾病和手术会影响虹膜的结构和颜色，进而降低识别率。瞳孔大小的变化也会对识别准确性产生影响，尤其是在注册和验证时瞳孔扩张程度不一致的情况下。

传统的虹膜识别系统要求用户与传感器保持 1 米的短距离，并需要用户密切配合。但在实际应用中，这种方式存在一定的局限性，例如无法进行隐蔽式扫描。远距离虹膜识别系统（IAAD）虽处于研究初期，但具有广阔的应用前景。目前，已有 IOM, Global?、Rainmaker Inc.、AOptix InSight 和 Morpho IAD 等相关系统问世。与可见光虹膜识别相比，近红外成像在远距离虹膜识别中表现出更高的准确性，能够更清晰地显示虹膜纹理，尤其是对于深色虹膜。不过，IAAD 系统仍面临诸多问题，主要涉及仪器设备（如如何从远距离获取高质量图像）和程序（如如何提高远距离虹膜图像的质量，以及哪种采集、归一化、特征提取、匹配和识别方法更适用于远距离虹膜识别）两个方面，需要进一步深入研究和探索。

五、结论

本文系统地回顾了虹膜生物识别技术的原理、在法医科学中的应用以及面临的挑战。虹膜生物识别技术在正常虹膜、受眼部疾病影响的虹膜以及死后虹膜识别方面展现出了巨大的潜力，但同时也面临着欺骗攻击、隐私风险、眼部状况影响和远距离识别困难等诸多问题。

当前虹膜识别系统存在一些关键缺陷，例如假设虹膜为完美圆形，这一错误假设会影响生物识别分析中关键的分割步骤的准确性。因此，未来需要开发更精确的分割技术，全面研究虹膜特征的分类和整合，将多样化的虹膜特征融入一个完整的生物识别系统。这些研究进展对于提高法医识别方法的可靠性和安全性至关重要，有助于应对数字安全领域日益增长的挑战，保护生物识别证据的完整性，尤其是防范虹膜欺骗攻击。

随着技术的不断进步和研究的深入，相信虹膜生物识别技术将在法医科学及其他相关领域发挥更加重要的作用，为保障社会安全和个人隐私提供更有力的支持。