證件指紋算法評測關(guān)鍵技術(shù)研究

張旭東 尹德森 丁增喜 祁衛(wèi)煒 姜文瀚 公安部第一研究所

一、概述

隨著我國社會經(jīng)濟活動的蓬勃發(fā)展，假、偽行為也不斷出現(xiàn)，并在不同時期表現(xiàn)為不同的手法和方式，目前，有些假、偽行為已滲透到經(jīng)濟和社會活動的多個領(lǐng)域，給社會安全和民眾的身心健康和財產(chǎn)安全造成了一定程度的損害，防偽、防假越來越成為惠民利國的一項重要工作。在證件領(lǐng)域，為防止證件被冒領(lǐng)、冒用，快速有效地進行“人證同一性”認(rèn)定是需要解決的重要問題。長期以來，“人證同一性”認(rèn)定主要通過人臉相片等證件表面信息，采用人工比對確認(rèn)的方式來實現(xiàn)，由于此種方式在獨特性、安全性、準(zhǔn)確性等方面的不足，已經(jīng)不能完全滿足信息化時代日益增強的自動比對認(rèn)證需求。目前，指紋識別技術(shù)由于其獨特性、穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性、安全性等方面的優(yōu)勢，被越來越廣泛地作為證件“人證同一性”認(rèn)定的手段加以利用。

近年來，隨著我國指紋識別技術(shù)的不斷發(fā)展，指紋算法應(yīng)用的深度和廣度也獲得長足進步，針對不同應(yīng)用模式及應(yīng)用領(lǐng)域，眾多指紋廠商紛紛推出了不同的指紋算法。但是，由于指紋算法缺少統(tǒng)一的評價體系及測試平臺，指紋算法性能指標(biāo)參差不齊，各種產(chǎn)品的宣傳往往偏重商業(yè)目的，這些問題為證件指紋算法評測、選型造成了困難，迫切需要相關(guān)部門建立統(tǒng)一的性能評測體系、確定指紋算法的性能評測技術(shù)指標(biāo)，以對指紋算法進行客觀的性能評測。本文針對證件指紋算法的性能評測方法，提出了一種全面的指紋算法評測體系建設(shè)方案，并對關(guān)鍵性能技術(shù)指標(biāo)的作用、意義和測試方法進行了介紹和分析。

二、指紋系統(tǒng)性能評測現(xiàn)狀

在我國，從國家科技政策的角度對生物特征識別技術(shù)評測中介機構(gòu)給予高度重視，在科技工作重點項目規(guī)劃中也特別強調(diào)科研工作基礎(chǔ)條件的平臺建設(shè)，指紋技術(shù)評測體系的建立可以為國內(nèi)從事相關(guān)研究的科研機構(gòu)提供寶貴的基礎(chǔ)資源。目前，指紋系統(tǒng)性能評測方面的研究和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定在國際上處于快速發(fā)展階段，美國、意大利、德國、加拿大等國都在從事這方面的評測與標(biāo)準(zhǔn)制定工作，關(guān)于生物特征識別技術(shù)評測的國際標(biāo)準(zhǔn)也已經(jīng)出版發(fā)行。同時，我國在指紋系統(tǒng)，特別是民用指紋系統(tǒng)評測體系的制定與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)起草工作還相對滯后，權(quán)威的針對指紋系統(tǒng)的性能評測體系還沒有出現(xiàn)。在國內(nèi)，公安部第一研究所是我國最大的專門從事社會公共安全相關(guān)技術(shù)研究的機構(gòu)，從20世紀(jì)90年代初期便開始組織專門的技術(shù)團隊進行模式識別及相關(guān)技術(shù)的研究工作。近年來，研究所在安防領(lǐng)域指紋技術(shù)評測體系方面作了大量的基礎(chǔ)研究，不僅取得了初步的研究成果，同時也培養(yǎng)了一支長期從事指紋系統(tǒng)研究的技術(shù)隊伍，為開展指紋技術(shù)性能評測體系的研究工作創(chuàng)造了良好條件。公安部第一研究所從1996年開始對指紋識別技術(shù)進行研究，采集了12000多人的活體指紋，收集的指紋樣本圖像近10萬幅；完成了國內(nèi)第一套民用指紋標(biāo)準(zhǔn)的制訂，建立了一套科學(xué)完整的指紋識別系統(tǒng)評測平臺。2001年，公安部第一研究所組織了大規(guī)模的指紋識別算法性能評測活動，國內(nèi)外共有22家公司的23個算法參加了此次評測。這些工作的開展，不僅加深了對指紋系統(tǒng)、指紋算法評測方法的理解和掌握，也為科學(xué)、完整地進行指紋識別應(yīng)用系統(tǒng)算法評測方法的制定工作提供了良好的基礎(chǔ)條件。

三、證件指紋算法評測方法

在生物特征識別技術(shù)領(lǐng)域，注冊和注冊失敗均為常用術(shù)語。GA/T 893-2010將注冊定義為“采集已知人的人體生物特征，抽取其特征并存儲的過程”，將注冊失敗定義為“生物特征識別系統(tǒng)不能成功地為已知人進行注冊”。與注冊失敗相對應(yīng)，生物特征識別系統(tǒng)在實際應(yīng)用中，使用人群也存在一定的注冊失敗的比例，即注冊失敗率，該值是描述系統(tǒng)及其算法性能的重要技術(shù)指標(biāo)之一。在國際標(biāo)準(zhǔn)（ISO/IEC 19795-1:2006）中，將注冊失敗率定義為系統(tǒng)不能完成注冊過程的人數(shù)的比例（Proportion of the population for whom the system fails to complete the enrolment process）。根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)生“注冊失敗”的原因有三個方面：

1．使用者不能提供生物特征樣本。

2．使用者不能提供一個滿足質(zhì)量要求的生物特征樣本。

3．使用者提供的生物特征樣本，在樣本比對以確認(rèn)身份時，不能給出穩(wěn)定、準(zhǔn)確的比對結(jié)果。

對應(yīng)指紋技術(shù)，將上述三個原因具體化為：第一，因手指殘缺、殘疾等生理原因無法采集手指的指紋圖像；第二，因手指磨損、蛻皮等原因，雖然能夠提供指紋，但指紋不滿足圖像質(zhì)量要求；第三，能夠采集符合圖像質(zhì)量要求的指紋，但由于指紋技術(shù)局限等其他原因，使用該指紋進行特征比對時，無法給出穩(wěn)定、準(zhǔn)確的比對結(jié)果，即指紋不符合特征比對要求。這三個方面原因的存在，造成了實際使用中有部分人群無法使用指紋系統(tǒng)，即指紋系統(tǒng)對使用人群客觀上存在一定的注冊失敗率。在指紋系統(tǒng)性能評測中，注冊失敗率測試方法設(shè)計均需考慮上述因素。

（一）注冊失敗率測試方案

指紋算法性能評測中，注冊失敗率也是需要測試的重要指標(biāo)之一，該指標(biāo)能夠反映算法對指紋的處理能力。在識別精度一定的前提下，注冊失敗率越低，說明算法對指紋的處理能力越強；在注冊失敗率一定的前提下，識別精度越高，說明算法對指紋的處理能力越強。同時，在指紋算法性能評測中，注冊失敗率的測試方法又有其特殊性。一般情況下，指紋算法測試時，通常由測試方提供測試用指紋樣本庫，因此，指紋算法測試的注冊失敗率不是由第一類原因產(chǎn)生的，在測試方法設(shè)計時僅需要考慮第二類和第三類原因。

首先從第三類原因進行分析。證件指紋在注冊階段，一般對注冊用指紋圖像進行特征提取，將特征數(shù)據(jù)作為模板存儲于證件芯片中，在證件應(yīng)用時，需要現(xiàn)場采集持證人指紋與特征模板進行比對，此類方式為“一對一”比對，如果比對結(jié)果高于某一門限，便認(rèn)可持證人與證件“人證同一”。但是，在指紋注冊階段，如果因忽略注冊失敗率第三類原因而將指紋特征數(shù)據(jù)存入證件，則會因為比對結(jié)果不穩(wěn)定而給證件使用者帶來極大不便。在指紋測試庫中，一般情況下，每枚手指會采集多枚指紋圖像，將同指指紋進行交叉比對并計算平均值，這種同指比對可以模擬實際使用過程中的“一對一”比對，相似度平均值可以從一個角度反映指紋用于特征比對的有效性。

再看注冊失敗率第二類原因。在指紋技術(shù)中，確實存在有些算法首先對指紋圖像質(zhì)量進行評測，之后再根據(jù)評測結(jié)果判斷是否進行后續(xù)工作。然而，如果根據(jù)指紋圖像質(zhì)量評測結(jié)果計算注冊失敗率，將會產(chǎn)生以下問題：

1．有些算法并不對指紋圖像進行質(zhì)量判斷，此類算法無法根據(jù)指紋質(zhì)量進行注冊失敗率測試。

2．指紋算法的實際應(yīng)用效果最終體現(xiàn)在比對性能方面，但是，由于受到指紋質(zhì)量判斷方法的技術(shù)水平限制，指紋質(zhì)量分?jǐn)?shù)與比對結(jié)果的一致性還不盡如人意，有時質(zhì)量判斷結(jié)果與算法對指紋圖像的處理能力存在較大差異。

2003年，美國NIST進行了大規(guī)模的指紋評測工作。在測試報告《FpVTE 2003 ANALYSIS REPORT》中5.1.3 Effect of Fingerprint Quality on Matcher Accuracy 部分，對比對分?jǐn)?shù)能夠反映指紋圖像質(zhì)量的內(nèi)容進行了說明。測試結(jié)論為：對于同一算法，通過同一手指指紋圖像之間的比對分?jǐn)?shù)可以反映指紋圖像質(zhì)量的分布。因此，我們可以根據(jù)同一手指不同指紋圖像之間比對分?jǐn)?shù)的平均值進行“注冊失敗”與否的判斷，該方式兼顧了注冊失敗率第二類和第三類原因。

（二）注冊失敗率計算方法

考慮到人體手指的生理特點和指紋技術(shù)的局限性，為保障證件后期使用的有效性，在證件辦理過程中，需要對指紋注冊人員進行限制。指紋算法評測時，由于在算法對指紋處理能力方面沒有先驗知識，一般應(yīng)首先設(shè)定注冊失敗率，再在此基礎(chǔ)上通過其他技術(shù)指標(biāo)對指紋算法的性能進行描述。具體操作時，將采集的同指指紋圖像進行交叉比對并計算平均值，對平均值低于某一門限值的手指不予以注冊。該門限值的計算方法如下：基于指紋測試庫，利用被測試算法將所有同指指紋進行交叉比對并計算平均值，并統(tǒng)計所有手指平均值分布情況，對應(yīng)不同平均值，按從低到高的順序計算小于該平均值手指數(shù)占手指總數(shù)的百分比，當(dāng)該百分比達到注冊失敗率設(shè)定要求時，對應(yīng)的平均值即為應(yīng)設(shè)置的門限值，平均值低于該門限值的指紋為注冊失敗指紋，不再進行后續(xù)測試任務(wù)。此種計算方法的優(yōu)點有：

1．不同算法對應(yīng)的注冊失敗手指有所不同。這種方法體現(xiàn)了算法對指紋處理能力的不同；同時，由算法選擇進行后續(xù)測試操作的指紋樣本，也在兼顧公平的前提下，給了指紋算法展示自身特點的最大空間。

2．設(shè)置方式靈活，算法測試工作更加細(xì)致。這種方法可以根據(jù)不同應(yīng)用需求設(shè)置注冊失敗率，使得盡管后續(xù)測試工作的指紋樣本可能有所不同，但指紋樣本數(shù)量相同，將后續(xù)測試指標(biāo)建立在相同的指紋樣本基數(shù)之上。

（三）準(zhǔn)確性指標(biāo)計算方法

除注冊失敗率之外，對指紋算法進行性能評測的指標(biāo)還有多種，國際多將其分為錯誤率（Error Rates）類指標(biāo)與吞吐率（Throughput Rates）類指標(biāo)，其中錯誤率可以反映算法的準(zhǔn)確性，吞吐率可以反映算法的處理速度。一般而言，準(zhǔn)確性是衡量證件指紋技術(shù)的關(guān)鍵因素，準(zhǔn)確性指標(biāo)也是指紋算法的主要技術(shù)指標(biāo)。目前，描述算法準(zhǔn)確性的指標(biāo)主要包括：等錯誤率、錯誤拒絕率、錯誤接受率、ROC曲線和DET曲線等。其中，ROC曲線和DET曲線可以體現(xiàn)指紋算法全相似度空間的整體性能，但在對指紋算法性能進行描述時，與具體應(yīng)用特點相對應(yīng)的等錯誤率、錯誤拒絕率和錯誤接受率等數(shù)值技術(shù)指標(biāo)則更為常用。

在GA/T 893-2010中，將錯誤拒絕率定義為“將來自真實人的測試樣本誤認(rèn)作冒充者拒絕的比率”，將錯誤接受率定義為“將來自冒充者的測試樣本誤認(rèn)為真實人的比率”。對于同一算法，錯誤接受率和錯誤拒絕率具有高度關(guān)聯(lián)性，等錯誤率是錯誤接受率和錯誤拒絕率曲線的相交點對應(yīng)的錯誤率，在該點處錯誤接受率和錯誤拒絕率相等，等錯誤率是最為常用的指紋算法性能指標(biāo)之一。同時，由于錯誤接受率和錯誤拒絕率具有高度關(guān)聯(lián)性，通常將“錯誤接受率為某值時的錯誤拒絕率”和“錯誤拒絕率為某值時的錯誤接受率”作為準(zhǔn)確性指標(biāo)。證件使用指紋的主要目的是“人證同一性”認(rèn)定，證件持有人通過指紋比對可以很方便地確認(rèn)“人”與“證”的一致性，這種比對方式的主體為同指比對，為保障證件使用的方便性，同指比對發(fā)生錯誤拒絕的概率（錯誤拒絕率）必須得到限制，在此前提下，再通過錯誤接受率反映指紋算法的性能優(yōu)劣。因此，在證件指紋算法性能評測中，應(yīng)該將“錯誤拒絕率為某值時的錯誤接受率”作為技術(shù)指標(biāo)進行測試。錯誤拒絕率、錯誤接受率、等錯誤率等指標(biāo)比較常用，本文不再對其計算方法進行描述，具體定義和測試方法可參見相關(guān)文獻。

（四）響應(yīng)時間計算方法

國際標(biāo)準(zhǔn)對生物特征識別系統(tǒng)進行評測時，存在吞吐率指標(biāo)，GA/T 893-2010將其定義為“單位時間內(nèi)生物特征識別系統(tǒng)可以完成的生物特征識別操作的數(shù)目”，該指標(biāo)可以反映系統(tǒng)的處理速度，識別系統(tǒng)多方面的因素，包括硬件設(shè)備、識別算法和軟件策略等，均可對該指標(biāo)產(chǎn)生重要影響。在指紋算法方面，通常用響應(yīng)時間來反映算法對指紋的處理速度。GA/T 893-2010將響應(yīng)時間定義為“生物特征識別系統(tǒng)完成某種規(guī)格的生物特征識別所需要的時間”，對系統(tǒng)而言，響應(yīng)時間應(yīng)該包括圖像采集、特征提取、信息搜索、特征比對等時間，但對于側(cè)重于“一比一”比對的指紋算法評測而言，可以將特征提取和特征比對的平均時間之和作為響應(yīng)時間，以描述指紋算法的處理速度。

四、結(jié)論

本文在對國內(nèi)指紋算法評測現(xiàn)狀及指紋在證件中的應(yīng)用特點進行介紹的基礎(chǔ)上，對注冊失敗率產(chǎn)生原因、測試思路和計算方法等進行了分析，說明了注冊失敗率及其測試方法在算法性能評測方面的重要意義。在此基礎(chǔ)上，針對證件指紋應(yīng)用的具體特點，又對等錯誤率、錯誤拒絕率為某值下的錯誤接受率、響應(yīng)時間等技術(shù)指標(biāo)的意義和計算方法進行了分析。由注冊失敗率、等錯誤率、錯誤拒絕率為某值下的錯誤接受率、響應(yīng)時間等技術(shù)指標(biāo)為主體的指紋算法性能評測體系，其公平性、有效性、可執(zhí)行性等，均已得到多項證件指紋算法性能測試工作的實踐驗證。

[1]盧朝陽, 張崗山, 劉琳．指紋識別系統(tǒng)性能評價方法．西安電子科技大學(xué)學(xué)報[J], 2002, 29(6): 804-808.

[2]李勇平, 汪勇旭, 牟曉生, 等．指紋識別技術(shù)應(yīng)用產(chǎn)品拒真率與認(rèn)假率測試方法研究, 防偽技術(shù)[J], 2005, 8(2): 98-104.

[3]ISO/IEC 19795-1, Information technology-Biometric performance testing and reporting-Part 1: Principles and framework.

[4]GA/T 893－2010 安防生物特征識別應(yīng)用術(shù)語.

[5]GA/T 894.6－2010 安防指紋識別應(yīng)用系統(tǒng) 第6部分:指紋識別算法評測方法.

[6]Fingerprint Vendor Technology Evaluation 2003: Summary of Results and Analysis Report: Summary of Results.