影響注冊指紋圖像質(zhì)量的因素及其控制策略

田青 田強 張鵬 歐陽暉 高燕 公安部第一研究所

注冊指紋圖像，又稱“指紋檔案圖像”，它是用于指紋比對中的原始圖像，注冊指紋圖像的好壞直接關(guān)系到指紋識別的處理速度和準(zhǔn)確性，決定了指紋應(yīng)用的成敗。而法定證件采用指紋識別技術(shù)，主要基于指紋唯一性和穩(wěn)定性的特點，實現(xiàn)快速、準(zhǔn)確地進行人證同一性認(rèn)定，有效避免身份證偽造使用和冒名使用等違法犯罪行為的發(fā)生，因此，證件注冊指紋的圖像質(zhì)量有其更特殊的重要性。迄今為止，指紋識別系統(tǒng)仍存在著一些技術(shù)上的難點，主要體現(xiàn)在非理想條件下指紋圖像的識別問題。如果手指質(zhì)量較差，例如干、濕、曝皮等，會對指紋識別系統(tǒng)的性能產(chǎn)生較大的影響。為了解決這些問題，長期以來指紋識別技術(shù)研究者在圖像增強、比對算法等關(guān)鍵技術(shù)做了大量的攻關(guān)工作，但是從指紋應(yīng)用角度來看，如果在指紋前期采集時做好采集的規(guī)范工作，一開始就可以避免影響指紋采集的不利因素，從而獲得一幅質(zhì)量好的指紋照片，為以后的指紋識別比對奠定良好的基礎(chǔ)；同時，規(guī)范的指紋圖像采集也為目前的指紋識別系統(tǒng)確定了統(tǒng)一的采集標(biāo)準(zhǔn)，從根本上解決指紋圖像質(zhì)量差的問題。因此，本文并不是從指紋識別技術(shù)角度來提出增強指紋圖像的方法，而是從指紋采集涉及的多個環(huán)節(jié)來避免指紋采集不利因素，多角度制定注冊指紋圖像的質(zhì)量控制策略。

一、影響指紋圖像質(zhì)量的因素

指紋具有唯一性和不變性，是個人身份識別的最主要的應(yīng)用。指紋識別原理為比對前注冊一枚指紋圖像，在指紋身份驗證環(huán)節(jié)，通過采集設(shè)備采集另一枚指紋圖像，匹配兩枚指紋圖像的相似程度，確認(rèn)指紋所有人的身份。其實指紋比對就是特征點與特征點的比對，好的圖像特征點必須足夠多、足夠準(zhǔn)確。

那么如何確定一幅指紋圖像是“好”圖像？我們認(rèn)為它必須具備以下兩個特征：一是真實性，指紋是代表一個人身份的特征，因此它必須是真實的，不能有“偽特征”信息；二是清晰性，指紋圖像清晰、擁有足夠的指紋特征。具備了這兩點的指紋圖像就是一幅標(biāo)準(zhǔn)的指紋照片，但是獲得這樣一張指紋標(biāo)準(zhǔn)照，需要指紋采集設(shè)備、采集環(huán)境、按捺方式三方面的配合，下面我們分別介紹這三方面對指紋采集產(chǎn)生的影響。

（一）采集設(shè)備

采集設(shè)備在整個指紋采集過程中，其作用相當(dāng)于拍攝人或者景物的照相機。人的指紋比較精細(xì)，要完成對指紋的照相，就需要專用的指紋采集設(shè)備。指紋采集器本身在分辨率、成像能力、畸變等性能指標(biāo)有一定的差異，同時指紋設(shè)備成像一致性也會影響對注冊指紋的圖像質(zhì)量。

在采集設(shè)備的成像能力方面，目前市面上有很多種指紋采集設(shè)備，從類別分主要有光學(xué)、晶體傳感器兩大類。這兩類設(shè)備成像技術(shù)成熟，采集的圖像質(zhì)量都能滿足證件身份認(rèn)證的應(yīng)用，但是由于成像原理不用，對指紋圖像的質(zhì)量影響也不一樣。光學(xué)采集器出現(xiàn)的問題主要有兩個：一是采集表面容易污損，人的指紋上面都有些汗?jié)n、油漬，在指紋捺印時會有污跡殘留，這些污跡會影響光學(xué)反射，導(dǎo)致采集到的指紋圖像不清楚，嚴(yán)重時潛在指印會導(dǎo)致兩個指印的重疊，使得采集到的指紋不真實，出現(xiàn)偽特征，會影響指紋特征比對；二是由于長時間按捺，光學(xué)采集面會磨損，好比照相系統(tǒng)的鏡頭“磨花”了一樣，采集的圖像照片是模糊的，不滿足“清晰性”的要求。

硅晶體采集設(shè)備由于其體積小、性價比高以及便于集成等眾多優(yōu)勢，現(xiàn)在逐漸成為指紋采集設(shè)備的主力軍，但是硅晶體采集設(shè)備也有很多問題，早期硅晶體傳感器最主要的弱點在于：容易受到靜電的影響，使得傳感器有時會獲取不到圖像，甚至?xí)粨p壞，手指的汗液中的鹽分或者其他的污物，以及手指磨損都會使硅晶體傳感器的取像困難。另外，它們并不像玻璃一樣耐磨損，從而會影響使用壽命。隨著各種工藝技術(shù)的不斷發(fā)展，芯片的防靜電性能和耐用度得到了很大的改善，其指紋的采集能力也有所提高，目前硅晶體采集設(shè)備主要問題還有采集面積小，成像中容易導(dǎo)致指紋變形，獲得不真實的指紋圖像。

作為證件注冊指紋的采集，采集設(shè)備一般會有很多種選擇，同時未來指紋大范圍應(yīng)用也要求注冊指紋采集設(shè)備與比對識別設(shè)備可能是多家廠家的產(chǎn)品，因此設(shè)備一致性也會出現(xiàn)指紋圖像差異等問題，不過相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)可以將這種影響減到最小，無論是居民身份證還是護照，都有相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用中選取符合標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備就可以避免上述問題。

（二）采集環(huán)境

我們經(jīng)常說有些人手指干或手指濕，實際上除了手指本身存在個體差異外，更多的是環(huán)境氣候的影響。即氣候的差異會產(chǎn)生干、濕手指。干手指主要表現(xiàn)為手指干燥、爆皮、蛻皮等現(xiàn)象，濕手指主要表現(xiàn)為手指潮濕、汗多等現(xiàn)象。我國地域廣闊，各地氣候差異很大，東北、西北風(fēng)氣候干燥，江浙、華南等地區(qū)氣候濕潤，不同氣候在統(tǒng)計概率上呈現(xiàn)出各自的地域特性。干、濕手指對指紋采集效果影響很大，干手指（含爆皮等原因）成像能力差，圖像表現(xiàn)為指紋圖像特征點少，如圖1，濕手指容易成像，但是圖像往往出現(xiàn)粘連甚至模糊，如圖2，這兩類圖像在指紋識別時產(chǎn)生系統(tǒng)誤識。同時我們前面提到的兩類采集設(shè)備對干、濕手指的成像能力也不一樣，光學(xué)采集設(shè)備對干手指敏感，可能出現(xiàn)采集不了指紋的情況；硅晶體傳感器對濕手指的成像效果不好，經(jīng)常會出現(xiàn)圖2的采集結(jié)果。因此由于環(huán)境因素產(chǎn)生的干、濕手指對指紋采集有著不可忽視的影響。

（三）按捺姿勢

指紋采集對于我們并不陌生，很多人在上班打卡、學(xué)車登記以及電子商務(wù)的各種應(yīng)用中按捺指紋，很多采集設(shè)備提供商為方便指紋按捺，還研制出指紋圖像旋轉(zhuǎn)等算法以適應(yīng)不同角度的指紋圖像。所以在指紋應(yīng)用中我們經(jīng)常忽略指紋按捺方式的重要性，認(rèn)為這是一件很簡單的事情，手指放在采集器上就可以了。

實際上，錯誤的指紋按捺姿勢是影響指紋識別性能的最主要因素，和指紋采集設(shè)備、采集環(huán)境相比，按捺姿勢是由采集人來完成的，它是一個人主觀控制過程，不能通過客觀條件約束、識別和監(jiān)督。類似于證件人像照片，居民身份證、護照等法定證件的人像照片有姿態(tài)端正等一系列要求，同樣存儲在證件上的指紋標(biāo)準(zhǔn)照片，在按捺時如果姿勢不正確，不能獲得正面、清晰、真實的照片，將來會影響指紋識別應(yīng)用。圖3～圖8是指紋按捺不正確產(chǎn)生的不合格照片。從指紋圖像結(jié)果來看，有的指紋位置偏，有的指紋圖像面積過小，有的指紋模糊、粘連，這些不合格圖像是指紋采集中按捺位置不正確、按捺時手指抖動或移動等原因造成的，因此采集人員必須確保指紋按捺姿勢正確，這項工作是保證指紋采集成功的關(guān)鍵因素，同時這方面技術(shù)層面又無法解決，必須引起高度重視。

（四）其他情況

雖然科學(xué)家證實指紋是唯一且恒定不變的人體生物特征，但是經(jīng)過大量試驗，指紋在年齡老化、職業(yè)、性別等方面還是有一些的差別。年齡方面，通常我們認(rèn)為16歲以后的指紋比較穩(wěn)定，不再受年齡增長而改變，但是隨著年齡的增長指紋存在老化問題；職業(yè)方面，有些工作環(huán)境如化工廠，在此環(huán)境下的人的指紋磨損程度很嚴(yán)重，最壞的情況是10個手指的指紋信息全都沒有，不能完成指紋采集。性別方面，女性指紋的圖像面積小，男性的指紋容易爆皮、脫落。此外，有些人的手指受傷也無法完成指紋正常的采集。上述這些情況在指紋采集中所占比例很小，不影響指紋在證件方面的大范圍應(yīng)用。

二、控制指紋圖像的策略

為避免采集環(huán)境、采集設(shè)備和采集按捺姿勢等影響指紋采集質(zhì)量，快速、準(zhǔn)確獲取一枚好的注冊指紋圖像，在指紋采集時需要注意以下事項：

1．干冷氣候會使手指容易干燥，指紋采集時會出現(xiàn)采集不上的情況，這種情況下可以用濕紙巾擦拭手指，但是需要手指自然干以后再采集。

2．指紋采集設(shè)備光學(xué)表面不干凈，會有指紋殘留現(xiàn)象。采集設(shè)備應(yīng)保持潔凈，每天采集前需要清潔處理，若采集過程中發(fā)現(xiàn)有殘留指紋也需要清潔。

3．采集人手指應(yīng)干凈且不干燥，建議在開始采集指紋前，擦凈手指，確保手指濕潤。如手指正面的污跡影響采集效果，應(yīng)用酒精擦拭除污。

4．采集的手指應(yīng)該沒有指套、指膜等覆蓋物。

5．正確的指紋按捺姿勢是手指指肚向下，平放在指紋采集器窗口，手指中心花紋應(yīng)位于采集窗口中心區(qū)域，向下按壓保持不動，直至采集完成。采集過程中手指不得側(cè)放、橫放、倒放、旋轉(zhuǎn)、滾動和移動等。正確圖像的采集結(jié)果如圖9所示。

[1]陳好.指紋采集技術(shù)現(xiàn)狀及其發(fā)展前景.中國防偽報道,2008(1).

[2]張先明,唐杰,王輝,于奎棟.如何保證活體指紋采集的質(zhì)量,法庭科學(xué).

[3]劉三滿.指紋圖像準(zhǔn)確采集和顯現(xiàn),科技情報開發(fā)與經(jīng)濟,2003,13(10).