3D指紋的獲取與重建技術

◆王 恒 劉得源 張榮飛 顏 斌

（山東科技大學 電子通信與物理學院 山東 266590）

3D指紋的獲取與重建技術

◆王 恒 劉得源 張榮飛 顏 斌

（山東科技大學 電子通信與物理學院 山東 266590）

本文針對二維指紋在獲取和識別過程中存在的問題，闡述了三維無接觸式指紋的獲取方案；討論了三維指紋獲取中存在的脊谷線對比度較低等問題；在此基礎上討論了三維指紋的重建技術，并展望了三維指紋的未來應用。

指紋識別；無接觸式指紋獲取；三維指紋獲取；三維指紋重建

0 引言

隨著現代信息安全的發展，指紋技術已經廣泛應用于司法鑒定和日常生活等多個領域。與其他生物識別技術相比較，基于指紋的識別技術具有較強的安全性和可靠性。針對傳統接觸式指紋獲取存在的問題，本文對3D指紋做了基本的介紹，并簡要介紹了無接觸3D指紋獲取以及3D指紋重建。

應用指紋來識別個人身份已長達幾個世紀之久。指紋具有兩大特征，即每個人的指紋形狀不變以及每個人的指紋形狀都不相同。指紋的這兩大特征是指紋學研究發展的基礎，也是指紋證據能有法律效力的有力證據。數字指紋識別技術是在20世紀60年代開始研究的，目的是用計算機代替人工識別指紋的紋型和細節特征，以加快指紋識別的速度，并降低人工判斷的錯誤率，自動指紋識別系統也在研究中不斷成熟。

傳統的2D指紋已經大量地運用于指紋識別系統中。但是，在整個識別過程中，由于受到指紋圖像獲取以及指紋圖像變形的影響，識別率大大降低。3D指紋從一定程度上可以改善上述問題。因此，3D指紋獲取和重建技術具有重要的研究價值。

1 3D指紋的優勢

在同一時刻，從多個角度，采用多個攝像頭獲取指紋表面信息所得到的指紋圖像稱為3D指紋。傳統的指紋獲取都是使用接觸式的指紋獲取設備，而使用該種設備獲取的指紋圖像質量較差，除了由于傳感器維護帶來的影響以外，還有以下原因：①用戶手指按壓力的不均勻性和不可控性，導致指紋紋線粘連或者斷裂。②用戶受傷或從事重體力工作導致的手指脊線結構改變。③以往采集指紋信息留下的痕跡會影響圖像質量。④光照、環境以及手指表皮狀況不佳導致指紋紋路變形。⑤只能獲取單一角度的指紋紋線信息，導致指紋周邊信息缺失。

以上出現的導致指紋圖像質量差的因素都是由手指接觸傳感器或者從3D到2D的映射過程中的非線性失真導致。為了克服以上缺點，我們采用無接觸指紋獲取技術，該技術是在指紋采集過程中不直接接觸指紋表面，而是通過間接的傳感器技術采集指紋。

相對于接觸式指紋采集技術，無接觸式采集技術的另一重要的特點是能夠被廣大用戶所接受。事實上，由于文化因素差異以及人們對于傳染性皮膚疾病的恐懼，極大地限制了人們對接觸性指紋采集技術的接受性。此外，無接觸式指紋采集技術還大大減少了采集用戶指紋信息所需要的時間以及訓練所需花費的精力。

2 無接觸3D指紋獲取

與傳統的接觸式指紋采集方式相對比，無接觸指紋采集的優點是顯而易見的。獲取3D指紋的方法包括：多角度指紋獲取方法、結構光照法、和光度立體視覺方法。不同的方法都各有特點，基于無接觸的、多角度指紋獲取方法，其需要的硬件設備成本較低，并且能夠在較短時間內獲取3D指紋信息。

無接觸式多角度獲取方法就是利用無接觸指紋采集設備，在多個角度同一時刻獲取指紋表面信息的方法，該方法利用光源在指紋表面的漫反射形成的指紋脊線和谷線的陰影來采集指紋圖像。

通常情況下，采用三個攝像頭采集指紋的3D圖像，如圖1所示，相鄰兩個攝像機在同一平面內的夾角為45度，保證采集到的圖像可以完全覆蓋整個指紋表面，攝像機位置確定后，通過三角測量算法就可以計算出攝像機位置的三維坐標，通過多角度獲取的指紋圖像的脊線紋理結構可以估測出3D指紋形狀模型，以便于重建手指模型。光照方面可采用藍色LED光源或者綠色LED光源。