中小尺寸指紋測試庫建庫方法探討

■ 文/公安部檢測中心 王夢楠 張翔 鄭征 劉軍 陳燦燦

關鍵字：大指紋庫 小指紋庫 建庫方法

1 引言

近年來，智能鎖等智能安防家居設備的大規模應用，促使指紋識別作為一種成本最低、使用最方便的安防識別方式走進千家萬戶。在大尺寸指紋識別的成本、識別準確率逐漸走入瓶頸的情況下，更加節約、能夠使成品變得更加小巧美觀的中小尺寸指紋智能鎖逐漸占領了智能鎖市場的半壁江山。使用中小尺寸指紋識別模塊的智能鎖，注冊方式和算法與大尺寸指紋識別模塊有很大差異，主要體現如下：

（1）大尺寸指紋識別模塊一次采集即可采集所有特征點；中小尺寸指紋識別模塊一次采集只能采集少量特征點。

（2）大尺寸指紋識別模塊采用單次注冊，注冊圖像形成模板保存；中小尺寸指紋識別模塊采用多次注冊（一般為4-6次），注冊圖像形成一張模板保存。

（3）大尺寸指紋識別模塊比對即為比對；中小尺寸指紋識別模塊比對時，將當前比對的指紋作為注冊圖像，替換第一張注冊圖像，保存成新的注冊模板。

在這種情況下，檢測機構需要新建小指紋庫以滿足中小尺寸指紋識別模塊識別性能測試的需要。為了保證中小尺寸指紋識別模塊測試的公平性，適應不同采集窗大小的指紋識別模塊，目前采用的方法是將大指紋庫進行裁剪，形成不同大小的指紋圖像，成為小指紋庫。

2 大指紋庫與小指紋庫的相同點

小指紋庫由大指紋庫裁切而成，即其圖像格式、人數規模、性別、年齡、產業分布，與居民身份證指紋測試庫的條件等同。為在保證測試公平性的基礎上，體現受測指紋模塊的圖像特性，與大指紋庫類似，使用受測指紋模塊采集占該裁剪圖庫5%的現場指紋圖像，混合作為小指紋庫。

3 小指紋庫的效果驗證

使用大指紋庫（即指紋圖像個數大于1800枚），按照大尺寸指紋算法性能測試的方法，對大尺寸指紋識別模塊進行測試，列出同指指紋比對的比分。

使用上述小指紋庫（即使用大指紋庫裁剪并混合現場指紋圖像），按照中小尺寸指紋算法性能測試的注冊、比對方法，對中小指紋識別模塊進行測試，列出同指指紋比對的比分，對比分進行分析。

為了消除不同算法對測試結果的影響，分別使用不同算法的大、中尺寸小指紋識別模塊各3個進行試驗。

設置一定的誤識率（誤識率設置應符合實際應用規律，如誤識率為0.001%），獲得不同算法各自的閾值，當比分大于閾值時，視為比對成功；比分小于閾值時，視為比對失敗。按照試驗結果，可將比分按照以下類別劃分：

（1）對某同指指紋的所有比對，大尺寸指紋識別模塊、中小尺寸指紋識別模塊比對成功的概率皆大于70%。

如表1所示，編號1～3為同一手指的不同指紋圖像（對于中小尺寸指紋識別模塊，該圖像為相同編號的大尺寸指紋圖像裁切而成的中小尺寸指紋圖像），編號4～6為同一手指的不同指紋圖像，兩組指紋圖像使用大、中小尺寸指紋識別模塊比對成功的概率分別大于70%。

此時可知，當大尺寸指紋識別模塊、中小尺寸指紋識別模塊比對成功的概率皆大于70%時，指紋圖像的裁切對中小尺寸指紋算法識別性能沒有影響。

（2）對某同指指紋的所有比對，大尺寸指紋識別模塊、中小尺寸指紋識別模塊比對成功的概率皆小于70%。

指紋測試庫建庫，應盡量符合實際應用情況。低比對成功率的指紋圖像，能夠模擬實際應用時按捺圖像不理想的情況。如表2所示，大尺寸指紋識別模塊、中小尺寸指紋識別模塊對同一對同指指紋比對的比分皆小于70%，說明該居民身份證指紋測試庫指紋對大尺寸指紋識別模塊、中小尺寸指紋識別模塊產生相同的影響。查看相關的原始指紋圖像，可知上述影響一般由指紋圖像無效區域過大、圖像模糊、圖像過重（輕）等原因造成。

表2 比分列表（類別2）

（3）對某同指指紋的所有比對，大尺寸指紋識別模塊比對成功的概率大于70%，中小尺寸指紋識別模塊比對成功的概率小于70%。

表3 比分列表（類別3）

如表3所示，在此種類型中，對于相同的原始圖像，中小尺寸指紋識別模塊的比對結果與大尺寸指紋識別模塊差距明顯。

查看此種類型的原始指紋圖像，可知造成類別3現象的原因，實際上與類別2的原因一致。但對于中小尺寸指紋識別模塊，由于采集窗大小的限制，在一次采集中能夠獲取到的特征點數量比大尺寸指紋識別模塊少，因此原始指紋圖像存在的缺點被放大，中小尺寸指紋識別模塊能夠從指紋圖像中獲取的信息量大幅衰減，比對成功率降低。

4 小指紋庫的改進

對造成中小尺寸指紋圖像識別不成功的原因進一步分析，可將上述原因分為2大類。

4.1 相同效果原因

相同效果原因，指人員在按捺時不刻意對指紋圖像的效果進行糾正，在大、中小尺寸指紋識別模塊會產生相同按捺效果圖像的原因，也即當使用居民身份證指紋測試庫替代指紋按捺時，居民身份證指紋測試庫和指紋按捺能夠產生相同效果的原因。相同效果原因包括圖像模糊、圖像過重（輕）等。對于此種原因造成的中小尺寸指紋識別算法性能的衰減，因與人員按捺效果無關，可保留相關原始指紋圖像為小指紋庫圖像。

4.2 不同效果原因

圖1 指紋實際中心在不同采集窗中的傾向性落點

不同效果原因，指人員在按捺時不刻意對指紋圖像的效果進行糾正，在大、中小尺寸指紋識別模塊會產生不同按捺效果圖像的原因，也即當使用居民身份證指紋測試庫替代指紋按捺時，居民身份證指紋測試庫和指紋按捺不能產生相同效果的原因。可以看出，最常見的不同效果原因為指紋偏按造成的指紋圖像無效區域過大。無論指紋是否真的偏向，指紋按捺人員的初衷都是正常按捺指紋，但在采集窗面積存在差異時，指紋圖像正中的落點落在各個區域的概率是不同的。如圖1所示，因為采集窗大小的限制，在采集窗為160*160時，指紋實際中心的位置傾向于在采集窗靠下、甚至超出采集窗的位置集中；而在256*360的采集窗中，指紋實際中心傾向于在采集窗正中的較大區域徘徊。當對256*360的居民身份證指紋測試庫圖像進行裁切后，圖像間重復覆蓋的區域變小，因而影響了同指指紋比對的成功率。而對于大尺寸指紋，因為特征點多，能夠滿足比對要求，因此比對成功率仍然不受影響。對于不同效果原因導致的中小尺寸指紋識別算法性能的衰減，因根據實際情況，調整相關原始指紋圖像，確保裁切后的指紋圖像滿足中小尺寸指紋識別模塊算法性能測試的需求。

5 結語

本文介紹了大尺寸指紋識別模塊、中小尺寸指紋識別模塊在指紋識別性能方面的差異，以及兩種指紋識別模塊在建庫方法上的異同。對于不同原因造成的不同大小的指紋識別模塊的誤識率差異，進行了逐類分析。在小指紋庫建立的過程中，應對圖像模糊、圖像過重（輕）等原因導致的比對成功率衰減維持原狀，而對指紋偏按、指紋實際中心偏移導致的無效區域過大進行相應調整，使得中小尺寸指紋識別模塊算法性能測試能夠充分反映受測指紋模塊在實際應用中的真實情況。