影响注册指纹图像质量的因素及其控制策略

2014-04-24田青田强张鹏欧阳晖高燕公安部第一研究所

警察技术 2014年6期

田青田强张鹏欧阳晖高燕公安部第一研究所

注册指纹图像，又称“指纹档案图像”，它是用于指纹比对中的原始图像，注册指纹图像的好坏直接关系到指纹识别的处理速度和准确性，决定了指纹应用的成败。而法定证件采用指纹识别技术，主要基于指纹唯一性和稳定性的特点，实现快速、准确地进行人证同一性认定，有效避免身份证伪造使用和冒名使用等违法犯罪行为的发生，因此，证件注册指纹的图像质量有其更特殊的重要性。迄今为止，指纹识别系统仍存在着一些技术上的难点，主要体现在非理想条件下指纹图像的识别问题。如果手指质量较差，例如干、湿、曝皮等，会对指纹识别系统的性能产生较大的影响。为了解决这些问题，长期以来指纹识别技术研究者在图像增强、比对算法等关键技术做了大量的攻关工作，但是从指纹应用角度来看，如果在指纹前期采集时做好采集的规范工作，一开始就可以避免影响指纹采集的不利因素，从而获得一幅质量好的指纹照片，为以后的指纹识别比对奠定良好的基础；同时，规范的指纹图像采集也为目前的指纹识别系统确定了统一的采集标准，从根本上解决指纹图像质量差的问题。因此，本文并不是从指纹识别技术角度来提出增强指纹图像的方法，而是从指纹采集涉及的多个环节来避免指纹采集不利因素，多角度制定注册指纹图像的质量控制策略。

一、影响指纹图像质量的因素

指纹具有唯一性和不变性，是个人身份识别的最主要的应用。指纹识别原理为比对前注册一枚指纹图像，在指纹身份验证环节，通过采集设备采集另一枚指纹图像，匹配两枚指纹图像的相似程度，确认指纹所有人的身份。其实指纹比对就是特征点与特征点的比对，好的图像特征点必须足够多、足够准确。

那么如何确定一幅指纹图像是“好”图像？我们认为它必须具备以下两个特征：一是真实性，指纹是代表一个人身份的特征，因此它必须是真实的，不能有“伪特征”信息；二是清晰性，指纹图像清晰、拥有足够的指纹特征。具备了这两点的指纹图像就是一幅标准的指纹照片，但是获得这样一张指纹标准照，需要指纹采集设备、采集环境、按捺方式三方面的配合，下面我们分别介绍这三方面对指纹采集产生的影响。

（一）采集设备

采集设备在整个指纹采集过程中，其作用相当于拍摄人或者景物的照相机。人的指纹比较精细，要完成对指纹的照相，就需要专用的指纹采集设备。指纹采集器本身在分辨率、成像能力、畸变等性能指标有一定的差异，同时指纹设备成像一致性也会影响对注册指纹的图像质量。

在采集设备的成像能力方面，目前市面上有很多种指纹采集设备，从类别分主要有光学、晶体传感器两大类。这两类设备成像技术成熟，采集的图像质量都能满足证件身份认证的应用，但是由于成像原理不用，对指纹图像的质量影响也不一样。光学采集器出现的问题主要有两个：一是采集表面容易污损，人的指纹上面都有些汗渍、油渍，在指纹捺印时会有污迹残留，这些污迹会影响光学反射，导致采集到的指纹图像不清楚，严重时潜在指印会导致两个指印的重叠，使得采集到的指纹不真实，出现伪特征，会影响指纹特征比对；二是由于长时间按捺，光学采集面会磨损，好比照相系统的镜头“磨花”了一样，采集的图像照片是模糊的，不满足“清晰性”的要求。

硅晶体采集设备由于其体积小、性价比高以及便于集成等众多优势，现在逐渐成为指纹采集设备的主力军，但是硅晶体采集设备也有很多问题，早期硅晶体传感器最主要的弱点在于：容易受到静电的影响，使得传感器有时会获取不到图像，甚至会被损坏，手指的汗液中的盐分或者其他的污物，以及手指磨损都会使硅晶体传感器的取像困难。另外，它们并不像玻璃一样耐磨损，从而会影响使用寿命。随着各种工艺技术的不断发展，芯片的防静电性能和耐用度得到了很大的改善，其指纹的采集能力也有所提高，目前硅晶体采集设备主要问题还有采集面积小，成像中容易导致指纹变形，获得不真实的指纹图像。

作为证件注册指纹的采集，采集设备一般会有很多种选择，同时未来指纹大范围应用也要求注册指纹采集设备与比对识别设备可能是多家厂家的产品，因此设备一致性也会出现指纹图像差异等问题，不过相关的技术标准可以将这种影响减到最小，无论是居民身份证还是护照，都有相应的技术标准，应用中选取符合标准的设备就可以避免上述问题。

（二）采集环境

我们经常说有些人手指干或手指湿，实际上除了手指本身存在个体差异外，更多的是环境气候的影响。即气候的差异会产生干、湿手指。干手指主要表现为手指干燥、爆皮、蜕皮等现象，湿手指主要表现为手指潮湿、汗多等现象。我国地域广阔，各地气候差异很大，东北、西北风气候干燥，江浙、华南等地区气候湿润，不同气候在统计概率上呈现出各自的地域特性。干、湿手指对指纹采集效果影响很大，干手指（含爆皮等原因）成像能力差，图像表现为指纹图像特征点少，如图1，湿手指容易成像，但是图像往往出现粘连甚至模糊，如图2，这两类图像在指纹识别时产生系统误识。同时我们前面提到的两类采集设备对干、湿手指的成像能力也不一样，光学采集设备对干手指敏感，可能出现采集不了指纹的情况；硅晶体传感器对湿手指的成像效果不好，经常会出现图2的采集结果。因此由于环境因素产生的干、湿手指对指纹采集有着不可忽视的影响。

（三）按捺姿势

指纹采集对于我们并不陌生，很多人在上班打卡、学车登记以及电子商务的各种应用中按捺指纹，很多采集设备提供商为方便指纹按捺，还研制出指纹图像旋转等算法以适应不同角度的指纹图像。所以在指纹应用中我们经常忽略指纹按捺方式的重要性，认为这是一件很简单的事情，手指放在采集器上就可以了。

实际上，错误的指纹按捺姿势是影响指纹识别性能的最主要因素，和指纹采集设备、采集环境相比，按捺姿势是由采集人来完成的，它是一个人主观控制过程，不能通过客观条件约束、识别和监督。类似于证件人像照片，居民身份证、护照等法定证件的人像照片有姿态端正等一系列要求，同样存储在证件上的指纹标准照片，在按捺时如果姿势不正确，不能获得正面、清晰、真实的照片，将来会影响指纹识别应用。图3～图8是指纹按捺不正确产生的不合格照片。从指纹图像结果来看，有的指纹位置偏，有的指纹图像面积过小，有的指纹模糊、粘连，这些不合格图像是指纹采集中按捺位置不正确、按捺时手指抖动或移动等原因造成的，因此采集人员必须确保指纹按捺姿势正确，这项工作是保证指纹采集成功的关键因素，同时这方面技术层面又无法解决，必须引起高度重视。

（四）其他情况

虽然科学家证实指纹是唯一且恒定不变的人体生物特征，但是经过大量试验，指纹在年龄老化、职业、性别等方面还是有一些的差别。年龄方面，通常我们认为16岁以后的指纹比较稳定，不再受年龄增长而改变，但是随着年龄的增长指纹存在老化问题；职业方面，有些工作环境如化工厂，在此环境下的人的指纹磨损程度很严重，最坏的情况是10个手指的指纹信息全都没有，不能完成指纹采集。性别方面，女性指纹的图像面积小，男性的指纹容易爆皮、脱落。此外，有些人的手指受伤也无法完成指纹正常的采集。上述这些情况在指纹采集中所占比例很小，不影响指纹在证件方面的大范围应用。