基于微棱镜的指纹采集技术研究

尹德森 证件防伪公安部重点实验室

一、概述

指纹识别技术具有方便快捷、识别准确率高等优点，在公安工作中得到了广泛的应用。指纹采集是指纹识别系统的重要组成部分，获取高分辨率、高对比度、低畸变的指纹图像是实现快速、准确识别指纹的前提条件，指纹采集器的性能，例如分辨率、体积、功耗、使用寿命和防伪性能等直接影响指纹识别系统的性能[1]。随着社会信息化的不断发展和移动设备的日益普及，移动警务终端等电子设备的访问控制与信息安全受到人们的广泛关注，作为一种身份认证手段，指纹识别技术应用于该类设备逐渐成为趋势，指纹采集器小型化也越来越受到人们的关注。目前，指纹采集器大多数都采用光学式和半导体式两种成像方式，光学指纹采集器具有性能可靠、寿命长、使用方便等特点，应用最为广泛。但传统光学指纹采集器又存在体积、重量和功耗较大等缺点，限制了其在移动警务终端等小型电子设备中的有效应用。

近年来，随着微棱镜加工工艺的不断发展，基于微棱镜的指纹采集技术日益成熟，本文对微棱镜指纹采集技术的理论基础及其特点进行分析，同时进行了实验研究，实验结果显示：微棱镜指纹采集技术可以在保证成像质量的基础上，大幅减小采集器体积，具有较好的应用前景和广阔的应用空间。

二、光学式指纹采集技术原理

通常，光学指纹采集器成像原理是光的全反射（Frustrated Total Internal Reflection，FTIR），如图1所示。光线照射到压有指纹的玻璃表面，反射光线由CCD/CMOS传感器收集，反射光的量依赖于压在玻璃表面上的指纹脊和谷的深度，以及皮肤与玻璃间的油脂和水分。光线经过玻璃照射到谷的地方后，在玻璃与空气的界面发生全反射，光线被反射到CCD/CMOS传感器，射向脊的光线不发生全反射，而是被脊与玻璃的接触面吸收或者漫反射到别的地方，这样就在CCD/CMOS上形成明暗条纹相间的指纹图像。

基于FTIR原理的光学指纹采集器具有成像质量较好、耐用性较好的特点，但是，因为存在棱镜系统等原因，光学指纹采集器通常体积较大，这限制了其在某些移动类嵌入式设备上的有效应用。

为了将光学指纹采集器进一步变薄并降低成本，研究人员又提出了几种光学式指纹采集方法。一是直接使用光纤来获取指纹图像，即使用纤维光束垂直照射手指指纹表面，照亮指纹并探测反射光，进而获取图像[2]；二是基于FTIR及矩阵式多孔成像的指纹采集，该技术以小孔成像原理为理论基础，据称该类指纹成像部件厚度可以低于1.5毫米，并具有2000PPI的分辨率；三是基于全息光栅和导光玻璃板的导光全息指纹采集方法，该方法具有无畸变、对比度高等特点[3,4]；四是基于棱镜片的指纹采集方法，即使用棱镜片替代棱镜的光学指纹采集器，该方法是本文论述的重点。

微棱镜指纹采集器结构就是将图1中的单一棱镜由图2中的一系列小棱镜代替，让FTIR原理重复在小棱镜上发生。近年来，随着微棱镜加工工艺的不断发展，图2中的小棱镜尺寸不断变小，即产生了微棱镜指纹采集技术，微棱镜结构就是在压敏胶层上排列了一系列微小的棱镜，当手指按压在此表面时，由于脊线和谷线分布的不同，指纹图像便经过微小棱镜的反射光反映出来。将微棱镜膜应用于指纹采集目前还是一项新的技术突破，市场上没有此类指纹采集产品的具体应用案例。

三、微棱镜指纹采集器

如前文所述，微棱镜指纹采集器的核心器件为微棱镜膜。微棱镜膜是指表面具有微米或纳米量级尺寸的棱镜阵列结构的透明薄膜，可以使入射光线经过微棱镜膜后以预期的角度出射，不同的棱镜顶角会产生不同的光出射角度，同时，使用点光源照射微棱镜膜时，不同角度的入射光也会产生不同的光发散角。通常情况下，微棱镜膜通过具有微棱镜结构的模具压制而成，其制造涉及材料学、光学、精密机械制造等多个学科，其关键技术包括单元结构及其阵列设计、母板制作及复型、基材的确定、压纹技术等[5,6]。

用于指纹采集的微棱镜膜如图3所示。

一般情况下，用于指纹采集的微棱镜膜可分为树脂薄膜保护层、颜色及图案层、微棱镜层、压敏胶层、离型膜层等五个组成部分，如图4所示。每个膜层功能如下：

（1）树脂薄膜保护层：对膜层起保护作用，具有防水、防尘、防刮划等作用，保持表面光滑如镜；

（2）颜色及图案层：对微棱镜膜进行上色、印花的薄膜层，该层可以选择多种颜色，包括白色、黄色、红色、蓝色、绿色、棕色黑色等；

（3）微棱镜层：核心功能层，即微棱镜排列层；

（4）压敏胶层：也称粘着层，涂有对压力有敏感性的胶粘剂，使之能够长时间地粘着在物体表面，如金属、玻璃表面等，持久耐用；

（5）离型膜层：也称剥离层，对粘贴前的微棱镜膜的压敏胶层起保护作用。

根据目前的市场情况，相对于传统的光学式指纹采集器，将微棱镜膜应用于指纹采集器可形成以下优点：

（1）体积小、厚度薄。相比于传统光学指纹采集器，微棱镜指纹采集器的厚度要薄很多，适合应用于体积较为小巧的移动警务终端等电子设备；

（2）便于生产。对于传统光学指纹采集器而言，普通单指采集棱镜的加工时间一般较长，一个成品元件需要经过下料、粗磨、精磨、抛光、镀膜等多道工序。微棱镜批量加工则相对较快，产品生产周期会缩短很多，通常，微棱镜膜本身会有大量的库存成品，有较强的通用性；

（3）价格便宜。通常，一个玻璃材质的单指采集棱镜约9至30元不等，而微棱镜膜的材料价格约为一平米几十元，单指采集面积一般为13×18毫米左右，比较来看，微棱镜指纹采集器材料价格较为低廉。

四、实验分析

不同应用对指纹采集器的要求不同。通常，可以从采集面积、分辨率、图像质量、耐用性等方面对指纹采集设备进行评价。本文仅立足于对微棱镜指纹采集技术进行定性分析，因此，通过图像质量对比的方式对微棱镜指纹采集方法的可行性进行验证。对比分析过程如下：

使用微棱镜指纹采集器采集的指纹图像和实际指纹对比如图5、图6和图7所示。通过对比可知：微棱镜指纹采集器采集的指纹图像较为清晰，指纹脊线、指纹谷线均较为完整、纹理对比分明、无明显畸变，指纹图像质量较为理想。

在FVC（Fingerprint Verification Competition）2004测试库中随机选取四幅光学式指纹采集器采集的指纹图像，如图8所示。前两枚指纹图像来自DB1，该测试库指纹采集器为CrossMatch公司的光学采集器“V300”；后两枚指纹图像来自DB2，测试库指纹采集器为Digital Persona公司的光学采集器“U.are.U 4000”。将该四枚指纹图像与图5、图6和图7中的指纹图像进行对比，可以看出：微棱镜指纹采集器采集的指纹图像与标准测试库中的指纹图像质量无明显差别，微棱镜指纹采集器性能能够达到实际应用的要求。

五、结论

根据目前指纹识别技术应用现状可知，高质量、大面积光学式指纹采集器可以满足社会应用的各项要求，如刑事侦查、出入口控制、信息安全、治安管理等，但在警务移动终端等小型电子设备上，基于小面积、低成本的固体指纹采集器的识别准确性难以保证。因此，开发面积较大、体积较小、成本较低的光学式指纹采集设备逐渐成为当前的研究热点。通过本文的论述可知，将微棱镜膜应用于指纹图像的采集是可行的，微棱镜指纹图像细节足够清晰，从微棱镜指纹图像上提取特征信息可以确保身份识别的准确性。同时，本文的对比性实验仅仅为定性分析，在后续工作中，需要采集更多指纹图像进行试验研究，并重点就分辨率、畸变率、动态灰度范围等一系列问题进行定量分析。

[1] 田捷, 杨鑫, 等. 生物特征识别理论与应用[M]. 北京:清华大学出版社, 2009.

[2] Davide Maltoni, Dario Maio, Anil k Jain. Handbook of Fingerprint Recognition [M]. London: Springer, 2009.

[3] 陈蕊丽. 微型导光全息指纹采集系统的研究. 中国人民公安大学学报(自然科学版)[J], 2003, 1(1): 22-25.

[4] 邱芸,陈树越. 基于光纤锥成像的光电指纹采集方法研究. 计算机工程与设计[J], 2010, 31(8): 1870-1873.

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[6] 高贾顺, 陈亚洲, 皮钧, 等. 一种加工微棱镜阵列新方法及其刀具的研究. 组合机床与自动化加工技术[J], 2014,6:128-134.