尹德森 證件防偽公安部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

一、概述

指紋識(shí)別技術(shù)具有方便快捷、識(shí)別準(zhǔn)確率高等優(yōu)點(diǎn)，在公安工作中得到了廣泛的應(yīng)用。指紋采集是指紋識(shí)別系統(tǒng)的重要組成部分，獲取高分辨率、高對(duì)比度、低畸變的指紋圖像是實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確識(shí)別指紋的前提條件，指紋采集器的性能，例如分辨率、體積、功耗、使用壽命和防偽性能等直接影響指紋識(shí)別系統(tǒng)的性能[1]。隨著社會(huì)信息化的不斷發(fā)展和移動(dòng)設(shè)備的日益普及，移動(dòng)警務(wù)終端等電子設(shè)備的訪問(wèn)控制與信息安全受到人們的廣泛關(guān)注，作為一種身份認(rèn)證手段，指紋識(shí)別技術(shù)應(yīng)用于該類設(shè)備逐漸成為趨勢(shì)，指紋采集器小型化也越來(lái)越受到人們的關(guān)注。目前，指紋采集器大多數(shù)都采用光學(xué)式和半導(dǎo)體式兩種成像方式，光學(xué)指紋采集器具有性能可靠、壽命長(zhǎng)、使用方便等特點(diǎn)，應(yīng)用最為廣泛。但傳統(tǒng)光學(xué)指紋采集器又存在體積、重量和功耗較大等缺點(diǎn)，限制了其在移動(dòng)警務(wù)終端等小型電子設(shè)備中的有效應(yīng)用。

近年來(lái)，隨著微棱鏡加工工藝的不斷發(fā)展，基于微棱鏡的指紋采集技術(shù)日益成熟，本文對(duì)微棱鏡指紋采集技術(shù)的理論基礎(chǔ)及其特點(diǎn)進(jìn)行分析，同時(shí)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：微棱鏡指紋采集技術(shù)可以在保證成像質(zhì)量的基礎(chǔ)上，大幅減小采集器體積，具有較好的應(yīng)用前景和廣闊的應(yīng)用空間。

二、光學(xué)式指紋采集技術(shù)原理

通常，光學(xué)指紋采集器成像原理是光的全反射（Frustrated Total Internal Reflection，F(xiàn)TIR），如圖1所示。光線照射到壓有指紋的玻璃表面，反射光線由CCD/CMOS傳感器收集，反射光的量依賴于壓在玻璃表面上的指紋脊和谷的深度，以及皮膚與玻璃間的油脂和水分。光線經(jīng)過(guò)玻璃照射到谷的地方后，在玻璃與空氣的界面發(fā)生全反射，光線被反射到CCD/CMOS傳感器，射向脊的光線不發(fā)生全反射，而是被脊與玻璃的接觸面吸收或者漫反射到別的地方，這樣就在CCD/CMOS上形成明暗條紋相間的指紋圖像。

基于FTIR原理的光學(xué)指紋采集器具有成像質(zhì)量較好、耐用性較好的特點(diǎn)，但是，因?yàn)榇嬖诶忡R系統(tǒng)等原因，光學(xué)指紋采集器通常體積較大，這限制了其在某些移動(dòng)類嵌入式設(shè)備上的有效應(yīng)用。

為了將光學(xué)指紋采集器進(jìn)一步變薄并降低成本，研究人員又提出了幾種光學(xué)式指紋采集方法。一是直接使用光纖來(lái)獲取指紋圖像，即使用纖維光束垂直照射手指指紋表面，照亮指紋并探測(cè)反射光，進(jìn)而獲取圖像[2]；二是基于FTIR及矩陣式多孔成像的指紋采集，該技術(shù)以小孔成像原理為理論基礎(chǔ)，據(jù)稱該類指紋成像部件厚度可以低于1.5毫米，并具有2000PPI的分辨率；三是基于全息光柵和導(dǎo)光玻璃板的導(dǎo)光全息指紋采集方法，該方法具有無(wú)畸變、對(duì)比度高等特點(diǎn)[3,4]；四是基于棱鏡片的指紋采集方法，即使用棱鏡片替代棱鏡的光學(xué)指紋采集器，該方法是本文論述的重點(diǎn)。

微棱鏡指紋采集器結(jié)構(gòu)就是將圖1中的單一棱鏡由圖2中的一系列小棱鏡代替，讓FTIR原理重復(fù)在小棱鏡上發(fā)生。近年來(lái)，隨著微棱鏡加工工藝的不斷發(fā)展，圖2中的小棱鏡尺寸不斷變小，即產(chǎn)生了微棱鏡指紋采集技術(shù)，微棱鏡結(jié)構(gòu)就是在壓敏膠層上排列了一系列微小的棱鏡，當(dāng)手指按壓在此表面時(shí)，由于脊線和谷線分布的不同，指紋圖像便經(jīng)過(guò)微小棱鏡的反射光反映出來(lái)。將微棱鏡膜應(yīng)用于指紋采集目前還是一項(xiàng)新的技術(shù)突破，市場(chǎng)上沒(méi)有此類指紋采集產(chǎn)品的具體應(yīng)用案例。

三、微棱鏡指紋采集器

如前文所述，微棱鏡指紋采集器的核心器件為微棱鏡膜。微棱鏡膜是指表面具有微米或納米量級(jí)尺寸的棱鏡陣列結(jié)構(gòu)的透明薄膜，可以使入射光線經(jīng)過(guò)微棱鏡膜后以預(yù)期的角度出射，不同的棱鏡頂角會(huì)產(chǎn)生不同的光出射角度，同時(shí)，使用點(diǎn)光源照射微棱鏡膜時(shí)，不同角度的入射光也會(huì)產(chǎn)生不同的光發(fā)散角。通常情況下，微棱鏡膜通過(guò)具有微棱鏡結(jié)構(gòu)的模具壓制而成，其制造涉及材料學(xué)、光學(xué)、精密機(jī)械制造等多個(gè)學(xué)科，其關(guān)鍵技術(shù)包括單元結(jié)構(gòu)及其陣列設(shè)計(jì)、母板制作及復(fù)型、基材的確定、壓紋技術(shù)等[5,6]。

用于指紋采集的微棱鏡膜如圖3所示。

一般情況下，用于指紋采集的微棱鏡膜可分為樹脂薄膜保護(hù)層、顏色及圖案層、微棱鏡層、壓敏膠層、離型膜層等五個(gè)組成部分，如圖4所示。每個(gè)膜層功能如下：

（1）樹脂薄膜保護(hù)層：對(duì)膜層起保護(hù)作用，具有防水、防塵、防刮劃等作用，保持表面光滑如鏡；

（2）顏色及圖案層：對(duì)微棱鏡膜進(jìn)行上色、印花的薄膜層，該層可以選擇多種顏色，包括白色、黃色、紅色、藍(lán)色、綠色、棕色黑色等；

（3）微棱鏡層：核心功能層，即微棱鏡排列層；

（4）壓敏膠層：也稱粘著層，涂有對(duì)壓力有敏感性的膠粘劑，使之能夠長(zhǎng)時(shí)間地粘著在物體表面，如金屬、玻璃表面等，持久耐用；

（5）離型膜層：也稱剝離層，對(duì)粘貼前的微棱鏡膜的壓敏膠層起保護(hù)作用。

根據(jù)目前的市場(chǎng)情況，相對(duì)于傳統(tǒng)的光學(xué)式指紋采集器，將微棱鏡膜應(yīng)用于指紋采集器可形成以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）體積小、厚度薄。相比于傳統(tǒng)光學(xué)指紋采集器，微棱鏡指紋采集器的厚度要薄很多，適合應(yīng)用于體積較為小巧的移動(dòng)警務(wù)終端等電子設(shè)備；

（2）便于生產(chǎn)。對(duì)于傳統(tǒng)光學(xué)指紋采集器而言，普通單指采集棱鏡的加工時(shí)間一般較長(zhǎng)，一個(gè)成品元件需要經(jīng)過(guò)下料、粗磨、精磨、拋光、鍍膜等多道工序。微棱鏡批量加工則相對(duì)較快，產(chǎn)品生產(chǎn)周期會(huì)縮短很多，通常，微棱鏡膜本身會(huì)有大量的庫(kù)存成品，有較強(qiáng)的通用性；

（3）價(jià)格便宜。通常，一個(gè)玻璃材質(zhì)的單指采集棱鏡約9至30元不等，而微棱鏡膜的材料價(jià)格約為一平米幾十元，單指采集面積一般為13×18毫米左右，比較來(lái)看，微棱鏡指紋采集器材料價(jià)格較為低廉。

四、實(shí)驗(yàn)分析

不同應(yīng)用對(duì)指紋采集器的要求不同。通常，可以從采集面積、分辨率、圖像質(zhì)量、耐用性等方面對(duì)指紋采集設(shè)備進(jìn)行評(píng)價(jià)。本文僅立足于對(duì)微棱鏡指紋采集技術(shù)進(jìn)行定性分析，因此，通過(guò)圖像質(zhì)量對(duì)比的方式對(duì)微棱鏡指紋采集方法的可行性進(jìn)行驗(yàn)證。對(duì)比分析過(guò)程如下：

使用微棱鏡指紋采集器采集的指紋圖像和實(shí)際指紋對(duì)比如圖5、圖6和圖7所示。通過(guò)對(duì)比可知：微棱鏡指紋采集器采集的指紋圖像較為清晰，指紋脊線、指紋谷線均較為完整、紋理對(duì)比分明、無(wú)明顯畸變，指紋圖像質(zhì)量較為理想。

在FVC（Fingerprint Verification Competition）2004測(cè)試庫(kù)中隨機(jī)選取四幅光學(xué)式指紋采集器采集的指紋圖像，如圖8所示。前兩枚指紋圖像來(lái)自DB1，該測(cè)試庫(kù)指紋采集器為CrossMatch公司的光學(xué)采集器“V300”；后兩枚指紋圖像來(lái)自DB2，測(cè)試庫(kù)指紋采集器為Digital Persona公司的光學(xué)采集器“U.are.U 4000”。將該四枚指紋圖像與圖5、圖6和圖7中的指紋圖像進(jìn)行對(duì)比，可以看出：微棱鏡指紋采集器采集的指紋圖像與標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試庫(kù)中的指紋圖像質(zhì)量無(wú)明顯差別，微棱鏡指紋采集器性能能夠達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的要求。

五、結(jié)論

根據(jù)目前指紋識(shí)別技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀可知，高質(zhì)量、大面積光學(xué)式指紋采集器可以滿足社會(huì)應(yīng)用的各項(xiàng)要求，如刑事偵查、出入口控制、信息安全、治安管理等，但在警務(wù)移動(dòng)終端等小型電子設(shè)備上，基于小面積、低成本的固體指紋采集器的識(shí)別準(zhǔn)確性難以保證。因此，開發(fā)面積較大、體積較小、成本較低的光學(xué)式指紋采集設(shè)備逐漸成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。通過(guò)本文的論述可知，將微棱鏡膜應(yīng)用于指紋圖像的采集是可行的，微棱鏡指紋圖像細(xì)節(jié)足夠清晰，從微棱鏡指紋圖像上提取特征信息可以確保身份識(shí)別的準(zhǔn)確性。同時(shí)，本文的對(duì)比性實(shí)驗(yàn)僅僅為定性分析，在后續(xù)工作中，需要采集更多指紋圖像進(jìn)行試驗(yàn)研究，并重點(diǎn)就分辨率、畸變率、動(dòng)態(tài)灰度范圍等一系列問(wèn)題進(jìn)行定量分析。

[1] 田捷, 楊鑫, 等. 生物特征識(shí)別理論與應(yīng)用[M]. 北京:清華大學(xué)出版社, 2009.

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

[3] 陳蕊麗. 微型導(dǎo)光全息指紋采集系統(tǒng)的研究. 中國(guó)人民公安大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)[J], 2003, 1(1): 22-25.

[4] 邱蕓,陳樹越. 基于光纖錐成像的光電指紋采集方法研究. 計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)[J], 2010, 31(8): 1870-1873.

[5] 季振強(qiáng), 董連和,王麗,等. 背光模組LED側(cè)照明微棱鏡膜的研究. 液晶與顯示[J], 2014, 29(4): 533-537.

[6] 高賈順, 陳亞洲, 皮鈞, 等. 一種加工微棱鏡陣列新方法及其刀具的研究. 組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)[J], 2014,6:128-134.