田青 田強 張鵬 歐陽暉 高燕 公安部第一研究所

注冊指紋圖像，又稱“指紋檔案圖像”，它是用于指紋比對中的原始圖像，注冊指紋圖像的好壞直接關(guān)系到指紋識別的處理速度和準確性，決定了指紋應用的成敗。而法定證件采用指紋識別技術(shù)，主要基于指紋唯一性和穩(wěn)定性的特點，實現(xiàn)快速、準確地進行人證同一性認定，有效避免身份證偽造使用和冒名使用等違法犯罪行為的發(fā)生，因此，證件注冊指紋的圖像質(zhì)量有其更特殊的重要性。迄今為止，指紋識別系統(tǒng)仍存在著一些技術(shù)上的難點，主要體現(xiàn)在非理想條件下指紋圖像的識別問題。如果手指質(zhì)量較差，例如干、濕、曝皮等，會對指紋識別系統(tǒng)的性能產(chǎn)生較大的影響。為了解決這些問題，長期以來指紋識別技術(shù)研究者在圖像增強、比對算法等關(guān)鍵技術(shù)做了大量的攻關(guān)工作，但是從指紋應用角度來看，如果在指紋前期采集時做好采集的規(guī)范工作，一開始就可以避免影響指紋采集的不利因素，從而獲得一幅質(zhì)量好的指紋照片，為以后的指紋識別比對奠定良好的基礎；同時，規(guī)范的指紋圖像采集也為目前的指紋識別系統(tǒng)確定了統(tǒng)一的采集標準，從根本上解決指紋圖像質(zhì)量差的問題。因此，本文并不是從指紋識別技術(shù)角度來提出增強指紋圖像的方法，而是從指紋采集涉及的多個環(huán)節(jié)來避免指紋采集不利因素，多角度制定注冊指紋圖像的質(zhì)量控制策略。

一、影響指紋圖像質(zhì)量的因素

指紋具有唯一性和不變性，是個人身份識別的最主要的應用。指紋識別原理為比對前注冊一枚指紋圖像，在指紋身份驗證環(huán)節(jié)，通過采集設備采集另一枚指紋圖像，匹配兩枚指紋圖像的相似程度，確認指紋所有人的身份。其實指紋比對就是特征點與特征點的比對，好的圖像特征點必須足夠多、足夠準確。

那么如何確定一幅指紋圖像是“好”圖像？我們認為它必須具備以下兩個特征：一是真實性，指紋是代表一個人身份的特征，因此它必須是真實的，不能有“偽特征”信息；二是清晰性，指紋圖像清晰、擁有足夠的指紋特征。具備了這兩點的指紋圖像就是一幅標準的指紋照片，但是獲得這樣一張指紋標準照，需要指紋采集設備、采集環(huán)境、按捺方式三方面的配合，下面我們分別介紹這三方面對指紋采集產(chǎn)生的影響。

（一）采集設備

采集設備在整個指紋采集過程中，其作用相當于拍攝人或者景物的照相機。人的指紋比較精細，要完成對指紋的照相，就需要專用的指紋采集設備。指紋采集器本身在分辨率、成像能力、畸變等性能指標有一定的差異，同時指紋設備成像一致性也會影響對注冊指紋的圖像質(zhì)量。

在采集設備的成像能力方面，目前市面上有很多種指紋采集設備，從類別分主要有光學、晶體傳感器兩大類。這兩類設備成像技術(shù)成熟，采集的圖像質(zhì)量都能滿足證件身份認證的應用，但是由于成像原理不用，對指紋圖像的質(zhì)量影響也不一樣。光學采集器出現(xiàn)的問題主要有兩個：一是采集表面容易污損，人的指紋上面都有些汗?jié)n、油漬，在指紋捺印時會有污跡殘留，這些污跡會影響光學反射，導致采集到的指紋圖像不清楚，嚴重時潛在指印會導致兩個指印的重疊，使得采集到的指紋不真實，出現(xiàn)偽特征，會影響指紋特征比對；二是由于長時間按捺，光學采集面會磨損，好比照相系統(tǒng)的鏡頭“磨花”了一樣，采集的圖像照片是模糊的，不滿足“清晰性”的要求。

硅晶體采集設備由于其體積小、性價比高以及便于集成等眾多優(yōu)勢，現(xiàn)在逐漸成為指紋采集設備的主力軍，但是硅晶體采集設備也有很多問題，早期硅晶體傳感器最主要的弱點在于：容易受到靜電的影響，使得傳感器有時會獲取不到圖像，甚至會被損壞，手指的汗液中的鹽分或者其他的污物，以及手指磨損都會使硅晶體傳感器的取像困難。另外，它們并不像玻璃一樣耐磨損，從而會影響使用壽命。隨著各種工藝技術(shù)的不斷發(fā)展，芯片的防靜電性能和耐用度得到了很大的改善，其指紋的采集能力也有所提高，目前硅晶體采集設備主要問題還有采集面積小，成像中容易導致指紋變形，獲得不真實的指紋圖像。

作為證件注冊指紋的采集，采集設備一般會有很多種選擇，同時未來指紋大范圍應用也要求注冊指紋采集設備與比對識別設備可能是多家廠家的產(chǎn)品，因此設備一致性也會出現(xiàn)指紋圖像差異等問題，不過相關(guān)的技術(shù)標準可以將這種影響減到最小，無論是居民身份證還是護照，都有相應的技術(shù)標準，應用中選取符合標準的設備就可以避免上述問題。

（二）采集環(huán)境

我們經(jīng)常說有些人手指干或手指濕，實際上除了手指本身存在個體差異外，更多的是環(huán)境氣候的影響。即氣候的差異會產(chǎn)生干、濕手指。干手指主要表現(xiàn)為手指干燥、爆皮、蛻皮等現(xiàn)象，濕手指主要表現(xiàn)為手指潮濕、汗多等現(xiàn)象。我國地域廣闊，各地氣候差異很大，東北、西北風氣候干燥，江浙、華南等地區(qū)氣候濕潤，不同氣候在統(tǒng)計概率上呈現(xiàn)出各自的地域特性。干、濕手指對指紋采集效果影響很大，干手指（含爆皮等原因）成像能力差，圖像表現(xiàn)為指紋圖像特征點少，如圖1，濕手指容易成像，但是圖像往往出現(xiàn)粘連甚至模糊，如圖2，這兩類圖像在指紋識別時產(chǎn)生系統(tǒng)誤識。同時我們前面提到的兩類采集設備對干、濕手指的成像能力也不一樣，光學采集設備對干手指敏感，可能出現(xiàn)采集不了指紋的情況；硅晶體傳感器對濕手指的成像效果不好，經(jīng)常會出現(xiàn)圖2的采集結(jié)果。因此由于環(huán)境因素產(chǎn)生的干、濕手指對指紋采集有著不可忽視的影響。

（三）按捺姿勢

指紋采集對于我們并不陌生，很多人在上班打卡、學車登記以及電子商務的各種應用中按捺指紋，很多采集設備提供商為方便指紋按捺，還研制出指紋圖像旋轉(zhuǎn)等算法以適應不同角度的指紋圖像。所以在指紋應用中我們經(jīng)常忽略指紋按捺方式的重要性，認為這是一件很簡單的事情，手指放在采集器上就可以了。

實際上，錯誤的指紋按捺姿勢是影響指紋識別性能的最主要因素，和指紋采集設備、采集環(huán)境相比，按捺姿勢是由采集人來完成的，它是一個人主觀控制過程，不能通過客觀條件約束、識別和監(jiān)督。類似于證件人像照片，居民身份證、護照等法定證件的人像照片有姿態(tài)端正等一系列要求，同樣存儲在證件上的指紋標準照片，在按捺時如果姿勢不正確，不能獲得正面、清晰、真實的照片，將來會影響指紋識別應用。圖3～圖8是指紋按捺不正確產(chǎn)生的不合格照片。從指紋圖像結(jié)果來看，有的指紋位置偏，有的指紋圖像面積過小，有的指紋模糊、粘連，這些不合格圖像是指紋采集中按捺位置不正確、按捺時手指抖動或移動等原因造成的，因此采集人員必須確保指紋按捺姿勢正確，這項工作是保證指紋采集成功的關(guān)鍵因素，同時這方面技術(shù)層面又無法解決，必須引起高度重視。

（四）其他情況

雖然科學家證實指紋是唯一且恒定不變的人體生物特征，但是經(jīng)過大量試驗，指紋在年齡老化、職業(yè)、性別等方面還是有一些的差別。年齡方面，通常我們認為16歲以后的指紋比較穩(wěn)定，不再受年齡增長而改變，但是隨著年齡的增長指紋存在老化問題；職業(yè)方面，有些工作環(huán)境如化工廠，在此環(huán)境下的人的指紋磨損程度很嚴重，最壞的情況是10個手指的指紋信息全都沒有，不能完成指紋采集。性別方面，女性指紋的圖像面積小，男性的指紋容易爆皮、脫落。此外，有些人的手指受傷也無法完成指紋正常的采集。上述這些情況在指紋采集中所占比例很小，不影響指紋在證件方面的大范圍應用。

二、控制指紋圖像的策略

為避免采集環(huán)境、采集設備和采集按捺姿勢等影響指紋采集質(zhì)量，快速、準確獲取一枚好的注冊指紋圖像，在指紋采集時需要注意以下事項：

1．干冷氣候會使手指容易干燥，指紋采集時會出現(xiàn)采集不上的情況，這種情況下可以用濕紙巾擦拭手指，但是需要手指自然干以后再采集。

2．指紋采集設備光學表面不干凈，會有指紋殘留現(xiàn)象。采集設備應保持潔凈，每天采集前需要清潔處理，若采集過程中發(fā)現(xiàn)有殘留指紋也需要清潔。

3．采集人手指應干凈且不干燥，建議在開始采集指紋前，擦凈手指，確保手指濕潤。如手指正面的污跡影響采集效果，應用酒精擦拭除污。

4．采集的手指應該沒有指套、指膜等覆蓋物。

5．正確的指紋按捺姿勢是手指指肚向下，平放在指紋采集器窗口，手指中心花紋應位于采集窗口中心區(qū)域，向下按壓保持不動，直至采集完成。采集過程中手指不得側(cè)放、橫放、倒放、旋轉(zhuǎn)、滾動和移動等。正確圖像的采集結(jié)果如圖9所示。

[1]陳好.指紋采集技術(shù)現(xiàn)狀及其發(fā)展前景.中國防偽報道,2008(1).

[2]張先明,唐杰,王輝,于奎棟.如何保證活體指紋采集的質(zhì)量,法庭科學.

[3]劉三滿.指紋圖像準確采集和顯現(xiàn),科技情報開發(fā)與經(jīng)濟,2003,13(10).