丁增喜 王旭 祁衛(wèi)煒

1.證件防偽公安部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 2.公安部第一研究所

一、概述

在各種人體生物特征中，指紋識(shí)別由于其具有唯一性、穩(wěn)定性、識(shí)別率高等特點(diǎn)，在目前使用的各種生物特征識(shí)別技術(shù)中成為最為成熟、最為廣泛的生物特征識(shí)別技術(shù)[1]。

指紋識(shí)別技術(shù)有兩種應(yīng)用模式：一是1:1的認(rèn)證，二是1:N的辨識(shí)。目前最多的應(yīng)用場(chǎng)景是1:N辨識(shí)，尤其是在刑偵領(lǐng)域中，1：N辨識(shí)功能對(duì)于案件的偵破有著很大的幫助。對(duì)于指紋識(shí)別技術(shù)來(lái)說(shuō)，無(wú)論1:1認(rèn)證還是1：N辨識(shí)都是圍繞如何提高識(shí)別準(zhǔn)確性和識(shí)別的速度來(lái)進(jìn)行的，其研究?jī)?nèi)容包括指紋圖像增強(qiáng)、指紋特征提取、指紋特征匹配以及指紋分類(lèi)等算法。而這些指紋識(shí)別算法無(wú)論是警用還是民用，都需要基于一定容量的指紋庫(kù)進(jìn)行性能測(cè)試，指紋庫(kù)中數(shù)據(jù)組織的分布規(guī)則以及數(shù)據(jù)庫(kù)容量的大小都對(duì)指紋識(shí)別算法的性能產(chǎn)生一定的影響。此外，隨著指紋識(shí)別技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上指紋識(shí)別類(lèi)產(chǎn)品種類(lèi)越來(lái)越多，其性能指標(biāo)、技術(shù)參數(shù)參差不齊，各種產(chǎn)品的宣傳往往偏重商業(yè)目的，這些問(wèn)題為公安行業(yè)以及其他指紋識(shí)別技術(shù)應(yīng)用部門(mén)在產(chǎn)品的選擇上造成了困難，迫切需要相關(guān)部門(mén)建立評(píng)價(jià)體系對(duì)指紋識(shí)別類(lèi)產(chǎn)品進(jìn)行客觀的性能評(píng)測(cè)，為應(yīng)用部門(mén)提供科學(xué)合理的選擇依據(jù)。而指紋測(cè)試樣本庫(kù)是評(píng)測(cè)指紋識(shí)別算法性能的重要依據(jù)，只有基于大規(guī)模指紋測(cè)試樣本數(shù)據(jù)才能真實(shí)有效的完成指紋識(shí)別算法核心性能指標(biāo)的評(píng)測(cè)[2]。如何合理、高效、快捷地完成指紋測(cè)試樣本的采集將是指紋測(cè)試評(píng)測(cè)首先面臨的重要問(wèn)題，而完成這項(xiàng)工作需要解決測(cè)試庫(kù)建庫(kù)規(guī)則、采集設(shè)備接口、采集模式設(shè)計(jì)、系統(tǒng)架構(gòu)方式等多個(gè)技術(shù)難題。

二、指紋測(cè)試樣本采集問(wèn)題分析

首先，需要確立測(cè)試樣本庫(kù)的建庫(kù)規(guī)則。我國(guó)幅員遼闊、人口眾多，是一個(gè)多民族聚居的地區(qū)。居民在聚居區(qū)域、民族、性別、年齡以及職業(yè)等多個(gè)方面具有一定的分布特點(diǎn)，這些因素對(duì)指紋的質(zhì)量均具有一定程度的影響。因此在測(cè)試樣本庫(kù)建庫(kù)之前就要制定一套規(guī)則，使測(cè)試樣本庫(kù)中指紋的分布符合我國(guó)現(xiàn)有國(guó)情。

其次，近年來(lái)我國(guó)指紋生物特征技術(shù)發(fā)展迅速。市場(chǎng)上的采集設(shè)備品種繁多，接口類(lèi)型千差萬(wàn)別。各個(gè)廠家設(shè)備應(yīng)用領(lǐng)域各不相同，應(yīng)用方式千差萬(wàn)別，采集設(shè)備的接口和采集的輸出結(jié)果也沒(méi)有得到統(tǒng)一。因此在采集前如果不能很好的統(tǒng)一接口和輸出結(jié)果，會(huì)為采集工作增添很多困難，也會(huì)為進(jìn)一步影響指紋識(shí)別算法的評(píng)測(cè)工作。此外，由于采集系統(tǒng)需要同時(shí)掛接多款采集設(shè)備，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)還要確保多款采集設(shè)備在實(shí)時(shí)調(diào)用時(shí)互不影響。

最后，一般情況下指紋采集工作需在多個(gè)采集地點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行，因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)和采集方式選擇上如何讓工作人員能夠方便操作，實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確、高效地采集到符合要求的指紋樣本也是需要解決的問(wèn)題。

三、指紋測(cè)試樣本采集關(guān)鍵技術(shù)

（一）建庫(kù)規(guī)則的確定

從測(cè)試樣本庫(kù)建庫(kù)角度出發(fā)，為了建立一套客觀、科學(xué)、完整的指紋應(yīng)用技術(shù)評(píng)價(jià)體系，需要針對(duì)指紋應(yīng)用人群分布特點(diǎn)采集特定人群的指紋樣本。以居民身份證指紋測(cè)試樣本庫(kù)建庫(kù)為例，該項(xiàng)工作目標(biāo)為選出全國(guó)范圍應(yīng)用的指紋識(shí)別算法，因此測(cè)試庫(kù)設(shè)計(jì)時(shí)，參考我國(guó)第六次全國(guó)人口普查數(shù)、《2009年度人力資源和社會(huì)保障事業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》等文獻(xiàn)資料，編制建庫(kù)規(guī)則（如圖1所示）。測(cè)試庫(kù)建庫(kù)規(guī)則按照性別、產(chǎn)業(yè)、民族以及地域/環(huán)境等五個(gè)方面進(jìn)行屬性劃分，其中年齡按照小于15歲、15-59歲以及大于等于60歲三個(gè)年齡段進(jìn)行劃分。在職業(yè)上按照第一產(chǎn)業(yè)、第二產(chǎn)業(yè)以及第三產(chǎn)業(yè)三部分進(jìn)行分類(lèi)，這樣就很好地涵蓋了我國(guó)當(dāng)前多種職業(yè)，具有很好的代表性[3]。建庫(kù)樣本規(guī)則的確定為指紋測(cè)試樣本采集工作奠定了基礎(chǔ)。

（二）采集設(shè)備選取及接口統(tǒng)一

針對(duì)指紋采集設(shè)備品種多、可選范圍大等情況，需參考市場(chǎng)占有率及設(shè)備試用情況，從各類(lèi)指紋采集設(shè)備中選擇了最有代表性的產(chǎn)品用于樣本采集。為了統(tǒng)一指紋采集設(shè)備接口，便于將來(lái)系統(tǒng)調(diào)用，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需參考已得到廣泛應(yīng)用的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，例如《活體指紋圖像應(yīng)用程序接口規(guī)范第1部分：采集設(shè)備》[4,5]、《指紋采集器接口規(guī)范》等，以用于指導(dǎo)和規(guī)范參與指紋測(cè)試樣本采集的采集設(shè)備動(dòng)態(tài)庫(kù)接口，只有符合了該接口規(guī)范的采集設(shè)備才能夠接入采集系統(tǒng)；通過(guò)這種方式能很好地解決采集設(shè)備接口不統(tǒng)一的問(wèn)題。

（三）設(shè)備間的無(wú)縫切換

在指紋測(cè)試樣本采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)指紋采集器廠家提供的接口文件格式，均要求以Windows動(dòng)態(tài)庫(kù)格式提供。Windows動(dòng)態(tài)庫(kù)格式是微軟提出的一種標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)調(diào)用格式，它可以將共享的程序代碼編譯成獨(dú)立模塊以供調(diào)用，庫(kù)函數(shù)的任何修改都不對(duì)應(yīng)用程序產(chǎn)生影響。通過(guò)對(duì)動(dòng)態(tài)庫(kù)的動(dòng)態(tài)調(diào)用，操作人員可以決定在何時(shí)加載和釋放指紋采集設(shè)備，使各個(gè)設(shè)備之間的加載和釋放不存在任何影響。在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的時(shí)候，系統(tǒng)列出廠家設(shè)備名稱(chēng)，通過(guò)選擇某個(gè)廠家，系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)用該廠家對(duì)應(yīng)采集動(dòng)態(tài)庫(kù)，激活設(shè)備進(jìn)行指紋采集。而調(diào)用該動(dòng)態(tài)庫(kù)時(shí)候，會(huì)自動(dòng)釋放上次調(diào)用的動(dòng)態(tài)庫(kù)，使多個(gè)設(shè)備在調(diào)用過(guò)程中互不影響。對(duì)采集設(shè)備按照統(tǒng)一的規(guī)則進(jìn)行編號(hào)和命名，如圖2所示。

（四）自動(dòng)采集和人工采集模式

為了滿(mǎn)足指紋測(cè)試樣本的采集數(shù)量大、次數(shù)多、速度快、隨機(jī)性高等特點(diǎn)，在采集系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了自動(dòng)采集模式。廠家要根據(jù)自動(dòng)采集函數(shù)接口要求，提供設(shè)備采集動(dòng)態(tài)庫(kù)。系統(tǒng)對(duì)質(zhì)量滿(mǎn)足基本要求的指紋圖像自動(dòng)采集入庫(kù)保存。此外，為了防止在采集過(guò)程中有些指紋圖像由于傷病、磨損、脫皮等情況而導(dǎo)致無(wú)法自動(dòng)采集的情況下，系統(tǒng)又提供了人工采集模式，可以實(shí)現(xiàn)人工手動(dòng)實(shí)時(shí)采集指紋圖像并入庫(kù)保存。系統(tǒng)啟動(dòng)成功并選取設(shè)備之后會(huì)自動(dòng)進(jìn)入自動(dòng)采集模式，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)自動(dòng)采集按壓的手指指紋圖像，在系統(tǒng)連續(xù)采集規(guī)定數(shù)量的指紋圖像后由操作人員核驗(yàn)采集圖像質(zhì)量然后提交保存，采集界面如圖3所示。采集后在未提交前如果發(fā)現(xiàn)某一幅指紋圖像質(zhì)量不符合基本要求，則實(shí)時(shí)選取該幅指紋圖像進(jìn)行再次采集，而不用影響其他幾幅圖像。在采集過(guò)程中如果有些手指指紋圖像質(zhì)量較差，指紋采集設(shè)備無(wú)法自動(dòng)成功采集，可以選擇人工采集模式進(jìn)行手動(dòng)采集。通過(guò)人工采集模式可以強(qiáng)制采集一幅指紋圖像，從而確保了采集到的指紋測(cè)試樣本的真實(shí)性。

（五）系統(tǒng)架構(gòu)方式的選取

指紋測(cè)試樣本的采集可以采取多種系統(tǒng)架構(gòu)方式，既可以聯(lián)網(wǎng)集中采集，也可以脫機(jī)移動(dòng)采集。聯(lián)網(wǎng)集中采集將采集機(jī)器集中聯(lián)網(wǎng)，采集數(shù)據(jù)集中統(tǒng)一入庫(kù)。這種方式采集效率高、速度快，采集的指紋數(shù)據(jù)記錄編號(hào)連續(xù)，便于后期處理。每次采集的指紋數(shù)據(jù)自動(dòng)進(jìn)入統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫(kù)，不需要后期的數(shù)據(jù)歸納整理。此外，每臺(tái)機(jī)器也可以不必掛接所有指紋采集設(shè)備，系統(tǒng)負(fù)荷壓力小，但是這種架構(gòu)方式只適合采集地點(diǎn)固定、采集時(shí)間相對(duì)集中的情況。

而脫機(jī)移動(dòng)采集方式卻可以在多個(gè)地點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行指紋測(cè)試樣本的采集。通過(guò)對(duì)采集設(shè)備的接口以及對(duì)設(shè)備采集庫(kù)提供方式進(jìn)行統(tǒng)一，每臺(tái)采集系統(tǒng)均可以?huà)旖铀兄讣y采集設(shè)備，并可以在采集設(shè)備間實(shí)時(shí)切換進(jìn)行樣本采集。這樣每臺(tái)采集系統(tǒng)都可以成為一臺(tái)采集服務(wù)器，可以實(shí)現(xiàn)多臺(tái)采集系統(tǒng)在多個(gè)采集點(diǎn)進(jìn)行集中采集，多臺(tái)采集系統(tǒng)之間互為冗余。這種采集方式存在的問(wèn)題是要在采集前根據(jù)預(yù)先規(guī)定的采集人數(shù)需要事先為每個(gè)采集地區(qū)的分配采集編號(hào)范圍。在采集結(jié)束后需要對(duì)每臺(tái)機(jī)器中采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理集中。脫機(jī)移動(dòng)采集方式如圖4所示。

此外，在采集質(zhì)量上控制上，通過(guò)培訓(xùn)講解和實(shí)際操作等方式，使操作人員快速掌握指紋測(cè)試樣本采集系統(tǒng)的使用，避免由于主觀因素而導(dǎo)致采集指紋測(cè)試樣本圖像下降的問(wèn)題。圖5給出了幾種不合格指紋圖像的情況，如采集指紋圖像面積過(guò)小、圖像太暗或太淺、手指按壓方向錯(cuò)誤以及采集部位錯(cuò)誤等。這樣盡可能確保指紋測(cè)試樣本的質(zhì)量，減少不必要干擾因素對(duì)測(cè)試樣本庫(kù)圖像質(zhì)量的影響。

四、結(jié)論

指紋測(cè)試樣本的采集是一項(xiàng)復(fù)雜工作，本文從指紋測(cè)試樣本采集的背景和目的出發(fā)，對(duì)指紋測(cè)試樣本采集所面臨的問(wèn)題以及需要解決的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)介紹。通過(guò)筆者及同事多年多地的采集實(shí)踐證明，按本文設(shè)計(jì)的指紋測(cè)試樣本采集系統(tǒng)在應(yīng)用上是成功高效的，無(wú)論是刑偵用大面積滾動(dòng)指紋測(cè)試樣本采集，還是證件用平面指紋測(cè)試樣本的采集，都可以順利完成。這不僅為指紋識(shí)別算法的測(cè)試工作提供強(qiáng)有力的支持，同時(shí)也為相關(guān)類(lèi)似項(xiàng)目的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)提供了有益的參考。

[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] GA/T 894.6-2010, 安防指紋識(shí)別應(yīng)用系統(tǒng) 第6部分:指紋識(shí)別算法評(píng)測(cè)方法.

[3] GA 1012-2012, 居民身份證指紋采集和比對(duì)技術(shù)規(guī)范.

[4] GA/T 893－2010, 安防生物特征識(shí)別應(yīng)用術(shù)語(yǔ).

[5] GA/T 626.1-2010, 活體指紋圖像應(yīng)用程序接口規(guī)范 第1部分:采集設(shè)備.