◆王 恒 劉得源 張榮飛 顏 斌

（山東科技大學(xué) 電子通信與物理學(xué)院 山東 266590）

3D指紋的獲取與重建技術(shù)

◆王 恒 劉得源 張榮飛 顏 斌

（山東科技大學(xué) 電子通信與物理學(xué)院 山東 266590）

本文針對(duì)二維指紋在獲取和識(shí)別過程中存在的問題，闡述了三維無接觸式指紋的獲取方案；討論了三維指紋獲取中存在的脊谷線對(duì)比度較低等問題；在此基礎(chǔ)上討論了三維指紋的重建技術(shù)，并展望了三維指紋的未來應(yīng)用。

指紋識(shí)別；無接觸式指紋獲??；三維指紋獲取；三維指紋重建

0 引言

隨著現(xiàn)代信息安全的發(fā)展，指紋技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于司法鑒定和日常生活等多個(gè)領(lǐng)域。與其他生物識(shí)別技術(shù)相比較，基于指紋的識(shí)別技術(shù)具有較強(qiáng)的安全性和可靠性。針對(duì)傳統(tǒng)接觸式指紋獲取存在的問題，本文對(duì)3D指紋做了基本的介紹，并簡要介紹了無接觸3D指紋獲取以及3D指紋重建。

應(yīng)用指紋來識(shí)別個(gè)人身份已長達(dá)幾個(gè)世紀(jì)之久。指紋具有兩大特征，即每個(gè)人的指紋形狀不變以及每個(gè)人的指紋形狀都不相同。指紋的這兩大特征是指紋學(xué)研究發(fā)展的基礎(chǔ)，也是指紋證據(jù)能有法律效力的有力證據(jù)。數(shù)字指紋識(shí)別技術(shù)是在20世紀(jì)60年代開始研究的，目的是用計(jì)算機(jī)代替人工識(shí)別指紋的紋型和細(xì)節(jié)特征，以加快指紋識(shí)別的速度，并降低人工判斷的錯(cuò)誤率，自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)也在研究中不斷成熟。

傳統(tǒng)的2D指紋已經(jīng)大量地運(yùn)用于指紋識(shí)別系統(tǒng)中。但是，在整個(gè)識(shí)別過程中，由于受到指紋圖像獲取以及指紋圖像變形的影響，識(shí)別率大大降低。3D指紋從一定程度上可以改善上述問題。因此，3D指紋獲取和重建技術(shù)具有重要的研究價(jià)值。

1 3D指紋的優(yōu)勢

在同一時(shí)刻，從多個(gè)角度，采用多個(gè)攝像頭獲取指紋表面信息所得到的指紋圖像稱為3D指紋。傳統(tǒng)的指紋獲取都是使用接觸式的指紋獲取設(shè)備，而使用該種設(shè)備獲取的指紋圖像質(zhì)量較差，除了由于傳感器維護(hù)帶來的影響以外，還有以下原因：①用戶手指按壓力的不均勻性和不可控性，導(dǎo)致指紋紋線粘連或者斷裂。②用戶受傷或從事重體力工作導(dǎo)致的手指脊線結(jié)構(gòu)改變。③以往采集指紋信息留下的痕跡會(huì)影響圖像質(zhì)量。④光照、環(huán)境以及手指表皮狀況不佳導(dǎo)致指紋紋路變形。⑤只能獲取單一角度的指紋紋線信息，導(dǎo)致指紋周邊信息缺失。

以上出現(xiàn)的導(dǎo)致指紋圖像質(zhì)量差的因素都是由手指接觸傳感器或者從3D到2D的映射過程中的非線性失真導(dǎo)致。為了克服以上缺點(diǎn)，我們采用無接觸指紋獲取技術(shù)，該技術(shù)是在指紋采集過程中不直接接觸指紋表面，而是通過間接的傳感器技術(shù)采集指紋。

相對(duì)于接觸式指紋采集技術(shù)，無接觸式采集技術(shù)的另一重要的特點(diǎn)是能夠被廣大用戶所接受。事實(shí)上，由于文化因素差異以及人們對(duì)于傳染性皮膚疾病的恐懼，極大地限制了人們對(duì)接觸性指紋采集技術(shù)的接受性。此外，無接觸式指紋采集技術(shù)還大大減少了采集用戶指紋信息所需要的時(shí)間以及訓(xùn)練所需花費(fèi)的精力。

2 無接觸3D指紋獲取

與傳統(tǒng)的接觸式指紋采集方式相對(duì)比，無接觸指紋采集的優(yōu)點(diǎn)是顯而易見的。獲取3D指紋的方法包括：多角度指紋獲取方法、結(jié)構(gòu)光照法、和光度立體視覺方法。不同的方法都各有特點(diǎn)，基于無接觸的、多角度指紋獲取方法，其需要的硬件設(shè)備成本較低，并且能夠在較短時(shí)間內(nèi)獲取3D指紋信息。

無接觸式多角度獲取方法就是利用無接觸指紋采集設(shè)備，在多個(gè)角度同一時(shí)刻獲取指紋表面信息的方法，該方法利用光源在指紋表面的漫反射形成的指紋脊線和谷線的陰影來采集指紋圖像。

通常情況下，采用三個(gè)攝像頭采集指紋的3D圖像，如圖1所示，相鄰兩個(gè)攝像機(jī)在同一平面內(nèi)的夾角為45度，保證采集到的圖像可以完全覆蓋整個(gè)指紋表面，攝像機(jī)位置確定后，通過三角測量算法就可以計(jì)算出攝像機(jī)位置的三維坐標(biāo)，通過多角度獲取的指紋圖像的脊線紋理結(jié)構(gòu)可以估測出3D指紋形狀模型，以便于重建手指模型。光照方面可采用藍(lán)色LED光源或者綠色LED光源。