光学应用之指纹识别系统

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指纹识别系统一直作为安全防范技术很重要的项目，全世界各国在指纹识别系统研究领域里投入了非常大的人力和财力，不同程度地取得了一些进展，例如:通过计算机技术的应用建立信息库，缩短查询和比对时间，以及研制开发出"指纹扫描仪"(图像分辩率现仅为500象素/英寸)等等。但令人遗憾的是仍然没有脱出"比对法"的框框。也就是说没有脱离肉眼"比对"因素而造成的识别误差。据有关报道，美国中央情报局在过去的几年里为指纹识别系统的研究花费了十亿美元，而且没有明显突破。
为了更清楚地让我们了解指纹识别系统，我们简单地回忆一下各国研究指纹识别系统的历史，很早以前指纹就被用于身份识别，直到19世纪指纹识别技术才有了科学依据。在上个世纪70年代计算机自动搜索被应用到了文件数据库查询，此后在生物测定领域里研究人员开始尝试把指纹识别从法律学领域推广到日常的身份识别。现有的指纹识别确定仍要依赖人的肉眼。这样的过程不但计算量过大，信息的传输与储存都会消耗大量资源，而且误拒率也居高不下。所以有些研究人员又转向如虹膜扫描等其他识别方法的研究。20世纪90年代为克服干燥皮肤对光学探测器的影响，以及为减小体积和降低成本，新的图像探测器被开发出来，但指纹识别的基本模式——galton/henry分类法和向量空间信号表示法仍然没变，此种方法将动态的图像与静态图像模板比较，主要针对异常点和采样点或用一组参数描述的曲线簇。一些难以判断的现象还必须由人决定。简言之，世界各国对指纹识别系统的研究主要集中在以下三点：
1.提高识别的准确率；
2.提高识别速度；
3.中央信息库(高信息量)的建立与联网。
据了解，北美一家研究中心进行指纹扫描识别领域的软、硬件开发工作，并已经取得了突破。其中：sr75扫描仪是一种可以自动实时捕捉单个手指平面纹路信息的光学设备。该设备可以通过测量指纹的固有特征将获得的指纹信息编成一个短数字串。当两个指纹特征经处理后有同样的数字串输出时，刚该两个指纹即可判定为“吻合”，为了防止因手指受伤而影响检测结果，他们一般采集左、右食指两个资料。指纹转变数字串是该扫描仪的内置功能，转换器技术是他们的专利技术。sr75是为监控登入系统下的pc主机而设计的，并且可以作为和internet交互的外围设备。做匹配运算需进行指纹图像的存储与传输操作，sr75首次将这些冗繁的过程转变为如同信用卡的确认过程一样简单，数秒钟即可完成。这一研究成果突出解决了中央信息库信息量的储存课题，也解决了计算机联网的课题。
从上所述的基本原理，可以清楚地看到，sr75是完全区别于传统的产品，通过识别输入指纹固有不变的图像因素，使其可以将其筛选出而量化成为一串固定数字，这一技术已在美国正式申请了专利。sr75处理器不进行两指纹匹配计算，只计算指纹量化信息然后由此判断指纹是否吻合。例如:扫描仪由某指纹产生数字串为“12345678"，它实际上假定了相反的映射仍然成立，即如果任何指纹对应的数字是"12345678"，则其必然为同一个人的指纹，因为指纹和数字是一对一的关系，而且每个人的指纹都是完全不同的，所以只会有惟一个人的指纹对应数字"12345678"。由于指纹图像已变成数字储存而大大节省了信息库的存储量，我们十几亿人口的大国有必要建立中央信息库，真正实现全国公安联网，以及边检、海关、银行等一切需要核查其实身份的机关、团体、单位的联网。又如:2008年奥运会奥运村可以采用sr75确认其实有效身份，确保奥运会的安全得到有力的保证。同时对杜绝各种伪造证件、对拐卖妇女儿童身份的确认、对各种事故死难者身份的确认，都会是最简捷省力节约开支的方法。比dna检查既省力又节约费用。sr75扫描仪从指纹里提取特征，而后将这些特征用几百k字节长的比特串表示出来。这数字串常常以位图的形式存储并显示为模拟图像。由于手指压力和位置的不同即便对于同样的指纹，每次输入产生的比特串与形状都不会相同。比较器的工作主要依据阈值(threshold)的设定，以确定是否吻合。由同一指纹产生的数字串与由模板产生的数字串可能相同，也可能不同，存在不确定的因素，通过强制每一个样本指纹落入确定的数字容限内，就不再需要使用以前的1/2或3/4匹配方法进行比较，也不再需要模扳。
该扫描仪也括光学探测器、图像处理器、模式分析器及特征提取器，筛选软件和设备驱动程序、光学探测头内置了暗背景下的内部全反射装置，并使用光路校正来减小主心偏移。它采用了符合特定的调制传输函数和暗电流特性的阵列图像探测器(在特定的工作波长及温度范围内)。光学感应可以允许设备误差并可使对比度最大。图像处理器的功能包括数模转换和在增大信噪比时的失真校正。模式分析器和特征提取器鉴别出指纹中的固有特征，然后由筛选软件进行筛选和编码成一串数字，网络互连由驱动程序完成。该程序可以支持各类pc、windows、oracle及互联网。其重大技术突破为:
1.光学对比度提升技术是采用一种新的原理，在暗背景下指纹对比最大化，另外在处理干燥皮肤造成的问题，以良好质量的硬件图像采样是扫描仪进行筛选和编码的先决条件。
2.动态模式枚举技术可以将纹路结构相似的固有特征量化，指纹是由三维的峰谷结构至二维图像的映射。
3.群标量量化技术将相似的固有特征的空间位置关系编码并将编码信息予以传输。此过程为非线性处理，相信这是首创。
当然，确认身份采用该项指纹识别系统，首先应该在公安部建立信息库，在全国更换身份证时采集指纹，也可以包括血型。据悉，我国已将更换身份证放在议事日程里了。现在世界上许多国家，也括像香港地区很快将更新身份证，将指纹放到身份证上。为了方便可以将身份证号码作为指纹识别的数字串。身份证应是一张带有磁条或智能芯片，全息影像及条型码的双面pvc卡。主要数据资料应包括：姓名、性别、出生日期、身高、住址、血型、指纹、身份证号码、发证时间、有效期、发证机关。最好是中英文。这些主要信息包括指纹(左、存食指)以数字存入资料，也可以使用加密技术。
据了解指纹扫描仪有台式和便携式的，在机关可以使用台式的，出现场可以使用便携式的。我国也有几家企业生产指纹扫描仪，主要区别在于内部设计。就目前生产的扫描仪全世界都存在着图像分辨率不高，只有500象素/英寸左右，如果图像分辨率能在900-1000象素/英寸就可以更大地提高指纹识别率。
综上所述，仅笔者所了解的国际上最新研究成果，目的在于给从事指纹识别工作的、从事指纹识别系统研究的人士提供些信息。同时建议有关领导，有关部门应尽快研究我国选用国际上现有的指纹识别系统研究成果，以尽可能缩短我们的开发时间。节省经费，推进我国更换身份证的工作，使之达到国际领先水平。