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光學工程
光學應用之指紋識別系統

      指紋識別系統一直作為安全防范技術很重要的項目,全世界各國在指紋識別系統研究領域里投入了非常大的人力和財力,不同程度地取得了一些進展,例如:通過計算機技術的應用建立信息庫,縮短查詢和比對時間,以及研制開發出"指紋掃描儀"(圖像分辯率現僅為500象素/英寸)等等。但令人遺憾的是仍然沒有脫出"比對法"的框框。也就是說沒有脫離肉眼"比對"因素而造成的識別誤差。據有關報道,美國中央情報局在過去的幾年里為指紋識別系統的研究花費了十億美元,而且沒有明顯突破。
      為了更清楚地讓我們了解指紋識別系統,我們簡單地回憶一下各國研究指紋識別系統的歷史,很早以前指紋就被用于身份識別,直到19世紀指紋識別技術才有了科學依據。在上個世紀70年代計算機自動搜索被應用到了文件數據庫查詢,此后在生物測定領域里研究人員開始嘗試把指紋識別從法律學領域推廣到日常的身份識別。現有的指紋識別確定仍要依賴人的肉眼。這樣的過程不但計算量過大,信息的傳輸與儲存都會消耗大量資源,而且誤拒率也居高不下。所以有些研究人員又轉向如虹膜掃描等其他識別方法的研究。20世紀90年代為克服干燥皮膚對光學探測器的影響,以及為減小體積和降低成本,新的圖像探測器被開發出來,但指紋識別的基本模式——galton/henry分類法和向量空間信號表示法仍然沒變,此種方法將動態的圖像與靜態圖像模板比較,主要針對異常點和采樣點或用一組參數描述的曲線簇。一些難以判斷的現象還必須由人決定。簡言之,世界各國對指紋識別系統的研究主要集中在以下三點:
      1.提高識別的準確率;
      2.提高識別速度;
      3.中央信息庫(高信息量)的建立與聯網。
      據了解,北美一家研究中心進行指紋掃描識別領域的軟、硬件開發工作,并已經取得了突破。其中:sr75掃描儀是一種可以自動實時捕捉單個手指平面紋路信息的光學設備。該設備可以通過測量指紋的固有特征將獲得的指紋信息編成一個短數字串。當兩個指紋特征經處理后有同樣的數字串輸出時,剛該兩個指紋即可判定為“吻合”,為了防止因手指受傷而影響檢測結果,他們一般采集左、右食指兩個資料。指紋轉變數字串是該掃描儀的內置功能,轉換器技術是他們的專利技術。sr75是為監控登入系統下的pc主機而設計的,并且可以作為和internet交互的外圍設備。做匹配運算需進行指紋圖像的存儲與傳輸操作,sr75首次將這些冗繁的過程轉變為如同信用卡的確認過程一樣簡單,數秒鐘即可完成。這一研究成果突出解決了中央信息庫信息量的儲存課題,也解決了計算機聯網的課題。
      從上所述的基本原理,可以清楚地看到,sr75是完全區別于傳統的產品,通過識別輸入指紋固有不變的圖像因素,使其可以將其篩選出而量化成為一串固定數字,這一技術已在美國正式申請了專利。sr75處理器不進行兩指紋匹配計算,只計算指紋量化信息然后由此判斷指紋是否吻合。例如:掃描儀由某指紋產生數字串為“12345678",它實際上假定了相反的映射仍然成立,即如果任何指紋對應的數字是"12345678",則其必然為同一個人的指紋,因為指紋和數字是一對一的關系,而且每個人的指紋都是完全不同的,所以只會有惟一個人的指紋對應數字"12345678"。由于指紋圖像已變成數字儲存而大大節省了信息庫的存儲量,我們十幾億人口的大國有必要建立中央信息庫,真正實現全國公 安聯網,以及邊檢、海關、銀行等一切需要核查其實身份的機關、團體、單位的聯網。又如:2008年奧運會奧運村可以采用sr75確認其實有效身份,確保奧運會的安全得到有力的保證。同時對杜絕各種偽造證 件、對拐賣婦女兒童身份的確認、對各種事故死難者身份的確認,都會是最簡捷省力節約開支的方法。比dna檢查既省力又節約費用。

       sr75掃描儀從指紋里提取特征,而后將這些特征用幾百k字節長的比特串表示出來。這數字串常常以位圖的形式存儲并顯示為模擬圖像。由于手指壓力和位置的不同即便對于同樣的指紋,每次輸入產生的比特串與形狀都不會相同。比較器的工作主要依據閾值(threshold)的設定,以確定是否吻合。由同一指紋產生的數字串與由模板產生的數字串可能相同,也可能不同,存在不確定的因素,通過強制每一個樣本指紋落入確定的數字容限內,就不再需要使用以前的1/2或3/4匹配方法進行比較,也不再需要模扳。
       該掃描儀也括光學探測器、圖像處理器、模式分析器及特征提取器,篩選軟件和設備驅動程序、光學探測頭內置了暗背景下的內部全反射裝置,并使用光路校正來減小主心偏移。它采用了符合特定的調制傳輸函數和暗電流特性的陣列圖像探測器(在特定的工作波長及溫度范圍內)。光學感應可以允許設備誤差并可使對比度最大。圖像處理器的功能包括數模轉換和在增大信噪比時的失真校正。模式分析器和特征提取器鑒別出指紋中的固有特征,然后由篩選軟件進行篩選和編碼成一串數字,網絡互連由驅動程序完成。該程序可以支持各類pc、windows、oracle及互聯網。其重大技術突破為:
      1.光學對比度提升技術是采用一種新的原理,在暗背景下指紋對比最大化,另外在處理干燥皮膚造成的問題,以良好質量的硬件圖像采樣是掃描儀進行篩選和編碼的先決條件。
      2.動態模式枚舉技術可以將紋路結構相似的固有特征量化,指紋是由三維的峰谷結構至二維圖像的映射。
      3.群標量量化技術將相似的固有特征的空間位置關系編碼并將編碼信息予以傳輸。此過程為非線性處理,相信這是首創。
      當然,確認身份采用該項指紋識別系統,首先應該在公 安部建立信息庫,在全國更換身份證時采集指紋,也可以包括血型。據悉,我國已將更換身份證放在議事日程里了。現在世界上許多國家,也括像香港地區很快將更新身份證,將指紋放到身份證上。為了方便可以將身份證號碼作為指紋識別的數字串。身份證應是一張帶有磁條或智能芯片,全息影像及條型碼的雙面pvc卡。主要數據資料應包括:姓名、性別、出生日期、身高、住址、血型、指紋、身份證號碼、發證時間、有效期、發證機關。最好是中英文。這些主要信息包括指紋(左、存食指)以數字存入資料,也可以使用加密技術。
      據了解指紋掃描儀有臺式和便攜式的,在機關可以使用臺式的,出現場可以使用便攜式的。我國也有幾家企業生產指紋掃描儀,主要區別在于內部設計。就目前生產的掃描儀全世界都存在著圖像分辨率不高,只有500象素/英寸左右,如果圖像分辨率能在900-1000象素/英寸就可以更大地提高指紋識別率。
      綜上所述,僅筆者所了解的國際上最新研究成果,目的在于給從事指紋識別工作的、從事指紋識別系統研究的人士提供些信息。同時建議有關領導,有關部門應盡快研究我國選用國際上現有的指紋識別系統研究成果,以盡可能縮短我們的開發時間。節省經費,推進我國更換身份證的工作,使之達到國際領先水平。

 


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