社保卡制作中高质量指纹图像提取
1、系纺构成及技术难点
1、1系统构成
社保卡制作系统主要由信息采集点和服务中心大型数据库组成，具体包括确定居民身份的指纹采集、指纹比对、指纹图像压缩、指纹信息存储、指纹信息查询、指纹数据库统计等模块。信息采集点的主要职责是对社保卡申领人进行指纹、照片等信息的采集、输入，并将这些信息存储到采集点的数据库，便于以后传输到社保卡服务中心的大型数据库，亦可用于本地查询统计及了解采集工作进程。
显然，社保卡制作关键是指纹采集、指纹识别。前者指采用物理的、化学的、光学的、电子的方法获取能唯一、可靠地确定居民身份的指纹图像；后者才指通过相关设备读取居民指纹图像，然后利用计算机软件提取指纹特征数据，再通过匹配算法得到识别结果，以确定居民的身份。它主要涉及指纹图像处理、特征提取、数据存储、特征比对与匹配等。这里，特别重要的是所采集的指纹通过自动的、人工的方法进行指纹图像质量评测，选择质量最好的指纹图像作为注册指纹，这是社保卡系统建立的基础。
1、2技术难点
实际应用时，指纹身份认证可采用即时确认型、后台确认型两种。前者通过活体指纹采集仪现场采集对象的指纹数据，如特征、图像，可确保信息数据真实，可靠；后者是目前普遍采用的方式，适用于采集对象无法到现场或指纹本身质量不佳，无法采集合适的活体指纹情形。这样，就能有较充裕的时间在后台对采集的指纹信息进行比对确认，可操作性较好。但后台确认方式存在以下技术难点：
1）指纹质量 理想的指纹图像是一幅黑白相同的二值图像，由于指纹通常用按压等物理方式采集，如果油墨、纸张及按压压力不均、或按压位置、方向的差异、或手指状况、皮肤变形等，都会导致采集的指纹图像质量不理想，而且所采集的指纹通过扫描仪、摄像机进行数字化时，由于光线影响，也会引入各种噪声。这些因素都会导致采集的指纹图像质量难以保证，造成自动指纹识别系统AFIS判读困难。
2）比对算法 自动指纹识别系统AFIS无法判读的指纹，就要用人工判读方式进行身份确认。但老人的指纹，由于干、浅、裂等原因，往往无法提取到足够的特征点，用传统的指纹识别算法难以比对，必然造成大量指纹需人工判读。例如，传统的指纹比对算法自识别率约为80%，即每百万老人就有近20万人的指纹需人工判读确认，按1人/min算，20万人的指纹需人工判读3333小时，显然是一项十分繁重的工作。
2、高质量指纹图像提取
2、1概述
根据前面的介绍，高质量指纹图像的提取是社保系统实施居民身份认证的基础。由于指纹采集设备性能的差异，比如光学全反射技术对干手指成像差，对汗多的和稍脏的手指成像模糊；硅晶体电容传感技术对干手指成像好，但对汗多的、稍脏的手指不能成像等，这样必然影响采集的指纹图像质量。而且，受采集者指纹的疤、痕，手指弄脏、干燥等到也会导致采集的指纹原始图像有很多噪音，图像质量存在差异。
特别是指纹图像质量的判断，大多数直接移植数字图像质量的判断方法，没有充分考虑指纹特殊的纹理特征。与一般图像相比，指纹图像的特点是内容较单一，通常由交替出现的宽度大致相同的脊、谷组成。脊末梢与分支点等到关键特征的提取尤为重要，否则影响指纹分类、识别。因此，直接移植数字图像质量判断方法理论分析可行，但在增强处理及特征提取后才判别图像质量，且判别结果依赖于二者的算法效率。即使为提高识别率而采用一些技术手段对质量较差的指纹图像进行预处理，仍克不能满足自动指纹识别系统对指纹图像登记、辨识过程的实时、高效需求。1998年，美国CJIS（The Crimianl Justice Information Services）曾给出指纹图像采集技术细则，也仅仅定性地对指纹图像信噪比、灰度分布、几何扭曲等到特性作了要求，在实际应用中存在一定困难。
2、2图像搜索技术
图像搜索技术革新ImageSeek,通过改变指纹传达室感器芯片的电容阵列参数，能在1S内扫描多帧指纹图像，并自动选择图像质量最好的。最常见的硅电容传感器，在半体金属阵列上集成了大约1000000个电容传感器。当用户将手指放在传感器绝缘的外表面时，指纹皮肤组成了电容阵列的另一面，传感器电容值就随导体间距离而改变，这里的距离是指脊（近的）和谷（远的）相对于另一极之间的距离。这种方式不象光学传感器那样扫描指纹，而是通过测量传感器与手指接触/非接触所产生电流变化来检测有无指纹，并根据指纹峰、谷等纹理信息，实现高可靠性硅传感器芯片的图像搜索，无论粗糙的、还是干革命的、潮湿的手指。因此该技术能适应各种复杂的指纹、能在各种环境下高质量获得从干手指到湿手指的指纹图像，并可从采自同一手指的多帧指纹图像中自动迁择质量最佳的，从而大大减低指纹识别系统的误识率FAR，拒识率FRR。
美国Veridicom公司核心技术便是高可靠性硅传感器芯片设计。运用Veridicom特有的图像搜索技术及与之相配合的软件，用户只需轻轻一按，即可获得高质量指纹图像。作为这一技术具体应用，该公司堆出新颖的、性能优异的自动指纹图像质量提取传感器FPS200。它由256列×300行电容传感阵列组成，分辨率高达500dpi，可广泛应用于指纹认证、门禁控制、网络登录、IC卡安全、PKI安全增强、移动设备安全保护等。
FPS200内含用于采集指纹图像的采样保持电路，通过检测各传感单元电容值。每交捕捉每行图像后，该行各传感单元内就相应存放待数字化的电容值，这样，通过改变放电电流大小和放电时间即可改变FPS200的灵敏度，芯片控制十分方便。其内含的指纹自动检测电路AFD可自动切换待机、工作功耗。无指纹时主机处于待机模式，静态电流仅20μA；只有检测到指纹时才唤醒主机，此时工作电流35mA，这样能有效降低系统功耗，很好地满足便携式产品设计要求。此外，FPS200封装尺寸仅24×24×1.4其小尺寸、低成本、低功耗、高性能特性非常适合便携式产品设计要求。
2、3高质量指纹提取
FPS200能直接提供3种接口电路：串行总线接口USB，内置的高速USB支持13帧/S的指纹图像采集传输；微处理器总线MCU。通过增加自动递增列和地址寄存器值处理器图像传输速度高达30帧/S，满足连续指纹的图像采集、比对要求；串行外设接口SPI，内置的SPI接口能大大减少系统对硬件的依赖，只需6条线就可连接到带SPI接口的微处理器，图像传输速度为10帧/S。显然，基于FPS200开发的高质量指纹图像采集设备，既能有效减低系统成本，又便于集成到各种设备，其内置的单元电路大大减少芯片对系统软件的依赖。为满足连续指纹的图像采集、比对要求，本方案采用微处理器总线MCU方式。
高质量指纹图像提取系统主要由指纹传感器FPS200、微处理器MPU、指纹图像存储单元、接口单元等到组成。MPU选用美国Atmel公司电可擦写的AT89C55。该系列MPU采用静态时钟点方式，节省电能，对降低便携式产品的功耗十分有利。芯片内含的Flash存储器，在系统开发过程中很容易进行程序修改，大大缩短产品开发周期。实践表明，采用新颖的、性能优异的指纹图像传感器FPS200构成的系统，能显著提高采集的指纹图像质量，大大减低自动指纹识别系统AFIS的误识率FAR、拒识率FRR。
在身份认证领域，生物化、数字化、网络化技术的采用已成必然趋势，其发展深度、广度都很迅猛，广泛应用于认证要求高、具有一定价值的场所。可以相信，随着新技术的发展、新器件的诞生，将不断推出功能更完备、性能更优异的产品，满足人们日益提高的要求。
————摘自《仪表技术与传感器》2002年第12期 作者：张亮