3D指纹的获取与重建技术

◆王 恒 刘得源 张荣飞 颜 斌

（山东科技大学 电子通信与物理学院 山东 266590）

3D指纹的获取与重建技术

◆王 恒 刘得源 张荣飞 颜 斌

（山东科技大学 电子通信与物理学院 山东 266590）

本文针对二维指纹在获取和识别过程中存在的问题，阐述了三维无接触式指纹的获取方案；讨论了三维指纹获取中存在的脊谷线对比度较低等问题；在此基础上讨论了三维指纹的重建技术，并展望了三维指纹的未来应用。

指纹识别；无接触式指纹获取；三维指纹获取；三维指纹重建

0 引言

随着现代信息安全的发展，指纹技术已经广泛应用于司法鉴定和日常生活等多个领域。与其他生物识别技术相比较，基于指纹的识别技术具有较强的安全性和可靠性。针对传统接触式指纹获取存在的问题，本文对3D指纹做了基本的介绍，并简要介绍了无接触3D指纹获取以及3D指纹重建。

应用指纹来识别个人身份已长达几个世纪之久。指纹具有两大特征，即每个人的指纹形状不变以及每个人的指纹形状都不相同。指纹的这两大特征是指纹学研究发展的基础，也是指纹证据能有法律效力的有力证据。数字指纹识别技术是在20世纪60年代开始研究的，目的是用计算机代替人工识别指纹的纹型和细节特征，以加快指纹识别的速度，并降低人工判断的错误率，自动指纹识别系统也在研究中不断成熟。

传统的2D指纹已经大量地运用于指纹识别系统中。但是，在整个识别过程中，由于受到指纹图像获取以及指纹图像变形的影响，识别率大大降低。3D指纹从一定程度上可以改善上述问题。因此，3D指纹获取和重建技术具有重要的研究价值。

1 3D指纹的优势

在同一时刻，从多个角度，采用多个摄像头获取指纹表面信息所得到的指纹图像称为3D指纹。传统的指纹获取都是使用接触式的指纹获取设备，而使用该种设备获取的指纹图像质量较差，除了由于传感器维护带来的影响以外，还有以下原因：①用户手指按压力的不均匀性和不可控性，导致指纹纹线粘连或者断裂。②用户受伤或从事重体力工作导致的手指脊线结构改变。③以往采集指纹信息留下的痕迹会影响图像质量。④光照、环境以及手指表皮状况不佳导致指纹纹路变形。⑤只能获取单一角度的指纹纹线信息，导致指纹周边信息缺失。

以上出现的导致指纹图像质量差的因素都是由手指接触传感器或者从3D到2D的映射过程中的非线性失真导致。为了克服以上缺点，我们采用无接触指纹获取技术，该技术是在指纹采集过程中不直接接触指纹表面，而是通过间接的传感器技术采集指纹。

相对于接触式指纹采集技术，无接触式采集技术的另一重要的特点是能够被广大用户所接受。事实上，由于文化因素差异以及人们对于传染性皮肤疾病的恐惧，极大地限制了人们对接触性指纹采集技术的接受性。此外，无接触式指纹采集技术还大大减少了采集用户指纹信息所需要的时间以及训练所需花费的精力。

2 无接触3D指纹获取

与传统的接触式指纹采集方式相对比，无接触指纹采集的优点是显而易见的。获取3D指纹的方法包括：多角度指纹获取方法、结构光照法、和光度立体视觉方法。不同的方法都各有特点，基于无接触的、多角度指纹获取方法，其需要的硬件设备成本较低，并且能够在较短时间内获取3D指纹信息。

无接触式多角度获取方法就是利用无接触指纹采集设备，在多个角度同一时刻获取指纹表面信息的方法，该方法利用光源在指纹表面的漫反射形成的指纹脊线和谷线的阴影来采集指纹图像。

通常情况下，采用三个摄像头采集指纹的3D图像，如图1所示，相邻两个摄像机在同一平面内的夹角为45度，保证采集到的图像可以完全覆盖整个指纹表面，摄像机位置确定后，通过三角测量算法就可以计算出摄像机位置的三维坐标，通过多角度获取的指纹图像的脊线纹理结构可以估测出3D指纹形状模型，以便于重建手指模型。光照方面可采用蓝色LED光源或者绿色LED光源。