中小尺寸指纹测试库建库方法探讨

■ 文/公安部检测中心 王梦楠 张翔 郑征 刘军 陈灿灿

关键字：大指纹库 小指纹库 建库方法

1 引言

近年来，智能锁等智能安防家居设备的大规模应用，促使指纹识别作为一种成本最低、使用最方便的安防识别方式走进千家万户。在大尺寸指纹识别的成本、识别准确率逐渐走入瓶颈的情况下，更加节约、能够使成品变得更加小巧美观的中小尺寸指纹智能锁逐渐占领了智能锁市场的半壁江山。使用中小尺寸指纹识别模块的智能锁，注册方式和算法与大尺寸指纹识别模块有很大差异，主要体现如下：

（1）大尺寸指纹识别模块一次采集即可采集所有特征点；中小尺寸指纹识别模块一次采集只能采集少量特征点。

（2）大尺寸指纹识别模块采用单次注册，注册图像形成模板保存；中小尺寸指纹识别模块采用多次注册（一般为4-6次），注册图像形成一张模板保存。

（3）大尺寸指纹识别模块比对即为比对；中小尺寸指纹识别模块比对时，将当前比对的指纹作为注册图像，替换第一张注册图像，保存成新的注册模板。

在这种情况下，检测机构需要新建小指纹库以满足中小尺寸指纹识别模块识别性能测试的需要。为了保证中小尺寸指纹识别模块测试的公平性，适应不同采集窗大小的指纹识别模块，目前采用的方法是将大指纹库进行裁剪，形成不同大小的指纹图像，成为小指纹库。

2 大指纹库与小指纹库的相同点

小指纹库由大指纹库裁切而成，即其图像格式、人数规模、性别、年龄、产业分布，与居民身份证指纹测试库的条件等同。为在保证测试公平性的基础上，体现受测指纹模块的图像特性，与大指纹库类似，使用受测指纹模块采集占该裁剪图库5%的现场指纹图像，混合作为小指纹库。

3 小指纹库的效果验证

使用大指纹库（即指纹图像个数大于1800枚），按照大尺寸指纹算法性能测试的方法，对大尺寸指纹识别模块进行测试，列出同指指纹比对的比分。

使用上述小指纹库（即使用大指纹库裁剪并混合现场指纹图像），按照中小尺寸指纹算法性能测试的注册、比对方法，对中小指纹识别模块进行测试，列出同指指纹比对的比分，对比分进行分析。

为了消除不同算法对测试结果的影响，分别使用不同算法的大、中尺寸小指纹识别模块各3个进行试验。

设置一定的误识率（误识率设置应符合实际应用规律，如误识率为0.001%），获得不同算法各自的阈值，当比分大于阈值时，视为比对成功；比分小于阈值时，视为比对失败。按照试验结果，可将比分按照以下类别划分：

（1）对某同指指纹的所有比对，大尺寸指纹识别模块、中小尺寸指纹识别模块比对成功的概率皆大于70%。

如表1所示，编号1～3为同一手指的不同指纹图像（对于中小尺寸指纹识别模块，该图像为相同编号的大尺寸指纹图像裁切而成的中小尺寸指纹图像），编号4～6为同一手指的不同指纹图像，两组指纹图像使用大、中小尺寸指纹识别模块比对成功的概率分别大于70%。

此时可知，当大尺寸指纹识别模块、中小尺寸指纹识别模块比对成功的概率皆大于70%时，指纹图像的裁切对中小尺寸指纹算法识别性能没有影响。

（2）对某同指指纹的所有比对，大尺寸指纹识别模块、中小尺寸指纹识别模块比对成功的概率皆小于70%。

指纹测试库建库，应尽量符合实际应用情况。低比对成功率的指纹图像，能够模拟实际应用时按捺图像不理想的情况。如表2所示，大尺寸指纹识别模块、中小尺寸指纹识别模块对同一对同指指纹比对的比分皆小于70%，说明该居民身份证指纹测试库指纹对大尺寸指纹识别模块、中小尺寸指纹识别模块产生相同的影响。查看相关的原始指纹图像，可知上述影响一般由指纹图像无效区域过大、图像模糊、图像过重（轻）等原因造成。

表2 比分列表（类别2）

（3）对某同指指纹的所有比对，大尺寸指纹识别模块比对成功的概率大于70%，中小尺寸指纹识别模块比对成功的概率小于70%。

表3 比分列表（类别3）

如表3所示，在此种类型中，对于相同的原始图像，中小尺寸指纹识别模块的比对结果与大尺寸指纹识别模块差距明显。

查看此种类型的原始指纹图像，可知造成类别3现象的原因，实际上与类别2的原因一致。但对于中小尺寸指纹识别模块，由于采集窗大小的限制，在一次采集中能够获取到的特征点数量比大尺寸指纹识别模块少，因此原始指纹图像存在的缺点被放大，中小尺寸指纹识别模块能够从指纹图像中获取的信息量大幅衰减，比对成功率降低。

4 小指纹库的改进

对造成中小尺寸指纹图像识别不成功的原因进一步分析，可将上述原因分为2大类。

4.1 相同效果原因

相同效果原因，指人员在按捺时不刻意对指纹图像的效果进行纠正，在大、中小尺寸指纹识别模块会产生相同按捺效果图像的原因，也即当使用居民身份证指纹测试库替代指纹按捺时，居民身份证指纹测试库和指纹按捺能够产生相同效果的原因。相同效果原因包括图像模糊、图像过重（轻）等。对于此种原因造成的中小尺寸指纹识别算法性能的衰减，因与人员按捺效果无关，可保留相关原始指纹图像为小指纹库图像。

4.2 不同效果原因

图1 指纹实际中心在不同采集窗中的倾向性落点

不同效果原因，指人员在按捺时不刻意对指纹图像的效果进行纠正，在大、中小尺寸指纹识别模块会产生不同按捺效果图像的原因，也即当使用居民身份证指纹测试库替代指纹按捺时，居民身份证指纹测试库和指纹按捺不能产生相同效果的原因。可以看出，最常见的不同效果原因为指纹偏按造成的指纹图像无效区域过大。无论指纹是否真的偏向，指纹按捺人员的初衷都是正常按捺指纹，但在采集窗面积存在差异时，指纹图像正中的落点落在各个区域的概率是不同的。如图1所示，因为采集窗大小的限制，在采集窗为160*160时，指纹实际中心的位置倾向于在采集窗靠下、甚至超出采集窗的位置集中；而在256*360的采集窗中，指纹实际中心倾向于在采集窗正中的较大区域徘徊。当对256*360的居民身份证指纹测试库图像进行裁切后，图像间重复覆盖的区域变小，因而影响了同指指纹比对的成功率。而对于大尺寸指纹，因为特征点多，能够满足比对要求，因此比对成功率仍然不受影响。对于不同效果原因导致的中小尺寸指纹识别算法性能的衰减，因根据实际情况，调整相关原始指纹图像，确保裁切后的指纹图像满足中小尺寸指纹识别模块算法性能测试的需求。

5 结语

本文介绍了大尺寸指纹识别模块、中小尺寸指纹识别模块在指纹识别性能方面的差异，以及两种指纹识别模块在建库方法上的异同。对于不同原因造成的不同大小的指纹识别模块的误识率差异，进行了逐类分析。在小指纹库建立的过程中，应对图像模糊、图像过重（轻）等原因导致的比对成功率衰减维持原状，而对指纹偏按、指纹实际中心偏移导致的无效区域过大进行相应调整，使得中小尺寸指纹识别模块算法性能测试能够充分反映受测指纹模块在实际应用中的真实情况。