近日，記者從浙江工業(yè)大學(xué)獲悉，該校計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院梁榮華教授團(tuán)隊(duì)與公安部第一研究所合作，研發(fā)出了新一代手指內(nèi)部多模態(tài)生物特征采集技術(shù)和相應(yīng)儀器設(shè)備，可獲得手指皮膚表面下1至3毫米深度的信息，采集到包含內(nèi)部指紋的高分辨率三維皮下結(jié)構(gòu)信息，既為指紋識(shí)別安全增加防御屏障，也解決了指紋信息采集效果不佳等痛點(diǎn)。相關(guān)研究成果刊登于《IET圖像處理》。

采集三維信息 填補(bǔ)傳統(tǒng)技術(shù)漏洞

將手指放在指紋識(shí)別處，與之相連的顯示屏隨即投映出集內(nèi)外指紋及汗腺汗孔在內(nèi)的立體掃描影像——位于浙江工業(yè)大學(xué)智能感知與系統(tǒng)教育部工程研究中心實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，記者看到了團(tuán)隊(duì)研制的新型手部生物特征采集設(shè)備樣機(jī)。

指尖皮膚主要由表皮層和真皮層組成。表皮層的頂部是角質(zhì)層，其輪廓提供了外部指紋的詳細(xì)表示，而在角質(zhì)層和活性表皮層之間存在著活表皮連接區(qū)域，該區(qū)域的波動(dòng)可代表人體的指尖內(nèi)部指紋。

“指尖內(nèi)部指紋是外部指紋紋線的來(lái)源，不容易被破壞，可作為外部指紋的補(bǔ)充。”團(tuán)隊(duì)成員、浙江工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院王海霞副教授介紹。

“現(xiàn)有指紋采集/識(shí)別技術(shù)通過(guò)光線反射、電容傳感和射頻等方式來(lái)獲取手指表面紋路，對(duì)紋路進(jìn)行圖形化處理，根據(jù)紋路特征信息進(jìn)行對(duì)比，實(shí)現(xiàn)身份認(rèn)證?！蓖鹾Ｏ冀榻B，但是傳統(tǒng)方式采集的指紋只有外部信息，很容易受到諸如灰塵、汗水、疤痕、傷口等環(huán)境的影響，加之隨著人的年齡增長(zhǎng)皮膚褶皺增多，導(dǎo)致指紋質(zhì)量及識(shí)別精度較差。

公安部統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)有5%的人口其表皮指紋無(wú)法識(shí)別。與此同時(shí)，指紋識(shí)別技術(shù)還面臨偽造攻擊的干擾，假指紋膜制造成本低廉，工藝簡(jiǎn)單，使得指紋識(shí)別的安全性大大降低。

2019年8月，央視《每周質(zhì)量報(bào)告》對(duì)指紋智能鎖進(jìn)行檢測(cè)，28個(gè)品牌的32款智能鎖可用假指紋膜解鎖。此外，國(guó)外已有科研人員利用電子產(chǎn)品指紋識(shí)別系統(tǒng)的漏洞，借助智能算法嘗試研究“萬(wàn)能指紋”。

“當(dāng)今社會(huì)信息化技術(shù)快速發(fā)展，信息安全與人身安全已經(jīng)成為國(guó)家日益關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題?！蓖鹾Ｏ急硎荆瑔我簧眢w特征或行為特征有時(shí)不足以證明個(gè)人身份，團(tuán)隊(duì)通過(guò)采集包含內(nèi)部指紋的高分辨率三維皮下結(jié)構(gòu)信息，運(yùn)用人工智能技術(shù)對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，成功獲取皮下指紋、皮下汗腺和汗孔等生物識(shí)別特征。

王海霞介紹道，這些手指皮下生物特征的優(yōu)勢(shì)在于復(fù)雜的皮膚內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)特征使得其偽造難度極大，人工偽造的指紋膜只具有表面指紋紋路，并不具有皮下指紋信息、汗腺等信息，可對(duì)傳統(tǒng)指紋識(shí)別技術(shù)存在的缺陷進(jìn)行填補(bǔ)。

攻克四項(xiàng)難點(diǎn) 研發(fā)智慧安防利器

“超聲波在組織中的衰減較強(qiáng)，還會(huì)受噪聲影響，對(duì)皮下指紋的探測(cè)深度有限且成像分辨率不高?！蓖鹾Ｏ冀榻B，由于皮下組織結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，光波在其內(nèi)部經(jīng)過(guò)多次散射，會(huì)使得成像中出現(xiàn)散斑。

記者了解到，研究初期，團(tuán)隊(duì)總結(jié)了大面積皮下生物特征信息成像、強(qiáng)散斑干擾下低質(zhì)量信息增強(qiáng)、自適應(yīng)角質(zhì)層深度差異化提取、跨平臺(tái)下多模態(tài)特征信息采集這四項(xiàng)技術(shù)難點(diǎn)。

通過(guò)將棱鏡、濾光片、熒光光源、工業(yè)相機(jī)、光纖耦合器等器件精心設(shè)計(jì)組裝，團(tuán)隊(duì)在全球范圍內(nèi)首次提出了一種分別利用全內(nèi)反射(TIR)和光學(xué)相干斷層掃描(OCT)同步采集外部指紋和內(nèi)部指紋的指紋采集系統(tǒng)，結(jié)合了兩個(gè)完全不同的光路系統(tǒng)，并使用自制的梯形棱鏡將其融合。

值得一提的是，該系統(tǒng)采用小光斑光纖準(zhǔn)直器和長(zhǎng)焦透鏡保證光學(xué)相干層析成像有足夠的面積，采用自制的梯形棱鏡組合TIR和OCT光路，實(shí)現(xiàn)相同的測(cè)量面積和同步采集。

“每個(gè)人的皮膚角質(zhì)層厚度不完全一致，團(tuán)隊(duì)為此開(kāi)發(fā)出深度自適應(yīng)多卷積融合技術(shù)，運(yùn)用智能算法可根據(jù)不同人體組織深度，正確獲取皮下特征。”王海霞解釋道。

團(tuán)隊(duì)成員、浙江工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2020級(jí)博士生于洋先后用特制假手指和指紋膜對(duì)樣機(jī)進(jìn)行測(cè)試欺騙攻擊。記者透過(guò)顯示器看到，由于沒(méi)有內(nèi)部指紋和皮下三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，假手指所得成像僅淺淺一層，即有效信息僅來(lái)自其表面的人造指紋。

“在指紋膜極薄的情況下，儀器甚至可以透過(guò)它提取到我本人的真實(shí)指紋信息，而指紋膜的指紋紋路信息與我真實(shí)手指的指紋信息是不一致的?！庇谘蠼忉尩溃喈?dāng)于內(nèi)外指紋等皮下結(jié)構(gòu)信息，都是指紋解鎖密碼的組成部分，要準(zhǔn)確識(shí)別必須用整套密碼。

“此前，團(tuán)隊(duì)已建有包含百余人的指紋數(shù)據(jù)庫(kù)，準(zhǔn)備再將數(shù)據(jù)容量擴(kuò)大至千人。”王海霞表示，下一步，團(tuán)隊(duì)將聯(lián)合企業(yè)對(duì)設(shè)備性能進(jìn)行持續(xù)驗(yàn)證，同時(shí)降低制造成本，助力我國(guó)智慧安防建設(shè)。