证件指纹信息采集系统关键技术研究

张鹏 孙曦 崔鹏飞 公安部第一研究所

一、引言

根据2011年10月29日修订的《中华人民共和国居民身份证法》的规定，公民在申领居民身份证时应当采集并登记指纹信息。居民身份证申领受理以人口信息管理系统为依托，考虑到人口信息管理系统大规模升级的复杂性，短期内难以实现，因此，提出了开发居民身份证指纹信息采集前端系统[1,2]的方案，作为确保2013年1月1日起实施法律的应急措施。

二、指纹信息采集前端系统分析

作为人口信息管理系统正式改造前的应急措施，系统集合了指纹信息采集功能和人口信息管理系统的部分功能，导致系统开发的复杂度和难度大大增加，具体表现在以下几个方面：

（一）系统遵循的标准多

指纹信息采集系统既要遵循指纹采集的设备、算法和操作技术要求等相关方案和标准的规定[3-6]，也应符合人口信息管理系统相关技术方案和标准的要求[2,6,7]，系统需遵循的标准有20多个。此外，最大的困扰是这些标准在系统开发时仍在制定过程中，具体要求多有变化，导致系统的需求分析迟迟不能定稿。

（二）系统功能要求多

该系统与人口信息管理系统相比，除在业务功能上不同外，在系统管理、用户管理、日志管理、字典维护管理、设备管理、信息备案、查询统计等方面别无二致[7]。图1显示了系统的拓扑结构：

（三）系统接口多

在接口方面，系统需具备与管理员、与操作员、系统与居民身份证申领人等人机接口以及与人口信息管理系统、与指纹采集器、与指纹算法和与省级指纹信息管理系统/人口信息管理系统等的系统、软件或设备接口。

图2显示了系统的主要接口：

（四）指纹采集质量要求高

为确保居民身份证指纹信息的应用，在申领登记时，必须确保登记质量，防止应用中出现较高比例的指纹比对不成功，影响证件指纹信息的应用。因此，在系统设计中，必须充分考虑指纹信息的采集质量控制，体现指纹采集操作规程的要求[5]。

（五）指纹采集流程复杂

根据标准规定，指纹采集有六种结果，且指位选择顺序复杂[4]，需考虑两只手的切换、十个手指切换顺序，这些切换顺序需根据三种注册结果确定，流程相当复杂。图3显示了总体流程：

三、系统关键技术设计与实现

（一）系统整体设计

考虑到指纹信息采集前端系统的应用用户广泛，即包括各级管理人员，也包括基层派出所身份证申领受理的基层民警，因此，系统整体选择B/S架构开发，便于部署和后期维护，系统和数据管理、维护完全基于浏览器，而指纹采集以及指纹采集器与算法的调用以ActiveX控件的形式加载到浏览器。考虑到系统涉及的众多接口及其遵循的标准在设计开发阶段尚在制定中带来的不确定性，系统采用基于J2EE架构的模块化设计，分为数据访问层、业务逻辑层、功能表现层三层架构，并按照功能进行模块化划分，实现各层之间和业务功能模块之间相对对立，便于系统开发过程中的修改与优化。系统体系结构如图4所示。

1．数据访问层

该层主要实现数据库访问并将数据库中对应的表映射为实体类提供给业务逻辑层调用。系统针对居民身份证指纹采集的特点设计了指位、指纹采集质量、指纹采集结果等实体类。在处理多个数据库连接时采用Session Factory，创建多个Dao，并连接不通的Session Factory。查询结果反馈给对应的实体类的List，返回给调用者。可以通过对List的起始行数与页面展示的单页最大行数控制，动态分配查询结果。

2．业务逻辑层

该层主要处理系统对应的业务，通过调用数据访问层得到的查询结果，并为功能表现层所调用。完成处理指纹采集过程中的业务逻辑。其中包括：调用指纹信息管理系统的许可证验证以及数据接收等服务接口。对离线采集所得到的指纹信息进行有效性、数据归属、数据格式数据质量等的判定。对在线指纹采集流程的控制。对设备的管理，操作员的管理，对数据的查询与统计。

3．功能展现层

表示层主要处理客户端的展示，是人机交互的窗口。为了增强用户体验，表示层采用富客户端设计，页面使用XHTML编写，结合多种展示方式来丰富展现内容。在页面里增加了3D图表，可以将业务数据通过统计图表的方式直观的展示给用户。报表使用滚动表格，该表格可以锁定部分列不随滚动条滚动，更方便查看数据项多的报表数据。使用Ajax技术的局部刷新功能结合以上3种数据展现方式，使用户操作系统如同操作C/S系统一样方便。

（二）指纹采集图像质量检测

1．影响指纹采集质量的因素分析

除图像清晰无重影等一般要求外，居民身份证指纹采集有以下四个质量要求：

（1）指纹图像中心点应与指纹的中心花纹保持一致；

（2）确保实际指位与记录指位一致；

（3）每个手指取三幅图像且每次取图应抬起重新按捺，不可同一按捺姿势多次取图；

（4）图像质量分值符合预设值的要求。

目前，指纹算法能够根据特征提取情况给出质量分，但对于指纹中心花纹识别尚不完全可靠，也不能自动识别指位。因此，在指纹采集操作过程中，系统设计时一方面应充分应用算法的技术性能，用于系统的自动识别，从而提高指纹采集效率，另一方面，必须考虑必要的质量控制措施，以确保指纹采集图像质量，在确保质量的基础上提高采集效率。

2．指纹图像质量检测方法及其在系统中的实现

针对指纹采集的四个专门要求，系统设计了以下三种指纹图像质量检测方法：

（1）动态实时预览功能。通过指纹采集图像动态实时预览，操作员可以及时发现申领人不正确的按捺方式予以纠正，也可以对算法不能识别的图像质量瑕疵进行人工识别并加以干预。配合使用双屏显示，申领人也可以方便的实时查看指纹采集效果，从而自动调整按捺姿势，以获取最佳图像。与仅依赖算法判断质量相比，算法能够从已获取指纹图像中选取最佳图像且不能排除按捺姿势不符合要求的图像，而动态预览功能则能够指引操作员和申领人调整按捺姿势以获取最理想指纹图像，并且排除安排姿势不符合要求的图像。

（2）十字星与口字框辅助定位功能。在动态预览窗口，设计了位于预览窗口中心的十字星定位标和口字框，如图5所示，十字星的交叉点位于动态预览窗口的中心，理想的指纹图像是中心花纹对准十字星的交叉点，这为获取最佳指纹图像提供了指引。口字框则表示了指纹采集图像所允许的最大偏差，一旦指纹的中心花纹偏离的这个框，则表示指纹图像不符合要求。

（3）手指抬起自动检测功能。按照指纹采集要求，每获取一幅图像应抬起重新按捺，不允许保持同一按捺姿势获取三幅图像。因此，在采集过程中，确保每次获取图像都重新按捺。指纹算法能够对指纹图像进行评价并给出质量分，当图像中完全没有指纹时，图像质量分为0，因此可以在采集中对连续获取的图像进行质量评判，当一幅指纹图像采集完成后，图像质量分如归零则证明手指已完全抬起，此后，可允许进行下一幅图像的获取。然而，实践中，由于连续指纹采集后，指纹采集图像窗口不能完全避免出现残留指纹现象，这时通过指纹采集器获取的图像中将有一定的指纹，试验中发现，对于残留的指纹图像，算法并不能完全识别，仍然能够给出一定的质量分，完全依赖指纹图像质量分归零是不可取的。因此，通过算法判断手指是否抬起应考虑以下三个因素：

A．按捺图像（Fingerpint Picture）质量分的最低值，记为fw（FP）。

B．残留图像（Residual Picture）质量分的最高值，记为fb（RP）。

C．指纹采集器初始化时窗口的洁净度，可以转化为初始化时未按指纹前图像（Initialingzing Picture）的质量分，记为f(IP)。

可以认为，如果存在fw（FP）>fb（RP），则能够实现应用质量分判断手指是否抬起。经对90000幅图像计算质量分的结果进行分析，除有指定含义的1～10分外，无指纹的图像符合预期要求，且10～19分的指纹图像数量为0，无指纹图像质量值为0，如图6所示：

因此，如果能够将残留指纹图像质量分控制在10～19分，则能够运用图像质量分判断手指是否抬起。考虑到90000张的样本量，这个数据置信度是比较高的，为了进一步防止误判，将残留图像质量检测值设定为10～16，同时，采取每开始对一申领人进行指纹采集，首先检验初始化窗口的洁净度的方式，确保f(IP)=0，然后，每获取一幅指纹图像后，持续获取图像判断其质量值是否为10～16分，流程如图7所示：

四、小结

居民身份证指纹信息采集前端系统定位决定了相对于人口信息管理系统具有麻雀虽小、五脏俱全的特点，既包括指纹信息的采集功能又包含了丰富的管理及统计分析功能。系统设计开发中遵循的标准、接口的不断修改变化是系统设计开发中最大的困扰，分层和模块化的设计较好地应对了这个问题；系统设计中最复杂的是指纹采集流程设计，两只手、十个手指、三种注册结果、六种采集结果构成了极为复杂的组合，每一种组合都必须体现在系统中且能够自动切换；指纹采集的质量和效率则是最难以平衡的，然而没有质量的效率是不但无效而且有害的，因此，系统设计中强化了指纹采集质量的控制，采用系统自动判断、人工预览干预、辅助定位等多种措施，确保指纹采集质量，此外，本系统中给出了自动和手动两种模式，可谓集成了“傻瓜相机”和“单反相机”两种模式，可以根据操作员水平、指纹申领人的配合程度灵活选择。

目前系统已应用于全国居民身份证指纹信息采集技术培训和河南省指纹信息采集试点工作，正在河南全省逐步推开应用。在这些应用及示范中，出色的完成了指纹信息采集工作，系统的可靠性、易用性和灵活性得到了验证。由于指纹采集的对象覆盖所有领证人口，前期的分析与设计中收集到所有的需求是不现实的，即使已经收集到的需求，受系统整体的制约，在系统设计中也难免有所取舍，因此，下步系统设计开发中的重点是根据实际采集情况进一步全面收集系统需求，平衡系统采集质量、适用性和效率。

[1]居民身份证登记指纹信息总体技术方案．公安部居民身份证登记指纹信息领导小组办公室, 2011(12).

[2]人口信息管理系统居民身份证指纹信息管理总体框架.公安部居民身份证登记指纹信息领导小组办公室, 2012(11).

[3]居民身份证指纹采集比对技术方案．公安部居民身份证登记指纹信息领导小组办公室, 2012(1).

[4]GA/T 1011-2012 居民身份证指纹采集器通用技术要求.

[5]GA 1012-2012 居民身份证指纹采集和比对技术规范.

[6]GA/T1046-2013居民身份证指纹采集基本规程.

[7]人口信息管理系统指纹信息采集管理相关技术标准汇编．公安部居民身份证登记指纹信息领导小组办公室, 2012(10).