指紋采集器檢測方法研究

何蘭 任福云 孟凡輝 侯鴻川 林暉 公安部第一研究所

一、概述

2011年10月29日，第十一屆全國人大常委會第二十三次會議通過了《全國人民代表大會常務(wù)委員會關(guān)于修改〈中華人民共和國居民身份證法〉的決定》，新修訂的《中華人民共和國居民身份證法》規(guī)定，公民申請領(lǐng)取、換領(lǐng)、補(bǔ)領(lǐng)居民身份證時(shí)，應(yīng)當(dāng)?shù)怯浿讣y信息。居民身份證登記指紋信息從客觀上解決“人證同一性認(rèn)定”的問題，進(jìn)一步提高居民身份證的防偽性能。制定居民指紋采集器通用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)用以規(guī)范居民身份證指紋采集、比對及應(yīng)用，保障居民身份證登記指紋信息工作順利實(shí)施，推進(jìn)登記指紋信息居民身份證社會應(yīng)用，具有十分重要的意義。

隨著指紋識別技術(shù)和市場的發(fā)展，越來越多的指紋采集識別產(chǎn)品得到應(yīng)用，社會上現(xiàn)有指紋采集設(shè)備有多種：依據(jù)傳感器工作原理的不同，可分為光學(xué)式和半導(dǎo)體式；依據(jù)采集方式的不同，可分為按壓式、刮擦式和滾動式；依據(jù)構(gòu)成方式的不同，可分為獨(dú)立式和嵌入式。指紋采集設(shè)備類型和性能的好壞，對居民身份證指紋信息采集效果和未來指紋識別應(yīng)用至關(guān)重要。目前業(yè)內(nèi)指紋采集設(shè)備的許多重要參數(shù)指標(biāo)尚無統(tǒng)一衡量標(biāo)準(zhǔn)，產(chǎn)品評判體系也不一致，這對居民身份證增加指紋信息工作和未來指紋識別技術(shù)應(yīng)用十分不利。一直以來，業(yè)內(nèi)通常只做光學(xué)設(shè)備的分辨率測試，半導(dǎo)體指紋采集設(shè)備因其分辨率沒有可操作性的測試方法而沒有實(shí)施相關(guān)的測試，因此如何解決半導(dǎo)體分辨率測試成為我們面臨的課題。本文從指紋采集器標(biāo)準(zhǔn)測試卡的制定、性能檢測和可靠性檢測等方面，分析指紋采集器檢測指標(biāo)設(shè)立的可行性，并對指紋采集器相應(yīng)技術(shù)指標(biāo)的檢測方法進(jìn)行了探討。

二、指紋采集器檢測方法探究

（一）標(biāo)準(zhǔn)測試卡的研制

指紋采集設(shè)備按其工作原理通常分為光學(xué)式和半導(dǎo)體式兩種，光學(xué)式采集器可根據(jù)全反射或散射的成像原理，對應(yīng)不同波長的光源，設(shè)計(jì)出相應(yīng)的采集測試卡，通常情況下，可對圖像的分辨率、圖像畸變、圖像灰度動態(tài)范圍等指標(biāo)進(jìn)行檢測。半導(dǎo)體式指紋采集器中的核心元件為一塊集成有成千上萬半導(dǎo)體器件的“平板”，由于手指平面凸凹不平，凸點(diǎn)處和凹點(diǎn)處接觸平板的實(shí)際距離大小不一樣，形成的電容電感數(shù)值不同，因此可以完成了指紋的采集，目前半導(dǎo)體式的指紋采集器沒有相應(yīng)的測試卡，無法對其性能指標(biāo)進(jìn)行測量。

針對這種情況，我們經(jīng)過不斷的摸索和試驗(yàn)，對半導(dǎo)體式和光學(xué)式指紋采集器分別研制出了各種材料的測試卡，包括玻璃材質(zhì)、硅材質(zhì)、鋁材質(zhì)、金材質(zhì)等，兩種采集器分別用不同材質(zhì)測試卡采集后成像質(zhì)量均較好（圖1為研制的各種材質(zhì)測試卡）。又研制出一款多功能測試卡，用該測試卡既能完成半導(dǎo)體又能完成光學(xué)采集器的采集，同時(shí)還能滿足多種光譜光源指紋采集器的成像。該測試卡分為正反面，根據(jù)不同采集器的特點(diǎn)，使用測試卡正面或反面中成像效果好的一面測試性能，該測試卡以硅材料為基材，嚴(yán)格控制精度，并通過多重加工和其他材料合制而成，該測試卡已申請國家發(fā)明專利。

確認(rèn)測試卡材質(zhì)后，嚴(yán)格按照《居民身份證指紋采集器通用技術(shù)要求》標(biāo)準(zhǔn)，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中各項(xiàng)性能指標(biāo)設(shè)計(jì)測試卡的參數(shù)，配合測試軟件可測試指紋采集器的有效圖像尺寸、圖像像素?cái)?shù)、圖像分辨率、圖像畸變、圖像掃描順序指標(biāo)。標(biāo)準(zhǔn)測試卡圖樣如圖2所示。

（二）檢測軟件編制

為配合第三方完成相關(guān)指紋采集器性能檢測，我們依據(jù)《居民身份證指紋采集器通用技術(shù)要求》編制了居民身份證指紋采集器性能指標(biāo)測試軟件。該軟件可調(diào)用符合《居民身份證指紋采集器通用技術(shù)要求》附錄中規(guī)定的應(yīng)用程序接口函數(shù)庫，實(shí)現(xiàn)指紋圖像的采集。依據(jù)技術(shù)要求中規(guī)定的檢測方法，實(shí)現(xiàn)性能指標(biāo)的檢測。如圖3所示，指紋采集設(shè)備性能指標(biāo)檢測軟件界面由菜單、視頻顯示、檢測操作、基本信息、標(biāo)記點(diǎn)位置信息、檢測結(jié)果信息、系統(tǒng)信息七部分組成。

1．界面中的菜單區(qū)域由文件、圖像采集、性能指標(biāo)檢測、動態(tài)庫說明、退出、幫助組成。

2．視頻顯示區(qū)域可顯示指紋采集器采集的實(shí)時(shí)圖像。

3．檢測操作區(qū)域包括檢測項(xiàng)選擇框、指標(biāo)檢測按鈕、采集指紋圖像數(shù)量、采集圖像按鈕等部分。通過檢測項(xiàng)選擇框可切換性能指標(biāo)檢測項(xiàng)，點(diǎn)擊指標(biāo)檢測按鈕可完成“檢測項(xiàng)選擇框”所選擇的性能指標(biāo)項(xiàng)的檢測，在檢測結(jié)果顯示區(qū)域，顯示檢測的結(jié)果。采集指紋圖像數(shù)量、采集圖像按鈕一般情況下不可用，只有當(dāng)檢測灰度動態(tài)范圍時(shí)使用。

4．基本信息部分用于顯示圖像灰度平均值、鼠標(biāo)坐標(biāo)。

5．標(biāo)記點(diǎn)位置信息區(qū)域用于顯示在檢測圖像分辨率、圖像畸變率時(shí)，所需要人工標(biāo)定的8個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)值。

6．檢測結(jié)果區(qū)域用于顯示被檢測的性能指標(biāo)項(xiàng)的檢測結(jié)果，可通過菜單“文件 保存結(jié)果”來保存該區(qū)域顯示的檢測結(jié)果信息。

7．系統(tǒng)信息區(qū)域可顯示設(shè)備的狀態(tài)信息和系統(tǒng)信息。

該軟件可輔助檢測人員更好地完成《居民身份證指紋采集器通用技術(shù)要求》中規(guī)定圖像分辨率、圖像畸變、灰度動態(tài)范圍等性能指標(biāo)的檢測，目前已在公安部安全與警用電子產(chǎn)品質(zhì)量檢測中心用于居民身份證指紋采集器的檢測工作，并已完成對上百款指紋采集器的檢測。

三、指紋采集器可靠性測試

用于居民身份證的指紋采集器面臨著采集人群不固定、指紋質(zhì)量差異性大、使用頻率高等情況，要求指紋采集器必須穩(wěn)定、可靠地工作，否則將給指紋采集工作帶來很大的麻煩。檢測電子產(chǎn)品是否穩(wěn)定、可靠的方法一般有兩種，一種是采用設(shè)備加電工作168小時(shí)，如果在168小時(shí)內(nèi)設(shè)備沒有出現(xiàn)故障則認(rèn)為設(shè)備具有穩(wěn)定性；另一種方法是用可靠性，即用失效率、平均無故障工作時(shí)間、首次失效前平均時(shí)間、失效前或失效時(shí)間分布的其他參數(shù)或在規(guī)定時(shí)間間隔內(nèi)工作（試驗(yàn)）次數(shù)內(nèi)的成功率來衡量。通過分析，發(fā)現(xiàn)首先用約定俗成的168小時(shí)進(jìn)行穩(wěn)定性檢測的方法沒有在任何一個(gè)發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)中提及。同時(shí)對于用于身份證指紋采集設(shè)備僅僅做168小時(shí)帶電測試，風(fēng)險(xiǎn)比較大。通過綜合分析，在標(biāo)準(zhǔn)中提出用平均無故障時(shí)間（MTBF）5000小時(shí)來衡量指紋采集器的可靠性，并設(shè)計(jì)出實(shí)驗(yàn)方案按GB/T 5080.71986的表8試驗(yàn)方案4:7進(jìn)行。

（一）平均無故障時(shí)間（MTBF）

首先明確一個(gè)概念，MTBF 5000小時(shí)是公認(rèn)的一般普通電子設(shè)備可靠性檢測的一個(gè)數(shù)值。而MTBF并不是在實(shí)際運(yùn)行中檢測出來的，它是通過國家標(biāo)準(zhǔn)的檢測算法換算出來的。即MTBF是一個(gè)累積時(shí)間，不是單臺設(shè)備運(yùn)行時(shí)間，而是通過抽樣，多臺產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn)所累積得時(shí)間。

各受試產(chǎn)品的相關(guān)試驗(yàn)時(shí)間可以用受試產(chǎn)品上各自的計(jì)時(shí)器記錄時(shí)，第K次失效時(shí)的累積相關(guān)試驗(yàn)時(shí)間應(yīng)是所有計(jì)時(shí)器讀數(shù)之和。即：

從上面數(shù)學(xué)公式（1）、（2）可以看出：同樣的時(shí)間內(nèi)，如果參加試驗(yàn)樣品越多，每臺設(shè)備的試驗(yàn)時(shí)間越少，反之，樣品越少，每臺設(shè)備的試驗(yàn)時(shí)間越多。

（二）試驗(yàn)方案中參數(shù)之間關(guān)系

?

M0為規(guī)定可接受的平均無故障時(shí)間。

α，β越小越好，這樣對生產(chǎn)方和使用方各自的風(fēng)險(xiǎn)比較小。如果需要在短時(shí)間內(nèi)作出判斷，并可以接受較高風(fēng)險(xiǎn)，可選用高風(fēng)險(xiǎn)試驗(yàn)α，β為30%。舉例來說明這幾個(gè)系數(shù)間關(guān)系：一批產(chǎn)品本身質(zhì)量存在問題，生產(chǎn)方提供的樣品進(jìn)行可靠性試驗(yàn)，樣品在5000小時(shí)的試驗(yàn)環(huán)節(jié)中設(shè)備缺陷沒有被暴露出來，導(dǎo)致整批設(shè)備被接受，進(jìn)入了流通環(huán)節(jié)，這個(gè)風(fēng)險(xiǎn)就被轉(zhuǎn)嫁到使用方，成為使用方的風(fēng)險(xiǎn)，這5000小時(shí)是不可接受的平均無故障時(shí)間。同樣，由于一批產(chǎn)品中，質(zhì)量很穩(wěn)定，而生產(chǎn)方提供的樣品可靠性試驗(yàn)，在5000小時(shí)出現(xiàn)問題，導(dǎo)致整批的設(shè)備被拒絕，成為生產(chǎn)方的風(fēng)險(xiǎn)，此時(shí)5000小時(shí)是可接受的平均無故障時(shí)間。常說的某產(chǎn)品平均無故障時(shí)間為1萬小時(shí)，這個(gè)1萬小時(shí)就是試驗(yàn)方案中里，即是不可接受的平均無故障時(shí)間，即此產(chǎn)品的平均無故障時(shí)間是1萬小時(shí)以上的是一個(gè)比例系數(shù)，越大，意味著試驗(yàn)的越大，試驗(yàn)的總時(shí)間也越大。從這個(gè)角度分析，試驗(yàn)方案的選取實(shí)際是各個(gè)參數(shù)均衡考慮的結(jié)果，即不能使生產(chǎn)方，使用方的風(fēng)險(xiǎn)過大，也不能選取，過大。因?yàn)樵囼?yàn)時(shí)間過長，導(dǎo)致測試費(fèi)用過大，中間投入的人力，物力更大。

（三）試驗(yàn)方案4:1、4:4、4:7的比較

根據(jù)表1序貫試驗(yàn)方案可以得出：

?

首先觀察表2，方案4:1和4:4的α，β是一樣的都是0.1。方案4：7的α，β為0.2。當(dāng)失效數(shù)為0時(shí)，4:1方案的接收系數(shù)為4.40，4:4方案接收系數(shù)0.55，4:7方案接收系數(shù)0.89。同樣MTBF為5000小時(shí)試驗(yàn)，規(guī)定可接受的平均無故障時(shí)間分別為33000小時(shí)、13750小時(shí)、13350小時(shí)。由于計(jì)算4:1的累積時(shí)間達(dá)到3.3萬小時(shí)，如果是新產(chǎn)品小批量的定性試驗(yàn)，能提供的樣品并不多，例如的指靜脈采集識別終端，只能提供10臺樣機(jī)，那么通過換算每臺樣機(jī)要做3000多小時(shí)，按照一天24小時(shí)不停試驗(yàn)，也要125天。試驗(yàn)中若有1臺產(chǎn)品失效系數(shù)為5.21，更要延長試驗(yàn)時(shí)間，從試驗(yàn)的時(shí)間和試驗(yàn)費(fèi)用來說不是太合理。查看試驗(yàn)方案4:1判定曲線和系數(shù)表，發(fā)現(xiàn)4:1方案更適用于批量生產(chǎn)能提供多臺試驗(yàn)樣品的設(shè)備。

其次，再來看方案4:4和4:7，從積累相關(guān)時(shí)間來說時(shí)間兩種方案差不多。從風(fēng)險(xiǎn)來看，4:4方案的生產(chǎn)方和使用方的風(fēng)險(xiǎn)都小，那么再比較兩種方案累積相關(guān)時(shí)間與累積相關(guān)失效數(shù)曲線。因?yàn)镸TBF采用貫序試驗(yàn)方法在試驗(yàn)中出現(xiàn)產(chǎn)品失效時(shí)可以進(jìn)行修理和替換的，付出代價(jià)是延長試驗(yàn)時(shí)間。方案4:4在短時(shí)間內(nèi)，比如0.25倍，若出現(xiàn)2個(gè)失效數(shù)，直接進(jìn)入拒絕區(qū)域，試驗(yàn)結(jié)束了。從表3看方案4：7判定曲線，即使出現(xiàn)2個(gè)失效數(shù)，可以修理或替換后繼續(xù)試驗(yàn)，明顯方案4：7的繼續(xù)試驗(yàn)區(qū)間要寬泛得多。對于這個(gè)新產(chǎn)品來說，沒有任何可借鑒試驗(yàn)先例，略微放寬一點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)值α，β，采用方案4：7的試驗(yàn)方案更加符合實(shí)際。

四、結(jié)束語

指紋采集設(shè)備的檢測方法涉及到很多指標(biāo)，除了大家普通關(guān)注的功能、性能外，還有環(huán)境試驗(yàn)、電磁兼容性試驗(yàn)等，由于篇幅有限，本文并未一一列舉。針對居民指紋采集器的檢測方法可以參考GA/T 1011-2012《居民身份證指紋采集器的技術(shù)要求》。隨著指紋采集技術(shù)的不斷發(fā)展，指紋采集設(shè)備也將出現(xiàn)更多、更新的技術(shù)，測試的方法也將不斷前進(jìn)。

[1]GB/T 5080.71986 設(shè)備可靠性試驗(yàn) 恒定失效率假設(shè)下的失效率與平均無故障時(shí)間的驗(yàn)證試驗(yàn)方案.

[2]GA/T 1011-2012 居民身份證指紋采集器的技術(shù)要求.