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委員會關于修改〈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》規定，公民申請領取、換領、補領居民身份證時，應當登記指紋信息。居民身份證登記指紋信息從客觀上解決“人證同一性認定”的問題，進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標準用以規范居民身份證指紋采集、比對及應用，保障居民身份證登記指紋信息工作順利實施，推進登記指紋信息居民身份證社會應用，具有十分重要的意義。

隨著指紋識別技術和市場的發展，越來越多的指紋采集識別產品得到應用，社會上現有指紋采集設備有多種：依據傳感器工作原理的不同，可分為光學式和半導體式；依據采集方式的不同，可分為按壓式、刮擦式和滾動式；依據構成方式的不同，可分為獨立式和嵌入式。指紋采集設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用至關重要。目前業內指紋采集設備的許多重要參數指標尚無統一衡量標準，產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應用十分不利。一直以來，業內通常只做光學設備的分辨率測試，半導體指紋采集設備因其分辨率沒有可操作性的測試方法而沒有實施相關的測試，因此如何解決半導體分辨率測試成為我們面臨的課題。本文從指紋采集器標準測試卡的制定、性能檢測和可靠性檢測等方面，分析指紋采集器檢測指標設立的可行性，并對指紋采集器相應技術指標的檢測方法進行了探討。

二、指紋采集器檢測方法探究

（一）標準測試卡的研制

指紋采集設備按其工作原理通常分為光學式和半導體式兩種，光學式采集器可根據全反射或散射的成像原理，對應不同波長的光源，設計出相應的采集測試卡，通常情況下，可對圖像的分辨率、圖像畸變、圖像灰度動態范圍等指標進行檢測。半導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體器件的“平板”，由于手指平面凸凹不平，凸點處和凹點處接觸平板的實際距離大小不一樣，形成的電容電感數值不同，因此可以完成了指紋的采集，目前半導體式的指紋采集器沒有相應的測試卡，無法對其性能指標進行測量。

針對這種情況，我們經過不斷的摸索和試驗，對半導體式和光學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、硅材質、鋁材質、金材質等，兩種采集器分別用不同材質測試卡采集后成像質量均較好（圖1為研制的各種材質測試卡）。又研制出一款多功能測試卡，用該測試卡既能完成半導體又能完成光學采集器的采集，同時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，根據不同采集器的特點，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明專利。

確認測試卡材質后，嚴格按照《居民身份證指紋采集器通用技術要求》標準，依據標準中各項性能指標設計測試卡的參數，配合測試軟件可測試指紋采集器的有效圖像尺寸、圖像像素數、圖像分辨率、圖像畸變、圖像掃描順序指標。標準測試卡圖樣如圖2所示。

（二）檢測軟件編制

為配合第三方完成相關指紋采集器性能檢測，我們依據《居民身份證指紋采集器通用技術要求》編制了居民身份證指紋采集器性能指標測試軟件。該軟件可調用符合《居民身份證指紋采集器通用技術要求》附錄中規定的應用程序接口函數庫，實現指紋圖像的采集。依據技術要求中規定的檢測方法，實現性能指標的檢測。如圖3所示，指紋采集設備性能指標檢測軟件界面由菜單、視頻顯示、檢測操作、基本信息、標記點位置信息、檢測結果信息、系統信息七部分組成。

1．界面中的菜單區域由文件、圖像采集、性能指標檢測、動態庫說明、退出、幫助組成。

2．視頻顯示區域可顯示指紋采集器采集的實時圖像。

3．檢測操作區域包括檢測項選擇框、指標檢測按鈕、采集指紋圖像數量、采集圖像按鈕等部分。通過檢測項選擇框可切換性能指標檢測項，點擊指標檢測按鈕可完成“檢測項選擇框”所選擇的性能指標項的檢測，在檢測結果顯示區域，顯示檢測的結果。采集指紋圖像數量、采集圖像按鈕一般情況下不可用，只有當檢測灰度動態范圍時使用。

4．基本信息部分用于顯示圖像灰度平均值、鼠標坐標。

5．標記點位置信息區域用于顯示在檢測圖像分辨率、圖像畸變率時，所需要人工標定的8個點的坐標值。

6．檢測結果區域用于顯示被檢測的性能指標項的檢測結果，可通過菜單“文件 保存結果”來保存該區域顯示的檢測結果信息。

7．系統信息區域可顯示設備的狀態信息和系統信息。

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要求》中規定圖像分辨率、圖像畸變、灰度動態范圍等性能指標的檢測，目前已在公安部安全與警用電子產品質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、指紋質量差異性大、使用頻率高等情況，要求指紋采集器必須穩定、可靠地工作，否則將給指紋采集工作帶來很大的麻煩。檢測電子產品是否穩定、可靠的方法一般有兩種，一種是采用設備加電工作168小時，如果在168小時內設備沒有出現故障則認為設備具有穩定性；另一種方法是用可靠性，即用失效率、平均無故障工作時間、首次失效前平均時間、失效前或失效時間分布的其他參數或在規定時間間隔內工作（試驗）次數內的成功率來衡量。通過分析，發現首先用約定俗成的168小時進行穩定性檢測的方法沒有在任何一個發布的標準中提及。同時對于用于身份證指紋采集設備僅僅做168小時帶電測試，風險比較大。通過綜合分析，在標準中提出用平均無故障時間（MTBF）5000小時來衡量指紋采集器的可靠性，并設計出實驗方案按GB/T 5080.71986的表8試驗方案4:7進行。

（一）平均無故障時間（MTBF）

首先明確一個概念，MTBF 5000小時是公認的一般普通電子設備可靠性檢測的一個數值。而MTBF并不是在實際運行中檢測出來的，它是通過國家標準的檢測算法換算出來的。即MTBF是一個累積時間，不是單臺設備運行時間，而是通過抽樣，多臺產品進行試驗所累積得時間。

各受試產品的相關試驗時間可以用受試產品上各自的計時器記錄時，第K次失效時的累積相關試驗時間應是所有計時器讀數之和。即：

從上面數學公式（1）、（2）可以看出：同樣的時間內，如果參加試驗樣品越多，每臺設備的試驗時間越少，反之，樣品越少，每臺設備的試驗時間越多。

（二）試驗方案中參數之間關系

?

M0為規定可接受的平均無故障時間。

α，β越小越好，這樣對生產方和使用方各自的風險比較小。如果需要在短時間內作出判斷，并可以接受較高風險，可選用高風險試驗α，β為30%。舉例來說明這幾個系數間關系：一批產品本身質量存在問題，生產方提供的樣品進行可靠性試驗，樣品在5000小時的試驗環節中設備缺陷沒有被暴露出來，導致整批設備被接受，進入了流通環節，這個風險就被轉嫁到使用方，成為使用方的風險，這5000小時是不可接受的平均無故障時間。同樣，由于一批產品中，質量很穩定，而生產方提供的樣品可靠性試驗，在5000小時出現問題，導致整批的設備被拒絕，成為生產方的風險，此時5000小時是可接受的平均無故障時間。常說的某產品平均無故障時間為1萬小時，這個1萬小時就是試驗方案中里，即是不可接受的平均無故障時間，即此產品的平均無故障時間是1萬小時以上的是一個比例系數，越大，意味著試驗的越大，試驗的總時間也越大。從這個角度分析，試驗方案的選取實際是各個參數均衡考慮的結果，即不能使生產方，使用方的風險過大，也不能選取，過大。因為試驗時間過長，導致測試費用過大，中間投入的人力，物力更大。

（三）試驗方案4:1、4:4、4:7的比較

根據表1序貫試驗方案可以得出：

?

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。當失效數為0時，4:1方案的接收系數為4.40，4:4方案接收系數0.55，4:7方案接收系數0.89。同樣MTBF為5000小時試驗，規定可接受的平均無故障時間分別為33000小時、13750小時、13350小時。由于計算4:1的累積時間達到3.3萬小時，如果是新產品小批量的定性試驗，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，那么通過換算每臺樣機要做3000多小時，按照一天24小時不停試驗，也要125天。試驗中若有1臺產品失效系數為5.21，更要延長試驗時間，從試驗的時間和試驗費用來說不是太合理。查看試驗方案4:1判定曲線和系數表，發現4:1方案更適用于批量生產能提供多臺試驗樣品的設備。

其次，再來看方案4:4和4:7，從積累相關時間來說時間兩種方案差不多。從風險來看，4:4方案的生產方和使用方的風險都小，那么再比較兩種方案累積相關時間與累積相關失效數曲線。因為MTBF采用貫序試驗方法在試驗中出現產品失效時可以進行修理和替換的，付出代價是延長試驗時間。方案4:4在短時間內，比如0.25倍，若出現2個失效數，直接進入拒絕區域，試驗結束了。從表3看方案4：7判定曲線，即使出現2個失效數，可以修理或替換后繼續試驗，明顯方案4：7的繼續試驗區間要寬泛得多。對于這個新產品來說，沒有任何可借鑒試驗先例，略微放寬一點風險值α，β，采用方案4：7的試驗方案更加符合實際。

四、結束語

指紋采集設備的檢測方法涉及到很多指標，除了大家普通關注的功能、性能外，還有環境試驗、電磁兼容性試驗等，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要求》。隨著指紋采集技術的不斷發展，指紋采集設備也將出現更多、更新的技術，測試的方法也將不斷前進。

[1]GB/T 5080.71986 設備可靠性試驗 恒定失效率假設下的失效率與平均無故障時間的驗證試驗方案.

[2]GA/T 1011-2012 居民身份證指紋采集器的技術要求.