友思特應(yīng)用 | 微觀指尖世界：OCT成像應(yīng)用之3D指紋提取與識(shí)別

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導(dǎo)讀

數(shù)字化生活已離不開(kāi)指紋識(shí)別認(rèn)證技術(shù)，人們對(duì)指紋識(shí)別技術(shù)的安全性和準(zhǔn)確性的要求也不斷提高，OCT（光學(xué)相干斷層掃描）作為一種高精度光學(xué)檢測(cè)技術(shù)，可以獲取常規(guī)方法難以捕獲的生物特征，有效提升指紋識(shí)別的防偽能力和準(zhǔn)確性。

前言

在之前的應(yīng)用技術(shù)文章中，我們已經(jīng)介紹了OCT光學(xué)相干斷層掃描技術(shù)的各種工業(yè)質(zhì)量檢測(cè)、生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)應(yīng)用，今天我們分享一個(gè)同樣利用OCT強(qiáng)大成像能力的指紋檢測(cè)與識(shí)別應(yīng)用。讓我們一起走進(jìn)友思特OCT新篇章，看看它是如何實(shí)現(xiàn)的吧！

OCT 指紋識(shí)別技術(shù)

生物特征由于一般具有永久性，并且對(duì)每個(gè)生物個(gè)體都是獨(dú)一無(wú)二的，也不會(huì)丟失或被盜，因此，依靠生物特征識(shí)別的認(rèn)證技術(shù)已廣泛應(yīng)用于各種高安全性要求的應(yīng)用中。

在各種生物特征中，指紋具有顯著的準(zhǔn)確性和極大的檢測(cè)便捷性，接納程度十分廣泛。然而，外部特征容易通過(guò)修改或偽造來(lái)欺騙識(shí)別系統(tǒng)，因此，探索新的指紋內(nèi)部特征提取技術(shù)已成為生物特征識(shí)別的重要趨勢(shì)。

光學(xué)相干斷層掃描（OCT）作為一種無(wú)損、高分辨率的活體成像技術(shù)已被應(yīng)用于指尖部位的生物特征采集。它以 3D 體積數(shù)據(jù)或斷層切面圖像的形式測(cè)量皮膚指尖上和皮膚下方的信息，其中包含內(nèi)部指紋（真皮層）、汗毛孔和腺體等，這些內(nèi)部數(shù)據(jù)不受外部皮膚狀況影響，因而具有很強(qiáng)的魯棒性，并能鑒別偽造的假指紋。

使用OCT系統(tǒng)的指紋特征成像示意圖

OCT的核心是邁克爾遜干涉儀，基于低相干干涉測(cè)量法（LCI）生成深度剖面圖。如下圖所示，來(lái)自低相干光源的入射光被分成兩束部分相干光，即參考光束和樣品光束（探頭光束）。樣品光束沿軸向穿透樣品，參考光束準(zhǔn)直到參考鏡后反射。來(lái)自樣品的散射光攜帶內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的信息從原路返回，與參考鏡反射的光發(fā)生干涉，由探測(cè)器記錄并經(jīng)過(guò)后續(xù)信號(hào)處理解析，完成深度掃描和橫向掃描（通過(guò)振鏡實(shí)現(xiàn)）。這些數(shù)據(jù)以灰色或偽彩色呈現(xiàn)，然后再對(duì)其進(jìn)行處理以獲得生物特征信號(hào)。

OCT 指紋多維度特征提取

生物學(xué)研究表明，皮膚主要由三層結(jié)構(gòu)組成：分別是表皮層、真皮層和皮下組織。表皮層是惰性的外層。真皮層含有毛細(xì)血管，而皮下組織含有脂肪細(xì)胞。

OCT技術(shù)能夠從活體組織中捕獲體內(nèi)皮下圖像。對(duì)于指尖，如下圖所示，表皮頂部有角質(zhì)層，其輪廓代表表面指紋。角質(zhì)層和表皮之間有一層活性的表皮連接層，代表內(nèi)部指紋。內(nèi)部指紋作為表面指紋的母板，確保表面淺切和其他輕微損傷后仍然可再生恢復(fù)。

下圖顯示了一些表面指紋和內(nèi)部指紋對(duì)比例子，測(cè)試結(jié)果表明，即使表面指紋被磨損或污染，但內(nèi)部指紋依然很好地保留了褶皺的峰谷信息。

內(nèi)部指紋的抗干擾能力測(cè)試：左側(cè)為表面指紋，右側(cè)為內(nèi)部指紋。圖示為三種外部干擾：(a) 褶皺；(b) 污漬；(c) 水浸

內(nèi)部汗毛孔和腺體也是信息豐富的指尖生物識(shí)別技術(shù)。汗腺通常可檢測(cè)為螺旋狀或橢圓形結(jié)，皮膚表面汗腺的開(kāi)口則是汗孔，單個(gè)腺體的直徑范圍為30至40um。通過(guò)提取汗腺特征，可以證明汗腺信息與指紋紋理特征結(jié)合，提高指紋識(shí)別的精確性。

(a) 汗腺區(qū)域；(b)過(guò)濾結(jié)果；(c)檢測(cè)到腺體的位置；(d)腺體分割結(jié)果

OCT 指紋識(shí)別的靜態(tài)與動(dòng)態(tài)防偽

指紋識(shí)別在現(xiàn)代數(shù)字化社會(huì)中被廣泛使用，并已成為可靠的個(gè)人身份識(shí)別的代名詞。雖然每個(gè)人的指紋都是獨(dú)一無(wú)二的，但利用3D打印/刻蝕指紋模型等方法可以很容易地制造假指紋。例如，可以使用乳膠、膠水和明膠制造人工指紋。由于傳統(tǒng)的指紋掃描方法只能對(duì)手指表面進(jìn)行2D圖像采集，因此很難區(qū)分真實(shí)指紋和人工指紋。而通過(guò)OCT-B掃描圖像，如下圖 (c) 所示，可以輕松實(shí)現(xiàn)指紋的靜態(tài)防偽，有效區(qū)分人工指紋膠體和真實(shí)的人體組織。

(a)指紋膠體；(b)傳統(tǒng)全光學(xué)內(nèi)反射系統(tǒng)采集的真手指和假指紋膠體的指紋圖像；(c)OCT系統(tǒng)收集的真手指和假指紋膠體的B掃描圖像

除了靜態(tài)防偽外，還有結(jié)合OCT血流成像技術(shù)的動(dòng)態(tài)防偽技術(shù)。因?yàn)樵谑种副砥は碌恼嫫雍忻?xì)血管，血流僅存在于活體內(nèi)，因此基于血流的血管成像為活體檢測(cè)提供了一種方法。

血管影像學(xué)的研究主要集中在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，主流研究方法有兩種：多普勒OCT（DOCT）和光學(xué)顯微血管造影（OMAG）。如今OCTA血流成像技術(shù)（Optical Coherence Tomography Angiography）不斷發(fā)展，指尖表皮下獲取真皮層的血流信息也越來(lái)越成熟，為OCT動(dòng)態(tài)防偽提供一種有效的解決方法。

OCT 膠帶下潛藏指紋成像

除了直接的指紋提取，OCT技術(shù)也廣泛用于物體粘接遺留的指紋信息檢測(cè)，可以作為一種法醫(yī)刑偵技術(shù)手段。比如在重大的刑事案件中，嫌疑人常常會(huì)用到膠帶，用于捆綁受害者、制造***或包裝非法物品時(shí)，嫌疑人往往會(huì)在膠帶材料的粘性面留下潛在的指紋。

然而，在犯罪現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)的膠帶通常是粘在一起或附著在特定的基材上，因此指紋可能隱藏在膠帶下面。目前檢測(cè)隱藏在膠帶下的潛在指紋的方法需要先將膠帶剝離，然后用物理或化學(xué)方法顯影，過(guò)程復(fù)雜，會(huì)影響潛在指紋的原始狀態(tài)。

光學(xué)相干層析成像(OCT)可作為一種新型的刑偵/法醫(yī)學(xué)應(yīng)用技術(shù)，具有非破壞侵入性、原位性、高分辨率、高成像速度的實(shí)時(shí)性等優(yōu)點(diǎn)。研究實(shí)踐已表明，OCT可以在不改變?cè)紶顟B(tài)的情況下快速檢測(cè)和3D重建隱藏在膠帶下的高質(zhì)量潛在指紋圖像，保持證據(jù)的完整性，對(duì)于識(shí)別犯罪嫌疑人非常關(guān)鍵。

(a)紅色電工膠帶、棕色盒子密封膠帶和透明膠帶；(b)單條膠帶的膠帶圖，膠帶面有指紋（樣本1/2/3）；(c)夾在兩盤膠帶之間的潛在指紋圖（樣本4/5/6）

光學(xué)相干層析成像技術(shù)通過(guò)測(cè)量后向散射或后向反射光，可對(duì)各種材料和生物組織的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行高分辨率、橫切面層析成像。OCT類似于超聲波成像，只不過(guò)它使用近紅外光而不是聲波，也不需要耦合劑或者直接接觸。OCT的優(yōu)勢(shì)在于可以實(shí)時(shí)提供微米尺度的原位樣品結(jié)構(gòu)的橫截面圖，作為光學(xué)活檢技術(shù)，也不會(huì)對(duì)樣本造成損傷。因此，該技術(shù)是可用于取證目的的強(qiáng)大工具。

來(lái)自清華大學(xué)與公安部研究者為此進(jìn)行了測(cè)試，以展示OCT強(qiáng)大的穿透成像能力。如下圖為樣品準(zhǔn)備，選擇了三種最常用的膠帶，即電氣膠帶、封箱膠帶和Scotch膠帶，并準(zhǔn)備了9個(gè)樣品來(lái)獲取內(nèi)部指紋。采用手持探頭的光譜域OCT (SD-OCT)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)~6μm的分辨率和實(shí)時(shí)二維(2D)橫截面成像速度。指紋在粘性面，OCT檢測(cè)光入射到膠帶的非粘性側(cè)。

(a)樣品1、(b)樣品2、(c)樣品3的角切3D渲染視圖，以及在(d)210 μm、(e)109 μm、(f)86 μm深度提取的相應(yīng)截面圖像

結(jié)果表明，SD-OCT技術(shù)可以清楚地觀察到膠帶下方潛在的指紋紋理細(xì)節(jié)，證明OCT技術(shù)可以快速檢測(cè)和恢復(fù)隱藏在膠帶下的潛在指紋的精確圖像，同時(shí)保持樣品的原始物理和化學(xué)狀態(tài)，具有無(wú)損和快速檢測(cè)的特點(diǎn)。

友思特SD-OCT成像系統(tǒng)

友思特 OQ Labscope 3.0

方案特征

實(shí)時(shí)截面成像，5um分辨率

快速3D渲染與任意截面分析

手持檢測(cè)，小巧便攜靈活

實(shí)時(shí)圖像測(cè)量、厚度分析

友思特 OQ Labscope 3.0指紋實(shí)時(shí)截面圖像：

友思特OQLabscope3.0膠帶實(shí)時(shí)截面成像演示：

參考文獻(xiàn)：

1. Yang Yu, Haixia Wang, Haohao Sun, Yilong Zhang, Peng Chen, Ronghua Liang, Optical Coherence Tomography in Fingertip Biometrics, Optics and Lasers in Engineering, Volume 151, 2022, 106868, ISSN 0143-8166, https://doi.org/10.1016/j.optlaseng.2021.106868.

2. Ning Zhang, Chengming Wang, Zhenwen Sun, Zhigang Li, Lanchi Xie, Yuwen Yan, Lei Xu, Jingjing Guo, Wei Huang, Zhihui Li, Jing Xue, Huan Liu, Xiaojing Xu, Detection of latent fingerprint hidden beneath adhesive tape by optical coherence tomography, Forensic Science International, Volume 287, 2018, Pages 81-87, ISSN 0379-0738, https://doi.org/10.1016/j.forsciint.2018.03.030.


審核編輯 黃宇