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微观指尖世界：OCT成像应用之3D指纹提取与识别

前言导读

数字化生活已离不开指纹识别认证技术，人们对指纹识别技术的安全性和准确性的要求也不断提高，OCT（光学相干断层扫描）作为一种高精度光学检测技术，可以获取常规方法难以捕获的生物特征，有效提升指纹识别的防伪能力和准确性。

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OCT 指纹识别技术

生物特征由于一般具有永久性，并且对每个生物个体都是独一无二的，也不会丢失或被盗，因此，依靠生物特征识别的认证技术已广泛应用于各种高安全性要求的应用中。

在各种生物特征中，指纹具有显著的准确性和极大的检测便捷性，接纳程度十分广泛。然而，外部特征容易通过修改或伪造来欺骗识别系统，因此，探索新的指纹内部特征提取技术已成为生物特征识别的重要趋势。

光学相干断层扫描（OCT）作为一种无损、高分辨率的活体成像技术已被应用于指尖部位的生物特征采集。它以 3D 体积数据或断层切面图像的形式测量皮肤指尖上和皮肤下方的信息，其中包含内部指纹（真皮层）、汗毛孔和腺体等，这些内部数据不受外部皮肤状况影响，因而具有很强的鲁棒性，并能鉴别伪造的假指纹。

使用OCT系统的指纹特征成像示意图

OCT的核心是迈克尔逊干涉仪，基于低相干干涉测量法（LCI）生成深度剖面图。如下图所示，来自低相干光源的入射光被分成两束部分相干光，即参考光束和样品光束（探头光束）。样品光束沿轴向穿透样品，参考光束准直到参考镜后反射。来自样品的散射光携带内部微观结构的信息从原路返回，与参考镜反射的光发生干涉，由探测器记录并经过后续信号处理解析，完成深度扫描和横向扫描（通过振镜实现）。这些数据以灰色或伪彩色呈现，然后再对其进行处理以获得生物特征信号。

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OCT 指纹多维度特征提取

生物学研究表明，皮肤主要由三层结构组成：分别是表皮层、真皮层和皮下组织。表皮层是惰性的外层。真皮层含有毛细血管，而皮下组织含有脂肪细胞。

OCT技术能够从活体组织中捕获体内皮下图像。对于指尖，如下图所示，表皮顶部有角质层，其轮廓代表表面指纹。角质层和表皮之间有一层活性的表皮连接层，代表内部指纹。内部指纹作为表面指纹的母板，确保表面浅切和其他轻微损伤后仍然可再生恢复。

下图显示了一些表面指纹和内部指纹对比例子，测试结果表明，即使表面指纹被磨损或污染，但内部指纹依然很好地保留了褶皱的峰谷信息。

内部指纹的抗干扰能力测试：左侧为表面指纹，右侧为内部指纹
图示为三种外部干扰：(a) 褶皱    (b) 污渍    (c) 水浸

内部汗毛孔和腺体也是信息丰富的指尖生物识别技术。汗腺通常可检测为螺旋状或椭圆形结，皮肤表面汗腺的开口则是汗孔，单个腺体的直径范围为30至40um。通过提取汗腺特征，可以证明汗腺信息与指纹纹理特征结合，提高指纹识别的精确性。

(a) 汗腺区域    (b) 过滤结果    (c) 检测到腺体的位置    (d) 腺体分割结果
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OCT 指纹识别的静态与动态防伪

指纹识别在现代数字化社会中被广泛使用，并已成为可靠的个人身份识别的代名词。虽然每个人的指纹都是独一无二的，但利用3D打印/刻蚀指纹模型等方法可以很容易地制造假指纹。例如，可以使用乳胶、胶水和明胶制造人工指纹。由于传统的指纹扫描方法只能对手指表面进行2D图像采集，因此很难区分真实指纹和人工指纹。而通过OCT-B扫描图像，如下图 (c) 所示，可以轻松实现指纹的静态防伪，有效区分人工指纹胶体和真实的人体组织。

指纹防伪
(a) 指纹胶体
(b) 传统全光学内反射系统采集的真手指和假指纹胶体的指纹图像
(c) OCT系统收集的真手指和假指纹胶体的B扫描图像

除了静态防伪外，还有结合OCT血流成像技术的动态防伪技术。因为在手指表皮下的真皮层含有毛细血管，血流仅存在于活体内，因此基于血流的血管成像为活体检测提供了一种方法。

血管影像学的研究主要集中在生物医学领域，主流研究方法有两种：多普勒OCT（DOCT）和光学显微血管造影（OMAG）。如今OCTA血流成像技术（Optical Coherence Tomography Angiography）不断发展，指尖表皮下获取真皮层的血流信息也越来越成熟，为OCT动态防伪提供一种有效的解决方法。

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OCT 胶带下潜藏指纹成像

除了直接的指纹提取，OCT技术也广泛用于物体粘接遗留的指纹信息检测，可以作为一种法医刑侦技术手段。比如在重大的刑事案件中，嫌疑人常常会用到胶带，用于捆绑受害者、制造简易爆炸装置或包装非法物品时，嫌疑人往往会在胶带材料的粘性面留下潜在的指纹。

然而，在犯罪现场发现的胶带通常是粘在一起或附着在特定的基材上，因此指纹可能隐藏在胶带下面。目前检测隐藏在胶带下的潜在指纹的方法需要先将胶带剥离，然后用物理或化学方法显影，过程复杂，会影响潜在指纹的原始状态。

光学相干层析成像(OCT)可作为一种新型的刑侦/法医学应用技术，具有非破坏侵入性、原位性、高分辨率、高成像速度的实时性等优点。研究实践已表明，OCT可以在不改变原始状态的情况下快速检测和3D重建隐藏在胶带下的高质量潜在指纹图像，保持证据的完整性，对于识别犯罪嫌疑人非常关键。

(a) 红色电工胶带、棕色盒子密封胶带和透明胶带
(b) 单条胶带的胶带图，胶带面有指纹（样本1/2/3）
(c) 夹在两盘胶带之间的潜在指纹图（样本4/5/6）

光学相干层析成像技术通过测量后向散射或后向反射光，可对各种材料和生物组织的内部微观结构进行高分辨率、横切面层析成像。OCT类似于超声波成像，只不过它使用近红外光而不是声波，也不需要耦合剂或者直接接触。OCT的优势在于可以实时提供微米尺度的原位样品结构的横截面图，作为光学活检技术，也不会对样本造成损伤。因此，该技术是可用于取证目的的强大工具。

来自清华大学与公安部研究者为此进行了测试，以展示OCT强大的穿透成像能力。如下图为样品准备，选择了三种最常用的胶带，即电气胶带、封箱胶带和Scotch胶带，并准备了9个样品来获取内部指纹。采用手持探头的光谱域OCT (SD-OCT)系统，实现~6μm的分辨率和实时二维(2D)横截面成像速度。指纹在粘性面，OCT检测光入射到胶带的非粘性侧。

(a) 样品1、(b) 样品2、(c) 样品3的角切3D渲染视图，以及在(d) 210 μm、(e) 109 μm、(f) 86 μm深度提取的相应截面图像

结果表明，SD-OCT技术可以清楚地观察到胶带下方潜在的指纹纹理细节，证明OCT技术可以快速检测和恢复隐藏在胶带下的潜在指纹的精确图像，同时保持样品的原始物理和化学状态，具有无损和快速检测的特点。

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