突破性技术以令人惊叹的 3D 细节揭示指纹

已发表: 2024-01-17

当您使用指纹解锁智能手机时，您的手机会查看二维图案，以确定它是否是正确的指纹，然后再为您解锁。但您的手指在按钮表面留下的印记实际上是一种称为指纹的 3D 结构。

指纹是由皮肤上的微小油脂脊组成的。每个脊只有几微米高，或者说是人类头发厚度的百分之几。

生物特征识别器仅将指纹记录为 2D 图片，尽管这些信息携带了大量信息，但仍有很多信息缺失。 2D指纹忽略了指印的深度，包括埋在指缝中难以看到的毛孔和疤痕。

我是一名研究全息术的教育家和科学家，全息术是一个专注于如何显示 3D 信息的研究领域。我的实验室创建了一种方法，可以使用数字全息术从计算机上的任何角度在三个维度上绘制和可视化指纹。

指纹类型

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科学家将指纹分为明显的、塑料的或潜在的，具体取决于它们留在表面上时的可见程度。

专利指纹是最明显的类型——犯罪现场的血腥指纹就是一个例子。塑料指印常见于柔软的表面，例如粘土、培乐多或巧克力棒。人眼可以很容易地看到专利指纹和塑料指纹。

最不明显的是潜在的指纹。它们通常出现在玻璃、金属、木材和塑料等硬表面上。为了识别它们，指纹检查员必须使用物理或化学方法，例如撒上粉末、与适当的试剂发生化学反应或氰基丙烯酸酯发烟。

氰基丙烯酸酯以液体形式制造强力胶，但作为气体，它可以使潜在的指纹可见。研究人员通过让氰基丙烯酸酯蒸气分子与潜在指纹残留物中的成分发生反应来形成指纹。

指纹上的几何细节分为三个级别。 1 级包含可见的山脊图案，即环形、螺纹和拱形。 2 级指的是细节或小细节，例如分叉、结尾、眼睛和钩子。

最后，3 级特征（例如毛孔、疤痕和折痕）太小，人眼无法分辨。这就是全息术等光学技术派上用场的地方，因为光学波长为微米量级，足够小，可以分辨出物体上的小细节。

由于指纹通常以 2D 图片形式收集，而全息图显示 3D 信息，因此我的团队希望开发一种可以显示指纹所有 3D 拓扑特征的技术。

为此，我们一直与宾夕法尼亚州立大学的 Akhlesh Lakhtakia 团队合作。他们开发了一种专门的技术，可以在指纹顶部沉积纳米级柱状薄膜层（称为 CTF），以开发和保存指纹。

柱状薄膜是密集的玻璃材料柱，均匀地覆盖指纹，就像森林中茂密生长的相同树木一样。

正如这些树的顶部会反映地面的拓扑结构一样，这些柱状薄膜的顶部复制了它们所沉积的指纹的 3D 结构。

为了制作 3D 指纹之类的全息图，研究人员将激光发出的光分成两部分。其中一部分称为参考波，直接照射在数码相机上。另一个波照射在物体上，在本例中是指印。

如果物体是反射性的，反射光也会被引导到数码相机并叠加在参考波上。

来自参考物和物体的波的叠加产生了干涉图案，称为全息图。在数字全息术中，全息图（2D 图片）被记录在数码相机中。

然后研究人员将全息图导入计算机，在那里他们可以利用波传播的物理定律来找出来自激光的光波从物体的不同部分反弹的位置。

这个过程使他们能够将物体重建为 3D 图片。

因此，重建的全息图具有物体的所有 3D 细节，您现在可以在笔记本电脑上从任何角度可视化 3D 物体。

2017 年，我们的合作报告了我们的第一个成果，我们使用 CTF 技术制作了潜在指纹的 3D 图片。我们用激光产生的两种不同波长的光（绿光和蓝光）记录了 CTF 开发的指纹全息图。

使用两种不同的波长使我们能够在 3D 重建中分辨出微小的细节，例如毛孔。

拉赫塔基亚的研究小组在玻璃、木材和塑料上留下了数百个指纹。然后，他们让它们在不同的环境、不同的温度和湿度水平下老化，然后在它们上涂上 CTF 薄膜以获取指纹。

我的团队记录了这些指纹的数字全息图，并在计算机上以 3D 形式将它们可视化。

我们还开始制定更好的 3D 指纹分析计划，以帮助识别犯罪嫌疑人。

俄亥俄州代顿的迈阿密谷地区犯罪实验室对拉赫塔基亚研究小组捕获的指纹质量进行了评级。

它还将帮助我们开发一种对 3D 全息重建进行分级的新方法，目前尚不存在这种方法。

这可能涉及创建类别来对指纹的 3D 渲染的清晰度进行分类。

使用指纹作为唯一标识符有着悠久的历史，可以追溯到古巴比伦和中国文明。

自 1890 年代末以来，它们一直被用于法医目的，始于印度加尔各答。我们的工作旨在以这段丰富的历史为基础，并利用尖端技术来改进指纹分析。

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编者注：本文由代顿大学电气与计算机工程教授 Partha Banerjee 撰写，并根据 Creative Commons 许可从 The Conversation 重新发布。 阅读原文。