突破性技術以令人驚嘆的 3D 細節揭示指紋

已發表: 2024-01-17

當您使用指紋解鎖智慧型手機時，您的手機會查看二維圖案，以確定它是否是正確的指紋，然後再為您解鎖。但您的手指在按鈕表面留下的印記實際上是一種稱為指紋的 3D 結構。

指紋是由皮膚上的微小油脂脊組成的。每個脊只有幾微米高，或者說是人類頭髮厚度的百分之幾。

生物特徵辨識器僅將指紋記錄為 2D 圖片，儘管這些資訊攜帶了大量訊息，但仍有許多資訊缺失。 2D指紋忽略了指紋的深度，包括埋在指縫中難以看到的毛孔和疤痕。

我是一名研究全息術的教育家和科學家，全息術是一個專注於如何顯示 3D 資訊的研究領域。我的實驗室創建了一種方法，可以使用數位全像術從電腦上的任何角度在三個維度上繪製和視覺化指紋。

指紋類型

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科學家將指紋分為明顯的、塑膠的或潛在的，這取決於它們留在表面上時的可見程度。

專利指紋是最明顯的類型——犯罪現場的血腥指紋就是一個例子。塑膠指印常見於柔軟的表面，例如黏土、培樂多或巧克力棒。人眼可以很容易地看到專利指紋和塑膠指紋。

最不明顯的是潛在的指紋。它們通常出現在玻璃、金屬、木材和塑膠等硬表面上。為了識別它們，指紋檢查員必須使用物理或化學方法，例如撒上粉末、與適當的試劑發生化學反應或氰基丙烯酸酯發煙。

氰基丙烯酸酯以液體形式製造強力膠，但作為氣體，它可以使潛在的指紋可見。研究人員透過讓氰基丙烯酸酯蒸氣分子與潛在指紋殘留物中的成分反應來形成指紋。

指紋上的幾何細節分為三個等級。 1 級包含可見的山脊圖案，即環形、螺紋和拱形。 2 級指的是細節或小細節，例如分叉、結尾、眼睛和鉤子。

最後，3 級特徵（例如毛孔、疤痕和摺痕）太小，人眼無法分辨。這就是全像術等光學技術派上用場的地方，因為光學波長為微米量級，足夠小，可以分辨出物體上的小細節。

由於指紋通常以 2D 圖片形式收集，而全像圖顯示 3D 訊息，因此我的團隊希望開發一種可以顯示指紋所有 3D 拓撲特徵的技術。

為此，我們一直與賓州州立大學的 Akhlesh Lakhtakia 團隊合作。他們開發了一種專門的技術，可以在指紋頂部沉積奈米級柱狀薄膜層（稱為 CTF），以開發和保存指紋。

柱狀薄膜是密集的玻璃材料柱，均勻地覆蓋指紋，就像森林中茂密生長的相同樹木一樣。

正如這些樹的頂部會反映地面的拓撲結構一樣，這些柱狀薄膜的頂部複製了它們所沉積的指紋的 3D 結構。

為了製作 3D 指紋之類的全像圖，研究人員將雷射發出的光分成兩部分。其中一部分稱為參考波，直接照射在數位相機上。另一個波照射在物體上，在本例中是指印。

如果物體是反射性的，反射光也會被引導到數位相機並疊加在參考波上。

來自參考物和物體的波的疊加產生了乾涉圖案，稱為全像圖。在數位全像術中，全像圖（2D 圖片）被記錄在數位相機中。

然後研究人員將全息圖導入計算機，在那裡他們可以利用波傳播的物理定律來找出來自雷射的光波從物體的不同部分反彈的位置。

這個過程使他們能夠將物體重建為 3D 圖片。

因此，重建的全像圖具有物體的所有 3D 細節，您現在可以在筆記型電腦上從任何角度可視化 3D 物體。

2017 年，我們的合作報告了我們的第一個成果，我們使用 CTF 技術製作了潛在指紋的 3D 圖片。我們用雷射產生的兩種不同波長的光（綠光和藍光）記錄了 CTF 開發的指紋全像圖。

使用兩種不同的波長使我們能夠在 3D 重建中分辨出微小的細節，例如毛孔。

拉赫塔基亞的研究團隊在玻璃、木材和塑膠上留下了數百個指紋。然後，他們讓它們在不同的環境、不同的溫度和濕度水平下老化，然後在它們上塗上 CTF 薄膜以獲取指紋。

我的團隊記錄了這些指紋的數位全像圖，並在電腦上以 3D 形式將它們視覺化。

我們也開始製定更好的 3D 指紋分析計劃，以幫助識別犯罪嫌疑人。

俄亥俄州代頓的邁阿密谷地區犯罪實驗室對拉赫塔基亞研究小組捕獲的指紋品質進行了評級。

它還將幫助我們開發一種對 3D 全息重建進行分級的新方法，目前尚不存在這種方法。

這可能涉及創建類別來對指紋的 3D 渲染的清晰度進行分類。

使用指紋作為唯一識別符有著悠久的歷史，可以追溯到古巴比倫和中國文明。

自 1890 年代末以來，它們一直被用於法醫目的，始於印度加爾各答。我們的工作旨在以這段豐富的歷史為基礎，並利用尖端技術來改進指紋分析。

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編者註：本文由代頓大學電機與電腦工程教授 Partha Banerjee 撰寫，並根據 Creative Commons 授權從 The Conversation 重新發布。 閱讀原文。