指紋識別采集、匹配以及技術類型的剖解

隨著指紋識別技術的完善，未來5年我國指紋技術行業(yè)將有近百億元的市場等待著企業(yè)去開拓，指紋識別技術即將迎來一個黃金發(fā)展時期，市場前景廣闊，二級市場上指紋識別概念受消息面利好刺激，表現(xiàn)搶眼，或強勢爆發(fā)。

指紋識別采集與匹配

眾所周知，人的指紋具有唯一性和穩(wěn)定性的特征，即每一個人的指紋是獨一無二的，兩者之間不存在相同的指紋，而且每個人的指紋是相當固定的，一般不會隨年齡和健康狀況的變化而改變，因此可以通過指紋識別出人的身份。目前，國內(nèi)外的自動指紋識別系統(tǒng)很多，但其結構大同小異，一般包括指紋的采集與分類、指紋的細節(jié)匹配及指紋的壓縮與存儲。

1.指紋的采集與分類

這是自動指紋識別系統(tǒng)(AFIS)運作的第一個環(huán)節(jié)。通過光學或CMOS指紋采集儀將活體指紋的圖像錄入系統(tǒng)，對圖像進行分割處理，在保持有用指紋信息基本完整的前提下，剪去一些多余的圖像信息，產(chǎn)生一個相對較小的指紋圖，對該圖進行增強處理減弱噪聲，增強脊和谷的對比度，提高圖像質(zhì)量。然后提取圖像的特征，生成方向數(shù)組，再通過指紋分析器，根據(jù)指紋的脊和谷流向，將其分為尖拱類、拱類、左環(huán)類、右環(huán)類及旋渦類等五種或更小的種類屬別。指紋分類的主要目的是方便大容量指紋庫的管理，減少搜索空間，加速指紋匹配過程。

2.指紋的采集

在指紋識別設備正常連接后，可以進行指紋的登記錄入。在讀者指紋的采集過程中，讀者的指紋需要錄入兩次，第一次采集的指紋和第二次采集的指紋進行比對，如果成功系統(tǒng)將正常保存，并添加到指紋識別系統(tǒng)。

如果采集的指紋不合格，系統(tǒng)將給出聲音提示。如果識別不合格，保存功能不能使用，需要重新采集。以對所采集的讀者指紋信息在保存到數(shù)據(jù)庫前進行雙重質(zhì)量控制。要判斷采集指紋的質(zhì)量，將第二次采集的指紋信息和第一次采集的指紋模板進行1：1的單一比對，以保證指紋的采集質(zhì)量，避免違法、不合格指紋信息存入數(shù)據(jù)庫。

3.指紋的細節(jié)匹配

這是自動指紋識別系統(tǒng)核心。一般采用的是Biokey算法，此算法是一種快速、準確的1:1和1:N指紋識別算法，在使用Biokey進行指紋識別時2000~6000枚指紋)，不需要對指紋通過姓名、PIN等預先分類就可以在1~5S以下測試都在PentiumIII900MHZ128MB內(nèi)存環(huán)境下進行)內(nèi)輕松完成。

4.指紋的壓縮和存儲

為了節(jié)省存儲空間，必須對指紋圖像進行壓縮。目前指紋圖像數(shù)據(jù)壓縮算法較常見的是JPEG、WSQ及EZW等，采用Biokey-WSQ基于自適應的標量量化和小波分解的圖像壓縮算法，該算法用于指紋圖像壓縮時，可以盡量保持指紋細節(jié)特征點信息，解壓縮后對提取指紋細節(jié)特征精度的影響較小。WSQ算法在進行大壓縮比率的指紋圖像壓縮時，還原解壓后的指紋圖像細節(jié)特征點的定位和有關信息保存的較好，對隨后將要進行的指紋識別影響較小。WSQ壓縮比為1:20或1:15，即一個指紋圖像可以壓縮到6~10K，這個壓縮比例采用這種算法是非常合適的。這樣既節(jié)省了存儲空間，而且在解壓后又不影響模板特征點的提取。將其用于指紋圖像壓縮，并考慮到指紋圖像識別的需要，從盡量保持關鍵點信息的角度改進了該算法。

指紋識別技術類型剖解

指紋圖像的獲取技術主要有4種類型：光學掃描設備(例如微型三棱鏡矩陣)、溫差感應式指紋傳感器、半導體指紋傳感器、超聲波指紋掃描。

一、光學識別技術

借助光學技術采集指紋是歷史最久遠、使用最廣泛的技術。將手指放在光學鏡片上，手指在內(nèi)置光源照射下，用棱鏡將其投射在電荷耦合器件(CCD)上，進而形成脊線(指紋圖像中具有一定寬度和走向的紋線)呈黑色、谷線(紋線之間的凹陷部分)呈白色的數(shù)字化的、可被指紋設備算法處理的多灰度指紋圖像。

光學的指紋采集技術有明顯的優(yōu)點：它已經(jīng)過較長時間的應用考驗，一定程度上適應溫度的變異，可達到500DPI的較高分辨率等，最主要是價格低廉。也有明顯的缺點：由于要求足夠長的光程，因此要求足夠大的尺寸，而且過分干燥和過分油膩的手指也將使光學指紋產(chǎn)品的效果變壞。

光學指紋傳感局限性體現(xiàn)于潛在指印方面(潛在指印是手指在臺板上按完后留下的)，不但會降低指紋圖像的質(zhì)量，嚴重時還可能導致2個指印重疊，顯然，難以滿足實際應用需要。此外，臺板涂層及CCD陣列會隨時間推移產(chǎn)生損耗，可能導致采集的指紋圖像質(zhì)量下降。但是具有無法進行活體指紋鑒別、對干濕手指的適用性差等缺點。

光學指紋識別系統(tǒng)由于光不能穿透皮膚表層(死性皮膚層)，所以只能夠掃描手指皮膚的表面，或者掃描到死性皮膚層，但不能深入真皮層。在這種情況下，手指表面的干凈程度，直接影響到識別的效果。如果，用戶手指上粘了較多的灰塵，可能就會出現(xiàn)識別出錯的情況。并且，如果人們按照手指，做一個指紋手模，也可能通過識別系統(tǒng)，對于用戶而言，使用起來不是很安全和穩(wěn)定。

如去年底發(fā)生的內(nèi)蒙古監(jiān)獄越獄案件，越獄犯人就是砍下獄警的手指驗證光學指紋機打開監(jiān)獄門禁。還有近期各大媒體爭相報道的，在淘寶網(wǎng)上花100元左右可以訂做買到硅膠指模，可以輕易地驗證通過光學指紋機，上班族專門用它代打指紋考勤。

此外，光學傳感器中存在棱鏡，其體積較大，一般為半導體的幾倍甚至10倍大小，所以限制了其在小型設備上的應用。在類似考勤機、門禁等大設備上使用沒有體積限制的問題，但在U盤、移動硬盤、手持設備上使用，體積成了最大的障礙。成本低一直以來被認為是光學傳感器的最大優(yōu)勢，但由于其制造過程一致性較難保證，隨著以電容傳感器為代表的半導體傳感器的大規(guī)模發(fā)展，光學傳感器的成本優(yōu)勢也已經(jīng)不再明顯。雖然大多數(shù)公司還在使用光學傳感器，但其發(fā)展趨勢是新穎的、高質(zhì)量的半導體電容指紋傳感器。

二、溫差感應式識別技術

溫差感應式識別技術是基于溫度感應的原理而制成的，每個像素都相當于一個微型化的電荷傳感器，用來感應手指與芯片映像區(qū)域之間某點的溫度差，產(chǎn)生一個代表圖像信息的電信號。

它的優(yōu)點是可在0.1s內(nèi)獲取指紋圖像，而且傳感器體積和面積最小，即目前通常所說的滑動式指紋識別儀就是采用該技術。缺點是：受制于溫度局限，時間一長，手指和芯片就處于相同的溫度了。

三、半導體硅感技術(電容式技術)

20世紀90年代后期，基于半導體硅電容效應的技術趨于成熟。

硅傳感器成為電容的一個極板，手指則是另一極板，利用手指紋線的脊和谷相對于平滑的硅傳感器之間的電容差，形成8bit的灰度圖像。電容傳感器發(fā)出電子信號，電子信號將穿過手指的表面和死性皮膚層，直達手指皮膚的活體層(真皮層)，直接讀取指紋圖案。由于深入真皮層，傳感器能夠捕獲更多真實數(shù)據(jù)，不易受手指表面塵污的影響，提高辨識準確率，有效防止辨識錯誤。

半導體指紋傳感器包括半導體壓感式傳感器、半導體溫度感應傳感器等，其中，應用最廣泛的是半導體電容式指紋傳感器。

半導體電容傳感器根據(jù)指紋的嵴和峪與半導體電容感應顆粒形成的電容值大小不同，來判斷什么位置是嵴什么位置是峪。其工作過程是通過對每個像素點上的電容感應顆粒預先充電到某一參考電壓。當手指接觸到半導體電容指紋表現(xiàn)上時，因為嵴是凸起、峪是凹下，根據(jù)電容值與距離的關系，會在嵴和峪的地方形成不同的電容值。然后利用放電電流進行放電。因為嵴和峪對應的電容值不同，所以其放電的速度也不同。嵴下的像素(電容量高)放電較慢，而處于峪下的像素(電容量低)放電較快。根據(jù)放電率的不同，可以探測到嵴和峪的位置，從而形成指紋圖像數(shù)據(jù)。

與光學設備多采用人工調(diào)整改善圖像質(zhì)量不同，電容傳感器采用自動控制技術調(diào)節(jié)指紋圖像像素以及指紋局部范圍敏感程度，在不同環(huán)境下結合反饋信息生成高質(zhì)量圖像。由于提供了局部調(diào)整能力，即使對比度差的圖像(如手指壓得較輕的區(qū)域)也能被有效檢測到，并在捕捉瞬間為這些像素提高靈敏度，生成高質(zhì)量指紋圖像。

半導體電容指紋傳感器優(yōu)點為圖像質(zhì)量較好、一般無畸變、尺寸較小、易集成于各種設備。其發(fā)出的電子信號將穿過手指的表面和死性皮膚層，達到手指皮膚的活體層(真皮層)，直接讀取指紋圖案，從而大大提高了系統(tǒng)的安全性。

半導體硅感技術最重要的優(yōu)點是能夠達到活體指紋識別。還可以在較小的表面上獲得比光學技術更好的圖像質(zhì)量，在1cm×1.5cm的表面上獲得200-300線的分辨率(較小的表面也導致成本的下降和能被集成到更小的設備中)。體積小、成本低，成像精度高，而且耗電量很小，因此非常適合在安全防范和高檔消費類電子產(chǎn)品中使用，被稱為光學以后的第二代指紋識別技術。

半導體電容指紋傳感器因制造工藝復雜，單位面積上傳感單元多，包含高端的，IC設計技術、大規(guī)模集成電路制造技術、IC芯片封裝技術等，所以電容指紋傳感器幾乎全部是由IC技術發(fā)達的國家或地區(qū)，如美國、歐洲、臺灣等地設計制造的。目前國內(nèi)只有極少數(shù)廠家有能力生產(chǎn)半導體指紋傳感器。

但半導體硅感技術也有缺點，就是會受靜電干擾，但可以通過安裝時接地解決。以前成本較昂貴，近年來成本大幅度下降，與光學傳感器的成本日益接近，是目前最理想的指紋識別技術。如銀行金庫和監(jiān)獄等高危安保場所安防門禁系統(tǒng)，采用半導體硅感識別技術的指紋機用于門禁前端活體指紋識別，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的密碼、刷卡、光學指紋機，從而真正做到身份識別的惟一性，確保萬無一失。

四、超聲波技術

超聲波指紋采集是一種新型技術，其原理是利用超聲波具有穿透材料的能力，且隨材料的不同產(chǎn)生大小不同的回波(超聲波到達不同材質(zhì)表面時，被吸收、穿透與反射的程度不同)。因此，利用皮膚與空氣對于聲波阻抗的差異，就可以區(qū)分指紋嵴與峪所在的位置。

超聲波技術所使用的超聲波頻率為1×104Hz-1×109Hz，能量被控制在對人體無損的程度(與醫(yī)學診斷的強度相同)。超聲波技術產(chǎn)品能夠達到最好的精度，它對手指和平面的清潔程度要求較低，但其采集時間會明顯地長于前述兩類產(chǎn)品，而且價格昂貴，也并不能做到活體指紋識別，所以目前使用稀少。