指紋識(shí)別的發(fā)展過(guò)程、類型與鎖類應(yīng)用

指紋識(shí)別技術(shù)是指利用人體的指紋特征對(duì)個(gè)人身份進(jìn)行識(shí)別。在所有的生物識(shí)別技術(shù)中，指紋識(shí)別技術(shù)是目前最為成熟的，也被應(yīng)用最廣的生物識(shí)別技術(shù)。

指紋識(shí)別歷史發(fā)展

談及指紋識(shí)別，過(guò)去人們只能在刑偵電影、電視劇中了解到它，但近幾年，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，以及生物識(shí)別領(lǐng)域研究熱潮的掀起，指紋識(shí)別技術(shù)逐漸走向了更為廣泛的民用市場(chǎng)，并已開(kāi)始出現(xiàn)在人們的生活中，開(kāi)始被大眾所熟知。

據(jù)考古發(fā)現(xiàn)，早在公元前7000～6000年，古代亞述人和中國(guó)人就已經(jīng)意識(shí)到了指紋的特點(diǎn)。到19世紀(jì)中葉，人們開(kāi)始了對(duì)指紋的研究，并產(chǎn)生了兩個(gè)重要的結(jié)論：

1、沒(méi)有任何兩個(gè)手指的指紋紋線形態(tài)是一致的;

2、指紋紋線的形態(tài)是終生不變的。

這兩個(gè)重要的研究結(jié)論使得一些國(guó)家的政府開(kāi)始使用指紋來(lái)進(jìn)行罪犯鑒別，如阿根廷在1896年、蘇格蘭在1901年，其他一些國(guó)家在二十世紀(jì)上葉紛紛引入了指紋識(shí)別技術(shù)來(lái)鑒定罪犯嫌疑人。

用計(jì)算機(jī)對(duì)指紋進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別起源于二十世紀(jì)六十年代，這時(shí)候出現(xiàn)了能夠處理指紋圖像的計(jì)算機(jī)硬件。從此刑偵用的指紋自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(AFIS)逐漸在全球開(kāi)始廣泛應(yīng)用，不過(guò)當(dāng)時(shí)的指紋采集一般都采用油墨捺印的方式。

1980年以后，隨著個(gè)人計(jì)算機(jī)和光學(xué)指紋采集器的發(fā)明，指紋識(shí)別技術(shù)開(kāi)始進(jìn)入了一些非司法領(lǐng)域。1990年后，廉價(jià)指紋采集器和計(jì)算比對(duì)設(shè)備，及相應(yīng)的匹配算法的出現(xiàn)，使得指紋識(shí)別技術(shù)走向了基于民用的普及應(yīng)用。

因此，從歷史上看，人們對(duì)指紋識(shí)別技術(shù)有著長(zhǎng)期的了解和研究，對(duì)指紋的性質(zhì)也有著深刻的認(rèn)識(shí)。所以，指紋是當(dāng)之無(wú)愧的“物證之首”。

指紋識(shí)別技術(shù)類型

指紋圖像的獲取技術(shù)主要有4種類型：光學(xué)掃描設(shè)備(例如微型三棱鏡矩陣)、溫差感應(yīng)式指紋傳感器、半導(dǎo)體指紋傳感器、超聲波指紋掃描。

一、光學(xué)識(shí)別技術(shù)

借助光學(xué)技術(shù)采集指紋是歷史最久遠(yuǎn)、使用最廣泛的技術(shù)。將手指放在光學(xué)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(jìn)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(shè)備算法處理的多灰度指紋圖像。

光學(xué)的指紋采集技術(shù)有明顯的優(yōu)點(diǎn)：它已經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的應(yīng)用考驗(yàn)，一定程度上適應(yīng)溫度的變異，可達(dá)到500DPI的較高分辨率等，最主要是價(jià)格低廉。也有明顯的缺點(diǎn)：由于要求足夠長(zhǎng)的光程，因此要求足夠大的尺寸，而且過(guò)分干燥和過(guò)分油膩的手指也將使光學(xué)指紋產(chǎn)品的效果變壞。

光學(xué)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(tái)板上按完后留下的)，不但會(huì)降低指紋圖像的質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)還可能導(dǎo)致2個(gè)指印重疊，顯然，難以滿足實(shí)際應(yīng)用需要。此外，臺(tái)板涂層及CCD陣列會(huì)隨時(shí)間推移產(chǎn)生損耗，可能導(dǎo)致采集的指紋圖像質(zhì)量下降。但是具有無(wú)法進(jìn)行活體指紋鑒別、對(duì)干濕手指的適用性差等缺點(diǎn)。

光學(xué)指紋識(shí)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(shí)別的效果。如果，用戶手指上粘了較多的灰塵，可能就會(huì)出現(xiàn)識(shí)別出錯(cuò)的情況。并且，如果人們按照手指，做一個(gè)指紋手模，也可能通過(guò)識(shí)別系統(tǒng)，對(duì)于用戶而言，使用起來(lái)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(yàn)證光學(xué)指紋機(jī)打開(kāi)監(jiān)獄門(mén)禁。還有近期各大媒體爭(zhēng)相報(bào)道的，在淘寶網(wǎng)上花100元左右可以訂做買(mǎi)到硅膠指模，可以輕易地驗(yàn)證通過(guò)光學(xué)指紋機(jī)，上班族專門(mén)用它代打指紋考勤。

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

二、溫差感應(yīng)式識(shí)別技術(shù)

溫差感應(yīng)式識(shí)別技術(shù)是基于溫度感應(yīng)的原理而制成的，每個(gè)像素都相當(dāng)于一個(gè)微型化的電荷傳感器，用來(lái)感應(yīng)手指與芯片映像區(qū)域之間某點(diǎn)的溫度差，產(chǎn)生一個(gè)代表圖像信息的電信號(hào)。

它的優(yōu)點(diǎn)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(shuō)的滑動(dòng)式指紋識(shí)別儀就是采用該技術(shù)。缺點(diǎn)是：受制于溫度局限，時(shí)間一長(zhǎng)，手指和芯片就處于相同的溫度了。

三、半導(dǎo)體硅感技術(shù)(電容式技術(shù))

20世紀(jì)90年代后期，基于半導(dǎo)體硅電容效應(yīng)的技術(shù)趨于成熟。硅傳感器成為電容的一個(gè)極板，手指則是另一極板，利用手指紋線的脊和谷相對(duì)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(hào)，電子信號(hào)將穿過(guò)手指的表面和死性皮膚層，直達(dá)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(shí)數(shù)據(jù)，不易受手指表面塵污的影響，提高辨識(shí)準(zhǔn)確率，有效防止辨識(shí)錯(cuò)誤。

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

半導(dǎo)體電容傳感器根據(jù)指紋的嵴和峪與半導(dǎo)體電容感應(yīng)顆粒形成的電容值大小不同，來(lái)判斷什么位置是嵴什么位置是峪。其工作過(guò)程是通過(guò)對(duì)每個(gè)像素點(diǎn)上的電容感應(yīng)顆粒預(yù)先充電到某一參考電壓。當(dāng)手指接觸到半導(dǎo)體電容指紋表現(xiàn)上時(shí)，因?yàn)獒帐峭蛊?、峪是凹下，根?jù)電容值與距離的關(guān)系，會(huì)在嵴和峪的地方形成不同的電容值。然后利用放電電流進(jìn)行放電。因?yàn)獒蘸陀鴮?duì)應(yīng)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(cè)到嵴和峪的位置，從而形成指紋圖像數(shù)據(jù)。

與光學(xué)設(shè)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(dòng)控制技術(shù)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(jié)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(duì)比度差的圖像(如手指壓得較輕的區(qū)域)也能被有效檢測(cè)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。