指紋識別采集、匹配以及技術(shù)類型的剖解

隨著指紋識別技術(shù)的完善，未來5年我國指紋技術(shù)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(shù)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(dāng)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(jié)構(gòu)大同小異，一般包括指紋的采集與分類、指紋的細(xì)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(xué)或CMOS指紋采集儀將活體指紋的圖像錄入系統(tǒng)，對圖像進(jìn)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(jìn)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(shè)備正常連接后，可以進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(xì)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(zhǔn)確的1:1和1:N指紋識別算法，在使用Biokey進(jìn)行指紋識別時2000~6000枚指紋)，不需要對指紋通過姓名、PIN等預(yù)先分類就可以在1~5S以下測試都在PentiumIII900MHZ128MB內(nèi)存環(huán)境下進(jìn)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(jìn)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(yīng)的標(biāo)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(xì)節(jié)特征點信息，解壓縮后對提取指紋細(xì)節(jié)特征精度的影響較小。WSQ算法在進(jìn)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(xì)節(jié)特征點的定位和有關(guān)信息保存的較好，對隨后將要進(jìn)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(guān)鍵點信息的角度改進(jìn)了該算法。

指紋識別技術(shù)類型剖解

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：它已經(jīng)過較長時間的應(yīng)用考驗，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(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板上按完后留下的)，不但會降低指紋圖像的質(zhì)量，嚴(yán)重時還可能導(dǎo)致2個指印重疊，顯然，難以滿足實際應(yīng)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(dǎo)致采集的指紋圖像質(zhì)量下降。但是具有無法進(jìn)行活體指紋鑒別、對干濕手指的適用性差等缺點。

光學(xué)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(xué)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(xué)指紋機，上班族專門用它代打指紋考勤。

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、門禁等大設(shè)備上使用沒有體積限制的問題，但在U盤、移動硬盤、手持設(shè)備上使用，體積成了最大的障礙。成本低一直以來被認(rèn)為是光學(xué)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(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)式識別技術(shù)

溫差感應(yīng)式識別技術(shù)是基于溫度感應(yīng)的原理而制成的，每個像素都相當(dāng)于一個微型化的電荷傳感器，用來感應(yīng)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(shù)。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(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(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數(shù)據(jù)，不易受手指表面塵污的影響，提高辨識準(zhǔn)確率，有效防止辨識錯誤。

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(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，因為嵴是凸起、峪是凹下，根據(jù)電容值與距離的關(guān)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(jìn)行放電。因為嵴和峪對應(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(dǎo)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(shè)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(dá)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(dǎo)體硅感技術(shù)最重要的優(yōu)點是能夠達(dá)到活體指紋識別。還可以在較小的表面上獲得比光學(xué)技術(shù)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(dǎo)致成本的下降和能被集成到更小的設(shè)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(xué)以后的第二代指紋識別技術(shù)。

半導(dǎo)體電容指紋傳感器因制造工藝復(fù)雜，單位面積上傳感單元多，包含高端的，IC設(shè)計技術(shù)、大規(guī)模集成電路制造技術(shù)、IC芯片封裝技術(shù)等，所以電容指紋傳感器幾乎全部是由IC技術(shù)發(fā)達(dá)的國家或地區(qū)，如美國、歐洲、臺灣等地設(shè)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(dǎo)體指紋傳感器。

但半導(dǎo)體硅感技術(shù)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(xué)傳感器的成本日益接近，是目前最理想的指紋識別技術(shù)。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(dǎo)體硅感識別技術(shù)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(xué)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(shù)

超聲波指紋采集是一種新型技術(shù)，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(dá)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(shù)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(xué)診斷的強度相同)。超聲波技術(shù)產(chǎn)品能夠達(dá)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。