淺析指紋識別技術(shù)的四大類型

　　目前在國內(nèi)，指紋識別由于其發(fā)展時間長，且發(fā)展速度比較快，并且經(jīng)過多年的市場推廣和應(yīng)用，在門禁、考勤、保險箱、身份認證等方面都有比較成熟的產(chǎn)品，同時由于其成本較其他識別技術(shù)低，更易推廣和被用戶接受。

　　指紋識別技術(shù)的類型

　　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。

　　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、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。

　　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。

　　半導(dǎo)體硅感技術(shù)(電容式技術(shù))

　　20世紀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(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。

　　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。