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　　生物識(shí)別技術(shù)是人體生物特征進(jìn)行身份鑒別的技術(shù)。要求這些特征具有“人各有異”、“終身不變”和“隨身攜帶”這三大特點(diǎn)。常見的生物識(shí)別技術(shù)有：指紋識(shí)別、手掌識(shí)別、靜脈識(shí)別、面像識(shí)別、虹膜識(shí)別、視網(wǎng)膜識(shí)別、聲音識(shí)別、簽名識(shí)別等等。

　　幾種常見生物識(shí)別技術(shù)優(yōu)劣比較

　　各種生物識(shí)別技術(shù)都分別有其優(yōu)缺點(diǎn)，在此我們不一一詳述，各種生物識(shí)別技術(shù)的對比如圖1所示。從圖1中可以清晰地得出結(jié)論——指紋識(shí)別技術(shù)是目前最成熟可靠的生物識(shí)別技術(shù)，而且應(yīng)用也最廣泛，性價(jià)比也是最高的。本文就指紋識(shí)別的幾種常見技術(shù)進(jìn)行解析比較，從而為用戶在針對不同場合選擇最合適的指紋機(jī)提供參考依據(jù)。

　　▲圖1各種生物識(shí)別技術(shù)的對比分析

　　手指上的指紋表征了一個(gè)人的身份特征。指紋具有惟一性(隨身攜帶、無法復(fù)制、人人不同、指指相異)。根據(jù)指紋學(xué)理論，將兩個(gè)指紋分別匹配上12個(gè)特征時(shí)的相同幾率僅為1/1050。因此，至今找不出兩個(gè)指紋完全相同的人，即使相貌酷似的孿生兄弟姐妹，或同一個(gè)人的十指之間，指紋也存在明顯差異。指紋的這一特點(diǎn)，為身份鑒定提供了客觀依據(jù)。

　　指紋識(shí)別技術(shù)發(fā)展歷程

　　指紋識(shí)別是一門古老的學(xué)科，1788年Mayer首次提出沒有兩個(gè)人的指紋完全相同，1823年P(guān)urkinie首次把指紋紋形分成9類，1889年Henry提出了指紋細(xì)節(jié)特征識(shí)別理論，奠定了現(xiàn)代指紋學(xué)的基礎(chǔ)。但采用人工比對的方法，效率低、速度慢。20世紀(jì)60年代，開始用計(jì)算機(jī)圖像處理和模式識(shí)別方法進(jìn)行指紋分析，這就是自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)(簡稱AFIS)。20世紀(jì)70年代末80年代初，刑事偵察用自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)(PoliceAFIS，PAFIS)投入實(shí)際運(yùn)用。20世紀(jì)90年代，AFIS進(jìn)入民用，稱為民用自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)(CivilAFIS，CAFIS)。

　　每個(gè)人包括指紋在內(nèi)的皮膚紋路在圖案、斷點(diǎn)和交叉點(diǎn)上各不相同，呈現(xiàn)惟一性且終生不變。據(jù)此，我們就可以把一個(gè)人同他的指紋對應(yīng)起來，通過將他的指紋和預(yù)先保存的指紋數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，就可以驗(yàn)證它的真實(shí)身份，這就是指紋識(shí)別技術(shù)。

　　指紋識(shí)別主要根據(jù)人體指紋的紋路、細(xì)節(jié)特征等信息對操作或被操作者進(jìn)行身份鑒定，得益于現(xiàn)代電子集成制造技術(shù)和快速而可靠的算法研究，已經(jīng)開始走入我們的日常生活，成為目前生物檢測學(xué)中研究最深入、應(yīng)用最廣泛、發(fā)展最成熟的技術(shù)。

　　指紋識(shí)別算法及技術(shù)特征

　　與人工處理不同，一般的生物識(shí)別技術(shù)公司并不直接存儲(chǔ)指紋的圖像，而是使用不同的數(shù)字化算法在指紋圖像上找到并比對指紋的特征。每個(gè)指紋都有幾個(gè)獨(dú)一無二、可測量的特征點(diǎn)，每個(gè)特征點(diǎn)都有大約500多個(gè)特征，我們的十個(gè)手指產(chǎn)生最少4900個(gè)獨(dú)立可測量的特征，這足以說明指紋識(shí)別是一個(gè)更加可靠的鑒別方式。

　　識(shí)別指紋主要從總體特征和局部特征這兩個(gè)方面展開。

　　總體特征

　　總體特征是指那些用人眼直接就可以觀察到的特征，包括紋形、模式區(qū)、核心點(diǎn)、三角點(diǎn)和紋數(shù)等。

　　紋形：指紋專家在長期實(shí)踐的基礎(chǔ)上，根據(jù)脊線的走向與分布情況一般將指紋分為三大類——環(huán)型(loop，又稱斗形)、弓形(arch)、螺旋形(whorl)，如圖2所示。其他指紋圖案都是基于這三種基本圖案衍生而成的。

　　▲圖2三種基本紋型圖案

　　模式區(qū)：即指紋上包括了總體特征的區(qū)域，從此區(qū)域就能夠分辨出指紋是屬于哪一種類型的。有的指紋識(shí)別算法只使用模式區(qū)的數(shù)據(jù)，有的則使用所取得的完整指紋。

　　核心點(diǎn)：位于指紋紋路的漸進(jìn)中心，它在讀取指紋和比對指紋時(shí)作為參考點(diǎn)。許多算法是基于核心點(diǎn)的，即只能處理和識(shí)別具有核心點(diǎn)的指紋。

　　三角點(diǎn)：位于從核心點(diǎn)開始的第一個(gè)分叉點(diǎn)或者斷點(diǎn)，或者兩條紋路會(huì)聚處、孤立點(diǎn)、折轉(zhuǎn)處，或者指向這些奇異點(diǎn)。三角點(diǎn)提供了指紋紋路的計(jì)數(shù)跟蹤的開始之處。

　　紋數(shù)：即模式區(qū)內(nèi)指紋紋路的數(shù)量。在計(jì)算指紋的紋路時(shí)，一般先連接核心點(diǎn)和三角點(diǎn)，這條連線與指紋紋路相交的數(shù)量即可認(rèn)為是指紋的紋數(shù)。

　　局部特征

　　局部特征是指指紋上節(jié)點(diǎn)的特征，這些具有某種特征的節(jié)點(diǎn)稱為細(xì)節(jié)特征或特征點(diǎn)。兩枚指紋經(jīng)常會(huì)具有相同的總體特征，但它們的細(xì)節(jié)特征，卻不可能完全相同。指紋紋路并不是連續(xù)的、平滑筆直的，而是經(jīng)常出現(xiàn)中斷、分叉或轉(zhuǎn)折。這些斷點(diǎn)、分叉點(diǎn)和轉(zhuǎn)折點(diǎn)就稱為“特征點(diǎn)”，就是這些特征點(diǎn)提供了指紋惟一性的確認(rèn)信息，其中最典型的是終結(jié)點(diǎn)和分叉點(diǎn)，其他還包括分歧點(diǎn)、孤立點(diǎn)、環(huán)點(diǎn)、短紋等。特征點(diǎn)的參數(shù)包括：方向(節(jié)點(diǎn)可以朝著一定的方向)、曲率(描述紋路方向改變的速度)、位置(節(jié)點(diǎn)的位置通過x/y坐標(biāo)來描述，可以是絕對的，也可以是相對于三角點(diǎn)或特征點(diǎn)的)。

　　指紋識(shí)別的過程及原理

　　指紋識(shí)別技術(shù)主要涉及四個(gè)功能：讀取指紋圖像、提取特征、保存數(shù)據(jù)和比對。通過指紋讀取設(shè)備讀取到人體指紋的圖像，然后要對原始圖像進(jìn)行初步的處理，使之更清晰，再通過指紋辨識(shí)軟件建立指紋的特征數(shù)據(jù)。

　　指紋識(shí)別過程

　　指紋采樣→指紋圖像預(yù)處理→二值化處理→細(xì)化，紋路提取→細(xì)節(jié)特征提取→指紋匹配(即指紋庫的查對)。如圖3所示。

　　▲圖3指紋識(shí)別過程

　　指紋圖像的獲取技術(shù)

　　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。

　　(1)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)過較長時(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(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。但是具有無法進(jìn)行活體指紋鑒別、對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，也可能通過識(shí)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(yàn)證光學(xué)指紋機(jī)打開監(jiān)獄門禁。還有近期各大媒體爭相報(bào)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(yàn)證通過光學(xué)指紋機(jī)，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(jī)、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(dòng)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。

　　(2)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)。如圖4所示。

　　▲圖4溫差感應(yīng)式指紋傳感器的外型圖

　　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，手指和芯片就處于相同的溫度了。

　　(3)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，如圖5所示。

　　▲圖5半導(dǎo)體硅感技術(shù)指紋采集基本原理圖

　　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(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)獒帐峭蛊稹⒂前枷拢鶕?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?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)，如圖6所示。

　　▲圖6半導(dǎo)體硅感技術(shù)處理后的指紋成像圖

　　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(diǎn)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(hào)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(diǎn)是能夠達(dá)到活體指紋識(shí)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(fèi)類電子產(chǎn)品中使用，被稱為光學(xué)以后的第二代指紋識(shí)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(jì)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(tái)灣等地設(shè)計(jì)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(diǎn)，就是會(huì)受靜電干擾，但可以通過安裝時(shí)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(shí)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(shí)別技術(shù)的指紋機(jī)用于門禁前端活體指紋識(shí)別，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的密碼、刷卡、光學(xué)指紋機(jī)，從而真正做到身份識(shí)別的惟一性，確保萬無一失。

　　(4)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(shí)，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(qiáng)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(shí)間會(huì)明顯地長于前述兩類產(chǎn)品，而且價(jià)格昂貴，也并不能做到活體指紋識(shí)別，所以目前使用稀少。

　　結(jié)束語

　　隨著指紋識(shí)別技術(shù)的不斷發(fā)展，質(zhì)量高、功耗低、體積小的半導(dǎo)體傳感器作為便攜式產(chǎn)品極其重要的指紋圖像采集手段，應(yīng)用日益廣泛，其市場規(guī)模以驚人速度飛速拓展。近期，美國Frost&SulUvan發(fā)布的指紋傳感器市場調(diào)查結(jié)果表明：目前，在面向身份認(rèn)證的指紋傳感器中，傳統(tǒng)型光學(xué)傳感器優(yōu)勢越來越小，受半導(dǎo)體傳感器技術(shù)進(jìn)步和價(jià)格下降等因素的影響，半導(dǎo)體傳感器的份額將逐漸增加，成為未來指紋采集技術(shù)的主流。但對于目前來說，用戶在對于指紋機(jī)選型來說，不能簡單地“一刀切”，最關(guān)鍵的一點(diǎn)是必須根據(jù)應(yīng)用場所和實(shí)際需求來選擇不同識(shí)別技術(shù)的指紋機(jī)。(作者單位：深圳市麗澤智能科技有限公司)