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指纹系统介绍
发布人：管理员 浏览 1308 次 发布时间：2015年9月14日 打印本页 |
• 概述
指纹，是指人体手指皮肤上突起的纹线，其中最为常用的是手指上第一指节的纹线。
指纹识别技术，是指利用指纹的某些特点来对其主体进行识别和确认的技术。其工作原理是：事先注册指纹，经过算法处理形成的指纹模板保存在某种介质上；验证时，比对现场指纹和保存的指纹模板，比对结果决定是否通过身份验证。
指纹识别技术是目前国际公认的应用最广泛、价格最低廉、易用性极高的生物认证技术之一，具有如下特点：
每个人的指纹都是独一无二的，两人之间不存在相同的指纹；
每个人的指纹是相当固定的，不会随着人年龄的增长或身体健康程度的变化而变化。
指纹样本便于获取，指纹采样功能的硬件部分也较易实现，易于开发识别系统，实用性强。
一个人的十指指纹皆不相同，这样可以方便地利用多个指纹构成多重口令，提高系统的安全性。
指纹识别中使用的模板并非最初的指纹图像，而是由指纹图像中提取的关键特征，因此存储量较小，同时也能保护使用者的个人隐私。
从以上的分析可以看到，指纹识别技术相对于其它身份识别技术，不仅具有许多独到的信息安全角度的优点，更重要的是还具有很高的实用性和可行性，所以，指纹是当之无愧的“物证之首”。
• 指纹传感器技术
指纹采集验证的核心硬件设备就是指纹传感器，指纹传感器的品种、类型和功能也在随着科学技术的不断进步和发展而不断增加。若按工作原理来分，指纹传感器大体上可以分为：光电式指纹传感器、电容式指纹传感器、电感式指纹传感器、压感式指纹传感器、热敏式指纹传感器与超声波扫描指纹传感器等几大类。若按工作方式来分，则可以分为：滚动式采集、平面式采集和刮擦式（被动线扫描式）采集3种。
滚动式采集主要是为了满足警用AFIS在司法刑侦上的应用需求。其工作原理是利用计算机进行图像信息采集下来，并直接储存到计算机上。
刮拉式采集的指纹传感器，它是以被动的线状（或窄带状，一般不超过8行）扫描的方式输出，并通过计算机进行图像合成来达到整幅完整的指纹图像。使用时，只要把手指放在传感器上，速度均匀地向下拉刮即可。其最大的优点就是成本低，最大的缺点就是普通人操作不易掌握，需要反复的训练。
光电式指纹传感器
光学指纹传感器是最早被采用的一种指纹传感器，其历史可以追溯到20世纪70年代。其的工作原理是依据光的全反射原理，当光线照射到压有指纹的玻璃表面时，由于脊和谷部位的反射光线强度不同，图像经棱镜折射后被半导体光电器件捕获，并通过光电转换形成电信号，再经A/D转换电路转换成具有灰度数字图像信号输出。
光学的指纹传感器有明显的优点：它已经过较长时间的应用考验，一定程度上适应温度的变异，较为廉价，可达到500DPI的较高分辨率等。缺点是：由于要求足够长的光程，因此要求足够大的尺寸，而且过分干燥和过分油腻的手指也将使光学指纹产品的效果变坏。
光学指纹传感器其优点是抗静电能力强，产品成本低，使用寿命长，但是具有无法进行活体指纹鉴别的缺点。
半导体指纹传感器
半导体指纹传感器主要是利用电容、电场（即电感式）、温度、压力的原理实现指纹图像的采集。目前国内厂家基本上没有能力生产半导体的指纹传感器，主要从国外的进口。半导体的指纹传感器有分为面状指纹传感器和条状指纹传感器（也即，滑动式指纹传感器/刮擦式指纹传感器）。
面状按压式指纹传感器手指只要按上去，整个指纹都可以一次性采集到，操作方便，图象采集面积大。
条状指纹传感器(即刮擦式指纹传感器，也叫滑动式，英文叫SWIPE或SWEEP），其宽度只有5mm左右，面积只有手指的1/5,手指按压上去时，无法一次性采集到完整图像。这类刮擦式指纹采集器件在采集时需要手指划过采集表面，对手指划过时采集到的每一块指纹图像再进行拼接，才能形成完整的指纹图像。
刮擦式指纹传感器的应用场合
A、体积比较小的手持式设备，如手机、PDA等，在这些设备上，面式指纹传感器由于体积的原因无法使用；
B、面向固定的个体用户。刮擦式指纹传感器由于要求操作者每次验证指纹时刮擦手指，手指刮擦的速度和力度对指纹识别有较大的影响，刮擦太快或太慢，都会导致采集到的指纹图像差，影响指纹比对的成功率。因此，在使用刮擦式指纹传感器前一般需要对使用人员进行一段时间的培训。对于银行应用，使用刮擦式指纹传感器需要对柜员进行细致的培训，另外，如果将指纹应用扩展到面向银行用户的应用时（如目前，部分银行已经使用的部分储蓄的柜面业务，如挂失等，使用指纹验证等），一般难以使用。
C、使用在对操作时间要求不太高的场合。一般面式指纹传感器只要手置手指即可，操作人员易于掌握。对于刮擦式指纹传感器，由于刮擦的操作特点，一般在对时间要求比较高的场合不宜使用。在PDA或便携机上使用时，如果一次验证失败，操作人员可以重复验证，因为这些应用对操作时间没有严格的限制。而刮擦式则要求操作者比较认真地刮擦手指，且刮擦的速度有较严格的要求，对于像银行这样对柜员临柜操作速度要求较高的场合，难以保证柜员每次多认真地刮擦手指。
电容式指纹传感器
该技术利用大规模集成电路技术，将近百万个电容传感单位陈列集成到了一小块半导体晶片上。硅传感器成为电容的一个极板，手指则是另一极板，当人的手指压在传感器的绝缘表面上时，由于指纹的脊和谷与电容传感单元之间的距离不同，所形成的分布电容也不同，经过相关电路的A/D转换后，变成数字图像信号输出。半导体电容式传感器的优点是具有极好的图像一致性和极低的图像几何失真。其缺点是受半导体生产工艺的和制造成本的限制，性能衰减比较厉害，并且对静电要求较高。采集方式主要以按压式和刮擦式为主。
电感式指纹传感器
该技术主要生产厂家是美国的AuthenTec公司，它拥有电感式指纹传感器的技术专利（TurePrint技术）。目前，AuthenTec公司提供The FingerLoc Family和The EntréPad Family两个系列共多款指纹传感器。
国内使用较多的主要有AF-S2、AES3400和AES2500系列（包含：AES2501和AES2510）。其中，AF-S2是AuthenTec公司推出的第一代指纹传感器，AES2500系列是刮擦式指纹传感器。AES3400是AuthenTec推出的新一代指纹传感器，由于其采集窗口比较小，一般不太适合在通用设备上使用，比较多的使用在PDA等专用设备上。
压感式指纹传感器
压感式指纹传感器表面的顶层是由数万个具有弹性的压敏介质材料单元陈列所组成的。当手指按压在传感器表面时，通过对他压感式所有压敏介质材料单元阵列进行扫描，就可以将指纹纹路脊和谷的凹凸变化转成相应的电信号输出，从而得出指纹的图像。鉴于加工工艺上的原因，压敏式指纹传感器的面积容易做得较大，抗静电能力也可以做得较高。
热敏式指纹传感器
半导体热敏材料对温度的变化非常敏感，当指纹的脊接触到微小的热敏单元时，会把身体的体热传到热敏单元。热敏单元由于温度的增高，其电阻值会随之发生改变，从而电压值也有变化。峪的部分没有接触到热敏单元，热敏单元的温度保持不变，对应的电压值不会改变。从电压值的变与不变，可以清楚的区分出哪里是脊哪里是峪，形成指纹图像。
由于在制造上的困难以及追求廉价低成本的目标，市面上见到的热敏式指纹传感器大都采用被动线扫描的工作方式，在使用时必须采取刮擦式操作。
• 超声波技术
为克服光学技术设备和硅技术设备的不足，一种新型的超声波指纹采集设备已经出现。其原理是利用超声波具有穿透材料的能力，且随材料的不同产生大小不同的回波（超声波到达不同材质表面时，被吸收、穿透与反射的程度不同），因此，利用皮肤与空气对于声波阻抗的差异，就可以区分指纹脊与谷所在的位置。
超声波技术所使用的超声波频率为1×104Hz~1×109Hz，能量被控制在对人体无损的程度（与医学诊断的强度相同）。超声波技术产品能够达到最好的精度，它对手指和平面的清洁程度要求较低，但其采集时间会明显地长于前述两类产品。虽然超声波扫描指纹传感器对人体指纹上的污渍不敏感，但因整台设备结构复杂，体积和功耗较大，价格昂贵，因而不常见。
• 特征点提取、验证和辨识
一个高质量的图像被提取后，需要许多步骤将它的特征转换到一个复合的模板中，这个过程，被称为特征提取过程，它是手指扫描技术的核心。当一个高质量的图像被提取后，它必须被转换成一个有用的格式。如果图像是灰度图像，相对较浅的部分会被删除，而相对较深的部分被变成了黑色。脊的像素有5～8个被缩细到一个像素，这样就能精确定位脊断点和分岔了。微小细节的图像便来自于这个经过处理的图像。在这一点上，即便是十分精细的图像也存在着变形细节和错误细节，这些变形和错误细节都要被滤除。
除细节的定位和夹角方法的应用以外，也可通过细节的类型和质量来划分细节。这种方法的好处在于检索的速度有了较大的提高，一个显著的、特定的细节，它的惟一性更容易使匹配成功。还有一些生产商采用的方法是模式匹配方法，即通过推断一组特定脊的数据来处理指纹图像。
就应用方法而言，指纹识别技术可分为验证和识别。
验证（1：1）就是通过把一个现场采集到的指纹与一个已经登记的指纹进行一对一的比对来确定身份的过程。指纹以一定的压缩格式存储，并与其姓名或其标识（ID，PIN）联系起来。随后在对比现场，先验证其标识，然后利用系统的指纹与现场采集的指纹比对来证明其标识是合法的。验证其实回答了这样一个问题："他是他自称的这个人吗？"这是应用系统中使用得较多的方法。
辨识（1：N）则是把现场采集到的指纹同指纹数据库中的指纹逐一对比，从中找出与现场指纹相匹配的指纹。这也叫"一对多匹配"。辨识其实是回答了这样一个问题："他是谁？" 指纹是人体独一无二的特征，其复杂度足以提供用于鉴别的特征。随着相关支持技术的逐步成熟，指纹识别技术经过多年的发展已成为目前最方便、可靠、非侵害和价格便宜的生物识别技术解决方案，对于广大市场的应用有着很大的发展潜力。
• 指纹图像的参数
衡量一个指纹传感器的质量如何，可以通过考察其输出的数字化后的指纹图像的质量来确定。指纹图像的主要参数有图像的尺寸、图像分辨率和图像的灰度。
图像的尺寸
图像的尺寸通常用长度（mm）×宽度（mm）来表示，如18mm×12.7mm，或者用垂直方向上的像素点数X水平方向上的像素点数来表示，如360×256点阵。图像的尺寸和点阵数越大，则表示指纹传感器的采集区域越宽。用于司法刑侦领域的指纹传感器，由于要配合滚动方式采集，要求较大的采集区域，一般不小于25.4mm×254mm或512×512点阵，我国公安部的标准定为640×640点阵。而用于民用领域的指纹传感器，大多采用平面采集的工作方式，因而不要求较大的采集区域，一般不小于12.7mm×12.7mm或256*256点阵。
图像分辨率
图像分辨率体现了对图像细微之处的描述精度，通常用每英寸多少点像素（国外通常用“dpi”来表示，即“像素/英寸”）来表示。为了保障提取指纹特征的精确度，指纹图像应有较高的图像分辨率。一般不低于256dpi，要求较高的场合通常不低于500dpi。
图像的灰度
采集设备与方法不同，所采集到的指纹图像也不同。绝大多数指纹图像是单色图像，我们把没有色调变化的单色图像称为二值图或黑白图，具有色调变化的单色图像称为灰度图。与二值图相比，灰度图含有更加丰富的图像信息，有利于指纹的识别与比对。依照对色调变化的表现力，灰度图分为2bit、4bit和8bit几个不同的等级，一般较多采用的是8bit（256级）灰度。
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