淺析四大指紋識別的圖像獲取技術(shù)原理

在經(jīng)歷了近10年緩慢的自然增長(cháng)后，指紋識別技術(shù)即將迎來(lái)一個(gè)跳躍性發(fā)展的黃金時(shí)期。專(zhuān)家們保守估計，未來(lái)5年，我國將有近百億元的市場(chǎng)等待著(zhù)企業(yè)去開(kāi)拓。目前，指紋識別主要應用在考勤、門(mén)禁、保險箱柜等領(lǐng)域，相信，隨著(zhù)指紋識別技術(shù)的完善，還會(huì )廣泛的應用在身份證，機動(dòng)車(chē)，家居等更多的領(lǐng)域。那么指紋識別圖像獲取的主要技術(shù)有哪些？

指紋識別

指紋識別技術(shù)是利用指紋的惟一性和穩定性特征，集傳感器技術(shù)、生物技術(shù)、數字圖像處理、模式匹配、電子技術(shù)于一體的高新技術(shù)。

指紋識別技術(shù)發(fā)展趨勢

指紋識別技術(shù)的巨大市場(chǎng)前景，將對國際、國內安防產(chǎn)業(yè)產(chǎn)生巨大的影響。較小的公司將面臨新進(jìn)入的傳統行業(yè)大公司的無(wú)情競爭。在這些巨無(wú)霸面前，現有中小公司很難說(shuō)有太多的競爭力，行業(yè)重新洗牌不可避免，合并與退出可能會(huì )成為大部分中小公司的無(wú)奈選擇。最終可能形成傳統行業(yè)的公司或大資本在較短時(shí)間內主導生物特征識別行業(yè)的局面。當然，也不排除部分具有核心競爭力的公司以“快魚(yú)吃慢魚(yú)”的方式成長(cháng)為新興的大公司?！按篝~(yú)”與“快魚(yú)”并存，這也是每一個(gè)新興市場(chǎng)的必然結果。而競爭的結果將會(huì )形成一個(gè)新興的大產(chǎn)業(yè)。

指紋識別技術(shù)的民用市場(chǎng)機會(huì )已經(jīng)存在，那么是不是已經(jīng)存在規模應用的時(shí)機了呢？這取決于指紋產(chǎn)品的消費意識、產(chǎn)品的穩定性和價(jià)格方面是不是可以得到解決。也就是說(shuō)指紋識別技術(shù)能否在民用領(lǐng)域規?；瘧?，需要具備三個(gè)條件：受眾足夠的認知度，產(chǎn)品品質(zhì)穩定和良好服務(wù)和保證，產(chǎn)品的利潤足夠大。

指紋產(chǎn)品的消費意識，這里主要指的是人們對指紋識別技術(shù)的應用理解，這里的人們包括廠(chǎng)家、經(jīng)銷(xiāo)代理商、工程商和直接用戶(hù)。一個(gè)有意思的例子是，門(mén)禁需要用到指紋方面，80%以上都是直接用戶(hù)的要求，而大部分的門(mén)禁廠(chǎng)家、經(jīng)銷(xiāo)代理商、工程商等中間商并不主動(dòng)去推薦產(chǎn)品，這是指紋識別不能規模應用的最大的問(wèn)題，這就是消費意識低的體現。

產(chǎn)品的穩定性，要求指紋廠(chǎng)家具備對安防行業(yè)的較深刻了解，開(kāi)發(fā)出的指紋產(chǎn)品必須是符合使用規范和滿(mǎn)足大多數的要求以及服務(wù)的保證。

產(chǎn)品價(jià)格非常重要，尤其在產(chǎn)品發(fā)展階段。有的用戶(hù)會(huì )表示，即使產(chǎn)品穩定，價(jià)格不合適一樣不用！分析所得，走中端路線(xiàn)，揚長(cháng)避短，發(fā)揮產(chǎn)品在市場(chǎng)終端的絕對競爭優(yōu)勢，這才是在民用市場(chǎng)立于不敗之地的根本。

指紋識別技術(shù)類(lèi)型

指紋圖像的獲取技術(shù)主要有4種類(lèi)型：光學(xué)掃描設備(例如微型三棱鏡矩陣)、溫差感應式指紋傳感器、半導體指紋傳感器、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(xiàn)(指紋圖像中具有一定寬度和走向的紋線(xiàn))呈黑色、谷線(xiàn)(紋線(xiàn)之間的凹陷部分)呈白色的數字化的、可被指紋設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(cháng)時(shí)間的應用考驗，一定程度上適應溫度的變異，可達到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(cháng)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(huì )降低指紋圖像的質(zhì)量，嚴重時(shí)還可能導致2個(gè)指印重疊，顯然，難以滿(mǎn)足實(shí)際應用需要。此外，臺板涂層及CCD陣列會(huì )隨時(shí)間推移產(chǎn)生損耗，可能導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、對干濕手指的適用性差等缺點(diǎn)。

光學(xué)指紋識別系統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(hù)手指上粘了較多的灰塵，可能就會(huì )出現識別出錯的情況。并且，如果人們按照手指，做一個(gè)指紋手模，也可能通過(guò)識別系統，對于用戶(hù)而言，使用起來(lái)不是很安全和穩定。

如去年底發(fā)生的內蒙古監獄越獄案件，越獄犯人就是砍下獄警的手指驗證光學(xué)指紋機打開(kāi)監獄門(mén)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(mǎi)到硅膠指模，可以輕易地驗證通過(guò)光學(xué)指紋機，上班族專(zhuān)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，一般為半導體的幾倍甚至10倍大小，所以限制了其在小型設備上的應用。在類(lèi)似考勤機、門(mén)禁等大設備上使用沒(méi)有體積限制的問(wèn)題，但在U盤(pán)、移動(dòng)硬盤(pán)、手持設備上使用，體積成了最大的障礙。成本低一直以來(lái)被認為是光學(xué)傳感器的最大優(yōu)勢，但由于其制造過(guò)程一致性較難保證，隨著(zhù)以電容傳感器為代表的半導體傳感器的大規模發(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)量的半導體電容指紋傳感器。

溫差感應式識別技術(shù)

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

它的優(yōu)點(diǎn)是可在0.1s內獲取指紋圖像，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(cháng)，手指和芯片就處于相同的溫度了。

半導體硅感技術(shù)(電容式技術(shù))

20世紀90年代后期，基于半導體硅電容效應的技術(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(xiàn)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(guò)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(shí)數據，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。

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

半導體電容傳感器根據指紋的嵴和峪與半導體電容感應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)對每個(gè)像素點(diǎn)上的電容感應顆粒預先充電到某一參考電壓。當手指接觸到半導體電容指紋表現上時(shí)，因為嵴是凸起、峪是凹下，根據電容值與距離的關(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。因為嵴和峪對應的電容值不同，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據。

與光學(xué)設備多采用人工調整改善圖像質(zhì)量不同，電容傳感器采用自動(dòng)控制技術(shù)調節指紋圖像像素以及指紋局部范圍敏感程度，在不同環(huán)境下結合反饋信息生成高質(zhì)量圖像。由于提供了局部調整能力，即使對比度差的圖像(如手指壓得較輕的區域)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。

半導體電容指紋傳感器優(yōu)點(diǎn)為圖像質(zhì)量較好、一般無(wú)畸變、尺寸較小、易集成于各種設備。其發(fā)出的電子信號將穿過(guò)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的安全性。

半導體硅感技術(shù)最重要的優(yōu)點(diǎn)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(xiàn)的分辨率(較小的表面也導致成本的下降和能被集成到更小的設備中)。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(lèi)電子產(chǎn)品中使用，被稱(chēng)為光學(xué)以后的第二代指紋識別技術(shù)。

半導體電容指紋傳感器因制造工藝復雜，單位面積上傳感單元多，包含高端的，IC設計技術(shù)、大規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，如美國、歐洲、臺灣等地設計制造的。目前國內只有極少數廠(chǎng)家有能力生產(chǎn)半導體指紋傳感器。

但半導體硅感技術(shù)也有缺點(diǎn)，就是會(huì )受靜電干擾，但可以通過(guò)安裝時(shí)接地解決。以前成本較昂貴，近年來(lái)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)。如銀行金庫和監獄等高危安保場(chǎng)所安防門(mén)禁系統，采用半導體硅感識別技術(shù)的指紋機用于門(mén)禁前端活體指紋識別，代替傳統的密碼、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(wàn)無(wú)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(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(wú)損的程度(與醫學(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(shí)間會(huì )明顯地長(cháng)于前述兩類(lèi)產(chǎn)品，而且價(jià)格昂貴，也并不能做到活體指紋識別，所以目前使用稀少。