淺析四大指紋識(shí)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(zhǎng)后，指紋識(shí)別技術(shù)即將迎來(lái)一個(gè)跳躍性發(fā)展的黃金時(shí)期。專家們保守估計(jì)，未來(lái)5年，我國(guó)將有近百億元的市場(chǎng)等待著企業(yè)去開拓。目前，指紋識(shí)別主要應(yīng)用在考勤、門禁、保險(xiǎn)箱柜等領(lǐng)域，相信，隨著指紋識(shí)別技術(shù)的完善，還會(huì)廣泛的應(yīng)用在身份證，機(jī)動(dòng)車，家居等更多的領(lǐng)域。那么指紋識(shí)別圖像獲取的主要技術(shù)有哪些？

指紋識(shí)別

指紋識(shí)別技術(shù)是利用指紋的惟一性和穩(wěn)定性特征，集傳感器技術(shù)、生物技術(shù)、數(shù)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(shí)別技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

指紋識(shí)別技術(shù)的巨大市場(chǎng)前景，將對(duì)國(guó)際、國(guó)內(nèi)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(tǒng)行業(yè)大公司的無(wú)情競(jìng)爭(zhēng)。在這些巨無(wú)霸面前，現(xiàn)有中小公司很難說(shuō)有太多的競(jìng)爭(zhēng)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(tǒng)行業(yè)的公司或大資本在較短時(shí)間內(nèi)主導(dǎo)生物特征識(shí)別行業(yè)的局面。當(dāng)然，也不排除部分具有核心競(jìng)爭(zhēng)力的公司以“快魚吃慢魚”的方式成長(zhǎng)為新興的大公司。“大魚”與“快魚”并存，這也是每一個(gè)新興市場(chǎng)的必然結(jié)果。而競(jìng)爭(zhēng)的結(jié)果將會(huì)形成一個(gè)新興的大產(chǎn)業(yè)。

指紋識(shí)別技術(shù)的民用市場(chǎng)機(jī)會(huì)已經(jīng)存在，那么是不是已經(jīng)存在規(guī)模應(yīng)用的時(shí)機(jī)了呢？這取決于指紋產(chǎn)品的消費(fèi)意識(shí)、產(chǎn)品的穩(wěn)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(shí)別技術(shù)能否在民用領(lǐng)域規(guī)?；瘧?yīng)用，需要具備三個(gè)條件：受眾足夠的認(rèn)知度，產(chǎn)品品質(zhì)穩(wěn)定和良好服務(wù)和保證，產(chǎn)品的利潤(rùn)足夠大。

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

產(chǎn)品的穩(wěn)定性，要求指紋廠家具備對(duì)安防行業(yè)的較深刻了解，開發(fā)出的指紋產(chǎn)品必須是符合使用規(guī)范和滿足大多數(shù)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。有的用戶會(huì)表示，即使產(chǎn)品穩(wěn)定，價(jià)格不合適一樣不用！分析所得，走中端路線，揚(yáng)長(zhǎng)避短，發(fā)揮產(chǎn)品在市場(chǎng)終端的絕對(duì)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，這才是在民用市場(chǎng)立于不敗之地的根本。

指紋識(shí)別技術(shù)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(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(guò)較長(zhǎng)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(zhǎng)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(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(wú)法進(jìn)行活體指紋鑒別、對(duì)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(guò)識(shí)別系統(tǒng)，對(duì)于用戶而言，使用起來(lái)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(zhēng)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(guò)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(méi)有體積限制的問(wèn)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(lái)被認(rèn)為是光學(xué)傳感器的最大優(yōu)勢(shì)，但由于其制造過(guò)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(shì)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(shì)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(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(lái)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)。

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(shuō)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(zhǎng)，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(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(duì)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(guò)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。

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(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(duì)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?，根?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?duì)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(cè)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(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(duì)比度差的圖像(如手指壓得較輕的區(qū)域)也能被有效檢測(cè)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(wú)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(guò)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(guó)家或地區(qū)，如美國(guó)、歐洲、臺(tái)灣等地設(shè)計(jì)制造的。目前國(guó)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(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(shí)別技術(shù)。如銀行金庫(kù)和監(jiān)獄等高危安保場(chǎng)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(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(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(duì)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(duì)人體無(wú)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(duì)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(zhǎng)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。