指纹识别技术的类型及原理解析

2011-02-21 10:36:00 来源:CPS中安网 作者:郑平
技术/方案频道文章B

[摘要] 生物识别技术是人体生物特征进行身份鉴别的技术。要求这些特征具有“人各有异”、“终身不变”和“随身携带”这三大特点。 常见的生物识别技术有:指纹识别、手掌识别、静脉识别、面像识别、虹膜识别、视网膜识别、声音识别、签名识别等等。

【安防知识网】生物识别技术是人体生物特征进行身份鉴别的技术。要求这些特征具有“人各有异”、“终身不变”和“随身携带”这三大特点。 常见的生物识别技术有:指纹识别、手掌识别、静脉识别、面像识别、虹膜识别、视网膜识别、声音识别、签名识别等等。

  几种常见生物识别技术优劣比较

  各种生物识别技术都分别有其优缺点,在此我们不一一详述,各种生物识别技术的对比如图1所示。从图1中可以清晰地得出结论——指纹识别技术是目前最成熟可靠的生物识别技术,而且应用也最广泛,性价比也是最高的。本文就指纹识别的几种常见技术进行解析比较,从而为用户在针对不同场合选择最合适的指纹机提供参考依据。

  

  ▲图1  各种生物识别技术的对比分析

  手指上的指纹表征了一个人的身份特征。指纹具有惟一性(随身携带、无法复制、人人不同、指指相异)。根据指纹学理论,将两个指纹分别匹配上12个特征时的相同几率仅为1/1050。因此,至今找不出两个指纹完全相同的人,即使相貌酷似的孪生兄弟姐妹,或同一个人的十指之间,指纹也存在明显差异。指纹的这一特点,为身份鉴定提供了客观依据。

  指纹识别技术发展历程

  指纹识别是一门古老的学科,1788年Mayer首次提出没有两个人的指纹完全相同,1823年Purkinie首次把指纹纹形分成9类,1889年Henry提出了指纹细节特征识别理论,奠定了现代指纹学的基础。但采用人工比对的方法,效率低、速度慢。20世纪60年代,开始用计算机图像处理和模式识别方法进行指纹分析,这就是自动指纹识别系统(简称AFIS)。20世纪70年代末80年代初,刑事侦察用自动指纹识别系统(Police AFIS,P AFIS)投入实际运用。20世纪90年代,AFIS进入民用,称为民用自动指纹识别系统(Civil AFIS,C AFIS)。

  每个人包括指纹在内的皮肤纹路在图案、断点和交叉点上各不相同,呈现惟一性且终生不变。据此,我们就可以把一个人同他的指纹对应起来,通过将他的指纹和预先保存的指纹数据进行比较,就可以验证它的真实身份,这就是指纹识别技术。

  指纹识别主要根据人体指纹的纹路、细节特征等信息对操作或被操作者进行身份鉴定,得益于现代电子集成制造技术和快速而可靠的算法研究,已经开始走入我们的日常生活,成为目前生物检测学中研究最深入、应用最广泛、发展最成熟的技术。

  指纹识别算法及技术特征

  与人工处理不同,一般的生物识别技术公司并不直接存储指纹的图像,而是使用不同的数字化算法在指纹图像上找到并比对指纹的特征。每个指纹都有几个独一无二、可测量的特征点,每个特征点都有大约500多个特征,我们的十个手指产生最少4900个独立可测量的特征,这足以说明指纹识别是一个更加可靠的鉴别方式。

  识别指纹主要从总体特征和局部特征这两个方面展开。

[nextpage]  总体特征

  总体特征是指那些用人眼直接就可以观察到的特征,包括纹形、模式区、核心点、三角点和纹数等。

  纹形:指纹专家在长期实践的基础上,根据脊线的走向与分布情况一般将指纹分为三大类——环型(loop,又称斗形)、弓形(arch)、螺旋形(whorl),如图2所示。其他指纹图案都是基于这三种基本图案衍生而成的。

  

  ▲图2  三种基本纹型图案

  模式区:即指纹上包括了总体特征的区域,从此区域就能够分辨出指纹是属于哪一种类型的。有的指纹识别算法只使用模式区的数据,有的则使用所取得的完整指纹。

  核心点:位于指纹纹路的渐进中心,它在读取指纹和比对指纹时作为参考点。许多算法是基于核心点的,即只能处理和识别具有核心点的指纹。

  三角点:位于从核心点开始的第一个分叉点或者断点,或者两条纹路会聚处、孤立点、折转处,或者指向这些奇异点。三角点提供了指纹纹路的计数跟踪的开始之处。

  纹数:即模式区内指纹纹路的数量。在计算指纹的纹路时,一般先连接核心点和三角点,这条连线与指纹纹路相交的数量即可认为是指纹的纹数。

  局部特征

  局部特征是指指纹上节点的特征,这些具有某种特征的节点称为细节特征或特征点。两枚指纹经常会具有相同的总体特征,但它们的细节特征,却不可能完全相同。指纹纹路并不是连续的、平滑笔直的,而是经常出现中断、分叉或转折。这些断点、分叉点和转折点就称为“特征点”,就是这些特征点提供了指纹惟一性的确认信息,其中最典型的是终结点和分叉点,其他还包括分歧点、孤立点、环点、短纹等。特征点的参数包括:方向(节点可以朝着一定的方向)、曲率(描述纹路方向改变的速度)、位置(节点的位置通过x/y坐标来描述,可以是绝对的,也可以是相对于三角点或特征点的)。

  指纹识别的过程及原理

  指纹识别技术主要涉及四个功能:读取指纹图像、提取特征、保存数据和比对。通过指纹读取设备读取到人体指纹的图像,然后要对原始图像进行初步的处理,使之更清晰,再通过指纹辨识软件建立指纹的特征数据。

  指纹识别过程

  指纹采样→指纹图像预处理→二值化处理→细化,纹路提取→细节特征提取→指纹匹配(即指纹库的查对)。如图3所示。

  

  ▲图3  指纹识别过程

[nextpage]  指纹图像的获取技术

  指纹图像的获取技术主要有4种类型:光学扫描设备(例如微型三棱镜矩阵)、温差感应式指纹传感器半导体指纹传感器、超声波指纹扫描。

  (1)光学识别技术

  借助光学技术采集指纹是历史最久远、使用最广泛的技术。将手指放在光学镜片上,手指在内置光源照射下,用棱镜将其投射在电荷耦合器件(CCD)上,进而形成脊线(指纹图像中具有一定宽度和走向的纹线)呈黑色、谷线(纹线之间的凹陷部分)呈白色的数字化的、可被指纹设备算法处理的多灰度指纹图像。

  光学的指纹采集技术有明显的优点: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,可达到500DPI的较高分辨率等,最主要是价格低廉。也有明显的缺点: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。

  光学指纹传感局限性体现于潜在指印方面(潜在指印是手指在台板上按完后留下的),不但会降低指纹图像的质量,严重时还可能导致2个指印重叠,显然,难以满足实际应用需要。此外,台板涂层及CCD阵列会随时间推移产生损耗,可能导致采集的指纹图像质量下降。但是具有无法进行活体指纹鉴别、对干湿手指的适用性差等缺点。

  光学指纹识别系统由于光不能穿透皮肤表层(死性皮肤层),所以只能够扫描手指皮肤的表面,或者扫描到死性皮肤层,但不能深入真皮层。在这种情况下,手指表面的干净程度,直接影响到识别的效果。如果,用户手指上粘了较多的灰尘,可能就会出现识别出错的情况。并且,如果人们按照手指,做一个指纹手模,也可能通过识别系统,对于用户而言,使用起来不是很安全和稳定。

  如去年底发生的内蒙古监狱越狱案件,越狱犯人就是砍下狱警的手指验证光学指纹机打开监狱门禁。还有近期各大媒体争相报道的,在淘宝网上花100元左右可以订做买到硅胶指模,可以轻易地验证通过光学指纹机,上班族专门用它代打指纹考勤。

  此外,光学传感器中存在棱镜,其体积较大,一般为半导体的几倍甚至10倍大小,所以限制了其在小型设备上的应用。在类似考勤机、门禁等大设备上使用没有体积限制的问题,但在U盘、移动硬盘、手持设备上使用,体积成了最大的障碍。成本低一直以来被认为是光学传感器的最大优势,但由于其制造过程一致性较难保证,随着以电容传感器为代表的半导体传感器的大规模发展,光学传感器的成本优势也已经不再明显。虽然大多数公司还在使用光学传感器,但其发展趋势是新颖的、高质量的半导体电容指纹传感器。

  (2)温差感应式识别技术

  温差感应式识别技术是基于温度感应的原理而制成的,每个像素都相当于一个微型化的电荷传感器,用来感应手指与芯片映像区域之间某点的温度差,产生一个代表图像信息的电信号。如图4所示。

  

  ▲图4  温差感应式指纹传感器的外型图

  它的优点是可在0.1s内获取指纹图像,而且传感器体积和面积最小,即目前通常所说的滑动式指纹识别仪就是采用该技术。缺点是:受制于温度局限,时间一长,手指和芯片就处于相同的温度了。

  (3)半导体硅感技术(电容式技术)

  20世纪90年代后期,基于半导体硅电容效应的技术趋于成熟。硅传感器成为电容的一个极板,手指则是另一极板,利用手指纹线的脊和谷相对于平滑的硅传感器之间的电容差,形成8bit的灰度图像。电容传感器发出电子信号,电子信号将穿过手指的表面和死性皮肤层,直达手指皮肤的活体层(真皮层),直接读取指纹图案。由于深入真皮层,传感器能够捕获更多真实数据,不易受手指表面尘污的影响,提高辨识准确率,有效防止辨识错误,如图5所示。

  

  ▲图5 半导体硅感技术指纹采集基本原理图

  半导体指纹传感器包括半导体压感式传感器、半导体温度感应传感器等,其中,应用最广泛的是半导体电容式指纹传感器。

[nextpage]  半导体电容传感器根据指纹的嵴和峪与半导体电容感应颗粒形成的电容值大小不同,来判断什么位置是嵴什么位置是峪。其工作过程是通过对每个像素点上的电容感应颗粒预先充电到某一参考电压。当手指接触到半导体电容指纹表现上时,因为嵴是凸起、峪是凹下,根据电容值与距离的关系,会在嵴和峪的地方形成不同的电容值。然后利用放电电流进行放电。因为嵴和峪对应的电容值不同,所以其放电的速度也不同。嵴下的像素(电容量高)放电较慢,而处于峪下的像素(电容量低)放电较快。根据放电率的不同,可以探测到嵴和峪的位置,从而形成指纹图像数据,如图6所示。

  

  ▲ 图6 半导体硅感技术处理后的指纹成像图

  与光学设备多采用人工调整改善图像质量不同,电容传感器采用自动控制技术调节指纹图像像素以及指纹局部范围敏感程度,在不同环境下结合反馈信息生成高质量图像。由于提供了局部调整能力,即使对比度差的图像(如手指压得较轻的区域)也能被有效检测到,并在捕捉瞬间为这些像素提高灵敏度,生成高质量指纹图像。

  半导体电容指纹传感器优点为图像质量较好、一般无畸变、尺寸较小、易集成于各种设备。其发出的电子信号将穿过手指的表面和死性皮肤层,达到手指皮肤的活体层(真皮层),直接读取指纹图案,从而大大提高了系统的安全性。

  半导体硅感技术最重要的优点是能够达到活体指纹识别。还可以在较小的表面上获得比光学技术更好的图像质量,在1cm×1.5cm的表面上获得200-300线的分辨率(较小的表面也导致成本的下降和能被集成到更小的设备中)。体积小、成本低,成像精度高,而且耗电量很小,因此非常适合在安全防范和高档消费类电子产品中使用,被称为光学以后的第二代指纹识别技术。

  半导体电容指纹传感器因制造工艺复杂,单位面积上传感单元多,包含高端的,IC设计技术、大规模集成电路制造技术、IC芯片封装技术等,所以电容指纹传感器几乎全部是由IC技术发达的国家或地区,如美国、欧洲、台湾等地设计制造的。目前国内只有极少数厂家有能力生产半导体指纹传感器。

  但半导体硅感技术也有缺点,就是会受静电干扰,但可以通过安装时接地解决。以前成本较昂贵,近年来成本大幅度下降,与光学传感器的成本日益接近,是目前最理想的指纹识别技术。如银行金库和监狱等高危安保场所安防门禁系统,采用半导体硅感识别技术的指纹机用于门禁前端活体指纹识别,代替传统的密码、刷卡、光学指纹机,从而真正做到身份识别的惟一性,确保万无一失。

  (4)超声波技术

  超声波指纹采集是一种新型技术,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,就可以区分指纹嵴与峪所在的位置。

  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,而且价格昂贵,也并不能做到活体指纹识别,所以目前使用稀少。

  结束语

  随着指纹识别技术的不断发展,质量高、功耗低、体积小的半导体传感器作为便携式产品极其重要的指纹图像采集手段,应用日益广泛,其市场规模以惊人速度飞速拓展。近期,美国Frost & Sul Uvan发布的指纹传感器市场调查结果表明:目前,在面向身份认证的指纹传感器中,传统型光学传感器优势越来越小,受半导体传感器技术进步和价格下降等因素的影响,半导体传感器的份额将逐渐增加,成为未来指纹采集技术的主流。但对于目前来说,用户在对于指纹机选型来说,不能简单地“一刀切”,最关键的一点是必须根据应用场所和实际需求来选择不同识别技术的指纹机。(作者单位:深圳市丽泽智能科技有限公司)

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[责任编辑:曹雪芹]

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