【安防知識網(wǎng)】生物識別技術是人體生物特征進行身份鑒別的技術。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。 常見的生物識別技術有：指紋識別、手掌識別、靜脈識別、面像識別、虹膜識別、視網(wǎng)膜識別、聲音識別、簽名識別等等。

　　幾種常見生物識別技術優(yōu)劣比較

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

　　▲圖1? 各種生物識別技術的對比分析

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

　　指紋識別技術發(fā)展歷程

　　指紋識別是一門古老的學科，1788年Mayer首次提出沒有兩個人的指紋完全相同，1823年Purkinie首次把指紋紋形分成9類，1889年Henry提出了指紋細節(jié)特征識別理論，奠定了現(xiàn)代指紋學的基礎。但采用人工比對的方法，效率低、速度慢。20世紀60年代，開始用計算機圖像處理和模式識別方法進行指紋分析，這就是自動指紋識別系統(tǒng)(簡稱AFIS)。20世紀70年代末80年代初，刑事偵察用自動指紋識別系統(tǒng)(Police AFIS，P AFIS)投入實際運用。20世紀90年代，AFIS進入民用，稱為民用自動指紋識別系統(tǒng)(Civil AFIS，C AFIS)。

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

　　指紋識別主要根據(jù)人體指紋的紋路、細節(jié)特征等信息對操作或被操作者進行身份鑒定，得益于現(xiàn)代電子集成制造技術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中研究最深入、應用最廣泛、發(fā)展最成熟的技術。

　　指紋識別算法及技術特征

　　與人工處理不同，一般的生物識別技術公司并不直接存儲指紋的圖像，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。每個指紋都有幾個獨一無二、可測量的特征點，每個特征點都有大約500多個特征，我們的十個手指產(chǎn)生最少4900個獨立可測量的特征，這足以說明指紋識別是一個更加可靠的鑒別方式。

　　識別指紋主要從總體特征和局部特征這兩個方面展開。

[nextpage]　　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、三角點和紋數(shù)等。

　　紋形：指紋專家在長期實踐的基礎上，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：位于指紋紋路的漸進中心，它在讀取指紋和比對指紋時作為參考點。許多算法是基于核心點的，即只能處理和識別具有核心點的指紋。

　　三角點：位于從核心點開始的第一個分叉點或者斷點，或者兩條紋路會聚處、孤立點、折轉(zhuǎn)處，或者指向這些奇異點。三角點提供了指紋紋路的計數(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。在計算指紋的紋路時，一般先連接核心點和三角點，這條連線與指紋紋路相交的數(shù)量即可認為是指紋的紋數(shù)。

　　局部特征

　　局部特征是指指紋上節(jié)點的特征，這些具有某種特征的節(jié)點稱為細節(jié)特征或特征點。兩枚指紋經(jīng)常會具有相同的總體特征，但它們的細節(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、分叉點和轉(zhuǎn)折點就稱為“特征點”，就是這些特征點提供了指紋惟一性的確認信息，其中最典型的是終結(jié)點和分叉點，其他還包括分歧點、孤立點、環(huán)點、短紋等。特征點的參數(shù)包括：方向(節(jié)點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)點的位置通過x/y坐標來描述，可以是絕對的，也可以是相對于三角點或特征點的)。

　　指紋識別的過程及原理

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

　　指紋識別過程

　　指紋采樣→指紋圖像預處理→二值化處理→細化，紋路提取→細節(jié)特征提取→指紋匹配(即指紋庫的查對)。如圖3所示。

　　▲圖3 ?指紋識別過程

[nextpage]　　指紋圖像的獲取技術

　　指紋圖像的獲取技術主要有4種類型：光學掃描設備(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。

　　(1)光學識別技術

　　借助光學技術采集指紋是歷史最久遠、使用最廣泛的技術。將手指放在光學鏡片上，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、可被指紋設備算法處理的多灰度指紋圖像。

　　光學的指紋采集技術有明顯的優(yōu)點：它已經(jīng)過較長時間的應用考驗，一定程度上適應溫度的變異，可達到500DPI的較高分辨率等，最主要是價格低廉。也有明顯的缺點：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指紋產(chǎn)品的效果變壞。

　　光學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板上按完后留下的)，不但會降低指紋圖像的質(zhì)量，嚴重時還可能導致2個指印重疊，顯然，難以滿足實際應用需要。此外，臺板涂層及CCD陣列會隨時間推移產(chǎn)生損耗，可能導致采集的指紋圖像質(zhì)量下降。但是具有無法進行活體指紋鑒別、對干濕手指的適用性差等缺點。

　　光學指紋識別系統(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，直接影響到識別的效果。如果，用戶手指上粘了較多的灰塵，可能就會出現(xiàn)識別出錯的情況。并且，如果人們按照手指，做一個指紋手模，也可能通過識別系統(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證光學指紋機打開監(jiān)獄門禁。還有近期各大媒體爭相報道的，在淘寶網(wǎng)上花100元左右可以訂做買到硅膠指模，可以輕易地驗證通過光學指紋機，上班族專門用它代打指紋考勤。

　　此外，光學傳感器中存在棱鏡，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。在類似考勤機、門禁等大設備上使用沒有體積限制的問題，但在U盤、移動硬盤、手持設備上使用，體積成了最大的障礙。成本低一直以來被認為是光學傳感器的最大優(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體傳感器的大規(guī)模發(fā)展，光學傳感器的成本優(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。

　　(2)溫差感應式識別技術

　　溫差感應式識別技術是基于溫度感應的原理而制成的，每個像素都相當于一個微型化的電荷傳感器，用來感應手指與芯片映像區(qū)域之間某點的溫度差，產(chǎn)生一個代表圖像信息的電信號。如圖4所示。

　　▲圖4? 溫差感應式指紋傳感器的外型圖

　　它的優(yōu)點是可在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式指紋識別儀就是采用該技術。缺點是：受制于溫度局限，時間一長，手指和芯片就處于相同的溫度了。

　　(3)半導體硅感技術(電容式技術)

　　20世紀90年代后期，基于半導體硅電容效應的技術趨于成熟。硅傳感器成為電容的一個極板，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，電子信號將穿過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數(shù)據(jù)，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，如圖5所示。

　　▲圖5?半導體硅感技術指紋采集基本原理圖

　　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。

[nextpage]　　半導體電容傳感器根據(jù)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像素點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(xiàn)上時，因為嵴是凸起、峪是凹下，根據(jù)電容值與距離的關系，會在嵴和峪的地方形成不同的電容值。然后利用放電電流進行放電。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(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 半導體硅感技術處理后的指紋成像圖

　　與光學設備多采用人工調(diào)整改善圖像質(zhì)量不同，電容傳感器采用自動控制技術調(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。

　　半導體電容指紋傳感器優(yōu)點為圖像質(zhì)量較好、一般無畸變、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(tǒng)的安全性。

　　半導體硅感技術最重要的優(yōu)點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技術更好的圖像質(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電子產(chǎn)品中使用，被稱為光學以后的第二代指紋識別技術。

　　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、大規(guī)模集成電路制造技術、IC芯片封裝技術等，所以電容指紋傳感器幾乎全部是由IC技術發(fā)達的國家或地區(qū)，如美國、歐洲、臺灣等地設計制造的。目前國內(nèi)只有極少數(shù)廠家有能力生產(chǎn)半導體指紋傳感器。

　　但半導體硅感技術也有缺點，就是會受靜電干擾，但可以通過安裝時接地解決。以前成本較昂貴，近年來成本大幅度下降，與光學傳感器的成本日益接近，是目前最理想的指紋識別技術。如銀行金庫和監(jiān)獄等高危安保場所安防門禁系統(tǒng)，采用半導體硅感識別技術的指紋機用于門禁前端活體指紋識別，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的密碼、刷卡、光學指紋機，從而真正做到身份識別的惟一性，確保萬無一失。

　　(4)超聲波技術

　　超聲波指紋采集是一種新型技術，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，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)學診斷的強度相同)。超聲波技術產(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，但其采集時間會明顯地長于前述兩類產(chǎn)品，而且價格昂貴，也并不能做到活體指紋識別，所以目前使用稀少。

　　結(jié)束語

　　隨著指紋識別技術的不斷發(fā)展，質(zhì)量高、功耗低、體積小的半導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 & Sul Uvan發(fā)布的指紋傳感器市場調(diào)查結(jié)果表明：目前，在面向身份認證的指紋傳感器中，傳統(tǒng)型光學傳感器優(yōu)勢越來越小，受半導體傳感器技術進步和價格下降等因素的影響，半導體傳感器的份額將逐漸增加，成為未來指紋采集技術的主流。但對于目前來說，用戶在對于指紋機選型來說，不能簡單地“一刀切”，最關鍵的一點是必須根據(jù)應用場所和實際需求來選擇不同識別技術的指紋機。(作者單位：深圳市麗澤智能科技有限公司)