指紋采集設(shè)備相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展

孔會(huì)敏

（上海通用識(shí)別技術(shù)研究所，中國 上海 201112）

0 引言

隨著指紋識(shí)別技術(shù)的發(fā)展，由于唯一性和終身不變的特性，采用指紋特征進(jìn)行人員的身份識(shí)別成為國內(nèi)外的一種趨勢(shì)，指紋識(shí)別技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。作為指紋識(shí)別中的一項(xiàng)重要技術(shù)內(nèi)容，盡管四十多年前指紋采集設(shè)備就已問世，但直到近些年，大家對(duì)指紋采集設(shè)備的關(guān)注才逐漸加大。近年來，指紋采集設(shè)備市場(chǎng)飛速發(fā)展，體積在縮小，價(jià)格在降低，指紋系統(tǒng)被整合為諸如筆記本電腦、硬盤、鼠標(biāo)、鍵盤等電子設(shè)備的一部分。本文將圍繞設(shè)備類別、觸摸式與刮擦式的比較、活體檢測(cè)等內(nèi)容介紹指紋采集設(shè)備相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展。

1 指紋采集設(shè)備類別及發(fā)展

第一代采集設(shè)備使用的是光學(xué)技術(shù)，目前絕大多數(shù)采集設(shè)備屬于以下其中一種：光學(xué)的、晶體的和超聲波的。當(dāng)今使用的主要是是光學(xué)和晶體傳感器。由于體積緊湊，便于嵌入筆記本電腦、手機(jī)、智能卡等物體，晶體傳感器現(xiàn)在得到了廣泛應(yīng)用。

光學(xué)傳感器：光學(xué)傳感器的優(yōu)點(diǎn)包括經(jīng)受溫度變化、相當(dāng)?shù)偷某杀?、分辨率較高、較好的圖象質(zhì)量和更大傳感范圍。光學(xué)傳感器的缺點(diǎn)是尺寸大以及污垢、油脂等污染對(duì)光學(xué)傳感器的影響。

晶體傳感器：最初晶體傳感器的問世是為了克服光學(xué)傳感器的體積和成本問題。然而，考慮到設(shè)施的高安全性，需要較大的傳感區(qū)域，這樣事實(shí)上晶體傳感器的成本就不比光學(xué)傳感器低了。將物理信息轉(zhuǎn)換成電子信息的四種不同的晶體傳感器技術(shù)分別是：電容性的、熱量的、電場(chǎng)的和壓電的。

超聲波傳感器：在超聲波傳感器中，傳送器向手指?jìng)魉吐曇粜盘?hào)，接收器探測(cè)到在手指皮膚之間來回的回聲信號(hào)。用皮膚和空氣間聲音阻抗的不同來測(cè)量距離，這樣就獲得了指紋的圖象。這種傳感器的頻率范圍是20千赫到幾千兆赫。如要相互區(qū)分指紋，那就需要高頻率來獲得所需的信號(hào)差異。

事實(shí)證明，超聲波傳感器獲得圖象的準(zhǔn)確率要比市場(chǎng)上其它指紋傳感技術(shù)好。超聲波技術(shù)也是能反應(yīng)手指次表皮膚的幾種少有的技術(shù)中的一種，這樣能穿透臟物、油脂等。盡管超聲波傳感器被認(rèn)為也許是指紋技術(shù)中最精確的一種，但由于尺寸大、成本非常高，沒有被廣泛使用，而且，用超聲波傳感器獲取圖象需要耗時(shí)幾秒，時(shí)間較長。

2 觸摸式與刮擦式的比較

如今使用的大多數(shù)傳感器是接觸式。當(dāng)使用接觸式傳感器時(shí)，只要將手指放置在傳感器上保持幾秒鐘不動(dòng)就可以了，接觸式傳感器的使用者不需要培訓(xùn)。然而，接觸式傳感器也存在一些缺點(diǎn)：

（1）傳感器很快就會(huì)變臟，必須要進(jìn)行清潔。

（2）殘留指印的問題。國外研究表明，根據(jù)傳感技術(shù)的類型，有的可能會(huì)重新激活殘留在指紋傳感器上的指印。

（3）手指的旋轉(zhuǎn)是識(shí)別的另一個(gè)問題。一些比對(duì)算法不接受手指大角度的旋轉(zhuǎn)（例如超過20度）。

（4）傳感區(qū)域成本與尺寸的權(quán)衡。晶體傳感器這個(gè)問題尤其突出，成本主要取決于芯片模具的區(qū)域。

由于這些缺陷，一種新的傳感器問世了：刮擦式傳感器。刮擦式傳感器與手指一樣寬，但只有幾像素高。因此，刮擦式傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)，特別是對(duì)于晶體傳感器來說，是成本下降。掃描只包括縱向運(yùn)動(dòng)，在結(jié)束時(shí)，將先前所獲得的所有圖象進(jìn)行重組，得到指紋圖象。

刮擦式傳感技術(shù)最先問世時(shí)只與熱量傳感器相結(jié)合，但目前已經(jīng)在許多不同的傳感器中得到了應(yīng)用。與接觸式傳感器不同，刮擦式傳感器在使用過程中能夠保持很干凈，不存在殘留指印的現(xiàn)象，而且在大多數(shù)情況下，手指的旋轉(zhuǎn)也不是問題。但刮擦式傳感器也存在一些缺點(diǎn)，比如：

（1）使用前要進(jìn)行學(xué)習(xí)。在使用者習(xí)慣于正確掃描（沒有急劇的速度變化或不連貫）之前，需要做很多次嘗試。

（2）為能跟上掃描速度，界面必須能捕獲足夠多的指紋圖象層。

（3）從圖象層到指紋圖象的重整過程需要持續(xù)一段時(shí)間，有時(shí)會(huì)出錯(cuò)。

3 指紋采集儀的活體檢測(cè)技術(shù)

活體檢測(cè)是指系統(tǒng)在注冊(cè)、識(shí)別認(rèn)證過程中檢測(cè)樣品是否是活體。一些指紋識(shí)別系統(tǒng)的生產(chǎn)廠商也宣稱他們?cè)谙到y(tǒng)中具備活體檢測(cè)的能力。通常有兩種方法進(jìn)行活體檢測(cè)：（1）利用附加的部件獲取生命特征；（2）利用系統(tǒng)已捕獲的信息檢測(cè)生命特征。第一種方法的缺點(diǎn)是價(jià)格貴，體積大。第二種方法對(duì)算法要求比較高。目前比較常用的是第一種。只有在美國，過去的幾年中提出了許多基于生命特征的指紋采集設(shè)備中的活體檢測(cè)專利。這里將描述其中的一些方法。

溫度：表皮的溫度大約在20—30攝氏度，這種方法主要利用傳感器檢測(cè)表皮的溫度是否在正常范圍來進(jìn)行活體檢測(cè)。

光學(xué)特性：光學(xué)傳感器可以利用人體皮膚與其他材質(zhì)光學(xué)特性的比較作為一種活體檢測(cè)方法。這種特性包括在不同光照條件下的吸光、反射、散射和折射。

電阻：根據(jù)手指的濕度，皮膚電阻的范圍從幾千歐姆到幾百萬歐姆。由于有些人手指干燥而有些人潮濕，空氣條件和心理狀況等也會(huì)改變?nèi)梭w皮膚的濕度，因此皮膚電阻所允許的范圍會(huì)很大。

脈動(dòng)血氧：脈動(dòng)血氧在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域是用來測(cè)量病人動(dòng)脈血中血色素氧氣飽和度。脈動(dòng)血氧計(jì)也可以用來測(cè)量脈動(dòng)速率。涉及的技術(shù)基于兩個(gè)主要原理：（1）血色素根據(jù)氧化度以兩個(gè)不同的波長吸收光；（2）每一次脈搏跳動(dòng)時(shí)動(dòng)脈血的波動(dòng)量為吸收增加了跳動(dòng)成分。

ECG、脈搏血氧與溫度相結(jié)合：1998年的一項(xiàng)美國專利建議活體檢測(cè)中最好使用多個(gè)生物特征，并給出了許多非確定的生物測(cè)定參數(shù)，最適宜的是脈搏血氧、心電圖（ECG）和溫度傳感器相結(jié)合。

表皮下方的探測(cè)：人體的皮膚包括兩層：表皮和真皮。不僅可以在表皮找到指紋紋樣，也可以在兩層皮膚中間發(fā)現(xiàn)相同的紋樣，這就是此方法檢測(cè)所利用的原理。

[1]Federal Bureau of Investigation.The Seience of Fingerprint:classification an uses,United State,Empire Book,2001[Z].

[2]David M,Dario M,Anilk J,Salil P.Handbook of Fingerprint Recognition[Springer London Ltd.,2009[Z].