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指紋采集技術(shù)及其產(chǎn)品發(fā)展趨勢(shì)
摘要：隨著各類電子設(shè)備不斷進(jìn)入人們的日常工作和生活， 以及電子商務(wù)越來越廣泛的推廣應(yīng)用，需要有一個(gè)更可靠的系統(tǒng)來進(jìn)行身份認(rèn)證。生物識(shí)別技術(shù)已成為一種公認(rèn)的最為方便和安全的身份認(rèn)證技術(shù)。生物識(shí)別技術(shù)中的指紋識(shí)別技術(shù)發(fā)展最成熟、應(yīng)用也最廣泛。指紋圖像的采集技術(shù)是指紋識(shí)別中的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文分析比較了不同種類的指紋采集技術(shù)及其性能，并介紹了指紋采集技術(shù)的應(yīng)用情況及其產(chǎn)品發(fā)展趨勢(shì)。近年來，越來越多的個(gè)人、消費(fèi)者、公司和政府機(jī)關(guān)都認(rèn)為現(xiàn)有的基于智能卡、身份證號(hào)碼和密碼的身份識(shí)別系統(tǒng)很繁瑣而且并不十分可靠。生物識(shí)別技術(shù)為此提供了一個(gè)安全可靠的解決方案。生物識(shí)別技術(shù)根據(jù)人體自身的生理特征來識(shí)別個(gè)人的身份，這種技術(shù)是目前最為方便與安全的識(shí)別系統(tǒng)，它不需要你記住象身份證號(hào)碼和密碼，也不需隨身攜帶像智能卡之類的東西。
生物識(shí)別技術(shù)[1]包括虹膜識(shí)別技術(shù)、視網(wǎng)膜識(shí)別技術(shù)、面部識(shí)別技術(shù)、聲音識(shí)別技術(shù)、指紋識(shí)別技術(shù)[2]。其中指紋識(shí)別技術(shù)是目前最為成熟的、應(yīng)用也最為廣泛的生物識(shí)別技術(shù)。每個(gè)人的包括指紋在內(nèi)的皮膚紋路在圖案、斷點(diǎn)和交叉點(diǎn)上各不相同，也就是說，這些指紋特征是唯一的，并且終生不變。依靠這種唯一性和穩(wěn)定性，我們就可以把一個(gè)人同他的指紋對(duì)應(yīng)起來，通過比較他的指紋和預(yù)先保存的指紋進(jìn)行比較，就可以驗(yàn)證他的真實(shí)身份。
指紋識(shí)別系統(tǒng)[3]是通過指紋采集、分析和對(duì)比指紋特征來實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確的身份認(rèn)證。指紋識(shí)別系統(tǒng)框圖如圖1所示。
指紋采集器采集到指紋圖像后，才能被計(jì)算機(jī)進(jìn)行識(shí)別、處理。指紋圖像的質(zhì)量會(huì)直接影響到識(shí)別的精度以及指紋識(shí)別系統(tǒng)的處理速度，因此指紋采集技術(shù)是指紋識(shí)別系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文著重分析比較不同的指紋采集技術(shù)及其性能。
1 指紋采集技術(shù)
指紋的表面積相對(duì)較小，日常生活中手指常常會(huì)受到磨損，所以獲得優(yōu)質(zhì)的指紋細(xì)節(jié)圖像是一項(xiàng)十分復(fù)雜的工作。當(dāng)今所使用的主要指紋采集技術(shù)有光學(xué)指紋采集技術(shù)，半導(dǎo)體指紋采集技術(shù)和超聲波指紋采集技術(shù)。
1．1 光學(xué)指紋圖像采集技術(shù)
光學(xué)指紋采集技術(shù)是最古老也是目前應(yīng)用最廣泛的指紋采集技術(shù)，光學(xué)指紋采集設(shè)備始于1971年，其原理是光的全反射(FTIR)。光線照到壓有指紋的玻璃表面，反射光線由CCD去獲得，反射光的量依賴于壓在玻璃表面指紋的脊和谷的深度以及皮膚與玻璃間的油脂和水分。光線經(jīng)玻璃照射到谷的地方后在玻璃與空氣的界面發(fā)生全反射，光線被反射到CCD，而射向脊的光線不發(fā)生全反射，而是被脊與玻璃的接觸面吸收或者漫反射到別的地方，這樣就在CCD上形成了指紋的圖像。如圖2所示。
光學(xué)采集設(shè)備有著許多優(yōu)勢(shì)：它經(jīng)歷了長(zhǎng)時(shí)間實(shí)際應(yīng)用的考驗(yàn)，能承受一定程度溫度變化，穩(wěn)定性很好，成本相對(duì)較低，并能提供分辨率為500dpi的圖像。
光學(xué)采集設(shè)備也有不足之處，主要表現(xiàn)在圖像尺寸和潛在指印兩個(gè)方面。臺(tái)板必須足夠大才能獲得質(zhì)量較好的圖像。潛在指印是手指在臺(tái)板上按完后留下的，這種潛在指印降低了指紋圖像的質(zhì)量。嚴(yán)重的潛在指印會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)指印的重疊。另外臺(tái)板上的涂層(膜)和CCD陣列隨著時(shí)間的推移會(huì)有損耗，精確度會(huì)降低。
隨著光學(xué)設(shè)備技術(shù)的革新，光學(xué)指紋采集設(shè)備的體積也不斷減小�，F(xiàn)在傳感器可以裝在6x3x6英寸的盒子里，在不久的將來更小的設(shè)備是3x1X1英寸。這些進(jìn)展得益于多種光學(xué)技術(shù)的發(fā)展。例如：可以利用纖維光束來獲取指紋圖像。纖維光束垂直照射到指紋的表面，他照亮指紋并探測(cè)反射光。另一個(gè)方案是把含有一微型三棱鏡矩陣的表面安裝在彈性的平面上，當(dāng)手指壓在此表面上時(shí)，由于指紋脊和谷的壓力不同而改變了微型三棱鏡的表面，這些變化通過三棱鏡光的反射而反映出來。
美國(guó)DigitaIPersona[4]公司推出的U．a(chǎn)re．U系列光學(xué)指紋采集器是目前應(yīng)用比較廣泛的光學(xué)指紋采集器，主要用于用戶登錄計(jì)算機(jī)windows系統(tǒng)時(shí)確認(rèn)身份，它集成了精密光學(xué)系統(tǒng)、LED光源和CMOS攝像頭協(xié)同工作，具有三維活體特點(diǎn)，能夠接受各個(gè)方向輸入的指紋，即使旋轉(zhuǎn)180度亦可接受，是目前市場(chǎng)上最安全的光學(xué)指紋識(shí)別系統(tǒng)之一。U．a(chǎn)re．U光學(xué)指紋采集器按照人體工學(xué)設(shè)計(jì)，帶有USB接口，是用戶桌面上緊鄰鍵盤的新型智能化外設(shè)。
1．2 半導(dǎo)體指紋采集技術(shù)
半導(dǎo)體傳感器是1998年在市場(chǎng)上才出現(xiàn)的，這些含有微型晶體的平面通過多種技術(shù)來繪制指紋圖像。
(1)硅電容指紋圖像傳感器
這是最常見的半導(dǎo)體指紋傳感器，它通過電子度量來捕捉指紋。在半導(dǎo)體金屬陣列上能結(jié)合大約100，000個(gè)電容傳感器，其外面是絕緣的表面。傳感器陣列的每一點(diǎn)是一個(gè)金屬電極，充當(dāng)電容器的一極，按在傳感面上的手指頭的對(duì)應(yīng)點(diǎn)則作為另一極，傳感面形成兩極之間的介電層。由于指紋的脊和谷相對(duì)于另一極之間的距離不同(紋路深淺的存在)，導(dǎo)致硅表面電容陣列的各個(gè)電容值不同，測(cè)量并記錄各點(diǎn)的電容值，就可以獲得具有灰度級(jí)的指紋圖像。
(2)半導(dǎo)體壓感式傳感器
其表面的頂層是具有彈性的壓感介質(zhì)材料，它們依照指紋的外表地形(凹凸)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電子信號(hào)，并進(jìn)一步產(chǎn)生具有灰度級(jí)的指紋圖像。
(3)半導(dǎo)體溫度感應(yīng)傳感器
它通過感應(yīng)壓在設(shè)備上的脊和遠(yuǎn)離設(shè)備的谷溫度的不同就可以獲得指紋圖像。
半導(dǎo)體指紋傳感器采用了自動(dòng)控制技術(shù)(AGC技術(shù))，
能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)指紋圖像像素行以及指紋局部范圍的敏感程度，在不同的環(huán)境下結(jié)合反饋的信息便可產(chǎn)生高質(zhì)量的圖像。例如，一個(gè)不清晰(對(duì)比度差)的圖像，如干燥的指紋，都能夠被感覺到，從而可以增強(qiáng)其靈敏度，在捕捉的瞬間產(chǎn)生清晰的圖像(對(duì)比度好)；由于提供了局部調(diào)整的能力，圖像不清
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