【文章內容簡介】 放在數(shù)據(jù)庫中的指紋特征數(shù)據(jù)進行模式匹配，計算出它們的相似程度，最終得到兩個指紋的匹配結果，根據(jù)匹配結果來鑒別用戶身份。總之，指紋識別技術首先通過讀取指紋圖像，然后用計算機識別軟件提取指紋的特征數(shù)據(jù)，最好通過匹配識別算法得到識別結果。其基本原理框圖如圖 22 所示。沈陽建筑大學城市建設學院畢業(yè)設計（論文） 10圖 22 指紋識別原理框圖 指紋采集技術指紋采集技術的發(fā)展經過了較長的歷史時期。其過程也受傳感技術的發(fā)展影響和推動。指紋采集技術有兩種采集模式，一種是在被采集人已知的狀況下，實施的主動式采集。另一種是在被采集人未知的狀況下，如刑偵現(xiàn)場，通過各種化學的、物理的方式顯影指紋并采集的過程。這種方式一般稱為現(xiàn)場指紋提取，并涉及指紋分離的過程。第一代指紋采集技術采用“按壓留痕” 的方式來采集指紋，利用的是指紋 “觸物留痕”的特性。這一時期主要通過“油墨－指紋卡” 的方式采集。第二代指紋采集技術采用自動化、數(shù)字化的采集方式。指紋數(shù)據(jù)以數(shù)字信息表示和存儲。指紋采集原理和過程：指紋采集的過程本質上是指紋成像的過程。其原理是根據(jù)嵴與峪的幾何特性、物理特征和生物特性的不同，以得到不同的反饋信號，根據(jù)反饋信號的量值來繪成指紋圖像。指紋的幾何特性是指在空間上嵴是突起的，峪是凹下的。嵴與嵴相交、相連、分開會表現(xiàn)為一些幾何圖案。指紋的生物特性是指嵴和峪的導電性不同，與空氣之間形成的介電常數(shù)不同、溫度不同等。指紋的物理特性是指嵴和峪著力在水平面上時，對接觸面形成的壓力不同、對波的阻抗不同等。指紋采集的方法有兩種，一種是由指紋采集器件主動向手指發(fā)出探測信號，然后分析反饋信號，以形成指紋嵴與峪的圖案。如光學采集和射頻（RF）采集屬于主動式采集。另一種是指紋采集器件是被動感應的方式。當手指放置到指紋采集設備上時，因為指紋嵴和峪的物理特性或生物特性的不同，會形成不同的感應信號，然后分析感應信號的量值來形成指紋圖案。如熱敏采集、半導體電容采集和半導體壓感采集屬于第二種。對指紋采集設備來講，一般經過“感知手指” 、 “圖像拍照”“質量判斷與自動調整”三個主要過程。考慮到設備功耗，在無手指接觸時，采集設備處在休眠狀態(tài)。當手指接觸到采集設備時，采集器會迅速感知到手指的接觸并切換到工作狀態(tài)。對于半導體類指紋采集設備大多具有這種敏銳的指紋察覺技術。有的時候還會根據(jù)手指特有的生理沈陽建筑大學城市建設學院畢業(yè)設計（論文） 11表現(xiàn)，來判斷是否為真實的手指，如果用手背等其它膚紋來接觸采集設備，會被拒絕。隨著活體采集技術的研究進展，指紋采集設備還會判別是否為活體手指，這可以通過檢測手指的活體特性（如出汗、血液流動、導電性等）來實現(xiàn)。“圖像拍照”是采集過程的關鍵步驟。指紋采集器件以每秒幾十幀甚至幾百幀的速度來產生指紋圖像。對于主動式采集的器件，會通過器件內部的控制電路發(fā)出探測信號，如光、RF、超聲波，然后根據(jù)嵴與峪對探測信號的反饋值的大小，來形成指紋圖像。對于感應式采集的器件，根據(jù)感應到的嵴與峪所形成的信號大小來繪制指紋圖像。每次形成的指紋圖像，采集器件內部的控制系統(tǒng)會判斷圖像質量。如果圖像質量過低，不能達到預先設定的質量要求，會通過 AGC 自動增益電路，增加探測信號或感應信號的強度，以達到理想的取圖效果。部分廠商的指紋采集器件，在采集過程中，能針對干濕手指作自動適應，以適應不同類型手指的用戶。理想情況下，如果在采集過程中外界噪聲足夠小，得到的指紋圖像則是干凈的、真實的。現(xiàn)實情況是，由于手指表面脫皮的影響、污漬的影響、設備采集面的不干凈等多種因素影響，所以一般還需對采集到的指紋圖像進行處理。 指紋傳感器指紋傳感器介紹：指紋傳感器（又稱指紋 Sensor）是實現(xiàn)指紋自動采集的關鍵器件。指紋傳感器按傳感原理，即指紋成像原理和技術，分為光學指紋傳感器、半導體電容傳感器、半導體熱敏傳感器、半導體壓感傳感器、超聲波傳感器和射頻 RF 傳感器等。指紋傳感器的制造技術是一項綜合性強、技術復雜度高、制造工藝難的高新技術。半導體指紋傳感器因其制造工藝復雜，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，所以半導體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。一顆不足 平方厘米的晶片表面集成了 10000 個以上的半導體傳感單元。內部還包括了自動增益電路和邏輯控制芯片，以及串行、并行、USB 等接口電路。目前半導體指紋傳感器的靈敏度高，分辨率也達到了 500dpi 或以上。其功能已經突破了單一的傳感能力，加上軟件配合，可以用做全向導航器。沈陽建筑大學城市建設學院畢業(yè)設計（論文） 12半導體指紋傳感器目前朝小型化方向發(fā)展。2022 年以前以 1 平方厘米見方的方型為主，目前多為滑動式 SWIPE 芯片。全球最小的滑動式采集芯片只有 12x5 mm,是由Authentec 最近推出的 1610。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，所以光學指紋傳感器也出現(xiàn)了滑動式的。指紋傳感器的選擇：指紋傳感器是指紋采集設備中的核心器件。如何在產品設計中作好傳感器的選型是產品開發(fā)重要的一環(huán)。指紋傳感器是指紋圖像的自動采集和生成部分，是指紋識別產品的數(shù)據(jù)輸入端。絕大多數(shù)指紋傳感器通過光學掃描、半導體熱敏、半導體電容等三種主要傳感技術采集指紋圖像。衡量一個指紋傳感器的性能好壞，主要看以下幾個方面。（1） 成像質量指紋傳感器成像質量是衡量指紋傳感器性能的首要指標。成像質量主要表現(xiàn)為對指紋圖像的還原能力和去噪能力。性能良好的指紋傳感器產生的圖像失真 和形變非常小，后續(xù)圖像處理時可以忽略不計。分辨率是影響成像質量的第二個關鍵因素。分辨率越高，也就是單位面積上傳感單越多，其獲得的指紋圖像就越細致真實。 （2） 對不同類型手指的適用能力由于不同手指指紋的紋路深淺不同，干濕度不同，污漬程度不同，老化程度不同。指紋傳感器需要能夠對所有這些情況有效兼容，是其適用能力的表現(xiàn)。當然不是所有指紋傳感器都對這些類型手指作到一網(wǎng)打盡 式的兼容，在選擇指紋傳感器時，需要針對應用場合的不同來選擇。沈陽建筑大學城市建設學院畢業(yè)設計（論文） 13圖 23 指紋采集圖（3） 圖像采集速度第三看采集速度。采集速度表現(xiàn)為從手指放到傳感器接觸面后多長時間內完成一次指紋采集的時間，或者單位時間內可以采集的次數(shù)。指紋采集速度的快慢直接影響到用戶的使用體驗。（4） 電氣特性電氣特性是從產品化的角度考慮指紋傳感器是否真正可用于某種產品。電氣特性主要關注兩個參數(shù)，工作電壓和功耗。如把指紋傳感器應用到手機上，必然要考慮手機的現(xiàn)有供電方式能否滿足增加了指紋傳感器后的電壓和功耗的要求。大部分指紋SENOSR 的電壓都在 以下（含） 。（5） 硬件接口硬件接口能力也是從產品化的角度來衡量指紋傳感器的。硬件接口能力直接影響指紋圖像數(shù)據(jù)的傳送方式，影響著與指紋處理模塊之間的通訊方式和通訊速度。目前USB 接口已經成為外設與主機通訊的最主要方式，已具備 USB 接口能力的指紋傳感器，沈陽建筑大學城市建設學院畢業(yè)設計（論文） 14可以直接與 USB 端口相連。而沒有 USB 接口的，就需要通過 USB 控制器來實現(xiàn)，給產品化增加一道技術門檻。（6） 應用程序接口（SDK）應用程序接口能力用于描述指紋傳感器的功能，也就是與指紋傳感器配套使用的程序接口的功能。一般在這些接口中定義了上層應用如何啟動或終止指紋傳感，以及如何控制指紋傳感器的數(shù)據(jù)傳輸。包括發(fā)送指紋傳感器初始化命令，要求指紋傳感器開始或停止捕獲指紋圖像的命令，以及詢問手指是在采集設備表面、甚至可以驅動指紋傳感器判斷待掃描物體是否為指紋。對于滑動式（SWIPE）指紋采集芯片來講，還包括指紋重構（拼接）的命令接口等。當指紋傳感器用于嵌入式產品開發(fā)中時，嵌入式開發(fā)包（EDK）的能力是考查指紋傳感器能力的重要方面之一。（7） 使用壽命在考查指紋傳感器使用壽命時，一是從器件本身的衰變考慮，二是從指紋采集面的防磨損防腐蝕能力考慮。一般的光學采集表面比較怕磨損刮擦，而半導體傳感的表面，都有堅固的涂層，保護芯片避免劃傷。部分半導體指紋傳感器表面可以用手指正常刮擦 1000 萬次以上。對于需要經常在露天使用的指紋傳感器，防腐蝕性能是需要重點考慮的。（8） 可裝配性指紋傳感的體積、外形和封裝，以及使用對象（如勞工、軍人與 OFFICE 人員指紋的區(qū)別） ，對產品設計和生產也會產生較大影響。在進行指紋傳感器選型時，這些都需要綜合考慮。（9） 附加功能部分半導體指紋傳感器除了具備指紋圖像采集能力之外，還能夠感知手指的移動方向、手指的點擊方式（單擊雙擊） ，這被稱之為導航能力?？梢酝ㄟ^與軟件配合來實現(xiàn)。筆者見過的一款導航能力非凡的指紋傳感器，可以非常靈活的玩貪吃蛇游戲。有的指紋傳感器，如 Atmel 和 Authentec 的，可以提供指紋特征值的模板訪問接口。這些都是除了基本功能之外，指紋傳感器廠商附加的功能。這些都為特殊需求場合而準備的。 指紋識別技術步驟由指紋識別的基本原理可知，指紋技術主要經過以下 4 個步驟：指紋圖像的獲取、沈陽建筑大學城市建設學院畢業(yè)設計（論文） 15指紋圖像的預處理、指紋特征的提取和指紋特征匹配。下面將對指紋識別技術的每個步驟做詳細論述。（1）指紋圖像的獲取。獲取指紋圖像的設備可分為三類：光學、硅晶體傳感器和其他。光學取像設備應用的歷史最久，它依據(jù)的是光的全反射原理。應用晶體傳感器是最近在市場上才出現(xiàn)的，這些含有微型晶體的平面通過多種技術來繪制指紋圖像。電容傳感器就是其中的一種，它通過電子度量被設計來捕獲指紋圖像。電容設備能結合大約 100 000 導體金屬陣列的傳感器，其外面是絕緣的表面，當用戶的手指放在上面時，皮膚組成了電容陣列的另一面。電容器的電容值由于金屬間的距離而變化，這里指的是脊（近的）和谷（遠的）之間的距離。除了以上兩類，超聲波掃描被認為是指紋取像技術中非常好的一類，但價格太高、體積偏大。一般采集到的指紋圖像都是存成 256 級灰度的圖像。（2）指紋圖像預處理。為了得到比較準確的指紋特征點，指紋圖像預處理一般要經過圖像增強（濾波去掉噪聲） 、計算方向圖、二值化和細化等過程。圖像增強。一般來說，剛獲得的指紋圖像都有很多噪聲，比如，手指被弄臟，手指有疤痕、太干、太濕或撕破等，所以如何在獲取指紋圖像之后，有效地過濾圖像噪聲是指紋識別技術中的難題之一。通過圖像增強可以過濾噪聲，增強脊和谷的對比度。圖像增強的方法有很多，但大多數(shù)是通過過濾圖像與脊局部方向相匹配。圖像首先被分成幾個小區(qū)域（窗口） ，并在每個區(qū)域上計算出脊的局部方向來決定方向圖，可以由空間域處理，或經過快速二維傅里葉變換后的頻域處理來得到每個小窗口上的局部方向。然后設計合適的，相匹配的濾鏡，使之適用于圖像上所有的像素（空間場是其中的一個） 。依據(jù)每個像素處脊的局部走向，濾鏡應增強在同一方向脊的走向，并且在同一位置，減弱任何不同于脊的方向。由于后者含有橫跨脊的噪聲，所以其垂直于脊的局部方向上的那些不正確的“橋”會被濾鏡過濾掉。計算方向圖：沈陽建筑大學城市建設學院畢業(yè)設計（論文） 16方向圖描述了指紋圖像中每一像素點所在脊線或谷線在該點的切線方向，作為一種可直接從源灰度圖像中得到的有用信息，它的計算一直是指紋識別技術中必不可少的一步。方向圖也可以看做是原始指紋源圖像的一種變換表示方法，即用紋線上某點的方向來表示該紋線的方向。一般有兩種方向圖：一種是點方向圖，表示原始指紋圖像中每一像素點脊線的方向，另一種是塊方向圖，表示原始指紋圖像中某點區(qū)域所有元素的平均方向。計算方向圖的基本思想是：在原始灰度指紋圖像中計算每一點（或每一塊）在各個方向上的某個統(tǒng)計量（如灰度差、梯度等） ，根據(jù)這些統(tǒng)計量