指紋采集技術及其產品發(fā)展趨勢

摘要：隨著各類電子設備不斷進入人們的日常工作和生活， 以及電子商務越來越廣泛的推廣應用，需要有一個更可靠的系統(tǒng)來進行身份認證。生物識別技術已成為一種公認的最為方便和安全的身份認證技術。生物識別技術中的指紋識別技術發(fā)展最成熟、應用也最廣泛。指紋圖像的采集技術是指紋識別中的關鍵技術之一。本文分析比較了不同種類的指紋采集技術及其性能，并介紹了指紋采集技術的應用情況及其產品發(fā)展趨勢。

近年來，越來越多的個人、消費者、公司和政府機關都認為現(xiàn)有的基于智能卡、身份證號碼和密碼的身份識別系統(tǒng)很繁瑣而且并不十分可靠。生物識別技術為此提供了一個安全可靠的解決方案。生物識別技術根據人體自身的生理特征來識別個人的身份，這種技術是目前最為方便與安全的識別系統(tǒng)，它不需要你記住象身份證號碼和密碼，也不需隨身攜帶像智能卡之類的東西。

生物識別技術[1]包括虹膜識別技術、視網膜識別技術、面部識別技術、聲音識別技術、指紋識別技術[2]。其中指紋識別技術是目前最為成熟的、應用也最為廣泛的生物識別技術。每個人的包括指紋在內的皮膚紋路在圖案、斷點和交叉點上各不相同，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，我們就可以把一個人同他的指紋對應起來，通過比較他的指紋和預先保存的指紋進行比較，就可以驗證他的真實身份。

指紋識別系統(tǒng)[3]是通過指紋采集、分析和對比指紋特征來實現(xiàn)快速準確的身份認證。指紋識別系統(tǒng)框圖如圖1所示。

指紋采集器采集到指紋圖像后，才能被計算機進行識別、處理。指紋圖像的質量會直接影響到識別的精度以及指紋識別系統(tǒng)的處理速度，因此指紋采集技術是指紋識別系統(tǒng)的關鍵技術之一。本文著重分析比較不同的指紋采集技術及其性能。

1 指紋采集技術

指紋的表面積相對較小，日常生活中手指常常會受到磨損，所以獲得優(yōu)質的指紋細節(jié)圖像是一項十分復雜的工作。當今所使用的主要指紋采集技術有光學指紋采集技術，半導體指紋采集技術和超聲波指紋采集技術。

1．1 光學指紋圖像采集技術

光學指紋采集技術是最古老也是目前應用最廣泛的指紋采集技術，光學指紋采集設備始于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。

光學采集設備有著許多優(yōu)勢：它經歷了長時間實際應用的考驗，能承受一定程度溫度變化，穩(wěn)定性很好，成本相對較低，并能提供分辨率為500dpi的圖像。

光學采集設備也有不足之處，主要表現(xiàn)在圖像尺寸和潛在指印兩個方面。臺板必須足夠大才能獲得質量較好的圖像。潛在指印是手指在臺板上按完后留下的，這種潛在指印降低了指紋圖像的質量。嚴重的潛在指印會導致兩個指印的重疊。另外臺板上的涂層(膜)和CCD陣列隨著時間的推移會有損耗，精確度會降低。

隨著光學設備技術的革新，光學指紋采集設備的體積也不斷減小。現(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備是3x1X1英寸。這些進展得益于多種光學技術的發(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，他照亮指紋并探測反射光。另一個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，當手指壓在此表面上時，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DigitaIPersona[4]公司推出的U．are．U系列光學指紋采集器是目前應用比較廣泛的光學指紋采集器，主要用于用戶登錄計算機windows系統(tǒng)時確認身份，它集成了精密光學系統(tǒng)、LED光源和CMOS攝像頭協(xié)同工作，具有三維活體特點，能夠接受各個方向輸入的指紋，即使旋轉180度亦可接受，是目前市場上最安全的光學指紋識別系統(tǒng)之一。U．are．U光學指紋采集器按照人體工學設計，帶有USB接口，是用戶桌面上緊鄰鍵盤的新型智能化外設。

1．2 半導體指紋采集技術

半導體傳感器是1998年在市場上才出現(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。

(1)硅電容指紋圖像傳感器

這是最常見的半導體指紋傳感器，它通過電子度量來捕捉指紋。在半導體金屬陣列上能結合大約100，000個電容傳感器，其外面是絕緣的表面。傳感器陣列的每一點是一個金屬電極，充當電容器的一極，按在傳感面上的手指頭的對應點則作為另一極，傳感面形成兩極之間的介電層。由于指紋的脊和谷相對于另一極之間的距離不同(紋路深淺的存在)，導致硅表面電容陣列的各個電容值不同，測量并記錄各點的電容值，就可以獲得具有灰度級的指紋圖像。

(2)半導體壓感式傳感器

其表面的頂層是具有彈性的壓感介質材料，它們依照指紋的外表地形(凹凸)轉化為相應的電子信號，并進一步產生具有灰度級的指紋圖像。

(3)半導體溫度感應傳感器

它通過感應壓在設備上的脊和遠離設備的谷溫度的不同就可以獲得指紋圖像。

半導體指紋傳感器采用了自動控制技術(AGC技術)，能夠自動調節(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)境下結合反饋的信息便可產生高質量的圖像。例如，一個不清晰(對比度差)的圖像，如干燥的指紋，都能夠被感覺到，從而可以增強其靈敏度，在捕捉的瞬間產生清晰的圖像(對比度好)；由于提供了局部調整的能力，圖像不清晰(對比度差)的區(qū)域也能夠被檢測到(如：手指壓得較輕的地方)，并在捕捉的瞬間為這些像素提高靈敏度。

    半導體指紋采集設備可以獲得相當精確的指紋圖像，分辨率可高達600dpi，并且指紋采集時不需要象光學采集設備那樣，要求有較大面積的采集頭。由于半導體芯片的體積小巧，功耗很低，可以集成到許多現(xiàn)有設備中，這是光學采集設備所無法比擬的，現(xiàn)在許多指紋識別系統(tǒng)研發(fā)工作都采用半導體采集設備來進行。早期半導體傳感器最主要的弱點在于：容易受到靜電的影響，使得傳感器有時會取不到圖像，甚至會被損壞，手指的汗液中的鹽分或者其他的污物，以及手指磨損都會使半導體傳感器的取像很困難。另外，它們并不象玻璃一樣耐磨損，從而影響使用壽命。隨著各種工藝技術的不斷發(fā)展，芯片的防靜電性能和耐用度得到了很大的改善。

從Lucent公司中分離出來的Veridicom[5]公司，從1997年開始就一直致力于半導體指紋采集技術的研發(fā)，迄今已研制出FPSll0、FPS200等系列CMOS指紋傳感器產品，并被一些商品化的指紋識別系統(tǒng)所采用。其核心技術是基于高可靠性硅傳感器芯片設計。

FPS200是Veridicom公司在吸收了已廣泛應用的FPSll0系列傳感器優(yōu)點的基礎上，推出的新一代指紋傳感器。FPS200[6]表面運用Vefidicom公司專利技術而制成，堅固耐用，可防止各種物質對芯片的劃傷、腐蝕、磨損等，F(xiàn)PS200能承受超過8KV的靜電放電(ESD)，因此FPS200可應用在苛刻的環(huán)境下。該產品融合了指紋中不同的脊、谷及其他紋理信息，通過高可靠性硅傳感器芯片的圖像搜索功能，無論手指是干燥、潮濕、粗糙都可以從同一手指采集的多幅指紋圖像中選擇一幅最佳圖像保存在內存中，指紋分辨率可達500dpi，大大降低了傳感器芯片識別過程中誤接受與誤拒絕情況的發(fā)生。

FPS200是第一個內置三種通信接口的指紋設備：USB口、微處理器單元接口(MCU)、串行外設接口(Sn)，這使得FPS200可以與各種類型的設備連接，甚至不需要外部接口設備的支持。外形封裝尺寸(24mmx24mmxl．4mm)，只有普通郵票大小。由于它的高性能、低功耗、低價格、小尺寸，可以很方便地集成到各種Intemet設備，如：便攜式電腦、個人數(shù)字助理(PDA)、移動電話等。

1．3 超聲波指紋圖像采集技術

Ultra-scan公司首開超聲波指紋圖像采集設備產品先河。超聲波指紋圖像采集技術被認為是指紋采集技術中最好的一種，但在指紋識別系統(tǒng)中還不多見，成本很高，而且還處于實驗室階段。超聲波指紋取像的原理是：當超聲波掃描指紋的表面，緊接著接收設備獲取的其反射信號，由于指紋的脊和谷的聲阻抗的不同，導致反射回接受器的超聲波的能量不同，測量超聲波能量大小，進而獲得指紋灰度圖像。積累在皮膚上的臟物和油脂對超聲波取像影響不大。所以這樣獲取的圖像是實際指紋紋路凹凸的真實反映。

總之，這幾種指紋采集技術都具有它們各自的優(yōu)勢，也有各自的缺點。超聲波指紋圖像采集技術由于其成本過高，還沒有應用到指紋識別系統(tǒng)中。通常半導體傳感器的指紋采集區(qū)域小于1平方英寸，光學掃描的指紋采集區(qū)域等于或大于1平方英寸，可以根據實際需要來選擇采用哪種技術的指紋采集設備。

表1給出三種主要技術的比較。

表1 

2 應用與發(fā)展前景

常見的指紋識別系統(tǒng)有兩種，即嵌入式系統(tǒng)和連接計算機的應用系統(tǒng)。嵌入式指紋識別系統(tǒng)是一個相對獨立的完整系統(tǒng)，它不需要與其他設備或計算機進行連接，可以獨立完成其設計的功能，如指紋門禁、指紋考勤終端、指紋保險箱等都是嵌入式系統(tǒng)。其功能較為單一，應用于完成特定的功能。而連接計算機的應用系統(tǒng)具有靈活的系統(tǒng)結構，并且可以多個系統(tǒng)共享指紋識別設備，可以建立大型的數(shù)據庫應用。

隨著計算機與通信網絡的蓬勃發(fā)展，電子商務的不斷推廣應用，安全方便的指紋識別系統(tǒng)現(xiàn)已廣泛應用于桌面電腦、筆記本電腦、ATM提款機、蜂窩電話、考勤系統(tǒng)、門禁控制以及Intemet電子商務安全系統(tǒng)，遍及銀行、保險、邊防檢查、醫(yī)療衛(wèi)生及網絡接人等各個領域。作為自動指紋識別系統(tǒng)關鍵部分的指紋圖像采集設備也隨之得到了更大的發(fā)展。隨著手機、掌上電腦以及筆記本電腦等手持電子設備的不斷發(fā)展和普及，同時人們對電子商務安全和個人信息安全也越來越重視，以功耗低、體積小為優(yōu)勢的半導體指紋傳感器的市場需求量將會不斷增加。富士通和美國Pujitsu Microelectronics，Inc．于2001年5月份從美國Veridicom，Inc．取得了半導體指紋傳感器設備技術以及指紋識別軟件技術的專利許可。隨后富士通，ATMEL，韓國HYNIX等公司相繼推出自己的半導體指紋采集設備。美國Frost&SulUvan于美國時間2003年11月26日公布了有關半導體指紋傳感器市場的調查結果。認為“目前在面向生物體認證(人體認證)的指紋傳感器中，傳統(tǒng)型光學傳感器占有優(yōu)勢。由于受到半導體指紋傳感器技術進步和價格下降的影響，基于半導體的指紋傳感器的勢力將會增加”。“2001年該市場的規(guī)模不過區(qū)區(qū)510萬美元，但是該市場到2006年將以3位數(shù)的增長率擴大，猛增到4億2460萬美元的規(guī)?！?。