- 指紋圖像傳感器的應用、發(fā)展趨勢
- 光學、半導體、超聲波傳感器比較
- 指紋技術應用范圍
- 棱鏡光反射圖像采集
- 硅電容式電容值檢測
- 超聲波掃描成像
指紋是手指表面皮膚凸凹不平形成的紋路，由多種脊狀圖形構(gòu)成，其中，環(huán)形占指紋圖像2／3、渦形占1／3，通常根據(jù)亨利系統(tǒng)將指紋圖形分為左環(huán)、右環(huán)、 拱、渦、棚狀拱。指紋特征即手指表面脊和溝組成平滑紋理模式，其形狀取決于胚胎形成時手指表皮的初始環(huán)境，隨機性很強。為方便起見，定義指紋總體特征和局 部特征進行描述。
前者指人眼可直接觀察到的特征，包括基本紋、核心點、模式區(qū)、三角點、式樣線、紋路數(shù)；后者指指紋上的節(jié)點，包括方向、曲率、位置、分類 等。兩枚指紋總體特征可能相同，但局部特征不會完全相同。研究表明：指紋特征具有唯一性、穩(wěn)定性特點，據(jù)此可實現(xiàn)身份識別。作為生物識別技術中發(fā)展最成熟、應用最廣泛的一種，指紋識別技術應用分指紋驗證（1∶1比對）和辨識（1∶N比對）兩類，具體涉及指紋圖像采集、圖像處理、特征提取、特征比對與匹配 等。顯然，其最基礎、最重要環(huán)節(jié)是高質(zhì)量指紋圖像的采集。
早期的指紋圖像采集主要運用油墨捺印等物理方式，如果油墨及紙張質(zhì)量有問題，或按壓壓力不均，或按壓位置、方向差異，或手指損傷、變形等，都會導致采集的 指紋圖像質(zhì)量不理想，進而影響該技術應用。考慮到指紋表面積較小，且存在磨損，獲取優(yōu)質(zhì)指紋圖像較困難，特別在指紋脊圖像中表現(xiàn)更明顯，這樣，勢必會造成 所采集指紋圖像質(zhì)量難以保障，導致自動識別指紋系統(tǒng)判讀困難。
為克服物理方式的缺點，開發(fā)的光學傳感器、半導體傳感器、超聲波傳感器等對獲取高質(zhì)量指紋圖 像提供了良好的技術保障，具有很好實用價值。同時，更先進的指紋圖像傳感器亦在研發(fā)，目的是獲得足夠的指紋細節(jié)，并使指紋圖像達到較高分辨力，提高指紋識 別準確性、可靠性。本文主要介紹各種指紋圖像傳感器技術關鍵、性能特點，并簡要介紹其應用情況及發(fā)展趨勢。
指紋圖像傳感器
1 光學指紋傳感器
始于1971年的光學傳感器是研究最早、應用最廣泛的指紋圖像傳感器。其技術關鍵是光的全反射，手指置于加膜臺板（一般是硬質(zhì)塑料，不同廠家材料有異）， 照射到壓有指紋的玻璃表面時，反射光經(jīng)電荷耦合器件（charge coupled device，CCD）轉(zhuǎn)換為相應電信號，并傳輸后端進一步處理。其中，反射光強度取決于兩方面因素：壓在玻璃表面指紋的脊和谷的深度、皮膚與玻璃間的油 脂和水分。
由于光線經(jīng)玻璃照射到谷的區(qū)域后在玻璃與空氣的界面發(fā)生全反射至CCD，而射向脊的光線被脊與玻璃的接觸面吸收或者漫反射到其他地方，這樣，即 可利用CCD將有深色脊和淺色谷構(gòu)成的指紋圖像轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。當然，為獲得較高質(zhì)量的指紋圖像，還需采用自動或手工方式調(diào)整圖像亮度等。
光學指紋圖像傳感器優(yōu)點主要表現(xiàn)為經(jīng)歷長期實用檢驗、系統(tǒng)穩(wěn)定性較好、成本亦較低、能提供分辨力為500dpi（dot per inch）的圖像。能實現(xiàn)較大區(qū)域的指紋圖像采集，有效克服大面積半導體指紋傳感器價格昂貴缺點。但指紋圖像采集區(qū)域較大時所需焦距亦較長，采集設備體積需隨之增大，否則會導致采集的圖像邊緣線形發(fā)生扭曲。
該傳感器局限性主要體現(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。
隨著光學技術發(fā)展，一些新穎的技術手段亦已應用于指紋圖像的采集，這樣，能顯著減小光學指紋傳感器的體積。例如：將纖維光束垂直照射指紋表 面，探測其反射光；或?qū)⒑形⑿屠忡R矩陣的表面安裝于彈性平面，手指壓該表面時，脊和谷壓力的不同導致微型棱鏡表面改變，這種變化通過棱鏡的光反射體現(xiàn)出 來，進而實現(xiàn)指紋圖像采集。
光學指紋傳感器特有的高安全系數(shù)使得其運用極為廣泛，從事該技術開發(fā)及應用的企業(yè)較多，中科院長春光機所和美國Identix是其中較突出的開發(fā)公司。目前，應用最廣泛的是美國Digital Persona公司U．a(chǎn)re．U系列，它集成精密光學系統(tǒng)、發(fā)光二極管、半導體攝像頭等，具有三維活體特點，能接收各個方向輸入的指紋，即使指紋旋轉(zhuǎn) 180°亦可接收。需特別指出的是，雖然大多數(shù)公司都利用光學技術采集指紋圖像，但其發(fā)展趨勢是新穎的、高質(zhì)量的半導體指紋傳感器。
2 半導體指紋傳感器
始于1998年的半導體指紋傳感器應用多種新穎技術手段實現(xiàn)指紋圖像采集，包括半導體電容式傳感器、半導體壓感式傳感器（其表層是富有彈性的壓感介質(zhì)材 料，依指紋凹凸轉(zhuǎn)化為相應電信號，并產(chǎn)生具有灰度級指紋圖像）、半導體溫度感應傳感器（通過感應壓在設備上的脊和遠離設備的谷間溫度差異獲取指紋圖像） 等，其中，應用最廣泛的是硅電容式指紋傳感器。
與光學設備多采用人工調(diào)整改善圖像質(zhì)量不同，半導體指紋傳感器采用自動控制技術調(diào)節(jié)指紋圖像像素行及指紋局 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。下面主要介紹常用的 硅電容式指紋傳感器基本原理及美國Veridicom公司新穎的圖像搜索技術ImageSeekTM。
硅電容式指紋圖像傳感器技術基礎是電容值檢測，包括常用的直流電容法（如美國Veridicom公司FPS200等）、交流電容法（如Authentec 公司的芯片通過測量手指真皮層交流電容獲取指紋圖像）。與光學傳感器掃描指紋不同，硅電容式指紋傳感器通過測量傳感器與手指接觸／非接觸所產(chǎn)生電流變化 （電子度量）檢測有無指紋，并根據(jù)指紋峰、谷等紋理信息實現(xiàn)高可靠性圖像搜索。[page]
其技術關鍵：在半導體金屬陣列集成約100000個電容式傳感器（外層絕 緣），傳感器陣列每一點是個金屬電極，相當于電容器陽極；手指放在上面時，皮膚組成電容另一極，傳感面形成兩極間介電層。電容值隨脊（近的）和谷（遠的） 相對于傳感器陣列的距離而改變。由于指紋紋路深淺不同，硅表面電容陣列各電容值亦有異，該電容值被轉(zhuǎn)換成8bit灰度圖像，測量并記錄各點電容值，即可獲 得具有灰度級指紋圖像。
當然，各廠商可能采用不同形式電容方法開發(fā)產(chǎn)品，其中，技術新穎且先進的首推Veridicom公司推出的 ImageSeekTM，它通過改變指紋傳感器電容陣列參數(shù)，能在1s內(nèi)掃描多幀指紋圖像，并自動選擇圖像質(zhì)量最好的。該技術能適應各種復雜指紋，并能在 各種環(huán)境下獲得從干手指到濕手指的高質(zhì)量指紋圖像，從而顯著減低指紋識別系統(tǒng)誤識率、拒識率。
作為該技術具體應用而推出新穎的、性能優(yōu)異的自動指紋圖像質(zhì) 量提取的傳感器FPS200，它由256列，300行電容傳感陣列組成，分辨力高達500dpi，內(nèi)含用于采集指紋圖像的采樣保持電路，通過檢測各傳感單 元每次充電、放電后的電壓差可獲得相應傳感單元電容值。每次捕捉各行圖像后，該行各傳感單元內(nèi)就相應存放待數(shù)字化電容值，這樣，通過調(diào)整放電電流大小和放 電時間即可改善FPS200靈敏度。
其高性能、低成本、微功耗、小尺寸等特性非常適合便攜式產(chǎn)品要求，可廣泛用于指紋認證、門禁控制、網(wǎng)絡登錄等。半導體 指紋傳感器特有的優(yōu)點吸引了Sony，Infineon等知名公司，并開發(fā)出各具特色的產(chǎn)品。當然，作為極具潛力、代表未來發(fā)展方向的指紋傳感器也存在一 定局限性，表現(xiàn)為易受靜電影響，嚴重時，傳感器可能采集不到圖像，甚至本身也會被損壞；手指汗液鹽分或其他污物，以及手指磨損等均會造成圖像采集困難，其 耐磨性亦不及玻璃；大面積制造成本較高，故取像區(qū)域較??；傳感器穩(wěn)定性，特別是次最優(yōu)性能等方面有待進一步驗證。
3 超聲波指紋傳感器
超聲波指紋傳感器是目前精度最高、準確性最好的指紋圖像采集器件。技術關鍵：超聲波掃描指紋表面后，由相應接收設備獲取反射信號，由于指紋脊和谷超聲波阻 抗不同，因而，反射到接收器的超聲波能量亦各異，測量該超聲波能量大小即可獲得相應指紋圖像。與光學指紋傳感器類似，超聲波傳感器亦首先掃描指紋表面，通 過接收設備獲取反射信號，并轉(zhuǎn)換為指紋圖像。
但超聲波能有效穿透指紋表面的灰塵、汗?jié)n等（該特點遠非光學采集技術可比），采集圖像是實際指紋凹凸真實反映，采集的指紋圖像質(zhì)量極高。由于多種原因，該技術尚未大規(guī)模推廣應用，其性能亦需進一步提高、完善。部分實驗性應用表明：超聲波指紋傳感器同時具備光學傳感器和半導體傳感器的諸多優(yōu)點，具有較為優(yōu)越的綜合性能。
如，使用方便、耐用性好、成像面積大、圖像質(zhì)量高（分辨力高達1000dpi）等，最優(yōu)采集性能方面亦較硅電容式傳感器要好。作為該技術開拓者，著名的Ultra-Scan公司首開超聲波指紋圖像采集傳感器先河，為高質(zhì)量指紋圖像采集發(fā)揮了重要作用。當然由于超聲波傳感器尚未廣泛應用，因而很難準確評價其在長期大規(guī)模應用中的綜合性能。
3種傳感器比較
3種指紋圖像傳感器各有優(yōu)缺點，如表1所示。
顯然，傳感器性能差異勢必影響采集圖像的質(zhì)量，特別是指紋圖像質(zhì)量判斷大多直接移植數(shù)字圖像方法，雖理論上可行，但沒有充分考慮指紋特殊的紋理特征。與一 般圖像相比，指紋圖像特點是內(nèi)容單一，由交替出現(xiàn)的脊和谷組成，其中，脊末梢與分支點等關鍵特征的信息提取尤為重要，否則，會影響指紋分類、識別。由于增 強處理及特征提取后才進行圖像質(zhì)量判別，且判別結(jié)果依賴于二者算法效率。
因此，即使為提高識別率采取了若干技術預處理質(zhì)量較差的指紋圖像，但仍難以滿足自 動識別系統(tǒng)對指紋圖像登記、辨識過程的實時、高效需求。1998年，美國CJIS曾給出指紋圖像判斷細則，也僅僅定性地對其信噪比、灰度分布、幾何扭曲等 特性作了要求，實際應用存在一定困難。特別是刑偵工作中，很難保證案發(fā)現(xiàn)場提取的指紋完全準確，需根據(jù)具體應用環(huán)境選擇合適的指紋采集方式。
指紋技術應用
指紋識別技術以其特有的優(yōu)勢廣泛應用于公安、軍事、社保等，常用的指紋識別系統(tǒng)有嵌入式和連接計算機的應用2種。前者相對獨立，無需與其他設備或計算機連接即可實現(xiàn)具體功能；后者較為靈活，可以多個系統(tǒng)共享指紋識別設備，亦可建立大型應用數(shù)據(jù)庫。
以指紋識別技術在社保系統(tǒng)身份認證為例，時代發(fā)展要求社會保障網(wǎng)絡化、信息化，集社保、醫(yī)療、公積金等信息于一體的社?？ㄗ鳛闈M足上述要求的電子憑證，把 辦理個人、社會事務的信息系統(tǒng)有機整合，構(gòu)建統(tǒng)一的信息平臺，實現(xiàn)多部門的資源共享與功能整合。
顯然，其基礎是可靠的身份認證，但采用普通技術手段制作的 社?？ò踩浴⒎纻涡暂^差。指紋技術以其可靠性、方便性，特別適合于社保系統(tǒng)的身份認證，但物理手段采集的指紋圖像往往無法提取足夠的特征點，造成自動識 別系統(tǒng)判讀困難。由半導體指紋傳感器FPS200、微處理器、圖像存儲單元、接口等組成的采集系統(tǒng)，能實時、可靠地獲取高質(zhì)量指紋圖像，顯著減低識別系統(tǒng) 誤識率、拒識率，為基于人體生物特征的身份識別提供很好的技術保障。此外，指紋識別技術作為司法部門認定犯罪分子的重要依據(jù)，已沿用近百年，其基礎便是高 質(zhì)量指紋圖像的采集。
指紋技術發(fā)展趨勢
目前，指紋圖像傳感器主要有光學傳感器、半導體傳感器、超聲波傳感器、全息光學傳感器。其中，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。2003年11月，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)型光學傳感器占一定優(yōu)勢，受半導體指紋傳感器技術進步和價格下降等 因素的影響，基于半導體技術指紋傳感器的份額將逐漸增加。
雖然2001年其市場規(guī)模僅500萬美元，但該市場到2006年將會以3位數(shù)增長率發(fā)展，猛增至 4.246億美元。另外，全息光學指紋傳感器使用全息光元素將光束和圖像重新定向，能直接獲取指紋表面的三維信息，具有很好開發(fā)前景，是未來重要發(fā)展方 向。
