指紋識別技術(shù)

根基我們的生活不難得出這樣一個結(jié)論，就是每個人包括指紋在內(nèi)的皮膚紋路在圖案、斷點和交叉點上各不相同，呈現(xiàn)惟一性且終生不變。據(jù)此，我們就可以把一個人同他的指紋對應(yīng)起來，通過將他的指紋和預(yù)先保存的指紋數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，就可以驗證它的真實身份，這就是指紋識別技術(shù)。

指紋識別主要根據(jù)人體指紋的紋路、細(xì)節(jié)特征等信息對操作或被操作者進(jìn)行身份鑒定，得益于現(xiàn)代電子集成制造技術(shù)和快速而可靠的算法研究，已經(jīng)開始走入我們的日常生活，成為目前生物檢測學(xué)中研究最深入，應(yīng)用最廣泛，發(fā)展最成熟的技術(shù)。

指紋識別算法

與人工處理不同，一般的生物識別技術(shù)公司并不直接存儲指紋的圖像，而是使用不同的數(shù)字化算法在指紋圖像上找到并比對指紋的特征。每個指紋都有幾個獨一無二、可測量的特征點，每個特征點都有大約5~7個特征，我們的十個手指產(chǎn)生最少4900個獨立可測量的特征，這足以說明指紋識別是一個更加可靠的鑒別方式。

識別指紋主要從兩個方面展開：總體特征和局部特征。

總體特征

總體特征是指那些用人眼直接就可以觀察到的特征。包括紋形、模式區(qū)、核心點、三角點和紋數(shù)等。

紋形：指紋專家在長期實踐的基礎(chǔ)上，根據(jù)脊線的走向與分布情況一般將指紋分為三大類——環(huán)型(loop，又稱斗形)、弓形(arch)、螺旋形(whorl)。

模式區(qū)：即指紋上包括了總體特征的區(qū)域，從此區(qū)域就能夠分辨出指紋是屬于哪一種類型的。有的指紋識別算法只使用模式區(qū)的數(shù)據(jù)，有的則使用所取得的完整指紋。

核心點：位于指紋紋路的漸進(jìn)中心，它在讀取指紋和比對指紋時作為參考點。許多算法是基于核心點的，即只能處理和識別具有核心點的指紋。

三角點：位于從核心點開始的第一個分叉點或者斷點，或者兩條紋路會聚處、孤立點、折轉(zhuǎn)處，或者指向這些奇異點。三角點提供了指紋紋路的計數(shù)跟蹤的開始之處。

紋數(shù)：即模式區(qū)內(nèi)指紋紋路的數(shù)量。在計算指紋的紋路時，一般先連接核心點和三角點，這條連線與指紋紋路相交的數(shù)量即可認(rèn)為是指紋的紋數(shù)。

局部特征

局部特征是指指紋上節(jié)點的特征，這些具有某種特征的節(jié)點稱為細(xì)節(jié)特征或特征點。兩枚指紋經(jīng)常會具有相同的總體特征，但它們的細(xì)節(jié)特征，卻不可能完全相同。指紋紋路并不是連續(xù)的、平滑筆直的，而是經(jīng)常出現(xiàn)中斷、分叉或轉(zhuǎn)折。這些斷點、分叉點和轉(zhuǎn)折點就稱為"特征點"，就是這些特征點提供了指紋惟一性的確認(rèn)信息，其中最典型的是終結(jié)點和分叉點，其他還包括分歧點、孤立點、環(huán)點、短紋等。特征點的參數(shù)包括：方向(節(jié)點可以朝著一定的方向)、曲率(描述紋路方向改變的速度)、位置(節(jié)點的位置通過x/y坐標(biāo)來描述，可以是絕對的，也可以是相對于三角點或特征點的)。

采集指紋圖像的技術(shù)

獲得良好的指紋圖像是一個十分復(fù)雜的問題。因為用于測量的指紋僅是相當(dāng)小的一片表皮，所以指紋采集設(shè)備應(yīng)有足夠好的分辨率以獲得指紋的細(xì)節(jié)。目前所用的指紋圖像采集設(shè)備，基本上基于三種技術(shù)基礎(chǔ)：光學(xué)技術(shù)、半導(dǎo)體硅技術(shù)、超聲波技術(shù)。

光學(xué)技術(shù)

借助光學(xué)技術(shù)采集指紋是歷史最久遠(yuǎn)、使用最廣泛的技術(shù)。將手指放在光學(xué)鏡片上，手指在內(nèi)置光源照射下，用棱鏡將其投射在電荷耦合器件(CCD)上，進(jìn)而形成脊線(指紋圖像中具有一定寬度和走向的紋線)呈黑色、谷線(紋線之間的凹陷部分)呈白色的數(shù)字化的、可被指紋設(shè)備算法處理的多灰度指紋圖像。

光學(xué)的指紋采集設(shè)備有明顯的優(yōu)點：它已經(jīng)過較長時間的應(yīng)用考驗，一定程度上適應(yīng)溫度的變異，較為廉價，可達(dá)到500DPI的較高分辨率等。缺點是：由于要求足夠長的光程，因此要求足夠大的尺寸，而且過分干燥和過分油膩的手指也將使光學(xué)指紋產(chǎn)品的效果變壞。

硅技術(shù)(CMOS技術(shù))

20世紀(jì)90年代后期，基于半導(dǎo)體硅電容效應(yīng)的技術(shù)趨于成熟。硅傳感器成為電容的一個極板，手指則是另一極板，利用手指紋線的脊和谷相對于平滑的硅傳感器之間的電容差，形成8bit的灰度圖像。

硅技術(shù)優(yōu)點是可以在較小的表面上獲得比光學(xué)技術(shù)更好的圖像質(zhì)量，在1cm×1.5cm的表面上獲得200~300線的分辨率(較小的表面也導(dǎo)致成本的下降和能被集成到更小的設(shè)備中)。缺點是易受干擾，可靠性相對差。

超聲波技術(shù)

為克服光學(xué)技術(shù)設(shè)備和硅技術(shù)設(shè)備的不足，一種新型的超聲波指紋采集設(shè)備已經(jīng)出現(xiàn)。其原理是利用超聲波具有穿透材料的能力，且隨材料的不同產(chǎn)生大小不同的回波(超聲波到達(dá)不同材質(zhì)表面時，被吸收、穿透與反射的程度不同)，因此，利用皮膚與空氣對于聲波阻抗的差異，就可以區(qū)分指紋脊與谷所在的位置。

超聲波技術(shù)所使用的超聲波頻率為1×104Hz~1×109Hz，能量被控制在對人體無損的程度(與醫(yī)學(xué)診斷的強(qiáng)度相同)。超聲波技術(shù)產(chǎn)品能夠達(dá)到最好的精度，它對手指和平面的清潔程度要求較低，但其采集時間會明顯地長于前述兩類產(chǎn)品。

特征拾取、驗證和辨識

一個高質(zhì)量的圖像被拾取后，需要許多步驟將它的特征轉(zhuǎn)換到一個復(fù)合的模板中，這個過程，被稱為特征拾取過程，它是手指掃描技術(shù)的核心。當(dāng)一個高質(zhì)量的圖像被拾取后，它必須被轉(zhuǎn)換成一個有用的格式。如果圖像是灰度圖像，相對較淺的部分會被刪除，而相對較深的部分被變成了黑色。脊的像素有5~8個被縮細(xì)到一個像素，這樣就能精確定位脊斷點和分岔了。微小細(xì)節(jié)的圖像便來自于這個經(jīng)過處理的圖像。在這一點上，即便是十分精細(xì)的圖像也存在著變形細(xì)節(jié)和錯誤細(xì)節(jié)，這些變形和錯誤細(xì)節(jié)都要被濾除。

除細(xì)節(jié)的定位和夾角方法的應(yīng)用以外，也可通過細(xì)節(jié)的類型和質(zhì)量來劃分細(xì)節(jié)。這種方法的好處在于檢索的速度有了較大的提高，一個顯著的、特定的細(xì)節(jié)，它的惟一性更容易使匹配成功。還有一些生產(chǎn)商采用的方法是模式匹配方法，即通過推斷一組特定脊的數(shù)據(jù)來處理指紋圖像。

就應(yīng)用方法而言，指紋識別技術(shù)可分為驗證和辨識。

驗證就是通過把一個現(xiàn)場采集到的指紋與一個已經(jīng)登記的指紋進(jìn)行一對一的比對來確定身份的過程。指紋以一定的壓縮格式存儲，并與其姓名或其標(biāo)識(ID，PIN)聯(lián)系起來。隨后在對比現(xiàn)場，先驗證其標(biāo)識，然后利用系統(tǒng)的指紋與現(xiàn)場采集的指紋比對來證明其標(biāo)識是合法的。驗證其實回答了這樣一個問題："他是他自稱的這個人嗎?"這是應(yīng)用系統(tǒng)中使用得較多的方法。

辨識則是把現(xiàn)場采集到的指紋同指紋數(shù)據(jù)庫中的指紋逐一對比，從中找出與現(xiàn)場指紋相匹配的指紋。這也叫"一對多匹配"。辨識其實是回答了這樣一個問題："他是誰?"

指紋是人體獨一無二的特征，其復(fù)雜度足以提供用于鑒別的特征。隨著相關(guān)支持技術(shù)的逐步成熟，指紋識別技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展已成為目前最方便、可靠、非侵害和價格便宜的生物識別技術(shù)解決方案，對于廣大市場的應(yīng)用有著很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>