指紋識(shí)別技術(shù)

根基我們的生活不難得出這樣一個(gè)結(jié)論，就是每個(gè)人包括指紋在內(nèi)的皮膚紋路在圖案、斷點(diǎn)和交叉點(diǎn)上各不相同，呈現(xiàn)惟一性且終生不變。據(jù)此，我們就可以把一個(gè)人同他的指紋對(duì)應(yīng)起來(lái)，通過(guò)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(yàn)證它的真實(shí)身份，這就是指紋識(shí)別技術(shù)。

指紋識(shí)別主要根據(jù)人體指紋的紋路、細(xì)節(jié)特征等信息對(duì)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(kāi)始走入我們的日常生活，成為目前生物檢測(cè)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(shí)別算法

與人工處理不同，一般的生物識(shí)別技術(shù)公司并不直接存儲(chǔ)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(duì)指紋的特征。每個(gè)指紋都有幾個(gè)獨(dú)一無(wú)二、可測(cè)量的特征點(diǎn)，每個(gè)特征點(diǎn)都有大約5~7個(gè)特征，我們的十個(gè)手指產(chǎn)生最少4900個(gè)獨(dú)立可測(cè)量的特征，這足以說(shuō)明指紋識(shí)別是一個(gè)更加可靠的鑒別方式。

識(shí)別指紋主要從兩個(gè)方面展開(kāi)：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(diǎn)、三角點(diǎn)和紋數(shù)等。

紋形：指紋專家在長(zhǎng)期實(shí)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(shí)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(diǎn)：位于指紋紋路的漸進(jìn)中心，它在讀取指紋和比對(duì)指紋時(shí)作為參考點(diǎn)。許多算法是基于核心點(diǎn)的，即只能處理和識(shí)別具有核心點(diǎn)的指紋。

三角點(diǎn)：位于從核心點(diǎn)開(kāi)始的第一個(gè)分叉點(diǎn)或者斷點(diǎn)，或者兩條紋路會(huì)聚處、孤立點(diǎn)、折轉(zhuǎn)處，或者指向這些奇異點(diǎn)。三角點(diǎn)提供了指紋紋路的計(jì)數(shù)跟蹤的開(kāi)始之處。

紋數(shù)：即模式區(qū)內(nèi)指紋紋路的數(shù)量。在計(jì)算指紋的紋路時(shí)，一般先連接核心點(diǎn)和三角點(diǎn)，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(diǎn)的特征，這些具有某種特征的節(jié)點(diǎn)稱為細(xì)節(jié)特征或特征點(diǎn)。兩枚指紋經(jīng)常會(huì)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(diǎn)、分叉點(diǎn)和轉(zhuǎn)折點(diǎn)就稱為"特征點(diǎn)"，就是這些特征點(diǎn)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(diǎn)和分叉點(diǎn)，其他還包括分歧點(diǎn)、孤立點(diǎn)、環(huán)點(diǎn)、短紋等。特征點(diǎn)的參數(shù)包括：方向(節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的位置通過(guò)x/y坐標(biāo)來(lái)描述，可以是絕對(duì)的，也可以是相對(duì)于三角點(diǎn)或特征點(diǎn)的)。

采集指紋圖像的技術(shù)

獲得良好的指紋圖像是一個(gè)十分復(fù)雜的問(wèn)題。因?yàn)橛糜跍y(cè)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(diǎn)：它已經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的應(yīng)用考驗(yàn)，一定程度上適應(yīng)溫度的變異，較為廉價(jià)，可達(dá)到500DPI的較高分辨率等。缺點(diǎn)是：由于要求足夠長(zhǎng)的光程，因此要求足夠大的尺寸，而且過(guò)分干燥和過(guò)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(gè)極板，手指則是另一極板，利用手指紋線的脊和谷相對(duì)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(diǎn)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(diǎn)是易受干擾，可靠性相對(duì)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(shí)，被吸收、穿透與反射的程度不同)，因此，利用皮膚與空氣對(duì)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(duì)人體無(wú)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(duì)手指和平面的清潔程度要求較低，但其采集時(shí)間會(huì)明顯地長(zhǎng)于前述兩類產(chǎn)品。

特征拾取、驗(yàn)證和辨識(shí)

一個(gè)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(gè)復(fù)合的模板中，這個(gè)過(guò)程，被稱為特征拾取過(guò)程，它是手指掃描技術(shù)的核心。當(dāng)一個(gè)高質(zhì)量的圖像被拾取后，它必須被轉(zhuǎn)換成一個(gè)有用的格式。如果圖像是灰度圖像，相對(duì)較淺的部分會(huì)被刪除，而相對(duì)較深的部分被變成了黑色。脊的像素有5~8個(gè)被縮細(xì)到一個(gè)像素，這樣就能精確定位脊斷點(diǎn)和分岔了。微小細(xì)節(jié)的圖像便來(lái)自于這個(gè)經(jīng)過(guò)處理的圖像。在這一點(diǎn)上，即便是十分精細(xì)的圖像也存在著變形細(xì)節(jié)和錯(cuò)誤細(xì)節(jié)，這些變形和錯(cuò)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(guò)細(xì)節(jié)的類型和質(zhì)量來(lái)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(gè)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(guò)推斷一組特定脊的數(shù)據(jù)來(lái)處理指紋圖像。

就應(yīng)用方法而言，指紋識(shí)別技術(shù)可分為驗(yàn)證和辨識(shí)。

驗(yàn)證就是通過(guò)把一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)采集到的指紋與一個(gè)已經(jīng)登記的指紋進(jìn)行一對(duì)一的比對(duì)來(lái)確定身份的過(guò)程。指紋以一定的壓縮格式存儲(chǔ)，并與其姓名或其標(biāo)識(shí)(ID，PIN)聯(lián)系起來(lái)。隨后在對(duì)比現(xiàn)場(chǎng)，先驗(yàn)證其標(biāo)識(shí)，然后利用系統(tǒng)的指紋與現(xiàn)場(chǎng)采集的指紋比對(duì)來(lái)證明其標(biāo)識(shí)是合法的。驗(yàn)證其實(shí)回答了這樣一個(gè)問(wèn)題："他是他自稱的這個(gè)人嗎?"這是應(yīng)用系統(tǒng)中使用得較多的方法。

辨識(shí)則是把現(xiàn)場(chǎng)采集到的指紋同指紋數(shù)據(jù)庫(kù)中的指紋逐一對(duì)比，從中找出與現(xiàn)場(chǎng)指紋相匹配的指紋。這也叫"一對(duì)多匹配"。辨識(shí)其實(shí)是回答了這樣一個(gè)問(wèn)題："他是誰(shuí)?"

指紋是人體獨(dú)一無(wú)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(shí)別技術(shù)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展已成為目前最方便、可靠、非侵害和價(jià)格便宜的生物識(shí)別技術(shù)解決方案，對(duì)于廣大市場(chǎng)的應(yīng)用有著很大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>