指紋圖像傳感器技術(shù)關(guān)鍵及發(fā)展趨勢

摘 要：生物識別技術(shù)中發(fā)展最成熟、運用最廣泛的指紋技術(shù)的應用涉及指紋圖像采集、圖像處理、特征提取、特征比對與匹配等，其最基礎、最重要環(huán)節是高質(zhì)量指紋圖像采集。光學(xué)、半導體、超聲波3種常用指紋圖像傳感器各有優(yōu)勢及局限性，同時(shí)，更先進(jìn)的指紋圖像傳感器亦在研發(fā)。主要介紹各種指紋圖像傳感器技術(shù)關(guān)鍵、性能特點(diǎn)，并簡(jiǎn)要介紹其應用情況及發(fā)展趨勢。
探傷儀| 電子稱(chēng)| 熱像儀| 頻閃儀| 測高儀| 測距儀| 金屬探測器| 試驗機| 扭力計| 流速儀| 粗糙度儀| 流量計
0 引 言
    指紋是手指表面皮膚凸凹不平形成的紋路，由多種脊狀圖形構成，其中，環(huán)形占指紋圖像2／3、渦形占1／3，通常根據亨利系統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(shí)手指表皮的初始環(huán)境，隨機性很強。為方便起見(jiàn)，定義指紋總體特征和局部特征進(jìn)行描述。前者指人眼可直接觀(guān)察到的特征，包括基本紋、核心點(diǎn)、模式區、三角點(diǎn)、式樣線(xiàn)、紋路數；后者指指紋上的節點(diǎn)，包括方向、曲率、位置、分類(lèi)等。兩枚指紋總體特征可能相同，但局部特征不會(huì )完全相同。研究表明：指紋特征具有唯一性、穩定性特點(diǎn)，據此可實(shí)現身份識別。作為生物識別技術(shù)中發(fā)展最成熟、應用最廣泛的一種，指紋識別技術(shù)應用分指紋驗證（1∶1比對）和辨識（1∶N比對）兩類(lèi)，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(wèn)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(huì )導致采集的指紋圖像質(zhì)量不理想，進(jìn)而影響該技術(shù)應用�？紤]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更明顯，這樣，勢必會(huì )造成所采集指紋圖像質(zhì)量難以保障，導致自動(dòng)識別指紋系統判讀困難。為克服物理方式的缺點(diǎn)，開(kāi)發(fā)的光學(xué)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(shù)保障，具有很好實(shí)用價(jià)值。同時(shí)，更先進(jìn)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，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(shù)關(guān)鍵、性能特點(diǎn)，并簡(jiǎn)要介紹其應用情況及發(fā)展趨勢。
1 指紋圖像傳感器
1．1 光學(xué)指紋傳感器
     始于1971年的光學(xué)傳感器是研究最早、應用最廣泛的指紋圖像傳感器。其技術(shù)關(guān)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(chǎng)家材料有異），照射到壓有指紋的玻璃表面時(shí)，反射光經(jīng)電荷耦合器件（charge coupled device，CCD）轉換為相應電信號，并傳輸后端進(jìn)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(xiàn)經(jīng)玻璃照射到谷的區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(xiàn)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成的指紋圖像轉換成數字信號。當然，為獲得較高質(zhì)量的指紋圖像，還需采用自動(dòng)或手工方式調整圖像亮度等。
    光學(xué)指紋圖像傳感器優(yōu)點(diǎn)主要表現為經(jīng)歷長(cháng)期實(shí)用檢驗、系統穩定性較好、成本亦較低、能提供分辨力為500dpi（dot per inch）的圖像。特別是能實(shí)現較大區域的指紋圖像采集，有效克服大面積半導體指紋傳感器價(jià)格昂貴缺點(diǎn)。但指紋圖像采集區域較大時(shí)所需焦距亦較長(cháng)，采集設備體積需隨之增大，否則，會(huì )導致采集的圖像邊緣線(xiàn)形發(fā)生扭曲。該傳感器局限性主要體現于潛在指印方面（潛在指印是手指在臺板上按完后留下的），不但會(huì )降低指紋圖像的質(zhì)量，嚴重時(shí)，還可能導致2個(gè)指印重疊，顯然，難以滿(mǎn)足實(shí)際應用需要。此外，臺板涂層及CCD陣列會(huì )隨時(shí)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(zhù)光學(xué)技術(shù)發(fā)展，一些新穎的技術(shù)手段亦已應用于指紋圖像的采集，這樣，能顯著(zhù)減小光學(xué)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；或將含有微型棱鏡矩陣的表面安裝于彈性平面，手指壓該表面時(shí)，脊和谷壓力的不同導致微型棱鏡表面改變，這種變化通過(guò)棱鏡的光反射體現出來(lái)，進(jìn)而實(shí)現指紋圖像采集。
    光學(xué)指紋傳感器特有的高安全系數使得其運用極為廣泛，從事該技術(shù)開(kāi)發(fā)及應用的企業(yè)較多，中科院長(cháng)春光機所和美國Identix是其中較突出的開(kāi)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(xué)系統、發(fā)光二極管、半導體攝像頭等，具有三維活體特點(diǎn)，能接收各個(gè)方向輸入的指紋，即使指紋旋轉180°亦可接收。需特別指出的是，雖然大多數公司都利用光學(xué)技術(shù)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。
1．2 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(shù)手段實(shí)現指紋圖像采集，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(guò)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(xué)設備多采用人工調整改善圖像質(zhì)量不同，半導體指紋傳感器采用自動(dòng)控制技術(shù)調節指紋圖像像素行及指紋局部范圍敏感程度，在不同環(huán)境下結合反饋信息生成高質(zhì)量圖像。由于提供了局部調整能力，即使對比度差的圖像（如手指壓得較輕的區域）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(diǎn)為圖像質(zhì)量較好、一般無(wú)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(shù)ImageSeekTM。
    硅電容式指紋圖像傳感器技術(shù)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(guò)測量手指真皮層交流電容獲取指紋圖像）。與光學(xué)傳感器掃描指紋不同，硅電容式指紋傳感器通過(guò)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(wú)指紋，并根據指紋峰、谷等紋理信息實(shí)現高可靠性圖像搜索。其技術(shù)關(guān)鍵：在半導體金屬陣列集成約100000個(gè)電容式傳感器（外層絕緣），傳感器陣列每一點(diǎn)是個(gè)金屬電極，相當于電容器陽(yáng)極；手指放在上面時(shí)，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，該電容值被轉換成8bit灰度圖像，測量并記錄各點(diǎn)電容值，即可獲得具有灰度級指紋圖像。當然，各廠(chǎng)商可能采用不同形式電容方法開(kāi)發(fā)產(chǎn)品，其中，技術(shù)新穎且先進(jìn)的首推Veridicom公司推出的ImageSeekTM，它通過(guò)改變指紋傳感器電容陣列參數，能在1s內掃描多幀指紋圖像，并自動(dòng)選擇圖像質(zhì)量最好的。該技術(shù)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(zhù)減低指紋識別系統誤識率、拒識率。作為該技術(shù)具體應用而推出新穎的、性能優(yōu)異的自動(dòng)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，內含用于采集指紋圖像的采樣保持電路，通過(guò)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，該行各傳感單元內就相應存放待數字化電容值，這樣，通過(guò)調整放電電流大小和放電時(shí)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(mén)禁控制、網(wǎng)絡(luò )登錄等。半導體指紋傳感器特有的優(yōu)點(diǎn)吸引了Sony，Infineon等知名公司，并開(kāi)發(fā)出各具特色的產(chǎn)品。當然，作為極具潛力、代表未來(lái)發(fā)展方向的指紋傳感器也存在一定局限性，表現為易受靜電影響，嚴重時(shí)，傳感器可能采集不到圖像，甚至本身也會(huì )被損壞；手指汗液鹽分或其他污物，以及手指磨損等均會(huì )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，故取像區域較��；傳感器穩定性，特別是次最優(yōu)性能等方面有待進(jìn)一步驗證。
1．3 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(shù)關(guān)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(xué)指紋傳感器類(lèi)似，超聲波傳感器亦首先掃描指紋表面，通過(guò)接收設備獲取反射信號，并轉換為指紋圖像。但超聲波能有效穿透指紋表面的灰塵、汗漬等（該特點(diǎn)遠非光學(xué)采集技術(shù)可比），廚采集圖像是實(shí)際指紋凹凸真實(shí)反映，因而，采集的指紋圖像質(zhì)量極高。由于多種原因，該技術(shù)尚未大規模推廣應用，其性能亦需進(jìn)一步提高、完善。部分實(shí)驗性應用表明：超聲波指紋傳感器同時(shí)具備光學(xué)傳感器和半導體傳感器的諸多優(yōu)點(diǎn)，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，其次最優(yōu)采集性能方面亦較硅電容式傳感器要好。作為該技術(shù)開(kāi)拓者，著(zhù)名的Ultra-Scan公司首開(kāi)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(jià)其在長(cháng)期大規模應用中的綜合性能。
1．4 3種傳感器比較
3種指紋圖像傳感器各有優(yōu)缺點(diǎn)，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字圖像方法，雖理論上可行，但沒(méi)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(diǎn)是內容單一，由交替出現的脊和谷組成，其中，脊末梢與分支點(diǎn)等關(guān)鍵特征的信息提取尤為重要，否則，會(huì )影響指紋分類(lèi)、識別。由于增強處理及特征提取后才進(jìn)行圖像質(zhì)量判別，且判別結果依賴(lài)于二者算法效率，因此，即使為提高識別率采取了若干技術(shù)預處理質(zhì)量較差的指紋圖像，但仍難以滿(mǎn)足自動(dòng)識別系統對指紋圖像登記、辨識過(guò)程的實(shí)時(shí)、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(shí)際應用存在一定困難。特別是刑偵工作中，很難保證案發(fā)現場(chǎng)提取的指紋完全準確，需根據具體應用環(huán)境選擇合適的指紋采集方式。
2 指紋技術(shù)應用
     指紋識別技術(shù)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有嵌入式和連接計算機的應用2種。前者相對獨立，無(wú)需與其他設備或計算機連接即可實(shí)現具體功能；后者較為靈活，可以多個(gè)系統共享指紋識別設備，亦可建立大型應用數據庫。
    以指紋識別技術(shù)在社保系統身份認證為例，時(shí)代發(fā)展要求社會(huì )保障網(wǎng)絡(luò )化、信息化，集社保、醫療、公積金等信息于一體的社�？ㄗ鳛闈M(mǎn)足上述要求的電子憑證，把辦理個(gè)人、社會(huì )事務(wù)的信息系統有機整合，構建統一的信息平臺，實(shí)現多部門(mén)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(shù)手段制作的社�？ò踩�性、防偽性較差。指紋技術(shù)以其可靠性、方便性，特別適合于社保系統的身份認證，但物理手段采集的指紋圖像往往無(wú)法提取足夠的特征點(diǎn)，造成自動(dòng)識別系統判讀困難。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，能實(shí)時(shí)、可靠地獲取高質(zhì)量指紋圖像，顯著(zhù)減低識別系統誤識率、拒識率，為基于人體生物特征的身份識別提供很好的技術(shù)保障。此外，指紋識別技術(shù)作為司法部門(mén)認定犯罪分子的重要依據，已沿用近百年，其基礎便是高質(zhì)量指紋圖像的采集。
3 指紋技術(shù)發(fā)展趨勢
    目前，指紋圖像傳感器主要有光學(xué)傳感器、半導體傳感器、超聲波傳感器、全息光學(xué)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(chǎng)規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(chǎng)調查結果表明：目前，在面向身份認證的指紋傳感器中，傳統型光學(xué)傳感器占一定優(yōu)勢，受半導體指紋傳感器技術(shù)進(jìn)步和價(jià)格下降等因素的影響，基于半導體技術(shù)指紋傳感器的份額將逐漸增加，雖然2001年其市場(chǎng)規模僅500萬(wàn)美元，但該市場(chǎng)到2006年將會(huì )以3位數增長(cháng)率發(fā)展，猛增至4.246億美元。另外，全息光學(xué)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(kāi)發(fā)前景，是未來(lái)重要發(fā)展方向。
4 結束語(yǔ)
    可以相信，隨著(zhù)新技術(shù)的迅猛發(fā)展、新器件的不斷誕生，將不斷推出精度更高、性能更優(yōu)異、價(jià)格更低廉的指紋圖像傳感器，滿(mǎn)足日益發(fā)展的要求。