指纹识别图像获取的主要技术及原理解析

在经历了近10年缓慢的自然增长后，指纹识别技术即将迎来一个跳跃性发展的黄金时期。专家们保守估计，未来5年，我国将有近百亿元的市场等待着企业去开拓。目前，指纹识别主要应用在考勤、门禁、保险箱柜等领域，相信，随着指纹识别技术的完善，还会广泛的应用在身份证，机动车，家居等更多的领域。那么指纹识别图像获取的主要技术有哪些?

指纹识别技术是利用指纹的惟一性和稳定性特征，集传感器技术、生物技术、数字图像处理、模式匹配、电子技术于一体的高新技术。

指纹识别技术的巨大市场前景，将对国际、国内安防产业产生巨大的影响。较小的公司将面临新进入的传统行业大公司的无情竞争。在这些巨无霸面前，现有中小公司很难说有太多的竞争力，行业重新洗牌不可避免，合并与退出可能会成为大部分中小公司的无奈选择。最终可能形成传统行业的公司或大资本在较短时间内主导生物特征识别行业的局面。当然，也不排除部分具有核心竞争力的公司以“快鱼吃慢鱼”的方式成长为新兴的大公司。“大鱼”与“快鱼”并存，这也是每一个新兴市场的必然结果。而竞争的结果将会形成一个新兴的大产业。

指纹识别技术的民用市场机会已经存在，那么是不是已经存在规模应用的时机了呢?这取决于指纹产品的消费意识、产品的稳定性和价格方面是不是可以得到解决。也就是说指纹识别技术能否在民用领域规模化应用，需要具备三个条件：受众足够的认知度，产品品质稳定和良好服务和保证，产品的利润足够大。

指纹产品的消费意识，这里主要指的是人们对指纹识别技术的应用理解，这里的人们包括厂家、经销代理商、工程商和直接用户。一个有意思的例子是，门禁需要用到指纹方面，80%以上都是直接用户的要求，而大部分的门禁厂家、经销代理商、工程商等中间商并不主动去推荐产品，这是指纹识别不能规模应用的最大的问题，这就是消费意识低的体现。

产品的稳定性，要求指纹厂家具备对安防行业的较深刻了解，开发出的指纹产品必须是符合使用规范和满足大多数的要求以及服务的保证。

产品价格非常重要，尤其在产品发展阶段。有的用户会表示，即使产品稳定，价格不合适一样不用!分析所得，走中端路线，扬长避短，发挥产品在市场终端的绝对竞争优势，这才是在民用市场立于不败之地的根本。

指纹图像的获取技术主要有4种类型：光学扫描设备(例如微型三棱镜矩阵)、温差感应式指纹传感器、半导体指纹传感器、超声波指纹扫描。

借助光学技术采集指纹是历史最久远、使用最广泛的技术。将手指放在光学镜片上，手指在内置光源照射下，用棱镜将其投射在电荷耦合器件(CCD)上，进而形成脊线(指纹图像中具有一定宽度和走向的纹线)呈黑色、谷线(纹线之间的凹陷部分)呈白色的数字化的、可被指纹设备算法处理的多灰度指纹图像。

光学的指纹采集技术有明显的优点：它已经过较长时间的应用考验，一定程度上适应温度的变异，可达到500DPI的较高分辨率等，最主要是价格低廉。也有明显的缺点：由于要求足够长的光程，因此要求足够大的尺寸，而且过分干燥和过分油腻的手指也将使光学指纹产品的效果变坏。

光学指纹传感局限性体现于潜在指印方面(潜在指印是手指在台板上按完后留下的)，不但会降低指纹图像的质量，严重时还可能导致2个指印重叠，显然，难以满足实际应用需要。此外，台板涂层及CCD阵列会随时间推移产生损耗，可能导致采集的指纹图像质量下降。但是具有无法进行活体指纹鉴别、对干湿手指的适用性差等缺点。

光学指纹识别系统由于光不能穿透皮肤表层(死性皮肤层)，所以只能够扫描手指皮肤的表面，或者扫描到死性皮肤层，但不能深入真皮层。在这种情况下，手指表面的干净程度，直接影响到识别的效果。如果，用户手指上粘了较多的灰尘，可能就会出现识别出错的情况。并且，如果人们按照手指，做一个指纹

如去年底发生的内蒙古监狱越狱案件，越狱犯人就是砍下狱警的手指验证光学指纹机打开监狱门禁。还有近期各大媒体争相报道的，在淘宝网上花100元左右可以订做买到硅胶指模，可以轻易地验证通过光学指纹机，上班族专门用它代打指纹考勤。

此外，光学传感器中存在棱镜，其体积较大，一般为半导体的几倍甚至10倍大小，所以限制了其在小型设备上的应用。在类似考勤机、门禁等大设备上使用没有体积限制的问题，但在U盘、移动硬盘、手持设备上使用，体积成了最大的障碍。成本低一直以来被认为是光学传感器的最大优势，但由于其制造过程一致性较难保证，随着以电容传感器为代表的半导体传感器的大规模发展，光学传感器的成本优势也已经不再明显。虽然大多数公司还在使用光学传感器，但其发展趋势是新颖的、高质量的半导体电容指纹传感器。

温差感应式识别技术是基于温度感应的原理而制成的，每个像素都相当于一个微型化的电荷传感器，用来感应手指与芯片映像区域之间某点的温度差，产生一个代表图像信息的电信号。

它的优点是可在0.1s内获取指纹图像，而且传感器体积和面积最小，即目前通常所说的滑动式指纹识别仪就是采用该技术。缺点是：受制于温度局限，时间一长，手指和芯片就处于相同的温度了。

20世纪90年代后期，基于半导体硅电容效应的技术趋于成熟。硅传感器成为电容的一个极板，手指则是另一极板，利用手指纹线的脊和谷相对于平滑的硅传感器之间的电容差，形成8bit的灰度图像。电容传感器发出电子信号，电子信号将穿过手指的表面和死性皮肤层，直达手指皮肤的活体层(真皮层)，直接读取指纹图案。由于深入真皮层，传感器能够捕获更多真实数据，不易受手指表面尘污的影响，提高辨识准确率，有效防止辨识错误。

半导体指纹传感器包括半导体压感式传感器、半导体温度感应传感器等，其中，应用最广泛的是半导体电容式指纹传感器。

半导体电容传感器根据指纹的嵴和峪与半导体电容感应颗粒形成的电容值大小不同，来判断什么位置是嵴什么位置是峪。其工作过程是通过对每个像素点上的电容感应颗粒预先充电到某一参考电压。当手指接触到半导体电容指纹表现上时，因为嵴是凸起、峪是凹下，根据电容值与距离的关系，会在嵴和峪的地方形成不同的电容值。然后利用放电电流进行放电。因为嵴和峪对应的电容值不同，所以其放电的速度也不同。嵴下的像素(电容量高)放电较慢，而处于峪下的像素(电容量低)放电较快。根据放电率的不同，可以探测到嵴和峪的位置，从而形成指纹图像数据。

与光学设备多采用人工调整改善图像质量不同，电容传感器采用自动控制技术调节指纹图像像素以及指纹局部范围敏感程度，在不同环境下结合反馈信息生成高质量图像。由于提供了局部调整能力，即使对比度差的图像(如手指压得较轻的区域)也能被有效检测到，并在捕捉瞬间为这些像素提高灵敏度，生成高质量指纹图像。

半导体电容指纹传感器优点为图像质量较好、一般无畸变、尺寸较小、易集成于各种设备。其发出的电子信号将穿过手指的表面和死性皮肤层，达到手指皮肤的活体层(真皮层)，直接读取指纹图案，从而大大提高了系统的安全性。

半导体硅感技术最重要的优点是能够达到活体指纹识别。还可以在较小的表面上获得比光学技术更好的图像质量，在1cm×1.5cm的表面上获得200-300线的分辨率(较小的表面也导致成本的下降和能被集成到更小的设备中)。体积小、成本低，成像精度高，而且耗电量很小，因此非常适合在安全防范和高档消费类电子产品中使用，被称为光学以后的第二代指纹识别技术。

半导体电容指纹传感器因制造工艺复杂，单位面积上传感单元多，包含高端的，IC设计技术、大规模集成电路制造技术、IC芯片封装技术等，所以电容指纹传感器几乎全部是由IC技术发达的国家或地区，如美国、欧洲、台湾等地设计制造的。目前国内只有极少数厂家有能力生产半导体指纹传感器。

但半导体硅感技术也有缺点，就是会受静电干扰，但可以通过安装时接地解决。以前成本较昂贵，近年来成本大幅度下降，与光学传感器的成本日益接近，是目前最理想的指纹识别技术。如银行金库和监狱等高危安保场所安防门禁系统，采用半导体硅感识别技术的指纹机用于门禁前端活体指纹识别，代替传统的密码、刷卡、光学指纹机，从而真正做到身份识别的惟一性，确保万无一失。

超声波指纹采集是一种新型技术，其原理是利用超声波具有穿透材料的能力，且随材料的不同产生大小不同的回波(超声波到达不同材质表面时，被吸收、穿透与反射的程度不同)。因此，利用皮肤与空气对于声波阻抗的差异，就可以区分指纹嵴与峪所在的位置。 超声波技术所使用的超声波频率为1×104Hz-1×109Hz，能量被控制在对人体无损的程度(与医学诊断的强度相同)。超声波技术产品能够达到最好的精度，它对手指和平面的清洁程度要求较低，但其采集时间会明显地长于前述两类产品，而且价格昂贵，也并不能做到活体指纹识别，所以目前使用稀少。