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指紋采集技術及其產品發展趨勢
摘要：隨著各類電子設備不斷進入人們的日常工作和生活， 以及電子商務越來越廣泛的推廣應用，需要有一個更可靠的系統來進行身份認證。生物識別技術已成為一種公認的最為方便和安全的身份認證技術。生物識別技術中的指紋識別技術發展最成熟、應用也最廣泛。指紋圖像的采集技術是指紋識別中的關鍵技術之一。本文分析比較了不同種類的指紋采集技術及其性能，并介紹了指紋采集技術的應用情況及其產品發展趨勢。近年來，越來越多的個人、消費者、公司和政府機關都認為現有的基于智能卡、身份證號碼和密碼的身份識別系統很繁瑣而且并不十分可靠。生物識別技術為此提供了一個安全可靠的解決方案。生物識別技術根據人體自身的生理特征來識別個人的身份，這種技術是目前最為方便與安全的識別系統，它不需要你記住象身份證號碼和密碼，也不需隨身攜帶像智能卡之類的東西。
生物識別技術[1]包括虹膜識別技術、視網膜識別技術、面部識別技術、聲音識別技術、指紋識別技術[2]。其中指紋識別技術是目前最為成熟的、應用也最為廣泛的生物識別技術。每個人的包括指紋在內的皮膚紋路在圖案、斷點和交叉點上各不相同，也就是說，這些指紋特征是唯一的，并且終生不變。依靠這種唯一性和穩定性，我們就可以把一個人同他的指紋對應起來，通過比較他的指紋和預先保存的指紋進行比較，就可以驗證他的真實身份。
指紋識別系統[3]是通過指紋采集、分析和對比指紋特征來實現快速準確的身份認證。指紋識別系統框圖如圖1所示。
指紋采集器采集到指紋圖像后，才能被計算機進行識別、處理。指紋圖像的質量會直接影響到識別的精度以及指紋識別系統的處理速度，因此指紋采集技術是指紋識別系統的關鍵技術之一。本文著重分析比較不同的指紋采集技術及其性能。
1 指紋采集技術
指紋的表面積相對較小，日常生活中手指常常會受到磨損，所以獲得優質的指紋細節圖像是一項十分復雜的工作。當今所使用的主要指紋采集技術有光學指紋采集技術，半導體指紋采集技術和超聲波指紋采集技術。
1．1 光學指紋圖像采集技術
光學指紋采集技術是最古老也是目前應用最廣泛的指紋采集技術，光學指紋采集設備始于1971年，其原理是光的全反射(FTIR)。光線照到壓有指紋的玻璃表面，反射光線由CCD去獲得，反射光的量依賴于壓在玻璃表面指紋的脊和谷的深度以及皮膚與玻璃間的油脂和水分。光線經玻璃照射到谷的地方后在玻璃與空氣的界面發生全反射，光線被反射到CCD，而射向脊的光線不發生全反射，而是被脊與玻璃的接觸面吸收或者漫反射到別的地方，這樣就在CCD上形成了指紋的圖像。如圖2所示。
光學采集設備有著許多優勢：它經歷了長時間實際應用的考驗，能承受一定程度溫度變化，穩定性很好，成本相對較低，并能提供分辨率為500dpi的圖像。
光學采集設備也有不足之處，主要表現在圖像尺寸和潛在指印兩個方面。臺板必須足夠大才能獲得質量較好的圖像。潛在指印是手指在臺板上按完后留下的，這種潛在指印降低了指紋圖像的質量。嚴重的潛在指印會導致兩個指印的重疊。另外臺板上的涂層(膜)和CCD陣列隨著時間的推移會有損耗，精確度會降低。
隨著光學設備技術的革新，光學指紋采集設備的體積也不斷減小�，F在傳感器可以裝在6x3x6英寸的盒子里，在不久的將來更小的設備是3x1X1英寸。這些進展得益于多種光學技術的發展。例如：可以利用纖維光束來獲取指紋圖像。纖維光束垂直照射到指紋的表面，他照亮指紋并探測反射光。另一個方案是把含有一微型三棱鏡矩陣的表面安裝在彈性的平面上，當手指壓在此表面上時，由于指紋脊和谷的壓力不同而改變了微型三棱鏡的表面，這些變化通過三棱鏡光的反射而反映出來。
美國DigitaIPersona[4]公司推出的U．are．U系列光學指紋采集器是目前應用比較廣泛的光學指紋采集器，主要用于用戶登錄計算機windows系統時確認身份，它集成了精密光學系統、LED光源和CMOS攝像頭協同工作，具有三維活體特點，能夠接受各個方向輸入的指紋，即使旋轉180度亦可接受，是目前市場上最安全的光學指紋識別系統之一。U．are．U光學指紋采集器按照人體工學設計，帶有USB接口，是用戶桌面上緊鄰鍵盤的新型智能化外設。
1．2 半導體指紋采集技術
半導體傳感器是1998年在市場上才出現的，這些含有微型晶體的平面通過多種技術來繪制指紋圖像。
(1)硅電容指紋圖像傳感器
這是最常見的半導體指紋傳感器，它通過電子度量來捕捉指紋。在半導體金屬陣列上能結合大約100，000個電容傳感器，其外面是絕緣的表面。傳感器陣列的每一點是一個金屬電極，充當電容器的一極，按在傳感面上的手指頭的對應點則作為另一極，傳感面形成兩極之間的介電層。由于指紋的脊和谷相對于另一極之間的距離不同(紋路深淺的存在)，導致硅表面電容陣列的各個電容值不同，測量并記錄各點的電容值，就可以獲得具有灰度級的指紋圖像。
(2)半導體壓感式傳感器
其表面的頂層是具有彈性的壓感介質材料，它們依照指紋的外表地形(凹凸)轉化為相應的電子信號，并進一步產生具有灰度級的指紋圖像。
(3)半導體溫度感應傳感器
它通過感應壓在設備上的脊和遠離設備的谷溫度的不同就可以獲得指紋圖像。
半導體指紋傳感器采用了自動控制技術(AGC技術)，
能夠自動調節指紋圖像像素行以及指紋局部范圍的敏感程度，在不同的環境下結合反饋的信息便可產生高質量的圖像。例如，一個不清晰(對比度差)的圖像，如干燥的指紋，都能夠被感覺到，從而可以增強其靈敏度，在捕捉的瞬間產生清晰的圖像(對比度好)；由于提供了局部調整的能力，圖像不清
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