- 指紋圖像傳感器的應用、發展趨勢
- 光學、半導體、超聲波傳感器比較
- 指紋技術應用范圍
- 棱鏡光反射圖像采集
- 硅電容式電容值檢測
- 超聲波掃描成像
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、右環、 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手指表皮的初始環境，隨機性很強。為方便起見，定義指紋總體特征和局 部特征進行描述。
前者指人眼可直接觀察到的特征，包括基本紋、核心點、模式區、三角點、式樣線、紋路數；后者指指紋上的節點，包括方向、曲率、位置、分類 等。兩枚指紋總體特征可能相同，但局部特征不會完全相同。研究表明：指紋特征具有唯一性、穩定性特點，據此可實現身份識別。作為生物識別技術中發展最成熟、應用最廣泛的一種，指紋識別技術應用分指紋驗證（1∶1比對）和辨識（1∶N比對）兩類，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、最重要環節是高質量指紋圖像的采集。
早期的指紋圖像采集主要運用油墨捺印等物理方式，如果油墨及紙張質量有問題，或按壓壓力不均，或按壓位置、方向差異，或手指損傷、變形等，都會導致采集的 指紋圖像質量不理想，進而影響該技術應用。考慮到指紋表面積較小，且存在磨損，獲取優質指紋圖像較困難，特別在指紋脊圖像中表現更明顯，這樣，勢必會造成 所采集指紋圖像質量難以保障，導致自動識別指紋系統判讀困難。
為克服物理方式的缺點，開發的光學傳感器、半導體傳感器、超聲波傳感器等對獲取高質量指紋圖 像提供了良好的技術保障，具有很好實用價值。同時，更先進的指紋圖像傳感器亦在研發，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關鍵、性能特點，并簡要介紹其應用情況及發展趨勢。
指紋圖像傳感器
1 光學指紋傳感器
始于1971年的光學傳感器是研究最早、應用最廣泛的指紋圖像傳感器。其技術關鍵是光的全反射，手指置于加膜臺板（一般是硬質塑料，不同廠家材料有異）， 照射到壓有指紋的玻璃表面時，反射光經電荷耦合器件（charge coupled device，CCD）轉換為相應電信號，并傳輸后端進一步處理。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。
由于光線經玻璃照射到谷的區域后在玻璃與空氣的界面發生全反射至CCD，而射向脊的光線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，為獲得較高質量的指紋圖像，還需采用自動或手工方式調整圖像亮度等。
光學指紋圖像傳感器優點主要表現為經歷長期實用檢驗、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。能實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格昂貴缺點。但指紋圖像采集區域較大時所需焦距亦較長，采集設備體積需隨之增大，否則會導致采集的圖像邊緣線形發生扭曲。
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），不但會降低 指紋圖像的質量，嚴重時，還可能導致2個指印重疊，顯然，難以滿足實際應用需要。此外，臺板涂層及CCD陣列會隨時間推移產生損耗，可能導致采集的指紋圖像質量下降。
隨著光學技術發展，一些新穎的技術手段亦已應用于指紋圖像的采集，這樣，能顯著減小光學指紋傳感器的體積。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，脊和谷壓力的不同導致微型棱鏡表面改變，這種變化通過棱鏡的光反射體現出 來，進而實現指紋圖像采集。
光學指紋傳感器特有的高安全系數使得其運用極為廣泛，從事該技術開發及應用的企業較多，中科院長春光機所和美國Identix是其中較突出的開發公司。目前，應用最廣泛的是美國Digital Persona公司U．are．U系列，它集成精密光學系統、發光二極管、半導體攝像頭等，具有三維活體特點，能接收各個方向輸入的指紋，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技術采集指紋圖像，但其發展趨勢是新穎的、高質量的半導體指紋傳感器。
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手段實現指紋圖像采集，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材 料，依指紋凹凸轉化為相應電信號，并產生具有灰度級指紋圖像）、半導體溫度感應傳感器（通過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。
與光學設備多采用人工調整改善圖像質量不同，半導體指紋傳感器采用自動控制技術調節指紋圖像像素行及指紋局 部范圍敏感程度，在不同環境下結合反饋信息生成高質量圖像。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，生成高質量指紋圖像。半導體指紋傳感器優點為圖像質量較好、一般無畸變、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ImageSeekTM。
硅電容式指紋圖像傳感器技術基礎是電容值檢測，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 公司的芯片通過測量手指真皮層交流電容獲取指紋圖像）。與光學傳感器掃描指紋不同，硅電容式指紋傳感器通過測量傳感器與手指接觸／非接觸所產生電流變化 （電子度量）檢測有無指紋，并根據指紋峰、谷等紋理信息實現高可靠性圖像搜索。[page]
其技術關鍵：在半導體金屬陣列集成約100000個電容式傳感器（外層絕 緣），傳感器陣列每一點是個金屬電極，相當于電容器陽極；手指放在上面時，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，測量并記錄各點電容值，即可獲 得具有灰度級指紋圖像。
當然，各廠商可能采用不同形式電容方法開發產品，其中，技術新穎且先進的首推Veridicom公司推出的 ImageSeekTM，它通過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，并自動選擇圖像質量最好的。該技術能適應各種復雜指紋，并能在 各種環境下獲得從干手指到濕手指的高質量指紋圖像，從而顯著減低指紋識別系統誤識率、拒識率。
作為該技術具體應用而推出新穎的、性能優異的自動指紋圖像質 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，通過調整放電電流大小和放 電時間即可改善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品要求，可廣泛用于指紋認證、門禁控制、網絡登錄等。半導體 指紋傳感器特有的優點吸引了Sony，Infineon等知名公司，并開發出各具特色的產品。當然，作為極具潛力、代表未來發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，傳感器可能采集不到圖像，甚至本身也會被損壞；手指汗液鹽分或其他污物，以及手指磨損等均會造成圖像采集困難，其 耐磨性亦不及玻璃；大面積制造成本較高，故取像區域較小；傳感器穩定性，特別是次最優性能等方面有待進一步驗證。
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。技術關鍵：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。與光學指紋傳感器類似，超聲波傳感器亦首先掃描指紋表面，通 過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（該特點遠非光學采集技術可比），采集圖像是實際指紋凹凸真實反映，采集的指紋圖像質量極高。由于多種原因，該技術尚未大規模推廣應用，其性能亦需進一步提高、完善。部分實驗性應用表明：超聲波指紋傳感器同時具備光學傳感器和半導體傳感器的諸多優點，具有較為優越的綜合性能。
如，使用方便、耐用性好、成像面積大、圖像質量高（分辨力高達1000dpi）等，最優采集性能方面亦較硅電容式傳感器要好。作為該技術開拓者，著名的Ultra-Scan公司首開超聲波指紋圖像采集傳感器先河，為高質量指紋圖像采集發揮了重要作用。當然由于超聲波傳感器尚未廣泛應用，因而很難準確評價其在長期大規模應用中的綜合性能。
3種傳感器比較
3種指紋圖像傳感器各有優缺點，如表1所示。
顯然，傳感器性能差異勢必影響采集圖像的質量，特別是指紋圖像質量判斷大多直接移植數字圖像方法，雖理論上可行，但沒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，脊末梢與分支點等關鍵特征的信息提取尤為重要，否則，會影響指紋分類、識別。由于增 強處理及特征提取后才進行圖像質量判別，且判別結果依賴于二者算法效率。
因此，即使為提高識別率采取了若干技術預處理質量較差的指紋圖像，但仍難以滿足自 動識別系統對指紋圖像登記、辨識過程的實時、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，實際應用存在一定困難。特別是刑偵工作中，很難保證案發現場提取的指紋完全準確，需根據具體應用環境選擇合適的指紋采集方式。
指紋技術應用
指紋識別技術以其特有的優勢廣泛應用于公安、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，無需與其他設備或計算機連接即可實現具體功能；后者較為靈活，可以多個系統共享指紋識別設備，亦可建立大型應用數據庫。
以指紋識別技術在社保系統身份認證為例，時代發展要求社會保障網絡化、信息化，集社保、醫療、公積金等信息于一體的社保卡作為滿足上述要求的電子憑證，把 辦理個人、社會事務的信息系統有機整合，構建統一的信息平臺，實現多部門的資源共享與功能整合。
顯然，其基礎是可靠的身份認證，但采用普通技術手段制作的 社保卡安全性、防偽性較差。指紋技術以其可靠性、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法提取足夠的特征點，造成自動識 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，能實時、可靠地獲取高質量指紋圖像，顯著減低識別系統 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保障。此外，指紋識別技術作為司法部門認定犯罪分子的重要依據，已沿用近百年，其基礎便是高 質量指紋圖像的采集。
指紋技術發展趨勢
目前，指紋圖像傳感器主要有光學傳感器、半導體傳感器、超聲波傳感器、全息光學傳感器。其中，質量高、功耗低、體積小的半導體傳感器作為便攜式產品極其重 要的指紋圖像采集手段，應用日益廣泛，其市場規模以驚人速度飛速拓展。2003年11月，美國Frost & Sul Uvan發布的指紋傳感器市場調查結果表明：目前，在面向身份認證的指紋傳感器中，傳統型光學傳感器占一定優勢，受半導體指紋傳感器技術進步和價格下降等 因素的影響，基于半導體技術指紋傳感器的份額將逐漸增加。
雖然2001年其市場規模僅500萬美元，但該市場到2006年將會以3位數增長率發展，猛增至 4.246億美元。另外，全息光學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，具有很好開發前景，是未來重要發展方 向。
