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指紋圖像傳感器技術(shù)關(guān)鍵及發(fā)展趨勢

發(fā)布時間:2009-06-11

中心議題:
  • 指紋圖像傳感器的應(yīng)用、發(fā)展趨勢
  • 光學(xué)、半導(dǎo)體、超聲波傳感器比較
  • 指紋技術(shù)應(yīng)用范圍
解決方案;
  • 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?fàn)顖D形構(gòu)成,其中,環(huán)形占指紋圖像2/3、渦形占1/3,通常根據(jù)亨利系統(tǒng)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手指表皮的初始環(huán)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(jìn)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(qū)、三角點、式樣線、紋路數(shù);后者指指紋上的節(jié)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(wěn)定性特點,據(jù)此可實現(xiàn)身份識別。作為生物識別技術(shù)中發(fā)展最成熟、應(yīng)用最廣泛的一種,指紋識別技術(shù)應(yīng)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(chǔ)、最重要環(huán)節(jié)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(dǎo)致采集的 指紋圖像質(zhì)量不理想,進(jìn)而影響該技術(shù)應(yīng)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(xiàn)更明顯,這樣,勢必會造成 所采集指紋圖像質(zhì)量難以保障,導(dǎo)致自動識別指紋系統(tǒng)判讀困難。

為克服物理方式的缺點,開發(fā)的光學(xué)傳感器、半導(dǎo)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,具有很好實用價值。同時,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(xì)節(jié),并使指紋圖像達(dá)到較高分辨力,提高指紋識 別準(zhǔn)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,并簡要介紹其應(yīng)用情況及發(fā)展趨勢。

指紋圖像傳感器

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(yīng)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,不同廠家材料有異), 照射到壓有指紋的玻璃表面時,反射光經(jīng)電荷耦合器件(charge coupled device,CCD)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)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。

由于光線經(jīng)玻璃照射到谷的區(qū)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(gòu)成的指紋圖像轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。當(dāng)然,為獲得較高質(zhì)量的指紋圖像,還需采用自動或手工方式調(diào)整圖像亮度等。

光學(xué)指紋圖像傳感器優(yōu)點主要表現(xiàn)為經(jīng)歷長期實用檢驗、系統(tǒng)穩(wěn)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(xiàn)較大區(qū)域的指紋圖像采集,有效克服大面積半導(dǎo)體指紋傳感器價格昂貴缺點。但指紋圖像采集區(qū)域較大時所需焦距亦較長,采集設(shè)備體積需隨之增大,否則會導(dǎo)致采集的圖像邊緣線形發(fā)生扭曲。

該傳感器局限性主要體現(xiàn)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(zhì)量,嚴(yán)重時,還可能導(dǎo)致2個指印重疊,顯然,難以滿足實際應(yīng)用需要。此外,臺板涂層及CCD陣列會隨時間推移產(chǎn)生損耗,可能導(dǎo)致采集的指紋圖像質(zhì)量下降。

隨著光學(xué)技術(shù)發(fā)展,一些新穎的技術(shù)手段亦已應(yīng)用于指紋圖像的采集,這樣,能顯著減小光學(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?qū)⒑形⑿屠忡R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(dǎo)致微型棱鏡表面改變,這種變化通過棱鏡的光反射體現(xiàn)出 來,進(jìn)而實現(xiàn)指紋圖像采集。

光學(xué)指紋傳感器特有的高安全系數(shù)使得其運用極為廣泛,從事該技術(shù)開發(fā)及應(yīng)用的企業(yè)較多,中科院長春光機所和美國Identix是其中較突出的開發(fā)公司。目前,應(yīng)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(tǒng)、發(fā)光二極管、半導(dǎo)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(zhuǎn) 180°亦可接收。需特別指出的是,雖然大多數(shù)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(dǎo)體指紋傳感器。

2 半導(dǎo)體指紋傳感器

始于1998年的半導(dǎo)體指紋傳感器應(yīng)用多種新穎技術(shù)手段實現(xiàn)指紋圖像采集,包括半導(dǎo)體電容式傳感器、半導(dǎo)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(zhuǎn)化為相應(yīng)電信號,并產(chǎn)生具有灰度級指紋圖像)、半導(dǎo)體溫度感應(yīng)傳感器(通過感應(yīng)壓在設(shè)備上的脊和遠(yuǎn)離設(shè)備的谷間溫度差異獲取指紋圖像) 等,其中,應(yīng)用最廣泛的是硅電容式指紋傳感器。

與光學(xué)設(shè)備多采用人工調(diào)整改善圖像質(zhì)量不同,半導(dǎo)體指紋傳感器采用自動控制技術(shù)調(diào)節(jié)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(jié)合反饋信息生成高質(zhì)量圖像。由于提供了局部調(diào)整能力,即使對比度差的圖像(如手指壓得較輕的區(qū)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(dǎo)體指紋傳感器優(yōu)點為圖像質(zhì)量較好、一般無畸變、尺寸較小、易集成于各種設(shè)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(chǔ)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(xué)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(chǎn)生電流變化 (電子度量)檢測有無指紋,并根據(jù)指紋峰、谷等紋理信息實現(xiàn)高可靠性圖像搜索。[page]

其技術(shù)關(guān)鍵:在半導(dǎo)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(dāng)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(yuǎn)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(zhuǎn)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(dāng)然,各廠商可能采用不同形式電容方法開發(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,它通過改變指紋傳感器電容陣列參數(shù),能在1s內(nèi)掃描多幀指紋圖像,并自動選擇圖像質(zhì)量最好的。該技術(shù)能適應(yīng)各種復(fù)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,從而顯著減低指紋識別系統(tǒng)誤識率、拒識率。

作為該技術(shù)具體應(yīng)用而推出新穎的、性能優(yōu)異的自動指紋圖像質(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(dá)500dpi,內(nèi)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(yīng)傳感單元電容值。每次捕捉各行圖像后,該行各傳感單元內(nèi)就相應(yīng)存放待數(shù)字化電容值,這樣,通過調(diào)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(chǎn)品要求,可廣泛用于指紋認(rèn)證、門禁控制、網(wǎng)絡(luò)登錄等。半導(dǎo)體 指紋傳感器特有的優(yōu)點吸引了Sony,Infineon等知名公司,并開發(fā)出各具特色的產(chǎn)品。當(dāng)然,作為極具潛力、代表未來發(fā)展方向的指紋傳感器也存在一 定局限性,表現(xiàn)為易受靜電影響,嚴(yán)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(qū)域較??;傳感器穩(wěn)定性,特別是次最優(yōu)性能等方面有待進(jìn)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(zhǔn)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(yīng)接收設(shè)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(yīng)指紋圖像。與光學(xué)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(shè)備獲取反射信號,并轉(zhuǎn)換為指紋圖像。

但超聲波能有效穿透指紋表面的灰塵、汗?jié)n等(該特點遠(yuǎn)非光學(xué)采集技術(shù)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(zhì)量極高。由于多種原因,該技術(shù)尚未大規(guī)模推廣應(yīng)用,其性能亦需進(jìn)一步提高、完善。部分實驗性應(yīng)用表明:超聲波指紋傳感器同時具備光學(xué)傳感器和半導(dǎo)體傳感器的諸多優(yōu)點,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(dá)1000dpi)等,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(zhì)量指紋圖像采集發(fā)揮了重要作用。當(dāng)然由于超聲波傳感器尚未廣泛應(yīng)用,因而很難準(zhǔn)確評價其在長期大規(guī)模應(yīng)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(yōu)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(zhì)量,特別是指紋圖像質(zhì)量判斷大多直接移植數(shù)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(nèi)容單一,由交替出現(xiàn)的脊和谷組成,其中,脊末梢與分支點等關(guān)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(jìn)行圖像質(zhì)量判別,且判別結(jié)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(shù)預(yù)處理質(zhì)量較差的指紋圖像,但仍難以滿足自 動識別系統(tǒng)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(xì)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(yīng)用存在一定困難。特別是刑偵工作中,很難保證案發(fā)現(xiàn)場提取的指紋完全準(zhǔn)確,需根據(jù)具體應(yīng)用環(huán)境選擇合適的指紋采集方式。

 指紋技術(shù)應(yīng)用

指紋識別技術(shù)以其特有的優(yōu)勢廣泛應(yīng)用于公安、軍事、社保等,常用的指紋識別系統(tǒng)有嵌入式和連接計算機的應(yīng)用2種。前者相對獨立,無需與其他設(shè)備或計算機連接即可實現(xiàn)具體功能;后者較為靈活,可以多個系統(tǒng)共享指紋識別設(shè)備,亦可建立大型應(yīng)用數(shù)據(jù)庫。

以指紋識別技術(shù)在社保系統(tǒng)身份認(rèn)證為例,時代發(fā)展要求社會保障網(wǎng)絡(luò)化、信息化,集社保、醫(yī)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(wù)的信息系統(tǒng)有機整合,構(gòu)建統(tǒng)一的信息平臺,實現(xiàn)多部門的資源共享與功能整合。

顯然,其基礎(chǔ)是可靠的身份認(rèn)證,但采用普通技術(shù)手段制作的 社??ò踩?、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(tǒng)的身份認(rèn)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(tǒng)判讀困難。由半導(dǎo)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(tǒng),能實時、可靠地獲取高質(zhì)量指紋圖像,顯著減低識別系統(tǒng) 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)作為司法部門認(rèn)定犯罪分子的重要依據(jù),已沿用近百年,其基礎(chǔ)便是高 質(zhì)量指紋圖像的采集。

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(dǎo)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(dǎo)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(yīng)用日益廣泛,其市場規(guī)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調(diào)查結(jié)果表明:目前,在面向身份認(rèn)證的指紋傳感器中,傳統(tǒng)型光學(xué)傳感器占一定優(yōu)勢,受半導(dǎo)體指紋傳感器技術(shù)進(jìn)步和價格下降等 因素的影響,基于半導(dǎo)體技術(shù)指紋傳感器的份額將逐漸增加。

雖然2001年其市場規(guī)模僅500萬美元,但該市場到2006年將會以3位數(shù)增長率發(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,具有很好開發(fā)前景,是未來重要發(fā)展方 向。
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