指紋識別技術1、產(chǎn)品構(gòu)成對指紋識別技術，目前除了一部分真正的研發(fā)人員之外，大部分涉業(yè)者或者興趣者都希望有個清晰的了解。在此，先從指紋識別產(chǎn)品的構(gòu)成說起，也就是由產(chǎn)品構(gòu)成再展開對技術構(gòu)成的分析。指紋識別產(chǎn)品是由基礎構(gòu)件、中間構(gòu)件和上層構(gòu)件組成的，基礎構(gòu)件是指一個完整的指紋識別（不是指紋采集）產(chǎn)品，包括硬件和軟件，都必須具備的基礎部分。中間構(gòu)件，簡稱中間件，是向上支持各類軟件系統(tǒng)或者硬件設備，實現(xiàn)指紋注冊和認證功能的獨立部分。上層構(gòu)件，是指在基礎構(gòu)件之上，自己實現(xiàn)中間件或者利用中間件建立起來的執(zhí)行應用的部分，也可以稱為應用構(gòu)件。指紋產(chǎn)品基礎構(gòu)件包括：指紋傳感器（指紋Sensor）、指紋傳感器驅(qū)動程序（Driver）、指紋傳感器底層接口程序（底層SDK），以及指紋算法程序。其中前三個都是作為一個整體對待，籠統(tǒng)的稱為指紋SENSOR。指紋基礎構(gòu)件的這四個部分，對于任何一類的指紋識別產(chǎn)品都是不可缺少的，所以稱之為基礎構(gòu)件。指紋產(chǎn)品中間構(gòu)件，或者叫指紋應用中間件，它專門完成指紋注冊和認證功能，所以它一定包含指紋識別算法。它屏蔽了應用層對設備層（基礎構(gòu)件中的SENSOR以及DRIVER）的直接訪問。它既可以表現(xiàn)為軟件控件（ocx），也可表現(xiàn)為硬件模塊，也就是俗稱的指紋脫機模塊。指紋產(chǎn)品上層構(gòu)件，它是用戶需求的實現(xiàn)部分，其形態(tài)不定,可以是一個完整的指紋應用軟件產(chǎn)品，如指紋文件保護系統(tǒng)、計算機登錄指紋保護系統(tǒng)。也可是指紋考勤機、指紋保險柜等這類嵌入式硬件產(chǎn)品。在了解了指紋識別產(chǎn)品的構(gòu)成要件之后，我們再一層層采用解析的方法來分析每個構(gòu)件中的技術成份。2、指紋產(chǎn)品基礎構(gòu)件2.1、基礎構(gòu)件之指紋SENSOR從基礎構(gòu)件層來看，其中的指紋SENSOR，是指紋圖像自動采集和生成部分，是整個指紋識別產(chǎn)品的數(shù)據(jù)輸入端。絕大多數(shù)指紋SENSOR通過光學掃描、晶體熱敏、晶體電容等三種主要傳感原理采集指紋圖像。衡量一個指紋SENSOR的質(zhì)量好壞或者使用的技術的高低，從其使用的采集原理上并不能得出結(jié)論，而是主要從以下幾個方面來衡量。（1） 成像質(zhì)量。成像質(zhì)量是衡量指紋SENSOR（指紋傳感器）質(zhì)量的首要標準。成像質(zhì)量主要表現(xiàn)為對指紋圖像的還原能力，以及去噪能力。（2） 手指適應能力。由于不同手指指紋的紋路深淺不同、干濕不同，污漬程度不同。要能夠?qū)λ星闆r進行有效兼容，是指紋SENSOR的適用能力的表現(xiàn)。有時候手指適用能力被歸到成像質(zhì)量中

（3） 采集速度。采集速度表現(xiàn)為從手指放到SENSOR觸面后多長時間內(nèi)完成一次指紋采集的時間，或者單位時間如1S可以采集的次數(shù)。速度的快慢直接影響到用戶的使用體驗。（4） 電氣特性。電氣特性是從產(chǎn)品化的角度來看，指紋SENSOR是否真正可用于某種產(chǎn)品。電氣特性主要關注三個參數(shù)，工作電壓，功耗和ESD（防靜電能力）。如把指紋SENSOR應用到手機上，必然要考慮手機的現(xiàn)在供電方式能否滿足增加了指紋SENOSR后的電壓和功耗要求。不過大部分指紋SENOSR的電壓都在3.6V以下（含）（5） 硬件接口能力。接口能力也是從產(chǎn)品化的角度來衡量的。接口能力直接影響著指紋SENSOR所獲得的指紋圖像數(shù)據(jù)的傳送方式，影響著與指紋處理模塊之間的通訊方式和通訊速度。比如已具備USB接口能力的指紋SENSOR，可以直接與USBHUB相連。而沒有USB接口的，就需要通過USB控制器來實現(xiàn)，給產(chǎn)品化增加一道技術門檻。（6） SDK能力。SDK能力是指指紋SENSOR的功能，也就是與指紋SENSOR配套使用的程序接口的功能。一般在這些接口中定義了上層應用如何啟動或終止硬件SENSOR，以及如何控制指紋SENSOR的函數(shù)族。比如發(fā)送指紋SENOSR初始化命令、開始或停止捕獲指紋圖像命令、詢問手指是存在、以及判斷是否是指紋等。對于滑動式（SWIPE）芯片來講，還包括指紋重構(gòu)的命令接口。（7） 附加功能。大部分指紋SENSOR除了具備指紋圖像采集能力之外，還能夠感知手指的移動方向、手指的點擊方式（單擊雙擊），

這被稱之為導航能力。作者見過的一款導航能力非凡的指紋sensor,可以非常靈活的玩貪吃蛇游戲。另一方面，有的指紋sensor,如atmel和authentech的，可以提供指紋特征值的模板訪問接口。這些都是除了基本功能之外，指紋sensor廠商附加開發(fā)的功能，這部分功能可以使得，在其它條件相當?shù)那闆r下，起到提升應用特色的作用。2.2、基礎構(gòu)件之指紋算法以上是指紋產(chǎn)品基礎構(gòu)件層中的指紋SENSOR部分的技術構(gòu)成分析。下面介紹另一部分指紋算法。全球指紋算法據(jù)稱約有100種，不過這三大塊基本是少不了的。一是對指紋圖像進行預處理；二是提取特征值，并形成特征值模板；三是指紋特征值比對。2.2.1指紋算法之指紋圖像預處理指紋圖像預處理的目的主要是為特征值提取的有效性準確性作好準備。一般包括如下的過程：（1） 指紋圖像增強。指紋圖像增強的目的主要是為了減少噪音，增強脊谷對比度，使得圖像更加清晰真實，便于后續(xù)指紋特征值提取的準確性。指紋圖像增強的方法較多，常見的如通過8域法計算方向場與設定合適的過濾閾值。處理時依據(jù)每個像素處脊的局部走向，會增強在同一方向脊的走向，并且在同一位置，減弱任何不同于脊的方向。這樣使得脊線相對背景更加清晰，特征點走向更加明顯。

（2）指紋圖圖像平滑處理。平滑處理是為了讓整個圖像取得均勻一致的明暗效果。平滑處理的過程是選取整個圖像的象素與其周期灰階差的均方值作為閾值來處理的。（3） 指紋圖像二值化。在原始灰階圖像中，各象素的灰度是不同的，并按一定的梯度分布。在實際處理中只需要象素是不是脊線上的點，而無需知道它的灰度。所以每一個象素對判定脊線來講，只是一個''是與不是〃的二元問題。所以，指紋圖像二值化是對每一個象素點按事先定義的閾值進行比較，大于閾值的，使其值等于255（假定），小于閾值的，使其值等于0。圖像二值化后，不僅可以大大減少數(shù)據(jù)儲存量，而且使得后面的判別過程少受干擾，大大簡化其后的處理。（4）指紋圖像細化處理。圖像細化就是將脊的寬度降為單個像素的寬度，得到脊線的骨架圖像的過程。這個過程進一步減少了圖像數(shù)據(jù)量，清晰化了脊線形態(tài)，為之后的特征值提取作好了準備。由于我們所關心的不是紋線的粗細，而是紋線的有無。因此，在不破壞圖像連通性的情況下必須去掉多余的信息。因而應先將指紋脊線的寬度采用逐漸剝離的方法，使得脊線成為只有一個象素寬的細線，這將非常有利于下一步的分析。2?2?2指紋算法之特征值提取提取指紋特征值是從細化過的指紋圖像中，掃描分析出能夠表達某個指紋圖像與眾不同的特征點的集合。在最初的指紋識別算法中，經(jīng)歷以過圖像進行比較的階段，現(xiàn)在的算法為了安全和確保精準度起見，

采用圖像上的特征點來進行比較，所以才有特征值提取的說法。首先來認識一下指紋的特征。指紋特征=總體特征+局部特征總體特征：紋形：環(huán)形、弓形、螺旋形(有的算法分的更細，如左旋右旋)模式區(qū)：包含了紋形特征的區(qū)域核心點：位于指紋紋路的漸進中心三角點：位于從核心點開始的第一個分叉點或者斷點、或者兩條紋路會聚處、孤立點、折轉(zhuǎn)處，或者指向這些奇異點。紋數(shù)：指模式區(qū)內(nèi)指紋紋路的數(shù)量(脊密度)局部特征：指紋上的細節(jié)點的特征。特征點：類型、方向、曲率、位置特征點類型A：終結(jié)點(Ending),—條紋路在此終結(jié)B：分叉點(Bifurcation),—條紋路在此分開成為兩條或更多的紋路C：分歧點(RidgeDivergenee)，兩條平行的紋路在此分開D：孤立點(DotorIsland),—條特別短的紋路，以至于成為一占八、、E：環(huán)點(Enclosure)，一條紋路分開成為兩條之后，立即有合并成為一條F：短紋(ShortRidge)，一端較短但不至于成為一點的紋路（2） 指紋特征點的表示。認識到指紋包含以上特征點之后，如何對指紋的特征點進行描述？就像通過描述一個的特點不同于另一個人時，我們一般會采用儲如''男性”“身高170”、偏白〃等詞匯一樣，描述指紋的特征點也有一系列的維度。如特征點類型、位置坐標、方向、曲率等。甚至可以增加組合特征描述。指紋處理是一個幾何域的問題，所以對這些特征點的描述無外乎與幾何參數(shù)有關。（3） 指紋特征點提取。對指紋的特征信息（總體和局部的）進行選擇、編碼，形成二進制數(shù)據(jù)的過程。指紋特征點的提取方法是算法中的核心。一般采用8鄰域法對二值化、細化后的指紋圖像抽取特征點，這種方法將脊線上的點用“1”表示，背景用“0”表示，將待測點（x,y）的八鄰域點（如下圖所示）進行循環(huán)比較，若“0〃，“1”變化有六次，則此待測點為分叉點，若變化兩次，則為端點。通過這個過程可以記錄下來一個指紋的所有特征點。通常一個指紋的特征點在100~150之間，在形成指紋特征值模板（也就是特征值的有序集合）時，盡量多的提取特征點對于提高準確性是有很大幫助的。N4:N3：M2N5(?“N1N6..N?N82?2?3指紋算法之特征值比對指紋特征值比對過程是把當前取得的指紋特征值集合與事先存儲的指紋特征值模板進行匹配的過程。匹配是一個模式識別的過程，判定的標準不是等與不等，而是相似的程度。這個程度判定依賴

于某個閾值，以及與判定時比較的特征點的個數(shù)有關。閾值取的合理，特征點取的越多，誤判的機率就越小。理論一般認為只要7個特征點不同就可以區(qū)別開兩枚指紋。實際在程序?qū)崿F(xiàn)中，多采用14個或以上的特征點作匹配。匹配的方法很多，包括基于特征點的匹配、脊模式的匹配、以及線對（兩個特征點的連線）匹配方法。匹配的過程還要處理如手指旋轉(zhuǎn)、壓力導致的伸縮及平移等情況。一般算法的誤識率（FAR）為0.001%時，其拒認率（FRR）為0.75-5%。在指紋識別算法這一部分補充說明一下指紋識別和驗證的區(qū)別。識別與驗證并不是指紋識別算法領域的問題，而是指紋識別系統(tǒng)的問題。指紋識別就是指1：N模式下匹配指紋特征值。它是從多個指紋模板中識別出一個特定指紋的過程。其結(jié)果是，有或者沒有。有時會給出是誰的信息。指紋驗證是指在1：1模式下匹配指紋特征值。它是拿待比對的指紋特征模板與事先存在的另一個指紋特征模板進行一次匹配的過程。其結(jié)果是，是不是。在一個系統(tǒng)中即可以采用1：1模式也可以采用1：N模式，這是取決于應用系統(tǒng)的特點和要求。從優(yōu)缺方面比較，1:1模式要比1：N快些，準確性高些，但方便性會差些。3、指紋產(chǎn)品中間件指紋中間件技術，與一般中間件技術相似。對于指紋軟件中間

件來講，主要是提供一系列從應用角度看已經(jīng)封裝好的接口，一般不會開放指紋特征值模板及下一級的接口。這些接口的能力表現(xiàn)為數(shù)據(jù)庫連接和拆線類接口、用戶注冊接口、用戶驗證接口、用戶手指信息、用戶信息訪問接口、用戶管理（增刪改）接口，以及常用的系統(tǒng)管理接口等。這些接口一般以OCX組件形式提供，適用于以C/S、B/S、N-Tier等多種應用模式。硬件中間件，一般是指指紋脫機模塊。它主要是一個嵌入式指紋識別系統(tǒng)，對外提供兩方面的能力。一是向下能夠接入一定類型數(shù)量的指紋SENSOR；二是向上給應用能夠提供指紋注冊、驗證、識別、指紋存儲等功能。硬件中間件的形態(tài)一直在發(fā)展和變化中，從板卡形態(tài)向芯片形態(tài)演變。市場上已經(jīng)出現(xiàn)指紋識別IC,能夠完成所有指紋注冊驗證的功能。這對于開發(fā)嵌入式指紋識別設備，將無疑是一大福音。4、指紋產(chǎn)品上層構(gòu)件指紋產(chǎn)品上層構(gòu)件，即應用層，目前市場上所見完整的指紋產(chǎn)品形態(tài)多種多樣，在此不再累述。只是想說，在應用層，由于行業(yè)的不同、需求的多樣性，依然是有很多可以成就的東西?？偨Y(jié)從以上分析總結(jié)來看，基礎構(gòu)件中的指紋SENSOR和指紋算法

是關鍵中的關鍵。如果沒有掌握這個關鍵，通過正常的商品交易得到cA這些，并以此為基礎構(gòu)造出指紋中間件產(chǎn)品、或者開發(fā)出不同行業(yè)的不同類型的指紋應用產(chǎn)品（或系統(tǒng)），也會有非常不錯的前景，這也是創(chuàng)新 成創(chuàng)新。以上內(nèi)容如有描述不正確之處，敬請指出，作者將及時更正，以免貽誤他人?！鯟Qttn原始圖 圖像増強后 平滑處理后二值化后 細化后4下表羅列了指紋識別產(chǎn)品的種類，以及正在提供這些產(chǎn)品的廠商。目前已經(jīng)有10多種以上的設備領域開始應用指紋識別技術。

cA這些，并以此為基礎構(gòu)造出指紋中間件產(chǎn)品、或者開發(fā)出不同行業(yè)的不同類型的指紋應用產(chǎn)品（或系統(tǒng)），也會有非常不錯的前景，這也是創(chuàng)新 成創(chuàng)新。以上內(nèi)容如有描述不正確之處，敬請指出，作者將及時更正，以免貽誤他人?！鯟Qttn原始圖 圖像増強后 平滑處理后二值化后 細化后4下表羅列了指紋識別產(chǎn)品的種類，以及正在提供這些產(chǎn)品的廠商。目捋紋無齡脾指紋SmartCard捋紋壽勤指紋遊盤DigitalDeferLE^4Sc=ltlho:?teclu4iCi^LidfromCher17j4ThjTibAcceEE^4E-Smart^丄Luckyj-ICtiicorf..4Dull/H：=lTlZD：(Ti.4yi^Li-dCard.4Thi±-lTli1OE7.4DiEitaiPerajra..4Privari4Firi￡etCard.丄BioEciypt. 4BhTui.4SyE：ide.4BictTietricAssociate^4IderLtiz,4Se'ZiirityFirst^4Ifkey,4BALSiemerLE.iFiri￡erTec.4GgtduELt気.iMicro-latchiBioAccess,.i榕絞PC卡楷紋手機EPLA捋紋便捷ID險各楷紋周率應坤E+hentic=l丄CHL>NB；4BK?.4Fujitsu4FujitEHi4SaeemMoitiIli.4Volvo,4IderLtix4-Hitachi-IIdentiz..4Auili..4KSIHP4Datastrip..4SijzijJzij4NEC4LGTelpi3z(ti4-Tricutie^4BertorLp.,-ISilez4p：=LTLtectitCui'itel4Labcal.,4SrTFELrTiudE..4Veridt4-Sagem.iDHP,4Biolife.iVeiitduch.1A