關于指紋識別技術的基本原理知識及過程詳解

盡管指紋識別技術已經進入了民用領域，但是其工作原理其實還是比較復雜的。與人工處理不同，生物識別技術公司不直接存儲指紋的圖像。多年來，各生物識別技術公司及其研究機構研究了許多指紋識別算法（美國有關法律認為，指紋圖像屬于個人隱私，因此不能直接存儲指紋圖像）。但各種識別算法最終都歸結為在指紋圖像上找到并比對指紋的特征。這就是指紋識別技術的基本原理，即采集指紋圖像并進行比對指紋特征。

指紋的特征

從普遍意義上來講，可以定義指紋的兩類特征來進行指紋的驗證：總體特征和局部特征。

總體特征是指那些用人眼直接就可以觀察到的特征。它包括：

1、基本紋型

常見的指紋圖案有環型、弓型、螺旋型，其他的指紋圖案都基于這三種基本圖案，只是一個粗略的分類，僅僅依靠圖案類型來分辨指紋是遠遠不夠的，但通過分類可以更加便利于在大數據庫中搜尋到指紋。

2、模式區（Pattern Area）

模式區是包含了紋型特征的區域，即從模式區就能夠分辨出指紋是屬于那一種類型的。

3、核心點（Core Point）

核心點位于指紋紋路的漸進中心，它用于讀取指紋和比對指紋時的參考點。

4、三角點（Delta）

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、折轉處，或者指向這些奇異點。三角點提供了指紋紋路的計數和跟蹤的開始之處。

5、式樣線（ Type Lines）

式樣線是在指紋包圍模式區的紋路線開始平行的地方所出現的交叉紋路，式樣線通常很短就中斷了，但它的外側線開始連續延伸。

6、紋數（ Ridge Count）

紋數是指模式區內指紋紋路的數量。在計算指紋的紋數時，一般先連接核心點和三角點，這條連線與指紋紋路相交的數量即可認為是指紋的紋數。

局部特征是指指紋上的節點。兩枚指紋經常會具有相同的總體特征，但它們的局部特征卻不可能完全相同。局部特征點有如下的類型：

1）節點：指紋紋路并不是連續、平滑筆直的，而是經常出現中斷、分叉或彎折的。這些斷點、分叉點和轉折點就稱為“節點”。就是這些節點提供了指紋唯一性的確認信息。

2）端點：一條紋線終止的地方；

3）分叉點：一條紋線分裂成兩條的地方；

4）中心點：指紋的幾何中心，這是紋線產生最大曲率的地方；

5）三角點：三種不同方向的紋線匯聚的地方；

6）交叉：兩條紋線產生交叉的地方；

7）小島：一條很短小的紋線；

8）汗腺孔：脊線上的小孔，系汗腺。以上這些特征被用來區分不同的指紋。其中：

1.端點和分叉點是最為常用的特征。通常的算法都要記錄它們的位置和方向。

2. 中心點和三角點在刑偵系統中普遍使用，而在民用系統中并不常用。因為這些應用中所使用的采集器往往面積較小，較難完整地采集到中心點和三角點。

3.交叉和小島由于計算上的困難，在實際的系統中往往不予采用。

4.有人曾提出用汗腺孔來進行指紋識別，但這種方法要求指紋采集設備要具有非常高的分辨率。所以在實際的系統中沒有采用。

指紋識別的過程

指紋識別由兩個過程組成，即登記過程和識別過程。其原理如圖1 所示：

圖1 指紋識別的過程

在登記過程中，用戶需要先采集指紋，然后計算機系統將自動進行特征提取，提取后的特征將作為模板保存在數據庫或其他指定的地方。在識別或驗證階段，用戶首先要采集指紋，然后經系統自動進行指紋庫模板比對，然后給出比對結果。

在很多場合，用戶可能還要輸入其他的一些輔助信息，以幫助系統進行匹配，如帳號、用戶名等。此過程是一個通用的過程，對所有的生物特征識別技術都適用。

指紋采集的方式

目前市場上常用的指紋采集設備有三種：光學式、硅芯片式、超聲波式。這三種形式的采集技術性能對比見表1：

表1 光學、電容與超聲波采集技術的性能比較

1、光學式

光學指紋采集器是最早的指紋采集器，也是目前使用最為普遍的。它有如下優點：

1 使用時間最長，經受了實際使用的檢驗；

2對溫度等環境因素的適應能力好；

3 價格比較低廉，分辨率較高，可以達到500 dpi 以上。

目前，也已出現了用光柵式鏡頭替換掉棱鏡和透鏡系統的采集器，光電轉換的CCD 器件也已經換成了CMOS 成像器件，從而省略了圖像采集卡，直接得到數字圖像。

2、硅芯片式

硅芯片的指紋采集器出現于90 年代末，大部分硅芯片測量的是手指表面與芯片表面的直流電容場，這個電容場經A/D 轉換后成為灰度數字圖像。

3、超聲波式

超聲波指紋采集器可能是最準確的指紋采集器，但目前并不成熟，尚沒有大規模應用。