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半导体识别技术与应用

作者:管理员   发表于: 2018-06-05 10:56:26       

技术简介

    每个人包括指纹在内的皮肤纹路在图案、断点和交叉点上各不相同,呈现唯一性且终生不变。据此,我们就可以把一个人同他的指纹对应起来,通过将他的指纹和预先保存的指纹数据进行比较,就可以验证它的真实身份,这就是指纹识别技术。指纹识别主要根据人体指纹的纹路、细节特征等信息对操作或被操作者进行身份鉴定,得益于现代电子集成制造技术和快速而可靠的算法研究,已经开始走入我们的日常生活,成为目前生物检测学中研究最深入,应用最广泛,发展最成熟的技术。

工作原理

指纹其实是比较复杂的。与人工处理不同,许多生物识别技术公司并不直接存储指纹的图象。多年来在各个公司及其研究机构产生了许多数字化的算法(美国有关法律认为,指纹图象属于个人隐私,因此不能直接存储指纹图象)。但指纹识别算法最终都归结为在指纹图象上找到并比对指纹的特征。

指纹识别

与人工处理不同,一般的生物识别技术公司并不直接存储指纹的图象,而是使用不同的数字化算法在指纹图象上找到并比对指纹的特征。每个指纹都有几个独一无二、可测量的特征点,每个特征点都有大约5~7个特征,我们的十个手指产生最少4900个独立可测量的特征,这足以说明指纹识别是一个更加可靠的鉴别方式。


识别指纹研究

 总体特征

总体特征是指那些用人眼直接就可以观察到的特征。包括纹形、模式区、核心点、三角点和纹数等。

 纹形

指纹专家在长期实践的基础上,根据脊线的走向与分布情况一般将指纹分为三大类——环型(loop,又称斗形)、弓形(arch)、螺旋形(whorl)。

 模式区

即指纹上包括了总体特征的区域,从此区域就能够分辨出指纹是属于哪一种类型的。有的指纹识别算法只使用模式区的数据,有的则使用所取得的完整指纹。核心点位于指纹纹路的渐进中心,它在读取指纹和比对指纹时作为参考点。许多算法是基于核心点的,即只能处理和识别具有核心点的指纹。

三角点

位于从核心点开始的第一个分叉点或者断点,或者两条纹路会聚处、孤立点、折转处,或者指向这些奇异点。三角点提供了指纹纹路的计数跟踪的开始之处。

纹数

即模式区内指纹纹路的数量。在计算指纹的纹路时,一般先连接核心点和三角点,这条连线与指纹纹路相交的数量即可认为是指纹的纹数。

局部特征

局部特征是指指纹上节点的特征,这些具有某种特征的节点称为细节特征或特征点。两枚指纹经常会具有相同的总体特征,但它们的细节特征,却不可能完全相同。指纹纹路并不是连续的、平滑笔直的,而是经常出现中断、分叉或转折。这些断点、分叉点和转折点就称为"特征点",就是这些特征点提供了指纹唯一性的确认信息,其中最典型的是终结点和分叉点,其他还包括分歧点、孤立点、环点、短纹等。特征点的参数包括:方向(节点可以朝着一定的方向)、曲率(描述纹路方向改变的速度)、位置(节点的位置通过x/y坐标来描述,可以是绝对的,也可以是相对于三角点或特征点的)。


应用领域

2014年4月发布的三星GalaxyS5和苹果iPhone5S都配备了指纹识别功能。三星的Galaxy S5需要用户将手指以一定的方向划过Home键,这样传感器才能采集到较为完整的指纹信息,否则就会识别失败。苹果iPhone 5S的Touch ID功能也有可能会失效,需要重新录入指纹信息才能恢复正常。虽然指纹识别功能目前还不成熟,但是由于智能手机市场的 需求,很多手机厂商如HTC、小米、华为等都早已开始研发自己的指纹识别功能。

应用现状分析

作为生物识别技术中应用最广泛、价格最低廉的识别技术之一,指纹识别技术在2012年保持着良好的发展态势,预计未来几年指纹识别市场将会持续保持稳定的增长速度。目前指纹识别技术主要应用在企业考勤和智能小区门禁系统中,随着技术的成熟和成本的降低,指纹识别技术的应用领域也越来越广泛。

1、企业考勤仍占主导

考勤是现代企业管理的基础,也是衡量企业管理水平的重要标志。基于指纹识别的企业员工考勤系统能够彻底解决传统打卡钟、IC卡考勤方式所出现的代打卡问题,保证考勤数据的真实性,真正体现公开、公平和公正,因此能进一步提高企业管理的效率和水平。并且,由于指纹识别产品是目前最方便、可靠和价格最便宜的生物识别产品因而成为大多数中小企业考勤的首选。目前中国市场指纹考勤产品的销售数量就占据了整体生物识别产品销量的40%以上,高居榜首。

2、智能小区成为普及热点

由于智能小区在设计选型时要从功能、性能、成本等多方面进行综合考虑,因此,通常会选用技术发展较成熟、可靠性高、并且性价比较好的产品。指纹识别技术在众多生物识别技术中发展最为成熟,性能稳定,且成本较低,特别适合在智能小区中进行推广和普及。指纹识别技术在智能小区中的应用主要体现在实现小区居民在社区中进行停车收费、超市购物、图书借阅、楼宇出入等日常活动项目。有效解决居民使用证件繁多容易丢失,给生活带来很多不便的矛盾,并提升了社区的管理水平,促进管理手段现代化。如今指纹识别技术已经在智能小区中得到广泛应用,并向着更加广大的民用市场迈进。

3、指纹锁市场发展迅猛

把指纹识别技术应用于传统的门锁之中,是生物识别技术从专业市场走向民用市场的不二之选。指纹锁产品的出现宣告了新一代门锁时代的来临,指纹锁将会逐渐改变人类以往使用钥匙开门的生活方式。指纹锁的便捷、安全、低成本特性将会带来非常乐观的市场前景,新一轮门锁竞争将促使指纹锁市场迅猛向前发展。

4、多元化应用遍地开花

除了在企业考勤和智能小区中的应用外,目前,指纹识别技术在司法领域、金融领域等大型的公共项目中也有着非常广泛的应用。除此之外,指纹识别技术还被创新应用到护照、签证、身份证等十分重要的管理系统中,承担着基于大规模数据库的自动身份识别功能。

技术分类

就应用方法而言,指纹识别技术可分为验证和辨识。

验证

就是通过把一个现场采集到的指纹与一个已经登记的指纹进行一对一的比对来确定身份的过程。指纹以一定的压缩格式存储,并与其姓名或其标识(ID,PIN)联系起来。随后在对比现场,先验证其标识,然后利用系统的指纹与现场采集的指纹比对来证明其标识是合法的。验证其实回答了这样一个问题:"他是他自称的这个人吗?"这是应用系统中使用得较多的方法。

辨识

则是把现场采集到的指纹同指纹数据库中的指纹逐一对比,从中找出与现场指纹相匹配的指纹。这也叫"一对多匹配"。辨识其实是回答了这样一个问题:"他是谁?"指纹是人体独一无二的特征,其复杂度足以提供用于鉴别的特征。随着相关支持技术的逐步成熟,指纹识别技术经过多年的发展已成为目前最方便、可靠、非侵害和价格便宜的生物识别技术解决方案,对于广大市场的应用有着很大的发展潜力。

技术功能

读取指纹图像、提取特征、保存数据和比对。在一开始,通过指纹读取设备读取到人体指纹的图象,取到指纹图像之后,要对原始图像进行初步的处理,使之更清晰。接下来,指纹辨识软件建立指纹的数字标识——特征数据,一种单方向的转换,可以从指纹转换成特征数据但不能从特征数据转换成为指纹,而两枚不同的指纹不会产生相同的特征数据。有的算法把节点和方向信息组合产生了更多的数据,这些方向信息表明了各个节点之间的关系,也有的算法还处理整幅指纹图像。总之,这些数据,通常称为模板,保存为1K大小的记录。无论它们是怎样组成的,至今仍然没有一种模板的标准,也没有一种公布的抽象算法,而是各个厂商自行其是。 最后,通过计算机模糊比较的方法,把两个指纹的模板进行比较,计算出它们的相似程度,最终得到两个指纹的匹配结果。我们手掌及其手指、脚、脚趾内侧表面的皮肤凸凹不平产生的纹路会形成各种各样的图案。这些纹路的存在增加了皮肤表面的摩擦力,使得我们能够用手来抓起重物。人们也注意到,包括指纹在内的这些皮肤的纹路在图案、断点和交叉点上各不相同,也就是说,是唯一的。依靠这种唯一性,我们就可以把一个人同他的指纹对应起来,通过对他的指纹和预先保存的指纹进行比较,就可以验证他的真实身份。这种依靠人体的身体特征来进行身份验证的技术称为生物识别技术,指纹识别是生物识别技术的一种。 目前,从实用的角度看,指纹识别技术是优于其他生物识别技术的身份鉴别方法。这是因为指纹各不相同、终生基本不变的特点已经得到公认,近二三十年的警用指纹自动识别系统的研究和实践为保安指纹自动识别打下了良好的技术基础。特别是现有的指纹自动识别系统已达到操作方便、准确可靠、价格适中的阶段,是实用化的生物测定方法。在计算机系统中,指纹识别可以用于开机登录身份确认,远程网络数据库的访问权限及身份的确认,银行储蓄防冒领及通存通兑的加密方法,保险行业中投保人的身份确认,期货证券提款人的身份确认,医疗卫生系统中医疗保险人的身份确认等等.如将指纹信息记录在特殊用途的卡上,通过现场比对,可以防止冒充等欺诈行为。例如:信用卡、医疗卡、会议卡、储蓄卡、驾驶证、准考证、护照防伪等。计算机指纹自动识别技术正在从科幻小说和好莱坞电影中走入我们实际生活中,也许有一天,您不必随身携带那一串钥匙,只需手指一按,门就会打开;也不必记住那烦人的密码,利用指纹就可以提款、计算机登录。相信这一天,不会太远。

优点与缺点

优点

1、指纹是人体独一无二的特征,并且它们的复杂度足以提供用于鉴别的足够特征; 2、如果要增加可靠性,只需登记更多的指纹、鉴别更多的手指,最多可以多达十个,而每一个指纹都是独一无二的; 3、扫描指纹的速度很快,使用非常方便; 4、读取指纹时,用户必需将手指与指纹采集头相互接触,与指纹采集头直接; 5、接触是读取人体生物特征最可靠的方法; 6、指纹采集头可以更加小型化,并且价格会更加的低廉;

缺点

1、某些人或某些群体的指纹特征少,难成像; 2、过去因为在犯罪记录中使用指纹,使得某些人害怕“将指纹记录在案”。 3、实际上现在的指纹鉴别技术都可以不存储任何含有指纹图像的数据,而只是存储从指纹中得到的加密的指纹特征数据; 4、每一次使用指纹时都会在指纹采集头上留下用户的指纹印痕,而这些指纹痕迹存在被用来复制指纹的可能性。

采集技术

获得良好的指纹图像是一个十分复杂的问题。因为用于测量的指纹仅是相当小的一片表皮,所以指纹采集设备应有足够好的分辨率以获得指纹的细节。目前所用的指纹图像采集设备,基本上基于三种技术基础:光学技术、半导体硅技术、超声波技术。

光学技术

借助光学技术采集指纹是历史最久远、使用最广泛的技术。将手指放在光学镜片上,手指在内置光源照射下,用棱镜将其投射在电荷耦合器件(CCD)上,进而形成脊线(指纹图像中具有一定宽度和走向的纹线)呈黑色、谷线(纹线之间的凹陷部分)呈白色的数字化的、可被指纹设备算法处理的多灰度指纹图象。光学的指纹采集设备有明显的优点:它已经过较长时间的应用考验,一定程度上适应温度的变异,较为廉价,可达到500DPI的较高分辨率等。缺点是:由于要求足够长的光程,因此要求足够大的尺寸,而且过分干燥和过分油腻的手指也将使光学指纹产品的效果变坏。

硅技术

英文:CMOS,20世纪90年代后期,基于半导体硅电容效应的技术趋于成熟。硅传感器成为电容的一个极板,手指则是另一极板,利用手指纹线的脊和谷相对于平滑的硅传感器之间的电容差,形成8bit的灰度图像。硅技术优点是可以在较小的表面上获得比光学技术更好的图像质量,在1cm×1.5cm的表面上获得200~300倍的分辨率(较小的表面也导致成本的下降和能被集成到更小的设备中)。缺点是易受干扰,可靠性相对差。

超声波技术

为克服光学技术设备和硅技术设备的不足,一种新型的超声波指纹采集设备已经出现。其原理是利用超声波具有穿透材料的能力,且随材料的不同产生大小不同的回波(超声波到达不同材质表面时,被吸收、穿透与反射的程度不同),因此,利用皮肤与空气对于声波阻抗的差异,就可以区分指纹脊与谷所在的位置。超声波技术所使用的超声波频率为1×104Hz~1×109Hz,能量被控制在对人体无损的程度(与医学诊断的强度相同)。超声波技术产品能够达到最好的精度,它对手指和平面的清洁程度要求较低,但其采集时间会明显地长于前述两类产品。

发展趋势

指纹识别技术的发展得益于现代电子集成制造技术和快速可靠的算法的研究。尽管指纹只是人体皮肤的一小部分,但用于识别的数据量相当大,对这些数据进行比对也不是简单的相等与不相等的问题,而是使用需要进行大量运算的模糊匹配算法。现代电子集成制造技术使得我们可以制造相当小的指纹图象读取设备,同时飞速发展的个人计算机运算速度提供了在微机甚至单片机上可以进行两个指纹的比对运算的可能。另外,匹配算法可靠性也不断提高,指纹识别技术己经非常实用。指纹识别技术可以通过几种方法应用到许多方面。通过使用指纹验证来取代各个计算机应用程序的密码就是最为典型的实例。可以想象如果计算机上的所有系统和应用程序都可以使用指纹验证的话,人们使用计算机就会非常方便和安全,用户不再讨厌必要的安全性检查,而IT开发商的售后服务工作也会减轻许多。把指纹识别技术同IC卡结合起来,是目前最有前景的一个方向之一。该技术把卡的主人的指纹(加密后)存储在IC卡上,并在IC卡的读卡机上加装指纹识别系统,当读卡机阅读卡上的信息时,一并读入持卡者的指纹,通过比对卡上的指纹与持卡者的指纹就可以确认持卡者是否是卡的真正主人,从而进行下一步的交易。在更加严格的场合,还可以进一步同后端主机系统数据库上的指纹作比较。指纹IC卡可以广泛地运用于许多行业中,例如取代现行的ATM卡、制造防伪证件(签证或护照、公费医疗卡、会员卡、借书卡等)。目前ATM提款机加装指纹识别功能在美国已经开始使用。持卡人可以取消密码(避免老人和孩子记忆密码的困难)或者仍旧保留密码,在操作上按指纹与密码的时间差不多。