指纹图像传感器技术关键及发展趋势

  0  引  言    指纹是手指表面皮肤凸凹不平形成的纹路，由多种脊状图形构成，其中，环形占指纹图像2／3、涡形占1／3，通常根据亨利系统将指纹图形分为左环、右环、拱、涡、棚状拱。指纹特征即手指表面脊和沟组成平滑纹理模式，其形状取决于胚胎形成时手指表皮的初始环境，随机性很强。为方便起见，定义指纹总体特征和局部特征进行描述。前者指人眼可直接观察到的特征，包括基本纹、核心点、模式区、三角点、式样线、纹路数；后者指指纹上的节点，包括方向、曲率、位置、分类等。两枚指纹总体特征可能相同，但局部特征不会完全相同。研究表明：指纹特征具有唯一性、稳定性特点，据此可实现身份识别。作为生物识别技术中发展最成熟、应用最广泛的一种，指纹识别技术应用分指纹验证（1∶1比对）和辨识（1∶N比对）两类，具体涉及指纹图像采集、图像处理、特征提取、特征比对与匹配等。显然，其最基础、最重要环节是高质量指纹图像的采集。    早期的指纹图像采集主要运用油墨捺印等物理方式，如果油墨及纸张质量有问题，或按压压力不均，或按压位置、方向差异，或手指损伤、变形等，都会导致采集的指纹图像质量不理想，进而影响该技术应用。考虑到指纹表面积较小，且存在磨损，获取优质指纹图像较困难，特别在指纹脊图像中表现更明显，这样，势必会造成所采集指纹图像质量难以保障，导致自动识别指纹系统判读困难。为克服物理方式的缺点，开发的光学传感器、半导体传感器、超声波传感器等对获取高质量指纹图像提供了良好的技术保障，具有很好实用价值。同时，更先进的指纹图像传感器亦在研发，目的是获得足够的指纹细节，并使指纹图像达到较高分辨力，提高指纹识别准确性、可靠性。本文主要介绍各种指纹图像传感器技术关键、性能特点，并简要介绍其应用情况及发展趋势。 1  指纹图像传感器 1．1  光学指纹传感器    始于1971年的光学传感器是研究最早、应用最广泛的指纹图像传感器。其技术关键是光的全反射，手指置于加膜台板（一般是硬质塑料，不同厂家材料有异），照射到压有指纹的玻璃表面时，反射光经电荷耦合器件（charge coupled device，CCD）转换为相应电信号，并传输后端进一步处理。其中，反射光强度取决于两方面因素：压在玻璃表面指纹的脊和谷的深度、皮肤与玻璃间的油脂和水分。由于光线经玻璃照射到谷的区域后在玻璃与空气的界面发生全反射至CCD，而射向脊的光线被脊与玻璃的接触面吸收或者漫反射到其他地方，这样，即可利用CCD将有深色脊和浅色谷构成的指纹图像转换成数字信号。当然，为获得较高质量的指纹图像，还需采用自动或手工方式调整图像亮度等。    光学指纹图像传感器优点主要表现为经历长期实用检验、系统稳定性较好、成本亦较低、能提供分辨力为500dpi（dot per inch）的图像。特别是能实现较大区域的指纹图像采集，有效克服大面积半导体指纹传感器价格昂贵缺点。但指纹图像采集区域较大时所需焦距亦较长，采集设备体积需随之增大，否则，会导致采集的图像边缘线形发生扭曲。该传感器局限性主要体现于潜在指印方面（潜在指印是手指在台板上按完后留下的），不但会降低指纹图像的质量，严重时，还可能导致2个指印重叠，显然，难以满足实际应用需要。此外，台板涂层及CCD阵列会随时间推移产生损耗，可能导致采集的指纹图像质量下降。随着光学技术发展，一些新颖的技术手段亦已应用于指纹图像的采集，这样，能显著减小光学指纹传感器的体积。例如：将纤维光束垂直照射指纹表面，探测其反射光；或将含有微型棱镜矩阵的表面安装于弹性平面，手指压该表面时，脊和谷压力的不同导致微型棱镜表面改变，这种变化通过棱镜的光反射体现出来，进而实现指纹图像采集。    光学指纹传感器特有的高安全系数使得其运用极为广泛，从事该技术开发及应用的企业较多，中科院长春光机所和美国Identix是其中较突出的开发公司。目前，应用最广泛的是美国Digital Persona公司U．are．U系列，它集成精密光学系统、发光二极管、半导体摄像头等，具有三维活体特点，能接收各个方向输入的指纹，即使指纹旋转180�亦可接收。需特别指出的是，虽然大多数公司都利用光学技术采集指纹图像，但其发展趋势是新颖的、高质量的半导体指纹传感器。 1．2  半导体指纹传感器    始于1998年的半导体指纹传感器应用多种新颖技术手段实现指纹图像采集，包括半导体电容式传感器、半导体压感式传感器（其表层是富有弹性的压感介质材料，依指纹凹凸转化为相应电信号，并产生具有灰度级指纹图像）、半导体温度感应传感器（通过感应压在设备上的脊和远离设备的谷间温度差异获取指纹图像）等，其中，应用最广泛的是硅电容式指纹传感器。与光学设备多采用人工调整改善图像质量不同，半导体指纹传感器采用自动控制技术调节指纹图像像素行及指纹局部范围敏感程度，在不同环境下结合反馈信息生成高质量图像。由于提供了局部调整能力，即使对比度差的图像（如手指压得较轻的区域）也能被有效检测到，并在捕捉瞬间为这些像素提高灵敏度，生成高质量指纹图像。半导体指纹传感器优点为图像质量较好、一般无畸变、尺寸较小、易集成于各种设备。下面主要介绍常用的硅电容式指纹传感器基本原理及美国Veridicom公司新颖的图像搜索技术ImageSeekTM。    硅电容式指纹图像传感器技术基础是电容值检测，包括常用的直流电容法（如美国Veridicom公司FPS200等）、交流电容法（如Authentec公司的芯片通过测量手指真皮层交流电容获取指纹图像）。与光学传感器扫描指纹不同，硅电容式指纹传感器通过测量传感器与手指接触／非接触所产生电流变化（电子度量）检测有无指纹，并根据指纹峰、谷等纹理信息实现高可靠性图像搜索。其技术关键：在半导体金属阵列集成约100000个电容式传感器（外层绝缘），传感器阵列每一点是个金属电极，相当于电容器阳极；手指放在上面时，皮肤组成电容另一极，传感面形成两极间介电层。电容值随脊（近的）和谷（远的）相对于传感器阵列的距离而改变。由于指纹纹路深浅不同，硅表面电容阵列各电容值亦有异，该电容值被转换成8bit灰度图像，测量并记录各点电容值，即可获得具有灰度级指纹图像。当然，各厂商可能采用不同形式电容方法开发产品，其中，技术新颖且先进的首推Veridicom公司推出的ImageSeekTM，它通过改变指纹传感器电容阵列参数，能在1s内扫描多帧指纹图像，并自动选择图像质量最好的。该技术能适应各种复杂指纹，并能在各种环境下获得从干手指到湿手指的高质量指纹图像，从而显著减低指纹识别系统误识率、拒识率。作为该技术具体应用而推出新颖的、性能优异的自动指纹图像质量提取的传感器FPS200，它由256列，300行电容传感阵列组成，分辨力高达500dpi，内含用于采集指纹图像的采样保持电路，通过检测各传感单元每次充电、放电后的电压差可获得相应传感单元电容值。每次捕捉各行图像后，该行各传感单元内就相应存放待数字化电容值，这样，通过调整放电电流大小和放电时间即可改善FPS200灵敏度。其高性能、低成本、微功耗、小尺寸等特性非常适合便携式产品要求，可广泛用于指纹认证、门禁控制、网络登录等。半导体指纹传感器特有的优点吸引了Sony，Infineon等知名公司，并开发出各具特色的产品。当然，作为极具潜力、代表未来发展方向的指纹传感器也存在一定局限性，表现为易受静电影响，严重时，传感器可能采集不到图像，甚至本身也会被损坏；手指汗液盐分或其他污物，以及手指磨损等均会造成图像采集困难，其耐磨性亦不及玻璃；大面积制造成本较高，故取像区域较小；传感器稳定性，特别是次最优性能等方面有待进一步验证。 1．3  超声波指纹传感器    超声波指纹传感器是目前精度最高、准确性最好的指纹图像采集器件。技术关键：超声波扫描指纹表面后，由相应接收设备获取反射信号，由于指纹脊和谷超声波阻抗不同，因而，反射到接收器的超声波能量亦各异，测量该超声波能量大小即可获得相应指纹图像。与光学指纹传感器类似，超声波传感器亦首先扫描指纹表面，通过接收设备获取反射信号，并转换为指纹图像。但超声波能有效穿透指纹表面的灰尘、汗渍等（该特点远非光学采集技术可比），厨采集图像是实际指纹凹凸真实反映，因而，采集的指纹图像质量极高。由于多种原因，该技术尚未大规模推广应用，其性能亦需进一步提高、完善。部分实验性应用表明：超声波指纹传感器同时具备光学传感器和半导体传感器的诸多优点，具有较为优越的综合性能，如，使用方便、耐用性好、成像面积大、图像质量高（分辨力高达1000dpi）等，其次最优采集性能方面亦较硅电容式传感器要好。作为该技术开拓者，著名的Ultra-Scan公司首开超声波指纹图像采集传感器先河，为高质量指纹图像采集发挥了重要作用。当然，由于超声波传感器尚未广泛应用，因而，很难准确评价其在长期大规模应用中的综合性能。 1．4  3种传感器比较    3种指纹图像传感器各有优缺点，如表1所示。

   显然，传感器性能差异势必影响采集图像的质量，特别是指纹图像质量判断大多直接移植数字图像方法，虽理论上可行，但没有充分考虑指纹特殊的纹理特征。与一般图像相比，指纹图像特点是内容单一，由交替出现的脊和谷组成，其中，脊末梢与分支点等关键特征的信息提取尤为重要，否则，会影响指纹分类、识别。由于增强处理及特征提取后才进行图像质量判别，且判别结果依赖于二者算法效率，因此，即使为提高识别率采取了若干技术预处理质量较差的指纹图像，但仍难以满足自动识别系统对指纹图像登记、辨识过程的实时、高效需求。1998年，美国CJIS曾给出指纹图像判断细则，也仅仅定性地对其信噪比、灰度分布、几何扭曲等特性作了要求，实际应用存在一定困难。特别是刑侦工作中，很难保证案发现场提取的指纹完全准确，需根据具体应用环境选择合适的指纹采集方式。 2  指纹技术应用