指纹图形传感器技术分析

2006/08/04 　　　来自： 仪器仪表资讯网

　　指纹图形传感器负责采集指纹特征，并转化为数字信号，传递到CPU或PC机处理。指纹扫描技术大体可分为两类：确认(identification)系统，如AFIS（自动指纹确认系统）和核对(verification)系统；指纹采集取像设备分为三类：光学传感器、硅晶体电容传感器、超声波扫描传感器。 

    　　 指纹扫描系统都是以指纹的涡、拱、环、脊断点和脊分岔等特征为基础。核对系统是拾取一个手指的平面图象，将指纹图像的细节特征加以提取，生成指纹特征数据（包括特征点的类型、位置、方向、与其他特征点之间的关系等信息），与指纹特征数据库中存档的指纹模板（由指纹特征数据构成）完成一对一的核对，利用计算机进行告诉指纹特征数据处理，核对能够在几秒中之内完成。AFIS系统主要运用于两个方面：刑侦和民用。刑侦AFIS拾取十个手指的一组图象，此系统是在一些罪犯尽量避免留下指纹的情况下用来获得罪犯指纹信息的专门设备。民用AFIS的应用是拾取一些手指的平面图象，比较该图像与指纹图像库中存档的哪个指纹图像相符的方法，AFIS完成一对多的检索。

    指纹扫描录入设备分为三类，光学传感器、硅晶体电容传感器、超声波扫描传感器。现有AFIS仅使用光学传感器，核对系统中三类设备都有应用。

    光学传感器的工作原理是利用CCD将有深色脊和浅色谷构成的指纹图象转换成数字图象。光线照到压有指纹的玻璃表面，光线经玻璃射到谷的地方后在玻璃与空气的界面发生全反射，光线被反射到CCD，而射向脊的光线不发生全反射，而是被脊与玻璃的接触面吸收或者漫反射到别的地方，反射光的量依赖于压在玻璃表面指纹的脊和谷的深度和皮肤与玻璃间的油脂和水分，这样就在CCD上形成了指纹的图像。色谷构成的指纹图象转换成数字图象，为了获得一个实际可用的图象，图象的亮度需要做自动（多采用）或手工（较困难）的调整。

    光学传感器是最古老也是应用最广的指纹录入设备，具有能承受一定程度温度变化，成本相对较低，价格不高并能提供分辨率为500dpi的图象等优点。不足在于主要表现在尺寸过大和潜在指印两个方面。随着光学设备技术的革新，光学指纹采集的设备的体积也不断减小和新技术光电科技产品出现。现在传感器可以装在6*3*6英寸的盒子里，在不久的将来更小的设备是3*1*1英寸。新技术如：可以利用纤维光束来获取指纹图像，纤维光束垂直射到指纹的表面，照亮指纹并探测反射光；含有一微型三棱镜矩阵的表面安装在弹性的平面上，当手指压在此表面上时，由于脊和谷的压力不同而改变了微型三棱镜的表面，这些变化通过三棱镜光的反射而反映出来。

    硅晶体电容传感器是1998年在市场上才出现的，最常见的硅电容传感器通过电子度量被设计来捕捉指纹，在半导体金属阵列上能结合大约100,000个电容传感器，其外面是绝缘的表面，当用户的手指放在上面时，皮肤组成了电容阵列，硅芯片传感器为电容阳极，手指则代表另一个极，硅芯片面板与手指之间的电容被转换成一个8bit的灰度数字图象。另一种晶体传感器是压感式的，其表面的顶层是具有弹性的压感介质材料，他们依照指纹的外表地形（凹凸）转化为相应的电子信号。其他的晶体传感器还有温度感应传感器，它通过感应压在设备上的脊和远离设备的谷温度的不同可以获得指纹图像。

    硅晶体电容传感器核心器件是1cm×1.5cm晶片，它每个方向上有200至300条这样的线，具有AGC技术提供自动调节象素，局部范围的敏感程度，从而提高图像的质量。AGC在不同的环境下结合反馈的信息便可产生高质量的图像。例如，一个不清晰（对比度差）的图像，如干燥的指纹，都能够被感觉到从而可以增强其灵敏度，在捕捉的瞬间产生清晰的图像（对比度好）；由于提供了局部调整的能力，图像不清晰（对比度差）的区域也能够被检测到（如：手指压得较轻的地方）并在捕捉的瞬间为这些像素提高灵敏度。

    硅晶体电容传感器体积小巧，它可以集成到许多现有设备中，能够生成质量较好的指纹图象，并且指纹录入时不需要象光学录入设备那样，要求有较大面积的录入头，这是光学录入设备所无法比拟的，但相比光学传感器，硅晶体电容传感器不足表现在：

   

    　　1、稳定性方面还待验证

   

    　　2、价格高出光学传感器，制造较大的晶体传感器的指纹取像区域是非常昂贵的，所以通常晶体传感器的指纹取像区域小于1平方英寸，而光学扫描的指纹取像区域等于或大于1平方英寸。

   

    　　3、晶体传感器技术最重要的弱点在于，它们容易受到静电的影响，这使得晶体传感器有时会取不到图象，甚至会被损坏。 超声波扫描传感器工作原理为采取传送声波并通过手指，台板和空气间的电阻来测量距离的方法来完成录入，扫描指纹的表面，接收设备获取了其反射信号，测量它的范围，得到脊的深度。

   

    　　超声波扫描被认为是指纹取像技术中非常好的一类，积累在皮肤上的脏物和油脂对超音速获得的图像影响不大，是实际脊地形（凹凸）的真实反映，精确度最高的指纹录入技术。但由于超声波录入设备的耐久性还难以估计，实际运用领域中还较少。
(罗春)