指紋識別技術(shù)的基本原理及過程

盡管指紋識別技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入了民用領(lǐng)域，但是其工作原理其實還是比較復(fù)雜的。與人工處理不同，生物識別技術(shù)公司不直接存儲指紋的圖像。多年來，各生物識別技術(shù)公司及其研究機(jī)構(gòu)研究了許多指紋識別算法(美國有關(guān)法律認(rèn)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?xì)w結(jié)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(shù)的基本原理，即采集指紋圖像并進(jìn)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(jìn)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(huán)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(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，但通過分類可以更加便利于在大數(shù)據(jù)庫中搜尋到指紋。

2、模式區(qū)(Pattern Area)
模式區(qū)是包含了紋型特征的區(qū)域，即從模式區(qū)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(jìn)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(zhuǎn)處，或者指向這些奇異點。三角點提供了指紋紋路的計數(shù)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(qū)的紋路線開始平行的地方所出現(xiàn)的交叉紋路，式樣線通常很短就中斷了，但它的外側(cè)線開始連續(xù)延伸。

6、紋數(shù)( Ridge Count)
紋數(shù)是指模式區(qū)內(nèi)指紋紋路的數(shù)量。在計算指紋的紋數(shù)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(shù)量即可認(rèn)為是指紋的紋數(shù)。
局部特征是指指紋上的節(jié)點。兩枚指紋經(jīng)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(jié)點：指紋紋路并不是連續(xù)、平滑筆直的，而是經(jīng)常出現(xiàn)中斷、分叉或彎折的。這些斷點、分叉點和轉(zhuǎn)折點就稱為“節(jié)點”。就是這些節(jié)點提供了指紋唯一性的確認(rèn)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(chǎn)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(chǎn)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(qū)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(tǒng)中普遍使用，而在民用系統(tǒng)中并不常用。因為這些應(yīng)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(tǒng)中往往不予采用。
• 4.有人曾提出用汗腺孔來進(jìn)行指紋識別，但這種方法要求指紋采集設(shè)備要具有非常高的分辨率。所以在實際的系統(tǒng)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(jī)系統(tǒng)將自動進(jìn)行特征提取，提取后的特征將作為模板保存在數(shù)據(jù)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(jīng)系統(tǒng)自動進(jìn)行指紋庫模板比對，然后給出比對結(jié)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(tǒng)進(jìn)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(shù)都適用。

指紋采集的方式
目前市場上常用的指紋采集設(shè)備有三種：光學(xué)式、硅芯片式、超聲波式。這三種形式的采集技術(shù)性能對比見表1：

表1 光學(xué)、電容與超聲波采集技術(shù)的性能比較

1、光學(xué)式
光學(xué)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(yōu)點：

• 1 使用時間最長，經(jīng)受了實際使用的檢驗；
• 2對溫度等環(huán)境因素的適應(yīng)能力好；
• 3 價格比較低廉，分辨率較高，可以達(dá)到500 dpi 以上。

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

2、硅芯片式
硅芯片的指紋采集器出現(xiàn)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(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換后成為灰度數(shù)字圖像。

3、超聲波式
超聲波指紋采集器可能是最準(zhǔn)確的指紋采集器，但目前并不成熟，尚沒有大規(guī)模應(yīng)用。