指纹设备类型

2.3.1　指纹设备类型

1.指纹设备的主要类型

按是否连机划分，利用指纹识别技术的应用系统常见的有两种，即脱机的嵌入式系统和连接PC机的桌面应用系统。

嵌入式系统是一个相对独立的完整系统，它不需要连接其他设备或计算机就可以独立完成其设计的功能，像指纹门锁、指纹考勤终端就是嵌入式系统。其功能较为单一，应用于完成特定的功能。而连接PC的桌面应用系统具有灵活的系统结构，并且可以多个系统共享指纹识别设备，可以建立大型的数据库应用。当然，由于需要连接计算机才能完成指纹识别的功能，限制了这种系统在许多方面的应用。

当今市场上的指纹识别系统厂商，除了提供完整的指纹识别应用系统及其解决方案外，可以提供从指纹取像设备的OEM产品到完整的指纹识别软件开发包，从而使得无论是系统集成商还是应用系统开发商都可以自行开发自己的增值产品，包括嵌入式的系统和其他应用指纹验证的计算机软件。

应用场合的不同，造成技术路线的差异。在所针对的应用不涉及IC卡的情况下，单一的指纹认证设备配合以任选的显示、控制装置即足以完成独立的功能。

在所针对的应用涉及IC卡的情况下，除了完整的指纹认证设备外，至少还需要相应的IC卡或IC卡+磁卡读写机具。

所以，一般将数字指纹设备分为三大类:无IC卡、有IC卡、复合磁卡读写。

就IC卡的数字指纹设备而言，其结构如图2-9所示，由两部分组成:指纹认证部分与IC卡读写部分。

计算机系统(或处理+显示单板机环境)各组成部分分别介绍如下:

(1)指纹传感器:光电转换式或电容感应式微型芯片。

(2)CPU:高速16位通用微处理器。

(3)数字信号处理器(DSP):高速32位专用于数字图像处理的数字信号处理芯片，具有16位的并行处理单元，处理速度达480MIPS，支持快速数据迁移，支持ANSI C语言，有很强的定点、浮点计算能力以满足数字滤波的需要。

图2-9　数字指纹设备的物理组成

(4)数据存储器:32位高速同步动态存取存储器。

(5)程序存储器:可改写型只读存储器——EEPROM，其中存储了处理单个活体指纹信息所需的全部程序代码。

(6)电源电路:由于指纹认证部分可以单独存在，所以设计了相应的电源电路。

(7)通信接口:它既是将指纹传感器所采录的活体数字指纹传送到DSP的通道，同时也是将经过处理表征该活体指纹特征的数字生物信息——BioCode向外传送的通道。变换后的单一活体BioCode长度为200～400字节。

2.指纹传感器

指纹传感器(又称指纹Sensor)是实现指纹自动采集的关键器件。最早的指纹识别技术是以光学传感器为基础的光学识别系统，识别范围仅限于皮肤的表层，通常把它叫做第一代指纹识别技术；而采用了电容传感器技术的第二代指纹识别系统实现了识别范围从表皮到真皮的转换，从而大大提高了识别的准确率和系统的安全性，也是目前市场上大部分指纹识别设备的基础。

(1)第一代指纹识别系统(光学传感器)。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)，光线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将由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。

光学指纹传感器的优点主要表现为抗静电能力强、系统稳定性较好、使用寿命长，能提供分辨率为500dpi(dot per inch)的图像，特别是能实现较大区域的指纹图像采集，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发生扭曲。

光学指纹传感器的局限性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。还有，无法进行活体指纹鉴别、对干湿手指的适用性差等。

光学指纹识别系统由于光不能穿透皮肤表层(死性皮肤层)，所以只能够扫描手指皮肤的表面，或者扫描到死性皮肤层，但不能深入真皮层。在这种情况下，手指表面的干净程度直接影响到识别的效果。如果用户手指上粘了较多的灰尘，可能就会出现识别出错的情况。并且，如果人们按照手指做一个指纹手模，也可能通过识别系统，对于用户而言，使用起来不是很安全和稳定。

光学传感器中存在棱镜，其体积较大，一般为半导体的几倍甚至上10倍大小，所以限制了其在小型设备上的应用。在类似考勤机、门禁等大设备上使用没有体积限制的问题，但在U盘、移动硬盘、手持设备上使用，体积就成了最大的障碍。

成本低一直以来被认为是光学传感器的最大优势，但由于其制造过程的一致性较难保证，随着以电容传感器为代表的半导体传感器的大规模发展，光学传感器的成本优势也已经不再明显。虽然大多数公司还在使用光学传感器，但其发展趋势是新颖的、高质量的电容指纹传感器。

(2)第二代指纹识别系统(电容传感器)。电容传感器始于1998年，属于半导体传感器的一种，半导体指纹传感器还包括半导体压感式传感器、半导体温度感应传感器等，其中，应用最广泛的是半导体电容式指纹传感器。

电容传感器根据指纹的脊和谷与半导体电容感应颗粒形成的电容值大小不同，来判断什么位置是脊什么位置是谷。其工作过程是通过对每个像素点上的电容感应颗粒预先充电到某一参考电压。当手指接触到半导体电容指纹表现上时，因为脊是凸起的谷是凹下，根据电容值与距离的关系，会在脊和谷的地方形成不同的电容值。然后利用放电电流进行放电。因为脊和谷对应的电容值不同，所以其放电的速度也不同。脊下的像素(电容量高)放电较慢，而处于谷下的像素(电容量低)放电较快。根据放电率的不同，可以探测到脊和谷的位置，从而形成指纹图像数据。

与光学设备多采用人工调整改善图像质量不同，电容传感器采用自动控制技术调节指纹图像像素以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。

电容指纹传感器的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。其发出的电子信号将穿过手指的表面和死性皮肤层，而达到手指皮肤的活体层(真皮层)，直接读取指纹图案，从而大大提高了系统的安全性。

电容指纹传感器因制造工艺复杂，单位面积上传感单元多，包含高端的IC设计技术、大规模集成电路制造技术、IC芯片封装技术等，所以电容指纹传感器几乎是由IC技术发达的国家或地区，如美国、欧洲、我国的台湾地区等设计、制造的。目前我国大陆地区的厂家基本上没有能力生产电容指纹传感器。

各厂商可能采用不同形式电容方法开发产品，技术新颖且先进的首推瑞典FingerPrintCard公司推出的FPC1011C，是一种电容式面装指纹传感器。该传感器采用了多项专利，如独立的晶圆体信号放大、传感器表面的保护膜等。内部具有A/D转换和高速SPI接口，8PIN的软排线可以方便地接入各种系统。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，从而显著降低指纹识别系统的误识率、拒识率。

随着指纹识别技术的不断发展，质量高、功耗低、体积小的电容传感器作为便携式产品极其重要的指纹图像采集手段，应用日益广泛，其市场规模以惊人速度飞速拓展。2003年11月，美国Frost＆Sul Uvan发布的指纹传感器市场调查结果表明:目前，在面向身份认证的指纹传感器中，传统型光学传感器占一定优势，受电容传感器技术进步和价格下降等因素的影响，电容传感器的份额将逐渐增加，成为指纹采集技术的主流。

(3)光电式指纹传感器综述。光电式指纹传感器是最先出现的指纹传感器，但对于指纹技术而言，由于其固有缺陷比较明显，已经属于一种相对过时的技术，金融系统的指纹项目已经明确排除采用这种传感器。

光电式指纹传感器的设备原理是光的全反射，这也是数码相机的成像原理，光线照到按有指纹的玻璃上并进行反射。反射光线由感光器件获得，由于指纹的脊和谷的深度以及皮肤与玻璃间的油脂和水分不同，反射光线的能量也不一样。光线经玻璃照射到谷的地方后在玻璃与空气的界面发生全反射，光线被反射到感光器件，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，这样就在感光器件上形成了指纹的图像。

光电式指纹传感器根据所采用的成像芯片不同分为CCD光电式和CMOS光电式两种。

①CCD光电式。这种传感器利用光线照射指纹表面的脊和谷，指纹的图像被反射到CCD上，并被转换成电信号输出。由于该类产品的信号输出大多是模拟信号，与处理器的接口电路比较复杂，抗干扰能力也较弱，因此已逐渐被CMOS光电式指纹传感器所取代。

②CMOS光电式。随着CMOS数码阵列光电图像传感器技术的不断成熟，在光电视像转换领域开始逐步取代传统的CCD光电器件。与CCD光电式指纹传感器相比，CMOS光电式指纹传感器由CMOS光电器件取代CCD光电器件构成。它采用数字信号输出，抗干扰能力较强，与处理器的接口电路相对简单。