孔会敏
（上海通用识别技术研究所，中国 上海 201112）
【摘要】本文围绕指纹采集设备分类、触摸式与刮擦式的比较、活体检测技术等内容，系统地介绍了指纹采集设备相关技术的应用和发展。
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关键词 指纹采集设备；分类；触摸式与刮擦式；活体检测
0 引言
随着指纹识别技术的发展，由于唯一性和终身不变的特性，采用指纹特征进行人员的身份识别成为国内外的一种趋势，指纹识别技术得到了广泛的应用。作为指纹识别中的一项重要技术内容，尽管四十多年前指纹采集设备就已问世，但直到近些年，大家对指纹采集设备的关注才逐渐加大。近年来，指纹采集设备市场飞速发展，体积在缩小，价格在降低，指纹系统被整合为诸如笔记本电脑、硬盘、鼠标、键盘等电子设备的一部分。本文将围绕设备类别、触摸式与刮擦式的比较、活体检测等内容介绍指纹采集设备相关技术的应用和发展。
1 指纹采集设备类别及发展
第一代采集设备使用的是光学技术，目前绝大多数采集设备属于以下其中一种：光学的、晶体的和超声波的。当今使用的主要是是光学和晶体传感器。由于体积紧凑，便于嵌入笔记本电脑、手机、智能卡等物体，晶体传感器现在得到了广泛应用。
光学传感器：光学传感器的优点包括经受温度变化、相当低的成本、分辨率较高、较好的图象质量和更大传感范围。光学传感器的缺点是尺寸大以及污垢、油脂等污染对光学传感器的影响。
晶体传感器：最初晶体传感器的问世是为了克服光学传感器的体积和成本问题。然而，考虑到设施的高安全性，需要较大的传感区域，这样事实上晶体传感器的成本就不比光学传感器低了。将物理信息转换成电子信息的四种不同的晶体传感器技术分别是：电容性的、热量的、电场的和压电的。
超声波传感器：在超声波传感器中，传送器向手指传送声音信号，接收器探测到在手指皮肤之间来回的回声信号。用皮肤和空气间声音阻抗的不同来测量距离，这样就获得了指纹的图象。这种传感器的频率范围是20千赫到几千兆赫。如要相互区分指纹，那就需要高频率来获得所需的信号差异。
事实证明，超声波传感器获得图象的准确率要比市场上其它指纹传感技术好。超声波技术也是能反应手指次表皮肤的几种少有的技术中的一种，这样能穿透脏物、油脂等。尽管超声波传感器被认为也许是指纹技术中最精确的一种，但由于尺寸大、成本非常高，没有被广泛使用，而且，用超声波传感器获取图象需要耗时几秒，时间较长。
2 触摸式与刮擦式的比较
如今使用的大多数传感器是接触式。当使用接触式传感器时，只要将手指放置在传感器上保持几秒钟不动就可以了，接触式传感器的使用者不需要培训。然而，接触式传感器也存在一些缺点：
（1）传感器很快就会变脏，必须要进行清洁。
（2）残留指印的问题。国外研究表明，根据传感技术的类型，有的可能会重新激活残留在指纹传感器上的指印。
（3）手指的旋转是识别的另一个问题。一些比对算法不接受手指大角度的旋转（例如超过20度）。
（4）传感区域成本与尺寸的权衡。晶体传感器这个问题尤其突出，成本主要取决于芯片模具的区域。
由于这些缺陷，一种新的传感器问世了：刮擦式传感器。刮擦式传感器与手指一样宽，但只有几像素高。因此，刮擦式传感器的主要优点，特别是对于晶体传感器来说，是成本下降。扫描只包括纵向运动，在结束时，将先前所获得的所有图象进行重组，得到指纹图象。
刮擦式传感技术最先问世时只与热量传感器相结合，但目前已经在许多不同的传感器中得到了应用。与接触式传感器不同，刮擦式传感器在使用过程中能够保持很干净，不存在残留指印的现象，而且在大多数情况下，手指的旋转也不是问题。但刮擦式传感器也存在一些缺点，比如：
（1）使用前要进行学习。在使用者习惯于正确扫描（没有急剧的速度变化或不连贯）之前，需要做很多次尝试。
（2）为能跟上扫描速度，界面必须能捕获足够多的指纹图象层。
（3）从图象层到指纹图象的重整过程需要持续一段时间，有时会出错。
3 指纹采集仪的活体检测技术
活体检测是指系统在注册、识别认证过程中检测样品是否是活体。一些指纹识别系统的生产厂商也宣称他们在系统中具备活体检测的能力。通常有两种方法进行活体检测：（1）利用附加的部件获取生命特征；（2）利用系统已捕获的信息检测生命特征。第一种方法的缺点是价格贵，体积大。第二种方法对算法要求比较高。目前比较常用的是第一种。只有在美国，过去的几年中提出了许多基于生命特征的指纹采集设备中的活体检测专利。这里将描述其中的一些方法。
温度：表皮的温度大约在20—30摄氏度，这种方法主要利用传感器检测表皮的温度是否在正常范围来进行活体检测。
光学特性：光学传感器可以利用人体皮肤与其他材质光学特性的比较作为一种活体检测方法。这种特性包括在不同光照条件下的吸光、反射、散射和折射。
电阻：根据手指的湿度，皮肤电阻的范围从几千欧姆到几百万欧姆。由于有些人手指干燥而有些人潮湿，空气条件和心理状况等也会改变人体皮肤的湿度，因此皮肤电阻所允许的范围会很大。
脉动血氧：脉动血氧在医学领域是用来测量病人动脉血中血色素氧气饱和度。脉动血氧计也可以用来测量脉动速率。涉及的技术基于两个主要原理：（1）血色素根据氧化度以两个不同的波长吸收光；（2）每一次脉搏跳动时动脉血的波动量为吸收增加了跳动成分。
ECG、脉搏血氧与温度相结合：1998年的一项美国专利建议活体检测中最好使用多个生物特征，并给出了许多非确定的生物测定参数，最适宜的是脉搏血氧、心电图（ECG）和温度传感器相结合。
表皮下方的探测：人体的皮肤包括两层：表皮和真皮。不仅可以在表皮找到指纹纹样，也可以在两层皮肤中间发现相同的纹样，这就是此方法检测所利用的原理。
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参考文献
［1］Federal Bureau of Investigation.The Seience of Fingerprint:classification an uses,United State,Empire Book,2001[Z].
［2］David M, Dario M, Anilk J, Salil P.Handbook of Fingerprint Recognition[Springer London Ltd.,2009[Z]．
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