指紋識別技術

每個人包括指紋在內的皮膚紋路在圖案、斷點和交叉點上各不相同，呈現唯一性且終生不變。據此，我們就可以把一個人同他的指紋對應起來，通過將他的指紋和預先保存的指紋數據進行比較，就可以驗證它的真實身份，這就是指紋識別技術。

指紋識別主要根據人體指紋的紋路、細節特徵等信息對操作或被操作者進行身份鑒定，得益於現代電子集成製造技術和快速而可靠的演演算法研究，已經開始走入我們的日常生活，成為目前生物檢測學中研究最深入，應用最廣泛，發展最成熟的技術。

指紋其實是比較複雜的。與人工處理不同，許多生物識別技術公司並不直接存儲指紋的圖象。多年來在各個公司及其研究機構產生了許多數字化的演演算法（美國有關法律認為，指紋圖象屬於個人隱私，因此不能直接存儲指紋圖象）。但指紋識別演演算法最終都歸結為在指紋圖象上找到並比對指紋的特徵。

與人工處理不同，一般的生物識別技術公司並不直接存儲指紋的圖象，而是使用不同的數字化演演算法在指紋圖象上找到並比對指紋的特徵。每個指紋都有幾個獨一無二、可測量的特徵點，每個特徵點都有大約5~7個特徵，我們的十個手指產生最少4900個獨立可測量的特徵，這足以說明指紋識別是一個更加可靠的鑒別方式。

總體特徵是指那些用人眼直接就可以觀察到的特徵。包括紋形、模式區、核心點、三角點和紋數等。

紋形

指紋專家在長期實踐的基礎上，根據脊線的走向與分佈情況一般將指紋分為三大類——環型（loop，又稱斗形）、弓形（arch）、螺旋形（whorl）。

模式區

即指紋上包括了總體特徵的區域，從此區域就能夠分辨出指紋是屬於哪一種類型的。有的指紋識別演演算法只使用模式區的數據，有的則使用所取得的完整指紋。

核心點

位於指紋紋路的漸進中心，它在讀取指紋和比對指紋時作為參考點。許多演演算法是基於核心點的，即只能處理和識別具有核心點的指紋。

三角點

位於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、折轉處，或者指向這些奇異點。三角點提供了指紋紋路的計數跟蹤的開始之處。

紋數

即模式區內指紋紋路的數量。在計算指紋的紋路時，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量即可認為是指紋的紋數。

局部特徵是指指紋上節點的特徵，這些具有某種特徵的節點稱為細節特徵或特徵點。

兩枚指紋經常會具有相同的總體特徵，但它們的細節特徵，卻不可能完全相同。指紋紋路並不是連續的、平滑筆直的，而是經常出現中斷、分叉或轉折。這些斷點、分叉點和轉折點就稱為"特徵點"，就是這些特徵點提供了指紋唯一性的確認信息，其中最典型的是終結點和分叉點，其他還包括分歧點、孤立點、環點、短紋等。特徵點的參數包括：方向（節點可以朝著一定的方向）、曲率（描述紋路方向改變的速度）、位置（節點的位置通過x/y坐標來描述，可以是絕對的，也可以是相對於三角點或特徵點的）。

2014年4月發布的三星Galaxy S5和蘋果iPhone 5S都配備了指紋識別功能。三星的Galaxy S5需要用戶將手指以一定的方向劃過Home鍵，這樣感測器才能採集到較為完整的指紋信息，否則就會識別失敗。蘋果iPhone 5S的Touch ID功能也有可能會失效，需要重新錄入指紋信息才能恢復正常。雖然指紋識別功能目前還不成熟，但是由於智能手機市場的需求，很多手機廠商如HTC、小米、華為等都早已開始研發自己的指紋識別功能。

作為生物識別技術中應用最廣泛、價格最低廉的識別技術之一，指紋識別技術在2012年保持著良好的發展態勢，預計未來幾年指紋識別市場將會持續保持穩定的增長速度。目前指紋識別技術主要應用在企業考勤和智能小區門禁系統中，隨著技術的成熟和成本的降低，指紋識別技術的應用領域也越來越廣泛。

1、企業考勤仍佔主導

考勤是現代企業管理的基礎，也是衡量企業管理水平的重要標誌。基於指紋識別的企業員工考勤系統能夠徹底解決傳統打卡鐘、IC卡考勤方式所出現的代打卡問題，保證考勤數據的真實性，真正體現公開、公平和公正，因此能進一步提高企業管理的效率和水平。並且，由於指紋識別產品是目前最方便、可靠和價格最便宜的生物識別產品因而成為大多數中小企業考勤的首選。目前中國市場指紋考勤產品的銷售數量就佔據了整體生物識別產品銷量的40%以上，高居榜首。

2、智能小區成為普及熱點

由於智能小區在設計選型時要從功能、性能、成本等多方面進行綜合考慮，因此，通常會選用技術發展較成熟、可靠性高、並且性價比較好的產品。指紋識別技術在眾多生物識別技術中發展最為成熟，性能穩定，且成本較低，特別適合在智能小區中進行推廣和普及。指紋識別技術在智能小區中的應用主要體現在實現小區居民在社區中進行停車收費、超市購物、圖書借閱、樓宇出入等日常活動項目。有效解決居民使用證件繁多容易丟失，給生活帶來很多不便的矛盾，並提升了社區的管理水平，促進管理手段現代化。如今指紋識別技術已經在智能小區中得到廣泛應用，並向著更加廣大的民用市場邁進。

3、指紋鎖市場發展迅猛

把指紋識別技術應用於傳統的門鎖之中，是生物識別技術從專業市場走向民用市場的不二之選。指紋鎖產品的出現宣告了新一代門鎖時代的來臨，指紋鎖將會逐漸改變人類以往使用鑰匙開門的生活方式。指紋鎖的便捷、安全、低成本特性將會帶來非常樂觀的市場前景，新一輪門鎖競爭將促使指紋鎖市場迅猛向前發展。

4、多元化應用遍地開花

除了在企業考勤和智能小區中的應用外，目前，指紋識別技術在司法領域、金融領域等大型的公共項目中也有著非常廣泛的應用。除此之外，指紋識別技術還被創新應用到護照、簽證、身份證等十分重要的管理系統中，承擔著基於大規模資料庫的自動身份識別功能。

就應用方法而言，指紋識別技術可分為驗證和辨識。

就是通過把一個現場採集到的指紋與一個已經登記的指紋進行一對一的比對來確定身份的過程。指紋以一定的壓縮格式存儲，並與其姓名或其標識（ID，PIN）聯繫起來。隨後在對比現場，先驗證其標識，然後利用系統的指紋與現場採集的指紋比對來證明其標識是合法的。驗證其實回答了這樣一個問題："他是他自稱的這個人嗎？"這是應用系統中使用得較多的方法。

則是把現場採集到的指紋同指紋資料庫中的指紋逐一對比，從中找出與現場指紋相匹配的指紋。這也叫"一對多匹配"。辨識其實是回答了這樣一個問題："他是誰？"

指紋是人體獨一無二的特徵，其複雜度足以提供用於鑒別的特徵。隨著相關支持技術的逐步成熟，指紋識別技術經過多年的發展已成為目前最方便、可靠、非侵害和價格便宜的生物識別技術解決方案，對於廣大市場的應用有著很大的發展潛力。

讀取指紋圖像、提取特徵、保存數據和比對。在一開始，通過指紋讀取設備讀取到人體指紋的圖象，取到指紋圖像之後，要對原始圖像進行初步的處理，使之更清晰。接下來，指紋辨識軟體建立指紋的數字標識——特徵數據，一種單方向的轉換，可以從指紋轉換成特徵數據但不能從特徵數據轉換成為指紋，而兩枚不同的指紋不會產生相同的特徵數據。有的演演算法把節點和方向信息組合產生了更多的數據，這些方向信息表明了各個節點之間的關係，也有的演演算法還處理整幅指紋圖像。總之，這些數據，通常稱為模板，保存為1K大小的記錄。無論它們是怎樣組成的，至今仍然沒有一種模板的標準，也沒有一種公布的抽象演演算法，而是各個廠商自行其是。最後，通過計算機模糊比較的方法，把兩個指紋的模板進行比較，計算出它們的相似程度，最終得到兩個指紋的匹配結果。

我們手掌及其手指、腳、腳趾內側表面的皮膚凸凹不平產生的紋路會形成各種各樣的圖案。這些紋路的存在增加了皮膚表面的摩擦力，使得我們能夠用手來抓起重物。人們也注意到，包括指紋在內的這些皮膚的紋路在圖案、斷點和交叉點上各不相同，也就是說，是唯一的。依靠這種唯一性，我們就可以把一個人同他的指紋對應起來，通過對他的指紋和預先保存的指紋進行比較，就可以驗證他的真實身份。這種依靠人體的身體特徵來進行身份驗證的技術稱為生物識別技術，指紋識別是生物識別技術的一種。目前，從實用的角度看，指紋識別技術是優於其他生物識別技術的身份鑒別方法。這是因為指紋各不相同、終生基本不變的特點已經得到公認，近二三十年的警用指紋自動識別系統的研究和實踐為保安指紋自動識別打下了良好的技術基礎。特別是現有的指紋自動識別系統已達到操作方便、準確可靠、價格適中的階段，是實用化的生物測定方法。

在計算機系統中，指紋識別可以用於開機登錄身份確認，遠程網路資料庫的訪問許可權及身份的確認，銀行儲蓄防冒領及通存通兌的加密方法，保險行業中投保人的身份確認，期貨證券提款人的身份確認，醫療衛生系統中醫療保險人的身份確認等等。如將指紋信息記錄在特殊用途的卡上，通過現場比對，可以防止冒充等欺詐行為。例如：信用卡、醫療卡、會議卡、儲蓄卡、駕駛證、准考證、護照防偽等。

計算機指紋自動識別技術正在從科幻小說和好萊塢電影中走入我們實際生活中，也許有一天，您不必隨身攜帶那一串鑰匙，只需手指一按，門就會打開；也不必記住那煩人的密碼，利用指紋就可以提款、計算機登錄。相信這一天，不會太遠。

1、指紋是人體獨一無二的特徵，並且它們的複雜度足以提供用於鑒別的足夠特徵；

2、如果要增加可靠性，只需登記更多的指紋、鑒別更多的手指，最多可以多達十個，而每一個指紋都是獨一無二的；

3、掃描指紋的速度很快，使用非常方便；

4、讀取指紋時，用戶必需將手指與指紋採集頭相互接觸，與指紋採集頭直接；

5、接觸是讀取人體生物特徵最可靠的方法；

6、指紋採集頭可以更加小型化，並且價格會更加的低廉；

1、某些人或某些群體的指紋特徵少，難成像；

2、過去因為在犯罪記錄中使用指紋，使得某些人害怕“將指紋記錄在案”。

3、實際上現在的指紋鑒別技術都可以不存儲任何含有指紋圖像的數據，而只是存儲從指紋中得到的加密的指紋特徵數據；

4、每一次使用指紋時都會在指紋採集頭上留下用戶的指紋印痕，而這些指紋痕迹存在被用來複制指紋的可能性。

獲得良好的指紋圖像是一個十分複雜的問題。因為用於測量的指紋僅是相當小的一片表皮，所以指紋採集設備應有足夠好的解析度以獲得指紋的細節。目前所用的指紋圖像採集設備，基本上基於三種技術基礎：光學技術、半導體硅技術、超聲波技術。

藉助光學技術採集指紋是歷史最久遠、使用最廣泛的技術。將手指放在光學鏡片上，手指在內置光源照射下，用稜鏡將其投射在電荷耦合器件（CCD）上，進而形成脊線（指紋圖像中具有一定寬度和走向的紋線）呈黑色、谷線（紋線之間的凹陷部分）呈白色的數字化的、可被指紋設備演演算法處理的多灰度指紋圖象。

光學的指紋採集設備有明顯的優點：它已經過較長時間的應用考驗，一定程度上適應溫度的變異，較為廉價，可達到500DPI的較高解析度等。缺點是：由於要求足夠長的光程，因此要求足夠大的尺寸，而且過分乾燥和過分油膩的手指也將使光學指紋產品的效果變壞。

英文：CMOS，20世紀90年代後期，基於半導體硅電容效應的技術趨於成熟。硅感測器成為電容的一個極板，手指則是另一極板，利用手指紋線的脊和谷相對於平滑的硅感測器之間的電容差，形成8bit的灰度圖像。

硅技術優點是可以在較小的表面上獲得比光學技術更好的圖像質量，在1cm×1.5cm的表面上獲得200~300倍的解析度（較小的表面也導致成本的下降和能被集成到更小的設備中）。缺點是易受干擾，可靠性相對差。

為克服光學技術設備和硅技術設備的不足，一種新型的超聲波指紋採集設備已經出現。其原理是利用超聲波具有穿透材料的能力，且隨材料的不同產生大小不同的回波（超聲波到達不同材質表面時，被吸收、穿透與反射的程度不同），因此，利用皮膚與空氣對於聲波阻抗的差異，就可以區分指紋脊與谷所在的位置。

超聲波技術所使用的超聲波頻率為1×104Hz~1×109Hz，能量被控制在對人體無損的程度（與醫學診斷的強度相同）。超聲波技術產品能夠達到最好的精度，它對手指和平面的清潔程度要求較低，但其採集時間會明顯地長於前述兩類產品。

指紋識別技術的發展得益於現代電子集成製造技術和快速可靠的演演算法的研究。儘管指紋只是人體皮膚的一小部分，但用於識別的數據量相當大，對這些數據進行比對也不是簡單的相等與不相等的問題，而是使用需要進行大量運算的模糊匹配演演算法。

現代電子集成製造技術使得我們可以製造相當小的指紋圖象讀取設備，同時飛速發展的個人計算機運算速度提供了在微機甚至單片機上可以進行兩個指紋的比對運算的可能。另外，匹配演演算法可靠性也不斷提高，指紋識別技術己經非常實用。

指紋識別技術可以通過幾種方法應用到許多方面。通過使用指紋驗證來取代各個計算機應用程序的密碼就是最為典型的實例。可以想象如果計算機上的所有系統和應用程序都可以使用指紋驗證的話，人們使用計算機就會非常方便和安全，用戶不再討厭必要的安全性檢查，而IT開發商的售後服務工作也會減輕許多。

把指紋識別技術同IC卡結合起來，是目前最有前景的一個方向之一。該技術把卡的主人的指紋(加密后)存儲在IC卡上，並在IC卡的讀卡機上加裝指紋識別系統，當讀卡機閱讀卡上的信息時，一併讀入持卡者的指紋，通過比對卡上的指紋與持卡者的指紋就可以確認持卡者是否是卡的真正主人，從而進行下一步的交易。在更加嚴格的場合，還可以進一步同後端主機系統資料庫上的指紋作比較。

指紋IC卡可以廣泛地運用於許多行業中，例如取代現行的ATM卡、製造防偽證件(簽證或護照、公費醫療卡、會員卡、借書卡等)。目前ATM提款機加裝指紋識別功能在美國已經開始使用。持卡人可以取消密碼(避免老人和孩子記憶密碼的困難)或者仍舊保留密碼，在操作上按指紋與密碼的時間差不多。