指紋識別技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢研究

李明進(jìn)

摘? ?要：身份識別是近10年來信息技術(shù)普及和發(fā)展的熱點(diǎn)研究問題，指紋識別因?yàn)閾碛衅洫?dú)特的唯一性，作為熱門的生物特征身份識別技術(shù)之一，可以和人臉識別相輔相成，完成對不同場合的應(yīng)用。文章通過對指紋識別技術(shù)的興起到成熟、以及近年的新技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行綜述，介紹了不同時期的技術(shù)特點(diǎn)和實(shí)現(xiàn)方法，以及其技術(shù)的發(fā)展方向和優(yōu)缺點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：身份識別;指紋識別技術(shù);圖像

指紋識別是利用指紋特征來完成身份識別的，雖然不同指紋間大的輪廓特征可能相同，但是每個指紋和其他指紋之間的細(xì)節(jié)卻是不盡相同。嚴(yán)格地說，不同人指紋的細(xì)節(jié)不完全相同，這是指紋識別唯一性最重要的地方。這些不同的細(xì)節(jié)又稱為細(xì)節(jié)特征。其體現(xiàn)在不同的指紋紋路上，中間可能是連續(xù)的、平滑筆直的，也可能會有斷裂、分支或者不規(guī)則的折線。這些與眾不同的紋路，定義上又稱為斷點(diǎn)、分叉點(diǎn)和轉(zhuǎn)折點(diǎn)，都被稱為“特征點(diǎn)”。

所有的特征點(diǎn)組合起來構(gòu)成一個唯一的身份確認(rèn)信息，其中有幾個“特征點(diǎn)”是最重要的，其顯示一個或幾個紋路的終結(jié)，稱為“終結(jié)點(diǎn)”，或者是幾個紋路出現(xiàn)了分叉，稱為“分叉點(diǎn)”。另外，指紋識別在區(qū)別較為相似的紋路時，還需要其他的“特征點(diǎn)”一起完成“識別”，其中分歧點(diǎn)、孤立點(diǎn)、環(huán)點(diǎn)、短紋等是和最重要的終結(jié)點(diǎn)和分叉點(diǎn)一起配合完成整個指紋識別工作的。在具體的“特征點(diǎn)”進(jìn)行區(qū)別的時候，需要3個數(shù)學(xué)上的幾何描述完成，即利用指紋紋路的走向和曲率（變化率）以及具體的位置參數(shù)共同定位確定。

1? ? 指紋識別技術(shù)發(fā)展歷史

使用指紋進(jìn)行手機(jī)屏幕開鎖是近年來最成功的應(yīng)用之一，不但方便，而且快且安全，極大地方便了消費(fèi)者。其實(shí)早在20世紀(jì)90年代，就有公司嘗試把指紋識別放到手機(jī)上，西門子使用了Bromba的技術(shù)，1998年生產(chǎn)了世界上第一款搭有指紋識別的原型手機(jī)，其采取指紋的方式為手機(jī)滑動通過采樣區(qū)，指紋采集把采到的指紋局部組合成一個完整的指紋，然后分析其特征點(diǎn)來完成比對，這種方法一直使用到近年前，很多手機(jī)廠家和PC電腦都使用過該方法。像蘋果和三星等大公司早些年也都還是使用老式的刮擦式識別，使用時需要用戶使用特定的手勢操作，然后才能獲得較為完整的指紋圖像進(jìn)行比對和確認(rèn)并不靈活。指紋識別技術(shù)依舊像是止步不前，沒有重大突破。直到最近幾年，電容式、光學(xué)式和超聲波式開始在指紋識別中廣泛地應(yīng)用起來[1-2]。

指紋識別主要分為3種：電容式、光學(xué)式和超聲波式。

第一種是當(dāng)前使用率最高的電容式指紋識別方案。將指紋識別sensor與人體的皮下電解液結(jié)合形成電場，指紋表面的凹凸不平會使兩者間的電壓差出現(xiàn)一定的幅度波動，憑借這種變化，指紋識別的準(zhǔn)確性將有所提高。該種方案能力強(qiáng)、適應(yīng)范圍廣，對于使用的環(huán)境沒有特殊要求，除此之外，硅晶元以及相關(guān)的傳感器件對空間的占用對于手機(jī)來說在可以接受的范圍內(nèi)。目前的電容式指紋識別技術(shù)也可分為按壓式與劃擦式兩種，后者雖然占用空間小，但在便捷性以及識別準(zhǔn)確率上有著極大的缺點(diǎn)，直接導(dǎo)致廠家將目光全部鎖定在操作更加簡便隨意、識別準(zhǔn)確率更高的按壓式電容指紋識別技術(shù)。在目前全面屏手機(jī)概念下，電容式似乎顯得格格不入，所以只能將指紋識別技術(shù)運(yùn)用在手機(jī)的側(cè)邊、前置，還有后置等，當(dāng)然還有羅永浩的堅(jiān)果pro（把指紋識別加在手機(jī)的標(biāo)志中），別出心裁[3]。

第二種是光學(xué)指紋識別方案。光學(xué)的指紋識別在普通人中較早應(yīng)用，例如大多數(shù)的光學(xué)指壓板、智能鎖均使用光學(xué)方式。主要通過內(nèi)置光源照射手指指紋，收集反射、折射光，再用該光穿過三棱鏡，將射出的光線照射在需要采集的對象上，分析反射光的亮暗和折射的角度。將光線透過三棱鏡投射在COMS或者CCD上，形成脊線（在一條有一定面積和方向的紋理）呈現(xiàn)黑色、谷線（紋理中的溝壑）呈現(xiàn)白色、可形成數(shù)字信息、可被計(jì)算機(jī)翻譯的具有多個灰度值的圖，然后在已有的數(shù)據(jù)庫中對比觀察是否相同。

第三種是超聲波指紋識別方案。現(xiàn)在中國最具典型的案例就是“北圖云臉”的超聲波指紋識別技術(shù)。超聲波的物理特性是其可以穿透一切物質(zhì)，電容式指紋識別需要檢測指紋表面，條件更多，存在不便，例如電容式指紋識別需要嚴(yán)格要求手指表面的清潔程度，而超聲波指紋識別避免了該問題。是因?yàn)橥ㄟ^超聲波的頻率改變掃描手指紋路，超聲波具有反射性，讓其可以截取超聲波發(fā)射的頻率，用超聲波的反射就可以建立3D指紋模型。超聲波具有穿透金屬等手機(jī)材質(zhì)的特性，不會改變手機(jī)的外觀形狀，筆者認(rèn)為未來指紋識別的主要發(fā)展方向之一肯定有超聲波指紋識別技術(shù)的面孔。但是因?yàn)榧夹g(shù)還不太完善，即使超聲波有很強(qiáng)的穿透性，但其發(fā)生器小、幅度和屏幕蓋板的本身品質(zhì)、材料太寬，穿透能力就受到限制。

2? ? 指紋識別的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展

2014年4月發(fā)布的蘋果iPhone 5S和三星Galaxy S5都配備了相同的指紋識別功能，三星的Galaxy S5在使用的時候需要特定手勢滑動指紋才能被采集，否則就不會成功采集。所以即使技術(shù)還不太完善，但因?yàn)橹悄苁袌龅娜笨冢芏嗍謾C(jī)廠商都在此中發(fā)現(xiàn)商機(jī)，開始研發(fā)新技術(shù)，如vivo、中興、華為等[4]。

指紋識別的應(yīng)用在當(dāng)代最有前景的是將指紋識別技術(shù)同智能芯片相結(jié)合，可設(shè)計(jì)出各種產(chǎn)品，例如指紋識別手機(jī)。將用戶的指紋先加密，再存儲到智能芯片上，轉(zhuǎn)載有指紋識別系統(tǒng)的智能芯片的讀卡機(jī)，在使用讀卡機(jī)時讀入指紋。例如現(xiàn)在的ID card運(yùn)用該技術(shù)，通過對智能芯片中存儲的指紋與用戶的指紋進(jìn)行比較分析，完成身份鑒定。相較于更苛刻的環(huán)境，還可以和后端主機(jī)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫（Redis，Memcache，MongoDb以及騰訊云、百度云）上的指紋進(jìn)行分析對比。指紋IC卡可以被廣泛地運(yùn)用于許多行業(yè)中，例如ATM卡、制造防偽證件等。目前ATM提款機(jī)加裝指紋識別功能在美國已經(jīng)開始使用，持卡人可以取消密碼（避免遺忘密碼）或者仍舊保留密碼，按指紋與輸入密碼方式所用的時間差不多。還有通過指紋驗(yàn)證取代各個計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序密碼的例子，如果計(jì)算機(jī)上的所有系統(tǒng)和應(yīng)用程序都可以使用指紋驗(yàn)證的話，人們使用計(jì)算機(jī)就會非常方便、快捷和安全，用戶也不再進(jìn)行過多安全性檢查，而且IT開發(fā)商的售后服務(wù)工作也會被減輕。

雖然指紋對于人們來說只是身體的一小部分，但是對于識別技術(shù)來說，所需要的數(shù)據(jù)量卻相當(dāng)龐大，對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行對比也不只是單一相不相等的問題，而是一種匹配算法。另外，隨著匹配算法實(shí)用性不斷地提高，指紋識別技術(shù)在現(xiàn)階段已經(jīng)比較成熟。指紋識別技術(shù)作為目前成本不高、應(yīng)用廣泛的識別技術(shù)之一，其從2012年開始就有著良好的發(fā)展前景，預(yù)計(jì)在未來幾年內(nèi)指紋識別技術(shù)將會保持甚至超越原來的發(fā)展速度。隨著現(xiàn)代電子集點(diǎn)成制造業(yè)的高速發(fā)展，使得將大量電子元器件集成在一處板上，再憑借較為完善的算法，可以在小型的電路板上做出成熟的指紋識別系統(tǒng)[4]。同時隨著處理機(jī)運(yùn)算速度的不斷增加，也使在微型計(jì)算機(jī)甚至ARM上進(jìn)行兩個指紋的比較運(yùn)算得到實(shí)現(xiàn)。目前，指紋識別在多個領(lǐng)域都得到了實(shí)施。

3? ? 結(jié)語

隨著指紋領(lǐng)域人才數(shù)量和質(zhì)量的增長、科技的進(jìn)一步發(fā)展，大型化學(xué)分析儀器的使用、先進(jìn)模式識別技術(shù)的應(yīng)用，相信在不遠(yuǎn)的將來，我國指紋識別技術(shù)必定有更進(jìn)一步的發(fā)展。

[參考文獻(xiàn)]

[1]袁穎，唐云祁，郭威.一種標(biāo)定指紋無特征區(qū)的新方法[J].中國人民公安大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014（1）：23-27.

[2]牛鵬懷.納米復(fù)合材料在潛指紋顯現(xiàn)中的應(yīng)用研究[D].呼和浩特：內(nèi)蒙古大學(xué)，2015.

[3]張婷，楊瑞琴.指紋中化學(xué)成分免疫分析技術(shù)熱點(diǎn)研究[J].刑事技術(shù)，2015（1）：24-27.

[4]馬榮梁.指紋顯現(xiàn)技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].刑事技術(shù)，2016（4）：302-308.

Abstract：Identity recognition is a hot research issue of information technology popularization and development in recent 10 years. Fingerprint recognition， as one of the popular biometric identification technologies， can complement identity recognition with face recognition and complete the application in different occasions because of its unique uniqueness. This paper reviews the development of fingerprint recognition technology from its rise to maturity and new technologies in recent years， introduces the technical characteristics and implementation methods in different periods， as well as its development direction， advantages and disadvantages.

Key words：identification; fingerprint recognition technology; image