指紋識別技術現狀及發展趨勢研究

李明進

摘? ?要：身份識別是近10年來信息技術普及和發展的熱點研究問題，指紋識別因為擁有其獨特的唯一性，作為熱門的生物特征身份識別技術之一，可以和人臉識別相輔相成，完成對不同場合的應用。文章通過對指紋識別技術的興起到成熟、以及近年的新技術的發展進行綜述，介紹了不同時期的技術特點和實現方法，以及其技術的發展方向和優缺點。

關鍵詞：身份識別;指紋識別技術;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節卻是不盡相同。嚴格地說，不同人指紋的細節不完全相同，這是指紋識別唯一性最重要的地方。這些不同的細節又稱為細節特征。其體現在不同的指紋紋路上，中間可能是連續的、平滑筆直的，也可能會有斷裂、分支或者不規則的折線。這些與眾不同的紋路，定義上又稱為斷點、分叉點和轉折點，都被稱為“特征點”。

所有的特征點組合起來構成一個唯一的身份確認信息，其中有幾個“特征點”是最重要的，其顯示一個或幾個紋路的終結，稱為“終結點”，或者是幾個紋路出現了分叉，稱為“分叉點”。另外，指紋識別在區別較為相似的紋路時，還需要其他的“特征點”一起完成“識別”，其中分歧點、孤立點、環點、短紋等是和最重要的終結點和分叉點一起配合完成整個指紋識別工作的。在具體的“特征點”進行區別的時候，需要3個數學上的幾何描述完成，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共同定位確定。

1? ? 指紋識別技術發展歷史

使用指紋進行手機屏幕開鎖是近年來最成功的應用之一，不但方便，而且快且安全，極大地方便了消費者。其實早在20世紀90年代，就有公司嘗試把指紋識別放到手機上，西門子使用了Bromba的技術，1998年生產了世界上第一款搭有指紋識別的原型手機，其采取指紋的方式為手機滑動通過采樣區，指紋采集把采到的指紋局部組合成一個完整的指紋，然后分析其特征點來完成比對，這種方法一直使用到近年前，很多手機廠家和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行比對和確認并不靈活。指紋識別技術依舊像是止步不前，沒有重大突破。直到最近幾年，電容式、光學式和超聲波式開始在指紋識別中廣泛地應用起來[1-2]。

指紋識別主要分為3種：電容式、光學式和超聲波式。

第一種是當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一定的幅度波動，憑借這種變化，指紋識別的準確性將有所提高。該種方案能力強、適應范圍廣，對于使用的環境沒有特殊要求，除此之外，硅晶元以及相關的傳感器件對空間的占用對于手機來說在可以接受的范圍內。目前的電容式指紋識別技術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確率上有著極大的缺點，直接導致廠家將目光全部鎖定在操作更加簡便隨意、識別準確率更高的按壓式電容指紋識別技術。在目前全面屏手機概念下，電容式似乎顯得格格不入，所以只能將指紋識別技術運用在手機的側邊、前置，還有后置等，當然還有羅永浩的堅果pro（把指紋識別加在手機的標志中），別出心裁[3]。

第二種是光學指紋識別方案。光學的指紋識別在普通人中較早應用，例如大多數的光學指壓板、智能鎖均使用光學方式。主要通過內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）呈現黑色、谷線（紋理中的溝壑）呈現白色、可形成數字信息、可被計算機翻譯的具有多個灰度值的圖，然后在已有的數據庫中對比觀察是否相同。

第三種是超聲波指紋識別方案。現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。超聲波的物理特性是其可以穿透一切物質，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。是因為通過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材質的特性，不會改變手機的外觀形狀，筆者認為未來指紋識別的主要發展方向之一肯定有超聲波指紋識別技術的面孔。但是因為技術還不太完善，即使超聲波有很強的穿透性，但其發生器小、幅度和屏幕蓋板的本身品質、材料太寬，穿透能力就受到限制。

2? ? 指紋識別的應用現狀與發展

2014年4月發布的蘋果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。所以即使技術還不太完善，但因為智能市場的缺口，很多手機廠商都在此中發現商機，開始研發新技術，如vivo、中興、華為等[4]。

指紋識別的應用在當代最有前景的是將指紋識別技術同智能芯片相結合，可設計出各種產品，例如指紋識別手機。將用戶的指紋先加密，再存儲到智能芯片上，轉載有指紋識別系統的智能芯片的讀卡機，在使用讀卡機時讀入指紋。例如現在的ID card運用該技術，通過對智能芯片中存儲的指紋與用戶的指紋進行比較分析，完成身份鑒定。相較于更苛刻的環境，還可以和后端主機系統數據庫（Redis，Memcache，MongoDb以及騰訊云、百度云）上的指紋進行分析對比。指紋IC卡可以被廣泛地運用于許多行業中，例如ATM卡、制造防偽證件等。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。還有通過指紋驗證取代各個計算機應用程序密碼的例子，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、快捷和安全，用戶也不再進行過多安全性檢查，而且IT開發商的售后服務工作也會被減輕。

雖然指紋對于人們來說只是身體的一小部分，但是對于識別技術來說，所需要的數據量卻相當龐大，對這些數據進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，隨著匹配算法實用性不斷地提高，指紋識別技術在現階段已經比較成熟。指紋識別技術作為目前成本不高、應用廣泛的識別技術之一，其從2012年開始就有著良好的發展前景，預計在未來幾年內指紋識別技術將會保持甚至超越原來的發展速度。隨著現代電子集點成制造業的高速發展，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[4]。同時隨著處理機運算速度的不斷增加，也使在微型計算機甚至ARM上進行兩個指紋的比較運算得到實現。目前，指紋識別在多個領域都得到了實施。

3? ? 結語

隨著指紋領域人才數量和質量的增長、科技的進一步發展，大型化學分析儀器的使用、先進模式識別技術的應用，相信在不遠的將來，我國指紋識別技術必定有更進一步的發展。

[參考文獻]

[1]袁穎，唐云祁，郭威.一種標定指紋無特征區的新方法[J].中國人民公安大學學報（自然科學版），2014（1）：23-27.

[2]牛鵬懷.納米復合材料在潛指紋顯現中的應用研究[D].呼和浩特：內蒙古大學，2015.

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

[4]馬榮梁.指紋顯現技術的現狀與發展趨勢[J].刑事技術，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