密碼的使用在我們的生活中無(wú)處不在：手機(jī)解鎖、網(wǎng)站用戶登錄、網(wǎng)上/移動(dòng)支付。安全起見(jiàn)，人們往往在不同類型的賬戶設(shè)置不同的密碼，比如手機(jī)銀行的登錄密碼和支付密碼會(huì)不一樣，并且還需要定期更換密碼。這樣一來(lái)，帶來(lái)的問(wèn)題就是時(shí)間一久，密碼搞混淆了，忘記了，然后再進(jìn)入一套“找回密碼”的流程……

其實(shí)，我們的指紋就是獨(dú)一無(wú)二，且較難復(fù)制，一般情況下別人也無(wú)法竊取的密碼。

指紋識(shí)別技術(shù)概念及由來(lái)

指紋是指人的手指末端正面皮膚上凸凹不平產(chǎn)生的紋線。紋線有規(guī)律的排列形成不同的紋型。紋線的起點(diǎn)、終點(diǎn)、結(jié)合點(diǎn)和分叉點(diǎn)，稱為指紋的細(xì)節(jié)特征點(diǎn)。由于指紋具有終身不變性、唯一性和方便性，已幾乎成為生物特征識(shí)別的代名詞。

指紋識(shí)別是一門古老的學(xué)科，1788年Mayer首次提出沒(méi)有兩個(gè)人的指紋完全相同，1823年P(guān)urkinie首次把指紋紋形分成9類，1889年Henry提出了指紋細(xì)節(jié)特征識(shí)別理論，奠定了現(xiàn)代指紋學(xué)的基礎(chǔ)。

但采用人工比對(duì)的方法，效率低、速度慢。20世紀(jì)60年代，開(kāi)始用計(jì)算機(jī)圖像處理和模式識(shí)別方法進(jìn)行指紋分析，這就是自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)。20世紀(jì)70年代末80年代初，刑事偵察用自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)投入實(shí)際運(yùn)用。20世紀(jì)90年代，AFIS進(jìn)入民用，稱為民用自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)。

每個(gè)人包括指紋在內(nèi)的皮膚紋路在圖案、斷點(diǎn)和交叉點(diǎn)上各不相同，呈現(xiàn)惟一性且終生不變。據(jù)此，我們就可以把一個(gè)人同他的指紋對(duì)應(yīng)起來(lái)，通過(guò)將他的指紋和預(yù)先保存的指紋數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，就可以驗(yàn)證它的真實(shí)身份，這就是指紋識(shí)別技術(shù)。

指紋識(shí)別主要根據(jù)人體指紋的紋路、細(xì)節(jié)特征等信息對(duì)操作或被操作者進(jìn)行身份鑒定，得益于現(xiàn)代電子集成制造技術(shù)和快速而可靠的算法研究，已經(jīng)開(kāi)始走入我們的日常生活，成為目前生物檢測(cè)學(xué)中研究最深入、應(yīng)用最廣泛、發(fā)展最成熟的技術(shù)。

2013年之前，指紋識(shí)別傳感器的主要應(yīng)用還是在工業(yè)和安防領(lǐng)域。1998年西門子展示了集成指紋識(shí)別功能的手機(jī)后，指紋識(shí)別沉寂了十幾年。2013年蘋果公司發(fā)布了采用指紋識(shí)別傳感器的iPhone 5S，由此引爆了指紋識(shí)別傳感器市場(chǎng)，三年間市場(chǎng)規(guī)模從幾乎為零飆升到幾十億美元。起初，指紋識(shí)別傳感器用于手機(jī)解鎖和信息保護(hù)。然而，現(xiàn)在指紋識(shí)別傳感器越來(lái)越多地應(yīng)用于在線認(rèn)證和移動(dòng)支付等安全功能。

指紋識(shí)別技術(shù)的原理

盡管指紋識(shí)別技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入了民用領(lǐng)域，但是其工作原理其實(shí)還是比較復(fù)雜的。與人工處理不同，生物識(shí)別技術(shù)公司不直接存儲(chǔ)指紋的圖像（有關(guān)法律認(rèn)為，指紋圖像屬于個(gè)人隱私，因此不能直接存儲(chǔ)指紋圖像）。多年來(lái)，各生物識(shí)別技術(shù)公司及其研究機(jī)構(gòu)研究了許多指紋識(shí)別算法。但各種識(shí)別算法最終都?xì)w結(jié)為在指紋圖像上找到并比對(duì)指紋的特征。這就是指紋識(shí)別技術(shù)的基本原理，即采集指紋圖像并進(jìn)行比對(duì)指紋特征。

指紋的特征

從普遍意義上來(lái)講，可以定義指紋的兩類特征來(lái)進(jìn)行指紋的驗(yàn)證：總體特征和局部特征。

總體特征

總體特征是指那些用人眼直接就可以觀察到的特征。它包括：

1、基本紋型：常見(jiàn)的指紋圖案有環(huán)型、弓型、螺旋型，其他的指紋圖案都基于這三種基本圖案，只是一個(gè)粗略的分類，僅僅依靠圖案類型來(lái)分辨指紋是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，但通過(guò)分類可以更加便利于在大數(shù)據(jù)庫(kù)中搜尋到指紋。

2、模式區(qū)：模式區(qū)是包含了紋型特征的區(qū)域，即從模式區(qū)就能夠分辨出指紋是屬于那一種類型的。

3、核心點(diǎn)：核心點(diǎn)位于指紋紋路的漸進(jìn)中心，它用于讀取指紋和比對(duì)指紋時(shí)的參考點(diǎn)。

4、三角點(diǎn)：三角點(diǎn)位于從核心點(diǎn)開(kāi)始的第一個(gè)分叉點(diǎn)或者斷點(diǎn)、或者兩條紋路會(huì)聚處、孤立點(diǎn)、折轉(zhuǎn)處，或者指向這些奇異點(diǎn)。三角點(diǎn)提供了指紋紋路的計(jì)數(shù)和跟蹤的開(kāi)始之處。

5、式樣線：式樣線是在指紋包圍模式區(qū)的紋路線開(kāi)始平行的地方所出現(xiàn)的交叉紋路，式樣線通常很短就中斷了，但它的外側(cè)線開(kāi)始連續(xù)延伸。

6、紋數(shù)：紋數(shù)是指模式區(qū)內(nèi)指紋紋路的數(shù)量。在計(jì)算指紋的紋數(shù)時(shí)，一般先連接核心點(diǎn)和三角點(diǎn)，這條連線與指紋紋路相交的數(shù)量即可認(rèn)為是指紋的紋數(shù)。

局部特征

局部特征是指指紋上的節(jié)點(diǎn)。兩枚指紋經(jīng)常會(huì)具有相同的總體特征，但它們的局部特征卻不可能完全相同。局部特征點(diǎn)有如下的類型：

1、節(jié)點(diǎn)：指紋紋路并不是連續(xù)、平滑筆直的，而是經(jīng)常出現(xiàn)中斷、分叉或彎折的。這些斷點(diǎn)、分叉點(diǎn)和轉(zhuǎn)折點(diǎn)就稱為“節(jié)點(diǎn)”。就是這些節(jié)點(diǎn)提供了指紋唯一性的確認(rèn)信息。

2、端點(diǎn)：一條紋線終止的地方；

3、分叉點(diǎn)：一條紋線分裂成兩條的地方；

4、中心點(diǎn)：指紋的幾何中心，這是紋線產(chǎn)生最大曲率的地方；

5、三角點(diǎn)：三種不同方向的紋線匯聚的地方；

6、交叉：兩條紋線產(chǎn)生交叉的地方；

7、小島：一條很短小的紋線；

8、汗腺孔：脊線上的小孔，系汗腺。

以上這些特征被用來(lái)區(qū)分不同的指紋。其中：

1、端點(diǎn)和分叉點(diǎn)是最為常用的特征。通常的算法都要記錄它們的位置和方向。

2、中心點(diǎn)和三角點(diǎn)在刑偵系統(tǒng)中普遍使用，而在民用系統(tǒng)中并不常用。因?yàn)檫@些應(yīng)用中所使用的采集器往往面積較小，較難完整地采集到中心點(diǎn)和三角點(diǎn)。

3、交叉和小島由于計(jì)算上的困難，在實(shí)際的系統(tǒng)中往往不予采用。

4、有人曾提出用汗腺孔來(lái)進(jìn)行指紋識(shí)別，但這種方法要求指紋采集設(shè)備要具有非常高的分辨率。所以在實(shí)際的系統(tǒng)中沒(méi)有采用。

指紋識(shí)別的過(guò)程

指紋識(shí)別由兩個(gè)過(guò)程組成，即登記過(guò)程和識(shí)別過(guò)程。其原理如圖所示：

在登記過(guò)程中，用戶需要先采集指紋，然后計(jì)算機(jī)系統(tǒng)將自動(dòng)進(jìn)行特征提取，提取后的特征將作為模板保存在數(shù)據(jù)庫(kù)或其他指定的地方。在識(shí)別或驗(yàn)證階段，用戶首先要采集指紋，然后經(jīng)系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行指紋庫(kù)模板比對(duì)，然后給出比對(duì)結(jié)果。

在很多場(chǎng)合，用戶可能還要輸入其他的一些輔助信息，以幫助系統(tǒng)進(jìn)行匹配，如帳號(hào)、用戶名等。此過(guò)程是一個(gè)通用的過(guò)程，對(duì)所有的生物特征識(shí)別技術(shù)都適用。

目前指紋識(shí)別技術(shù)的主要種類

目前，市場(chǎng)中應(yīng)用的指紋圖像的獲取技術(shù)主要有4種類型：光學(xué)掃描設(shè)備、溫差感應(yīng)式指紋傳感器、半導(dǎo)體指紋傳感器、超聲波指紋掃描。

一、光學(xué)識(shí)別技術(shù)

借助光學(xué)技術(shù)采集指紋是歷史最久遠(yuǎn)、使用最廣泛的技術(shù)。將手指放在光學(xué)鏡片上，手指在內(nèi)置光源照射下，用棱鏡將其投射在電荷耦合器件（CCD）上，進(jìn)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(shù)字化的、可被指紋設(shè)備算法處理的多灰度指紋圖像。

光學(xué)的指紋采集技術(shù)有明顯的優(yōu)點(diǎn)：它已經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的應(yīng)用考驗(yàn)，一定程度上適應(yīng)溫度的變異，可達(dá)到500DPI的較高分辨率等，最主要是價(jià)格低廉。

也有明顯的缺點(diǎn)：由于要求足夠長(zhǎng)的光程，因此要求足夠大的尺寸，而且過(guò)分干燥和過(guò)分油膩的手指也將使光學(xué)指紋產(chǎn)品的效果變壞。

光學(xué)指紋傳感局限性體現(xiàn)于潛在指印方面（潛在指印是手指在臺(tái)板上按完后留下的），不但會(huì)降低指紋圖像的質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)還可能導(dǎo)致2個(gè)指印重疊，顯然，難以滿足實(shí)際應(yīng)用需要。此外，臺(tái)板涂層及CCD陣列會(huì)隨時(shí)間推移產(chǎn)生損耗，可能導(dǎo)致采集的指紋圖像質(zhì)量下降。但是具有無(wú)法進(jìn)行活體指紋鑒別、對(duì)干濕手指的適用性差等缺點(diǎn)。

光學(xué)指紋識(shí)別系統(tǒng)由于光不能穿透皮膚表層（死性皮膚層），所以只能夠掃描手指皮膚的表面，或者掃描到死性皮膚層，但不能深入真皮層。在這種情況下，手指表面的干凈程度，直接影響到識(shí)別的效果。如果，用戶手指上粘了較多的灰塵，可能就會(huì)出現(xiàn)識(shí)別出錯(cuò)的情況。并且，如果人們按照手指，做一個(gè)指紋手模，也可能通過(guò)識(shí)別系統(tǒng)，對(duì)于用戶而言，使用起來(lái)不是很安全和穩(wěn)定。

二、溫差感應(yīng)式識(shí)別技術(shù)

溫差感應(yīng)式識(shí)別技術(shù)是基于溫度感應(yīng)的原理而制成的，每個(gè)像素都相當(dāng)于一個(gè)微型化的電荷傳感器，用來(lái)感應(yīng)手指與芯片映像區(qū)域之間某點(diǎn)的溫度差，產(chǎn)生一個(gè)代表圖像信息的電信號(hào)。

它的優(yōu)點(diǎn)是可在0.1s內(nèi)獲取指紋圖像，而且傳感器體積和面積最小，即目前通常所說(shuō)的滑動(dòng)式指紋識(shí)別儀就是采用該技術(shù)。

缺點(diǎn)是：受制于溫度局限，時(shí)間一長(zhǎng)，手指和芯片就處于相同的溫度了。

三、半導(dǎo)體硅感技術(shù)（電容式識(shí)別技術(shù)）

20世紀(jì)90年代后期，基于半導(dǎo)體硅電容效應(yīng)的技術(shù)趨于成熟。硅傳感器成為電容的一個(gè)極板，手指則是另一極板，利用手指紋線的嵴和峪相對(duì)于平滑的硅傳感器之間的電容差，形成8bit的灰度圖像。

電容傳感器發(fā)出電子信號(hào)，電子信號(hào)將穿過(guò)手指的表面和死性皮膚層，直達(dá)手指皮膚的活體層（真皮層），直接讀取指紋圖案。由于深入真皮層，傳感器能夠捕獲更多真實(shí)數(shù)據(jù)，不易受手指表面塵污的影響，提高辨識(shí)準(zhǔn)確率，有效防止辨識(shí)錯(cuò)誤。

半導(dǎo)體指紋傳感器包括半導(dǎo)體壓感式傳感器、半導(dǎo)體溫度感應(yīng)傳感器等，其中，應(yīng)用最廣泛的是半導(dǎo)體電容式指紋傳感器。

半導(dǎo)體電容傳感器根據(jù)指紋的嵴和峪與半導(dǎo)體電容感應(yīng)顆粒形成的電容值大小不同，來(lái)判斷什么位置是嵴什么位置是峪。其工作過(guò)程是通過(guò)對(duì)每個(gè)像素點(diǎn)上的電容感應(yīng)顆粒預(yù)先充電到某一參考電壓。

當(dāng)手指接觸到半導(dǎo)體電容指紋表現(xiàn)上時(shí)，因?yàn)獒帐峭蛊稹⒂前枷拢鶕?jù)電容值與距離的關(guān)系，會(huì)在嵴和峪的地方形成不同的電容值。然后利用放電電流進(jìn)行放電。因?yàn)獒蘸陀鴮?duì)應(yīng)的電容值不同，所以其放電的速度也不同。

嵴下的像素（電容量高）放電較慢，而處于峪下的像素（電容量低）放電較快。根據(jù)放電率的不同，可以探測(cè)到嵴和峪的位置，從而形成指紋圖像數(shù)據(jù)。

與光學(xué)設(shè)備多采用人工調(diào)整改善圖像質(zhì)量不同，電容傳感器采用自動(dòng)控制技術(shù)調(diào)節(jié)指紋圖像像素以及指紋局部范圍敏感程度，在不同環(huán)境下結(jié)合反饋信息生成高質(zhì)量圖像。由于提供了局部調(diào)整能力，即使對(duì)比度差的圖像（如手指壓得較輕的區(qū)域）也能被有效檢測(cè)到，并在捕捉瞬間為這些像素提高靈敏度，生成高質(zhì)量指紋圖像。

半導(dǎo)體電容指紋傳感器優(yōu)點(diǎn)為圖像質(zhì)量較好、一般無(wú)畸變、尺寸較小、易集成于各種設(shè)備。其發(fā)出的電子信號(hào)將穿過(guò)手指的表面和死性皮膚層，達(dá)到手指皮膚的活體層（真皮層），直接讀取指紋圖案，從而大大提高了系統(tǒng)的安全性。

半導(dǎo)體硅感技術(shù)最重要的優(yōu)點(diǎn)是能夠達(dá)到活體指紋識(shí)別。還可以在較小的表面上獲得比光學(xué)技術(shù)更好的圖像質(zhì)量，在1cm×1.5cm的表面上獲得200-300線的分辨率（較小的表面也導(dǎo)致成本的下降和能被集成到更小的設(shè)備中）。體積小、成本低，成像精度高，而且耗電量很小，因此非常適合在安全防范和高檔消費(fèi)類電子產(chǎn)品中使用，被稱為光學(xué)以后的第二代指紋識(shí)別技術(shù)。

四、超聲波識(shí)別技術(shù)

超聲波指紋采集是一種新型技術(shù)，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(chǎn)生大小不同的回波（超聲波到達(dá)不同材質(zhì)表面時(shí)，被吸收、穿透與反射的程度不同）。因此，利用皮膚與空氣對(duì)于聲波阻抗的差異，就可以區(qū)分指紋嵴與峪所在的位置。

超聲波技術(shù)所使用的超聲波頻率為1×104Hz-1×109Hz，能量被控制在對(duì)人體無(wú)損的程度（與醫(yī)學(xué)診斷的強(qiáng)度相同）。超聲波技術(shù)產(chǎn)品能夠達(dá)到最好的精度，它對(duì)手指和平面的清潔程度要求較低，但其采集時(shí)間會(huì)明顯地長(zhǎng)于前述兩類產(chǎn)品，而且價(jià)格昂貴，也并不能做到活體指紋識(shí)別，所以目前使用稀少。

微光學(xué)式指紋識(shí)別技術(shù)

當(dāng)前無(wú)論是的主流——電容式指紋識(shí)別傳感器，還是新秀——超聲波式指紋識(shí)別傳感器，都需要額外的指紋傳感器，只是前者需要在屏幕上開(kāi)孔，后者可以隱藏在屏幕下面而已。

2017年，蘋果公司和匯頂科技推出了基于微型光學(xué)感測(cè)技術(shù)的指紋識(shí)別技術(shù)，這種技術(shù)巧妙地將顯示屏和指紋傳感器的融合于一體，支持全屏幕多處進(jìn)行指紋識(shí)別。

指紋識(shí)別傳感器的工作原理“始”于光學(xué)式，“盛”于電容式，“延續(xù)”于超聲波式和微型光學(xué)式。轉(zhuǎn)了一圈，現(xiàn)在又回到了光學(xué)感測(cè)的路子上來(lái)了，不同的是，如今的微型光學(xué)感測(cè)技術(shù)先進(jìn)性足以引起智能手機(jī)的全“面”革新。

微型光學(xué)式指紋傳感器的原理是什么？匯頂科技和蘋果采用的技術(shù)是有所差異的，匯頂科技暫未透露出細(xì)節(jié)，不過(guò)我們可以就蘋果采用的MicroLED技術(shù)來(lái)了解一番。

2012年前MicroLED技術(shù)還停留在實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段。隨著蘋果公司于2014年5月收購(gòu)擁有MicroLED多項(xiàng)專利技術(shù)的LuxVue公司，市場(chǎng)對(duì)該項(xiàng)技術(shù)的關(guān)注度達(dá)到了空前的高度。

MicroLED技術(shù)，即LED微縮化和矩陣化技術(shù)。指的是在一個(gè)芯片上集成的高密度微小尺寸的LED陣列，顯示屏每一個(gè)像素可定址、單獨(dú)驅(qū)動(dòng)點(diǎn)亮，將像素點(diǎn)距離從毫米級(jí)降低至微米級(jí)。

MicroLED display，是將LED結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行薄膜化、微小化、陣列化，其尺寸僅在1~10μm等級(jí)左右，再將MicroLED批量式轉(zhuǎn)移至電路基板上，其基板可為硬性、軟性之透明、不透明基板上；再利用物理沉積制程完成保護(hù)層與上電極，即可進(jìn)行上基板的封裝，完成結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的MicroLED顯示。

根據(jù)美國(guó)專利和商標(biāo)局于在2017年2月14日公布蘋果公司美國(guó)專利號(hào)為9570002“集成紅外二極管的交互式顯示面板”，展示了采用MicroLED傳感技術(shù)的觸摸顯示屏以及其如何實(shí)現(xiàn)指紋識(shí)別技術(shù)功能。

具體而講，單獨(dú)的紅外發(fā)射管與傳感二極管連接作為驅(qū)動(dòng)，選擇電路用于創(chuàng)建子像素電路。由于其體積小，這些紅外二極管可以與RGB LED嵌入顯示基板，或者安裝在微型芯片上后再集成到所述基板。

在進(jìn)行指紋識(shí)別操作時(shí)，集成有交互像素（所謂的“交互像素”，這種子像素排列可以將紅、綠、藍(lán)、紅外發(fā)光二極管、紅外探測(cè)器，以及其它顏色的陣列集成在分辨率非常高的面板）的屏幕的某一特定區(qū)域或者某幾行掃描到用戶的指紋信息。

當(dāng)該距離達(dá)到足以感應(yīng)到的距離，將生成位圖并通知系統(tǒng)近似定位數(shù)據(jù)。在某些情況下，位圖包括入射光強(qiáng)度信息，允許對(duì)對(duì)象及其表面進(jìn)行深層分析。例如，通過(guò)檢查位圖的暗點(diǎn)和亮點(diǎn)，樣本系統(tǒng)可以檢測(cè)用戶指紋中相應(yīng)的脊線和皺褶。從而實(shí)現(xiàn)指紋識(shí)別的功能。

指紋識(shí)別技術(shù)是生物識(shí)別技術(shù)的主流技術(shù)，是身份認(rèn)證的主流技術(shù)，它在各行各業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。現(xiàn)在用指紋功能的設(shè)備，必須有一個(gè)物理鍵讓你掃描一個(gè)指紋，但隨著觸控和顯示芯片的發(fā)展，高度集成化，未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)是任何位置，我們可以在屏幕上完成的指紋識(shí)別。嵌入式指紋識(shí)別出現(xiàn)在核心，所以任何限制不影響設(shè)備制造商的工業(yè)設(shè)計(jì)的設(shè)備。

隨著指紋識(shí)別和觸摸顯示技術(shù)的融合越來(lái)越成熟，它也將越來(lái)越廣泛，例如，快速付款、識(shí)別、個(gè)性化偏好定制等，很可能將密碼用指紋識(shí)別技術(shù)所取代。

編輯：黃飛

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