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1、第2章 传感器技术与嵌入式平台本章主要内容2.1 引言2.2 指纹图像的获取2.3 指纹识别技术在手机上的应用2.1 引言指纹采集技术的发展经过了较长的历史时期。其过程也受传感技术的发展影响和推动。指纹采集技术有两种采集模式，一种是在被采集人已知的状况下，实施的主动式采集。另一种是在被采集人未知的状况下，如刑侦现场，通过各种化学的、物理的方式显影指纹并采集的过程。这种方式一般称为现场指纹提取，并涉及指纹分离的过程。在生物特征识别中，可靠、廉价的图像采集设备是系统运行正常、可靠的关键。2.1 引言传感器：一种物理装置，能够探测、感受外界的信号、物理条件（如光、热、湿度）或化学组成（如烟雾），并将
2、探知的信息传递给其他装置。传感器早已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其之泛的领域。可以毫不夸张地说，从茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。2.1 引言国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现
3、自动检测和自动控制的首要环节。2.1 引言人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官。而单靠人们自身的感觉器官，在研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了。为适应这种情况，就需要传感器。因此可以说，传感器是人类五官的延长，又称之为电五官。传感器2.1 引言嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础，并且软件硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。实际应用中，嵌入式系统的平台在生物特征识别领域里发挥了巨大的作用。2.2 指纹图像的获取第一代指纹采集技术采用“按压留痕”的方式来采集指纹，利用的是指纹“触物留痕”的特性。这一时期主要通过“油墨
4、指纹卡”的方式采集。第二代指纹采集技术采用自动化、数字化的采集方式。指纹数据以数字信息表示和存储。我们主要介绍第二代指纹采集技术。2.2 指纹图像的获取指纹采集的过程本质上是指纹成像的过程。其原理是根据嵴与峪的几何特性、物理特征和生物特性的不同，以得到不同的反馈信号，根据反馈信号的量值来绘成指纹图像。指纹的是指在空间上嵴是突起的，峪是凹下的。嵴与嵴相交、相连、分开会表现为一些几何图案。指纹的是指嵴和峪的导电性不同，与空气之间形成的介电常数不同、温度不同等。指纹的是指嵴和峪着力在水平面上时，对接触面形成的压力不同、对波的阻抗不同等。2.2 指纹图像的获取指纹的嵴线与峪线2.2 指纹图像的获取指纹
5、采集的方法有两种，一种是由指纹采集器件主动向手指发出探测信号，然后分析反馈信号，以形成指纹嵴与峪的图案。如光学采集和射频（RF）采集属于主动式采集。另一种是指纹采集器件是被动感应的方式。当手指放置到指纹采集设备上时，因为指纹嵴和峪的物理特性或生物特性的不同，会形成不同的感应信号，然后分析感应信号的量值来形成指纹图案。如热敏采集、半导体电容采集和半导体压感采集属于第二种。2.2 指纹图像的获取对指纹采集设备来讲，一般经过“感知手指”、“图像拍照”“质量判断与自动调整”三个主要过程。考虑到设备功耗，在无手指接触时，采集设备处在休眠状态。当手指接触到采集设备时，采集器会迅速感知到手指的接触并切换到工
6、作状态。对于半导体类指纹采集设备大多具有这种敏锐的指纹察觉技术。有的时候还会根据手指特有的生理表现，来判断是否为真实的手指，如果用手背等其它肤纹来接触采集设备，会被拒绝。随着活体采集技术的研究进展，指纹采集设备还会判别是否为活体手指，这可以通过检测手指的活体特性（如出汗、血液流动、导电性等）来实现。2.2 指纹图像的获取“图像拍照”是采集过程的关键步骤。指纹采集器件以每秒几十帧甚至几百帧的速度来产生指纹图像。对于主动式采集的器件，会通过器件内部的控制电路发出探测信号，如光、超声波，然后根据嵴与峪对探测信号的反馈值的大小，来形成指纹图像。对于感应式采集的器件，根据感应到的嵴与峪所形成的信号大小来
7、绘制指纹图像。每次形成的指纹图像，采集器件内部的控制系统会判断图像质量。如果图像质量过低，不能达到预先设定的质量要求，会通过AGC自动增益电路，增加探测信号或感应信号的强度，以达到理想的取图效果。部分厂商的指纹采集器件，在采集过程中，能针对干湿手指作自动适应，以适应不同类型手指的用户。低质量指纹图像示例2.2 指纹图像的获取2.2 指纹图像的获取理想情况下，如果在采集过程中外界噪声足够小，得到的指纹图像则是干净的、真实的。现实情况是，由于手指表面脱皮的影响、污渍的影响、设备采集面的不干净等多种因素影响，所以一般还需对采集到的指纹图像进行处理。这将在下一章节详述。2.2 指纹图像的获取由于采集面
8、的形状不同，有的指纹采集器件是方形，手指只要按上去，整个指纹都可以一次性采集到。但目前市场上出现了较多的线型刮擦式采集器件（也叫滑动式），其宽度只有5mm左右，面积只有手指的1/5，手指按压上去时，无法一次性采集到完整图像。这类刮擦式指纹采集器件在采集时需要手指划过采集表面，对手指划过时采集到的每一块指纹图像再进行拼接，才能形成完整的指纹图像。2.2 指纹图像的获取滑动式指纹芯片采集过程 2.2.1 光学指纹图像采集技术近年来，光学成像技术发展迅猛。扫描仪、数码摄像头、数码照相机等一大批光学成像数码产品纷纷普及。和这些数码产品的成像原理一样，在指纹采集领域，光学采集技术也得到了充分的应用。光学
9、指纹采集设备始于1971年，其原理是利用光的全反射(FTIR)来成像。2.2.1 光学指纹图像采集技术光学指纹采集系统2.2.1 光学指纹图像采集技术光源光线照射到压有指纹的玻璃表面形成反射光线，反射光线再经过凸镜聚焦后由CCD或者CMOS去捕获成像。由于指纹的嵴和峪凹凸不同，形成的反射光的量也就不同。光线经玻璃照射到峪的地方后在玻璃与空气的界面发生全反射，光线被反射到CCD或CMOS，而射向嵴的光线不发生全反射，而是被嵴与玻璃的接触面吸收或者漫反射到别的方向，这样CCD或CMOS就无法获得这部分光线，从而形成了指纹嵴与峪的图像。2.2.1 光学指纹图像采集技术光学指纹采集原理示意2.2.1
10、光学指纹图像采集技术光学采集设备有着许多优势，它经历了长时间实际应用的考验，能承受一定程度温度变化，稳定性很好，并能提供分辨率为500dpi、甚至1000dpi的图像。但其制造过程一致性较难保证，所以其成本相对目前大规模发展的半导体指纹采集技术来讲，并无太多优势。2.2.2 半导体电容采集技术大规模集成电路技术的快速发展，对人们设计更小化的更智能的传感设备提供了条件。半导体电容采集技术就是一个芯片式的集成电路。在不足0.5平方厘米的面积上，可以布满成千上万个半导体阵列以及相关控制电路和接口电路。指纹采集芯片内部构造2.2.2 半导体电容采集技术半导体电容式指纹采集的原理：根据指纹的嵴和峪与半导
11、体电容感应颗粒形成的电容值大小不同，来判断什么位置是嵴什么位置是峪。其工作过程是通过对每个像素点上的电容感应颗粒预先充电到某一参考电压。当手指接触到半导体电容指纹表现上时，因为峭是凸起的峪是凹下，根据电容值与距离的关系，会在嵴和峪的地方形成不同的电容值。然后利用放电电流进行放电。因为嵴和峪对应的电容值不同，所以其放电的速度也不同。嵴下的像素(电容量高)放电较慢，而处于峪下的像素(电容量低)放电较快。根据放电率的不同，可以探测到嵴和峪的位置，从而形成指纹图像数据。2.2.2 半导体电容采集技术半导体电容指纹原理示意2.2.3 半导体压感采集技术 半导体压感采集技术是通过感知半导体压敏介质材料单元
12、的形变来形成图像信号的。半导体压感指纹采集设备表面，布满一系列微小压敏介质单元。这些细小的单元，对外界压力的变化感应非常敏感。当手指放置到指纹采集表面时，由于指纹的嵴是凸起的，峪是凹下的，凸起部分就会对压敏单元形成压力，并使压敏单元发生形变。由于压敏单元形变之后，其电阻值会发生变化，从而造成电压变化。凹下的峪没有在对应的单元产生压力，所以其对应的电压值不会变生变化。通过不同的电压值就可以形成指纹图案上嵴与峪的数字信息。采用半导体压感采集技术的指纹采集设备目前逐渐变少。2.2.3 半导体压感采集技术半导体压感采集原理示意2.2.4 热敏采集技术 在指纹采集技术中，半导体热敏采集是重要的组成部分。
13、半导体热敏材料对温度的变化非常敏感，当指纹的嵴接触到微小的热敏单元时，会把身体的体热传到热敏单元。热敏单元由于温度的增高，其电阻值会随之发生改变，从而电压值也有变化。峪的部分没有接触到热敏单元，热敏单元的温度保持不变，对应的电压值不会改变。从电压值的变与不变，可以清楚的区分出哪里是嵴哪里是峪，形成指纹图像。2.2.4 热敏采集技术 半导体热敏采集原理示意2.2.5 超声波指纹图像采集技术被认为是指纹采集技术中最好的一种，但在指纹识别系统中还不多见，成本较高，而且还处于实验阶段。超声波指纹取像的原理是:当超声波扫描指纹的表面，紧接着接收设备获取的其反射信号，由于指纹的嵴和峪的声阻抗不同，导致反射
14、回接受器的超声波的能量不同，通过测量超声波能量大小，进而获得指纹灰度图像。积累在皮肤上的脏物和油脂对超声波取像影响不大。所以这样获取的图像是实际指纹纹路凹凸的真实反映。2.2.5 超声波采集原理示意2.2.6 其它指纹采集技术 除了前面所讲的5种主要的指纹采集技术之外，还有RF（射频）采集技术和光电采集技术用于指纹采集。RF采集技术是把射频信号发射到手指，手指上嵴和峪对射频信号的产生一定的反馈，RF接收端接收反馈信号。因为嵴和峪的对射频信号的干涉而不同，形成的反馈信号量不同，根据接收到的信号量的不同可以识别出哪个位置是嵴、哪个位置是峪。2.2.6 其它指纹采集技术 RF采集原理示意2.2.6
15、其它指纹采集技术光电采集技术的原理是基于光电成像技术的。在光电采集表面是一种聚合物，这种聚合物在合适的电压激励下可以发出散射光。当手指放到聚合物表面时，其嵴与峪对光的反射量不同，根据反射光的量值，利用CCD或者CMOS成像机理，可以把指纹图像显现出来。2.2.6 其它指纹采集技术 光电采集原理示意2.2.7 传感器简介指纹传感器（又称指纹Sensor）是实现指纹自动采集的关键器件。指纹传感器按传感原理，即指纹成像原理和技术，分为光学指纹传感器、半导体电容传感器、半导体热敏传感器、半导体压感传感器、超声波传感器和射频RF传感器等。指纹识别系统技术的进步和指纹传感器技术的发展密切相关。2.2.7
16、传感器简介过去指纹传感器大多数是基于光学技术的指纹传感器，这类传感器结构复杂，价格昂贵，体积庞大，并且对手指和取像镜片的要求较高，因此造成实际系统价格非常昂贵。随着光电技术的发展，光学传感器的价格和体积也开始大幅度下降。2.2.7 传感器简介90年代中期开始出现半导体指纹传感器，最初，这类传感器采集的图像质量和光学传感器有较大的差距，但是随着半导体技术的进步，所采集的图像质量也越来越高，现在这两类指纹传感器采集的图像质量差距已经很小了。半导体传感器具有价格低、体积小的优点，特别适合集成在普通的消费电子产品中。2.2.7 传感器简介超声波扫描技术的原理是基于皮肤、指纹表面和空气对超声波产生的不同反射阻抗，因为超声波能穿透许多物质，所以系统几乎不受手指和取像平台表面状况的影响，但是其成本大约为光学系统的2至3倍。1 光学传感器光学指纹传感器是由光源、直角棱镜、透镜以及CCD面构成的，从光源放射出的光向直角棱镜斜面按着全反射条件照射，将手指放在其棱镜斜面中心位置处，由于指纹指纹脊线和谷线的凸凹部位的光反射率不同而产生的光图形，通过透镜到达CCD成像器，由于必须使用透镜形成成像空间，小型化非常
