指纹识别技术及其特征点

指纹识别因其方便使用的特性，目前是国内智能锁上使用最为广泛的识别技术。

（一）概述

1.指纹介绍

人的皮肤由表皮、真皮和皮下组织三部分组成。我们手掌及其手指、脚、脚趾内侧表面的皮肤凹凸不平，产生的纹路会形成各种各样的图案。人手指的图案、断点和交叉点上各不相同的纹路就是指纹，它蕴含大量的信息。由于人的遗传特性，虽然指纹人人皆有，但各不相同，所以这些指纹具有唯一性和永久性。因此，指纹的上述特性成为识别身份的最重要证据而广泛应用于公安刑侦及司法领域。指纹认证具有方便、快速、精确的特点。

2.指纹特征

两枚指纹经常会具有相同的总体特征，但它们的细节特征不可能完全相同。指纹纹路并不是连续、平滑笔直的，而是经常出现中断、分叉或转折。这些断点、分叉点和转折点就称为“特征点”。

特征点提供了指纹唯一性的确认信息，其中最典型的是终结点和分叉点，其他还包括分歧点、孤立点、环点、短纹等。特征点的参数包括方向（节点可以朝着一定的方向）、曲率（描述纹路方向改变的速度）、位置（节点的位置通过x/y坐标来描述，它可以是绝对的，也可以是相对于三角点或特征点的）。

（1）总体特征

总体特征是指那些用人眼就可以直接观察到的特征，包括纹形、模式区、核心点、三角点和纹数等。

纹形。指纹专家在长期实践的基础上，根据脊线的走向与分布情况一般将指纹分为三大类——环型（loop，又称斗形）、弓形（arch）、螺旋形（whorl）。

模式区，即指纹上包括了总体特征的区域，从此区域就能够分辨出指纹是属于哪一种类型的。有的指纹识别算法只使用模式区的数据，有的则使用所取得的完整指纹。

核心点位于指纹纹路的渐进中心，它在读取指纹和比对指纹时作为参考点。许多算法是基于核心点的，即只能处理和识别具有核心点的指纹。

三角点位于从核心点开始的第一个分叉点或者断点，或者两条纹路会聚处、孤立点、折转处，或者指向这些奇异点。三角点提供了指纹纹路计数跟踪的开始之处。

纹数，即模式区内指纹纹路的数量。在计算指纹的纹路时，一般先连接核心点和三角点，这条连线与指纹纹路相交的数量即可认为是指纹的纹数。

（2）局部特征

局部特征是指纹节点的特征。指纹的纹路并不是连续、平滑笔直的，经常会出现分叉、折转或中断。这些交叉点、折转点或断点称为“特征点”，它们提供了指纹唯一性的确认信息。

（二）指纹识别技术

1.识别技术

采用真正活体指纹识别技术，能识别到皮肤真皮指纹，并能进行皮肤细微温度、湿度识别，保证是只有活体才能进行识别的先进技术，避免了复制指纹蒙混过关的安全性技术问题。根据生物类指纹具有的唯一性和稳定性特点，我们可以将人的生物类指纹预先保存起来，通过比较他（她）的生物类指纹和预先保存的生物类指纹，可以准确验证他的真实身份。指纹识别技术，在指纹开锁、指纹考勤、指纹解锁手机、指纹支付等领域都已经得到广泛的使用。我国古代按手印画押、手印泥封、手印鉴定等就是指纹识别技术的早期运用。

2.技术原理

指纹识别，即指通过比较不同指纹的细节特征点来进行鉴别，指纹识别技术涉及图像处理、模式识别、计算机视觉、数学形态学、小波分析等众多学科。由于每个人的指纹不同，就是同一人的十指之间，指纹也有明显区别，因此指纹可用于身份鉴定。由于每次捺印的方位不完全一样，着力点不同会带来不同程度的变形，而且存在大量模糊指纹，所以如何正确提取并准确匹配，是指纹识别技术的关键。

（1）识别载体——指纹采集模块（窗）

识别载体按技术划分，可分为光学指纹模块和半导体（电容式、压杆式和热敏感应）指纹模块两种。光学指纹头在行业刚起步时使用最多，而近几年来随着技术的进步，半导体指纹头后来居上，占据了绝大多数的智能锁市场，而光学指纹头逐步退出了智能锁市场。

光学指纹头耐用性强，在遭受金属硬物刻画后一般仍能使用。

半导体指纹头体积相对较小，识别范围比光学广些，特别是对干性指纹用户更加明显。但半导体指纹锁易划伤报废。该指纹识别技术，不但广泛用于智能锁，还用于其他产品（如手机、笔记本电脑）中。

从技术角度讲，除光学式、半导体式以外，还有超声波式。超声波式识别技术还不成熟，还未应用于智能锁。

指纹采集模块示例：

指纹图像录入时间：＜0.5s

口面积：14mm×18mm

特征文件：256字节

存储容量：900枚

安全等级：五级（从低到高分别为1、2、3、4、5）

认假率（FAR）：＜0.001%（安全等级为3时）

拒真率（FAR）：＜0.1%（安全等级为3时）

搜索时间：＜1.0s（1∶1000时，均值）

工作环境：温度：-20℃至+40℃(www.xing528.com)

窗口面积：14*18mm

采集头尺寸：56*20*21.5mm

（2）自动指纹识别系统

自动指纹识别系统（Automatic Fingerprint Identification System，简称AFIS）通过特殊的光电转换设备和计算机图像处理技术，对活体指纹进行采集、分析和比对，可以自动、迅速、准确地鉴别出个人身份。一般可以分成“离线部分”和“在线部分”两个部分。其中，离线部分包括用指纹采集仪采集指纹，提取出细节点，将细节点保存到数据库中形成指纹模板库等主要步骤；在线部分包括用指纹采集仪采集指纹，提取出细节点，然后将这些细节点与保存在数据库中模板细节点进行匹配，判断输入细节点与模板细节点是否来自同一个手指的指纹。采用先进的光电识别办法采集一个生物类指纹信息后，把它变成可以和已由计算机处理过的暗码相比对的代码。这些代码都经过加密处理，然后经独特的相关算法进行识别判断。在算法上，有的采用的是一个生物类指纹的全部图案，而有的是生物类指纹的特殊细节。

识别门锁系统的结构主要包括指纹识别模块、微控制器、读写模块、电源管理和电控锁机构以及门锁功能所需的红外感应电路和液晶LED显示等，其中核心部分是指纹识别模块和微控制器。由于人体特征具有不可复制性，生物识别技术的安全系数较传统意义上的身份验证机制有了很大提高，越来越得到社会的重视。

自动识别系统体积的不断缩小，以及微处理器功能与速度的不断提高，复杂的指纹识别门锁控制算法已可以被固化到一块体积非常小的嵌入式微处理器模块上，该模块与指纹传感器、门锁控制机构组成的系统称为嵌入式指纹识别门锁系统。

（3）关键参数

1）分辨率

分辨率（dpi）是对指纹锁的指纹读头的解读，与照相机的像素原理一样，像素越高，照出来的越清晰；而指纹读头的分辨率越高，反应的速度越快，识别越准确，性能越稳定。根据指纹锁行业标准，指纹读头的分辨率为560dpi，低于这个分辨率的指纹读头，反应速度、识别准确性及稳定性得不到保证。

2）拒真率

拒真率（FRR，False Reject Rate），也称为“拒识率”，是指纹识别系统的一个关键性技术指标，表示来源相同的指纹被拒绝匹配的概率（换句话说，即应当匹配，但被系统拒绝，认为来源不同）。

3）误识率

误识率（FAR，False Accept Rate），也称为认假率，是指纹识别系统的另一个关键性技术指标，它表示不同来源的指纹被接受的概率（也就是说，不应当匹配，但被系统接受，认为来源相同）。

4）面积尺寸

有效获得指纹图像的矩形区域尺寸。较大的面积尺寸可以获得较大的指纹图像，提供较多的指纹脊线和谷线，使明确的识别分辨较为容易，目前的光学采集仪的尺寸为18*22mm，完全可以保证500dpi（实际是508dpi）。

5）灰度等级

图像中每个像素灰度值包含的位数，即A/D转换精度，FBI标准要求8位，但我们的产品是256级灰度，这样保证采集出的纹线可以清晰体现。

6）几何精度

采集设备的图像几何畸变，用相对百分比来表示，我们专业的称为几何精度或畸变。

在大多数光学采集仪系统中，都会有此问题，例如，采用棱镜的系统会有梯形畸变、矩形畸变等，但可通过光学系统补偿来校正，如果不补偿校正，会造成采集仪表面不同位置的指纹图像的不一致变形，从而影响指纹的识别；如果需要将图像上传到计算机系统，则会使图像失真，如果畸变的参数在生产造成时无法控制，则会使指纹锁在联网识别系统无法识别其他锁采集的图像，造成联网指纹识别系统无法实现。

7）图像质量

指对不同类型指纹的适应性，是一个不易量化的指标。实际应用中，脊线特别浅的指纹（如手工劳动者、老人）、太干或太湿的指纹、冲击线折皱特别多的指纹都会造成指纹图像质量较差，往往不同原理的指纹传感器的适应性不同。如对于非常干的手指，可能电容式或压感式传感器的采集效果较好，但是其采集窗的表面非常容易损坏。

（三）优点和缺点

1.优点

①指纹最大的优点是方便、快捷、唯一性、可靠性。

②指纹是人体独一无二的特征。误识率＜0.001%，识别率＞99.9%。

③指纹模板小、计算速度快，使用非常方便。模板大小＜1KB，可非常方便地存储在芯片内。从采集到认证的整个过程也可在is内完成。

④指纹采集设备体积小，成本低，非常便携。

⑤不同手指的指纹各不相同，可相互补充；

⑥在刑侦、安防等领域已有长久的使用历史。

2.缺点

①痕迹容易留存，可能被复制。

②对环境要求高，手指过干、过湿、过净、过脏、磨损就不能识别。

（四）应用

指纹识别技术是指纹锁和指纹门禁应用最广的生物识别技术。随着计算机技术的广泛应用和指纹识别技术的迅速成熟，物美价廉的指纹识别产品广泛应用于商业市场，同时也正在大面积地进入家庭。