指纹识别技术现状及发展趋势研究

李明进

摘   要：身份识别是近10年来信息技术普及和发展的热点研究问题，指纹识别因为拥有其独特的唯一性，作为热门的生物特征身份识别技术之一，可以和人脸识别相辅相成，完成对不同场合的应用。文章通过对指纹识别技术的兴起到成熟、以及近年的新技术的发展进行综述，介绍了不同时期的技术特点和实现方法，以及其技术的发展方向和优缺点。

关键词：身份识别;指纹识别技术;图像

指纹识别是利用指纹特征来完成身份识别的，虽然不同指纹间大的轮廓特征可能相同，但是每个指纹和其他指纹之间的细节却是不尽相同。严格地说，不同人指纹的细节不完全相同，这是指纹识别唯一性最重要的地方。这些不同的细节又称为细节特征。其体现在不同的指纹纹路上，中间可能是连续的、平滑笔直的，也可能会有断裂、分支或者不规则的折线。这些与众不同的纹路，定义上又称为断点、分叉点和转折点，都被称为“特征点”。

所有的特征点组合起来构成一个唯一的身份确认信息，其中有几个“特征点”是最重要的，其显示一个或几个纹路的终结，称为“终结点”，或者是几个纹路出现了分叉，称为“分叉点”。另外，指纹识别在區别较为相似的纹路时，还需要其他的“特征点”一起完成“识别”，其中分歧点、孤立点、环点、短纹等是和最重要的终结点和分叉点一起配合完成整个指纹识别工作的。在具体的“特征点”进行区别的时候，需要3个数学上的几何描述完成，即利用指纹纹路的走向和曲率（变化率）以及具体的位置参数共同定位确定。

1    指纹识别技术发展历史

使用指纹进行手机屏幕开锁是近年来最成功的应用之一，不但方便，而且快且安全，极大地方便了消费者。其实早在20世纪90年代，就有公司尝试把指纹识别放到手机上，西门子使用了Bromba的技术，1998年生产了世界上第一款搭有指纹识别的原型手机，其采取指纹的方式为手机滑动通过采样区，指纹采集把采到的指纹局部组合成一个完整的指纹，然后分析其特征点来完成比对，这种方法一直使用到近年前，很多手机厂家和PC电脑都使用过该方法。像苹果和三星等大公司早些年也都还是使用老式的刮擦式识别，使用时需要用户使用特定的手势操作，然后才能获得较为完整的指纹图像进行比对和确认并不灵活。指纹识别技术依旧像是止步不前，没有重大突破。直到最近几年，电容式、光学式和超声波式开始在指纹识别中广泛地应用起来[1-2]。

指纹识别主要分为3种：电容式、光学式和超声波式。

第一种是当前使用率最高的电容式指纹识别方案。将指纹识别sensor与人体的皮下电解液结合形成电场，指纹表面的凹凸不平会使两者间的电压差出现一定的幅度波动，凭借这种变化，指纹识别的准确性将有所提高。该种方案能力强、适应范围广，对于使用的环境没有特殊要求，除此之外，硅晶元以及相关的传感器件对空间的占用对于手机来说在可以接受的范围内。目前的电容式指纹识别技术也可分为按压式与划擦式两种，后者虽然占用空间小，但在便捷性以及识别准确率上有着极大的缺点，直接导致厂家将目光全部锁定在操作更加简便随意、识别准确率更高的按压式电容指纹识别技术。在目前全面屏手机概念下，电容式似乎显得格格不入，所以只能将指纹识别技术运用在手机的侧边、前置，还有后置等，当然还有罗永浩的坚果pro（把指纹识别加在手机的标志中），别出心裁[3]。

第二种是光学指纹识别方案。光学的指纹识别在普通人中较早应用，例如大多数的光学指压板、智能锁均使用光学方式。主要通过内置光源照射手指指纹，收集反射、折射光，再用该光穿过三棱镜，将射出的光线照射在需要采集的对象上，分析反射光的亮暗和折射的角度。将光线透过三棱镜投射在COMS或者CCD上，形成脊线（在一条有一定面积和方向的纹理）呈现黑色、谷线（纹理中的沟壑）呈现白色、可形成数字信息、可被计算机翻译的具有多个灰度值的图，然后在已有的数据库中对比观察是否相同。

第三种是超声波指纹识别方案。现在中国最具典型的案例就是“北图云脸”的超声波指纹识别技术。超声波的物理特性是其可以穿透一切物质，电容式指纹识别需要检测指纹表面，条件更多，存在不便，例如电容式指纹识别需要严格要求手指表面的清洁程度，而超声波指纹识别避免了该问题。是因为通过超声波的频率改变扫描手指纹路，超声波具有反射性，让其可以截取超声波发射的频率，用超声波的反射就可以建立3D指纹模型。超声波具有穿透金属等手机材质的特性，不会改变手机的外观形状，笔者认为未来指纹识别的主要发展方向之一肯定有超声波指纹识别技术的面孔。但是因为技术还不太完善，即使超声波有很强的穿透性，但其发生器小、幅度和屏幕盖板的本身品质、材料太宽，穿透能力就受到限制。

2    指纹识别的应用现状与发展

2014年4月发布的苹果iPhone 5S和三星Galaxy S5都配备了相同的指纹识别功能，三星的Galaxy S5在使用的时候需要特定手势滑动指纹才能被采集，否则就不会成功采集。所以即使技术还不太完善，但因为智能市场的缺口，很多手机厂商都在此中发现商机，开始研发新技术，如vivo、中兴、华为等[4]。

指纹识别的应用在当代最有前景的是将指纹识别技术同智能芯片相结合，可设计出各种产品，例如指纹识别手机。将用户的指纹先加密，再存储到智能芯片上，转载有指纹识别系统的智能芯片的读卡机，在使用读卡机时读入指纹。例如现在的ID card运用该技术，通过对智能芯片中存储的指纹与用户的指纹进行比较分析，完成身份鉴定。相较于更苛刻的环境，还可以和后端主机系统数据库（Redis，Memcache，MongoDb以及腾讯云、百度云）上的指纹进行分析对比。指纹IC卡可以被广泛地运用于许多行业中，例如ATM卡、制造防伪证件等。目前ATM提款机加装指纹识别功能在美国已经开始使用，持卡人可以取消密码（避免遗忘密码）或者仍旧保留密码，按指纹与输入密码方式所用的时间差不多。还有通过指纹验证取代各个计算机应用程序密码的例子，如果计算机上的所有系统和应用程序都可以使用指纹验证的话，人们使用计算机就会非常方便、快捷和安全，用户也不再进行过多安全性检查，而且IT开发商的售后服务工作也会被减轻。

虽然指纹对于人们来说只是身体的一小部分，但是对于识别技术来说，所需要的数据量却相当庞大，对这些数据进行对比也不只是单一相不相等的问题，而是一种匹配算法。另外，随着匹配算法实用性不断地提高，指纹识别技术在现阶段已经比较成熟。指纹识别技术作为目前成本不高、应用广泛的识别技术之一，其从2012年开始就有着良好的发展前景，预计在未来几年内指纹识别技术将会保持甚至超越原来的发展速度。随着现代电子集点成制造业的高速发展，使得将大量电子元器件集成在一处板上，再凭借较为完善的算法，可以在小型的电路板上做出成熟的指纹识别系统[4]。同时随着处理机运算速度的不斷增加，也使在微型计算机甚至ARM上进行两个指纹的比较运算得到实现。目前，指纹识别在多个领域都得到了实施。

3    结语

随着指纹领域人才数量和质量的增长、科技的进一步发展，大型化学分析仪器的使用、先进模式识别技术的应用，相信在不远的将来，我国指纹识别技术必定有更进一步的发展。

[参考文献]

[1]袁颖，唐云祁，郭威.一种标定指纹无特征区的新方法[J].中国人民公安大学学报（自然科学版），2014（1）：23-27.

[2]牛鹏怀.纳米复合材料在潜指纹显现中的应用研究[D].呼和浩特：内蒙古大学，2015.

[3]张婷，杨瑞琴.指纹中化学成分免疫分析技术热点研究[J].刑事技术，2015（1）：24-27.

[4]马荣梁.指纹显现技术的现状与发展趋势[J].刑事技术，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