1、指紋識(shí)別指紋識(shí)別技術(shù)技術(shù)2通訊研發(fā)技委會(huì)通訊研發(fā)技委會(huì)HW-Comm職系技術(shù)交流論壇職系技術(shù)交流論壇主主 題題: :指紋識(shí)別指紋識(shí)別技術(shù)技術(shù)簡報(bào)者簡報(bào)者: FIH LX-NJ / : FIH LX-NJ / 張超張超日日 期期: Nov- 17- 2015: Nov- 17- 20153報(bào) 告 綱 要l 指紋識(shí)別基本原理l 指紋識(shí)別設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)l 市場分析和產(chǎn)品比較指紋識(shí)別基本原指紋識(shí)別基本原理理應(yīng)用背景u 當(dāng)今社會(huì)，電子設(shè)備和保密機(jī)構(gòu)對(duì)更安全、更方便的身份認(rèn)證和訪問控制的需求變得越來越緊迫。u 傳統(tǒng)的機(jī)械鑰匙、“口令密碼”以及智能卡等的保護(hù)措施存在著丟失、遺忘、復(fù)制及被盜用的隱患u 以電子商務(wù)、

2、電子銀行的安全認(rèn)證為例，他人假冒當(dāng)事人上網(wǎng)采購所造成的欺詐案越來越多，并有孩子冒充家長上網(wǎng)采購的案例。有學(xué)者推論： 以全球60億人口計(jì)算，300年內(nèi)都不會(huì)有兩個(gè)相同的指紋出現(xiàn)。指紋被稱為“物證之首”，安全可靠。指紋識(shí)別基本原指紋識(shí)別基本原理理指紋學(xué)術(shù)語指紋：手指第一節(jié)(手指尖一節(jié))指頭表面乳突紋線。指印：手指第一節(jié)乳突線與承受客體接觸時(shí)留下的印痕。脊線：是手指上的特殊的皮膚花紋的隆線。谷線：兩個(gè)脊線之間低陷的部分。細(xì)節(jié)特征：指紋中出現(xiàn)的各種特征。而根據(jù)其出現(xiàn)的概率及在處理過程中的穩(wěn)定性，我們最常采用的就是脊線端點(diǎn)和分叉點(diǎn)。脊線分叉點(diǎn)脊線端點(diǎn)指紋識(shí)別基本原指紋識(shí)別基本原理理指紋分類 指紋的分類方

3、法其中最典型的是利用指紋奇異點(diǎn)(核心點(diǎn)和三角點(diǎn))進(jìn)行分類，根據(jù)指紋奇異點(diǎn)的個(gè)數(shù)、類型和相對(duì)位置來確定指紋的基本類型。指紋分為六種主要的類型：拱形(arch)、帳型(tended arch)、左箕型(1eft loop)、右箕型(right loop)、雙箕型(double whorl)和斗型(whorl)，如下圖。指紋識(shí)別基本原指紋識(shí)別基本原理理全局特徵1.模式區(qū)是指指紋上包括了總體特征的區(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。有的指紋識(shí)別算法只使用模式區(qū)的數(shù)據(jù)。2.核心點(diǎn)位于指紋紋路的漸進(jìn)中心，它在讀取指紋和比對(duì)指紋時(shí)作為參考點(diǎn)。許多算法是基于核心點(diǎn)的，既只能處理和識(shí)別具有核心點(diǎn)

4、的指紋。3.三角點(diǎn)位于從核心點(diǎn)開始的第一個(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)跟蹤的開始之處。4.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)，一般先在連接核心點(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)。指紋識(shí)別基本原指紋識(shí)別基本原理理局部特徵 局部特征是指指紋上的節(jié)點(diǎn)的特征，這些具有某種特征的節(jié)點(diǎn)稱為特征點(diǎn)。指紋紋路并不是連續(xù)的、平滑筆直的，而是經(jīng)常出現(xiàn)中斷、分叉或打折。這些斷點(diǎn)、分叉點(diǎn)和轉(zhuǎn)折點(diǎn)就稱為“特征點(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（特征點(diǎn)），卻不可能完全相同。就是這些特征點(diǎn)提供了

5、指紋唯一性的確認(rèn)信息。終結(jié)點(diǎn)（Ending）：一條紋路在此終結(jié)。分叉點(diǎn)（Bifurcation）：一條紋路在此分開成兩條或更多的紋路。分歧點(diǎn)（Ridge Divergence）：兩條平行的紋路在此分開。孤立點(diǎn)（Dot or Island）：一條特別短的紋路，以至于成為一點(diǎn)。環(huán)點(diǎn)（Enclosure）：一條紋路分開成為兩條之后，立即有合并成為一條，這樣形成的一個(gè)小環(huán)稱為環(huán)點(diǎn)。短紋（Short Ridge）：一端較短但不至于成為一點(diǎn)的紋路。指紋識(shí)別基本原指紋識(shí)別基本原理理指紋性質(zhì)1)確定性：指紋紋線的輪廓(紋型)和細(xì)節(jié)特征是基本不變的。2)唯一性：由于指紋脊線的連接關(guān)系千變?nèi)f化，因此，即使兩個(gè)不同

6、的指紋有著相同的輪廓和相同數(shù)量的細(xì)節(jié)特征，它們的細(xì)節(jié)位置也是不可能完全相同的。3)可分類性：指紋的紋型，中心點(diǎn)和三角點(diǎn)之間的脊線數(shù)，以及細(xì)節(jié)特征間的關(guān)系，都可作為分類的依據(jù)。指紋識(shí)別技術(shù)基本原理指紋識(shí)別技術(shù)光學(xué)識(shí)別l 光學(xué)識(shí)別是較早的指紋識(shí)別技術(shù)；l 而且受手指表面是否乾淨(jìng)影響較大。l 只能到達(dá)皮膚的表皮層，而不能到達(dá)真皮層；l 基於光學(xué)發(fā)射裝置發(fā)射的光線反射後獲取資料；指紋識(shí)別技術(shù)電容感測器識(shí)別 利用指紋的脊和谷相對(duì)半導(dǎo)體的距離不同而造成電容值的不同，指紋的脊和谷相對(duì)半導(dǎo)體的距離不同而造成電容值的不同，將其轉(zhuǎn)化為電壓記錄下來就可以得到指紋的灰度圖像。將其轉(zhuǎn)化為電壓記錄下來就可以得到指紋的灰度

7、圖像。 電容感測器對(duì)手指的乾淨(jìng)度要求較高; 感測器表面使用矽材料，容易損壞。 現(xiàn)在應(yīng)用最普遍的技術(shù)。指紋識(shí)別技術(shù)超聲波掃描識(shí)別l 通過感測器發(fā)射微量的射頻信號(hào)l 利用皮膚與空氣對(duì)於聲波阻抗的差異，可以區(qū)分指紋脊與谷l 穿透手指的表皮層獲取裡層的紋路以獲取資訊;l 這種方法對(duì)手指的乾淨(jìng)程度要求較低。指紋識(shí)別技術(shù)採集技術(shù)比較由于硅晶體電容傳感器的成本最低，體積又小，因此得到了最為廣泛的應(yīng)用。由于硅晶體電容傳感器的成本最低，體積又小，因此得到了最為廣泛的應(yīng)用。指紋識(shí)別技術(shù)滑動(dòng)式 將手指從感測器上劃過，獲得整個(gè)手指的指紋 優(yōu)點(diǎn)是：成本低、易集成，可採集大面積圖像，應(yīng)用傳統(tǒng)的特徵點(diǎn)算法 缺點(diǎn)是：需要客戶

8、有一個(gè)連貫規(guī)範(fàn)動(dòng)作採集圖像，體驗(yàn)效果比較差；按壓式 手指平放在設(shè)備上以便獲取指紋圖像。 優(yōu)點(diǎn)是：按壓式的優(yōu)點(diǎn)是客戶體驗(yàn)好 缺點(diǎn)是：成本高，集成難度大，一次採集圖像面積相對(duì)較小，沒有足夠的特徵點(diǎn)，需要用複雜的圖像比對(duì)演算法進(jìn)行識(shí)別。採集方式比較指紋識(shí)別基本原指紋識(shí)別基本原理理圖像預(yù)處理1.在指紋識(shí)別系統(tǒng)中，指紋圖像的預(yù)處理是正確地進(jìn)行特征提取、匹配等操作的基礎(chǔ)。2.預(yù)處理的目的就是利用信號(hào)處理的技術(shù)去除圖像中的各種噪聲干擾，把它轉(zhuǎn)化成一幅清晰的指紋圖像或二值的指紋圖像，恢復(fù)指紋的脊線結(jié)構(gòu)，以便可靠的提取正確的指紋特征。3.預(yù)處理是自動(dòng)指紋識(shí)別系統(tǒng)中的第一步，它的好壞直接影響著指紋識(shí)別的效果。 為

9、了便于進(jìn)行特征提取，基于細(xì)節(jié)特征點(diǎn)進(jìn)行指紋匹配的預(yù)處理比較典型的過程是增強(qiáng)濾波、二值化和細(xì)化。指紋識(shí)別基本原指紋識(shí)別基本原理理圖像預(yù)處理1.圖像增強(qiáng)濾波：指紋圖像獲取時(shí)，由于噪音及壓力不同等的影響，將會(huì)導(dǎo)致兩種破壞紋線的情況：斷裂及叉連。 如斷裂可能被認(rèn)為是兩個(gè)端點(diǎn)，而叉連可能被當(dāng)作兩個(gè)分叉點(diǎn)。為了消除干擾及增強(qiáng)紋線，針對(duì)指紋紋線具有較強(qiáng)方向性的特點(diǎn)，我們采用了方向?yàn)V波算法對(duì)其進(jìn)行增強(qiáng)，以消除噪音、增強(qiáng)紋線、提高脊和谷之間的反差。2. 指紋圖像二值化：二值化是指將原灰度圖變換為只有黑和白兩種灰階的圖像，并對(duì)其進(jìn)行消除噪音的后處理。這樣可大大壓縮原指紋圖像的數(shù)據(jù)量。因?yàn)橹讣y圖像特點(diǎn)是脊、谷相間，

10、所以將其化為二值圖后也有利于后續(xù)的特征提取。3.細(xì)化：是將二值圖的脊線寬度降為單個(gè)象素寬度的細(xì)化指紋圖。，且細(xì)化后的紋線近似處于原圖的“中軸”。在指紋的自動(dòng)識(shí)別過程中，需要把二值指紋圖進(jìn)行細(xì)化，可以大大減少冗余的信息，突出指紋紋線的主要特征，從而便于后面的特征提取。指紋識(shí)別基本原指紋識(shí)別基本原理理特徵提取和匹配1.指紋的特徵提取： 指紋圖像經(jīng)過預(yù)處理之后，得到了清晰的細(xì)化二值圖，我們就可以在此基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行特征提取了。用位置、類型和方向這幾個(gè)參數(shù)描述細(xì)節(jié)特征，才能進(jìn)行后續(xù)的存儲(chǔ)或者與已有的細(xì)節(jié)特征進(jìn)行匹配。2. 指紋特徵點(diǎn)的匹配： 指紋匹配問題轉(zhuǎn)化為點(diǎn)匹配問題，同一個(gè)手指的兩幅樣本圖像，由于按

11、壓時(shí)手指位置、方向和力度的不同，可能造成指紋圖像的平移、旋轉(zhuǎn)和非線性形變，因此基于校準(zhǔn)的匹配算法理論簡單而又有效。設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)硬體、結(jié)構(gòu)、軟體、安全、應(yīng)用指紋識(shí)別的關(guān)鍵指標(biāo)關(guān)鍵指標(biāo)識(shí)別速度成像質(zhì)量寬容度應(yīng)用度電氣特性安全性使用壽命l 識(shí)別速度：指傳感器識(shí)別從接觸到識(shí)別出結(jié)果的時(shí)間；iphone的檢測時(shí)間為323毫秒到365毫秒之間l 電氣特性：指抗靜電性能，一般要求大於15kv，否則易被擊穿；l 解析度:一般至少要求256dpi，否則對(duì)細(xì)指紋不易分辯;l 寬容度：對(duì)幹濕手指的適應(yīng)性,以及對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力，溫度、濕度等。l 使用壽命: 感測器的使用壽命的要求一般要達(dá)到可使用100萬次。l 應(yīng)用度：軟

12、體支援的應(yīng)用種類多少iPhone的指紋可以鎖手機(jī)、鎖應(yīng)用、登錄雲(yún)，Apple Pay/支付寶等應(yīng)用l 安全度：ARM TrustZone技術(shù)是在CPU裡增添一個(gè)安全區(qū)域隔離數(shù)據(jù)和應(yīng)用，確保安全V.S.用戶體驗(yàn)差成本低、易集成、可采集大面積圖像用戶體驗(yàn)好、易用成本較高、難集成，采集圖像面積小滑動(dòng)式和按壓式的區(qū)別用戶體驗(yàn)差設(shè)計(jì)難度低用戶體驗(yàn)好設(shè)計(jì)難度高背面和正面的區(qū)別V.S.指紋識(shí)別應(yīng)用指紋識(shí)別解鎖支付啟動(dòng)應(yīng)用登陸l 不保存用戶指紋數(shù)據(jù)l 只記錄特征碼模板l 特征碼在傳輸存儲(chǔ)的時(shí)候采用加密算法l 指紋模板數(shù)據(jù)只能寫入和刪除，不能讀取和修改l 采用ARM TrustZone安全技術(shù)，從硬件上隔離So

13、c和軟件指紋識(shí)別安全機(jī)制市場分析產(chǎn)品應(yīng)用，優(yōu) 缺 點(diǎn)比較 20152017年全球智慧終端機(jī)指紋識(shí)別晶片市場規(guī)模及增長（按銷售量） 20132014年全球智慧終端機(jī)指紋識(shí)別晶片市場規(guī)模及增長（按銷售量）指紋識(shí)別傳感器行業(yè)規(guī)模指紋識(shí)別解決方案l 被蘋果公司收購，專供蘋果產(chǎn)品l 感測器採用電容和無線射頻的半導(dǎo)體材料；l 指紋感測器被放置在Home鍵中，Home鍵感測器表面是藍(lán)寶石水晶覆蓋，能夠?qū)崿F(xiàn)精確聚焦手指，保護(hù)感測器的作用；l 感測器按鈕周圍是一圈不銹鋼環(huán)，用於監(jiān)測手指，啟動(dòng)感測器和改善信噪比。AuthenTeciPhone系列l(wèi) 識(shí)別方案採用電容感測器的滑動(dòng)式l 三星S5指紋感測器被放置在Home鍵下；l HTC One Max採用背面置於後蓋的方案新思Synaptics ValidityGalaxy S5 S5 & HTC Onel MX4 Pro採用的是匯頂科技GT6618/