基本介紹
- 中文名：指紋檢測
- 外文名：Fingerprint detection
- 主要套用：計算機中的套用
- 原理：比較不同指紋的細節特徵點
- 指紋檢測系統：指紋圖像獲取處理特徵提取和比
- 指紋分類：中心花紋和三角的基本形態劃分
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技術原理
指紋檢測即指通過比較不同指紋的細節特徵點來進行鑑別。
指紋檢測技術涉及圖像處理、模式識別、計算機視覺、數學形態學、小波分析等眾多學科。由於每個人的指紋不同，就是同一人的十指之間，指紋也有明顯區別，因此指紋可用於身份鑑定。由於每次捺印的方位不完全一樣，著力點不同會帶來不同程度的變形，又存在大量模糊指紋，如何正確提取特徵和實現正確匹配，是指紋識別技術的關鍵。
指紋特徵
特徵點
指紋，英文名稱為fingerprint，兩枚指紋經常會具有相同的總體特徵，但它們的細節特徵，卻不可能完全相同。指紋紋路並不是連續的、平滑筆直的，而是經常出現中斷、分叉或轉折。這些斷點、分叉點和轉折點就稱為"特徵點"。
特徵點提供了指紋唯一性的確認信息，其中最典型的是終結點和分叉點，其他還包括分歧點、孤立點、環點、短紋等。特徵點的參數包括方向（節點可以朝著一定的方向）、曲率（描述紋路方向改變的速度）、位置（節點的位置通過x/y坐標來描述，可以是絕對的，也可以是相對於三角點或特徵點的）。
總體特徵
總體特徵是指那些用人眼直接就可以觀察到的特徵。包括紋形、模式區、核心點、三角點和紋數等。
紋形，指紋專家在長期實踐的基礎上，根據脊線的走向與分布情況一般將指紋分為三大類——環型（loop，又稱斗形）、弓形（arch）、螺旋形（whorl）。
三角點位於從核心點開始的第一個分叉點或者斷點，或者兩條紋路會聚處、孤立點、折轉處，或者指向這些奇異點。三角點提供了指紋紋路的計數跟蹤的開始之處。
局部特徵
局部特徵指紋節點的特徵。指紋的紋路並不是連續、平滑筆直的，經常會出現分叉、折轉或中斷。這些交叉點、折轉點或斷點稱為"特徵點"，它們提供了指紋唯一性的確認信息。特徵點的主要參數包括：
- 方向：相對於核心點，特徵點所處的方向。
- 曲率：紋路方向改變的速度。
- 位置：節點的位置坐標，通過x/y坐標來描述。它可以是絕對坐標，也可以是與三角點（或特徵點）的相對坐標。
研發歷史
1684年，英國植物形態學家Grew發表了第一篇研究指紋的科學論文。
1809年Bewick把自己的指紋作為商標。
1823年解剖學家Purkije將指紋分為九類。
1880年，Faulds在《自然》雜誌提倡將指紋用於識別罪犯。
1891年Galton提出著名的高爾頓分類系統。之後，英國、美國、德國等的警察部門先後採用指紋鑑別法作為身份鑑定的主要方法。隨著計算機和信息技術的發展，FBI和法國巴黎警察局於六十年代開始研究開發指紋自動識別系統（AFIS）用於刑事案件偵破。指紋自動識別系統。
20世紀90年代，用於個人身份鑑定的自動指紋識別系統得到開發和套用。
技術特點
指紋檢測技術的主要優點為：
1、指紋是人體獨一無二的特徵，並且它們的複雜度足以提供用於鑑別的足夠特徵；
2、如果要增加可靠性，只需登記更多的指紋、鑑別更多的手指，最多可以多達十個，而每一個指紋都是獨一無二的；
3、掃描指紋的速度很快，使用非常方便；
4、讀取指紋時，用戶必需將手指與指紋採集頭相互接觸，與指紋採集頭直接；
5、接觸是讀取人體生物特徵最可靠的方法；
6、指紋採集頭可以更加小型化，並且價格會更加的低廉；
指紋識別技術的主要缺點為：
1、某些人或某些群體的指紋指紋特徵少，難成像；
2、過去因為在犯罪記錄中使用指紋，使得某些人害怕“將指紋記錄在案”。
3、實際上指紋鑑別技術可以不存儲任何含有指紋圖像的數據，而只是存儲從指紋中得到的加密的指紋特徵數據；
4、每一次使用指紋時都會在指紋採集頭上留下用戶的指紋印痕，而這些指紋痕跡存在被用來複製指紋的可能性。
5、指紋是用戶的重要個人信息，某些套用場合用戶擔心信息泄漏。
操作說明
指紋圖像獲取
通過專門的指紋採集儀可以採集指紋圖像。指紋採集儀用到的指紋感測器按採集方式主要分為劃擦式和按壓式兩種，按信號採集原理目前有光學式、壓敏式、電容式、電感式、熱敏式和超音波式等。另外，也可以通過掃瞄器、數字相機等獲取指紋圖像。對於解析度和採集面積等技術指標，公安行業已經形成了國際和國內標準，但其他行業還缺少統一標準。根據採集指紋面積大體可以分為滾動捺印指紋和平面捺印指紋，公安行業普遍採用滾動捺印指紋。
(2)指紋圖像處理：包括指紋區域檢測、圖像質量判斷、方向圖和頻率估計、圖像增強、指紋圖像二值化和細化等。預處理是指對含噪聲及偽特徵的指紋圖像採用一定的算法加以處理，使其紋線結構清晰，特徵信息突出。其目的是改善指紋圖像的質量，提高特徵提取的準確性。通常，預處理過程包括歸一化、圖像分割、增強、二值化和細化，但根據具體情況，預處理的步驟也不盡相同。
指紋分類
紋型是指紋的基本分類，是按中心花紋和三角的基本形態劃分的。紋形從屬於型，以中心線的形狀定名。我國十指紋分析法將指紋分為三大類型，九種形態。一般，指紋自動識別系統將指紋分為弓形紋（弧形紋、帳形紋）、箕形紋（左箕、右箕）、斗形紋和雜形紋等。
指紋特徵提取
指紋形態特徵包括中心（上、下）和三角點（左、右）等，指紋的細節特徵點主要包括紋線的起點、終點、結合點和分叉點。從預處理後的圖像中提取指紋的特徵點信息（終結點、分叉點...)，信息主要包括類型、坐標、方向等參數。指紋中的細節特徵，通常包括端點、分叉點、孤立點、短分叉、環等。而紋線端點和分叉點在指紋中出現的機會最多、最穩定，且容易獲取。這兩類特徵點就可對指紋特徵匹配：計算特徵提取結果與已存儲的特徵模板的相似程度。
指紋匹配
指紋匹配是用現場採集的指紋特徵與指紋庫中保存的指紋特徵相比較，判斷是否屬於同一指紋。可以根據指紋的紋形進行粗匹配，進而利用指紋形態和細節特徵進行精確匹配，給出兩枚指紋的相似性得分。根據套用的不同，對指紋的相似性得分進行排序或給出是否為同一指紋的判決結果
指紋對比有兩種方式：1)一對一比對：根據用戶ID從指紋庫中檢索出待對比的用戶指紋，再與新採集的指紋比對；2)一對多比對：新採集的指紋和指紋庫中的所有指紋逐一比對。
操作過程
一個典型的指紋識別系統的工作流程如下。
指紋識別過程
1． 通過指紋採集設備獲取所需識別指紋的圖像。
2． 對採集的指紋圖像進行如下預處理。
- l 圖像質量判斷
- l 圖像增強
- l 指紋區域檢測
- l 指紋方向圖和頻率估算
- l 圖像二值化（將指紋圖像中各像素點的灰度值設定為0或255）
- l 圖像細化
3． 從預處理後的圖像中，獲取指紋的脊線數據。
4． 從指紋的脊線數據中，提取指紋識別所需的特徵點。
5． 將提取指紋特徵（特徵點的信息）與資料庫中保存的指紋特徵逐一匹配，判斷是否為相同指紋。
6． 完成指紋匹配處理後，輸出指紋識別的處理結果。
套用領域
運算系統
指紋識別技術是目前最成熟且價格便宜的生物特徵識別技術。目前來說指紋識別的技術套用最為廣泛，我們不僅在門禁、考勤系統中可以看到指紋識別技術的身影，市場上有了更多指紋識別的套用：如筆記本電腦、手機、汽車、銀行支付都可套用指紋識別的技術。
計算機套用中，包括許多非常機密的檔案保護，大都使用“用戶ID+密碼”的方法來進行用戶的身份認證和訪問控制。但是，如果一旦密碼忘記，或被別人竊取，計算機系統以及檔案的安全問題就受到了威脅。
隨著科技的進步，指紋識別技術已經開始慢慢進入計算機世界中。許多公司和研究機構都在指紋識別技術領域取得了很大突破性進展，推出許多指紋識別與傳統IT技術完美結合的套用產品，這些產品已經被越來越多的用戶所認可。指紋識別技術多用於對安全性要求比較高的商務領域，而在商務移動辦公領域頗具建樹的富士通、三星及IBM等國際知名品牌都擁有技術與套用較為成熟的指紋識別系統。
第一代指紋識別系統
眾所周知，在兩年前就有部分品牌的筆記本採用指紋識別技術用於用戶登錄時的身份鑑定，但是，當時推出的指紋系統屬於光學識別系統，按照說法，應該屬於第一代指紋識別技術。光學指紋識別系統由於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，手指表面的乾淨程度，直接影響到識別的效果。如果，用戶手指上粘了較多的灰塵，可能就會出現識別出錯的情況。並且，如果人們按照手指，做一個指紋手模，也可能通過識別系統，對於用戶而言，使用起來不是很安全和穩定。
第二代電容式感測器
當今市場己有專門針對人機接口套用領域而設計的電容感測用途晶片產品問世。它提供了電容感測器的觸發，能檢測到因使用者的接近所造成的電容變化，並提供數字輸出。電子器件與觸控板技術的完美結合，是觸控螢幕技術發展的基礎所在。通過以電力線為基礎的分析方法，找出電容式觸控螢幕的不同類型電容的分布和數學表達，以及由於人體觸摸產生的新生電容，是電容式觸控螢幕技術的物理基礎。
相比其他壓力感測器廠商傳統的壓阻式（PRT）絕對壓力感測器，電容式壓力感測器可以提供更高的精度、更低的功耗、更好的穩定性和一致性、以及工作在極端溫度、濕度環境下的超強能力。Synaptics的電容式觸摸板感測器解決方案，可以提供精確的手指偵測和小型物品偵測，更快的報點率和抗噪性能。隨著感測器技術的發展,電容式感測器的形式將會多種多樣,其形式應以非接觸式為研製重點。其發展方向是通過廣泛套用微機等高新電子技術來獲得全面性能的進一步提高,同時還要向著小型化、智慧型化、多功能化的方向發展。射頻指紋識別技術發展到今天的射頻指紋識別技術感測器，出現第三代生物射頻指紋識別技術（射頻原理真皮指紋核心技術（線型採集器）），射頻感測器技術是通過感測器本身發射出微量射頻信號，穿透手指的表皮層去控測裡層的紋路，來獲得最佳的指紋圖像。因此對乾手指，汗手指，髒手指等困難手指通過可高達99%，防偽指紋能力強，指紋敏感器的識別原理只對人的真皮皮膚有反應，從根本上杜絕了人造指紋的問題，寬溫區：適合特別寒冷或特別酷熱的地區。因為射頻感測器產生高質量的圖像，因此射頻技術是最可靠，最有力的解決方案。除此之外，高質量圖像還允許減小感測器，無需犧牲認證的可靠性，從而降低成本並使得射頻感測器思想的套用到可移動和大小不受拘束的任何領域中。
採集設備
市場上常用的指紋採集設備有三種：光學式、矽晶片式、超音波式。這三種形式的採集技術性能對比見表：
門禁系統
指紋套用系統可以分為兩類：驗證和辨識。驗證就是把一個現場採集到的指紋與一個己經登記的指紋進行一對一的比對，來確認身份的過程；辨識則是把現場採集到的指紋同指紋資料庫中的指紋逐一對比，從中找出與現場指紋相匹配的指紋。
驗證和辨識在比對算法和系統設計上各有特點，例如驗證系統一般只考慮對完整的指紋進行比對，而辨識系統要考慮殘紋的比對；驗證系統對比對算法的速度要求不如辨識系統高，但更強調易用性；另外在辨識系統中，一般要使用分類技術來加快查詢的速。指紋門禁系統是指紋套用系統中驗證的一種。
指紋門禁系統以手指取代傳統的鑰匙，使用時只需將手指平放在指紋採集儀的採集視窗上，即可完成開鎖任務，操作十分簡便，避免了其它門禁系統（傳統機械鎖、密碼鎖、識別卡等）有可能被偽造、盜用、遺忘、破譯等弊端。
指紋門禁系統的硬體主要由微處理器、指紋識別模組、液晶顯示模組、鍵盤、實時時鐘/日曆晶片、電控鎖和電源等組成。微處理器作為系統的上位機，控制整個系統。指紋識別模組主要完成指紋特徵的採集、比對、存儲、刪除等功能。液晶顯示模組用於顯示開門記錄、實時時鐘和操作提示等信息，和鍵盤一起組成人機界面。
按系統功能，軟體主要由指紋處理模組、液晶顯示模組、實時時鐘模組和鍵盤掃描模組等組成。指紋處理模組主要負責微處理器與指紋識別模組之間命令和返回代碼的信息處理；液晶顯示模組根據液晶顯示模組的時序，編寫驅動程式，以實現顯示漢字、字元的目的；實時時鐘模組根據時鐘晶片的時序，編寫通訊程式．實現對時鐘晶片的讀寫操作；鍵盤掃描模組就是根據鍵盤的設計原理編寫鍵盤程式來識別有無按鍵動作和按下鍵的鍵號。
按操作流程，軟體主要由指紋開門程式、指紋管理程式、密碼管理程式和系統設定程式四部分組成。其中指紋管理、密碼管理和系統設定三部分只有管理員才有此許可權。指紋管理程式由登記指紋模板程式、刪除指紋模板程式、清空指紋模板程式和瀏覽開門記錄程式四部分組成；密碼管理程式由密碼修改程式和密碼開門程式兩部分組成；系統設定程式由時間設定程式和日期設定程式兩部分組成。
技術漏洞
2014年4月22日，有研究者認為，在刑事調查與鑑定中，用指紋鑑別疑犯的方法存有一定漏洞。
來自英國內政部的法醫專家西爾弗曼(Mike Silverman )認為，指紋證據並沒有人們一直以來認為的那么可靠，“每個人的指紋都獨一無二的”這種假說本身就無法通過科學手段去一一加以驗證。一家人中會有指紋極其相似的情況，況且指紋形狀並非一成不變，人隨著年齡增長、皮膚狀況發生改變也會影響到指紋的形狀。
此外，有很多外在因素會影響到人們的判斷。由於警方在犯罪現場找到的指紋往往弄髒了或不完整，人在辨識指紋時難免出現錯誤。因此，用指紋來確定罪犯的方式存在瑕疵，容易造成冤案。
早在2004年，美國FBI指紋專家因指紋誤判，認為一位男子與馬德里爆炸案有關；2007年蘇格蘭一名女子也因此被懷疑與一樁兇殺案有關，受到錯誤的指控。
