作者:武亭，徐德帅
指纹识别作为众多生物识别技术中的一种，主要是利用人手指皮肤纹路的差异，即脊线和谷线。由于每个人的指纹纹线在图案、断点、交叉点上都不一样，而且终身不变，因此指纹识别成为众多生物识别技术中应用最广泛、最成熟的技术。
指纹识别的工作原理主要包括三个功能:指纹图像读取、特征提取和指纹比对。该技术广泛应用于可穿戴设备、智能***、平板电脑等设备。常见的指纹识别技术有光学、电容和超声波。它们的工作原理大致遵循这个处理顺序。首先，将手指放在相应的传感器上。传感器检测到某个物理量，然后转换成电量，形成指纹图像，提取相应的特征。最后，通过比对指纹图像完成指纹识别。
目前，指纹识别已经广泛应用于刑侦、反恐、国家安全、禁毒、公安等领域。在日常生活中，***、电脑、ATM、门禁、打卡系统等都被广泛使用。下面详细介绍一下三种指纹识别技术的原理和优缺点。
光学指纹识别
光学指纹识别是一种历史悠久的指纹识别技术。首先将手指放在光学镜头上，内部光源照射在手指表面，用棱镜投射到电荷耦合器件(CCD)上。光电探测器接收从手指反射回来的光，由于手指的纹路不同，反射光的能量和角度也不同，会形成黑脊白谷的多灰度指纹图像。其原理图如下图所示:
经过长时间的应用测试，光学指纹识别可以达到高分辨率，光学传感器价格低廉。但是光学指纹传感器对光源的要求很高，足够长的光路意味着足够大的尺寸，手指过度干燥油腻也会影响指纹识别的性能。
遗留指纹对光学指纹识别也有很大影响，会降低指纹图像的质量。在严重的情况下，两幅指纹图像的重叠会降低指纹图像的质量。而且由于光线无法穿过死皮，光学指纹识别只能扫描手指表面的纹路信息，无法完成活体识别，安全性较差。光学传感器中的棱镜往往体积庞大，严重限制了光学指纹识别的应用范围。
电容式指纹识别
硅传感器用作电容器的一个极板，手指表面用作另一个极板。首先将每个像素点处的电容粒子预先充电到一定电压，然后利用手指表面的脊线和谷线相对于平面硅传感器的电容差来获取指纹图像。
在这个过程中，当手指接触硅传感器时。因为脊线是凸的，谷线是凹的，根据电容值和距离的关系，在脊线和谷线处会形成不同的电容值，然后利用放电电流。因为脊线和谷线处的电容值不同，放电速度也不同。根据放电量的不同，可以确定手指表面的脊线和谷线，从而推断出手指表面的纹路信息，形成指纹图像。之后，微处理器提取指纹图像的关键特征，并与数据库中的指纹图像进行比对，完成指纹识别。其原理图如下图所示:
使用电容式指纹识别的优点是图像质量高，失真小，电信号会穿过手指表面的死皮，所以可以用于活体识别，大大提高了指纹识别的安全性。电容式指纹识别具有体积小、成本低、功耗低、成像精度高的优点。
然而，电容式指纹识别也有其固有的缺点。高精度的指纹图像需要高密度的电容颗粒，这会大大增加成本。而且电容式指纹识别依赖于手指的脊线和谷线，如果手指表面沾有污垢或汗水，会改变手指表面的纹路信息，导致识别不准确。而且电容式指纹识别的穿透能力有限，也限制了电容式指纹识别的应用范围。
超声波指纹识别
超声波指纹识别是一项新技术，主要利用超声波穿透材料的特性。超声波传感器主要由超声波发射层、超声波检测层和TFT电路组成。发射层发出特定频率的超声波来扫描手指。利用指纹线的不同和界面介质的声阻抗不同，超声波在界面处的回波能量不同，超声检测层接收到的回波也不同。因此，超声波传感器检测回波能量的差异产生的电信号，从而判断手指纹的脊线和谷线信息，完成指纹识别。其原理图如下图所示:
由于超声波指纹识别可以穿透材料，因此超声波指纹识别可以进行3D检测，大大提高了超声波指纹识别的安全系数。而且超声波频率对人体无害，对人手指的清洁度要求不高，所以识别准确率高。是一种极具发展前景的指纹识别方法。
然而，超声波指纹识别并非没有缺点。超声波指纹识别的成本较高，而且没有光学和电容响应那么快，与某些材料的保护膜兼容性不好，会限制超声波指纹识别的准确性。
光学指纹识别、电容式指纹识别、超声波指纹识别各有优缺点。电容式指纹识别是目前应用最广泛的，但超声波指纹识别的安全系数最高。光学指纹识别虽然成本最低，但是安全系数和识别性能都很差。在目前这些指纹识别方法中，超声波指纹识别仍然具有广阔的发展前景。
参考资料:
[1]李晓军。指纹识别技术的前世[J].中国器官物流，2021(04):***-66。
[2]任逸。指纹识别系统的研究与实现[D]。南京邮电大学，2019。
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