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指纹扫描仪工作原理

引言

带有内置指纹扫描仪的

几十年来，计算机指纹扫描仪一直为侦探迷和科幻迷们津津乐道。然而，在过去的几年中，扫描仪已经开始在各处出现——警察局、戒备森严的建筑物甚至PC键盘。现在，您花费不到100美元就可以获得一个个人USB指纹扫描仪。这样，您的计算机就可以得到高科技生物安全技术的保护，也就是说，计算机不论用不用密码，都需要本人独一无二的指印才能进行访问。

这项技术在法律执行和身份安全领域中已取得了令人激动的发展，本文将探究这种发展背后的秘密，并且还将比较指纹扫描仪安全系统与传统的密码和身份证系统，指出它们的不足。

指纹基础知识

指纹是自然界的奇迹之一。人类因此恰好有了内置的、容易获取的身份证。每个人的指尖都有一个仅代表他本人的独特设计。这些是如何发生的？

人类手指的皮肤上有细小的嵴纹，这些嵴纹和波谷图案便于人用手抓取东西，正如橡胶轮胎胎面花纹有助于轮胎抓住地面。可见，这种特殊的适应对人类祖先极其有利。

指纹的另一个功能则纯属巧合。同人类身体的其他部位一样，嵴纹是基因和环境因素共同作用的结果。DNA中的基因码给出了胎儿成长时皮肤应如何形成的总体命令，环境因素中的随机事件则影响皮肤的具体形成方式。例如子宫中胎儿在某个时刻的具体位置以及周围羊水的成分和密度便能决定每个嵴纹的形成方式。

因此，除了最开始决定基因结构的无数事件之外，还有数不清的环境因素影响着指纹的形成。这些因素正如形成云或海岸线的气候条件，整个发展过程都很乱很随机。实际上，在整个人类历史的进程中，任何两个人都不会有完全相同的指纹。

指纹是人类个体独一无二的标志，长相相同的双胞胎也不例外。匆匆一看，训练有素的调查员或先进的软件便可以发现两个基本一样的指印之间明确而又清晰的差异。

这是在犯罪调查和安全保卫工作中进行指纹分析的基本思想。指纹扫描仪的工作是取代人类分析人员，收集指纹样本并将其与其他记录在案的样本进行比较。在以下几节中，我们将介绍扫描仪是如何做到这些的。

光学扫描仪

指纹扫描仪系统有两项基本工作：一是需要获得手指的图像，二是需要确定该图像中的嵴纹和波谷是否与以前扫描图像中的嵴纹和波谷相吻合。

获得一个人的指纹图像有多种方法。现在最常用的方法就是光学扫描和电容扫描。这两种扫描方法以完全不同的方式工作，但都会得到同一种图像。

光学扫描仪的核心部件是电荷耦合设备（CCD），这与数码相机和摄像机中使用的光传感器系统是相同的。CCD 只不过是一组光敏二极管（称为光敏器件），这种器件在光子的作用下可以产生电信号。每个光敏器件记录一个像素，即一个代表射中该点的光束的微小圆点。明暗像素共同构成了扫描场景（例如一个手指）的图像。通常，在扫描仪系统中有一个模数转换器，用来处理模拟电子信号以产生该图像的数字表现形式。有关CCD和数字转换的详细信息，请参见数码相机工作原理。

扫描仪配有光源，通常为一组发光二极管，用来照亮手指的嵴纹。当你将手指放在玻璃板上时，扫描过程就开始了，CCD相机便将指纹照片拍摄下来。实际上CCD系统产生的是手指的倒像，较暗的区域代表较多反射光线（手指的嵴纹），较亮的区域代表较少的反射光线（手指的波谷）。

在比较指纹与存储数据之前，扫描仪处理器要确保CCD拍摄到了清晰的图像。它会检查像素暗度的平均值或者一个小样本的整体值，如果图像整体太暗或太亮，该次扫描便会被放弃。于是扫描仪调整曝光时间以允许更多或者更少的光线进入，再扫描一次。

如果暗度合适，扫描仪系统会继续检查图像的清晰度（指纹扫描的锐度）。处理器将查看在图像上沿垂直和水平方向移动的若干直线。如果与嵴纹垂直的线由非常暗的像素和非常亮的像素交互组成，那么就意味着指纹图像有很好的清晰度。

在处理器发现图像清晰并且曝光正确的情况下，它会继续将捕获的指纹与文件上的指纹进行比较。我们很快将了解这个过程，但是首先让我们来看看另一种主要的扫描技术——电容扫描仪。

电容扫描仪

像光学扫描仪一样，电容指纹扫描仪产生组成指纹的嵴纹和波谷图像。不同之处在于，电容扫描仪使用电流而非光线来感测指纹。

下图是一个简单的电容传感器。该传感器由一个或多个包含一组微小单元的半导体芯片组成。每个单元包括两个覆盖有绝缘层的导体板。这些单元很小——比手指上一个嵴纹的宽度还要小。

传感器和积分器相连，积分器是在倒相运算放大器附近的一个电路。倒相放大器是一个复杂的半导体设备，由许多晶体管、电阻器和电容器组成。其工作细节本身就可以写篇文章，在此我们只是大致介绍它在电容扫描仪中的作用。（有关运算放大器的技术概述，请查看此页。）

像任何一种放大器一样，倒相放大器也是根据一个电流的起伏来改变另一个电流的。具体来说，倒相放大器改变供给电压。这些改变基于两个输入端（即倒相输入端和非倒相输入端）的相对电压。非倒相输入端接地，倒相输入端与基准电压源和反馈回路相连。同样，与放大器输出端相连的反馈回路也有两个导体板。

您可能已经意识到，这两个导体板形成一个基本电容器，即一个可以存储电荷的电子元件（详细信息请参见电容器工作原理）。手指的表面充当第三个电容板，这个电容板被细胞单元结构中的绝缘层所分离；而在指纹波谷的情况下，则充当一袋空气。改变电容板之间的距离（通过手指远离或靠近导体板实现）会改变电容器的总容量（存储电荷的能力）。由于这种特性，在嵴纹的情况下，单元中的电容器要比在波谷时有更大的容量。

要扫描手指，处理器首先关闭每个单元的复位开关，复位开关短接每个放大器的输入和输出以“平衡”积分电路。当开关再次打开时，处理器将给积分电路一个固定的电输出，电容器就会充电。反馈回路的电容器容量会影响放大器输入的电压，从而影响放大器的输出。因为手指的距离会改变容量，所以手指嵴纹与手指波谷将产生不同的电压。

扫描仪处理器读取此输出电压并确定其是嵴纹还是波谷的特征。通过读传感器阵列中的每一个单元，处理器可以整理出指纹的整体图像，这与光学扫描仪捕获的图像相似。

电容扫描仪的主要优点是，它需要真实的指纹类型形状，而不是组成指纹视觉印象的明暗模式。这使得这个系统更难被骗。此外，由于它们使用半导体芯片而不是CCD元件，因此电容扫描仪往往比光学扫描仪体积更小。

怎样比较指纹？

在电影和电视节目中，自动化指纹分析器经常将不同的指纹图像重叠在一起以寻找匹配图像。这并不是比较指纹的实用方法。事实上，这种做法很少得到完美的图像重叠，污迹便可能使得同一指印的两幅图像看起来很不同。另外，比较分析整个指纹图像是否匹配往往会浪费很多处理能力，也会使得窃取指纹数据更加容易。

与此相反，大部分指纹扫描仪只比较指纹的细节特征，即小花纹。通常，人类和计算机研究者专注于嵴纹线末端或将一条嵴纹分开成两部分（交叉）的点。这些点和其他突出的特征有时统称为典型特征。

扫描仪系统软件使用高度复杂的算法来识别和分析这些小花纹。基本思想是测量小花纹的相对位置，这与通过星星的相对位置来识别一部分天空的方法一样。一个简单的思考方法是看您在小花纹之间划直线时各种小花纹形成的形状。如果两个指纹图像有三个嵴纹末端和两个交叉，以同样的尺度形成同样的形状，则很可能它们是同一个指纹图像。

要获得匹配，扫描仪系统不必查看样本和记录中指纹图像的全部小花纹，只需要确定两个指纹图像中有足够数量的相同小花纹就行了。具体的数量根据扫描仪程序的不同而不同。

安全系统有很多方法可以证明某人是授权的用户。大部分系统会检查以下的一项或多项：

• 您拥有什么？
• 您知道什么？
• 您是谁？

要想通过“您拥有什么”系统，您需要某种“令牌”，例如一张有磁条的身份证。“您知道什么”系统需要您输入密码或PIN号码。“您是谁”系统实际上是查看您表明自己身份的物理证据——特定的指纹、声音或者虹膜图案。

“您是谁”系统（如指纹扫描仪）相对于其他系统来说有很多的优点。例如：

• 伪造物理特征比伪造身份证要难很多。
• 不可能像猜出密码一样猜测出指纹图案。
• 不会像遗失出入卡一样遗失指纹、虹膜或者声音。
• 不会像忘记密码一样忘记指纹。

然而，虽然指纹扫描仪很有效，但不排除它们有出错的可能性。实际上它们确实有一些缺点。光学扫描仪不能每次都区分开指纹图像和指纹本身，而电容扫描仪有时可能被一个指纹模型欺骗。如果某人获得了某授权用户的指纹，这个人就可以骗过扫描仪。最坏的情况，罪犯甚至可能砍下某人的手指以进入扫描仪安全系统。一些扫描仪还有另外的脉冲和热传感器来检测手指是否是真的，而不是一个模型或者肢解手指，但是这些系统甚至也可能被真实手指的明胶指纹模型欺骗。（此网站解释了人们可能骗过扫描仪的各种方法。）

要使这些安全系统更可靠，一个不错的方法是：将传统的认证方法如密码（同ATM需要银行卡和PIN号码一样）与生物学分析法结合起来。

生物安全系统的真正问题是某人设法盗取身份信息时的损害范围。如果遗失了信用卡或者无意中告诉了别人您的秘密PIN号码，还可以办理新的卡或者更改密码。但是如果某人盗取了您的指纹，您的余生就真的很不幸了。您没办法得到新的指纹。因此，除非您能完全确定所有的副本已经毁灭了，不然您就再也不能使用指纹作为一种身份识别形式。

尽管有这些重大缺点，指纹扫描仪和生物安全系统仍不失为身份识别的极好方法。将来，它们很有可能像今天的钥匙、ATM卡和密码一样，成为每个人日常生活的必要部分。

[责任编辑：小敏]