密碼的使用在我們的生活中無處不在：手機解鎖、網站用戶登錄、網上/移動支付。安全起見，人們往往在不同類型的賬戶設置不同的密碼，比如手機銀行的登錄密碼和支付密碼會不一樣，并且還需要定期更換密碼。這樣一來，帶來的問題就是時間一久，密碼搞混淆了，忘記了，然后再進入一套“找回密碼”的流程……

其實，我們的指紋就是獨一無二，且較難復制，一般情況下別人也無法竊取的密碼。

指紋識別技術概念及由來

指紋是指人的手指末端正面皮膚上凸凹不平產生的紋線。紋線有規(guī)律的排列形成不同的紋型。紋線的起點、終點、結合點和分叉點，稱為指紋的細節(jié)特征點。由于指紋具有終身不變性、唯一性和方便性，已幾乎成為生物特征識別的代名詞。

指紋識別是一門古老的學科，1788年Mayer首次提出沒有兩個人的指紋完全相同，1823年Purkinie首次把指紋紋形分成9類，1889年Henry提出了指紋細節(jié)特征識別理論，奠定了現代指紋學的基礎。

但采用人工比對的方法，效率低、速度慢。20世紀60年代，開始用計算機圖像處理和模式識別方法進行指紋分析，這就是自動指紋識別系統。20世紀70年代末80年代初，刑事偵察用自動指紋識別系統投入實際運用。20世紀90年代，AFIS進入民用，稱為民用自動指紋識別系統。

每個人包括指紋在內的皮膚紋路在圖案、斷點和交叉點上各不相同，呈現惟一性且終生不變。據此，我們就可以把一個人同他的指紋對應起來，通過將他的指紋和預先保存的指紋數據進行比較，就可以驗證它的真實身份，這就是指紋識別技術。

指紋識別主要根據人體指紋的紋路、細節(jié)特征等信息對操作或被操作者進行身份鑒定，得益于現代電子集成制造技術和快速而可靠的算法研究，已經開始走入我們的日常生活，成為目前生物檢測學中研究最深入、應用最廣泛、發(fā)展最成熟的技術。

2013年之前，指紋識別傳感器的主要應用還是在工業(yè)和安防領域。1998年西門子展示了集成指紋識別功能的手機后，指紋識別沉寂了十幾年。2013年蘋果公司發(fā)布了采用指紋識別傳感器的iPhone 5S，由此引爆了指紋識別傳感器市場，三年間市場規(guī)模從幾乎為零飆升到幾十億美元。起初，指紋識別傳感器用于手機解鎖和信息保護。然而，現在指紋識別傳感器越來越多地應用于在線認證和移動支付等安全功能。

指紋識別技術的原理

盡管指紋識別技術已經進入了民用領域，但是其工作原理其實還是比較復雜的。與人工處理不同，生物識別技術公司不直接存儲指紋的圖像（有關法律認為，指紋圖像屬于個人隱私，因此不能直接存儲指紋圖像）。多年來，各生物識別技術公司及其研究機構研究了許多指紋識別算法。但各種識別算法最終都歸結為在指紋圖像上找到并比對指紋的特征。這就是指紋識別技術的基本原理，即采集指紋圖像并進行比對指紋特征。

指紋的特征

從普遍意義上來講，可以定義指紋的兩類特征來進行指紋的驗證：總體特征和局部特征。

總體特征

總體特征是指那些用人眼直接就可以觀察到的特征。它包括：

1、基本紋型：常見的指紋圖案有環(huán)型、弓型、螺旋型，其他的指紋圖案都基于這三種基本圖案，只是一個粗略的分類，僅僅依靠圖案類型來分辨指紋是遠遠不夠的，但通過分類可以更加便利于在大數據庫中搜尋到指紋。

2、模式區(qū)：模式區(qū)是包含了紋型特征的區(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。

3、核心點：核心點位于指紋紋路的漸進中心，它用于讀取指紋和比對指紋時的參考點。

4、三角點：三角點位于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和跟蹤的開始之處。

5、式樣線：式樣線是在指紋包圍模式區(qū)的紋路線開始平行的地方所出現的交叉紋路，式樣線通常很短就中斷了，但它的外側線開始連續(xù)延伸。

6、紋數：紋數是指模式區(qū)內指紋紋路的數量。在計算指紋的紋數時，一般先連接核心點和三角點，這條連線與指紋紋路相交的數量即可認為是指紋的紋數。

局部特征

局部特征是指指紋上的節(jié)點。兩枚指紋經常會具有相同的總體特征，但它們的局部特征卻不可能完全相同。局部特征點有如下的類型：

1、節(jié)點：指紋紋路并不是連續(xù)、平滑筆直的，而是經常出現中斷、分叉或彎折的。這些斷點、分叉點和轉折點就稱為“節(jié)點”。就是這些節(jié)點提供了指紋唯一性的確認信息。

2、端點：一條紋線終止的地方；

3、分叉點：一條紋線分裂成兩條的地方；

4、中心點：指紋的幾何中心，這是紋線產生最大曲率的地方；

5、三角點：三種不同方向的紋線匯聚的地方；

6、交叉：兩條紋線產生交叉的地方；

7、小島：一條很短小的紋線；

8、汗腺孔：脊線上的小孔，系汗腺。

以上這些特征被用來區(qū)分不同的指紋。其中：

1、端點和分叉點是最為常用的特征。通常的算法都要記錄它們的位置和方向。

2、中心點和三角點在刑偵系統中普遍使用，而在民用系統中并不常用。因為這些應用中所使用的采集器往往面積較小，較難完整地采集到中心點和三角點。

3、交叉和小島由于計算上的困難，在實際的系統中往往不予采用。

4、有人曾提出用汗腺孔來進行指紋識別，但這種方法要求指紋采集設備要具有非常高的分辨率。所以在實際的系統中沒有采用。

指紋識別的過程

指紋識別由兩個過程組成，即登記過程和識別過程。其原理如圖所示：

在登記過程中，用戶需要先采集指紋，然后計算機系統將自動進行特征提取，提取后的特征將作為模板保存在數據庫或其他指定的地方。在識別或驗證階段，用戶首先要采集指紋，然后經系統自動進行指紋庫模板比對，然后給出比對結果。

在很多場合，用戶可能還要輸入其他的一些輔助信息，以幫助系統進行匹配，如帳號、用戶名等。此過程是一個通用的過程，對所有的生物特征識別技術都適用。

目前指紋識別技術的主要種類

目前，市場中應用的指紋圖像的獲取技術主要有4種類型：光學掃描設備、溫差感應式指紋傳感器、半導體指紋傳感器、超聲波指紋掃描。

一、光學識別技術

借助光學技術采集指紋是歷史最久遠、使用最廣泛的技術。將手指放在光學鏡片上，手指在內置光源照射下，用棱鏡將其投射在電荷耦合器件（CCD）上，進而形成脊線（指紋圖像中具有一定寬度和走向的紋線）呈黑色、谷線（紋線之間的凹陷部分）呈白色的數字化的、可被指紋設備算法處理的多灰度指紋圖像。

光學的指紋采集技術有明顯的優(yōu)點：它已經過較長時間的應用考驗，一定程度上適應溫度的變異，可達到500DPI的較高分辨率等，最主要是價格低廉。

也有明顯的缺點：由于要求足夠長的光程，因此要求足夠大的尺寸，而且過分干燥和過分油膩的手指也將使光學指紋產品的效果變壞。

光學指紋傳感局限性體現于潛在指印方面（潛在指印是手指在臺板上按完后留下的），不但會降低指紋圖像的質量，嚴重時還可能導致2個指印重疊，顯然，難以滿足實際應用需要。此外，臺板涂層及CCD陣列會隨時間推移產生損耗，可能導致采集的指紋圖像質量下降。但是具有無法進行活體指紋鑒別、對干濕手指的適用性差等缺點。

光學指紋識別系統由于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，手指表面的干凈程度，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。并且，如果人們按照手指，做一個指紋手模，也可能通過識別系統，對于用戶而言，使用起來不是很安全和穩(wěn)定。

二、溫差感應式識別技術

溫差感應式識別技術是基于溫度感應的原理而制成的，每個像素都相當于一個微型化的電荷傳感器，用來感應手指與芯片映像區(qū)域之間某點的溫度差，產生一個代表圖像信息的電信號。

它的優(yōu)點是可在0.1s內獲取指紋圖像，而且傳感器體積和面積最小，即目前通常所說的滑動式指紋識別儀就是采用該技術。

缺點是：受制于溫度局限，時間一長，手指和芯片就處于相同的溫度了。

三、半導體硅感技術（電容式識別技術）

20世紀90年代后期，基于半導體硅電容效應的技術趨于成熟。硅傳感器成為電容的一個極板，手指則是另一極板，利用手指紋線的嵴和峪相對于平滑的硅傳感器之間的電容差，形成8bit的灰度圖像。

電容傳感器發(fā)出電子信號，電子信號將穿過手指的表面和死性皮膚層，直達手指皮膚的活體層（真皮層），直接讀取指紋圖案。由于深入真皮層，傳感器能夠捕獲更多真實數據，不易受手指表面塵污的影響，提高辨識準確率，有效防止辨識錯誤。

半導體指紋傳感器包括半導體壓感式傳感器、半導體溫度感應傳感器等，其中，應用最廣泛的是半導體電容式指紋傳感器。

半導體電容傳感器根據指紋的嵴和峪與半導體電容感應顆粒形成的電容值大小不同，來判斷什么位置是嵴什么位置是峪。其工作過程是通過對每個像素點上的電容感應顆粒預先充電到某一參考電壓。

當手指接觸到半導體電容指紋表現上時，因為嵴是凸起、峪是凹下，根據電容值與距離的關系，會在嵴和峪的地方形成不同的電容值。然后利用放電電流進行放電。因為嵴和峪對應的電容值不同，所以其放電的速度也不同。

嵴下的像素（電容量高）放電較慢，而處于峪下的像素（電容量低）放電較快。根據放電率的不同，可以探測到嵴和峪的位置，從而形成指紋圖像數據。

與光學設備多采用人工調整改善圖像質量不同，電容傳感器采用自動控制技術調節(jié)指紋圖像像素以及指紋局部范圍敏感程度，在不同環(huán)境下結合反饋信息生成高質量圖像。由于提供了局部調整能力，即使對比度差的圖像（如手指壓得較輕的區(qū)域）也能被有效檢測到，并在捕捉瞬間為這些像素提高靈敏度，生成高質量指紋圖像。

半導體電容指紋傳感器優(yōu)點為圖像質量較好、一般無畸變、尺寸較小、易集成于各種設備。其發(fā)出的電子信號將穿過手指的表面和死性皮膚層，達到手指皮膚的活體層（真皮層），直接讀取指紋圖案，從而大大提高了系統的安全性。

半導體硅感技術最重要的優(yōu)點是能夠達到活體指紋識別。還可以在較小的表面上獲得比光學技術更好的圖像質量，在1cm×1.5cm的表面上獲得200-300線的分辨率（較小的表面也導致成本的下降和能被集成到更小的設備中）。體積小、成本低，成像精度高，而且耗電量很小，因此非常適合在安全防范和高檔消費類電子產品中使用，被稱為光學以后的第二代指紋識別技術。

四、超聲波識別技術

超聲波指紋采集是一種新型技術，其原理是利用超聲波具有穿透材料的能力，且隨材料的不同產生大小不同的回波（超聲波到達不同材質表面時，被吸收、穿透與反射的程度不同）。因此，利用皮膚與空氣對于聲波阻抗的差異，就可以區(qū)分指紋嵴與峪所在的位置。

超聲波技術所使用的超聲波頻率為1×104Hz-1×109Hz，能量被控制在對人體無損的程度（與醫(yī)學診斷的強度相同）。超聲波技術產品能夠達到最好的精度，它對手指和平面的清潔程度要求較低，但其采集時間會明顯地長于前述兩類產品，而且價格昂貴，也并不能做到活體指紋識別，所以目前使用稀少。

微光學式指紋識別技術

當前無論是的主流——電容式指紋識別傳感器，還是新秀——超聲波式指紋識別傳感器，都需要額外的指紋傳感器，只是前者需要在屏幕上開孔，后者可以隱藏在屏幕下面而已。

2017年，蘋果公司和匯頂科技推出了基于微型光學感測技術的指紋識別技術，這種技術巧妙地將顯示屏和指紋傳感器的融合于一體，支持全屏幕多處進行指紋識別。

指紋識別傳感器的工作原理“始”于光學式，“盛”于電容式，“延續(xù)”于超聲波式和微型光學式。轉了一圈，現在又回到了光學感測的路子上來了，不同的是，如今的微型光學感測技術先進性足以引起智能手機的全“面”革新。

微型光學式指紋傳感器的原理是什么？匯頂科技和蘋果采用的技術是有所差異的，匯頂科技暫未透露出細節(jié)，不過我們可以就蘋果采用的MicroLED技術來了解一番。

2012年前MicroLED技術還停留在實驗室研發(fā)階段。隨著蘋果公司于2014年5月收購擁有MicroLED多項專利技術的LuxVue公司，市場對該項技術的關注度達到了空前的高度。

MicroLED技術，即LED微縮化和矩陣化技術。指的是在一個芯片上集成的高密度微小尺寸的LED陣列，顯示屏每一個像素可定址、單獨驅動點亮，將像素點距離從毫米級降低至微米級。

MicroLED display，是將LED結構設計進行薄膜化、微小化、陣列化，其尺寸僅在1~10μm等級左右，再將MicroLED批量式轉移至電路基板上，其基板可為硬性、軟性之透明、不透明基板上；再利用物理沉積制程完成保護層與上電極，即可進行上基板的封裝，完成結構簡單的MicroLED顯示。

根據美國專利和商標局于在2017年2月14日公布蘋果公司美國專利號為9570002“集成紅外二極管的交互式顯示面板”，展示了采用MicroLED傳感技術的觸摸顯示屏以及其如何實現指紋識別技術功能。

具體而講，單獨的紅外發(fā)射管與傳感二極管連接作為驅動，選擇電路用于創(chuàng)建子像素電路。由于其體積小，這些紅外二極管可以與RGB LED嵌入顯示基板，或者安裝在微型芯片上后再集成到所述基板。

在進行指紋識別操作時，集成有交互像素（所謂的“交互像素”，這種子像素排列可以將紅、綠、藍、紅外發(fā)光二極管、紅外探測器，以及其它顏色的陣列集成在分辨率非常高的面板）的屏幕的某一特定區(qū)域或者某幾行掃描到用戶的指紋信息。

當該距離達到足以感應到的距離，將生成位圖并通知系統近似定位數據。在某些情況下，位圖包括入射光強度信息，允許對對象及其表面進行深層分析。例如，通過檢查位圖的暗點和亮點，樣本系統可以檢測用戶指紋中相應的脊線和皺褶。從而實現指紋識別的功能。

指紋識別技術是生物識別技術的主流技術，是身份認證的主流技術，它在各行各業(yè)得到了廣泛的應用?，F在用指紋功能的設備，必須有一個物理鍵讓你掃描一個指紋，但隨著觸控和顯示芯片的發(fā)展，高度集成化，未來的發(fā)展趨勢是任何位置，我們可以在屏幕上完成的指紋識別。嵌入式指紋識別出現在核心，所以任何限制不影響設備制造商的工業(yè)設計的設備。

隨著指紋識別和觸摸顯示技術的融合越來越成熟，它也將越來越廣泛，例如，快速付款、識別、個性化偏好定制等，很可能將密碼用指紋識別技術所取代。

編輯：黃飛

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