指紋識別芯片的基本原理及應用

1、指紋識別指紋識別技術技術2通訊研發(fā)技委會通訊研發(fā)技委會HW-Comm職系技術交流論壇職系技術交流論壇主主 題題: :指紋識別指紋識別技術技術簡報者簡報者: FIH LX-NJ / : FIH LX-NJ / 張超張超日日 期期: Nov- 17- 2015: Nov- 17- 20153報 告 綱 要l 指紋識別基本原理l 指紋識別設計風險l 市場分析和產(chǎn)品比較指紋識別基本原指紋識別基本原理理應用背景u 當今社會，電子設備和保密機構對更安全、更方便的身份認證和訪問控制的需求變得越來越緊迫。u 傳統(tǒng)的機械鑰匙、“口令密碼”以及智能卡等的保護措施存在著丟失、遺忘、復制及被盜用的隱患u 以電子商務、

2、電子銀行的安全認證為例，他人假冒當事人上網(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。有學者推論： 以全球60億人口計算，300年內(nèi)都不會有兩個相同的指紋出現(xiàn)。指紋被稱為“物證之首”，安全可靠。指紋識別基本原指紋識別基本原理理指紋學術語指紋：手指第一節(jié)(手指尖一節(jié))指頭表面乳突紋線。指?。菏种傅谝还?jié)乳突線與承受客體接觸時留下的印痕。脊線：是手指上的特殊的皮膚花紋的隆線。谷線：兩個脊線之間低陷的部分。細節(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和分叉點。脊線分叉點脊線端點指紋識別基本原指紋識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(核心點和三角點)進行分類，根據(jù)指紋奇異點的個數(shù)、類型和相對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。指紋識別基本原指紋識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。有的指紋識別算法只使用模式區(qū)的數(shù)據(jù)。2.核心點位于指紋紋路的漸進中心，它在讀取指紋和比對指紋時作為參考點。許多算法是基于核心點的，既只能處理和識別具有核心點

4、的指紋。3.三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(shù)跟蹤的開始之處。4.指模式區(qū)內(nèi)指紋紋路的數(shù)量。在計算指紋的紋數(shù)時，一般先在連接核心點和三角點，這條連線與指紋紋路相交的數(shù)量即可認為是指紋的紋數(shù)。指紋識別基本原指紋識別基本原理理局部特徵 局部特征是指指紋上的節(jié)點的特征，這些具有某種特征的節(jié)點稱為特征點。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、分叉點和轉折點就稱為“特征點”。 兩枚指紋經(jīng)常會具有相同的總體特征，但它們的局部特征（特征點），卻不可能完全相同。就是這些特征點提供了

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

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

7、圖像。 電容感測器對手指的乾淨度要求較高; 感測器表面使用矽材料，容易損壞。 現(xiàn)在應用最普遍的技術。指紋識別技術超聲波掃描識別l 通過感測器發(fā)射微量的射頻信號l 利用皮膚與空氣對於聲波阻抗的差異，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 這種方法對手指的乾淨程度要求較低。指紋識別技術採集技術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用。指紋識別技術滑動式 將手指從感測器上劃過，獲得整個手指的指紋 優(yōu)點是：成本低、易集成，可採集大面積圖像，應用傳統(tǒng)的特徵點算法 缺點是：需要客戶

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

9、了便于進行特征提取，基于細節(jié)特征點進行指紋匹配的預處理比較典型的過程是增強濾波、二值化和細化。指紋識別基本原指紋識別基本原理理圖像預處理1.圖像增強濾波：指紋圖像獲取時，由于噪音及壓力不同等的影響，將會導致兩種破壞紋線的情況：斷裂及叉連。 如斷裂可能被認為是兩個端點，而叉連可能被當作兩個分叉點。為了消除干擾及增強紋線，針對指紋紋線具有較強方向性的特點，我們采用了方向濾波算法對其進行增強，以消除噪音、增強紋線、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，并對其進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。因為指紋圖像特點是脊、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.細化：是將二值圖的脊線寬度降為單個象素寬度的細化指紋圖。，且細化后的紋線近似處于原圖的“中軸”。在指紋的自動識別過程中，需要把二值指紋圖進行細化，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。指紋識別基本原指紋識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)過預處理之后，得到了清晰的細化二值圖，我們就可以在此基礎上對其進行特征提取了。用位置、類型和方向這幾個參數(shù)描述細節(jié)特征，才能進行后續(xù)的存儲或者與已有的細節(jié)特征進行匹配。2. 指紋特徵點的匹配： 指紋匹配問題轉化為點匹配問題，同一個手指的兩幅樣本圖像，由于按

11、壓時手指位置、方向和力度的不同，可能造成指紋圖像的平移、旋轉和非線性形變，因此基于校準的匹配算法理論簡單而又有效。設計風險硬體、結構、軟體、安全、應用指紋識別的關鍵指標關鍵指標識別速度成像質量寬容度應用度電氣特性安全性使用壽命l 識別速度：指傳感器識別從接觸到識別出結果的時間；iphone的檢測時間為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，否則對細指紋不易分辯;l 寬容度：對幹濕手指的適應性,以及對環(huán)境的適應能力，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到可使用100萬次。l 應用度：軟

12、體支援的應用種類多少iPhone的指紋可以鎖手機、鎖應用、登錄雲(yún)，Apple Pay/支付寶等應用l 安全度：ARM TrustZone技術是在CPU裡增添一個安全區(qū)域隔離數(shù)據(jù)和應用，確保安全V.S.用戶體驗差成本低、易集成、可采集大面積圖像用戶體驗好、易用成本較高、難集成，采集圖像面積小滑動式和按壓式的區(qū)別用戶體驗差設計難度低用戶體驗好設計難度高背面和正面的區(qū)別V.S.指紋識別應用指紋識別解鎖支付啟動應用登陸l 不保存用戶指紋數(shù)據(jù)l 只記錄特征碼模板l 特征碼在傳輸存儲的時候采用加密算法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，從硬件上隔離So

13、c和軟件指紋識別安全機制市場分析產(chǎn)品應用，優(yōu) 缺 點比較 20152017年全球智慧終端機指紋識別晶片市場規(guī)模及增長（按銷售量） 20132014年全球智慧終端機指紋識別晶片市場規(guī)模及增長（按銷售量）指紋識別傳感器行業(yè)規(guī)模指紋識別解決方案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鍵感測器表面是藍寶石水晶覆蓋，能夠實現(xiàn)精確聚焦手指，保護感測器的作用；l 感測器按鈕周圍是一圈不銹鋼環(huán)，用於監(jiān)測手指，啟動感測器和改善信噪比。AuthenTeciPhone系列l(wèi) 識別方案採用電容感測器的滑動式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/