光學、半導體、超聲波……究竟哪種指紋識別技術更好用?

2020-11-23 騰訊網

我們手掌及其手指、腳、腳趾內側表面的皮膚凸凹不平產生的紋路會形成各種各樣的圖案，這些紋路的存在增加了皮膚表面的摩擦力，使得我們能夠用手來抓起重物。

人們也注意到，包括指紋在內的這些皮膚紋路在圖案、斷點和交叉點上各不相同，具有唯一性。依靠這種唯一性，可以把一個人同他的指紋對應起來，通過指紋和預先保存的指紋進行比較，即可進行驗證身份，這便是指紋識別技術。

01. 指紋識別技術原理

進行指紋識別的前提是獲得良好的指紋，而獲得良好的指紋圖像是一個十分複雜的問題。因為用於測量的指紋僅是相當小的一片表皮，所以指紋採集設備應有足夠好的解析度用以獲得指紋的細節。

目前市場上所用的指紋圖像採集設備，基本上基於三種技術基礎：光學技術、半導體技術、超聲波技術。而智能門鎖產品的指紋採集多光學和半導體，超聲波技術還比較少見。

光學指紋識別技術

藉助光學技術採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，用稜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）呈白色的數位化的、可被指紋設備算法處理的多灰度指紋圖像。

光學式指紋識別

半導體指紋識別技術

半導體指紋採集技術主要依靠半導體傳感器來完成，又分為電容感應式指紋傳感器、溫差感應式指紋傳感器。

電容感應式指紋傳感器

電容感應式指紋傳感器由電容陣列構成，內部大約包含1萬隻微型化的電容器。當用戶將手指放在正面時，皮膚就組成了電容陣列的一個極板，電容陣列的背面是絕緣極板。由於不同區域指紋的脊和谷之間的距離也不相等，使每個單元的電容量隨之而變，由此可獲得指紋圖像。

電容式指紋識別

溫差感應式指紋傳感器

溫差感應式指紋傳感器是基於溫度感應的原理而製成，每個單元傳感器就代表一個像素，而整個集成指紋傳感器又置於恆溫控制下（該溫度比體溫略低些）。

當手指放在指紋傳感器上時，由於指紋傳感器的溫度被控制在+33℃以下，而指紋上脊點的溫度就代表體溫，指紋上谷點的溫度就是周圍的環境溫度，因此脊點與傳感器之間的溫度差不等於谷點與傳感器之間的溫度差，通過掃描方式即可獲取指紋圖像。

這種傳感器的掃描速率非常快，必須在很短時間（一般應小於0.1s）內獲取指紋圖像。因為時間一長，手指和晶片會處於相同溫度。

超聲波指紋識別技術

超聲波指紋圖像採集技術被認為是指紋採集技術中最好的一種，但在指紋識別系統中還不多見。

超聲波掃描指紋表面會產生反射信號，由於指紋的脊和谷的聲阻抗的不同，導致反射回接受器的超聲波的能量不同，測量超聲波能量大小，進而獲得指紋灰度圖像。皮膚上的髒物和油脂對超聲波取像影響不大，所以採集的圖像更精確，但因成本很高，目前智能鎖產品中還未見有應用。

02. 光學識別 VS 半導體識別

光學指紋識別技術優劣勢

優勢1：模塊環境適應性強、易清理

光學指紋識別模塊的環境適應性較強，光學指紋頭採集窗一般採用鋼化玻璃，能夠一定程度上增強抗壓抗磨和耐酸性，汙漬的腐蝕，對工作環境的溫度適應性較好，且表面易於清潔，即可以用於家庭，也可以用於潮溼，高溫和粉塵特殊環境。

優勢2：壽命較長

光學指紋識別模塊穩定性好，光學指紋識別技術經過市場的長期考驗並不斷改良，加上光學指紋頭對市場環境的適應性較好，理論上壽命較長。

優勢3：成本低

光學指紋識別模塊造價成本低，光學指紋頭發展較早，已經有成熟的行業規模，可模塊化量產，且光學指紋頭所用到的原材料相對比較便宜，所以光學指紋頭造價普遍會比半導體指紋頭便宜。

劣勢1：精度較半導體稍低

光學指紋頭識別精度約500dpi，光學指紋頭是指紋脊和谷對光的反射不同成像，對於指紋淺，指紋太幹或者脫皮的用戶，相對容易出現錯誤識別的現象。

劣勢2：功耗大

光學指紋識別功耗相對較大，光學指紋頭需要發射強光，所以相對於半導體指紋頭，光學指紋頭所需電能較多，一般光學指紋鎖半年多需要更換一次電池，半導體指紋鎖可用一年左右。

半導體指紋識別技術優劣勢

優勢1：更接近活體識別

半導體指紋識別模塊安全性高，因為半導體指紋頭可穿透皮膚表發層，指紋不易被複製或者仿製。針對指紋複製的問題，光學和半導體都進行了活體指紋識別的探索，且均取得了不少成果，總體上看，半導體相較於光學指紋，安全性更高。

優勢2：非常高的靈敏度和識別精度

半導體指紋識別是由上萬個電容器組成電容陣列，採集指紋脊和谷到觸板的距離形成指紋數據，相比與光學掃描精度更好，分別率可以達到600dpi，能採集更準確的指紋細節，採集速度也更快。

優勢3：模塊識別率高

光學指紋頭正常使用中會受到指紋乾濕，深淺的影響，導致識別錯誤和無法識別指紋的情況，而半導體可最大程度免除這些問題。

優勢4：其它特性

此外，半導體還有功耗小，體積小等特性，對降低智能鎖功耗和縮小鎖具大小有很大的幫助。

劣勢1：成本高

半導體指紋識別模塊的電容板顯然比光學指紋模塊的鋼化玻璃的成本高，當然其他部件的成本也相對高於光學指紋模塊，所以造價較高，但隨著行業的發展，兩者的價格差在逐漸變小。

劣勢2：不易保養

半導體指紋識別模塊不易保養，半導體指紋頭的採集窗口會受到汙漬汗漬以及靜電的影響，容易被劃花，所以需要使用時注意保護和養護，不然使用壽命難以保障。

03. 指紋識別的廣泛應用

指紋識別技術作為生物識別技術之一，因指紋特徵的穩定性和唯一性，近年來被應用在多個安全相關領域，例如我們熟知的手機指紋解鎖、門禁系統、銀行、公司考勤機、停車收費、醫療場所以及司法和金融相關的公共項目中。

而指紋識別在家庭中也有十分豐富的應用場景，相關聯的產品包括入戶智能門鎖、內門鎖、保險柜、電視遙控器、床頭櫃/家具抽、首飾盒、高端刀架、保溫壺等等。

04. 結語

雖然對於指紋識別來說，還存在很多客觀問題，但這些並不妨礙指紋識別成為目前生物識別市場佔比最大的識別技術，也沒有阻止指紋鎖市場規模的擴張。

畢竟，從技術成熟度、安全性、成本、適用性等綜合維度考慮，指紋識別是目前最易被廠商採納，同時也被消費者接受的生物識別技術。

隨著指紋採集技術的進步，更安全、更方便的技術也會不斷湧現，目前存在的指紋識別方面的劣勢也會逐漸解決，指紋的應用也會越來越廣泛。

未來，指紋模塊也將應用於更多的家庭場景中，隨著成本的降低，產品的智能化升級，那些目前僅局限於高端階層的產品定會走下臺階，一步一步走進普通家庭的生活。

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