指紋掃描儀工作原理

引言

幾十年來，計(jì)算機(jī)指紋掃描儀一直為偵探迷和科幻迷們津津樂道。然而，在過去的幾年中，掃描儀已經(jīng)開始在各處出現(xiàn)——警察局、戒備森嚴(yán)的建筑物甚至PC鍵盤。現(xiàn)在，您花費(fèi)不到100美元就可以獲得一個(gè)個(gè)人USB指紋掃描儀。這樣，您的計(jì)算機(jī)就可以得到高科技生物安全技術(shù)的保護(hù)，也就是說，計(jì)算機(jī)不論用不用密碼，都需要本人獨(dú)一無二的指印才能進(jìn)行訪問。

這項(xiàng)技術(shù)在法律執(zhí)行和身份安全領(lǐng)域中已取得了令人激動(dòng)的發(fā)展，本文將探究這種發(fā)展背后的秘密，并且還將比較指紋掃描儀安全系統(tǒng)與傳統(tǒng)的密碼和身份證系統(tǒng)，指出它們的不足。

指紋基礎(chǔ)知識(shí)

指紋是自然界的奇跡之一。人類因此恰好有了內(nèi)置的、容易獲取的身份證。每個(gè)人的指尖都有一個(gè)僅代表他本人的獨(dú)特設(shè)計(jì)。這些是如何發(fā)生的？

人類手指的皮膚上有細(xì)小的嵴紋，這些嵴紋和波谷圖案便于人用手抓取東西，正如橡膠輪胎胎面花紋有助于輪胎抓住地面。可見，這種特殊的適應(yīng)對(duì)人類祖先極其有利。

指紋的另一個(gè)功能則純屬巧合。同人類身體的其他部位一樣，嵴紋是基因和環(huán)境因素共同作用的結(jié)果。DNA中的基因碼給出了胎兒成長時(shí)皮膚應(yīng)如何形成的總體命令，環(huán)境因素中的隨機(jī)事件則影響皮膚的具體形成方式。例如子宮中胎兒在某個(gè)時(shí)刻的具體位置以及周圍羊水的成分和密度便能決定每個(gè)嵴紋的形成方式。

因此，除了最開始決定基因結(jié)構(gòu)的無數(shù)事件之外，還有數(shù)不清的環(huán)境因素影響著指紋的形成。這些因素正如形成云或海岸線的氣候條件，整個(gè)發(fā)展過程都很亂很隨機(jī)。實(shí)際上，在整個(gè)人類歷史的進(jìn)程中，任何兩個(gè)人都不會(huì)有完全相同的指紋。

指紋是人類個(gè)體獨(dú)一無二的標(biāo)志，長相相同的雙胞胎也不例外。匆匆一看，訓(xùn)練有素的調(diào)查員或先進(jìn)的軟件便可以發(fā)現(xiàn)兩個(gè)基本一樣的指印之間明確而又清晰的差異。

這是在犯罪調(diào)查和安全保衛(wèi)工作中進(jìn)行指紋分析的基本思想。指紋掃描儀的工作是取代人類分析人員，收集指紋樣本并將其與其他記錄在案的樣本進(jìn)行比較。在以下幾節(jié)中，我們將介紹掃描儀是如何做到這些的。

光學(xué)掃描儀

指紋掃描儀系統(tǒng)有兩項(xiàng)基本工作：一是需要獲得手指的圖像，二是需要確定該圖像中的嵴紋和波谷是否與以前掃描圖像中的嵴紋和波谷相吻合。

獲得一個(gè)人的指紋圖像有多種方法。現(xiàn)在最常用的方法就是光學(xué)掃描和電容掃描。這兩種掃描方法以完全不同的方式工作，但都會(huì)得到同一種圖像。

光學(xué)掃描儀的核心部件是電荷耦合設(shè)備（CCD），這與數(shù)碼相機(jī)和攝像機(jī)中使用的光傳感器系統(tǒng)是相同的。CCD 只不過是一組光敏二極管（稱為光敏器件），這種器件在光子的作用下可以產(chǎn)生電信號(hào)。每個(gè)光敏器件記錄一個(gè)像素，即一個(gè)代表射中該點(diǎn)的光束的微小圓點(diǎn)。明暗像素共同構(gòu)成了掃描場(chǎng)景（例如一個(gè)手指）的圖像。通常，在掃描儀系統(tǒng)中有一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器，用來處理模擬電子信號(hào)以產(chǎn)生該圖像的數(shù)字表現(xiàn)形式。有關(guān)CCD和數(shù)字轉(zhuǎn)換的詳細(xì)信息，請(qǐng)參見數(shù)碼相機(jī)工作原理。

掃描儀配有光源，通常為一組發(fā)光二極管，用來照亮手指的嵴紋。當(dāng)你將手指放在玻璃板上時(shí)，掃描過程就開始了，CCD相機(jī)便將指紋照片拍攝下來。實(shí)際上CCD系統(tǒng)產(chǎn)生的是手指的倒像，較暗的區(qū)域代表較多反射光線（手指的嵴紋），較亮的區(qū)域代表較少的反射光線（手指的波谷）。

在比較指紋與存儲(chǔ)數(shù)據(jù)之前，掃描儀處理器要確保CCD拍攝到了清晰的圖像。它會(huì)檢查像素暗度的平均值或者一個(gè)小樣本的整體值，如果圖像整體太暗或太亮，該次掃描便會(huì)被放棄。于是掃描儀調(diào)整曝光時(shí)間以允許更多或者更少的光線進(jìn)入，再掃描一次。

如果暗度合適，掃描儀系統(tǒng)會(huì)繼續(xù)檢查圖像的清晰度（指紋掃描的銳度）。處理器將查看在圖像上沿垂直和水平方向移動(dòng)的若干直線。如果與嵴紋垂直的線由非常暗的像素和非常亮的像素交互組成，那么就意味著指紋圖像有很好的清晰度。

在處理器發(fā)現(xiàn)圖像清晰并且曝光正確的情況下，它會(huì)繼續(xù)將捕獲的指紋與文件上的指紋進(jìn)行比較。我們很快將了解這個(gè)過程，但是首先讓我們來看看另一種主要的掃描技術(shù)——電容掃描儀。

電容掃描儀

像光學(xué)掃描儀一樣，電容指紋掃描儀產(chǎn)生組成指紋的嵴紋和波谷圖像。不同之處在于，電容掃描儀使用電流而非光線來感測(cè)指紋。

下圖是一個(gè)簡單的電容傳感器。該傳感器由一個(gè)或多個(gè)包含一組微小單元的半導(dǎo)體芯片組成。每個(gè)單元包括兩個(gè)覆蓋有絕緣層的導(dǎo)體板。這些單元很小——比手指上一個(gè)嵴紋的寬度還要小。

傳感器和積分器相連，積分器是在倒相運(yùn)算放大器附近的一個(gè)電路。倒相放大器是一個(gè)復(fù)雜的半導(dǎo)體設(shè)備，由許多晶體管、電阻器和電容器組成。其工作細(xì)節(jié)本身就可以寫篇文章，在此我們只是大致介紹它在電容掃描儀中的作用。（有關(guān)運(yùn)算放大器的技術(shù)概述，請(qǐng)查看此頁。）

像任何一種放大器一樣，倒相放大器也是根據(jù)一個(gè)電流的起伏來改變另一個(gè)電流的。具體來說，倒相放大器改變供給電壓。這些改變基于兩個(gè)輸入端（即倒相輸入端和非倒相輸入端）的相對(duì)電壓。非倒相輸入端接地，倒相輸入端與基準(zhǔn)電壓源和反饋回路相連。同樣，與放大器輸出端相連的反饋回路也有兩個(gè)導(dǎo)體板。

您可能已經(jīng)意識(shí)到，這兩個(gè)導(dǎo)體板形成一個(gè)基本電容器，即一個(gè)可以存儲(chǔ)電荷的電子元件（詳細(xì)信息請(qǐng)參見電容器工作原理）。手指的表面充當(dāng)?shù)谌齻€(gè)電容板，這個(gè)電容板被細(xì)胞單元結(jié)構(gòu)中的絕緣層所分離；而在指紋波谷的情況下，則充當(dāng)一袋空氣。改變電容板之間的距離（通過手指遠(yuǎn)離或靠近導(dǎo)體板實(shí)現(xiàn)）會(huì)改變電容器的總?cè)萘浚ù鎯?chǔ)電荷的能力）。由于這種特性，在嵴紋的情況下，單元中的電容器要比在波谷時(shí)有更大的容量。

要掃描手指，處理器首先關(guān)閉每個(gè)單元的復(fù)位開關(guān)，復(fù)位開關(guān)短接每個(gè)放大器的輸入和輸出以“平衡”積分電路。當(dāng)開關(guān)再次打開時(shí)，處理器將給積分電路一個(gè)固定的電輸出，電容器就會(huì)充電。反饋回路的電容器容量會(huì)影響放大器輸入的電壓，從而影響放大器的輸出。因?yàn)槭种傅木嚯x會(huì)改變?nèi)萘浚允种羔占y與手指波谷將產(chǎn)生不同的電壓。

掃描儀處理器讀取此輸出電壓并確定其是嵴紋還是波谷的特征。通過讀傳感器陣列中的每一個(gè)單元，處理器可以整理出指紋的整體圖像，這與光學(xué)掃描儀捕獲的圖像相似。

電容掃描儀的主要優(yōu)點(diǎn)是，它需要真實(shí)的指紋類型形狀，而不是組成指紋視覺印象的明暗模式。這使得這個(gè)系統(tǒng)更難被騙。此外，由于它們使用半導(dǎo)體芯片而不是CCD元件，因此電容掃描儀往往比光學(xué)掃描儀體積更小。

怎樣比較指紋？

在電影和電視節(jié)目中，自動(dòng)化指紋分析器經(jīng)常將不同的指紋圖像重疊在一起以尋找匹配圖像。這并不是比較指紋的實(shí)用方法。事實(shí)上，這種做法很少得到完美的圖像重疊，污跡便可能使得同一指印的兩幅圖像看起來很不同。另外，比較分析整個(gè)指紋圖像是否匹配往往會(huì)浪費(fèi)很多處理能力，也會(huì)使得竊取指紋數(shù)據(jù)更加容易。

與此相反，大部分指紋掃描儀只比較指紋的細(xì)節(jié)特征，即小花紋。通常，人類和計(jì)算機(jī)研究者專注于嵴紋線末端或?qū)⒁粭l嵴紋分開成兩部分（交叉）的點(diǎn)。這些點(diǎn)和其他突出的特征有時(shí)統(tǒng)稱為典型特征。

掃描儀系統(tǒng)軟件使用高度復(fù)雜的算法來識(shí)別和分析這些小花紋。基本思想是測(cè)量小花紋的相對(duì)位置，這與通過星星的相對(duì)位置來識(shí)別一部分天空的方法一樣。一個(gè)簡單的思考方法是看您在小花紋之間劃直線時(shí)各種小花紋形成的形狀。如果兩個(gè)指紋圖像有三個(gè)嵴紋末端和兩個(gè)交叉，以同樣的尺度形成同樣的形狀，則很可能它們是同一個(gè)指紋圖像。

要獲得匹配，掃描儀系統(tǒng)不必查看樣本和記錄中指紋圖像的全部小花紋，只需要確定兩個(gè)指紋圖像中有足夠數(shù)量的相同小花紋就行了。具體的數(shù)量根據(jù)掃描儀程序的不同而不同。

安全系統(tǒng)有很多方法可以證明某人是授權(quán)的用戶。大部分系統(tǒng)會(huì)檢查以下的一項(xiàng)或多項(xiàng)：

• 您擁有什么？
• 您知道什么？
• 您是誰？

要想通過“您擁有什么”系統(tǒng)，您需要某種“令牌”，例如一張有磁條的身份證。“您知道什么”系統(tǒng)需要您輸入密碼或PIN號(hào)碼。“您是誰”系統(tǒng)實(shí)際上是查看您表明自己身份的物理證據(jù)——特定的指紋、聲音或者虹膜圖案。

“您是誰”系統(tǒng)（如指紋掃描儀）相對(duì)于其他系統(tǒng)來說有很多的優(yōu)點(diǎn)。例如：

• 偽造物理特征比偽造身份證要難很多。
• 不可能像猜出密碼一樣猜測(cè)出指紋圖案。
• 不會(huì)像遺失出入卡一樣遺失指紋、虹膜或者聲音。
• 不會(huì)像忘記密碼一樣忘記指紋。

然而，雖然指紋掃描儀很有效，但不排除它們有出錯(cuò)的可能性。實(shí)際上它們確實(shí)有一些缺點(diǎn)。光學(xué)掃描儀不能每次都區(qū)分開指紋圖像和指紋本身，而電容掃描儀有時(shí)可能被一個(gè)指紋模型欺騙。如果某人獲得了某授權(quán)用戶的指紋，這個(gè)人就可以騙過掃描儀。最壞的情況，罪犯甚至可能砍下某人的手指以進(jìn)入掃描儀安全系統(tǒng)。一些掃描儀還有另外的脈沖和熱傳感器來檢測(cè)手指是否是真的，而不是一個(gè)模型或者肢解手指，但是這些系統(tǒng)甚至也可能被真實(shí)手指的明膠指紋模型欺騙。（此網(wǎng)站解釋了人們可能騙過掃描儀的各種方法。）

要使這些安全系統(tǒng)更可靠，一個(gè)不錯(cuò)的方法是：將傳統(tǒng)的認(rèn)證方法如密碼（同ATM需要銀行卡和PIN號(hào)碼一樣）與生物學(xué)分析法結(jié)合起來。

生物安全系統(tǒng)的真正問題是某人設(shè)法盜取身份信息時(shí)的損害范圍。如果遺失了信用卡或者無意中告訴了別人您的秘密PIN號(hào)碼，還可以辦理新的卡或者更改密碼。但是如果某人盜取了您的指紋，您的余生就真的很不幸了。您沒辦法得到新的指紋。因此，除非您能完全確定所有的副本已經(jīng)毀滅了，不然您就再也不能使用指紋作為一種身份識(shí)別形式。

盡管有這些重大缺點(diǎn)，指紋掃描儀和生物安全系統(tǒng)仍不失為身份識(shí)別的極好方法。將來，它們很有可能像今天的鑰匙、ATM卡和密碼一樣，成為每個(gè)人日常生活的必要部分。

[責(zé)任編輯：小敏]