作者：武亭、徐德帅
指纹识别作为众多生物特征识别技术中的一种，主要利用了人的手指表皮纹路的不同，即纹路的脊线和谷线，由于每个人的指纹纹路图案、断点和交叉点上各不相同，且终生不变，所以指纹识别成为了众多生物识别技术中应用最广泛，发展最成熟的技术。
指纹识别的工作原理主要包括三个功能：指纹图像的读取、提取特征、指纹对比。这一技术广泛应用于可穿戴设备、智能手机、平板电脑等等设备上，常见的指纹识别技术分别是：光学式、电容式、超声波式。他们的工作原理大致遵循着这样的处理顺序，首先手指放在相应的传感器上，传感器通过探测某种物理量，然后转化为电学量形成指纹图像并提取相应的特征，最后通过指纹图像的对比完成指纹识别。
目前指纹识别在刑侦、反恐、国保、缉毒、治安等得到了广泛应用，日常生活中的手机、电脑、ATM、门禁以及打卡系统等等都广泛应用了指纹识别技术。下面我们详细介绍一下三种指纹识别技术的原理、优点以及缺点。
光学指纹识别
光学指纹识别是历史久远的一种指纹识别技术，首先将手指放在光学镜片上，内部光源射向手指表面，用棱镜将其投射到电荷耦合器件（CCD），光探测器接收到来自手指反射的光线，由于手指纹路的不同，反射回来的光的能量和角度不同，会形成脊线呈黑色、谷线呈白色的多灰度指纹图像。其示意图如下图所示：
光学指纹识别经过长时间的应用考验，可以达到较高的分辨率，而且光传感器价格低廉。但是光学指纹传感器对于光源的要求较高，并且足够长的光程意味着足够大的尺寸，过分干燥和油腻的手指也会影响指纹识别的性能。
遗留指印对于光学指纹识别的影响也是很大的，这会降低指纹图像的质量，严重的话两个指纹图像的重叠会使得指纹图像的质量下降，而且由于光不能穿过死性皮肤，导致光学指纹识别只能扫描手指表面的纹路信息，无法完成活体识别，安全性较差。光学传感器中的棱镜往往体积较大，这也严重限制了光学指纹识别的应用范围。
电容式指纹识别
将硅传感器作为电容的一个极板，手指表面作为另一个极板，首先提前对每个像素点上的电容颗粒充电到一定的电压，然后利用手指表面的脊线和谷线相对于平坦的硅传感器的电容差获得指纹图像。
这个过程中，当手指接触到硅传感器时。由于脊线是凸起，谷线是凹陷，根据电容值和距离的关系，在脊线处和谷线处会形成不同的电容值，之后利用放电电流进行放电，由于脊线处和谷线处的电容值不同，所以放电的速度也不同，根据放电量的不同，确定手指表面的脊线和谷线，从而推演出手指表面的纹路信息，形成指纹图像。之后通过微处理机提取指纹图像的关键特征，与数据库中的指纹图像进行对比，完成指纹识别 。其示意图如下图所示：
使用电容式指纹识别的好处是图像的质量高，畸变小，并且电子信号会穿过手指表面的死性皮肤，所以可以进行活体识别，大大提高了指纹识别的安全性。并且电容式指纹识别体积小，成本低，耗电量低，成像精度高。
但是电容式指纹识别也有其固有的缺点，高精度的指纹图像需要高密度的电容颗粒，这会大大提高成本。而且由于电容式指纹识别依赖于手指的脊线和谷线，如果手指表面沾染了污垢或者汗水等，会改变手指表面的纹路信息，导致识别不准确。而且电容式指纹识别的穿透能力也是有限的，这也限制了电容式指纹识别的应用范围。
超声波式指纹识别
超声波式指纹识别是一种新型技术，主要利用了超声波穿透材料的特性，超声波传感器主要由超声波发射层，超声波检测层，TFT电路构成。超声波发射层发出特定频率的超声波扫描手指，利用指纹纹路的不同，界面介质的声阻抗不同会导致超声波在界面处的回波能量大小不同，超声波检测层接收到的回波也不同，所以通过超声波传感器检测回波能量的差异所产生的电信号，从而判断手指纹路的脊线和谷线信息，完成指纹识别。其示意图如下图所示：
因为超声波指纹识别可以穿透材料，所以超声波指纹识别可以进行3D检测，这使得超声波指纹识别的安全系数大大提高，而且超声波频率使用的是对于人体无害的频率，对于人体手指的清洁程度的要求也不高，识别的精度高，是一种很有发展前景的指纹识别方式。
但是超声波式指纹识别也并不是没有缺点，超声波式指纹识别的成本较高，并且没有光学式和电容式反应敏捷，而且和一些材料的保护膜不能很好的兼容，这些都会限制超声波式指纹识别的精度。
综合光学式、电容式、超声波式指纹识别，他们各有利弊，电容式指纹识别目前应用最广泛，但是超声波式指纹识别的安全系数最高，光学指纹识别虽然成本最低，但是无论是安全系数还是识别性能都较差，在目前的这些指纹识别方式中，超声波式指纹识别还是有着广阔的发展前景的。
参考文献：来源：21dB声学人 中科院声学所苏州电声产业化基地旗下科技媒体
[1]李孝君.指纹识别技术的前世今生[J].中国机关后勤,2021(04):64-66.[2]任毅. 指纹识别系统的研究和实现[D].南京邮电大学,2019.
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