指纹识别芯片基本原理与应用

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1、指紋識別技術 2 通訊研發技委會 HW-Comm職系技術交流論壇 主 題:指紋識別技術 簡報者: FIH LX-NJ / 張超 日 期: Nov- 17- 2015 3 報 告 綱 要 l 指紋識別基本原理 l 指紋識別設計風險 l 市場分析和產品比較 指紋識別基本原理應用背景 u 当今社会，电子设备和保密机构对更安全、更方便的身份认证和访问控 制的需求变得越来越紧迫。 u 传统的机械钥匙、“口令密码”以及智能卡等的保护措施存在着丢失 、遗忘、复制及被盗用的隐患 u 以电子商务、电子银行的安全认证为例，他人假冒当事人上网采购所造 成的欺诈案越来越多，并有孩子冒充家长上网采购的案例。 有学者推论

2、： 以全球60亿人口计算，300年内都不会有两个相 同的指纹出现。指纹被称为“物证之首”，安全可 靠。 指紋識別基本原理指紋學術語 指纹：手指第一节(手指尖一节)指头表面乳突纹线。 指印：手指第一节乳突线与承受客体接触时留下的印痕。 脊线：是手指上的特殊的皮肤花纹的隆线。 谷线：两个脊线之间低陷的部分。 细节特征：指纹中出现的各种特征。而根据其出现的概率及在处理过程中的 稳定性，我们最常采用的就是脊线端点和分叉点。 脊線分叉點 脊線端點 指紋識別基本原理指紋分類 指纹的分类方法其中最典型的是利用指纹奇异点(核心点和三角点)进行 分类，根据指纹奇异点的个数、类型和相对位置来确定指纹的基本类型。指

3、 纹分为六种主要的类型：拱形(arch)、帐型(tended arch)、左箕型(1eft loop)、右箕型(right loop)、双箕型(double whorl)和斗型(whorl)，如下 圖。 指紋識別基本原理全局特徵 1.模式区是指指纹上包括了总体特征的区域，即从模式区 就能够分辨出指纹是属于那一种类型的。有的指纹识别 算法只使用模式区的数据。 2.核心点位于指纹纹 路的渐进 中心，它在读取指纹和比对 指纹时 作为参考点。许多算法是基于核心点的，既只能处 理和识别 具有核心点的指纹。 3.三角点位于从核心点开始的第一个分叉点或者断点、或 者两条纹路会聚处、孤立点、折转处 ，或者指向

4、这些奇 异点。三角点提供了指纹纹 路的计数跟踪的开始之处。 4.指模式区内指纹纹 路的数量。在计算指纹的纹数时， 一般先在连接核心点和三角点，这条连线 与指纹纹 路相 交的数量即可认为 是指纹的纹数。 指紋識別基本原理局部特徵 局部特征是指指纹上的节点的特征，这些具有某种特征的节点称为 特征点。指纹纹路并不是连续的、平滑笔直的，而是经常出现中断、分 叉或打折。这些断点、分叉点和转折点就称为“特征点”。 两枚指纹经常会具有相同的总体特征，但它们的局部特征（特征点） ，却不可能完全相同。就是这些特征点提供了指纹唯一性的确认信息。 终结 点（Ending）：一条纹路在此终结 。 分叉点（Bifurc

5、ation）：一条纹路在此分开成两条或更多的纹路。 分歧点（Ridge Divergence）：两条平行的纹路在此分开。 孤立点（Dot or Island）：一条特别短的纹路，以至于成为一点。 环点（Enclosure）：一条纹路分开成为两条之后，立即有合并成为一条 ，这样 形成的一个小环称为环 点。 短纹（Short Ridge）：一端较短但不至于成为一点的纹路。 指紋識別基本原理指紋性質 1)確定性：指纹纹线的轮廓(纹型)和细节特征是基本不变的。 2)唯一性：由于指纹脊线的连接关系千变万化，因此，即使两个不同的 指纹有着相同的轮廓和相同数量的细节特征，它们的细节位置也是不可 能完全相同的

6、。 3)可分类性：指纹的纹型，中心点和三角点之间的脊线数，以及细节特 征 间的关系，都可作为分类的依据。 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 基於光學發射裝置發射的光線反射後獲取資料； 指紋識別技術電容感測器識別 利用指纹的脊和谷相对半导体的距离不同而造成电容值的不同 ，将其转化为电压记录下来就可以得到指纹的灰度图像。 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 通過感測器發射

7、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 由于硅晶体电电容传传感器的成本最低，体积积又小，因此得到了最为为广泛的应应用。 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 優點是：成本低、易集成，可採集大面積圖像，應用傳統的特徵 點算法 缺點是：需要客戶有一個連貫規範動作採集圖像，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。 優點是：按壓式的優點是客戶體驗好 缺點是：成本高，集成難度大，一次採集圖像面積相對較小，沒

8、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 指紋識別基本原理圖像預處理 1.在指纹识别 系统中，指纹图 像的预处 理是正确地进行特征提取、匹配 等操作的基础。 2.预处 理的目的就是利用信号处理的技术去除图像中的各种噪声干扰，把 它转化成一幅清晰的指纹图 像或二值的指纹图 像，恢复指纹的脊线结 构 ，以便可靠的提取正确的指纹特征。 3.预处 理是自动指纹识别 系统中的第一步，它的好坏直接影响着指纹识 别的效果。 为了便于进行特征提取，基于细节 特征点进行指纹匹配的预处 理比 较典型的过程是增强滤波、二值化和细化。 指紋識別基本原理圖像預處理 1.圖像增強濾波：指纹图像获

9、取时，由于噪音及压力不同等 的影响，将会导致两种破坏纹线的情况：断裂及叉连。 如断裂可能被认为是两个端点，而叉连可能被当作两个 分叉点。为了消除干扰及增强纹线，针对指纹纹线 具有较强 方向性的特点，我们采用了方向滤波算法对其进行增强，以 消除噪音、增强纹线、提高脊和谷之间的反差。 2. 指纹图像二值化：二值化是指将原灰度图变换为 只有黑和 白两种灰阶的图像，并对其进行消除噪音的后处理。这样可 大大压缩原指纹图像的数据量。因为指纹图像特点是脊、谷 相间，所以将其化为二值图后也有利于后续的特征提取。 3.细化：是将二值图的脊线宽度降为单个象素宽度的细化指 纹图。，且细化后的纹线近似处于原图的“中轴

10、”。在指纹的 自动识别过 程中，需要把二值指纹图进 行细化，可以大大减 少冗余的信息，突出指纹纹线 的主要特征，从而便于后面的 特征提取。 指紋識別基本原理特徵提取和匹配 1.指紋的特徵提取： 指纹图像经过预处 理之后，得到了清晰的细化二值图， 我们就可以在此基础上对其进行特征提取了。用位置、类型 和方向这几个参数描述细节特征，才能进行后续的存储或者 与已有的细节特征进行匹配。 2. 指纹特徵點的匹配： 指纹匹配问题转 化为点匹配问题，同一个手指的两幅样 本图像，由于按压时手指位置、方向和力度的不同，可能造 成指纹图像的平移、旋转和非线性形变，因此基于校准的匹 配算法理论简单 而又有效。 設計

11、風險 硬體、結構、軟體、安全、應用 指紋識別的關鍵指標 关键指标 识别速度 成像质量 宽容度 应用度电气特性 安全性 使用寿命 l 識別速度：指傳感器識別從接觸到識別出結果的時間； liphone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：軟體支援的應用種類多少 liPhone的指紋可以鎖手機、鎖應用、登錄雲，Apple Pay/支

12、付寶等應用 l 安全度：ARM TrustZone技術是在CPU裡增添一個安全區域隔離數據和應用，確保安全 按压式按压式 滑動式滑動式 V.S. 用户体验差 成本低、易集成、 可采集大面积图像 用户体验好、易用 成本较高、难集成， 采集图像面积小 滑動式和按壓式的區別 用户体验差 设计难度低 用户体验好 设计难度高 背面和正面的區別 V.S. 指纹识别应用 指纹 识别 解锁 支付 启动应 用 登陆 l 不保存用户指纹数据 l 只记录特征码模板 l 特征码在传输存储的时候采用加密算法 l 指纹模板数据只能写入和删除，不能读取和修改 l 采用ARM TrustZone安全技术，從硬件上隔离Soc和

13、软件 指纹识别安全機制 市场分析 产品应用，优 缺 点比较 20152017年全球智慧 終端機指紋識別晶片市場 規模及增長（按銷售量） 20132014年全球智慧終 端機指紋識別晶片市場規模 及增長（按銷售量） 指紋識別傳感器行業規模 指紋識別解決方案 l 被蘋果公司收購，專供蘋果產品 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，用於監測手指，啟動感測器和改善信噪 比。 AuthenTec iPhone系列 l 識別方案採用電容感測器的滑動式

14、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 Validity Galaxy S5 S5 & HTC One l MX4 Pro採用的是匯頂科技GT6618/28 l 放在HomeKey位置， l 採用按壓式指紋識別 l MTK的戰略合作夥伴 Goodix匯頂科技 魅族MX4 Pro l Mate 7採用的FPC公司的FPC1020模組； l 支持指紋解鎖、應用鎖和華為賬號 l 放在後蓋相機下方位置 l 採用按壓式指紋識別 Fingerprint Cards AB(FPC)華為Mate7 聯系人 張超 聯系電話572-60356 E-mail : chao.c. Super Notes : chao.c. 聯 系 方 式 Thank You!Thank You!