3 嵌入式指纹识别系统的光学设计_周静

第３５卷　第４期２０１３年８月光　学　仪　器ＯＰＴＩＣＡＬ　ＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＳＶｏｌ．３５，Ｎｏ．４Ａｕｇｕｓｔ，２０１３ 文章编号：１００５－５６３０（２０１３）０４－００３４－０４＊收稿日期：２０１２－１２－０３作者简介：周　静（１９８８－），女，海南海口人，硕士研究生，主要从事光学工程方面的研究。

嵌入式指纹识别系统的光学设计＊周　静，杨　波，董世坤（上海理工大学光电信息与计算机工程学院，上海　２０００９３）摘要：利用人体指纹具有的唯一性，指纹识别系统越来越多地用于各种机密系统，同时，随着嵌入式指纹识别系统的快速发展，其正倾向于变得更小巧、轻便。

因此，研制体积小、识别率高的指纹识别系统已经成为了嵌入式指纹识别领域的趋势。

通过分解光焦度的设计方法、采用双高斯的对称光学成像结构、利用Ｓｃｈｅｉｍｐｆｌｕｇ条件设计指纹识别系统，其体积是在市面上现有产品体积的基础上减小了５０％，且可以嵌入到考勤机，保险柜，二代身份证等等系统当中。

在缩小体积的同时也提高了指纹识别系统的识别率。

由于这种指纹识别系统体积小、识别率高、易加工等各种优点，很有普及价值。

关键词：光学设计；嵌入式；指纹识别；双高斯中图分类号：Ｏ　４３５．２　文献标识码：Ａ　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００５－５６３０．２０１３．０４．００７Ｔｈｅ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｄｅｓｉｇｎ　ｆｏｒ　ｅｍｂｅｄｄｅｄ　ｆｉｎｇｅｒｐｒｉｎｔ　ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍＺＨＯＵ　Ｊｉｎｇ，ＹＡＮＧ　Ｂｏ，ＤＯＮＧ　Ｓｈｉｋｕｎ（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｏｐｔｉｃａｌ－Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ａｎｄ　Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｈａｎｇｈａｉ　ｆｏｒＳｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２０００９３，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｉｎｇｅｒｐｒｉｎｔ　ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｌｙ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｖａｒｉｏｕｓ　ｃｏｎｆｉｄｅｎｔｉａｌ　ｓｙｓｔｅｍｓｂｅｃａｕｓｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｕｎｉｑｕｅｎｅｓｓ　ｆｏｒ　ｈｕｍａｎ　ｆｉｎｇｅｒｐｒｉｎｔ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｔｈｅ　ｆｉｎｇｅｒｐｒｉｎｔ　ｓｙｓｔｅｍ　ｔｅｎｄｓ　ｔｏｂｅ　ｍｏｒｅ　ｓｍａｌｌ－ｓｉｚｅｄ　ａｎｄ　ｍｏｒｅ　ｐｏｒｔａｂｌｅ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｆａｓｔ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｅｍｂｅｄｄｅｄ　ｆｉｎｇｅｒｐｒｉｎｔｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍｓ．Ｈｅｎｃｅ，ａ　ｆｉｎｇｅｒｐｒｉｎｔ　ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｗｉｔｈ　ｓｍａｌｌｅｒ　ｓｉｚｅ　ａｎｄ　ｂｅｔｔｅｒｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ　ｈａｓ　ｂｅｃｏｍｅ　ｔｈｅ　ｔｒｅｎｄ．Ｔｈｒｏｕｇｈ　ｄｉｖｉｄｉｎｇ　ｆｏｃａｌ　ｐｏｗｅｒ，ｄｏｕｂｌｅ　Ｇａｕｓｓ，ａｓ　ｗｅｌｌ　ａｓＳｃｈｅｉｍｐｆｌｕｇ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ，ａ　ｎｅｗ　ｐｒｏｄｕｃｔ　ｗｉｔｈ　５０％ｓｉｚｅ　ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ　ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｗｉｔｈ　ｏｔｈｅｒ　ｅｘｉｓｔｉｎｇｐｒｏｄｕｃｔｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｍａｒｋｅｔ　ｉｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ，ｗｈｉｃｈ　ｃａｎ　ｂｅ　ｅｍｂｅｄｄｅｄ　ｉｎｔｏ　ｏｔｈｅｒ　ｓｙｓｔｅｍｓ　ｓｕｃｈ　ａｓａｔｔｅｎｄａｎｃｅ　ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ，ｓａｆｅｔｙ　ｂｏｘ，ＩＤ　ｃａｒｄ　ａｎｄ　ｓｏ　ｏｎ．Ｉｎ　ａｄｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｅ　ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ　ａｎｄｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ａｒｅ　ａｌｓｏ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ．Ｗｉｔｈ　ｓｕｃｈ　ｍｅｒｉｔｓ，ｔｈｅ　ｆｉｎｇｅｒｐｒｉｎｔ　ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｅｎｊｏｙｓ　ａ　ｈｉｇｈｅｒｐｒａｃｔｉｃａｌ　ｖａｌｕｅ．Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｏｐｔｉｃａｌ　ｄｅｓｉｇｎ；ｅｍｂｅｄｄｅｄ；ｆｉｎｇｅｒｐｒｉｎｔ　ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ；ｄｏｕｂｌｅ　Ｇａｕｓｓ引　言指纹识别技术是目前最成熟且价格便宜的生物特征识别技术，利用了人的指纹具有唯一性和稳定性的特征，即每个人的指纹都与别人不同、且终身不变。

因此可以通过指纹识别系统提取一个人的指纹图　第４期周　静，等：嵌入式指纹识别系统的光学设计像，通过比较他的指纹和预先保存的指纹进行比较，就可以验证这个人的真实身份。

目前指纹识别系统在门禁、考勤系统、保险箱、笔记本、手机、银行支付等方面有着广泛的应用。

随着市场的发展和科技的进步，出于对个人信息的机密性和便携性的双重考虑，身份证、支付通等将会需要加入个体的指纹信息，这样对小型的指纹识别系统提出了越来越高的要求。

本文就是在这一市场需求下，设计出一款更加小型的指纹识别系统，并进一步提高它的分辨率，使它能够嵌入到别的系统中，在安全性、机密性、灵活性上发挥更大的作用。

１　指纹识别系统１．１　指纹特征指纹由于其具有终身不变性、唯一性和方便性，已几乎成为生物特征识别的代名词。

指纹是指人的手指末端正面皮肤上凸凹不平产生的纹线。

纹线有规律的排列形成不同的纹型。

纹线的起点（如图１所示）、终点、结合点、分叉点（如图２所示）和短纹（如图３所示），称为指纹的细节特征点。

两枚指纹经常会具有相同的总体特征，但它们的细节特征，却不可能完全相同。

指纹纹路并不是连续的、平滑笔直的，而是经常出现中断、分叉或转折。

这些断点、分叉点和转折点就称为＂特征点＂，就是这些特征点提供了指纹唯一性的确认信息。

图４　指纹成像原理图Ｆｉｇ．４　Ｔｈｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ｆｉｎｇｅｒｐｒｉｎｔ　ｉｍａｇｅ１．２　指纹图像采集原理利用光学原理得到的指纹识别系统因为图像质量高并且成本低而早已经有了很多的应用领域，所以技术比较成熟。

它的主要依据是光的全反射原理。

图４为指纹成像原理图，当一束光照射到棱镜平台上的手指时，这束光的反射光被图像传感器所感应，反射光的属性与手指的脊线、谷线之间的深度以及皮肤之间的油脂、水分层息息相关。

指纹凸起处（也就是“脊”）由于汗液或者油脂接触到棱镜，汗液的折射率与水接近为１．３３左右，根据光线全反射原理，此处不满足光线全反射，发生散射或者漫反射到别的地方。

光线经棱镜射到指纹“谷”处不与棱镜接触的地方，光线发生全反射。

这样就在ＣＭＯＳ传感器上形成了一个高对比的指纹图像［１］。

１．３　指纹识别系统指纹识别系统主要由前端的光学成像部分和后端的程序电路两大部分组成。

得到高质量的指纹图像则是整个指纹识别系统的关键，而对提高整个系统性能有重要作用的指纹图像的算法处理，是对系统后续的电路部分提出了要求［２］。

文献［３］和文献［４］分别研究了如何来减小外界环境对整体指纹识别系统的影响，例如：人体的干、湿、磨损手指对系统的影响以及对如何增强系统的活体识别能力给出了相关的方法［５］。

指纹图像的读取是比较重要的一项［６］，而本文就是在这样的指导思想下，来进行指纹识别系统的光学设计。

·５３· 光　学　仪　器第３５卷　２　设计过程２．１　设计思路本文的主要目的是在市面上现有产品的基础上缩小其体积，由于人体指纹是不变的，所以原系统的视场保持不变，这样在视场不变的条件下减小系统体积会带来系统各种像差的增大，影响最终系统图像质量的下降。

所以为了在减小体积的同时得到较好识别率的图像，本文采用反远距的光学系统结构，即在棱镜和光阑之间加入负透镜来减小系统体积。

加入负透镜后在减小了系统体积的同时，也使经过负透镜的光线的偏转角变大，这样会导致系统的各种像差加大。

为了减小由于光线入射角增大而增加的各种像差，本文尝试在负透镜后面增加透镜（如图５所示），这样通过在几个元件之间分解光焦度的方法，可以减小每个表面上光线的入射角，使得近轴光线与实际光线之间的偏差减小，从而减小像差［７］。

图５　光焦度分解Ｆｉｇ．５　Ｄｉｖｉｄｉｎｇ　ｆｏｃａｌ　ｐｏｗｅｒ图６　Ｓｃｈｅｉｍｐｆｌｕｇ条件Ｆｉｇ．６　Ｓｃｈｅｉｍｐｆｌｕｇ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ 指纹识别系统对图像的畸变要求很高，由于指纹是放在棱镜的斜面上，所以在设计的过程中，要把物面设计成一个倾斜的平面，但是这样会引入梯形畸变［８］，对系统的成像质量会产生很大的影响，有很多的相关文献［９］研究如何来减小这种系统的畸变。

本文为了减小系统畸变，设计了满足Ｓｃｈｅｉｍｐｆｌｕｇ条件的无畸变系统，即物面、等效薄透镜平面和像面必须交于同一点，如图６所示。

所以相应的像面也是一个倾斜的平面，如图７和图８所示（图中像面倾斜１．５０６　１°）图７　二维指纹识别光学系统Ｆｉｇ．７　２Ｄｆｉｎｇｅｒｐｒｉｎｔ　ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｓｙｓｔｅｍ图８　三维指纹识别光学系统Ｆｉｇ．８　３Ｄｆｉｎｇｅｒｐｒｉｎｔ　ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｓｙｓｔｅｍ 通过图７可以看出，通过负透镜缩小了系统结构，其后加入的２片透镜是用来减小偏转角，达到减小像差的目的［１０］。

结果表明，由这种设计思路得到的指纹识别系统在达到体积减小５０％的同时，也能得到较好的图像识别率。

·６３·　第４期周　静，等：嵌入式指纹识别系统的光学设计图９　点列图Ｆｉｇ．９　Ｓｐｏｔ　ｄｉａｇｒａｍ图１０　系统ＭＴＦＦｉｇ．１０　Ｓｙｓｔｅｍ　ＭＴＦ２．２　设计成果由图９和图１０可以看出，按照本文所述的设计思路得到的指纹识别系统实现了在系统体积缩小的前提下得到了成像良好的像质，系统球差控制在０．０００　１４３ｍｍ左右，彗差控制在０．００６　３９８ｍｍ左右，其余各项像差也得到了很好的矫正。

如图９所示，该系统点列图结果比较理想，而且有较优良的系统ＭＴＦ值，这样在实际的应用中，如果遇到纹理不是很清晰或者有破损的手指等（如图１０所示）情况，这种指纹采集系统也能得到手指的特征。

文中设计的指纹识别光学系统的各项设计参数如表１所示，表２是现在市面上的指纹识别系统的参数。

其中的设计参数包括：系统总长（ＯＡＬ）、有效焦距（ＥＦＬ）、相对照度、所使用的ＣＭＯＳ尺寸大小、像方Ｆ数以及视场等。

通过比较表１和表２，可以看出，本文设计的指纹识别系统在体积减小５０％的同时，得到像质较好的图像，系统的相对照度也能得到较好的结果。

表１　文中指纹识别系统参数Ｔａｂ．１　Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｉｎｇｅｒｐｒｉｎｔ　ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｎ　ｑｕｅｓｔｉｏｎ参数总长有效焦距物方数值孔径最大视场近轴像高主波长值／ｍｍ　２６　１８．２７　０．０１１　９．０６　０．７１９　６　０．６３表２　市面上产品的指纹识别系统参数Ｔａｂ．２　Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｆ　ｅｘｉｓｔｉｎｇ　ｆｉｎｇｅｒｐｒｉｎｔ　ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｍａｒｋｅｔ参数总长有效焦距物方数值孔径最大视场近轴像高主波长值／ｍｍ　５０．６０　１８．４４　０．０２　８．８９　１．３１　０．６５３　结　论在本文的设计中，物体大小不变，单纯的减小体积必然会带来各种像差的急剧增大，从而影响最后提取到的图像的清晰度，然而指纹识别系统对图像清晰度有很高的要求，本文通过采用分解光焦度的方法来减小像差，在结构上采用反远距型的结构［１１］。