第2章 传感器技术与嵌入式平台

2.2 指纹图像的获取
对指纹采集设备来讲，一般经过“感知手指”、 “图像拍照”“质量判断与自动调整”三个主要 过程。考虑到设备功耗，在无手指接触时，采集 设备处在休眠状态。当手指接触到采集设备时， 采集器会迅速感知到手指的接触并切换到工作状 态。对于半导体类指纹采集设备大多具有这种敏 锐的指纹察觉技术。有的时候还会根据手指特有 的生理表现，来判断是否为真实的手指，如果用 手背等其它肤纹来接触采集设备，会被拒绝。随 着活体采集技术的研究进展，指纹采集设备还会 判别是否为活体手指，这可以通过检测手指的活 体特性（如出汗、血液流动、导电性等）来实现。
指纹采集的过程本质上是指纹成像的过程。其原 理是根据嵴与峪的几何特性、物理特征和生物特 性的不同，以得到不同的反馈信号，根据反馈信 号的量值来绘成指纹图像。 指纹的几何特性是指在空间上嵴是突起的，峪是 凹下的。嵴与嵴相交、相连、分开会表现为一些 几何图案。 指纹的生物特性是指嵴和峪的导电性不同，与空 气之间形成的介电常数不同、温度不同等。 指纹的物理特性是指嵴和峪着力在水平面上时， 对接触面形成的压力不同、对波的阻抗不同等。
2.2.2 半导体电容采集技术
大规模集成电路 技术的快速发展， 对人们设计更小 化的更智能的传 感设备提供了条 件。半导体电容 采集技术就是一 个芯片式的集成 电路。在不足 0.5平方厘米的 面积上，可以布 满成千上万个半 导体阵列以及相 关控制电路和接 口电路。
指纹采集芯片内部构造
2.2.2 半导体电容采集技术
2.2.2 半导体电容采集技术
半导体电容指纹原理示意
2.2.3 半导体压感采集技术
半导体压感采集技术是通过感知半导体压敏介质材 料单元的形变来形成图像信号的。 半导体压感指纹采集设备表面，布满一系列微小压 敏介质单元。这些细小的单元，对外界压力的变化 感应非常敏感。当手指放置到指纹采集表面时，由 于指纹的嵴是凸起的，峪是凹下的，凸起部分就会 对压敏单元形成压力，并使压敏单元发生形变。由 于压敏单元形变之后，其电阻值会发生变化，从而 造成电压变化。凹下的峪没有在对应的单元产生压 力，所以其对应的电压值不会变生变化。通过不同 的电压值就可以形成指纹图案上嵴与峪的数字信息。 采用半导体压感采集技术的指纹采集设备目前逐渐 变少。
2.2.7 传感器简介
过去指纹传感器大多数是基于光学技术的 指纹传感器，这类传感器结构复杂，价格 昂贵，体积庞大，并且对手指和取像镜片 的要求较高，因此造成实际系统价格非常 昂贵。随着光电技术的发展，光学传感器 的价格和体积也开始大幅度下降。
2.7 传感器简介
90年代中期开始出现半导体指纹传感器， 最初，这类传感器采集的图像质量和光学 传感器有较大的差距，但是随着半导体技 术的进步，所采集的图像质量也越来越高， 现在这两类指纹传感器采集的图像质量差 距已经很小了。半导体传感器具有价格低、 体积小的优点，特别适合集成在普通的消 费电子产品中。
2.2 指纹图像的获取
指纹的嵴线与峪线
2.2 指纹图像的获取
指纹采集的方法有两种，一种是由指纹采集器件 主动向手指发出探测信号，然后分析反馈信号， 以形成指纹嵴与峪的图案。如光学采集和射频 （RF）采集属于主动式采集。 另一种是指纹采集器件是被动感应的方式。当手 指放置到指纹采集设备上时，因为指纹嵴和峪的 物理特性或生物特性的不同，会形成不同的感应 信号，然后分析感应信号的量值来形成指纹图案。 如热敏采集、半导体电容采集和半导体压感采集 属于第二种。
2.2.1 光学指纹图像采集技术
光学指纹采集原理示意
2.2.1 光学指纹图像采集技术
光学采集设备有着许多优势，它经历了长 时间实际应用的考验，能承受一定程度温 度变化，稳定性很好，并能提供分辨率为 500dpi、甚至1000dpi的图像。但其制造过 程一致性较难保证，所以其成本相对目前 大规模发展的半导体指纹采集技术来讲， 并无太多优势。
2.1 引言
国家标准GB7665-87对传感器下的定义是： “能感受规定的被测量并按照一定的规律转 换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元 件和转换元件组成”。传感器是一种检测装 置，能感受到被测量的信息，并能将检测感 受到的信息，按一定规律变换成为电信号或 其他所需形式的信息输出，以满足信息的传 输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。 它是实现自动检测和自动控制的首要环节。
2.2 指纹图像的获取
第一代指纹采集技术采用“按压留痕”的 方式来采集指纹，利用的是指纹“触物留 痕”的特性。这一时期主要通过“油墨－ 指纹卡”的方式采集。 第二代指纹采集技术采用自动化、数字化 的采集方式。指纹数据以数字信息表示和 存储。 我们主要介绍第二代指纹采集技术。
2.2 指纹图像的获取
2.2.6 其它指纹采集技术
光电采集原理示意
2.2.7 传感器简介
指纹传感器（又称指纹Sensor）是实现指 纹自动采集的关键器件。指纹传感器按传 感原理，即指纹成像原理和技术，分为光 学指纹传感器、半导体电容传感器、半导 体热敏传感器、半导体压感传感器、超声 波传感器和射频RF传感器等。 指纹识别系统技术的进步和指纹传感器技 术的发展密切相关。
半导体电容式指纹采集的原理：根据指纹的嵴和 峪与半导体电容感应颗粒形成的电容值大小不同， 来判断什么位置是嵴什么位置是峪。其工作过程 是通过对每个像素点上的电容感应颗粒预先充电 到某一参考电压。当手指接触到半导体电容指纹 表现上时，因为峭是凸起的峪是凹下，根据电容 值与距离的关系，会在嵴和峪的地方形成不同的 电容值。然后利用放电电流进行放电。因为嵴和 峪对应的电容值不同，所以其放电的速度也不同。 嵴下的像素(电容量高)放电较慢，而处于峪下的 像素(电容量低)放电较快。根据放电率的不同， 可以探测到嵴和峪的位置，从而形成指纹图像数 据。
2.2.4 热敏采集技术
半导体热敏采集原理示意
2.2.5 超声波采集技术
超声波指纹图像采集技术被认为是指纹采集技术 中最好的一种，但在指纹识别系统中还不多见， 成本较高，而且还处于实验阶段。超声波指纹取 像的原理是:当超声波扫描指纹的表面，紧接着接 收设备获取的其反射信号，由于指纹的嵴和峪的 声阻抗不同，导致反射回接受器的超声波的能量 不同，通过测量超声波能量大小，进而获得指纹 灰度图像。积累在皮肤上的脏物和油脂对超声波 取像影响不大。所以这样获取的图像是实际指纹 纹路凹凸的真实反映。
2.2.5 超声波采集技术
超 声 波 采 集 原 理 示 意
2.2.6 其它指纹采集技术
除了前面所讲的5种主要的指纹采集技术之 外，还有RF（射频）采集技术和光电采集 技术用于指纹采集。 RF采集技术是把射频信号发射到手指，手 指上嵴和峪对射频信号的产生一定的反馈， RF接收端接收反馈信号。因为嵴和峪的对 射频信号的干涉而不同，形成的反馈信号 量不同，根据接收到的信号量的不同可以 识别出哪个位置是嵴、哪个位置是峪。
第2章 传感器技术与嵌入式平台
鲁静
本章主要内容
2.1 引言 2.2 指纹图像的获取
一．指纹图像采集技术 二．指纹传感器相关原理介绍
2.3 指纹识别技术在手机上的应用
2.1 引言
指纹采集技术的发展经过了较长的历史时期。其 过程也受传感技术的发展影响和推动。指纹采集 技术有两种采集模式，一种是在被采集人已知的 状况下，实施的主动式采集。另一种是在被采集 人未知的状况下，如刑侦现场，通过各种化学的、 物理的方式显影指纹并采集的过程。这种方式一 般称为现场指纹提取，并涉及指纹分离的过程。 在生物特征识别中，可靠、廉价的图像采集设备 是系统运行正常、可靠的关键。
2.2 指纹图像的获取
“图像拍照”是采集过程的关键步骤。指纹采集器件以每 秒几十帧甚至几百帧的速度来产生指纹图像。对于主动 式采集的器件，会通过器件内部的控制电路发出探测信 号，如光、超声波，然后根据嵴与峪对探测信号的反馈 值的大小，来形成指纹图像。对于感应式采集的器件， 根据感应到的嵴与峪所形成的信号大小来绘制指纹图像。 每次形成的指纹图像，采集器件内部的控制系统会判断 图像质量。如果图像质量过低，不能达到预先设定的质 量要求，会通过AGC自动增益电路，增加探测信号或感 应信号的强度，以达到理想的取图效果。部分厂商的指 纹采集器件，在采集过程中，能针对干湿手指作自动适 应，以适应不同类型手指的用户。
由于采集面的形状不同，有的指纹采集器 件是方形，手指只要按上去，整个指纹都 可以一次性采集到。但目前市场上出现了 较多的线型刮擦式采集器件（也叫滑动 式），其宽度只有5mm左右，面积只有手 指的1/5，手指按压上去时，无法一次性采 集到完整图像。这类刮擦式指纹采集器件 在采集时需要手指划过采集表面，对手指 划过时采集到的每一块指纹图像再进行拼 接，才能形成完整的指纹图像。
2.2.1 光学指纹图像采集技术
光学指纹采集系统
2.2.1 光学指纹图像采集技术
光源光线照射到压有指纹的玻璃表面形成反射光 线，反射光线再经过凸镜聚焦后由CCD或者 CMOS去捕获成像。由于指纹的嵴和峪凹凸不同， 形成的反射光的量也就不同。光线经玻璃照射到 峪的地方后在玻璃与空气的界面发生全反射，光 线被反射到CCD或CMOS，而射向嵴的光线不发 生全反射，而是被嵴与玻璃的接触面吸收或者漫 反射到别的方向，这样CCD或CMOS就无法获得 这部分光线，从而形成了指纹嵴与峪的图像。
2.2.6 其它指纹采集技术
RF采集原理示意
2.2.6 其它指纹采集技术
光电采集技术的原理是基于光电成像技术 的。在光电采集表面是一种聚合物，这种 聚合物在合适的电压激励下可以发出散射 光。当手指放到聚合物表面时，其嵴与峪 对光的反射量不同，根据反射光的量值， 利用CCD或者CMOS成像机理，可以把指 纹图像显现出来。
2.2.3 半导体压感采集技术
半导体压感采集原理示意
2.2.4 热敏采集技术
在指纹采集技术中，半导体热敏采集是重 要的组成部分。半导体热敏材料对温度的 变化非常敏感，当指纹的嵴接触到微小的 热敏单元时，会把身体的体热传到热敏单 元。热敏单元由于温度的增高，其电阻值 会随之发生改变，从而电压值也有变化。 峪的部分没有接触到热敏单元，热敏单元 的温度保持不变，对应的电压值不会改变。 从电压值的变与不变，可以清楚的区分出 哪里是嵴哪里是峪，形成指纹图像。