指紋掃描儀工作原理

引言

幾十年來，計算機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，掃描儀已經開始在各處出現——警察局、戒備森嚴的建筑物甚至PC鍵盤。現在，您花費不到100美元就可以獲得一個個人USB指紋掃描儀。這樣，您的計算機就可以得到高科技生物安全技術的保護，也就是說，計算機不論用不用密碼，都需要本人獨一無二的指印才能進行訪問。

這項技術在法律執行和身份安全領域中已取得了令人激動的發展，本文將探究這種發展背后的秘密，并且還將比較指紋掃描儀安全系統與傳統的密碼和身份證系統，指出它們的不足。

指紋基礎知識

指紋是自然界的奇跡之一。人類因此恰好有了內置的、容易獲取的身份證。每個人的指尖都有一個僅代表他本人的獨特設計。這些是如何發生的？

人類手指的皮膚上有細小的嵴紋，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，這種特殊的適應對人類祖先極其有利。

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

因此，除了最開始決定基因結構的無數事件之外，還有數不清的環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，整個發展過程都很亂很隨機。實際上，在整個人類歷史的進程中，任何兩個人都不會有完全相同的指紋。

指紋是人類個體獨一無二的標志，長相相同的雙胞胎也不例外。匆匆一看，訓練有素的調查員或先進的軟件便可以發現兩個基本一樣的指印之間明確而又清晰的差異。

這是在犯罪調查和安全保衛工作中進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行比較。在以下幾節中，我們將介紹掃描儀是如何做到這些的。

光學掃描儀

指紋掃描儀系統有兩項基本工作：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。

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

光學掃描儀的核心部件是電荷耦合設備（CCD），這與數碼相機和攝像機中使用的光傳感器系統是相同的。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生電信號。每個光敏器件記錄一個像素，即一個代表射中該點的光束的微小圓點。明暗像素共同構成了掃描場景（例如一個手指）的圖像。通常，在掃描儀系統中有一個模數轉換器，用來處理模擬電子信號以產生該圖像的數字表現形式。有關CCD和數字轉換的詳細信息，請參見數碼相機工作原理。

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

在比較指紋與存儲數據之前，掃描儀處理器要確保CCD拍攝到了清晰的圖像。它會檢查像素暗度的平均值或者一個小樣本的整體值，如果圖像整體太暗或太亮，該次掃描便會被放棄。于是掃描儀調整曝光時間以允許更多或者更少的光線進入，再掃描一次。

如果暗度合適，掃描儀系統會繼續檢查圖像的清晰度（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。

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

電容掃描儀

像光學掃描儀一樣，電容指紋掃描儀產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指紋。

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

傳感器和積分器相連，積分器是在倒相運算放大器附近的一個電路。倒相放大器是一個復雜的半導體設備，由許多晶體管、電阻器和電容器組成。其工作細節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。（有關運算放大器的技術概述，請查看此頁。）

像任何一種放大器一樣，倒相放大器也是根據一個電流的起伏來改變另一個電流的。具體來說，倒相放大器改變供給電壓。這些改變基于兩個輸入端（即倒相輸入端和非倒相輸入端）的相對電壓。非倒相輸入端接地，倒相輸入端與基準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導體板。

您可能已經意識到，這兩個導體板形成一個基本電容器，即一個可以存儲電荷的電子元件（詳細信息請參見電容器工作原理）。手指的表面充當第三個電容板，這個電容板被細胞單元結構中的絕緣層所分離；而在指紋波谷的情況下，則充當一袋空氣。改變電容板之間的距離（通過手指遠離或靠近導體板實現）會改變電容器的總容量（存儲電荷的能力）。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有更大的容量。

要掃描手指，處理器首先關閉每個單元的復位開關，復位開關短接每個放大器的輸入和輸出以“平衡”積分電路。當開關再次打開時，處理器將給積分電路一個固定的電輸出，電容器就會充電。反饋回路的電容器容量會影響放大器輸入的電壓，從而影響放大器的輸出。因為手指的距離會改變容量，所以手指嵴紋與手指波谷將產生不同的電壓。

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單元，處理器可以整理出指紋的整體圖像，這與光學掃描儀捕獲的圖像相似。

電容掃描儀的主要優點是，它需要真實的指紋類型形狀，而不是組成指紋視覺印象的明暗模式。這使得這個系統更難被騙。此外，由于它們使用半導體芯片而不是CCD元件，因此電容掃描儀往往比光學掃描儀體積更小。

怎樣比較指紋？

在電影和電視節目中，自動化指紋分析器經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用方法。事實上，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，比較分析整個指紋圖像是否匹配往往會浪費很多處理能力，也會使得竊取指紋數據更加容易。

與此相反，大部分指紋掃描儀只比較指紋的細節特征，即小花紋。通常，人類和計算機研究者專注于嵴紋線末端或將一條嵴紋分開成兩部分（交叉）的點。這些點和其他突出的特征有時統稱為典型特征。

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

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

安全系統有很多方法可以證明某人是授權的用戶。大部分系統會檢查以下的一項或多項：

• 您擁有什么？
• 您知道什么？
• 您是誰？

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

“您是誰”系統（如指紋掃描儀）相對于其他系統來說有很多的優點。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出指紋圖案。
• 不會像遺失出入卡一樣遺失指紋、虹膜或者聲音。
• 不會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的可能性。實際上它們確實有一些缺點。光學掃描儀不能每次都區分開指紋圖像和指紋本身，而電容掃描儀有時可能被一個指紋模型欺騙。如果某人獲得了某授權用戶的指紋，這個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入掃描儀安全系統。一些掃描儀還有另外的脈沖和熱傳感器來檢測手指是否是真的，而不是一個模型或者肢解手指，但是這些系統甚至也可能被真實手指的明膠指紋模型欺騙。（此網站解釋了人們可能騙過掃描儀的各種方法。）

要使這些安全系統更可靠，一個不錯的方法是：將傳統的認證方法如密碼（同ATM需要銀行卡和PIN號碼一樣）與生物學分析法結合起來。

生物安全系統的真正問題是某人設法盜取身份信息時的損害范圍。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毀滅了，不然您就再也不能使用指紋作為一種身份識別形式。

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

[責任編輯：小敏]