什么是指紋識別
指紋識別是通過解析系統(tǒng)響應(yīng)的信息來判斷系統(tǒng)身份的技術(shù)。有些時侯，會發(fā)送出一些意外的數(shù)據(jù)組合而觸發(fā)系統(tǒng)做出響應(yīng)。
指紋識別的原理
指紋是手指末端正面皮膚上凸凹不平產(chǎn)生的紋路。盡管指紋只是人體皮膚的小部分，但是，它蘊涵著大量的信息。指紋特征可分為兩類：總體特征和局部特征?？傮w特征指那些用人眼直接就可以觀察到的特征，包括基本紋路圖案、模式區(qū)、核心點、三角點、式樣線和紋線等?；炯y路圖案有環(huán)形、弓形、螺旋形。局部特征即指紋上節(jié)點的特征，這些具有某種特征的節(jié)點稱為特征點。兩枚指紋經(jīng)常會具有相同的總體特征，但它們的局部特征——特征點，卻不可能完全相同。指紋上的特征點，即指紋紋路上的終結(jié)點、分叉點和轉(zhuǎn)折點。
指紋識別技術(shù)通常使用指紋的總體特征如紋形、三角點等來進(jìn)行分類，再用局部特征如位置和方向等來進(jìn)行用戶身份識別。通常，首先從獲取的指紋圖像上找到“特征點”（minutiae），然后根據(jù)特征點的特性建立用戶活體指紋的數(shù)字表示——指紋特征數(shù)據(jù)（一種單向的轉(zhuǎn)換，可以從指紋圖像轉(zhuǎn)換成特征數(shù)據(jù)但不能從特征數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成為指紋圖像）。由于兩枚不同的指紋不會產(chǎn)生相同的特征數(shù)據(jù)，所以通過對所采集到的指紋圖像的特征數(shù)據(jù)和存放在數(shù)據(jù)庫中的指紋特征數(shù)據(jù)進(jìn)行模式匹配，計算出它們的相似程度，最終得到兩個指紋的匹配結(jié)果，根據(jù)匹配結(jié)果來鑒別用戶身份。由于每個人的指紋不同，就是同一人的十指之間，指紋也有明顯區(qū)別，因此指紋可用于身份鑒定。
指紋識別技術(shù)主要涉及四個功能：讀取指紋圖像、提取特征、保存數(shù)據(jù)和比對。首先。通過指紋讀取設(shè)備讀取人體指紋的圖像，取到指紋圖像之后，要對原始圖像進(jìn)行預(yù)處理。其次，用指紋辨識軟件建立指紋的數(shù)字表示特征數(shù)據(jù)，是一種單方向的轉(zhuǎn)換，可以從指紋轉(zhuǎn)換成特征數(shù)據(jù)但不能從特征數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成為指紋，而兩枚不同的指紋不會產(chǎn)生相同的特征數(shù)據(jù)。軟件從指紋上找到被稱為“節(jié)點”的數(shù)據(jù)點，也就是那些指紋紋路的分叉、終止或打圈處的坐標(biāo)位置，這些點同時具有七種以上的唯一性特征。因為通常手指上平均具有70個節(jié)點，所以這種方法會產(chǎn)生大約500個數(shù)據(jù)。有的算法將節(jié)點和方向信息組合產(chǎn)生了更多的數(shù)據(jù)，這些方向信息表明了各個節(jié)點之間的關(guān)系，也有的算法還處理整幅指紋圖像。總之，這些數(shù)據(jù)，通常稱為模板，保存為1KB大小的記錄。最后，通過計算機(jī)模糊比較的方法，把兩個指紋的模板進(jìn)行比較，計算出它們的相似程度，最終得到兩個指紋的匹配結(jié)果。
? ? ? ? 指紋識別的過程
指紋識別技術(shù)一般涉及指紋圖像采集、指紋圖像處理、細(xì)節(jié)匹配等過程，其流程圖如圖1所示。
圖1中，細(xì)節(jié)匹配又包括指紋圖像的特征提取、保存數(shù)據(jù)、特征值的匹配等過程。
首先，通過指紋讀取設(shè)備讀取人體指紋的圖像，并對原始圖像進(jìn)行初步處理，使之更清晰。然后，運用指紋識別算法建立指紋的數(shù)字表示——特征數(shù)據(jù)，這是一種單方向的轉(zhuǎn)換，只能從指紋轉(zhuǎn)換到特征數(shù)據(jù)。特征文件存儲的是從指紋圖像上找到的被稱為“細(xì)節(jié)點（Minutiae）”的數(shù)據(jù)點，也就是那些指紋紋路的分叉點或者末梢點。這時算法會處理整幅指紋圖像或其中部分圖像。這些數(shù)據(jù)通常稱為模板，保存為1KB大小的記錄。最后，通過計算機(jī)模糊比較的方法，把兩個指紋的模板進(jìn)行比較，計算出它們的相似程度，最終得到兩個指紋的匹配結(jié)果。
1．指紋圖像的獲取
指紋圖像的采集是自動指紋識別系統(tǒng)的重要組成部分。早期的指紋采集都是通過油墨按壓在紙張上產(chǎn)生的。20世紀(jì)80年代，隨著光學(xué)技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代化的采集設(shè)備開始出現(xiàn)。
傳感器是一種能把物理量或化學(xué)量變成便于利用的電信號的器件。在測量系統(tǒng)中它是一種前置部件，它是被測量信號輸入后的第一道關(guān)口，是生物認(rèn)證系統(tǒng)中的采集設(shè)備。
這些傳感器根據(jù)探測對象的不同，可分為光學(xué)傳感器、熱敏傳感器和超聲傳感器；根據(jù)器件的不同，可分為CMOS器件傳感器和CCD器件傳感器。它們的工作原理都是：將生物特征經(jīng)過檢測后轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)可以識別的圖像信息。在生物認(rèn)證系統(tǒng)中，可靠和廉價的圖像采集設(shè)備是系統(tǒng)運行正常、可靠的關(guān)鍵。
2．指紋圖像的增強
采集獲得的指紋圖像通常都伴隨著各種各樣的噪聲：一部分是由于采集儀器造成的，如采集儀器上有污漬，參數(shù)設(shè)置不恰當(dāng)?shù)?；另外一部分是由于手指的狀態(tài)造成的，如手指過干、過濕、傷疤、脫皮等。第一類噪聲相對來說是固定的系統(tǒng)誤差，比較容易恢復(fù)。第二類噪聲與個體手指密切相關(guān)，較難恢復(fù)。指紋增強在指紋圖像的識別過程中是最為重要的一環(huán)，這部分算法的優(yōu)劣將對整個系統(tǒng)產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。
采集到的指紋圖像要經(jīng)過預(yù)處理。預(yù)處理指的是在指紋圖像進(jìn)行增強之前使用一些簡單的圖像處理手段對圖像進(jìn)行初加工的過程。常見的預(yù)處理方法如下：
（1）采用灰度的均衡化，可以消除不同圖像之間對比度的差異。
?。?）使用簡單的低通濾波消除斑點噪聲、高斯噪聲。
?。?）計算出圖像的邊界，進(jìn)行圖像的裁剪，這樣可以減少多余的計算量，提高系統(tǒng)的速度。
指紋圖像的增強就是對指紋圖像采用一定的算法進(jìn)行處理，使其紋線結(jié)構(gòu)清晰化，盡量突出和保留固有的特征信息，避免產(chǎn)生偽特征信息，其目的是保證特征信息提取的準(zhǔn)確性和可靠性。常用圖像增強算法具體包括以下幾種：
?。?）基于傅里葉濾波的低質(zhì)量指紋增強算法；
?。?）基于Gabor濾波的增強方法；
?。?）多尺度濾波方法；
（4）改進(jìn)的方向圖增強算法；
?。?）基于知識的指紋圖像增強算法；
?。?）非線性擴(kuò)散模型及其濾波方法；
?。?）改進(jìn)的非線性擴(kuò)散濾波方法。
另外，指紋圖像的分割也是預(yù)處理階段非常重要的一個步驟。對一些光學(xué)儀器采集到的指紋，分割相對容易；對一些電容傳感器采集到的指紋圖像，分割則比較困難。
目前最新的分割算法有以下幾種：
（1）基于正態(tài)模型進(jìn)行的指紋圖像分割算法；
（2）基于馬爾科夫隨機(jī)場的指紋圖像分割算法；
?。?）基于數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)閉運算的灰度方差法；
?。?）基于方向場的指紋圖像分割算法。
3．指紋特征的提取
指紋特征的提取是基于指紋特征來進(jìn)行的。用計算機(jī)語言完整地描述穩(wěn)定而又有區(qū)別的指紋特征是實現(xiàn)自動指紋識別的一個關(guān)鍵問題，選擇什么特征及如何表示既關(guān)乎指紋本身的特點，又與具體的指紋匹配算法密切聯(lián)系。某種提取指紋的算法在什么情況下才能達(dá)到最佳的識別效果是人們關(guān)心的問題，因此應(yīng)選擇一組好的特征，這些特征不僅能夠達(dá)到身份識別的基本要求，而且對噪聲、畸變和環(huán)境條件不敏感。
近年來，新的指紋特征提取算法主要包括以下幾種：
（1）基于Gabor濾波方法對指紋局部特征的提取算法。
?。?）基于CNN通用編程方法對指紋特征的提取算法。
?。?）基于IFS編碼的圖像數(shù)字化技術(shù)，即建立IFS模型，計算源圖像與再生圖像之間的相似性，快速提取指紋圖像的特征。
?。?）基于脊線跟蹤的指紋圖像特征點提取算法。該算法可以直接從灰度指紋圖像中有效提取細(xì)節(jié)點和脊線骨架信息。
?。?）基于小波變換和ART（自適應(yīng)共振理論）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的指紋特征提取算法。
4．指紋圖像的分類與壓縮
利用指紋技術(shù)識別一個人的時候，需要將他的指紋與數(shù)據(jù)庫中的所有指紋作比較才能做出判斷。在某些民用或者刑偵場合，數(shù)據(jù)庫可能非常大，在這種情況下，識別需要耗費很長的時間，從而降低了識別技術(shù)的可用性。這一問題可以通過減少必須執(zhí)行的匹配次數(shù)以提高速度來解決。在某些情況下，加入與個體相關(guān)的信息（諸如性別、年齡等）能顯著降低搜索數(shù)據(jù)庫的范圍，然而這些信息并不總是存在的。通常的策略是將指紋數(shù)據(jù)庫劃分成幾個子類，這樣指紋識別時只需將此類指紋與數(shù)據(jù)庫中同一類的指紋作比較，這就是指紋分類技術(shù)。指紋分類就是研究如何以穩(wěn)定而可靠的方式將指紋劃為某一類別。
常用的指紋分類技術(shù)有以下幾種：
?。?）基于規(guī)則的方法，即根據(jù)指紋奇異點的數(shù)目和位置分類。
?。?）基于句法的方法。這種方法的語法復(fù)雜，推導(dǎo)語法的方法復(fù)雜、不固定。這種方法已經(jīng)逐漸被淘汰了。
?。?）結(jié)構(gòu)化的方法，即尋找低層次的特征到高層次的結(jié)構(gòu)之間相關(guān)聯(lián)的組織。
?。?）統(tǒng)計的方法。
?。?）結(jié)合遺傳算法和BP神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的方法。
?。?）多分類器方法。
指紋壓縮技術(shù)也是自動指紋識別系統(tǒng)中的一項重要技術(shù)。在大量的指紋庫中，為了節(jié)省存儲空間，必須對指紋圖像進(jìn)行壓縮儲存，使用時再進(jìn)行解壓縮。圖像壓縮編碼的目的是以盡量少的比特數(shù)表示圖像，同時保持原圖像的質(zhì)量，使它符合預(yù)定應(yīng)用場合的要求。
常用的壓縮算法有以下兩種：
?。?）圖像壓縮編碼方法：包括無損壓縮（熵編碼）和有損壓縮（量化）。
?。?）基于小波變換的指紋壓縮算法：包括WSQ算法、DjVu算法、改進(jìn)的EZW算法等。
指紋壓縮方法在很大程度上得益于圖像壓縮領(lǐng)域的發(fā)展。相信在不久的將來，指紋壓縮技術(shù)將為指紋識別技術(shù)在大容量數(shù)據(jù)庫級別上的應(yīng)用提供更有利的支持。
5．指紋圖像的匹配
指紋圖像匹配指的是通過對兩個指紋特征集之間的相似性進(jìn)行比較來判斷對應(yīng)的指紋圖像是否來自于同一手指的過程，它是一種非常經(jīng)典而又亟待解決的模式識別問題。
傳統(tǒng)的指紋匹配算法有很多種，例如：
?。?）基于點模式的匹配方法：如基于Hough變換的匹配算法、基于串距離的匹配算法、基于N鄰近的匹配算法等。
?。?）圖匹配及其他方法：如基于遺傳算法的匹配、基于關(guān)鍵點的初匹配等。
（3）基于紋理模式的匹配：如PPM匹配算法等。
（4）混合匹配方法等。
近幾年，又出現(xiàn)了如下新的匹配算法：
?。?）基于指紋分類的矢量匹配。該法首先利用指紋分類的信息進(jìn)行粗匹配，然后利用中心點和三角點的信息進(jìn)一步匹配，最后以待識別圖像和模板指紋圖像的中心點為基準(zhǔn)點，將中心點與鄰近的36個細(xì)節(jié)點形成矢量，于是指紋的匹配就轉(zhuǎn)變?yōu)槭噶拷M數(shù)的匹配。
（2）基于PKI（Public Key Infrastructure，公鑰基礎(chǔ)設(shè)施）的開放網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的指紋認(rèn)證系統(tǒng)。
?。?）實時指紋特征點匹配算法。該算法的原理是：通過由指紋分割算法得到圓形匹配限制框和簡化計算步驟來達(dá)到快速匹配的目的。
?。?）一種基于FBI（Federal Bureauof Investigation）細(xì)節(jié)點的二次指紋匹配算法。
?。?）基于中心點的指紋匹配算法。該算法利用奇異點或指紋有效區(qū)域的中心點尋找匹配的基準(zhǔn)特征點對和相應(yīng)的變換參數(shù)，并將待識別指紋相對于模板指紋作姿勢糾正，最后采用坐標(biāo)匹配的方式實現(xiàn)兩個指紋的比對。
指紋識別系統(tǒng)
指紋識別系統(tǒng)主要由指紋取像、預(yù)處理、特征提取、比對、系統(tǒng)管理和數(shù)據(jù)庫管理幾部分組成（如圖2所示）。對于警用的指紋識別系統(tǒng)還包括結(jié)果證實和圖像數(shù)據(jù)壓縮兩部分，主要是將指紋圖像保存下來以供指紋專家觀看，從而最終判斷找到的指紋與輸入的指紋是否匹配來確定罪犯的身份。
數(shù)據(jù)庫管理主要負(fù)責(zé)存儲已提取的指紋特征信息和參與指紋的比對。一般的自動識別系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫只含有指紋的特征信息，并不包含指紋圖像，也不能由存儲的特征數(shù)據(jù)恢復(fù)成指紋圖像。警用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫可以包含指紋壓縮圖像以及與前兩類數(shù)據(jù)相應(yīng)的罪犯的文本信息。系統(tǒng)管理主要負(fù)責(zé)調(diào)度和協(xié)調(diào)各模塊的工作，并處理可能出現(xiàn)的故障以確保自動指紋識別系統(tǒng)能夠順利工作。
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? ? ? ? 而2016年對手機(jī)指紋產(chǎn)業(yè)來說是非常關(guān)鍵的一年。這一年不僅指紋芯片產(chǎn)業(yè)上下游供應(yīng)鏈日漸成熟，硬軟件體驗大幅提升，而且用戶接受度和使用頻率迅速提升。品牌手機(jī)廠商也已經(jīng)將其普及到銷量最大千元機(jī)市場。
有數(shù)據(jù)顯示，2016年的指紋識別傳感器的出貨量已達(dá)6.89億顆，相較2013年的2300萬顆，CAGR達(dá)到210%。調(diào)研機(jī)構(gòu)Yole預(yù)測，未來5年，指紋識別市場的復(fù)合年增率（CAGR）將達(dá)到19%，市場規(guī)模有望從2016年的28億美元，增加到2022年的47億美元。
2017年中國智能手機(jī)指紋芯片翻倍至4億顆，帶動晶圓廠產(chǎn)能大增
具體到今年中國智能手機(jī)指紋芯片市場上，業(yè)內(nèi)預(yù)期為2017年指紋芯片需求量可望從2億顆倍增至4億顆。 包括FPC、思立微、神盾、匯頂?shù)戎讣y芯片廠商持續(xù)放量，也帶動晶圓代工廠訂單大增。
近期消息稱，GlobalFoundries和聯(lián)電和艦廠分別拿下思立微和匯頂?shù)闹讣y芯片的訂單。GlobalFoundries 2016年底與思立微合作并開始出貨。而***神盾將訂單給了世界先進(jìn)，讓其成功進(jìn)入指紋芯片領(lǐng)域。業(yè)內(nèi)預(yù)測，2017年指紋芯片將持續(xù)塞爆8寸廠產(chǎn)能。
從格局看，臺積電、中芯國際是指紋芯片主要的晶圓代工伙伴。臺積電掌握的主要客戶有FPC、匯頂、神盾等客戶訂單，中芯國際擁有FPC和思立微訂單，目前僅FPC訂單就讓中芯國際 8 寸廠的產(chǎn)能爆滿。
原本在臺積電投片的神盾，傳新增世界先進(jìn)成為指紋芯片晶圓代工伙伴，2017年神盾指紋芯片出貨將放量，包括臺積電、世界先進(jìn)都有望受益。
2017年指紋芯片晶圓代工訂單變化將比較大，幾乎每家晶圓代工廠都參與戰(zhàn)局。很多指紋芯片廠商憑借出貨量規(guī)模優(yōu)勢，開始尋求第二供應(yīng)商，這將帶動整個指紋芯片上、下游產(chǎn)業(yè)百花齊放。
指紋芯片現(xiàn)狀：中國廠商逐漸取代國外廠商
目前國外的指紋識別廠商主要有AuthenTec（2012年被蘋果收購）、FPC、Synaptics等幾個國際大廠，以及神盾、義隆、敦泰、茂丞等***廠商之外，國產(chǎn)指紋識別芯片廠商主要有匯頂、邁瑞微、費恩格爾、信煒、芯啟航、貝特萊、思立微、集創(chuàng)北方、比亞迪等十多家企業(yè)。
其中除AuthenTec專供蘋果手機(jī)外，其他廠商分食整個安卓手機(jī)市場。作為歐洲傳統(tǒng)指紋廠商FPC 因占據(jù)先發(fā)優(yōu)勢，過去幾年賺的盆滿缽滿。不過從2016年大趨勢看，中國廠商崛起速度驚人，打著物美價廉的旗幟，2017年FPC已成為眾多廠商對標(biāo)的目標(biāo)。業(yè)內(nèi)認(rèn)為，歐美系指紋芯片廠商在成本上還是無法拼過中國廠商，預(yù)計未來指紋芯片行業(yè)將重演LCD Driver IC產(chǎn)業(yè)歷史，最終由亞洲廠商獨占市場。
目前中國廠商中匯頂勢頭最為迅猛，拿下了幾乎所有的國內(nèi)主要的手機(jī)品牌廠商。包括vivo、小米、魅族、樂視、金立、中興等等。華為以前幾乎全部FPC為主，目前也已經(jīng)開始擴(kuò)展到思立微和匯頂?shù)慕鉀Q方案。預(yù)計國內(nèi)廠商將在今年下半年取代FPC，成為華為第一大供應(yīng)商。
FPC 主要地盤包括華為、OPPO、vivo 等客戶，隨著匯頂產(chǎn)量擴(kuò)大，有望形成對FPC的取而代之。
價格打響，匯頂稱瞄準(zhǔn)高端差異化競爭
隨著指紋芯片技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的成熟，越來越多國內(nèi)指紋芯片廠商參與其中，過去一年指紋芯片雖然放量，但是單價也迅速下滑。
來自Yole的報告指出，指紋傳感器元件均價在同一時間已從5美元下滑到3美元，甚至更低的2美元，未來供應(yīng)商仍將持續(xù)面臨價格壓力。
對于市場的競爭，此前匯頂科技CEO 張帆表示，“我們的這種戰(zhàn)略定位自然離不開大環(huán)境，當(dāng)前使用國產(chǎn)品牌手機(jī)的人越來越多，國產(chǎn)手機(jī)的價格也越來越高，這也使得匯頂科技有條件和基礎(chǔ)去選擇不做便宜和低端的東西?！?/p>
去年匯頂科技在A股上市成功，受到資本市場的熱捧，一度總市值逼近聯(lián)發(fā)科。張帆曾對記者表示，上市意味著能夠獲得更多資源，那么就應(yīng)該利用好資源，把產(chǎn)品做好;也同時意味著具備能力，去承擔(dān)起推出中國高端制造的使命。
另外，在應(yīng)對同質(zhì)化競爭方面，匯頂?shù)牟呗允亲龅郊夹g(shù)與服務(wù)的領(lǐng)先。此前，集微網(wǎng)采訪匯頂高管時，其表示相比海外公司，匯頂作為中國本土廠商離客戶最近，也更能理解客戶，從而在服務(wù)上優(yōu)勢更明顯。另外，匯頂在軟件技術(shù)和算法上也擁有自己的技術(shù)，這比其他公司更具有競爭優(yōu)勢。?
一個明顯例子，就是匯頂在技術(shù)上一直保持持續(xù)領(lǐng)先。除了目前常見的Coating、玻璃、藍(lán)寶石等方案，匯頂科技在2016年下半年推出了“活體指紋芯片”，能檢測出真假指紋，保障機(jī)主的安全性。這些也保證了公司不會一味地陷入低端價格戰(zhàn)泥潭中。
整體看，2017年指紋芯片市場價格戰(zhàn)不可避免。很多國際大品牌因為成本或服務(wù)，將被中國廠商取代。而中國廠商內(nèi)部，很多競爭力比較弱小的廠商更會做出拼死一搏的舉動，利用價格戰(zhàn)攪局市場。要保持持續(xù)領(lǐng)先，還需廠商持續(xù)不斷的提高技術(shù)和服務(wù)水平。
另外，現(xiàn)有指紋表現(xiàn)形式能否在今年有所突破也是看點之一，例如人們希望全屏指紋識別等。