指纹扫描仪的工作原理

指纹是大自然奇妙的扭曲之一。人类恰好拥有与生俱来、易于获取的身份证件。你拥有一个独特的设计，它只代表你，就在你的指尖。这是怎么发生的呢？

人类手指上有微小的皮肤隆起，因为这种特殊的适应对人类的祖先来说极具优势。手指上隆起和“凹陷”的图案使得手更容易抓握物体，就像轮胎上的橡胶胎面图案有助于轮胎抓紧路面一样。

指纹的另一个功能完全是巧合。就像人体中的一切一样，这些隆起是通过基因和环境因素的结合形成的。DNA中的遗传密码对发育中的胎儿皮肤形成方式给出了一般指令，但其具体形成方式是随机事件的结果。胎儿在子宫中某一特定时刻的确切位置以及周围羊水的确切成分和密度决定了每条单独的隆起如何形成。

因此，除了最初决定你基因构成的大量因素外，还有无数的环境因素影响着手指的形成。就像形成云团的天气条件或海岸线的形状一样，整个发育过程是如此混乱，以至于在整个人类历史上，几乎没有两次形成完全相同图案的机会。

因此，指纹是一个人的独特标记，即使是同卵双胞胎也是如此。虽然两枚指纹乍一看可能基本相同，但训练有素的调查员或高级软件可以识别出清晰、明确的差异。

这是指纹分析的基本理念，无论是在犯罪调查还是安全领域。指纹扫描仪的工作是取代人工分析师，通过收集指纹样本并将其与记录在案的其他样本进行比较。在接下来的几节中，我们将了解扫描仪是如何做到这一点的。

指纹扫描仪系统有两个基本任务——它需要获取你手指的图像，并且需要确定该图像中隆起和凹陷的图案是否与预先扫描图像中隆起和凹陷的图案相匹配。

有多种不同的方法可以获取某人手指的图像。目前最常见的方法是光学扫描和电容扫描。这两种类型都能生成相同类型的图像，但它们的工作方式完全不同。

光学扫描仪的核心是电荷耦合器件（CCD），这是一种与数码相机和摄像机中使用的光传感器系统相同的装置。CCD只是一个由光敏二极管（称为光敏像素）组成的阵列，它们响应光子产生电信号。每个光敏像素记录一个像素，即代表击中该点的光线的微小点。总的来说，明暗像素形成被扫描场景（例如手指）的图像。通常，扫描仪系统中的模数转换器处理模拟电信号，生成该图像的数字表示。有关CCD和数字转换的详细信息，请参阅《数码相机的工作原理》。

扫描过程从你将手指放在玻璃板上开始，CCD相机随即拍照。扫描仪有自己的光源，通常是发光二极管的阵列，用于照亮手指的隆起。CCD系统实际上生成的是手指的反向图像，其中较暗的区域表示反射光较多（手指的隆起），较亮的区域表示反射光较少（隆起之间的凹陷）。

在将指纹与存储数据进行比较之前，扫描仪处理器会确保CCD捕获了清晰的图像。它会检查平均像素暗度或小样本中的整体值，如果整体图像太暗或太亮，则会拒绝扫描。如果图像被拒绝，扫描仪会调整曝光时间以允许更多或更少的光线进入，然后再次尝试扫描。

如果暗度级别足够，扫描仪系统将继续检查图像清晰度（指纹扫描的清晰程度）。处理器会查看图像中水平和垂直移动的几条直线。如果指纹图像清晰度良好，那么垂直于隆起纹理的线条将由非常暗的像素和非常亮的像素交替组成。

如果处理器发现图像清晰且曝光得当，它将继续把捕获的指纹与文件中的指纹进行比较。我们稍后会探讨这个过程，但首先我们将研究另一种主要的扫描技术，即电容扫描仪。

与光学扫描仪一样，电容式指纹扫描仪也生成构成指纹的隆起和凹陷图像。但它们不是利用光线感应指纹，而是使用电流。

下图显示了一个简单的电容式传感器。该传感器由一个或多个半导体芯片组成，其中包含一个微小的单元阵列。每个单元都包含两个导体板，并覆盖有绝缘层。这些单元非常微小——比手指上一个隆起的宽度还要小。

传感器连接到一个积分器，这是一个围绕反相运算放大器构建的电路。反相放大器是一种复杂的半导体器件，由多个晶体管、电阻器和电容器组成。其操作细节本身就可以写满一整篇文章，但在这里我们可以大致了解它在电容扫描仪中的作用。（有关运算放大器的技术概述，请查看此页面。）

与任何放大器一样，反相放大器会根据另一电流的波动来改变一个电流（有关更多信息，请参阅《放大器的工作原理》）。具体来说，反相放大器会改变电源电压。这种改变基于两个输入（称为反相输入端和非反相输入端）的相对电压。在这种情况下，非反相输入端连接到地，反相输入端连接到参考电压电源和一个反馈回路。反馈回路也连接到放大器输出端，并包含两个导体板。

正如您可能已经意识到的，这两个导体板构成了一个基本电容器，这是一种可以储存电荷的电气元件（有关详细信息，请参阅《电容器的工作原理》）。手指表面充当第三个电容器板，通过电池结构中的绝缘层以及指纹凹陷处的空气袋进行分隔。改变电容器板之间的距离（通过将手指移近或移离导电板）会改变电容器的总电容（储存电荷的能力）。由于这一特性，隆起纹理下单元中的电容器比凹陷纹理下单元中的电容器具有更大的电容。

为了扫描手指，处理器首先关闭每个单元的复位开关，这将使每个放大器的输入和输出短接，以“平衡”积分器电路。当开关再次打开，并且处理器向积分器电路施加固定电荷时，电容器开始充电。反馈回路中电容器的电容会影响放大器输入端的电压，进而影响放大器的输出。由于到手指的距离会改变电容，因此手指的隆起纹理将产生与凹陷纹理不同的电压输出。

扫描仪处理器读取此电压输出，并确定它是否是隆起或凹陷的特征。通过读取传感器阵列中的每个单元，处理器可以拼凑出指纹的整体图像，类似于光学扫描仪捕获的图像。

电容扫描仪的主要优点是它需要真实的指纹形状，而不是构成指纹视觉印象的光影图案。这使得系统更难被欺骗。此外，由于它们使用半导体芯片而不是CCD单元，电容扫描仪往往比光学设备更紧凑。

在电影和电视节目中，自动指纹分析仪通常会叠加各种指纹图像以寻找匹配。实际上，这并不是一种特别实用的指纹比较方法。污迹可能会使同一指纹的两张图像看起来大不相同，因此你很少能得到完美的图像叠加。此外，在比较分析中使用整个指纹图像会消耗大量的处理能力，也使得窃取指纹数据变得更容易。

相反，大多数指纹扫描仪系统比较指纹的特定特征，通常称为细节特征点（minutiae）。通常，人类和计算机调查人员会专注于纹线终止或一条纹线分裂成两条（分叉点）的点。总的来说，这些及其他独特的特征有时被称为典型特征（typica）。

扫描仪系统软件使用高度复杂的算法来识别和分析这些细节特征点。基本思想是测量细节特征点的相对位置，就像你通过星星的相对位置来识别天空的一部分一样。一个简单的思考方式是，当你在线条之间绘制直线时，考虑各种细节特征点所形成的形状。如果两枚指纹有三个纹线终结点和两个分叉点，形成相同形状和尺寸，那么它们很可能来自同一枚指纹。

为了实现匹配，扫描仪系统不必在样本和记录中的指纹中找到所有的细节特征点模式，它只需要找到足够数量的两个指纹共有的细节特征点模式。具体数量根据扫描仪的编程而异。

安全系统可以通过多种方式验证某人是否是授权用户。大多数系统都在寻找以下一项或多项：

要通过“你拥有什么”系统，你需要某种“令牌”，例如带磁条的身份证。“你知道什么”系统要求你输入密码或PIN码。“你是谁”系统实际上是在寻找物理证据，证明你就是你所声称的那个人——特定的指纹、声音或虹膜图案。

指纹扫描仪等“你是谁”系统比其他系统具有多项优势。举例来说：

但是，尽管它们效率很高，却并非万无一失，而且它们确实存在重大缺点。光学扫描仪并非总能区分手指的图片和手指本身，而电容扫描仪有时可能会被某人手指的模具所欺骗。如果有人确实获得了授权用户的指纹，这个人就可以欺骗扫描仪。在最坏的情况下，罪犯甚至可能切断某人的手指以通过扫描仪安全系统。一些扫描仪具有额外的脉冲和热传感器，以验证手指是否是活的，而不是模具或离断的手指，但即使这些系统也可能被覆盖在真实手指上的明胶指纹模具所欺骗。（此网站解释了某人可能欺骗扫描仪的各种方法。）

为了使这些安全系统更加可靠，最好将生物识别分析与传统身份识别方法（如密码）结合起来（就像自动取款机需要银行卡和PIN码一样）。

生物识别安全系统的真正问题在于，一旦有人成功窃取身份信息，造成的损害程度将是巨大的。如果你丢失了信用卡或不小心告诉了别人你的秘密PIN码，你总是可以得到一张新卡或更改你的密码。但如果有人窃取了你的指纹，你余生将基本上没有办法。你将无法使用你的指纹作为身份识别形式，除非你完全确定所有副本都已被销毁。没有办法获得新的指纹。

但即使存在这个重大缺点，指纹扫描仪和生物识别系统仍然是一种出色的身份识别方式。未来，它们很可能成为大多数人日常生活中不可或缺的一部分，就像今天的钥匙、ATM卡和密码一样。

要了解有关指纹扫描仪和其他生物识别技术的更多信息，请查看下一页上的链接。