指纹识别扫描仪?是的，你肯定见过他们。 JORG GREUEL / GETTY IMAGES

　　几十年来，计算机指纹扫描仪一直是间谍惊悚片的中流砥柱，但直到最近，它们在现实世界中还是相当奇特的技术。然而，在过去的几年里，扫描仪开始到处涌现——在警察局、高安全性的建筑物甚至 电脑键盘.你可以拿起个人 USB 指纹扫描仪的价格不到100美元，就这样，您的计算机受到高科技的保护 生物测定学.除了密码之外，您还需要独特的打印才能访问。

　　在本文中，我们将研究执法和身份安全这一激动人心的发展背后的秘密。我们还将看到指纹扫描仪安全系统如何与传统的密码和身份证系统相媲美，并了解它们是如何失败的。

　　指纹基础知识

　　指纹是自然界的奇异扭曲之一。人类碰巧有内置的、易于访问的身份证。您有一个独特的设计，它代表您一个人，几乎触手可及。这是怎么发生的?

　　人们的手指上有微小的皮肤脊，因为这种特殊的适应对人类物种的祖先非常有利。手指上的脊和“谷”图案使手更容易抓住东西，就像橡胶胎面图案有助于 累 抓紧道路。

　　指纹的另一个功能是完全巧合。像人体中的所有东西一样，这些脊是通过遗传和环境因素的组合形成的。遗传密码 脱氧核糖核酸 对发育中的胎儿皮肤应该形成的方式给出了一般的命令，但它形成的具体方式是随机事件的结果。胎儿在特定时刻在子宫中的确切位置以及周围羊水的确切组成和密度决定了每个单独的脊将如何形成。

　　因此，除了首先决定你的基因构成的无数因素之外，还有无数的环境因素影响手指的形成。就像形成云层或海滩海岸线的天气条件一样，整个发展过程是如此混乱，以至于在整个人类历史进程中，几乎没有机会形成两次相同的确切模式。

　　因此，指纹是一个人的独特标记，即使是同卵双胞胎。虽然两张打印品乍一看可能基本相同，但训练有素的调查员或先进的软件可以挑出清晰、明确的差异。

　　这是指纹分析的基本思想，无论是在犯罪调查还是安全中。指纹扫描仪的工作是通过收集打印样本并将其与记录的其他样本进行比较来代替人类分析师。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。

　　光学扫描仪

　　指纹扫描仪系统有两个基本工作 - 它需要获取手指的图像，并且需要确定该图像中的脊和山谷模式是否与预扫描图像中的脊和山谷模式相匹配。

　　有许多不同的方法可以获取某人手指的图像。当今最常见的方法是 光学扫描 和 电容扫描.这两种类型都提出了相同的图像，但它们以完全不同的方式进行。

　　光学扫描仪的核心是 电荷耦合器件 (CCD)，与 数码相机 和 摄录一体机.CCD只是一组光敏阵列 二极管 叫 照片站点，它响应光子产生电信号。每个照片点记录一个像素，一个小点代表击中该点的光。共同地，亮像素和暗像素构成了扫描场景的图像(例如手指)。通常，一个 模数转换器 在扫描仪系统中处理模拟电信号以生成该图像的数字表示。看 数码相机的工作原理 有关CCD和数字转换的详细信息。

　　当您将手指放在玻璃板上时，扫描过程就开始了，CCD相机会拍照。扫描仪有自己的光源，通常是一个 发光二极管，以照亮手指的脊线。CCD系统实际上会产生一个 倒影 手指，较暗的区域代表较多的反射光(手指的脊)，较亮的区域代表较少的反射光(脊之间的山谷)。

　　在将打印与存储的数据进行比较之前，扫描仪处理器确保CCD捕获了清晰的图像。它检查平均像素暗度或小样本中的总体值，如果整体图像太暗或太亮，则拒绝扫描。如果图像被拒绝，扫描仪会调整曝光时间，让更多或更少的光线进入，然后再次尝试扫描。

　　如果暗度足够，扫描仪系统将继续检查 图像定义 (指纹扫描的清晰度)。处理器查看在图像上水平和垂直移动的几条直线。如果指纹图像具有良好的清晰度，则垂直于脊的线将由非常暗的像素和非常亮的像素的交替部分组成。

　　如果处理器发现图像清晰且曝光正确，则继续将捕获的指纹与存档的指纹进行比较。我们将在一分钟内介绍此过程，但首先我们将检查另一种主要的扫描技术， 电容式扫描器.

　　电容扫描仪

　　与光学扫描仪一样，电容式指纹扫描仪生成构成指纹的山脊和山谷的图像。但是电容器不是使用光来感测印刷品，而是使用电流。

　　下图显示了一个简单的电容式传感器。传感器由一个或多个组成 半导体芯片 包含一组微小的 细胞.每个单元格包含两个 导体板，覆盖有绝缘层。这些细胞很小 - 小于手指上一个脊的宽度。

　　传感器连接到 积分器，围绕 反相运算放大器.反相放大器是一种复杂的半导体器件，由许多晶体管、电阻器和电容器组成。它的操作细节本身就会填满整篇文章，但在这里我们可以大致了解它在电容扫描仪中的作用。(退房 本页 关于运算放大器的技术概述。

　　像任何 放大器，反相放大器根据另一个电流的波动改变一个电流(参见 放大器的工作原理 了解更多信息)。具体而言，反相放大器改变电源电压。这种变化基于两个输入的相对电压，称为反相端子和同相端子。在这种情况下，同相端接地，反相端连接到基准电压源和 反馈回路.反馈回路也连接到放大器输出端，包括两个导体板。

　　您可能已经认识到，两个导体板构成了一个基本的 电容器，一种可以存储电荷的电气元件(参见 电容器的工作原理 了解详情)。手指的表面充当第三个电容器板，由电池结构中的绝缘层隔开，在指纹谷的情况下，由一个空气袋隔开。改变电容器板之间的距离(通过将手指移近或远离导电板)会改变电容器的总电容(存储电荷的能力)。由于这种质量，脊下电池中的电容器将比谷下电池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，使每个放大器的输入和输出短路，以“平衡”积分器电路。当开关再次打开，处理器对积分器电路施加固定电荷时，电容器将充电。反馈环路电容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，因此手指脊将导致与手指谷不同的电压输出。

　　扫描仪处理器读取此电压输出，并确定它是山脊还是山谷的特征。通过读取传感器阵列中的每个单元，处理器可以将指纹的整体图像放在一起，类似于光学扫描仪捕获的图像。

　　电容式扫描仪的主要优点是它需要真正的指纹类型形状，而不是构成指纹视觉印象的明暗图案。这使得系统更难欺骗。此外，由于电容式扫描仪使用半导体芯片而不是CCD单元，因此它们往往比光学设备更紧凑。

　　分析

　　在电影和 电视 显示，自动指纹分析仪通常会覆盖各种指纹图像以找到匹配项。实际上，这不是比较指纹的特别实用的方法。涂抹会使同一打印件的两个图像看起来非常不同，因此您很少会获得完美的图像叠加。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，并且还使某人更容易窃取打印数据。

　　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.通常，人类和计算机调查人员专注于脊线结束或一条脊分裂为两个(分 岔).统称为这些和其他独特特征 典型.

　　扫描仪系统软件使用高度复杂的 算法 识别和分析这些细节。基本思想是测量细枝末节的相对位置，就像您可以通过恒星的相对位置识别天空的一部分一样。一种简单的思考方法是考虑在它们之间绘制直线时各种细枝末节形成的形状。如果两个印刷品有三个脊端和两个分叉，形成具有相同尺寸的相同形状，则它们很可能来自同一印刷品。

　　为了获得匹配，扫描仪系统不必在样品和记录的印刷品中找到整个细枝末节图案，它只需要找到足够数量的细枝末节图案，而这两种印刷品具有共同点。确切的数字因扫描仪编程而异。

　　优点和缺点

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

　　你有什么

　　你所知道的

　　你是谁

　　为了通过“你拥有什么”的系统，你需要某种“令牌”，例如带有磁条的身份证。“您所知道的”系统要求您输入密码或PIN码。“你是谁”系统实际上是在寻找你就是你所说的那个人的物理证据——一个特定的指纹、声音或 虹膜 模式。

　　指纹扫描仪等“你是谁”系统与其他系统相比具有许多优势。仅举几例：

　　身体属性比身份证更难伪造。

　　您不能像猜密码一样猜测指纹图案。

　　您不能放错指纹、虹膜或声音，就像放错门禁卡一样。

　　您不能忘记指纹，就像忘记密码一样。

　　但是，尽管它们很有效，但它们肯定不是万无一失的，而且它们确实有很大的缺点。光学扫描仪不能总是区分手指的图片和手指本身，电容式扫描仪有时会被人的手指模具所愚弄。如果有人确实获得了授权用户打印件的访问权限，则该人可以欺骗扫描仪。在最坏的情况下，犯罪分子甚至可以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来验证手指是否还活着，而不是模具或肢解的手指，但即使是这些系统也可能被真正的手指上的明胶印刷模具所愚弄。(本站 解释了有人可能欺骗扫描仪的各种方式。

　　为了使这些安全系统更加可靠，最好将生物特征分析与传统的识别方法(例如密码)相结合(以相同的方式 自动取款机 需要银行卡和PIN码)。

　　生物识别安全系统的真正问题是当有人设法窃取身份信息时造成的损害程度。如果您丢失了信用卡或不小心告诉了某人您的秘密PIN码，您可以随时获得新卡或更改代码。但是，如果有人窃取了您的指纹，那么您的余生几乎就不走运了。在您绝对确定所有副本都被销毁之前，您将无法使用您的打印件作为识别形式。没有办法获得新的打印件。

　　但即使有这个明显的缺点，指纹扫描仪和生物识别系统也是一种极好的识别手段。在未来，它们很可能会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。

　　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。

　　常见问题

　　如何扫描指纹?

　　使用机器扫描指纹，该机器在手指上拍摄山脊和山谷图案的图像并创建数字模板。然后，可以将此模板存储在数据库中并用于标识目的。