指紋識別掃描儀?是的，你肯定見過他們。 JORG GREUEL / GETTY IMAGES

　　幾十年來，計(jì)算機(jī)指紋掃描儀一直是間諜驚悚片的中流砥柱，但直到最近，它們在現(xiàn)實(shí)世界中還是相當(dāng)奇特的技術(shù)。然而，在過去的幾年里，掃描儀開始到處涌現(xiàn)——在警察局、高安全性的建筑物甚至 電腦鍵盤.你可以拿起個(gè)人 USB 指紋掃描儀的價(jià)格不到100美元，就這樣，您的計(jì)算機(jī)受到高科技的保護(hù) 生物測定學(xué).除了密碼之外，您還需要獨(dú)特的打印才能訪問。

　　在本文中，我們將研究執(zhí)法和身份安全這一激動人心的發(fā)展背后的秘密。我們還將看到指紋掃描儀安全系統(tǒng)如何與傳統(tǒng)的密碼和身份證系統(tǒng)相媲美，并了解它們是如何失敗的。

　　指紋基礎(chǔ)知識

　　指紋是自然界的奇異扭曲之一。人類碰巧有內(nèi)置的、易于訪問的身份證。您有一個(gè)獨(dú)特的設(shè)計(jì)，它代表您一個(gè)人，幾乎觸手可及。這是怎么發(fā)生的?

　　人們的手指上有微小的皮膚脊，因?yàn)檫@種特殊的適應(yīng)對人類物種的祖先非常有利。手指上的脊和“谷”圖案使手更容易抓住東西，就像橡膠胎面圖案有助于 累 抓緊道路。

　　指紋的另一個(gè)功能是完全巧合。像人體中的所有東西一樣，這些脊是通過遺傳和環(huán)境因素的組合形成的。遺傳密碼 脫氧核糖核酸 對發(fā)育中的胎兒皮膚應(yīng)該形成的方式給出了一般的命令，但它形成的具體方式是隨機(jī)事件的結(jié)果。胎兒在特定時(shí)刻在子宮中的確切位置以及周圍羊水的確切組成和密度決定了每個(gè)單獨(dú)的脊將如何形成。

　　因此，除了首先決定你的基因構(gòu)成的無數(shù)因素之外，還有無數(shù)的環(huán)境因素影響手指的形成。就像形成云層或海灘海岸線的天氣條件一樣，整個(gè)發(fā)展過程是如此混亂，以至于在整個(gè)人類歷史進(jìn)程中，幾乎沒有機(jī)會形成兩次相同的確切模式。

　　因此，指紋是一個(gè)人的獨(dú)特標(biāo)記，即使是同卵雙胞胎。雖然兩張打印品乍一看可能基本相同，但訓(xùn)練有素的調(diào)查員或先進(jìn)的軟件可以挑出清晰、明確的差異。

　　這是指紋分析的基本思想，無論是在犯罪調(diào)查還是安全中。指紋掃描儀的工作是通過收集打印樣本并將其與記錄的其他樣本進(jìn)行比較來代替人類分析師。在接下來的幾節(jié)中，我們將了解掃描儀是如何做到這一點(diǎn)的。

　　光學(xué)掃描儀

　　指紋掃描儀系統(tǒng)有兩個(gè)基本工作 - 它需要獲取手指的圖像，并且需要確定該圖像中的脊和山谷模式是否與預(yù)掃描圖像中的脊和山谷模式相匹配。

　　有許多不同的方法可以獲取某人手指的圖像。當(dāng)今最常見的方法是 光學(xué)掃描 和 電容掃描.這兩種類型都提出了相同的圖像，但它們以完全不同的方式進(jìn)行。

　　光學(xué)掃描儀的核心是 電荷耦合器件 (CCD)，與 數(shù)碼相機(jī) 和 攝錄一體機(jī).CCD只是一組光敏陣列 二極管 叫 照片站點(diǎn)，它響應(yīng)光子產(chǎn)生電信號。每個(gè)照片點(diǎn)記錄一個(gè)像素，一個(gè)小點(diǎn)代表擊中該點(diǎn)的光。共同地，亮像素和暗像素構(gòu)成了掃描場景的圖像(例如手指)。通常，一個(gè) 模數(shù)轉(zhuǎn)換器 在掃描儀系統(tǒng)中處理模擬電信號以生成該圖像的數(shù)字表示?？?數(shù)碼相機(jī)的工作原理 有關(guān)CCD和數(shù)字轉(zhuǎn)換的詳細(xì)信息。

　　當(dāng)您將手指放在玻璃板上時(shí)，掃描過程就開始了，CCD相機(jī)會拍照。掃描儀有自己的光源，通常是一個(gè) 發(fā)光二極管，以照亮手指的脊線。CCD系統(tǒng)實(shí)際上會產(chǎn)生一個(gè) 倒影 手指，較暗的區(qū)域代表較多的反射光(手指的脊)，較亮的區(qū)域代表較少的反射光(脊之間的山谷)。

　　在將打印與存儲的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較之前，掃描儀處理器確保CCD捕獲了清晰的圖像。它檢查平均像素暗度或小樣本中的總體值，如果整體圖像太暗或太亮，則拒絕掃描。如果圖像被拒絕，掃描儀會調(diào)整曝光時(shí)間，讓更多或更少的光線進(jìn)入，然后再次嘗試掃描。

　　如果暗度足夠，掃描儀系統(tǒng)將繼續(xù)檢查 圖像定義 (指紋掃描的清晰度)。處理器查看在圖像上水平和垂直移動的幾條直線。如果指紋圖像具有良好的清晰度，則垂直于脊的線將由非常暗的像素和非常亮的像素的交替部分組成。

　　如果處理器發(fā)現(xiàn)圖像清晰且曝光正確，則繼續(xù)將捕獲的指紋與存檔的指紋進(jìn)行比較。我們將在一分鐘內(nèi)介紹此過程，但首先我們將檢查另一種主要的掃描技術(shù)， 電容式掃描器.

　　電容掃描儀

　　與光學(xué)掃描儀一樣，電容式指紋掃描儀生成構(gòu)成指紋的山脊和山谷的圖像。但是電容器不是使用光來感測印刷品，而是使用電流。

　　下圖顯示了一個(gè)簡單的電容式傳感器。傳感器由一個(gè)或多個(gè)組成 半導(dǎo)體芯片 包含一組微小的 細(xì)胞.每個(gè)單元格包含兩個(gè) 導(dǎo)體板，覆蓋有絕緣層。這些細(xì)胞很小 - 小于手指上一個(gè)脊的寬度。

　　傳感器連接到 積分器，圍繞 反相運(yùn)算放大器.反相放大器是一種復(fù)雜的半導(dǎo)體器件，由許多晶體管、電阻器和電容器組成。它的操作細(xì)節(jié)本身就會填滿整篇文章，但在這里我們可以大致了解它在電容掃描儀中的作用。(退房 本頁 關(guān)于運(yùn)算放大器的技術(shù)概述。

　　像任何 放大器，反相放大器根據(jù)另一個(gè)電流的波動改變一個(gè)電流(參見 放大器的工作原理 了解更多信息)。具體而言，反相放大器改變電源電壓。這種變化基于兩個(gè)輸入的相對電壓，稱為反相端子和同相端子。在這種情況下，同相端接地，反相端連接到基準(zhǔn)電壓源和 反饋回路.反饋回路也連接到放大器輸出端，包括兩個(gè)導(dǎo)體板。

　　您可能已經(jīng)認(rèn)識到，兩個(gè)導(dǎo)體板構(gòu)成了一個(gè)基本的 電容器，一種可以存儲電荷的電氣元件(參見 電容器的工作原理 了解詳情)。手指的表面充當(dāng)?shù)谌齻€(gè)電容器板，由電池結(jié)構(gòu)中的絕緣層隔開，在指紋谷的情況下，由一個(gè)空氣袋隔開。改變電容器板之間的距離(通過將手指移近或遠(yuǎn)離導(dǎo)電板)會改變電容器的總電容(存儲電荷的能力)。由于這種質(zhì)量，脊下電池中的電容器將比谷下電池中的電容器具有更大的電容。

　　為了掃描手指，處理器首先關(guān)閉每個(gè)單元的復(fù)位開關(guān)，使每個(gè)放大器的輸入和輸出短路，以“平衡”積分器電路。當(dāng)開關(guān)再次打開，處理器對積分器電路施加固定電荷時(shí)，電容器將充電。反饋環(huán)路電容的電容會影響放大器輸入端的電壓，進(jìn)而影響放大器的輸出。由于到手指的距離會改變電容，因此手指脊將導(dǎo)致與手指谷不同的電壓輸出。

　　掃描儀處理器讀取此電壓輸出，并確定它是山脊還是山谷的特征。通過讀取傳感器陣列中的每個(gè)單元，處理器可以將指紋的整體圖像放在一起，類似于光學(xué)掃描儀捕獲的圖像。

　　電容式掃描儀的主要優(yōu)點(diǎn)是它需要真正的指紋類型形狀，而不是構(gòu)成指紋視覺印象的明暗圖案。這使得系統(tǒng)更難欺騙。此外，由于電容式掃描儀使用半導(dǎo)體芯片而不是CCD單元，因此它們往往比光學(xué)設(shè)備更緊湊。

　　分析

　　在電影和 電視 顯示，自動指紋分析儀通常會覆蓋各種指紋圖像以找到匹配項(xiàng)。實(shí)際上，這不是比較指紋的特別實(shí)用的方法。涂抹會使同一打印件的兩個(gè)圖像看起來非常不同，因此您很少會獲得完美的圖像疊加。此外，在比較分析中使用整個(gè)指紋圖像會消耗大量的處理能力，并且還使某人更容易竊取打印數(shù)據(jù)。

　　相反，大多數(shù)指紋掃描儀系統(tǒng)比較指紋的特定特征，通常稱為 細(xì)節(jié).通常，人類和計(jì)算機(jī)調(diào)查人員專注于脊線結(jié)束或一條脊分裂為兩個(gè)(分 岔).統(tǒng)稱為這些和其他獨(dú)特特征 典型.

　　掃描儀系統(tǒng)軟件使用高度復(fù)雜的 算法 識別和分析這些細(xì)節(jié)。基本思想是測量細(xì)枝末節(jié)的相對位置，就像您可以通過恒星的相對位置識別天空的一部分一樣。一種簡單的思考方法是考慮在它們之間繪制直線時(shí)各種細(xì)枝末節(jié)形成的形狀。如果兩個(gè)印刷品有三個(gè)脊端和兩個(gè)分叉，形成具有相同尺寸的相同形狀，則它們很可能來自同一印刷品。

　　為了獲得匹配，掃描儀系統(tǒng)不必在樣品和記錄的印刷品中找到整個(gè)細(xì)枝末節(jié)圖案，它只需要找到足夠數(shù)量的細(xì)枝末節(jié)圖案，而這兩種印刷品具有共同點(diǎn)。確切的數(shù)字因掃描儀編程而異。

　　優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

　　安全系統(tǒng)可以通過多種方式驗(yàn)證某人是否為授權(quán)用戶。大多數(shù)系統(tǒng)都在尋找以下一項(xiàng)或多項(xiàng)：

　　你有什么

　　你所知道的

　　你是誰

　　為了通過“你擁有什么”的系統(tǒng)，你需要某種“令牌”，例如帶有磁條的身份證?！澳赖摹毕到y(tǒng)要求您輸入密碼或PIN碼。“你是誰”系統(tǒng)實(shí)際上是在尋找你就是你所說的那個(gè)人的物理證據(jù)——一個(gè)特定的指紋、聲音或 虹膜 模式。

　　指紋掃描儀等“你是誰”系統(tǒng)與其他系統(tǒng)相比具有許多優(yōu)勢。僅舉幾例：

　　身體屬性比身份證更難偽造。

　　您不能像猜密碼一樣猜測指紋圖案。

　　您不能放錯指紋、虹膜或聲音，就像放錯門禁卡一樣。

　　您不能忘記指紋，就像忘記密碼一樣。

　　但是，盡管它們很有效，但它們肯定不是萬無一失的，而且它們確實(shí)有很大的缺點(diǎn)。光學(xué)掃描儀不能總是區(qū)分手指的圖片和手指本身，電容式掃描儀有時(shí)會被人的手指模具所愚弄。如果有人確實(shí)獲得了授權(quán)用戶打印件的訪問權(quán)限，則該人可以欺騙掃描儀。在最壞的情況下，犯罪分子甚至可以切斷某人的手指以通過掃描儀安全系統(tǒng)。一些掃描儀具有額外的脈沖和熱傳感器來驗(yàn)證手指是否還活著，而不是模具或肢解的手指，但即使是這些系統(tǒng)也可能被真正的手指上的明膠印刷模具所愚弄。(本站 解釋了有人可能欺騙掃描儀的各種方式。

　　為了使這些安全系統(tǒng)更加可靠，最好將生物特征分析與傳統(tǒng)的識別方法(例如密碼)相結(jié)合(以相同的方式 自動取款機(jī) 需要銀行卡和PIN碼)。

　　生物識別安全系統(tǒng)的真正問題是當(dāng)有人設(shè)法竊取身份信息時(shí)造成的損害程度。如果您丟失了信用卡或不小心告訴了某人您的秘密PIN碼，您可以隨時(shí)獲得新卡或更改代碼。但是，如果有人竊取了您的指紋，那么您的余生幾乎就不走運(yùn)了。在您絕對確定所有副本都被銷毀之前，您將無法使用您的打印件作為識別形式。沒有辦法獲得新的打印件。

　　但即使有這個(gè)明顯的缺點(diǎn)，指紋掃描儀和生物識別系統(tǒng)也是一種極好的識別手段。在未來，它們很可能會成為大多數(shù)人日常生活中不可或缺的一部分，就像今天的鑰匙、ATM卡和密碼一樣。

　　有關(guān)指紋掃描儀和其他生物識別技術(shù)的更多信息，請查看下一頁上的鏈接。

　　常見問題

　　如何掃描指紋?

　　使用機(jī)器掃描指紋，該機(jī)器在手指上拍攝山脊和山谷圖案的圖像并創(chuàng)建數(shù)字模板。然后，可以將此模板存儲在數(shù)據(jù)庫中并用于標(biāo)識目的。