指纹锁知识

前言 　　指纹识别产品是近代新出现的高科技产品，在实际中的大面积应用还是近几年的事。国外的应用从美国911事件来得到了快速发展，国内大约从2004年开始才有大规模的应用。在这些时间之前国内外都已经开始了小规模的应用。 　　现在国内外普通消费者对指纹识别产品的了解虽然已经比往年要广泛，但是一般来说对这项技术的认识的深度还是不够的。加上有些公司与产品的片面宣传后，消费者在认识上存有不少误区，很难在购买产品前作出合理的选择。不少消费者往往光凭价格这个尺度来选择产品 　　指纹产品的形式有多种：指纹识别模块、指纹门禁机、普通电脑指纹仪、银行柜员指纹仪等产品形式。这些产品的共同部分是指纹识别的核心技术软硬件，围绕它添加的外围软硬件与产品的具体形式有关。 　　指纹技术在国内外投入使用已经有几年的历史，而且普及率越来越高。产品的性能、稳定性、质量优劣不齐，相差很大，价格的差别也很大。这些差别主要来自所采用的指纹核心技术，其次来自于产品本身的设计、制造工艺，元器件的选用等因素。下面将对不同的指纹核心技术作比较、分析，以便给产品的选用提供依据。 核心技术的构成 　　决定指纹产品关键性能有两个主要因素：比对算法软件和指纹采集器（敏感器）。很多消费者只注意到敏感器的选择，而忽视了比对算法软件。这是因为比对算法软件是看不见的。而实际上，即使采用同样的指纹敏感器，比对算法软件的好坏对产品性能的影响非常大。 　　指纹比对算法软件是一项数字图像处理与模式识别的高尖精技术，它的难度并不是软件本身的编程工作量。比起其它行业的软件，指纹比对算法软件的编程工作量可以说是非常小。它的难度和技术含量体现在指纹比对算法对实际中千万种形形色色的手指正确辨别能力，也就是说，不一样的指纹不能认成是相同的（认假）。一样的指纹不能判定是相异的（据真）。这两项指标构成了指纹识别产品的关键性能，是选择产品首先要考虑的问题，是评价产品的基本依据。 　　实际上，指纹采集过程中的各种因素会使指纹图像变模糊。这些因素有手指的含水率，按手指的压力，天生的纹理深浅，手工劳动者的手指磨损，老年人的手指，皮肤病的影响，手指表面的灰尘，油渍，等等。这些因素都会使指纹的辨认更加困难。所以，做到在实际中保持很好的认假率和据真率不是一件容易的事。为了改善这两项指标，世界上的科学家已经做了30年的努力。近十年来，指纹比对算法软件的据真率和认假率总体水平已经有了大幅度提高。但是，能达到实际应用要求的仍然很稀少，而且是各大公司的自主产权，不会公开。现在出现了专卖指纹比对算法软件的公司，可以用很便宜的价格购到，但其性能一般。从核心技术的成熟程度看，真正掌握成熟可靠的核心技术并有后续研发能力的国内外企业为数很少。 　　指纹采集器是核心技术的另一组成部分。目前世界上流行的指纹采集敏感器约有10多种，有的已有许多年的历史，有的刚研发出来。这些指纹采集敏感器的工作原理都不一样。一种好的指纹采集敏感器应该能提供比较好的指纹图像，不管实际的手指条件如何。如果指纹采集敏感器不能提供质量好的指纹图像，到了一定的程度，任何指纹比对算法软件都无能为力。因此，指纹比对算法软件和指纹采集器两者都必须有优良的性能，缺一不可。 主要性能指标 　　拒真率 　　上面已提到指纹识别产品的关键性能是拒真率和认假率。拒真率的定义是统计意义上人群中手指不能被识别的比率。比如，拒真率＝0.1％表示1000个手指中有一个手指不能被识别。 理论上，任何登记过的指纹都应该被识别，即拒真率＝0％。 实际上任何指纹产品都不可能做到拒真率＝0％。对于理想干净的手指，指纹产品一般容易识别。 但是对于不理想的手指，如粗糙的手指、纹理很浅的手指、干手指等，通过识别要难的多，或根本不能通过。因此，有一部分比率的人的手指不能被指纹产品识别，这个比率就是拒真率。当然，这个比率越低越好。产品的性能越好，拒真率的值越低。低端产品与高端产品的主要差别就在拒真率上，还有一些其它方面的差别也是重要的。目前低端产品存在的普遍问题是拒真率问题，尤其是对困难手指。由于指纹知识的宣传不够和有些产品宣传的误导，消费者对拒真率的宣传、理解、和评估存在一些误区，下面给予讨论。 　　有些公司的宣传对产品的拒真率性能明显夸大， 而且往往没有注明测试方法和手指样本的选择，与实际使用结果相差很远。所以，选择产品时不能只看供应商的技术参数。 　　如果要比较不同产品的拒真率，随便找几个理想的手指去测试是不能说明问题的。对于理想的手指，低端产品和高端产品的拒真率相差很小，甚至没有差别。它们的差别主要在于对困难手指的拒真率方面。因此，在测试关建性能时，应该把重点方在对困难手指考验上。但是，使用单位要找到困难的手指也有一定难度（比如，单位人数少）。困难手指包括如下几种类型： 1. 粗糙的手指 2. 手工劳动者手指 3. 老年人手指 4. 先天性干手指（天气冷时干手指问题突出） 5. 带油脂的手指(可以用手指沾一些油脂来模仿) 6. 带灰尘的手指(可以用石膏粉来模仿) 7. 带泥土的手指(即石膏粉加少许水份来模仿) 8. 脏手指(可以在手指上涂一些不同颜色的墨水，例如红色和黑色) 9. 先天性浅纹理手指 10. 少许出汗手指 　　认假率 　　这是把手指搞混淆的概率。有些广告声称60亿分之一的认假率，这是误导消费者的做法。科学家证明的确地球上人类手指一样的概率是60亿分之一。但是，实际上不管是怎样的指纹专家还是现在指纹产品，都没有达到这样高的分辨率。对于相似的指纹，指纹产品是有可能搞混淆的，只要是这个比率在合理范围就可以。 有趣的是，由于基因的缘故，同一个人的不同手指相似比率较高。这个指标的精确测试有一定难度，必须召集很多志愿者。小规模的测试只能供参考， 不能做定量计算。比如，如果拿两个很相似的手指测试，如果相互识别，不能下结论认假率＝50％。 与拒真率情况不同，国内大部分产品在这个指标上一般还能满足实际要求，但也有一些产品例外。 　　人造指纹 　　市场上的指纹识别仪中，部分不会被假指纹骗过，但也有部分会被假指纹骗过。必须注意指纹仪的选择。 假指纹问题是一个非常严重的问题，但被很多人忽视。这个问题与指纹采集器（敏感器）有关，与指纹比对算法基本无关。 有些指纹敏感器对人造指纹同样会采集到指纹图像，而且质量还不错。采用这些敏感器的指纹产品对人造指纹没有鉴别能力， 不管是人的真指纹还是人造的假指纹，只要纹路对上，都一样识别通过。 　　现在所有指纹产品都打上“活体指纹”的概念，这个概念的使用是针对公安系统的指纹鉴定技术而言。公安系统的指纹鉴别针对物体上的遗留指纹， 而现代指纹产品直接对人体指纹与门禁机里的指纹作比对。“活体指纹”的概念由来如此，但是有些产品实际上对真假指纹不分。还有，活体和真皮是完全不同的意思，真皮指的是手指内层有生命的皮肤，手指表皮是没有生命的（人的表皮、指甲、头发是由死去的细胞组成）。 　　人造指纹的制作方式有三维（立体）与二维（平面）两种。三维指纹可采用树脂之类的材料，二维指纹用简单的打印机打印就可以。人的指纹实际上到处可以采集到，门的手柄上、茶杯上、桌面上； 或者就在指纹采集器上。通过胶纸和化学材料（碘）可以让采集到的指纹重现，加以整理就可以用人造材料制作。美国电影“国家财富”就演示了用假指纹作案的典型过程。国内已有出售人造指纹，10元一个。 　　最容易被人造指纹骗过的就是光学指纹敏感器，它对二维、三维的假指纹都不能鉴别；而电感－电容－压感稍好一些，只是对三维的假指纹不能鉴别。假指纹问题不仅存在与国内很多产品中，国外的很多名牌产品也一样存在这个问题。日本东京大学的一位教授专门对假指纹问题进行了研究，他给出了假指纹的制做方式，并用制作的假指纹对国际上的11个知名品牌产品进行测试。结论是惊人的：这些产品全部可以被假指纹骗过！ 所以，指纹技术的可靠性必须以杜绝假指纹为前提，否则毫无意义。 已经有报道用人造指纹在驾照考试和高考中作弊的案例，随着指纹应用的普及，这类案例还会增加。在有些应用场合，假指纹的问题不会带来严重的后果，比如考勤上的应用。但是在另外一些场合，如银行金融界的应用，假指纹引起的潜在风险是很大的。随着指纹技术的普及，银行系统对假指纹的认识也在不断提高。 解决这个问题的根本办法是选择合适的指纹敏感器，只对人的皮肤敏感。 　　手指放置自由度 当手指放在敏感器上时，应该允许手指位置在一定范围内可以变化。早期的产品要求过于苛刻，现在这个问题已得到较好的解决，除了特别差的产品以外。太多的自由度是没有必要的，只要不影响使用就可以了。 有的产品甚至可以允许360 度偏转，在实际中有这样要求的应用很少。 　　环境温度 　　产品的工作温度范围也是一项重要的指标，这对产品的实用性影响非常大。中国的北方地区冬天的温度能达到负20多度，在南方地区夏天的温度经常达到40度，太阳直射的地方甚至能达到60度。如果产品在某种温度下失灵，它的原因来自两个方面。一个是元器件质量的问题，另一个是功能性问题。前者可能通过选择高档元器件来解决问题，后者与指纹核心技术有关（指纹采集器部分）。 　　表面耐磨度 　　指纹敏感器的表面每天被人使用，表面的耐磨度是很重要的。目前较通用又简单易行的测试方法是GB6739-1996。光学指纹采集器本来是最耐磨的，因为它的表面是玻璃。但是，有些光学采集器在玻璃表面上贴了一层硅胶或类似材料， 为了弥补核心技术在采集指纹图像质量上的不足。 这些材料往往是很不耐磨的，指甲可以把它刮伤，使产品的使用寿命大打折扣。 指纹采集器技术的比较 　　由于指纹比对算法是看不见的软件，而且它涉及到非常专业的知识，所以，一般消费者在选择产品时不会专门对它作专门的考察。但是，它的性能会直接影响到整机的性能，可以通过测试整机性能来判断指纹比对算法的好坏。 　　反之，在选择产品时，对指纹采集器有必要进行专门的考察。因为受到各种条件的限制，对整机测试往往不可能很全面。比如，参加测试人数有限、难以找到困难的手指、测试时间有限，气候条件不同，试验手段限制，等等因数。因此，除了对整机的测试外，还要的对指纹采集器作专门的考察，两者结合才能对一个指纹产品作出全面的评价。下面对目前市场上流行的指纹采集器作评估和比较。 　　国内外目前常用的指纹敏感器的基本特点归纳如下表。表中所列出的指纹敏感器在国内外已有一定的使用历史和市场占有率，正在研发或国内外市场上不常见的产品没有在表中列出。 电感－电容－压感这三中指纹敏感器的各项性能相差不大，表中将它们放在一起考虑。 采集技术 贴膜光学 不贴膜光学 电感电容压感 热敏 射频 人造指纹 的判别能力 很坏 坏 较好 好 好 干手指识别率 较好 坏 坏 较好 好 脏手指识别率 坏 坏 坏 较好 好 油手指识别率 较好 较好 坏 较好 好 老人识别率 较好 坏 坏 较好 好 气候变化适应能力 较好 坏 坏 较好 好 抗震动适应能力 坏 坏 好 好 好 抗静电适应能力 好 好 坏 坏 好 表面耐磨 坏 好 坏 较好 好 温度范围 0-40℃ 0-40℃ -5~40℃ 夏天不能使用 -30~70℃   　　除了光学敏感器外，其它敏感器绝大部分都属于半导体类型。半导体类型敏感器是一个很广阔的概念，表中的6种敏感器有5种是半导体的。但半导体敏感器的原理和性能互相之间也有很大差别。 半导体敏感器中有一种特殊的器件，热敏指纹敏感器，是美国amtel爱特梅尔专利产品，产地在法国。这款敏感器自身原理基于人体与环境温度差别，如果环境温度达到35度左右，它会彻底失灵。在国内的气候条件下是不太适合的，所以它在国内没有得到大面积应用。 　　光学敏感器 　　光学指纹敏感器是最老一代敏感器。因为它的光机部分可以在国内制造，而且内部的ccd或cmos敏感元件是通用元件，价格很低，所以在国内的低端市场普及程度较高。它最严重的问题是人造指纹问题与干手指。 　　由于光学敏感器采用了照相机的成像原理来采集指纹图像，成像器件与手指没有直接的接触与分析。它仅仅凭物体表面的光线反射来敏感图像，所以用人造材料做的指纹同样可以使它采集到指纹图像。在所有技术中，光学技术是最容易被假指纹骗过的。 　　因为水分流失，人在冬天时手指往往偏干，偏干的程度与气候干燥程度及人体差异有关。 由于指纹采集原理的限制，光学指纹采集器很难对干的手指采集到清晰的指纹图像，造成了这种产品对干手指识别率低（拒真率高）的问题。手指越干，这个问题越突出。在北方冬天气候条件下，手指发干会导致很多人的手指无法被识别。这个问题在北方地区尤其突出。 　　在玻璃表面贴膜可以改善干手指的问题，但是膜本身很不耐用，而且膜的使用使假指纹问题更严重。 　　因为成本优势，基于光学原理的的指纹门禁考勤机在国内相当流行（门禁和考勤的差别只在管理软件上），甚至可以说占了大部分市场分额。但是，由于存在人造指纹问题，它在金融系统，尤其是金库门这种场所的使用是不安全的。早期安装的银行系统的指纹产品中，有部分是光学指纹采集器。那时人们对人造指纹的严重性还认识不够，而且指纹产品普及的初期时，用假指纹作案的例子不多。但是，随着指纹技术的普及，犯罪分子对假指纹的利用也会增加。金融系统的指纹项目一般排除了光学指纹技术，有些银行甚至明确规定禁止使用。但是，有些银行系统还是用了一些光学技术的指纹门禁，原因是多方面的：1）南方地区冬天不很冷，手指不很干，干手指问题不很突出。2）价格因数 3）对光学技术的认识不足 4）项目的人为因素。 　　电感－电容－压感：这三种敏感器的工作原理相似，都是敏感手指表面指纹纹理凸和凹的变化。电容式基于人体分布电容，压感式敏感凸和凹所造成的压力变化，电感式敏感的是电场变化。这些敏感器的通病是当手指表面的杂物或纹理本身不明显时，所敏感到的凸和凹差别很小，造成指纹图像很差。 　　它们的有些性能比光学的好，有些比它差。从人造指纹问题看，这三种敏感器比光学的好，因为它们至少对二维（平面）的人造指纹是不会产生图像的，但三维（立体）的人造指纹仍然可以骗过这些敏感器。从干手指问题看，这两类产品的问题是一样的。从其它性能看，如：对脏手指、油手指、老人手指、等困难手指的适应能力，这两种敏感器性能相似。比如，如果使用者手指沾有油脂、印泥、灰尘、等物质，这些敏感器都不能采集到理想的图像。还有，这些敏感器表面很不耐磨，指甲的刮划可能会导致它失灵。另外，这些敏感器抗静电的能力都较差。 　　射频敏感器：它的工作原理很特殊， 由射频与敏感元件阵列组成， 每一个成员实际上都是一个等效的小天线，它通过人的手指向皮肤内层（真皮层）深处传递电波。接受部分的元件对回传的电波相位进行解调，相位的差别反应了指纹纹理。从某种意义上讲，它的原理与雷达的工作原理相似，所以称为射频式指纹敏感器（RF sensor）。而且，它能自动调节内部电气参数来适应手指干湿程度、按手指压力、年龄、等因素的变化。由于它的独特工作原理， 所采集到的指纹图像对应于手指内层具有生命的真皮指纹纹理，对手指表面的外层皮肤并不直接敏感，并对表面的一些脏物、油渍、灰尘等物质具有穿透能力。它的特殊工作原理使它保证对各种类型的手指在各种使用条件下都能采集到理想的图像，因此具有显著的优越性能。干手指是其它类型敏感器普遍遇到的问题，但是用这款敏感器可以很好地解决这个问题。 　　由于它只对具有生命的皮肤起作用，这款敏感器对人造指纹具有很好的鉴别能力，是目前世界上所有指纹敏感器中防伪指纹最好的一种。这种指纹敏感器在国外的普及率相当高，在国内现在已经应用在电脑和手机的内置式指纹技术中、 高级指纹门锁、和银行系统。（注意电脑上内置指纹采集器有些是电容原理的， 性能与射频原理相差很大） 指纹产品的测试要点 　　对指纹产品的实际测试有各种内容，最主要的是考验它的据真率（识别率）。 怎样测试一个产品拒真率不是一个简单的问题，应该注意如下几个要点。 　　区分使用不当和真正的拒真（识别不通过）：当手指放在指纹采集器上时，如果使用不当，手指当然不能被识别。这种情况要与手指放置正确时不识别的情况区分。手指有用的部分是指肚突出部分及它的周围，只要把这部分对准指纹采集器并自然用力就行。使用不当的原因有手指抬起过早，采集器还没有采集到指纹；手指放置不平，只有手指的侧面被采集到； 手指左右偏转角度过大；过分紧张用力过猛或过分小心用力不足，等等。这些情况对初次使用指纹产品的人来说，是常见的问题，经过一段时间使用后会有好转。 对理想干净的手指，高端产品和低端产品没有明显的差别。不同产品的拒真率主要对困难的手指才有区别：干手指、浅纹理手指、磨损手指、粗糙手指、老年手指、油脂手指、灰尘手指、湿手指、带泥手指、油墨手指等。有两点值得注意：其一，要掌握度的问题，不管哪种指纹产品，手指的条件太差都是无法被识别的，比如手指上有一层厚厚的泥土。其二，有些类型的手指不一定能找到，比如浅纹理手指。 　　拒真率的测试现在还没有行业标准，不管是对被测手指类型、数量的选择，还是测试方法的规定。在规定测试方法时，会遇到一个问题，怎样认定一个手指不被识别？这是值得注意的细节。一个手指不被识别的原因有两种可能：没有正确放置或手指属于困难手指。前者不应该认定它没有被识别，后者应该是。那么，尝试多少次以后才能最终认定识别不了。这个次数没有统一规定，它与使用者对产品熟悉程度有关。所以，如果要做定量测试，使用者要事先熟悉产品的使用习惯，每个产品在使用习惯上是有些差别的。作为参考：不能因为一次不通过就认定手指不通过识别，如果正确按手指3次以上没通过，就算拒真（识别失败）。