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详解指纹传感器工作原理及提高匹配性能的方法

2015年07月20日 09:36 次阅读

  指纹识别过程同所有的生物体特征识别的过程类似,分为用户注册和特征匹配2个部分。首先,需要录入指纹图像,对获取的原始图像进行处理,包括图像增强、分割、细化、二值化等。然后,对指纹的细节特征进行提取,比较常见的特征点有分叉点、端点,最后,生成模板储存在系统数据库中。无论是验证或者辨识的过程,都需要将待识别的用户的指纹图像再一次进行同样的图像分割、细化、二值化、特征提取等一系列步骤,生成和数据库模板同样的数据格式,最后,进行比对,得出识别的结果。

  现有的指纹识别算法的前提条件是使用相同的指纹识别器上采集指纹或认证。所以,在网上的很多用户只能用同一类指纹识别器才能实现认证,实践证明:如果换作不同的指纹识别器,验证系统的性能将大大降低,这是因为指纹识别器没有标准的互换规定。

  由于各种识别器的使用算法的不同,要使用指纹识别器的各系统需要个别的登录,而且,认证时必须使用与登录时使用的识别器类型相同。这说明个人和系统需要保留多个不同种类的识别器。解决不同识别器之问的通用算法就成为目前研究的一个很有意义的课题,这样,用户可以在自己的电脑上使用不同的识别器,方便了在线指纹验证系统的使用价值 。

  由于某类指纹传感器仅仅适合同种类型的采集仪验证使用,为了允许更多的用户使用和阻止假冒用户试图欺骗系统,多传感器指纹融合提高系统的性能显得很有必要。本文提出一种简单的融合策略研究了两类常用的指纹传感器一光学传感器和电容传感器。两类传感器分别采集两幅图像后通过预处理程序提取细节点后分别与模板指纹相匹配,得到2个匹配分数,然后,把这2个匹配分数通过融合规则得到最后的匹配分数,通过与单一传感器性能比较表明:融合后的结果对系统的性能有了很大的提高。

  1 提出的融合框架

  图1为提出的多传感器指纹验证系统框架图 。首先,通过光学和电容传感器采集用户的指纹图像。然后,对图像进行预处理和分别提取两类传感器采集的指纹图像的特征,基于细节点的匹配算法被分别应用到光学和电容细节点集,因此,有2个匹配分数,并使用融合规则融合这些分数。

  图1 多指纹传感器验证系统框架图

  图1 多指纹传感器验证系统框架图

  1.1 指纹传感器的类型和工作原理

  由于当今指纹传感器规格很多,但是,至今仍然没有一个恰当和统一的协议和标准。目前,市场上现有的传感器主要有光学传感器和电容式传感器两类。

  1.1.1 光学传感器工作原理

  它的基本原理如下:将手指按压在玻璃平面的一侧,在玻璃的另一侧安装有LED光源和CCD摄像头,LED发出的光束以一定的角度照射向玻璃,摄像头用于接收从玻璃表面反射回的光线。手指上的脊线与玻璃表面接触,谷线不与玻璃表面接触,因此,照射在指纹脊线所接触部分的玻璃表面的光线被漫反射,而照射在指纹谷线所对应的玻璃表面的光线被全反射,从而在由CCD摄像头捕获的图像中,对应指纹脊线的部分颜色较深,对应指纹谷线的部分颜色较浅。

  1.1.2 电容传感器工作原理

  电容传感器原理根据按压到采集头上的手指的脊和谷在手指表皮和芯片之间产生不同的电容,芯片通过测量空间中的不同的电磁场得到完整的指纹。由这一构造原理,可以大大地提高指纹的防伪性。伪造的指纹一般用硅树脂或者白明胶等绝缘材料,在电容传感器上是无法成像的,这样使伪造的指纹无用武之地。但电容技术的芯片昂贵,且易受到干扰。

  1.2 指纹图像处理

  在该识别过程中,首先,通过指纹采集仪器采集到指纹 J,由于采集指纹图像时图像质量不高或者在捺取指纹过程中因用力不均造成指纹畸变,常常会造成指纹图像分割的不准确,给后续的指纹识别带来更大的困难,造成指纹自动识别系统的拒识或误识,所以,指纹采集后的第一个关键技术就是对采集到的指纹图像进行预处理,包括对指纹图像的增强、二值化和细化等。预处理完成后即可进行特征提取,然后,进行特征匹配,输出匹配结果,如图2。

  图2 指纹图像预处理步骤

  图2 指纹图像预处理步骤

  最后,细节点被提取出来,细节点定义为:端点和分又点(如图3),纹线端点是一条纹路的终结点,而纹线分叉点是一条纹路再次分开成为两条纹路的点。这2种特征点在指纹图像中出现的几率最大、最稳定,易于检测,而且,足以描述指纹的唯一性。

  图3 指纹细节点类型

  图3 指纹细节点类型

  两幅指纹图像的匹配主要是解决旋转、平移和形变等问题。本文中,指纹匹配的输入是2个特征点的点集尸与Q,其中一个点集P是从输入的指纹图像中提取出来的,另一个点集合Q则是预先从标准的指纹图像中提取出来储存在模板库中。这2个点集合分别表示为

  电容传感器工作原理

  其中,电容传感器工作原理记录了点集P中第i个特征点的3条信息: 坐标、Y坐标与方向,电容传感器工作原理则记录了点集Q中第j个特征点的3条信息:x坐标,y坐标与方向。假设两幅指纹图可以完全匹配起来,则可通过对输入的指纹图作某种变换(旋转、平移与伸缩)得到模板中的指纹图,因此,点集P可以通过旋转、平移与伸缩等变换近似成点集Q。

  为了能够将输入指纹图像中的某一个特征点按照一定的变换方式转换成模板指纹图像中的相对应位置,需要知道相应的变换因子,△x与△y分别为x,y方向上的平移因子,△θ则是旋转因子。匹配基准点的确定是通过判断这2个三角形的相似程度得到的,在求取了两幅指纹图像之间的匹配基准点和变换因子后,本文对待识别指纹相对于模板指纹进行旋转、平移变换,以便判断两枚指纹是否来自于同一个手指。在本文中,求取变换后的待识别指纹的特征点坐标位置和所在区域的纹线方向。然后,将变换后的待识别指纹特征点集叠加到模板指纹特征点集上,检测2个特征点集合中相重合的特征点数目。由于本文中的匹配是一种非精确匹配,即使是一对匹配的特征点对,它们之问也不会完全重合,总是在位置、方向上存在有一定的偏差,所以,必须有一定的偏差容忍度。

  为此,本文采用一种称为界定盒的方法。对模板指纹特征点集中的每一个特征点,选取它周围的一个矩形区域作为它的界定盒,只要变换后的待识别指纹中的特征点经过叠加后落在这个区域之内,而且,方向基本一致,可以认为这2个特征点对是一对匹配的特征点。

  最后,算法统计所有相匹配的特征点数目,通过式(1)转换成匹配分数,其中,maxscore是通过叠加匹配的细节点个数得到的最大匹配得分,Temp—Num和Input—Num分别是模板和输入指纹的细节点数目

  电容传感器工作原理

  计算的匹配分数代表了相比较的两幅指纹的相似程度。参数值越大,相似性程度越高,而如果得分较小时,说明这一用户不一定是其宣称的用户,访问将被拒绝。

  本文所使用的算法是一种典型的基于特征点坐标模型的点模式匹配算法。它对匹配过程中最难的一步一基准点的确定和变换参数的求取作了较深入的研究,根据3个近邻的特征点之间的相互关系来确定基准点、求取变换参数。该算法在一定程度上能够加快基准点的求取,从而提高整个匹配算法的速度。同时,该算法是根据多点来确定变换参数,而不是通常意义上的一点,在一定程度上可以消除在特征提取过程中所引入的位置、角度的偏差,得到更为准确的变换参数。

  1.3 光学和电容传感器的融合

  So, Sc是分别由光学传感器和电容传感器采集的图像运用匹配算法所获得的匹配分数,s融合后的分数和S。So, Sc之间有如下关系

  电容传感器工作原理

  将S和设定的阈值相比较:if:S > threshold系统允许进入,为真;否则,系统拒绝该用户,当然,上述方法也可用于2只以上的,。

  根据方程(2)研究了两种类型的匹配分数转换执行融合规则,第一种类型融合规则属于所谓的固定融合规则,因为它们不需要参数估计,尤其研究了两类传感器的匹配分数中值

  电容传感器工作原理

  第二种融合是所谓的训练样本规则,因为它们需要为了获得理想的阈值分数而让样本经过多次训练,采用公式(4)训练样本

  电容传感器工作原理

  式中W0,W1,W2为权值向量,显然,中值融合的效果要差于逻辑融合,逻辑融合的过程就是以中值为基础,经过多次迭代,总能找到一组合适的权值向量(W0,W1,W2),使得阈值分数S接近于最佳值。

  2 实验结果

  随机抽取20个人,每个人使用3个手指,分别为大拇指、食指、中指,使用光学和电容传感器,每个手指按压10次,每个人采集到的指纹数为6&TImes;10=60,共有指纹20&TImes;60=1200。对于每一个验证算法两类集合的匹配分数。第一次匹配称为“真正匹配分数 (真正用户之间)G集合,第二次是“假匹配分数”(“假冒用户之问”)I集合。

  随机细分以上集为2个大小相同的集合:G=G1 U G2,I=I1 U I2,G1, G2和I1, I2分别是G和I的分离集合。训练集合Tr={G1,I1}用于计算逻辑融合规则的权重,测试集合Tx={G2,I2}用于评价和比较算法性能。它包含以下几个指标:

  训练样本集合的等错误率(EER),也就是当真正用户被系统错误拒绝的百分比(FRR)等于假冒用户被系统错误接受的百分比(FAR)。

  表1总结了计算训练样本的EER与测试样本的FAR和FRR的结果。

  表1 单一传感器和多传感器融合计算结果的指标EER。FAR,FRR

  从表1可知,电容传感器性能明显差于光学传感器。其原因主要是电容传感器采集图像时的接触面积远远小于光学传感器。直接导致了其采集的图像提取的细节点数目少,因此,提取的细节点不能彼此正确的匹配。

  从等错误率计算的融合结果来看,性能也有很大的提高,逻辑融合减少EER从3.6%到2.9%。测试样本的结果也表明融合提高了系统的鲁棒性,实际上,在逻辑融合(表1第5行)以后,训练样本的性能(表1第2列)和测试样本的性能偏差(表l第3列和第4列)大大减小了。

  该实验结果与Gian Luca 实验结果对比,发现得到的结果指标低于文献[7]的指标,其中原因可能是本文使用的采集器性能比较差,以致获得的指纹图像质量不够理想而导致指标稍弱,另外,可能就是本文使用的算法获得的匹配结果不够理想。

  3 结论

  本文提出了基于光学和电容传感器多传感器指纹验证系统。实验结果表明:验证后的多传感器系统性能优于最好的单一传感器陛能(光学传感器),而且,光学和电容传感器匹配器两者之间的互补性也表明了多传感器融合的可能性,从理论上来说系统本身也获得了很低的验证错误率。特征提取过程被分别应用到每一个采集设备采集到的图片,应用一个简单的融合规则,提高系统的验证性能。因此,融合不同类型的传感器提高系统性能方案简单易行。

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发表于 2014-02-26 10:24 412次阅读
三星新款MWC上引爆指纹识别 我国企业抢先布局

详解医疗设备中的电容检测技术

容性检测技术在传统的人机界面应用中继续受到青睐,例如笔记本电脑触控板、MP3播放器、触摸屏显示器和近...

发表于 2014-02-11 11:52 796次阅读
详解医疗设备中的电容检测技术

触控IC市场竞争白热化 敦泰指纹传感器杀价抢单

大陆最大触控IC厂F-敦泰持续追求技术领先,但面对日本瑞萨(Renesas)及美国新思国际(Syna...

发表于 2013-10-23 11:15 933次阅读
触控IC市场竞争白热化 敦泰指纹传感器杀价抢单

Android版本指纹验证也不远了?

据报道,FIDO联盟(线上快速身份验证联盟)总裁迈克·巴雷特(Michael Barrett)表示,...

发表于 2013-10-19 11:33 639次阅读
Android版本指纹验证也不远了?

土豪金iPhone 5s深度拆解:到底值不值万金...

和 iPhone 5c 相比,iPhone 5s 的升级更有诚意:64 位 A7 芯片、M7 协处理...

发表于 2013-09-22 08:52 39601次阅读
土豪金iPhone 5s深度拆解:到底值不值万金...

告别密码:移动设备推动安全验证行业巨变

移动设备引发了一些行业的巨变。iPhone 5S的指纹传感器则让智能手机作为购物工具提供了更多的机遇...

发表于 2013-09-17 17:45 671次阅读
告别密码:移动设备推动安全验证行业巨变

iPhone引领指纹识别潮 信息安全需求高

指纹扫描仪已经被广泛应用在各个领域,大量泄露信息显示iPhone 5S将具备一个指纹传感器,被设计在...

发表于 2013-08-22 10:04 537次阅读
iPhone引领指纹识别潮   信息安全需求高

指纹识别传感器风暴来袭 NFC或首当其冲

8月18日消息,苹果下一代iPhone据传融合指纹识别技术,《福布斯》杂志分析称,苹果很可能借此以一...

发表于 2013-08-21 09:36 789次阅读
指纹识别传感器风暴来袭 NFC或首当其冲

苹果或将利用指纹技术改革支付方式

苹果下一代iPhone据传融合指纹识别技术,苹果很可能借此以一种非常时尚的方式,引领一场支付领域的新...

发表于 2013-08-19 11:14 405次阅读
苹果或将利用指纹技术改革支付方式

两消息掀起指纹识别风 传感器躁动

苹果等科技巨头早已重金布局指纹识别,近期又有两消息助推,指纹识别应用范围将加速扩展。指纹传感器开始躁...

发表于 2013-08-19 09:12 1344次阅读
两消息掀起指纹识别风 传感器躁动

7月17日快讯:飞利浦降价抢市场/传感器突发状况

飞利浦在台湾宣布推出新一代LED灯泡系列,其入门款7瓦LED灯泡82元人民币,相较于去年的入门款降价...

发表于 2013-07-17 16:58 702次阅读
7月17日快讯:飞利浦降价抢市场/传感器突发状况

指纹传感器出问题 首批iPhone 5S或被延迟

苹果iPhone 5S增加指纹扫描功能原本会增加卖点,但却未曾想到会给该机的发售带来麻烦。由于在指纹...

发表于 2013-07-17 14:00 403次阅读
指纹传感器出问题 首批iPhone 5S或被延迟

iPhone 5S或将引入指纹传感器和NFC芯片

来自台湾媒体的最新消息显示,苹果已经与台湾欣邦科技签订合同,将在下一代iPhone中引入指纹传感器。

发表于 2013-03-12 09:46 786次阅读
iPhone 5S或将引入指纹传感器和NFC芯片

iPhone 5S创新设计:与Home键配备指纹...

随着三星Galaxy系列手机的热卖,毫无疑问,苹果感觉到了前所未有的市场压力,并加速了新品推出速度。...

发表于 2013-01-22 09:01 827次阅读
iPhone 5S创新设计:与Home键配备指纹...

解读美信(Maxim)传感器战略:模拟集成化之路

  电子发烧友网讯:Maxim把7个传感器集成在一个微小的2×2mm的光学封装里,试图将模拟集成带入...

发表于 2012-07-17 17:07 543次阅读
解读美信(Maxim)传感器战略:模拟集成化之路

基于光学传感器的智能玩具小车设计

智能机器人在当今社会的应用越来越广泛。从普通的玩具机器人到工业控制机器人,从能够炒菜的机器人到可以进...

发表于 2012-07-04 11:09 872次阅读
基于光学传感器的智能玩具小车设计

Vishay新款全集成接近和环境光光学传感器VC...

Vishay Intertechnology, Inc.(NYSE 股市代号:VSH)宣布推出具有0...

发表于 2012-06-19 10:01 354次阅读
Vishay新款全集成接近和环境光光学传感器VC...

Vishay发布业界最薄的全集成接近和环境光光学...

Vishay Intertechnology, Inc.(NYSE 股市代号:VSH)宣布,推出具有...

发表于 2012-06-18 09:39 292次阅读
Vishay发布业界最薄的全集成接近和环境光光学...

电容传感器寄生电容产生原因及消除方法

引 言 电容式传感器具有结构简单,灵敏度高,温度稳定性好,适应性强,动态性能好等一系列优点,目前在检...

发表于 2012-05-28 17:07 4406次阅读
电容传感器寄生电容产生原因及消除方法

电容传感器产品设计要点:漂移补偿+寄生电容

电容传感器滚轮在iPod等产品中获得的成功,正在促使其他消费电子产品开发商考虑使用电容传感器来改善产...

发表于 2012-02-29 11:40 927次阅读
电容传感器产品设计要点:漂移补偿+寄生电容

电容传感器与机械开关的对比

电容触摸传感器接口的应用并不仅限于MP3播放器,而是可以用于目前采用传统机械开关的任何产品之中,如新...

发表于 2011-11-23 14:39 342次阅读
电容传感器与机械开关的对比

基于差动电容传感器的车辆载荷检测系统

本文提出了一种电容式车辆载荷检测系统,该系统中载荷检测传感器采用差动式结构,大大提高了测量的灵敏度和...

发表于 2011-08-27 02:05 660次阅读
基于差动电容传感器的车辆载荷检测系统

Avago发布光学传感器片上系统(SOC) AD...

  Avago Technologies日前宣布推出一款光学传感器片上系统(SoC),为鼠标和其他人...

发表于 2010-12-15 09:12 296次阅读
Avago发布光学传感器片上系统(SOC) AD...

用于无线鼠标的低功率光学传感器ADNS-2080...

  Avago Technologies日前宣布推出两个最新的用于无线鼠标的低功率光学传感器。ADN...

发表于 2010-12-15 09:11 417次阅读
用于无线鼠标的低功率光学传感器ADNS-2080...

采用光学传感器的超薄型鼠标和轨迹球应用设计

  Q1:超薄型鼠标应用设计思想是什么?   A1:超薄型鼠标传感器可以适应不同的外壳设计,超薄的...

发表于 2010-10-27 09:24 317次阅读
采用光学传感器的超薄型鼠标和轨迹球应用设计

FBG光学传感器基础

  概述   近几十年以来,电气传感器一直作为测量物理与机械现象的标准设备发挥着它的作用。尽管它们...

发表于 2010-10-16 11:16 772次阅读
FBG光学传感器基础

指纹识别技术设计的注意事项

  设计注意事项   指纹识别用于各种应用,包括电子门禁系统、智能卡、车辆点火开关控制系统、带指纹...

发表于 2010-09-03 10:45 148次阅读
指纹识别技术设计的注意事项

采用电容传感器的全电子开关电源设计

  本设计是用电容传感器按钮(PCB圆形或方形垫片)替代机电开关。PIC12CXXX MCU 非常适...

发表于 2010-08-25 11:57 389次阅读
采用电容传感器的全电子开关电源设计

电容式传感器等效电路

电容式传感器等效电路 L包括引线电缆电感和电容式传感器本身的电感:r由引线电阻、极板电阻和金属支架...

发表于 2010-02-06 08:25 1454次阅读
电容式传感器等效电路

变面积型电容传感器

变面积型电容传感器       变面积型...

发表于 2010-02-06 08:23 3268次阅读
变面积型电容传感器

变极距型电容传感器

变极距型电容传感器       &n...

发表于 2010-02-06 08:22 4067次阅读
变极距型电容传感器

电容传感器在汽车中的应用

电容传感器在汽车中的应用  过去,由于被认为具有难以控制、不易读取、易于老化和温度要求严格等特点,...

发表于 2010-01-18 10:39 1065次阅读
电容传感器在汽车中的应用

新型测量方法催热电容传感器在汽车中的应用

新型测量方法催热电容传感器在汽车中的应用 过去,由于被认为具有难以控制、不易读取、易于老化和温度要...

发表于 2010-01-04 15:48 206次阅读
新型测量方法催热电容传感器在汽车中的应用

车用电容传感器的新契机

车用电容传感器的新契机 过去,在汽车里很少使用电容传感器,因为它们不好控制,难以读取数据,容易老化...

发表于 2009-12-03 09:32 343次阅读
车用电容传感器的新契机

电容传感器特点与应用

电容传感器特点与应用 主要优点: (1)输人能量小而灵敏度高。 ...

发表于 2009-12-01 13:58 1548次阅读
电容传感器特点与应用