指纹扫描仪曾经只用于生物记录系统和考勤系统,现在已经成为普通智能手机的一部分,甚至更多。指纹一直是一种可靠的个人身份识别方法。与面部识别或视网膜扫描等其他生物识别系统相结合,指纹提供了一种无可挑剔的方式来识别任何人。随着移动应用程序和可穿戴设备的大量涌现,指纹扫描的使用已经从“识别”转变为“认证”。很快,它可能不再局限于解锁你的手机及其应用程序。许多物联网应用,如智能家居自动化、工业物联网和数字安全应用,已经在需要用户识别、认证或识别的地方使用指纹扫描仪。
正如用例所示,指纹扫描仪背后的电子设备也同样有趣。在本文中,我们将基于其底层的电子设备探索不同类型的指纹扫描仪。
指纹是唯一的标记
手指皮肤上细小的脊谷图案被称为指纹。人类的指纹是独一无二的标记,这是大自然的一大惊喜。也许,在人类进化的过程中,指纹是一种适应,以牢牢地抓住东西,就像轮胎有胎面花纹以抓住道路。
有趣的是,指纹是在胎儿发育的第七个月形成的。指纹所形成的模式受遗传密码和多种环境因素的影响。除了决定胎儿位置如何影响发育中的胎儿皮肤形态的遗传密码,子宫中每个指纹脊的发育,周围羊水的成分和密度,以及其他一些胎儿发育因素。所有这些事件和因素都是随机的,所以两个人,即使是双胞胎,永远不可能有相同的指纹。
更有趣的是,子宫里的指纹一辈子都不会改变。毫无疑问,指纹是人类唯一的标识符。
指纹扫描仪的工作原理
任何指纹扫描仪,不管其基础电子设备如何,都会扫描指纹的数字图像。样本图像存储在内存中,用于与未来的扫描进行比较。
对整个指纹图像的比较分析通常是处理器密集型的。这就是为什么大多数扫描系统在指纹图像中寻找独特的模式。指纹的这些独特特征被称为细节。扫描仪寻找脊线结束或分裂成两个脊线的点。这些明显的特征被称为典型。扫描软件记录扫描图像中的细节的绝对位置,并将它们映射到地图上,以找到它们彼此相对的位置。这导致了不同细节之间的独特形状和尺寸。
就像指纹一样,生成的形状和尺寸总是独一无二的。通过识别足够数量的细节、它们在扫描中的绝对位置和相对模式,扫描仪可以唯一地识别一个特定的指纹。所有这些都涉及到复杂的图像处理算法。
许多指纹扫描仪有额外的传感器,如脉冲传感器或热传感器,以确定扫描图像是否来自一个活手指。指纹扫描仪依赖于被扫描指纹的数字图像。有时,使用指纹图像、手指模子或从残留指纹克隆来伪造指纹是可能的。额外传感器的使用有助于检测伪造事故。
指纹扫描仪的类型
基于电子学,指纹扫描仪有四种类型-
- 光学扫描仪
- 电容式扫描仪
- 超声波扫描仪
- 在展示扫描仪
在嵌入式应用中,光学和电容扫描仪是最常见的。移动设备和可穿戴设备大多有电容式或显示式扫描仪。
光学扫描仪
光学扫描仪是指纹扫描仪的最早型号。顾名思义,这些扫描仪通过CCD或CMOS图像传感器捕捉指纹的光学图像。它们与相机传感器类似,不过它们的设计目的是拍摄高对比度的图像,而不是普通相机。该传感器由一组发光二极管组成,CCD/CMOS传感器捕获的发光二极管照亮手指的区域和反射的光波。该传感器封装了高密度的二极管,以获得指纹的详细图像。采集到的图像是扫描指纹的2D图像。最新的型号只有1毫米大小,甚至可以扫描湿手指。随着成本的逐渐下降,能够检测活手指的光电容混合扫描仪正成为趋势。
光学扫描仪,尽管目前所有的进步,仍然很容易被欺骗。这些指纹可以通过指纹的高分辨率图像、假肢或人造手指来伪造。
电容式扫描仪
电容式扫描仪使用完全不同的技术来读取指纹。它使用数百个小电容阵列来检测电容板指脊和山谷之间的电容。凡是有山脊的地方,它与电容器板的距离都很小,因此电容略小。只要有一个山谷,它与电容器板之间的距离就更大,中间有一个气隙。这导致更大的电容。阵列中每个电容的电容被传递到运算放大器,并通过模数转换器记录下来。这将根据电容触摸感应产生指纹的数字扫描。
电容式扫描仪不容易被欺骗,甚至可以检测到一根活手指。用电容式扫描仪伪造指纹的唯一方法就是黑进控制器的硬件或软件。否则,这些扫描仪不会被打印图像或修复术的操作原理所愚弄。打印图像将产生相应的电容效应,而假体不能完全模拟活手指的触摸电容。
超声波扫描仪
超声波扫描仪是最新和最复杂的指纹扫描仪,能够产生3D扫描的指纹。目前,这项技术只在一些高端智能手机中使用。在超声波扫描仪中,有一组超声波发射器和接收器。发射器发射的超声波脉冲会反射到指纹的脊、谷和孔中。一组接收器接收反射的脉冲。接收器实际上是传感器,测量机械应力由于反射超声脉冲的强度在不同的点。这就产生了指纹扫描的3D图,与任何电容扫描仪的2D扫描相比,这必须是详细的。
超声波扫描仪需要一些时间来有效地捕捉指纹的3D地图。超声波扫描仪很容易实现。它们经常被用于智能手机的显示扫描仪。几乎不可能制造出像电容式扫描仪那样的超声波扫描仪。扫描指纹的3D特性使这项技术更加强大。和电容式扫描仪一样,超声波扫描仪也只能通过破解硬件或软件来伪造。根据工作原理,超声波扫描仪几乎是无可挑剔的。
在展示扫描仪
现在很多智能手机都配备了显示指纹扫描仪。这些要么是超声波要么是光电容扫描仪。使用OLED屏幕的智能手机和其他可穿戴设备更喜欢使用光电容扫描仪。相比之下,超声波扫描仪被广泛应用于中档智能手机和产品,因为它们易于实现,成本效益高。
指纹扫描仪Arduino,树莓派,和其他嵌入式原型平台- - - - - -
光学和电容扫描仪是非常常用的嵌入式应用程序。光学扫描仪的一个很好的例子是R305模型。多年来,它在电子爱好者中很受欢迎。R303是一种流行的电容扫描仪。这些扫描仪通常通过UART接口与微控制器或微型计算机进行数据通信。它的界面和操作都很简单,因为它们附有记录、扫描和比较指纹的说明。所有这些指令都可以很容易地通过UART协议与扫描仪进行通信。
结论
指纹扫描仪是一种方便的设备。这些必须与其他生物识别或认证方法相结合,以实现一个简单的人身份识别系统。这可能包括整合其他“你是谁”系统,如视网膜扫描或虹膜扫描,“你知道什么”系统,如PIN码,或“你有什么”系统,如RFID标签或智能卡。像指纹扫描仪这样的生物识别系统在工业物联网、日志和考勤应用、智能家居和安全应用的设计中非常有用。
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