指纹传感器及其在“指纹鼠标” 中的应用

指纹传感器及其在“指纹鼠标”中的应用 张 　亮 (江苏警官学院 技术系 ,江苏 南京 210012) 摘 　要 : 指纹传感器 ( FPS200)运用图像搜索技术 ,通过改变传感器电容阵列参数 ,能在 1 s 内扫描多帧指 纹图像 ,并自动选择质量最好的供后端进行相应处理 ,显著减低系统误识率、拒识率。主要介绍基于该传 感器开发的“指纹鼠标”。根据鼠标内部较大空间、传感器 FPS200 及微处理器体积很小的特点 ,将三者集 成为集鼠标与用户身份识别功能于一体 ,既方便快捷、又唯一可靠。实践证明 ,它能为计算机用户提供完 善的身份认证 ,在诸多领域有着极其广泛的用途。 关键词 : 指纹传感器 ; 图像搜索技术 ; 验证 ; 辨识 中图分类号 : TP212 　　　文献标识码 : B 　　　文章编号 : 1000 - 9787 (2002) 10 - 0052 - 03 Fingerprint sensor and its application of“f ingerprint mouse” ZHAN G Liang ( Dept of Techn ,Jiangsu Police College , Nanjing 210012 ,China) Abstract : By using the image seek technology to change the capacity array parameter of the fingerprint sensor , FPS200 can scan the fingerprint diagram of many frames in a second ,and automatically choosing the best image to treat . The FAR and the FRR of the system can be widely reduced in the practice.“Fingerprint mouse”which base on the sensor is introduced. The mouse has been made possible by taking account of the roomy space within mouse ,tiny chip patch for sensor FPS200 ,together with small size of available microprocessors , The usage of this device is very easy and reliable. It can provide perfect identity for computer user ,and there is very extensive using in many realms. Key words : fingerprint sensor ( FPS) ; image seek technology ; verification ; distinguish 0 　引 　言 科学研究表明 ,人的指纹、掌纹、虹膜等具有唯 一性、稳定性的特点 ,即每个人的这些特征都与别人 不同、且终生不变。由于身体特征不可复制 ,据此诞 生多种生物识别身份手段 ,如指纹识别、掌纹识别、 虹膜识别等。其中 ,指纹识别已广泛应用于安防、保 险、医疗、网络登录、边防检查等。为此 ,许多公司开 发出性能各异的指纹传感器。本文介绍指纹传感器 FPS200 ,主要介绍基于该传感器开发的“指纹鼠 标”。实践证明 ,它能为计算机用户提供完善的身份 认证 ,在诸多领域有着极其广泛的用途。 1 　指纹图像传感器 FPS200 1. 1 　FPS200 结构 指纹图像传感器 FPS200。它不像传统的光学 传感器那样扫描指纹 ,而是测量传感器与手指接触、 非接触所产生电流变化来有无指纹 ,并根据指 收稿日期 :2002 - 06 - 03 纹峰、谷等纹理信息 ,实现高可靠性硅传感器的图像 搜索。无论手指干燥、潮湿、粗糙 ,都可从采自同一 手指的多帧指纹图像中选择质量最佳的供后端进行 相应处理 , 从而大大降低系统误识率、拒识率。 FPS200 由 256 ×300 电容传感阵列组成 ,分辨力高 达 500 点/ in (in = 25. 4mm) ,可广泛应用于指纹认 证、门禁控制、网络登录、IC 卡安全、移动设备安全 保护等。此外 ,FPS200 封装尺寸仅 24 mm ×24 mm × 1. 4 mm ,其小尺寸、低成本、低功耗、高性能特性非常适 合便携式产品的要求。其内部结构框图如图 1 所示。 图 1 　FPS200 内部结构框图 Fig 1 　Inside conf iguration of FPS200 25 　　　　　　　　　　　　　传感器技术 (Journal of Transducer Technology) 　　　　　　　　　　2002 年 第 21 卷 第 10 期 1. 2 　图像搜索技术 图像搜索技术 ImageSeek TM ,是指通过改变指 纹传感器芯片的电容阵列参数 ,在 1 s 内扫描多帧指 纹图像 ,并自动选择图像质量最好的。最常见的硅 电容传感器 , 在半导体金属阵列上集成了大约 100 000 个电容传感器。当用户将手指放在传感器 绝缘的外表面时 ,指纹皮肤组成了电容阵列的另一 面 ,传感器电容值就随导体间距离而改变 ,这里的距 离是指脊 (近的)和谷 (远的)相对于另一极之间的距 离。这种方式不像光学传感器那样扫描指纹 ,而是 根据指纹峰、谷等纹理信息 ,实现图像搜索。因此 , 该技术能适应各种复杂的指纹、能在各种环境下获 得从干手指到湿手指的指纹图像 ,并可从采自同一 手指的多帧指纹图像中自动选择质量最佳的。性能 优异的指纹传感器 FPS200 正是该技术的具体体 现。 1. 3 　FPS200 特点 (1)适应复杂的指纹。运用图像搜索技术 ,能在 各种环境下 ,获得高质量的指纹图像。 (2) 方便的传感器控制。通过改变 FPS200 放 电电流大小和放电时间 ,即可改变其灵敏度。 (3)低功耗设计。内含检测电路能自动切换工 作模式 ,有指纹时才唤醒主机 ,显著降低功耗。 (4)坚固的传感器表层。能有效防止传感器磨 损、划伤、化学腐蚀等 ,可应用于较恶劣的环境。 (5)提供多种接口。直接提供串行总线接口、微 处理器总线、串行外设接口 ,能满足诸多场合要求。 (6)易于集成。内置三种接口能有效减少传感 器对系统软件的依赖 ,既减低成本、又便于集成到设 备。 1. 4 　FPS200 应用系统构成 FPS200 为核心构成的指纹系统的应用主要有 指纹辨识和指纹验证。前者是把现场采集到的指纹 与预先存储在数据库中的指纹逐一对比 ,从中找出 与其特征相匹配的 ,即“一对多匹配”。就实质而言 , 辨识其实是为了解决“他是谁 ?”的问 ,主要用于案 件取证 ;后者是把现场采集的指纹与已登记指纹进 行一比一的对比来身份识别。显然 ,被验证者的指 纹必须预先存储在系统中 ,并与其姓名、标识等对应 起来。比对时先验证其标识 ,然后把存储在系统中 的指纹与现场采集的指纹按一定算法进行比对。简 而言之 ,验证目的就是证实“他是所声称的人吗”? 这是应用系统中使用得较多的一种方法。登记与验 证系统工作流程如图 2 所示。 图 2 　指纹登记与验证系统 Fig 2 　Register and verif ication of f ingerprint system 　　图中空心箭头表示登记流程、实心箭头表示验 证流程。各序号代表的操作分别为 ①输入用户 ID ( Identification) ; ②出示用户指纹 ; ③计算指纹特征值 ; ④保存 ID 与指纹特征值 ; ⑤取出相应的指纹特征值 ; ⑥两枚指纹特征值的比对。 2 　FPS200 在“指纹鼠标”中的应用 2. 1 　“指纹鼠标”开发必要性 计算机的广泛应用、网络的迅猛发展 ,使信息获 取、处理手段发生巨大变化 ,从政府到民众都越来越 依赖于计算机、特别是网络。同时也带来新的问题 , 如存贮在计算机中的敏感信息因防范措施不力被盗 取事件时有发生。特别是网络固有的开放性、可扩 充性 ,从建立开始就存在安全问题 ,表现为黑客利用 网络传播计算机病毒、非法侵入用户系统、甚至恶意 破坏致使网络瘫痪等 ,不但造成巨大的经济损失 ,甚 至危及国家的安全[1 ] 。 因此 ,加强计算机用户身份认证显得尤为重要。 目前 ,常用的手段有以下三种 :基于所有。比如各种 证件 ,不需密码就能使用 ,但易丢失、被窃、伪造 ;基 于所知。比如静态口令 ,使用十分方便、简洁 ,但易 泄密、破译 ;基于生物特征。即把人体特征如指纹等 用于身份识别 ,该方式方便、安全 ,不存在丢失、被窃 问题。其核心在于提取人体生物特征 ,并转换为数 字信息存储于计算机中 ,通过可靠的匹配算法完成 身份识别。下面主要介绍基于指纹传感器 FPS200 开发的“指纹鼠标”。 2. 2 　“指纹鼠标”可行性 指纹验证的应用主要有嵌入式和连接计算机的 桌面系统两种。前者相对独立、完整 ,无需其它设备 就可工作 ,如指纹锁、指纹考勤机等 ,用途单一 ,主要 完成特定的功能 ;后者结构灵活、能共享指纹识别设 35第 10 期 　　　　　　　　　　　　张 　亮 :指纹传感器及其在“指纹鼠标”中的应用 　　　　　　　　　　　　　　 备、并可建立大型数据库 ,在诸多领域有着极其广泛 的用途。 作为计算机用户身份识别的重要手段 ,可将指 纹识别单元集成到计算机周边设备如鼠标、键盘等 , 实时确认计算机用户身份 ,这样就能有效解决敏感 信息安全防范问题。根据市场实际需求 ,特别是考 虑到指纹采集、处理单元的体积及便携性 ,采用“指 纹鼠标”方案。基于鼠标内部的较大空间、指纹传感 器 FPS200 及微处理器 MPU (Microprocessing unit) 极小的体积 ,将三者集成为“指纹鼠标”,在相关软件 的支持下 ,实现计算机用户的身份认证 ,无论是软硬 件技术上、还是物理空间上都可行[2 ] 。具体而言 , 在鼠标外表 ,将 FPS200 放置鼠标左、右按键中间 , 或鼠标的左侧面 ;在鼠标内部 , FPS200 及鼠标数据 线与信号处理电路等相连 ,通过通用串行总线 USB (universal serial bus) 与计算机主机联结 ,保证指纹 数据、鼠标坐标数据及时传输到计算机。本方案不 额外占用计算机接口资源 ,无须外接电源 ,使用非常 方便。 2. 3 　“指纹鼠标”的开发要点 “指纹鼠标”的硬件部分主要由指纹传感器 FPS200、微处理器 MPU、闪烁存储器、鼠标坐标数 据采集与处理、接口单元等构成 ,原理框图如图 3 所 示。 图 3 　“指纹鼠标”硬件构成 Fig 3 　Hardware composing of“f ingerprint mouse” 　　微处理器 MPU 选用电可擦写的 A T89C55。该 系列 MPU 采用静态时钟方式 ,节省电能 ,对降低便 携式产品的功耗十分有利。芯片内含的闪烁存储 器 ,在系统开发过程中很容易进行程序修改 ,能大大 缩短产品开发周期[3 ] 。综合考虑本方案设计要求 , “指纹鼠标”与计算机主机之间的数据通信采用通用 串行总线接口 USB。 “指纹鼠标”开发时主要需考虑以下几方面 :产 品要面向普通计算机用户 ,价格在大众可接受的范 围 ;在低价位硬件设计基础上 ,开发出功能完备的应 用软件 ,增加产品附加值 ;建立安全认证中心 ,支持 产品推广应用 ,同时为网上交易和安全通讯提供公 约服务、交易双方身份认证服务、第三方公证服务。 这里主要介绍相应的硬件驱动程序及系统应用软件 的开发。 (1)硬件驱动程序开发。在掌握鼠标坐标数据 采集与处理等驱动程序的基础上 ,开发指纹识别驱 动程序 ,使之既保证鼠标的正常工作 ,又具备用户身 份认证功能。即完成相关数据的采集、处理、传输 , 并接管操作系统的安全管理接口 ,同时向其上的应 用程序提供符合国际的接口。 (2)系统应用软件开发。只有提供成熟可靠、价 格合理的应用软件 ,才能充分利用“指纹鼠标”。本 方案的应用软件开发包括基于指纹身份识别的访问 控制 ,以指纹作为加密手段的开机、屏保、系统登录、 敏感信息加解密等。此外 ,还须开发相关应用软件 , 例如为桌面及网络安全系统提供与认证中心配合的 身份认证服务 ,以指纹识别为基础的电子邮件、文件 传输、远程安全登录等。 2. 4 　“指纹鼠标”特点及应用 集用户身份识别与鼠标功能于一体的“指纹鼠 标”方便易用 ,提供安全、可靠的身份识别功能。这 样 ,计算机用户不再需要繁复的密码输入、更改、记 忆 ,只需按一下手指 ,就可保护重要信息。其优点主 要表现为以下五方面 :方便快捷。任何角度均可识 别指纹 ,可单机或联网使用 ;唯一可靠。采用本方案 的误识率极低 ,身份识别极其可靠 ;多重加密。可选 择口令、智能卡、“指纹鼠标”识别共同加密 ;安全便 携。指纹没有遗忘、丢失、失窃问题 ,本方案安全性 极高 ;功能完善。提供完善的本地、异地用户身份认 证功能 ,减低管理费用。 “指纹鼠标”的开发能很好地满足计算机信息安 全防范市场对用户身份识别的需要 ,应用领域主要 有 : (1)计算机用户。现阶段计算机用户面临口令 太多、私人信息无法有效保护等问题 ,“指纹鼠标”可 从根本上解决此类问题。当然开发的产品不但要简 单易用、价格能为大众所接受 ,且相关软件应功能完 备。 (2)各相关行业。如银行、证交所、网站等行业 , 由于缺乏安全可靠的身份验证和访问控制手段 ,这 些部门的网上业务还无法迅速扩展。“指纹鼠标”作 为一种重要的身份识别手段 ,配合相关应用软件 ,及 安全认证中心提供的服务 ,可解决其后顾之忧。 (下转第 58 页) 45　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　传 感 器 技 术 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第 21 卷 　 　　由图中可以看到 ,当环境温度比被测物体的温 度高时会带来较大的误差 ,而当环境温度低于被测 物体的温度时则会保证较高的测量准确度。 4 　结束语 温度是机械加工中重要的参数 ,为保证工件的 热变形在公差范围内 ,需要对温度进行监测。目前 机械精密加工中运用红外测温仪并不广泛。本文采 用红外测温仪就车削工件在加工状态下的温度场进 行监测。根据监测的结果来看 :采用红外测温仪对 车削工件的温度进行监测是可行而有效的 ;它能快 速实时反映工件的温度场的变化 ,其准确度可达 ±1 ℃,完全满足监测的要求。 参考文献 : [1 ] 　吴宗凡. 红外与微光技术[ M ] . 北京 :国防工业出版社 ,1998. 83 - 85. [2 ] 　赵友权 ,范世福 ,李　昀. 常低温辐射温度测量的理论研究[J ] . 光电工程 ,2001 ,28 (5) :47. [3 ] 　董其国. 红外诊断技术在电力设备中的应用[ M ] . 北京 :机械工 业出版社 ,1998. 159 - 162. [4 ] 　寇　蔚 ,杨　立. 热测量中误差的影响因素[J ] . 红外技术 , 2001 ,23 (3) :33. 作者简介 : 陈东生 (1972 - ) ,男 ,四川中江人 ,1996 年毕业于华东理工大 学 ,在读硕士 ,工程师 ,现在中国工程物理研究院从事测试方面的工作。 (上接第 54 页) 3 　结束语 在身份认证领域 ,生物化、数字化、网络化已成 必然趋势 ,发展深度、广度很迅猛 ,可广泛应用于防 范要求高的场所。实际使用效果证明 ,基于指纹传 感器 FPS200 开发的“指纹鼠标”,能实时识别用户 身份 ,有效解决计算机用户的信息安全防范问题。 可以相信 ,随着新技术的迅猛发展、新器件的不断诞 生 ,将不断推出功能更完备、性能更优异、可靠性更 高、安全性更强的产品 ,满足人们日益提高的要求。 参考文献 : [ 1 ] 　张　亮. 动态身份认证[J ] . 网络安全技术与应用 ,2001 , (10) : 26 - 28. [ 2 ] 　张　亮. 彩色异步分场画面控制器 [J ] . 公安大学学报 ,2000 , (4) :42 - 48. [3 ] 　张　亮. 垃圾运输车智能监控管理系统[J ] . 环境污染治理技术 与设备 ,2001 , (6) :80 - 84. 作者简介 : 张　亮 (1966 - ) ,男 ,南京人 ,助研 ,硕士。1995 年上海大学通 信系硕士毕业后就职于公安部三所 ,现江苏警官学院工作。曾作为 唯一作者在若干核心期刊等发表论文二十余篇。研究方向 :警用电 子装备。 85　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　传 感 器 技 术 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　第 21 卷