指纹扫描仪,曾经用于生物识别记录系统和考勤系统,现在是普通智能手机的一部分,还有更多。指纹一直是一种可靠的个人身份识别方法。指纹与人脸识别或视网膜扫描等生物识别系统相结合,为识别任何人提供了一种无可挑剔的方式。随着移动应用和可穿戴设备的蓬勃发展,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,已经在需要用户身份识别、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,我们将探讨基于其底层电子器件的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和谷的图案被称为指纹。人类的指纹是独一无二的标记,这是大自然的一个惊喜。也许,在人类进化的过程中,指纹是一种适应,以牢牢地抓握物体,就像轮胎有花纹来抓握路面一样。
有趣的是,指纹是在胎儿发育的第七个月形成的。指纹形成的模式是由遗传密码以及一些环境因素决定的。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,子宫中指纹每条脊的发育,周围羊水的组成和密度,以及其他几个胎儿发育因素。所有这些事件和因素都是随机的,所以永远不可能有两个人有相同的指纹,即使他们是双胞胎。
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,不管其底层电子设备如何,都会扫描指纹的数字图像。样本图像被存储在内存中,用于与未来的扫描进行比较。
对整个指纹图像的比较分析往往需要耗费大量的处理器。这就是为什么大多数的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部特征。扫描器寻找山脊结束或分裂成两个山脊的点。这些不同的特征被称为典型。扫描软件记录细节点在扫描图像中的绝对位置,并绘制它们的地图,以找到它们彼此之间的相对位置。这导致了各种细节之间独特的形状和尺寸。
就像指纹一样,产生的形状和尺寸总是唯一的。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,扫描仪就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活体手指。指纹扫描仪依赖于被扫描指纹的数字图像。有时可以使用打印图像、手指模具或克隆残留指纹来伪造指纹。使用额外的传感器有助于检测伪造的错误。
指纹扫描仪的种类
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
光学扫描仪是最早的指纹扫描仪。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,但与普通相机相比,它们的设计目的是拍摄高对比度的图像。该传感器由一组led组成,CCD/CMOS传感器捕获手指区域的光和反射光波。该传感器配备了高密度二极管,以获得指纹的详细图像。采集到的图像是指纹扫描的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,能够检测活体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。指纹可以通过指纹的高分辨率图像、假体或人工手指来伪造。
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手指脊和山谷之间的电容。凡是有脊的地方,脊与电容器板的距离都很小,导致电容略小。凡是有山谷的地方,它与电容器板的距离较大,其间有一个气隙。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,并在模数转换器的帮助下记录下来。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的手指。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,这些扫描仪既不能被打印图像所欺骗,也不能被义肢的操作原理所欺骗。打印图像会产生相应的电容效应,而假肢不能完全模仿活手指的触摸电容。
超声波扫描仪
超声波扫描仪是最新最精密的指纹扫描仪,能够产生指纹的3D扫描。目前,这项技术只在一些高端智能手机上使用。在超声波扫描仪中,有一组超声波发射器和接收器。发射器发出的超声波脉冲反射在指纹的脊、谷和孔上。一组接收器感知反射的脉冲。接收器实际上是传感器,测量由于在不同点反射的超声波脉冲强度而产生的机械应力。这将产生指纹扫描的3D地图,它必须比任何电容式扫描仪的2D扫描详细。
超声波扫描仪需要一些时间才能有效地捕捉指纹的3D地图。超声波扫描仪易于实现。它们经常被用于智能手机的显示内扫描仪。像电容式扫描仪一样制造超声波扫描仪几乎是不可能的。指纹扫描的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入侵硬件或软件来伪造。就工作原理而言,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屏指纹扫描仪。这是超声波或光电容扫描仪。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,超声波扫描仪广泛应用于中端智能手机和产品,因为它们易于实现,且具有成本效益。
用于Arduino、树莓派和其他嵌入式原型平台的指纹扫描仪- - - - - -
光学和电容扫描仪是相当常用的嵌入式应用。光学扫描仪的一个很好的例子是R305型。多年来,它在电子爱好者中一直很受欢迎。R303是一款很受欢迎的电容式扫描仪。这些扫描仪通常通过UART接口与微控制器或微型计算机通信数据。这是很容易的接口和操作,因为他们来记录,扫描和比较指纹的说明。所有这些指令都可以通过UART协议轻松地与扫描仪通信。
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,以实现一个万无一失的个人识别系统。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“你拥有什么”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、记录和考勤应用程序、智能家居和安全应用程序的设计中非常有用。
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