10月 4 种类型的指纹扫描仪：深入了解它们的工作原理
什么是指纹扫描仪？
指纹扫描仪通常称为指纹传感器或读取器，是一种设计用于捕获和数字分析指纹图案的电子设备。 这些扫描仪的主要功能是提供身份验证和安全性，因为指纹对于每个人来说都是唯一的，这使其成为确认个人身份的可靠方式。
目录
指纹扫描仪的类型。
指纹扫描仪有不同类型，它们基于不同的原理工作：
光学扫描仪:
这些是最古老的指纹扫描仪类型。 它们使用光敏微芯片（电荷耦合器件或 CMOS 图像传感器）进行工作。 当手指放在扫描仪上时，它会照亮皮肤表面并捕获指纹图像。
电容式扫描仪:
这些扫描仪测量皮肤表面电荷的微小差异。 当手指放在扫描仪上时，指纹中的脊会接触扫描仪的表面，而指纹的谷则不会。 这会产生一种电容变化模式，可以将其转换为指纹的数字图像。
超声波扫描仪:
这些扫描仪利用超声波来检测指纹的细节。 扫描仪发出超声波脉冲，该脉冲在撞击指纹的凸脊和凹谷后反射回传感器。 返回的声波被捕获并处理以形成图像。
热扫描仪:
这些不太常见，通过检测指纹的脊和谷之间的温度差异来工作。
光学指纹扫描仪如何工作？
示例： MANTRA 变形扫描仪。
光学指纹扫描仪是最常见的指纹读取器类型之一，特别是在该技术的早期应用中。 它们通过利用光捕获指纹图像来发挥作用，就像数码相机的工作原理一样。 以下是对他们的运作的更深入的了解：
工作原理:
光学指纹扫描仪的核心依赖于指纹的脊和谷具有不同的反射特性。 指纹中的脊是凸起的部分，而谷是脊之间的凹陷区域。 当光线照射到手指上时，脊部会直接反射光线，而山谷则会散射光线。
图像采集:
当手指放在扫描仪的表面（通常由玻璃或类似的透明材料制成）上时，它就会被照亮，通常由 LED 灯照亮。
光线从手指反射并进入光敏微芯片（电荷耦合器件或 CCD，或者互补金属氧化物半导体或 CMOS 传感器）。
传感器根据指纹的脊和谷创建的光影图案来捕获图像。
影像处理:
传感器捕获的模拟图像被转换为数字格式。
然后，数字图像可能会经历各种处理步骤，以增强清晰度和对比度、消除噪声并使指纹细节更加清晰。
最终处理的图像随后用于与存储的指纹模板进行比较。
细节提取:
用于指纹比较的主要特征是细节点，其中包括脊分叉（脊一分为二）和脊结束（脊结束的地方）。 复杂的算法从捕获的数字图像中提取这些细节点，创建它们的位置和方向的地图。 通常会存储此图（而不是完整的指纹图像）并用于将来的比较，这既是为了节省存储空间，也是出于隐私考虑。
比较与匹配:
扫描指纹时，会将提取的细节与存储的模板进行比较。 如果根据算法的标准存在足够的匹配，则扫描被视为成功。
挑战:
光学扫描仪存在一些固有的挑战：
欺骗:
由于他们依赖于捕获 2D 图像，因此有时会被高质量照片或假指纹所欺骗。
磨损和划痕:
随着时间的推移，扫描仪的玻璃表面可能会被划伤或弄脏，从而影响捕获图像的质量。
手指状况的变化:
由于反射特性的变化，潮湿、干燥或老化的手指有时会导致图像捕捉问题。
尽管存在这些挑战，但随着时间的推移，技术的进步以及光学扫描仪与其他类型的传感器或身份验证方法的结合使它们变得更加可靠和安全。
光学指纹扫描仪通常用在哪里？
光学指纹扫描仪由于其相对简单的结构和易用性，已在广泛的领域和设备中得到应用。 以下是光学指纹扫描仪的一些典型用途：
门禁系统:
光学指纹扫描仪的主要用途之一是用于设计用于 控制访问 建筑物、房间或某些区域。 这可以在办公楼、研究设施，甚至一些需要安全访问的住宅小区中看到。
考勤系统:
公司将这些扫描仪与计时系统结合使用，以确保员工在他们声称的时间到场。 通过使用指纹，系统可以防止诸如“哥们冲”一名员工为另一名员工打卡上班或下班。
计算机和移动设备身份验证:
一些旧型号的笔记本电脑和智能手机具有用于用户身份验证的光学指纹扫描仪。 尽管较新的设备由于外形尺寸较小且安全性较高而经常使用电容式或超声波扫描仪，但光学扫描仪是最早集成到消费电子产品中的设备之一。
执法和移民:
指纹识别是执法部门识别个人身份的标准程序，光学扫描仪提供了一种快速、数字化捕获这些指纹的方法。 此外，在边境管制站，光学指纹扫描仪可用于根据生物识别数据库验证旅客的身份。 例子： 阿德哈尔。
私人银行、贷款和信托服务:
ATM 和其他交易点可能会采用光学指纹扫描仪来验证用户身份，从而在传统 PIN 或密码之外添加额外的安全层。
销售点系统:
在某些地区，销售点 (POS) 系统允许用户使用指纹验证付款。 这可以提供比输入 PIN 或签名更快且可能更安全的交易方法。
保险箱:
一些银行和私人金库提供带有光学指纹扫描系统的保险箱作为额外的安全措施。
车辆通行:
一些高端或定制车辆可能会使用光学指纹扫描仪作为无钥匙进入或点火的方法，确保只有授权用户才能访问和启动车辆。
虽然光学指纹扫描仪用途广泛并且已被广泛采用，但它们在某些应用中的使用，特别是现代智能手机等紧凑型设备，已经减少，取而代之的是电容式和超声波扫描仪等新技术。 这些更新的技术通常提供更高的准确性、抗欺骗性以及设计集成的更大灵活性。 尽管如此，光学扫描仪由于其可靠性和良好的记录，在许多应用中仍然很流行。
光学指纹扫描仪：尺寸注意事项
光学指纹扫描仪通过使用光捕获指纹的视觉图像来工作，类似于数码相机的功能。 这种模式本质上需要某些影响扫描仪整体尺寸和外形尺寸的组件。 两个主要组件是光源和玻璃板，与某些其他类型的指纹扫描仪相比，这两个组件都有助于使光学扫描仪的尺寸相对更大。
光源:
光学扫描仪需要光源（通常是 LED）来照亮指纹。 光线从手指的脊部和谷部反射，形成可以捕获和分析的图案。 整合该光源需要额外的空间来容纳 LED 组件和相关电子设备。
玻璃板:
为了让扫描仪捕获指纹的反射光，需要有一个透明的介质可以让光传播。 这就是玻璃板（或类似的透明材料）的用武之地。用户将手指放在该玻璃板上，光线从手指反射，穿过玻璃，被下面的光敏微芯片捕获。 这种玻璃板需要具有一定的厚度以确保耐用性，特别是因为用户会反复将手指压在上面。 它的存在增加了扫描仪的深度和整体尺寸。
由于这些组件的内在要求，光学指纹扫描仪通常在设备上具有明显的凸起区域或明显的部分，特别是与电容式或超声波扫描仪等较新的技术相比。 虽然多年来小型化的进步已经缩小了光学扫描仪的尺寸，但在不影响其功能的情况下，它们的尺寸缩小程度是有限的。
这种尺寸考虑是在空间非常宝贵的设备（如现代智能手机）中制造商转向其他允许更无缝集成的扫描技术的原因之一，例如显示屏下超声波或电容传感器。 然而，对于尺寸不是主要考虑因素而可靠性和耐用性至关重要的应用，光学扫描仪仍然是一个流行的选择。
电容式指纹扫描仪如何工作？
电容式指纹扫描仪，顾名思义，基于电容原理运行，电容是物体存储电荷的能力。 以下详细介绍了电容式指纹扫描仪的工作原理：
工作原理:
电容式指纹扫描的基本原理是指纹的脊和谷之间的电容差异。 人体皮肤是一种优良的导体，而指纹脊之间的山谷中的空气（或空间）是一种绝缘体，它们产生了可以测量的不同电容值。
传感器阵列:
电容式扫描仪包含一系列微型电容器电路。 当手指放在该阵列上时，每个电容器都可以测量与其对齐的指纹的相应小部分的电容。
电容差异:
当指纹的脊线与这些微小电容器之一直接接触时，由于导电皮肤非常接近，电容会发生变化。
相反，谷（脊之间的空间）不会直接接触电容器。 结果，与电容器的距离存在差异，导致由于绝缘空气或空间而导致电容值不同。
扫描仪捕获的是由每个指纹中独特的脊和谷图案引起的传感器阵列上的电容差异。
生成图像:
一旦测量了阵列上的电容值：
这些值被转换为数字格式。
可以处理该数据以产生指纹的视觉表示或图像，或者可以直接分析该数据以提取独特的指纹特征。
细节提取:
与其他指纹扫描仪一样，用于指纹识别的主要特征是细节点，它们是指纹的独特属性，例如脊线末端和分叉。 算法分析生成的数据以识别这些细节并创建其位置和方向的地图或模板。
比较与匹配:
扫描指纹时，会将提取的细节与存储的模板进行比较。 如果根据算法的标准存在足够的匹配，则扫描被认为是有效的。
优势与挑战:
优势:
电容式扫描仪比光学扫描仪更难欺骗，因为它们需要真手指的物理特性（电容）。 它们还可以做得相对紧凑，从而适合集成到移动设备中。
挑战:
他们可能对外部条件敏感。 手指上的污垢、油、汗水或湿气会改变电容并可能影响扫描精度。 此外，扫描仪会随着时间的推移而磨损，尤其是表面被划伤时，从而降低其有效性。
现代智能手机和其他电子设备通常使用电容式指纹扫描仪，因为它们结构紧凑且准确度高。 在许多情况下，这些扫描仪集成到按钮或设备表面的特定区域中，以便于访问和使用。
电容式指纹扫描仪通常用在哪里？
电容式指纹扫描仪因其紧凑的设计、可靠性和对常见欺骗技术的抵抗力而获得了广泛的欢迎。 以下是电容式指纹扫描仪的一些典型用途：
智能手机和平板电脑:
电容式指纹扫描仪最广泛的应用之一是智能手机和平板电脑。 它们为用户提供了一种快速、安全的方法来解锁设备、验证应用程序购买以及登录应用程序。
笔记本电脑和电脑:
许多现代笔记本电脑和个人电脑都配备电容式指纹识别器，它们要么集成到电源按钮、触摸板中，要么作为独立的传感器。 这为用户提供了一种安全便捷的登录方式，特别是与其他身份验证方法结合使用时。
USB 安全密钥:
一些基于 USB 的安全密钥（通常用于双因素身份验证）结合了电容式指纹扫描仪，除了密码或 PIN 之外，还可以提供生物识别验证或代替密码或 PIN。
门禁系统:
虽然各种类型的指纹扫描仪可用于访问控制，但电容式扫描仪可在尺寸、可靠性和成本之间实现平衡。 它们可以在控制进入商业和住宅环境中的建筑物、房间或安全区域的系统中找到。
私人银行、贷款和信托服务:
一些银行和金融机构在 ATM 或专用交易设备中使用电容式扫描仪，允许用户使用指纹验证交易。
智能锁和保险箱:
智能家居行业一直在将电容式指纹扫描仪集成到门锁和保险箱等产品中。 这为房主提供了无钥匙和无密码的访问选项。
个人电子产品和可穿戴设备:
除了常见的智能手机和平板电脑之外，一些个人电子设备（例如某些型号的耳塞或智能手表）可能会包含用于用户身份验证的电容式扫描仪。
销售点系统:
在某些系统中，特别是那些为高安全性或豪华零售环境设计的系统，电容式指纹扫描仪用于员工和客户的身份验证。
车辆进入和启动系统:
一些现代或高端车辆配备电容式指纹扫描作为无钥匙进入或点火的选项，确保只有授权用户才能访问和操作车辆。
电容式指纹扫描仪的紧凑性和可靠性使其适合广泛的应用。 随着生物识别安全变得越来越普遍，这些扫描仪的使用很可能会继续扩展到其他领域和设备。
电容式指纹扫描仪：因紧凑和高效而广受欢迎
电容式指纹扫描仪已成为我们许多日常使用设备的主要产品，尤其是在个人电子产品领域。 其广泛采用的两个主要驱动力是其紧凑的尺寸和低功耗。 以下是详细说明这些优点的注释：
小巧的尺寸:
微型化:
电容式指纹扫描仪背后的技术可实现高度小型化。 用于检测指纹脊和谷的微型电容电路阵列可以密集排列，从而缩小扫描仪的占地面积。
与设备集成:
这些扫描仪的紧凑性使制造商能够将它们无缝集成到各种设备中。 例如，在智能手机中，电容式扫描仪已被集成到主页按钮、侧面按钮甚至后面板中。 它们的小尺寸确保它们不会主导设备设计，使它们成为空间有限的设备中相对于较大光学同类产品的首选。
低功耗:
高效运作:
电容式指纹扫描仪本质上只需要很少的电力即可运行。 它们本质上是测量电荷的变化，这个过程不需要大量能量。
待机模式:
现代电容式扫描仪设计有智能待机模式。 它们可以保持低功耗状态，直到检测到触摸，此时它们会激活并执行扫描。 这种按需供电方法可确保最小的电池消耗。
有利于电池供电的设备:
智能手机、平板电脑和可穿戴设备等设备的电池容量有限。 高耗能组件可能会严重损害整体电池寿命。 电容式指纹扫描仪的效率意味着它们可以在不影响电池寿命的情况下提供安全性和便利性。
总之，电容式指纹扫描仪的小尺寸允许多功能设计集成，而其低功耗确保它们不会显着影响便携式设备的电池寿命。 这些优势在其采用过程中发挥了关键作用，特别是在移动电子领域，空间和功耗都是关键考虑因素。
他们如何工作？
超声波指纹扫描仪代表了生物识别领域的最新进展。 与依靠光或电差异的光学和电容式扫描仪不同，超声波扫描仪利用声波来检测指纹中独特的脊和谷图案。 以下是它们如何工作的详细说明：
超声波的传输:
该过程首先是设备向放置在扫描仪上的手指发射超声波脉冲（一种非常高频的声波）。
反思与捕捉:
指纹的脊（升高的部分）和谷（凹陷的部分）将以不同的方式反射该超声波脉冲。 指纹的脊线将直接接触扫描仪，立即将波反射回来。 相反，山谷距离扫描仪稍远，导致反射波略有延迟。
超声波传感器（或接收器）捕获这些反射波。
处理和图像创建:
然后由设备处理来自反射波的数据。 鉴于来自山脊和山谷的反射波在强度和时间上存在差异，系统可以构建详细的指纹 3D 图像，甚至捕捉微小的细节。
优势:
深度感应:
超声波指纹扫描仪的一大优势是能够生成指纹的 3D 表示。 这种深度信息提供了更详细、更独特的指纹轮廓，与 2D 表示相比，它更难被欺骗。
耐污染物:
即使穿过薄层污垢、油污、汗水或湿气，超声波扫描仪也能有效读取指纹。 这是因为超声波可以穿透这些污染物，而光学或电容方法可能会受到这些污染物的阻碍。
屏幕下方集成:
超声波传感器可以集成在显示面板下方，这使得它们在具有无边显示屏的现代智能手机中很受欢迎。 这允许不间断的屏幕设计，无需专用按钮或扫描仪空间。
挑战:
价格:
由于其复杂性和更新的技术，超声波指纹扫描仪往往比光学和电容式指纹扫描仪更昂贵。
申请审理时间:
虽然超声波扫描仪通常速度很快，但有时可能会比电容式扫描仪稍慢，尤其是在处理 3D 图像数据时。
总之，超声波指纹扫描仪提供了一种复杂的生物识别认证方法，利用声波的特性来捕获详细且独特的指纹轮廓。 它们能够清除污染物并无缝集成在显示器下方，这使得它们越来越受欢迎，特别是在优先考虑时尚设计和增强安全性的高端智能手机和设备中。
超声波指纹扫描仪通常用在什么地方？
超声波指纹扫描仪凭借其独特的优势，特别是在深度传感和耐污染性方面，在生物识别领域占据了一席之地。 以下是它们通常使用的地方：
Smartphones:
也许超声波指纹扫描仪最突出的应用是在现代智能手机中。 特别是随着无边框和全屏设计的趋势，制造商采用超声波技术将扫描仪直接嵌入显示器下方，从而在不影响安全性的情况下实现无缝设计。
平板:
与智能手机类似，一些高端平板电脑采用超声波指纹扫描仪，以提供增强的安全性，同时保持时尚的设计美观。
安全访问系统:
在高安全性环境中，超声波扫描仪的深度感应功能（这使得它们比二维扫描仪更难被欺骗）可能会受到青睐。 它们可用于建筑物、实验室、数据中心和其他敏感区域的安全访问控制系统。
私人银行、贷款和信托服务:
在需要额外安全层的情况下，例如在某些 ATM 或交易设备中，可以使用超声波扫描仪。
汽车行业:
随着车辆的技术含量越来越高，人们对无钥匙进入和启动系统的需求越来越大。 一些豪华汽车开始集成超声波指纹扫描仪，作为对驾驶员进行身份验证并授予访问或启动车辆的手段。
医疗器械:
对于需要安全访问或用户身份验证的医疗设备，超声波扫描仪可以提供可靠的解决方案，特别是在设备可能暴露于污染物的环境中，并且可以穿过此类障碍物进行操作的扫描仪是有益的。
个人电脑和笔记本电脑:
虽然电容式扫描仪在此类别中更为常见，但一些旨在提供尖端功能的高端笔记本电脑型号可能会采用超声波扫描仪进行用户身份验证。
示例：带有电容式指纹传感器的 Lexar USB 存储设备。
智能锁:
家庭安全行业总是随着技术的发展而发展，超声波扫描仪可能会集成到智能锁和安全系统中，特别是在高端产品中。
自定义应用程序:
除了这些典型用途之外，超声波指纹扫描仪可能会在各个行业或定制项目中找到专门的应用，其中它们的特定优势被认为是有价值的。
随着技术的进步和超声波扫描仪生产成本的潜在降低，我们可能会见证该技术在各个领域的更广泛应用。 然而，到目前为止，最广泛和最引人注目的用途仍然是智能手机和个人电子产品领域。
这些指纹扫描仪如何与主机通信？
指纹扫描仪，无论是哪种类型（光学、电容式或超声波），都需要一种与主机设备（无论是计算机、智能手机、访问控制系统还是任何其他电子系统）进行通信的方法。 主要的通信模式通常是通过通用串行总线 (USB) 和串行通信。 以下是有关这些扫描仪如何与其主机设备通信的详细说明：
指纹扫描仪与主机的通信
1. USB通讯:
- 即插即用：USB（通用串行总线）的主要优点之一是其即插即用功能。 一旦指纹扫描仪通过 USB 连接，主机设备通常会自动识别它，从而方便安装和设置。
- 数据传输率：USB，尤其是其更高版本（例如USB 3.0 和USB 3.1），提供高数据传输速率。 这对于将高分辨率指纹图像或数据快速传输到主机设备进行处理至关重要。
- 可编程电源：USB 不仅提供数据链路，还为所连接的设备供电。 许多指纹扫描仪直接通过 USB 供电，无需外部电源。
- 通用兼容性：鉴于计算机、笔记本电脑和许多其他设备上的 USB 端口无处不在，USB 连接的指纹扫描仪可以在多种平台上轻松使用。
- 操作流程概述：USB 通信采用标准协议，确保扫描仪和主机设备相互理解并能够以结构化方式交换数据。
2. 串行通讯:
- 自然：串行通信涉及通过通信通道或计算机总线依次传输一位数据。 它是一种较旧但仍然广泛使用的通信方法，特别是在某些嵌入式系统或特定应用程序中。
- UART（通用异步接收器-发送器）：通常，使用串行通信的设备都会有一个 UART 芯片来促进这种通信模式。 UART 接收数据字节并按顺序传输各个位。 在接收端，UART 将收集这些位并重建数据字节。
- 波特率：这是指数据通过串行线路传输的速度。 对于发送方（指纹扫描仪）和接收方（主机设备）来说，就波特率达成一致对于确保准确的数据传输至关重要。
- RS-232 和 RS-485 标准：这些是串行通信中使用的流行标准。 RS-232 更常见于短距离通信，而 RS-485 可以处理更长的距离，并用于更多的工业环境。
- 高度灵活：串行通信可通过无线介质使用，因此用途广泛。 一些指纹扫描仪可能使用通过蓝牙或其他无线协议的串行通信来与主机设备通信。
- 应用领域：虽然 USB 可能在消费电子产品中占据主导地位，但串行通信在工业系统、某些嵌入式系统或需要与扫描仪进行长距离通信的场景等特定应用中受到青睐。
总之，指纹扫描仪采用的通信模式取决于其预期应用及其所连接的主机设备。 USB 和串行通信都有各自的优势，USB 由于其易用性而在消费电子产品中更为普遍，而串行通信因其灵活性和特定用例优势而被选择。
指纹传感器如何保存和识别指纹模板？
指纹扫描仪使用预定义的命令和响应集与主机系统或设备进行交互，从而捕获、存储和识别指纹数据。 它们的内置硬件组件，例如数字信号处理器 (DSP) 和微控制器，在这种交互中发挥着至关重要的作用。
指纹扫描仪：命令、采集和通信
1. 指挥接收:
- USB或串行通讯：无论使用 USB 还是串行通信，指纹扫描仪都会接收来自主机系统的命令。 这些命令是扫描仪制造商预定义的协议或命令集的一部分。 它们指示扫描仪执行特定任务，例如捕获打印、保存模板或搜索匹配项。
- 命令解释：扫描仪的内部微控制器解释接收到的命令并采取适当的操作。 例如，当接收到“捕获”命令时，扫描仪会激活其传感机制来读取指纹。
2. 捕获和处理:
- 数字信号处理器集成：捕获打印后，可能需要处理任何原始数据以提高质量或提取特征。 数字信号处理器 (DSP) 可以高效、快速地执行这些任务。 它可以处理诸如滤除噪声、增强脊线图案或隔离细节点（独特的指纹特征）等任务。
- 模板制作：后处理，扫描仪或主机设备可能会创建指纹的“模板”。 模板是指纹特定特征的数字表示，可以更轻松地进行比较和识别，而无需存储完整图像。 这样可以节省存储空间并加快识别速度。
3. 保存和识别:
- 存储：许多先进的指纹扫描仪都配有板载内存（通常由微控制器管理）来存储这些指纹模板。 当收到“保存”命令的指示时，模板被存储在该存储器中。 这种板载存储功能使扫描仪能够快速将新扫描与存储的模板进行比较，而无需与外部数据库通信。
- 匹配与识别：当提供指纹进行识别时，扫描仪会捕获指纹，将其处理成模板，然后将该模板与其存储的条目进行比较。 这种匹配可以使用各种算法来完成，这些算法可能由 DSP 或微控制器处理，具体取决于扫描仪的设计。
4. 回应与沟通:
- 反馈给主持人：识别过程结束后，扫描仪会将结果传回主机设备。 这可能是一个简单的成功/失败响应，也可能包含其他数据，例如与匹配指纹关联的用户 ID。
- 状态 LED 或警报：某些扫描仪配备视觉或听觉指示器。 例如，绿色 LED 可能会亮起表示匹配成功，而红色 LED 则表示不匹配。 同样，蜂鸣声或警报可以提供听觉反馈。
- 安全注意事项：为了维护安全和隐私，除非明确命令，否则大多数扫描仪不会发回实际的指纹图像或模板。 相反，它们发回主机系统解释的结果或代码。
从本质上讲，指纹扫描仪通过集成 DSP、微控制器和存储器，已成为能够捕获、处理、存储和识别指纹数据的独立单元。 它们与主机系统的交互，无论是通过 USB 还是串行通信，都由一系列命令和响应控制，从而实现无缝和安全的生物识别身份验证。
最后的思考
在生物识别领域，指纹扫描仪已成为最可靠和最广泛的工具之一，在从个人电子产品到高安全设施的各种应用中发挥着不可或缺的作用。 无论是利用光学、电容式还是超声波技术，这些设备都经过精心设计，能够以无与伦比的精度捕获、处理和匹配指纹数据。
它们与数字信号处理器和微控制器等先进组件的集成不仅确保了快速处理，而且还能够通过 USB 和串行等既定通信协议与主机系统无缝交互。 随着技术的不断发展，以及对安全性的重视变得越来越重要，指纹扫描仪无疑将保持在最前沿，通过科学、工程和设计的复杂结合来保护我们的数据、身份和资产。
