一只哈士奇路过。
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指纹是手指上的皮肤纹路,它具有可靠的稳定性与唯一性。稳定性体现在你没法将你的指纹改变成另一个样子。唯一性则是你很难找到两个人指纹特征完全一致。所以指纹是一种非常可靠的身份识别特征。
地球人很早就发现了这一点。据说战国末年的著作,湖北省云梦睡虎地出土的秦简记录了"内中及穴中外壤上有膝,手迹,膝,手各六处。"这表明秦代司法人员已将"手迹"作为现场堪查的重要证据之一。不过对于大多数人而言,指纹的应用仍然以按手印最为直观。在契约书券上按上指印,留下一个独一无二的个人印记。
纸张和墨水也许可以被称为最早的指纹图像采集设备。当手指按在纸上,沾在指纹的嵴上的墨水距离纸近,会沾在纸上,而沟中的墨水距离纸远则不会。但是显然,这种方式是如此的原始以至于显得有点滑稽。尽管如此,我们从一开始就是将指纹图像转化为手指上每个点距离纸张的距离来处理指纹的。
对于人眼来看,按出来的手印是一张布满纹路的图画,人眼可以比较纹路的形状。但是很显然,这并不够方便,因为指纹的比对是一个非常费力且没啥作用的工作。相比于现代传感器,纸张不够平滑,塞进指纹沟里的纤维会把沟印成嵴。同时,人眼对纹路的辨认性能也比较糟糕。
地球人需要传感器。
传感器是将不易识别处理的非电学量转换为易于识别处理的电学量的设备。而对与指纹传感器,传感器测量的其实是距离。如下图所示,传感器在指纹上独立的取点,并且测量点到传感器的距离。有的点落在指纹的嵴上,有的落在沟里。落在嵴上的距离短,落在沟里的距离长。反过来根据测得距离的长短就能得到指纹的形状。
这些点距离传感器表面的距离反映了这些点的位置。如果取点取得少,恐怕并不能很好的获取指纹的图像。每一个检测的点被称为一个像素,单位面积上的像素点数量被称为分辨率。换句话说,像素越多,我们得到的指纹的细节就越多。为了在手指大小的传感器上得到足够的信息,我们需要尽可能的提高传感器的分辨率。分辨率越高,传感器对指纹的识别精度也就越高。通过这样的方法,我们得到了可靠的指纹图像。
这是地球人设计指纹传感器的基本思路,将指纹图像的识别转换为指纹上许多个点的距离测量。我们有很多种指纹传感器,他们的区别只在于采取什么样的方式来检测采样点到指纹表面的距离。
地球人开发出使用不同的设备取像的方式。粗略的分有光学设备取像、晶体传感器取像和超声波取像。
光学设备取像是利用光的全反射原理(FTIR),并使用CCD器件来获得指纹的图像,其优点是图像效果较好,器件本身耐磨损,但缺点是成本高和体积大。
晶体指纹传感器分为电容式和压感式,用它获取的图像质量比较好,且可以采用自动获取控制(AGC)技术和软件调整的方法来改善增益的图像质量,晶体传感器的体积和功耗都比较小,成本也比光学设备低廉,只有耐磨损方面略逊。
超声波取像是一种新兴的指纹提取手段,它直接用超声波扫描真皮组织,通过回波检测距离。因此,积累在皮肤上的脏物和油脂对超声波获得的图像的影响不大,但器件成本较高。
题主问的电容传感器是晶体传感器的一种。这一类传感器不仅被应用于指纹识别,老式的智能手机的触屏也通过电容式传感器来实现。
在讨论电容式传感器之前,我们需要回顾一下平板式电容器的样子。两个平行排布,距离为d的极板,极板间充满了某种相对介电常数为
电介质,这样就构成了一个经典的平板电容器。此时,两极板间的电容为