指紋識(shí)別技術(shù)你想知道的那些事兒

　　指紋作為人體特征之一，因其重復(fù)率極小(約為150億分之一)，被稱為“人體身份證”。隨著指紋識(shí)別技術(shù)的普及，尤其是在手機(jī)上的大量應(yīng)用，以往用于刑偵領(lǐng)域的這一技術(shù)如今已經(jīng)商業(yè)化，曾經(jīng)高大上(其實(shí)現(xiàn)在仍然高大上哈~)的技術(shù)已經(jīng)開始和我們的生活息息相關(guān)。從你每天掙扎著關(guān)掉手機(jī)鬧鐘，解鎖手機(jī)看時(shí)間的那一刻，你已經(jīng)用你的指紋完成了一項(xiàng)偉大的工作——告訴自己，你還有五分鐘就又要上班遲到了 ~_~

　　既然這技術(shù)已經(jīng)如此陰魂不散地“迫害”到了我們的生活，我們就有必要了解一下這一 “妖孽”究竟為何物。今天小編就和大家一起聊一聊指紋識(shí)別的那些事兒~~

工作原理

　　談到指紋識(shí)別技術(shù)，簡(jiǎn)單來講，其主要工作過程分三步，即指紋圖像采集、指紋圖像處理和細(xì)節(jié)匹配(如圖1)。

圖1 指紋識(shí)別技術(shù)的工作流程

　　首先，通過指紋識(shí)別設(shè)備(例如手機(jī)指紋識(shí)別芯片)讀取人體指紋，并對(duì)指紋圖像進(jìn)行預(yù)處理，然后進(jìn)行特征值提取，形成特征數(shù)據(jù)模型，即模板。當(dāng)再次輸入指紋時(shí)，會(huì)將“新”指紋與模板進(jìn)行比對(duì)，計(jì)算出相似程度。若果相似程度大于設(shè)定值，就可以實(shí)現(xiàn)解鎖。

　　what?玩呢?這么復(fù)雜的技術(shù)被你三言兩語(yǔ)就概括啦?

　　大家不要著急，小編上面講的只是指紋識(shí)別的最基本的三步，如果要細(xì)化的話，還應(yīng)該分6～7步，如圖2所示。

圖2 指紋識(shí)別基本原理

　　1)首先，由生物識(shí)別傳感器采集指紋，并對(duì)指紋原始圖像進(jìn)行預(yù)處理，得到一個(gè)清晰的指紋圖像。其中，指紋圖像的分割對(duì)一些光學(xué)儀器采集到的指紋，分割相對(duì)容易，而對(duì)一些電容傳感器采集到的指紋圖像，分割則比較困難，具體預(yù)處理及分割方法見表2。

　　2)然后，運(yùn)用指紋算法提取指紋圖像最具代表性的一些特征建立指紋的數(shù)字表示(即特征數(shù)據(jù))。這是一種單方向的轉(zhuǎn)換，即只能從指紋圖像轉(zhuǎn)換成特征數(shù)據(jù)，而不能從特征數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成指紋圖像，因而更安全。另外，特征文件存儲(chǔ)的是從指紋圖像上找到的“細(xì)節(jié)點(diǎn)”，即指紋紋路的分叉點(diǎn)或末梢點(diǎn)，這些數(shù)據(jù)通常稱為模板。

　　3)用戶注冊(cè)后，模板被保存在設(shè)備的安全存儲(chǔ)中，大概會(huì)占據(jù)1KB的存儲(chǔ)空間。

　　4)待用戶使用設(shè)備并輸入指紋時(shí)，設(shè)備運(yùn)用算法將獲取的當(dāng)前指紋與注冊(cè)模板進(jìn)行對(duì)比，經(jīng)過計(jì)算得出相似度。

　　5)根據(jù)算法預(yù)設(shè)的閾值，判定指紋是否匹配，然后決定是否允許通過認(rèn)證。若相似度高于預(yù)設(shè)閾值，則通過認(rèn)證;若相似度低于預(yù)設(shè)閾值，則認(rèn)證失敗。

　　6)到第五步基本已經(jīng)完成指紋識(shí)別，假指紋識(shí)別技術(shù)是對(duì)指紋識(shí)別技術(shù)的又一補(bǔ)充(后續(xù)將進(jìn)行詳細(xì)介紹)。

　　從指紋識(shí)別的工作過程，我們可以看到，識(shí)別指紋其實(shí)就是一個(gè)兩次輸入指紋的對(duì)比過程，由于人體指紋是唯一的，因而，識(shí)別指紋就變得“很簡(jiǎn)單”。其實(shí)不然，由于模板是識(shí)別的注冊(cè)指紋的部分特征，而雖然人體指紋時(shí)唯一的，但是再次錄入時(shí)的指紋與注冊(cè)指紋并非完全匹配，為了既能避免指紋識(shí)別的安全性，又能提升指紋的識(shí)別率，閾值的設(shè)定則尤為重要。同時(shí)，誤差過濾是另一重要影響因素。

指紋特征的基本概念

　　在介紹指紋識(shí)別的誤差過濾之前，我們還是很有必要搞清楚一些關(guān)于指紋特征的基本概念的。

　　指紋紋路并不是連續(xù)的、平滑筆直的，而是經(jīng)常出現(xiàn)中斷、分叉或轉(zhuǎn)折。這些斷點(diǎn)、分叉點(diǎn)和轉(zhuǎn)折點(diǎn)就稱為“特征點(diǎn)”。特征點(diǎn)提供了指紋唯一性的確認(rèn)信息，其中最典型的是終結(jié)點(diǎn)和分叉點(diǎn)，這也是指紋識(shí)別算法一般會(huì)選擇提取的特征點(diǎn)，其它的還包括分歧點(diǎn)、孤立點(diǎn)、環(huán)點(diǎn)、短紋等。為了方便大家理解，小編這里直接給一個(gè)表格來描述基本的指紋特征，如表1所示，當(dāng)然，大家也沒必要去記這些概念，只要看到知道大概是怎么回事就可以啦。

表1 指紋特征的基本概念

誤差過濾的方法

　　由于采集指紋圖像存在各種噪聲，例如濕手指、手指有油漬，以及由于磨損存在的手指變得粗糙，這一方面可以通過設(shè)置適當(dāng)?shù)拈撝祦砀纳疲嗟膭t是要通過誤差過濾來提升識(shí)別良率。

　　通過圖像增強(qiáng)可以過濾噪音，從而很好滴實(shí)現(xiàn)誤差過濾。指紋圖像的增強(qiáng)就是對(duì)指紋圖像采用一定的算法進(jìn)行處理，增強(qiáng)脊線和谷線的對(duì)比度，使其紋線結(jié)構(gòu)清晰化，盡量突出和保留固有的特征信息，避免產(chǎn)生偽特征信息。

　　圖像增強(qiáng)的方法有很多種，表2中簡(jiǎn)單列舉了其中一部分，這些圖像增強(qiáng)方法大多數(shù)是通過過濾圖像與脊線局部方向相匹配。首先，將提取到的特征圖像分成幾個(gè)小區(qū)域，并在每個(gè)區(qū)域上計(jì)算出脊線的局部方向，用來決定方向圖。然后，設(shè)計(jì)適用于圖像中所有的像素的匹配濾鏡。最后，依據(jù)每個(gè)像素中脊線的局部走向，通過濾鏡增強(qiáng)在同一方向脊線的走向，減弱任何不同于脊線的方向。說的通俗一點(diǎn)就是用濾鏡增強(qiáng)每一個(gè)區(qū)域的同一方向的脊線走向，弱化其他脊線的走向，從而減小誤差對(duì)指紋識(shí)別良率的影響。

表2 指紋圖像預(yù)處理/增強(qiáng)/分割方法

　　介紹完指紋識(shí)別技術(shù)的“軟件”，我們?cè)賮砹囊幌轮讣y識(shí)別技術(shù)的“硬件”——指紋識(shí)別傳感器。

按壓式or刮擦式

　　談及指紋傳感器，大家都會(huì)想到手機(jī)，而談及手機(jī)指紋傳感器，大家則都會(huì)想到iPhone。iPhone 5s算得上是推動(dòng)指紋傳感器在手機(jī)應(yīng)用中成為時(shí)尚潮流的大功臣，而iPhone及之后選用的指紋傳感器大部分都是按壓式指紋傳感器。

　　所謂按壓式指紋傳感器就是只需將手指放置放置在Home鍵上按壓手指，系統(tǒng)會(huì)采集多次圖像。在算法方面，是直接選定該面積區(qū)域的指紋來采集特征點(diǎn)(這在前文小編已經(jīng)用了大段文字做了介紹，這里就不再贅述了)，理論上識(shí)別率會(huì)更高。

　　而在這之前，其實(shí)還有一種不同于iPhone按壓式指紋傳感器——按壓式指紋傳感器。大家可能都不曾接觸過按壓式指紋傳感器，但是這里還是有必要拿出來介紹一下的。

　　刮擦式指紋傳感器又稱為滑動(dòng)式指紋傳感器。早在功能機(jī)時(shí)代就已經(jīng)有應(yīng)用，在1998年，西門子就曾展示過采用Bromba公司的集成指刮擦式指紋識(shí)別模塊的原型機(jī)(最終沒能量產(chǎn)上市)。2000年，法國(guó)SAGEM推出帶有指紋識(shí)別功能的手機(jī)，其采用的也是刮擦式指紋傳感器，算得上是業(yè)內(nèi)首款量產(chǎn)的帶有指紋傳感器的手機(jī)了。2011年，摩托羅拉推出的Atrix 4G算是智能機(jī)時(shí)代首款集成指紋模塊的智能手機(jī)，它仍然采用了刮擦式指紋識(shí)別技術(shù)，并與電源鍵合二為一。但是這些手機(jī)都未能將指紋傳感器帶來真正地在手機(jī)應(yīng)用中普及，除了當(dāng)時(shí)成本原因外，其自身也存在一定的問題。

　　刮擦式指紋傳感器采用分段成像原理，為進(jìn)行讀取，必須在識(shí)別器上滑動(dòng)或拖動(dòng)手指，或?qū)⑹种杆⑦^識(shí)別器，有點(diǎn)類似現(xiàn)在的全景相機(jī)。當(dāng)手指在傳感器表面上滑動(dòng)時(shí)，它會(huì)對(duì)手指進(jìn)行連續(xù) “快照”，如圖3所示。之后，傳感器將這些快照“縫合”在一起，形成尺寸如同傳感器所拍攝的圖像一樣大或更大的指紋圖像。其最大的缺點(diǎn)就是速度慢，且準(zhǔn)確率難以保證。另外，刮擦式指紋傳感器還規(guī)定方向，從Home鍵的正上方刮擦到正下方才能成功解鎖，傾斜角度過大都可能導(dǎo)致識(shí)別失敗。這就有點(diǎn)尷尬了，在這個(gè)談?dòng)脩趔w驗(yàn)的時(shí)代，這種指紋識(shí)別傳感器用戶體驗(yàn)不及格，有點(diǎn)脫離群眾路線啦。當(dāng)然，現(xiàn)在的刮擦式指紋傳感技術(shù)還是略有改觀，但是和按壓式的還是有著一定的差距。

圖3 按壓式指紋傳感器識(shí)別指紋方式

前置or后置

　　談到用戶體驗(yàn)，就不得不談一下現(xiàn)在大家都比較關(guān)注的前置指紋傳感器和后置指紋傳感器。一直以來，很多人認(rèn)為前置和后置只是一個(gè)用戶習(xí)慣的問題，其實(shí)，除去用戶習(xí)慣，還是存在著技術(shù)問題的。

　　相比來看，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)之前一直采用的是后置指紋傳感器模塊，相比于當(dāng)時(shí)蘋果的前置指紋傳感器模塊，在用戶習(xí)慣上還是略輸一籌的。那為什么國(guó)內(nèi)手機(jī)不使用前置指紋傳感器呢?

　　前置指紋傳感器算是一直比較流行的，也比較傳統(tǒng)的指紋模式，那為什么國(guó)產(chǎn)手機(jī)卻遲遲“不肯”采用呢?這其實(shí)是因?yàn)榉诺角懊鏁?huì)與安卓系統(tǒng)的三個(gè)功能按鍵有一定的沖突，這也有待更佳的解決方案來制衡;另一方面，蘋果收購(gòu)了當(dāng)時(shí)唯一一家在前置指紋識(shí)別技術(shù)比較成熟靠譜的Authen Tec公司，Authen Tec公司也不再提供相關(guān)芯片給其他廠商，這讓其他想要使用前置指紋識(shí)別模塊(甚至是好一點(diǎn)的指紋識(shí)別模塊)的手機(jī)廠商只能有心無力了。直到FPC、匯頂?shù)鹊募夹g(shù)突破才為安卓陣營(yíng)帶來了拿得出手的指紋傳感器模塊。

　　同時(shí)，為了體現(xiàn)差異性，不少手機(jī)也開始使用側(cè)邊指紋識(shí)別設(shè)計(jì)，包括努比亞的Z9 Max、索尼的Xperia Z5系列、華為榮耀7i等，至于是否好用，就要看個(gè)人使用習(xí)慣啦。

　　另外，值得一提的是蘋果手機(jī)十周年紀(jì)念版據(jù)說會(huì)取消前置按鍵，這將意味著指紋模塊將面臨著又一大技術(shù)突破，有猜測(cè)是會(huì)用后置指紋，小編覺得這種猜測(cè)有點(diǎn)打臉，雖然現(xiàn)在華為等手機(jī)已經(jīng)能夠采用前置指紋模塊了，但是蘋果在前置指紋模塊上優(yōu)勢(shì)還是大大的。倒是屏下指紋模塊(也稱為隱藏式指紋模塊)很有可能是蘋果手機(jī)的新模式，且不說這一消息的真假，單論這一技術(shù)，還是很有意思的。

　　其實(shí)，在去年小米發(fā)布的小米5s就已經(jīng)初具雛形了，小米5s采用超聲波指紋識(shí)別技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了指紋模塊的“半隱藏”。為什么說是“半隱藏”呢?因?yàn)樾∶自谄?s手機(jī)上挖了個(gè) “坑”，是的，你沒聽錯(cuò)，確實(shí)是挖了個(gè)“坑”。官方的解釋是為了方便用戶更輕松滴找到Home鍵對(duì)應(yīng)的位置。其實(shí)，其中的奧妙在于，現(xiàn)階段手機(jī)屏幕玻璃的厚度普遍在0.5mm左右，而超聲波指紋識(shí)別技術(shù)的穿透量則大概范圍是0.3mm~0.4mm，小米5s“挖坑”的真正目的是保證聲波穿透的余量和識(shí)別率。其實(shí)還有更好的不影響美觀的辦法是從內(nèi)部挖一個(gè)“坑”，或?qū)⒅讣y模塊集成到手機(jī)屏幕玻璃中，但是相比起來，明顯還是直接“挖坑”比較容易(如圖4)。至于蘋果手機(jī)究竟是否會(huì)“挖坑”，又會(huì)怎樣挖這個(gè)“坑”，蘋果手機(jī)是否能再一次引領(lǐng)潮流呢?對(duì)于iPhone 8，小編也是滿滿的期待。

圖4 隱藏式指紋芯片的集成方式(直接挖坑/內(nèi)部挖坑/集成在玻璃中)

傳感器廠商

　　指紋傳感器廠商還是比較多的，但是真正能夠站出來吼兩聲的，掰著手指頭數(shù)一數(shù)，也就那么幾個(gè)。

　　1)AuthenTec

　　AuthenTec成立于1998年，算是成立最早的指紋識(shí)別傳感器的公司了，一直都是全球感應(yīng)性指紋識(shí)別傳感器最大供應(yīng)商，其指紋識(shí)別組件很早就已應(yīng)用到筆記本中。2011年，AuthenTec成功研制出基于電容和射頻識(shí)別的指紋識(shí)別新技術(shù)—— TruePrint，該技術(shù)能夠讀取皮膚表層下的活動(dòng)層(人的指紋真正所在之處)，實(shí)現(xiàn)極其精確可靠的指紋成像，為指紋傳感器在手機(jī)上的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。在2012年被蘋果以3.56億美元的價(jià)格收購(gòu)了，AuthenTec停止向第三方銷售指紋芯片，從此成為蘋果御用指紋識(shí)別方案提供者。其實(shí)在此之前，AuthenTec就已經(jīng)成為世界領(lǐng)先的指紋傳感器及芯片與模組、身份識(shí)別軟件和加密安全方案的供應(yīng)商，年銷售額達(dá)7千萬美元，其客戶包括當(dāng)時(shí)的阿爾卡特-朗訊、思科、惠普、三星、聯(lián)想、LG、摩托羅拉、諾基亞等。

　　2)FPC(Fingerprint Cards)

　　FPC是一家瑞典生物識(shí)別傳感器科技公司，主要開發(fā)、生產(chǎn)和銷售指紋識(shí)別技術(shù)，提供有觸摸式和刮擦式兩種指紋識(shí)別傳感器。早在2013年，F(xiàn)PC也開始大舉進(jìn)軍智能手機(jī)市場(chǎng)。由于AuthenTec只對(duì)蘋果提供產(chǎn)品和技術(shù)，F(xiàn)PC也理所當(dāng)然地成了安卓手機(jī)陣營(yíng)的支柱。

　　3)匯頂科技

　　匯頂科技成立于2002年，主要在做人機(jī)交互芯片設(shè)計(jì)，自2013年進(jìn)入指紋識(shí)別市場(chǎng)以來，就將這 一塊 作為重要發(fā)展方向，同時(shí)又有聯(lián)發(fā)科支持，匯頂發(fā)展非?？?。其現(xiàn)在能夠?yàn)槭謾C(jī)廠商提供鍍膜、蓋板(玻璃、藍(lán)寶石和陶瓷)、隱藏式(IFS)、活體指紋檢測(cè)全系列的指紋識(shí)別芯片。與華為、OPPO、vivo、樂視、中興、小米、魅族、聯(lián)想、金立、TCL、Amazon、Dell、HP、ASUS、acer 、TOSHIBA、Panasonic等眾多海內(nèi)外知名終端廠商都有合作。

　　其他知名廠商還包括國(guó)外的收購(gòu)了Validity的SynapTIcs(新思)、高通，以及國(guó)內(nèi)的郭泰(以及由部分原班人馬創(chuàng)辦的信煒和芯啟航)、神盾、義隆、邁瑞微、費(fèi)恩格爾、貝特萊和思立微。這里小編就不一一贅述了，有興趣的朋友了解他們具體發(fā)家史的可以具體去查一下。

假指紋識(shí)別技術(shù)

　　前文曾提到假指紋識(shí)別技術(shù)，那么。為什么需要這一技術(shù)呢?

　　大家一定曾在電視上看刑偵電影的時(shí)候看過有罪犯通過制作假指紋來解開一些指紋鎖，其實(shí)，這在現(xiàn)實(shí)生活中也是存在的，尤其是在當(dāng)下手機(jī)像素越來越高，我們的指紋甚至可以從高清照片上暴露無遺，2014年12月的新聞就有報(bào)道，德國(guó)國(guó)防部長(zhǎng)的指紋就曾被人用他的高精度照片截取獲得。如何區(qū)分真假指紋，則成為指紋識(shí)別算法的一個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)點(diǎn)。

圖5 假指紋欺詐方式

　　識(shí)別假指紋的方法可分為兩種，即硬件模式和軟件模式。其中，硬件模式需要設(shè)計(jì)專門的硬件設(shè)計(jì)，并與生物特征識(shí)別傳感器進(jìn)行整合，但是設(shè)備更新難度較大;軟件模式則是對(duì)指紋傳感器獲取的圖像進(jìn)行分析，對(duì)真假指紋進(jìn)行對(duì)比，通過大量的學(xué)習(xí)，識(shí)別真假指紋。由于軟件模式更新更方便，因而得到更廣泛的客戶認(rèn)可。

　　通過軟件識(shí)別假指紋是通過對(duì)提取的指紋特征數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，判斷真假指紋。由于假指紋存在一定程度的失真，因而會(huì)導(dǎo)致特征點(diǎn)丟失，另外，假指紋會(huì)加入一定的雜訊(例如橡皮泥做的假指紋存在氣泡)，因而可以通過大量機(jī)器學(xué)習(xí)及人工智能形成數(shù)據(jù)基礎(chǔ)來識(shí)別假指紋(如圖6)。

圖6 通過軟件識(shí)別假指紋

　　前些天小編曾參加過指紋識(shí)別算法公司PRECISE BIOMETRICS(業(yè)內(nèi)也稱為PB)在京的媒體溝通會(huì)，據(jù)悉，PB收購(gòu)反假指紋欺詐及活體識(shí)別專家NexID Biometrics公司后，如今其假指紋識(shí)別軟件已經(jīng)可以對(duì)指紋傳感器獲取的圖像特征進(jìn)行深度分析，發(fā)現(xiàn)偽造指紋圖像中的缺陷，甄別出真實(shí)手指與假冒手指之間的差異。雖然具體應(yīng)用現(xiàn)在還在開發(fā)中，但也終究是能夠讓我們松口氣了。

　　想起上個(gè)月的“WannaCry”勒索病毒，小編仍是心有余悸，電腦里那么多稿件和資料額，天吶擼!~正在想如果真滴中招是否要交“贖金”，微軟發(fā)布了漏洞補(bǔ)丁，相關(guān)解決方法也相繼推出。隨著如今的假指紋的肆虐橫行，防假指紋算法和假指紋之間又將是一場(chǎng)技術(shù)比拼的生死博弈。