為要靈敏測(cè)出指紋，就要求手指與指紋傳感器芯片表面盡可能靠近，這也要求芯片表面的涂層必須盡可能的薄。但相對(duì)偏薄的涂層又會(huì)帶來(lái)另一個(gè)問(wèn)題，就是當(dāng)手指因沾水而比較濕的時(shí)候，容易識(shí)別錯(cuò)誤。
2017-07-03 · 了不起的中國(guó)制造
出品| 網(wǎng)易新聞學(xué)院 作者| 鐵流
在幾年前，指紋識(shí)別功能還是少數(shù)品牌的旗艦機(jī)才具備的功能。時(shí)至今日，眾多國(guó)產(chǎn)機(jī)“扎堆”都實(shí)現(xiàn)了指紋識(shí)別。這背后隱藏了一個(gè)事實(shí)：中國(guó)企業(yè)已經(jīng)成為全球最大的安卓陣營(yíng)手機(jī)指紋芯片供應(yīng)商。
（一）指紋識(shí)別是如何實(shí)現(xiàn)的？
指紋識(shí)別的前提是要進(jìn)行指紋采集，在采集方式上，目前主要分兩種：滑動(dòng)式和按壓式。
第一步：指紋采集
滑動(dòng)式采集是將手指在傳感器上滑過(guò)，從而使手機(jī)獲得手指指紋圖像?；瑒?dòng)式采集具有成本相對(duì)偏低，而且可以采集大面積圖像的優(yōu)勢(shì)。但這種采集方式存在體驗(yàn)較差的問(wèn)題，使用者需要一個(gè)連續(xù)規(guī)范的滑動(dòng)動(dòng)作才能實(shí)現(xiàn)采集成功，采集失敗的概率大大增加。某品牌手機(jī)曾經(jīng)使用過(guò)這種采集方式，因滑動(dòng)式采集存在的短板而受到詬病。
按壓式采集顧名思義就是在傳感器上按壓實(shí)現(xiàn)指紋數(shù)據(jù)采集，這種采集方式當(dāng)然用戶(hù)體驗(yàn)好一些，不過(guò)成本比滑動(dòng)采集高，技術(shù)難度也相對(duì)高一些。此外，由于一次采集的指紋面積相對(duì)滑動(dòng)式采集來(lái)說(shuō)要小一些，就得多次采集，通過(guò)“拼湊”，拼出較大面積的指紋圖像。這就必須仰仗先進(jìn)的算法，用軟件算法來(lái)彌補(bǔ)滑按壓式采集獲得的指紋面積相對(duì)偏小的問(wèn)題，以保障識(shí)別的精確度。
第二步：指紋評(píng)估
在采集到指紋之后，然后對(duì)采集的指紋進(jìn)行質(zhì)量評(píng)估，不合格要再采一次，合格則對(duì)圖像進(jìn)行增強(qiáng)和細(xì)化。
第三步：提取“特征”
經(jīng)過(guò)處理后會(huì)依次得道二值化圖、細(xì)化圖和提取特征圖。在獲得比較清晰的圖像后，就開(kāi)始對(duì)其進(jìn)行特征提取。經(jīng)過(guò)特征提取將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)下來(lái)之后，就可以進(jìn)行下一步匹配工作了。
第四步：指紋匹配
在匹配中要注意一點(diǎn)，那就是由于同一個(gè)手指的兩幅樣本圖像會(huì)因?yàn)槭种傅奈灰?、偏轉(zhuǎn)、以及按壓時(shí)的力道不同而產(chǎn)生差異，這就使在匹配時(shí)要進(jìn)行校準(zhǔn)，通過(guò)特征點(diǎn)集校準(zhǔn)等方式保障指紋識(shí)別的準(zhǔn)確性。
（二）手機(jī)指紋識(shí)別體驗(yàn)好不好，關(guān)鍵看這幾個(gè)指標(biāo)
指紋識(shí)別有哪些關(guān)鍵指標(biāo)呢？識(shí)別速度、采集面積、分辨率、使用壽命、安全性、軟件支持種類(lèi)、寬容度、抗靜電性能都是指紋識(shí)別的關(guān)鍵指標(biāo)。
識(shí)別速度——指的是指紋傳感器識(shí)別出指紋所消耗的時(shí)間，通過(guò)對(duì)某品牌的手機(jī)進(jìn)行檢測(cè)，其識(shí)別時(shí)間為300多毫秒。有的指紋識(shí)別供應(yīng)商宣稱(chēng)解鎖時(shí)間僅需150毫秒，當(dāng)然時(shí)間短用戶(hù)體驗(yàn)好。
采集面積——過(guò)小的采集面積會(huì)使指紋識(shí)別的準(zhǔn)確性大幅下降。也正是因此，中國(guó)和美國(guó)在一些非常嚴(yán)肅的場(chǎng)景下對(duì)指紋采集面積有明確的規(guī)定。在500PPI的分辨率下，美國(guó)FBI要求指紋采集面積為832*768像素；中國(guó)刑偵應(yīng)用中要求，指紋采集面積為640*640像素。即便是中國(guó)的第二代身份證，其指紋采集面積的要求也為256*360像素，而且還必須是平面采集。
分辨率——和采集面積類(lèi)似。在過(guò)去，曾經(jīng)使用過(guò)200-400PPI分辨率的指紋傳感器，不過(guò)隨著技術(shù)的進(jìn)步，目前很多指紋傳感器的分辨率已經(jīng)達(dá)到500PPI，在某些領(lǐng)域，甚至開(kāi)始局部使用1000PPI分辨率的指紋傳感器。
安全性——影響安全性的機(jī)制有很多，比如不保存用戶(hù)的指紋數(shù)據(jù)，只記錄提取的特征碼模板?；蛘咴谔卣鞔a在傳輸存儲(chǔ)的時(shí)候采用加密算法，以及采用TrustZone安全技術(shù)，在手機(jī)芯片里添加一安全區(qū)，從硬件上隔離數(shù)據(jù)和應(yīng)用軟件，確保信息安全。
使用壽命——指的是傳感器的重復(fù)使用次數(shù)，目前對(duì)傳感器的使用壽命要求是可重復(fù)使用100萬(wàn)次。
抗靜電性能——傳感器還必須具備抗靜電性能，一般要求大于15kv，否則比較容易被擊穿。
軟件支持種類(lèi)則直接影響指紋識(shí)別可以解鎖的應(yīng)用種類(lèi)和數(shù)量。
（三）什么樣的指紋采集技術(shù)能用于移動(dòng)端？
油墨按印指紋采集：質(zhì)量不高
一般，大規(guī)模的指紋采集還是采用油墨按印的方式，將指紋印進(jìn)行掃描轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)。不過(guò)這種方式獲得的指紋數(shù)據(jù)質(zhì)量不高，在司法實(shí)踐中還發(fā)生因指紋圖像質(zhì)量相對(duì)有限而不具備參考價(jià)值，甚至是導(dǎo)致冤假錯(cuò)案的情況。
光學(xué)指紋采集技術(shù)：手指要干凈
隨著技術(shù)的進(jìn)步，光學(xué)指紋采集技術(shù)在各個(gè)行業(yè)開(kāi)始普及。它利用光不能穿透皮膚表層的特性，對(duì)手指皮膚的表面進(jìn)行掃描。這樣一來(lái)就只掃描皮膚表層，而不會(huì)深入真皮層。
光學(xué)指紋采集器基于全內(nèi)反射破壞原理設(shè)計(jì)，光源發(fā)出的光線(xiàn)以特定的角度攝入三棱鏡的上表面發(fā)生全發(fā)射。在有手指按上時(shí)，因?yàn)榧咕€(xiàn)將接觸棱鏡表面，棱鏡表面與脊線(xiàn)的接觸將破壞全反射條件，從而使一部分光線(xiàn)泄漏，反射光線(xiàn)變?nèi)?，從而在圖像傳感器上形成明暗紋相間的指紋圖像。
?。ㄊ褂美忡R片替代三棱鏡的光學(xué)指紋采集儀）
相對(duì)于以往的指紋采集技術(shù)，光學(xué)指紋識(shí)別提高了指紋采集和識(shí)別的效率。不過(guò)，光學(xué)指紋識(shí)別也存在一個(gè)短板，那就是對(duì)手指表面的干凈程度要求非常高——如果手指沾染了灰層或者油脂，就可能影響指紋識(shí)別的使用效果。
固態(tài)指紋識(shí)別技術(shù)：手機(jī)的“標(biāo)配”
在上世紀(jì)80-90年代，固態(tài)指紋識(shí)別技術(shù)的發(fā)展大幅降低了指紋采集器的尺寸和成本。固態(tài)指紋采集器的最大優(yōu)點(diǎn)是可以做的非常薄、非常小，非常適合手機(jī)等各種移動(dòng)設(shè)備，而且在指紋識(shí)別圖像質(zhì)量上完全可以和光學(xué)指紋識(shí)別相比肩。藍(lán)寶石保護(hù)層等技術(shù)的出現(xiàn)使彌補(bǔ)了固態(tài)指紋識(shí)別技術(shù)的短板，大幅提升了指紋識(shí)別器的耐用性。
（四）固態(tài)指紋傳感器：為什么手指有水不能指紋解鎖，原因在這兒
固態(tài)指紋傳感器可以分為電容式指紋傳感器、射頻式指紋傳感器、超生波式指紋傳感器等。
1、電容式指紋傳感器
傳感器是將不易識(shí)別處理的非電學(xué)量轉(zhuǎn)換為易于識(shí)別處理的電學(xué)量的設(shè)備。而對(duì)于指紋傳感器，傳感器測(cè)量的其實(shí)是距離。就像下圖，傳感器在指紋上取點(diǎn)，有的點(diǎn)落在指紋的嵴上，有的落在溝里。落在嵴上的距離短，落在溝里的距離長(zhǎng)。
?。▓D片來(lái)源：知乎 傷痕的天空）
距離不同，電容式指紋傳感器也會(huì)獲得不同的電容值，對(duì)這些電容值進(jìn)行測(cè)量就可以獲得指紋圖像。
由于電容值一般相對(duì)偏弱一些，因此要求手指與芯片表面的要盡可能靠近，這也要求芯片表面的涂層必須盡可能的薄，否則就會(huì)影響靈敏度。
但是相對(duì)偏薄的涂層又會(huì)帶來(lái)另一個(gè)問(wèn)題，就是當(dāng)手指因沾水而比較濕的時(shí)候，容易識(shí)別錯(cuò)誤。而這也是現(xiàn)在很多手機(jī)的指紋識(shí)別過(guò)程中，經(jīng)常發(fā)生因?yàn)槭种赣泻够蛘咚鴮?dǎo)致指紋識(shí)別失敗的原因。
目前，電容式指紋傳感器是使用最廣泛的技術(shù)。
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2、射頻式傳感器
因?yàn)樯漕l信號(hào)具有較好的穿透性，可以獲得質(zhì)量較高的指紋圖像，圖像質(zhì)量一般要優(yōu)于電容式指紋傳感器。不過(guò)，射頻式指紋傳感器也并非完美無(wú)缺，在手指潮濕狀態(tài)下，射頻式指紋傳感器或多或少也會(huì)受一點(diǎn)影響。目前，只有少數(shù)供應(yīng)商提供射頻式指紋傳感器。
3、超聲波式指紋傳感器
工作原理是向手指表面發(fā)射超聲波，然后接受反射回來(lái)的回波。由于手指嵴和溝會(huì)產(chǎn)生不同的超聲波信號(hào)回波，將回波信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理就可以獲得指紋圖像數(shù)據(jù)。
超聲波式指紋傳感器最大的優(yōu)勢(shì)是對(duì)手指表面干凈與否要求不像射頻式指紋傳感器和電容式指紋傳感器那么高。不過(guò)，目前來(lái)說(shuō)，這項(xiàng)技術(shù)還不夠成熟，成像質(zhì)量還有待提升。而且更關(guān)鍵的是，價(jià)格相對(duì)高昂，非常不利于商業(yè)化。
?。ǔ暡ㄊ街讣y傳感器工作原理）
結(jié)語(yǔ)
有人說(shuō)，如果沒(méi)有iPhone5s指紋識(shí)別的加入，國(guó)內(nèi)廠商說(shuō)不定到現(xiàn)在還不會(huì)往指紋識(shí)別方面邁步子，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品只是在跟隨、模仿等。
雖是如此，但國(guó)內(nèi)廠商看中了指紋識(shí)別的市場(chǎng)前景，紛紛加入，中國(guó)供應(yīng)商的指紋識(shí)別芯片不僅被廣泛用在千元級(jí)手機(jī)上，還擠入了中高端安卓手機(jī)的供應(yīng)鏈中，不少中國(guó)和韓國(guó)的手機(jī)品牌都選擇了中國(guó)供應(yīng)商的指紋識(shí)別芯片。如今中國(guó)成為全球最大的安卓陣營(yíng)手機(jī)指紋芯片供應(yīng)商。
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編輯| 于冉帝
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