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浅谈指纹识别原理

发布于:2015-05-04浏览:3175

浅谈指纹辨识原理:指纹辨识安全性?电容式、光学式技术差异

 

 

生物辨识技术一直是安全技术发展的重点要项,粗略算来少说有近10种不同的发展方向,像是电影中常看到的视网膜(retina)、虹膜(iris)、脸部(face)等辨识技术,还有已经很普遍的指纹(fingerprint)、掌纹(palm print)、声纹(voice pattern)辨识。这之中最常见的莫过于指纹辨识技术,但你有想过计算机是如何比对成千上万的指纹数据?像是iPhone 5s使用的Touch ID又是如何实际运作的呢?接下来就先来认识什么是指纹,再来了解各类辨识技术。

透过隆起线的端点与分岔点

如果放大看你的指纹,会发现它如同山谷一样高低起伏,高者为波锋即为隆起线低者为波谷,再加上弯曲的特性每个人都不相同,形成个人独特的生物特征。所谓指纹特征,指的是指纹隆起线的分布状况,每条隆起线都会有断裂处亦即端点。除了端点外,还会称为分岔点的分岔处,端点与分岔点皆为特征点,这就是比对指纹时的关键。

指纹是生物辨识的方式之一,透过波峰与波谷以及隆起线的变化,就能抓到特定的特征点,且每个人的特征点皆不相同。

指纹有多种构型,ArchLoopWhorl,其中也有将Loop细分为Right LoopLeft LoopArch再分为ArchTented Arch

指纹有50个特征点

每枚指纹大约会有50个左右的特征点,取得特征点的位置与方向,就能用于指纹的辨识。一般指纹辨识技术并非完整纪录整枚指纹的图形,而是仅仅储存指纹的特征。分析时会比对指纹的特征点的方向、位置是否相同。实作上辨识方式大致可分为2种模式,分别是一对一的Verify比对,以及一对多的Identify。前者大多会搭配特定密码或ID,输入完毕直接比对该组指纹特征,而后者则是输入指纹后,在茫茫数据库内比对。

虽然指纹的特征点很多,但根据英国E.R.HenryHenry System分类,指纹被归类为二部八类,其中只要13个特征点相同,即可确认是相同的指纹。

指纹主要靠着隆起线的起断与分岔进行辨识,但扫瞄出来的指纹不见得完全正确,得靠后端算法修正与加强辨识度。

比对是靠着隆起线形成的特征点辨识。

会有指纹相同的人吗?

那么你可能会问,世界上有没有指纹相同的人呢?除了同卵双胞胎外,以机率来说的确有可能2个人的指纹拥有相同的特征点,但这机率小得可怜,大约要让地球人口达到42位数时才可能出现,就算有也不太可能存活在同个世纪。世界上也已经有多个国家发行指纹身分证,像是印度、马来西亚、韩国等,并有部分国家建立指纹数据库。台湾先前领取新式身分证也需按压指纹建档,但后来因为违宪而取消。

已经有多个国家开始采用指纹认证,或是将指纹做为辅助辨识工具,图为美国入境时海关扫瞄旅客指纹。附带一提,该机器为光学式设计,稍后会提到更详细的内容。

指纹辨识的优点

生物辨识的种类这么多,为什么指纹辨识会成为主流?原因在于储存指纹特征数据的模板是目前生物特征辨识当中最小的。每枚指纹的储存量仅约120180byte,这么小的空间需求能让它轻松储存于容量有限的装置内,像是信用卡、护照、身分证等。此外,由于技术的进步,指纹辨识装置的体积也缩减许多,除了笔电上常见的滑动辨识器外,手机上也逐渐应用类似的装置,都不需要很大的空间用于配置硬件。

手机逐渐加入指纹辨识器,而商务笔电在更早之前就已经迈入指纹辨识时代。

构成指纹辨识器的软硬件

指纹辨识器由软件与硬件共同构成,硬件部分是指纹传感器(Fingerprint Sensor),用于采集指纹,依照技术可分为电容式与光学式传感器,依照扫瞄方式可分成滑动式与按压式。软件则是指纹辨识算法(Fingerprint Algorithm),当前端指纹传感器扫瞄完毕后,透过算法比对数据库内的指纹档案。各家算法重视的点可能略有差异,有些重视比对速度、有些重视比对正确性。

错误接受率(False Acceptance Rate,FAR)、错误拒绝率(False Rejection Rate,FRR)就关系到安全性与速度,FAR代表安全程度,越低越安全。至于FRR则关系到便利性,数值越低越便于使用。知道指纹辨识器大致的架构后,我们接着了解指纹采集技术的差异,就是先前提到的电容式与光学式,还有依据扫瞄方式的不同,分类出来的滑动式与按压式感应技术。

扫瞄指纹储存的不见得是指纹的完整影像,而是指纹的特征点曲线与位置,亦即图片中最右端的折线。

指纹的保存关系到个人隐私,指纹特征点分析完毕后,大多会透过加密的方式储存成为某种数据流。

电容式:透过电荷量、温差、压力扫瞄

指纹说穿了就是手指的纹路,要让计算机扫到这些纹路,可透过手指的电荷变化、温度差、压力等方式扫瞄,而iPhone 5s使用的感应技术就是电容式感应,亦有人将其称为半导体式、硅晶式等名称。薄与小是电容式设计的优点,便于安装于行动装置上。但成本相较于光学式设计更高,且裸露的传感器容易受到汗水等外在因素影响,导致耐用度较差。若要提升耐用程度会在传感器上加增保护机构,像是蓝宝石玻璃就用于iPhone 5s的传感器上。

左为光学式传感器,右为电容式传感器,前者透过光线与感光组件储存,后者则是透过半导体记录电荷、温度、压力等分布状态。

图片中可看到电容式传感器的半导体组件,以及覆盖与其上的蓝宝石保护玻璃。

光学式:透过光线形成阴影扫描

光学式的设计早于电容式,要扫瞄纹路最直觉的方式就是直接翻拍扫瞄,要让纹路细节显现出来则是依靠光线。1970年代的光学式设计架构很简单,靠着光源、三棱镜、感光组件就能记录指纹。使用时手指按压于三棱镜上,靠着光源反射让隆起线显现出来,再透过感光组件撷取影像。

因为光学式设计手指接触的是三棱镜或是其它反射面,而非电容式娇贵的感应芯片,因此耐用度较高且成本低廉。对于需大批量使用的机场等地,大多为光学式设计,例如美国海关。但不论电容或光学式设计,目的都是要取得指纹影像,后端还是得透过算法计算、比对才行。

光学式原理很简单,就是透过光线照射辨别出波峰与波谷,再透过感光组件储存。

滑动与按压式:体积与方向性是关键

技术分为电容与光学式,而扫瞄则也可分为滑动与按压2种方式。先从按压说起,就是将手指平贴于传感器上,而滑动式常用于笔电,传感器多呈现细长状,使用时要将整个手指完整滑过传感器。后端软件会将滑过的每幅影像拼贴出来,构成完整的指纹档案。滑动式的设计起源很简单,就是为了节省成本,毕竟当初电容式设计很贵,就有人想到如果把传感器面积缩减,只要划动过去同样能取得整枚的指纹,而且占用的空间还更小。

按压式的优点在于操作最直觉,符合人类使用习惯,而且放置的指纹无方向性,缺点则是需要较大的面积且成本较高。至于滑动式优点就是成本较低,且细长的传感器需要的空间较小。然而还是有些缺点,那就是滑动时必须顺着某个方向,且辨识度相对较低。不论按压式与滑动式都有厂商支持,笔者认为不同的环境下各有优缺点,两者皆无法完全取代对方的功用。

滑动式传感器常见于笔电上,使用时需要完整地刷过整枚指纹。

按压式设计常见于海关等政府单位,笔电也曾经使用过按压式设计,但占用空间较大且成本较高,后来逐渐被滑动式所取代。

指纹辨识只是开端

最初我们提到生物辨识技术种类很多,而指纹只是其中较为普遍的应用。相信部分用过笔电以及手机指纹接口的人,应该都对于其免输入密码等应用感到方便。或许未来我们可以进步到使用内建镜头做视网膜或是虹膜辨识,或用声纹解锁亦无不可,甚至未来去ATM提款不用带提款卡,对着镜头三秒钟就能提款,这些都是可预见的未来,也是令人期待的科技应用。