伴隨iPhone 5S的發(fā)布，智能手機(jī)配備指紋識(shí)別功能迅速成為旗艦手機(jī)的標(biāo)配，然而Touch ID的使用體驗(yàn)也并不完美。三月份高通發(fā)布的Sense  ID 3D超聲波指紋識(shí)別技術(shù)是否能顛覆Touch ID？本文將通過(guò)解析指紋識(shí)別技術(shù)告訴你答案。

　　一個(gè)典型的指紋識(shí)別系統(tǒng)應(yīng)該包括：指紋識(shí)別Sensor特征提取/匹配模塊特征模板庫(kù)應(yīng)用軟件。而指紋的匹配可分為兩步，首先是采集待驗(yàn)證的指紋的特征，然后將其和指紋模板庫(kù)中的模板指紋進(jìn)行相似度比較，從而判斷兩個(gè)指紋圖像是否來(lái)自同一手指。

　　在指紋識(shí)別的第一步就是指紋采集，以蘋(píng)果的Touch ID和三星Galaxy S5為代表的兩種指紋采集方式恰好就是典型代表。

　　指紋識(shí)別采集方式

　　1、滑動(dòng)式

　　將手指從傳感器上劃過(guò)，系統(tǒng)就能獲得整個(gè)手指的指紋。手指按壓上去時(shí)，無(wú)法一次性采集到完整圖像。在采集時(shí)需要手指劃過(guò)采集表面，對(duì)手指劃過(guò)時(shí)采集到的每一塊指紋圖像進(jìn)行快照，這些快照再進(jìn)行拼接，才能形成完整的指紋圖像。

　　滑動(dòng)式的優(yōu)點(diǎn)是成本低、易集成，可采集大面積的圖像，應(yīng)用傳統(tǒng)的特征點(diǎn)算法，但缺點(diǎn)是需要客戶有一個(gè)連貫規(guī)范動(dòng)作采集圖像，體驗(yàn)效果比較差，在之前的應(yīng)用推廣中不太成功。

　　2、按壓式

　　手指平放在設(shè)備上以便獲取指紋圖像。一般為了獲得整個(gè)手指的指紋，必須使用比手指更大的傳感器，整個(gè)手指同時(shí)按壓在傳感器之上。

　　按壓式的優(yōu)點(diǎn)是客戶體驗(yàn)好，只用一次按壓就可以采集圖像，與客戶在手機(jī)應(yīng)用的操作習(xí)慣匹配，無(wú)須教育客戶。缺點(diǎn)是：成本高，集成難度大，一次采集圖像面積相對(duì)較小，沒(méi)有足夠的特征點(diǎn)，需要用復(fù)雜的圖像比對(duì)算法進(jìn)行識(shí)別。

　　指紋的采集從用戶角度就分為滑動(dòng)和按壓，那么，指紋圖像的獲取又有那些方式？

　　指紋圖像的獲取技術(shù)

　　1、光學(xué)識(shí)別技術(shù)

　　原理：

    借助光學(xué)技術(shù)采集指紋是歷史最久遠(yuǎn)、使用最廣泛的技術(shù)。將手指放在光學(xué)鏡片上，手指在內(nèi)置光源照射下，用棱鏡將其投射在電荷耦合器件（CCD）上，進(jìn)而形成脊線（指紋圖像中具有一定寬度和走向的紋線）呈黑色、谷線（紋線之間的凹陷部分）呈白色的數(shù)字化的、可被指紋設(shè)備算法處理的多灰度指紋圖像。

　　優(yōu)點(diǎn)：

　　它已經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的應(yīng)用考驗(yàn)，一定程度上適應(yīng)溫度的變異，可達(dá)到500DPI的較高分辨率等，最主要是價(jià)格低廉。也有明顯的缺點(diǎn)：由于要求足夠長(zhǎng)的光程，因此要求足夠大的尺寸，而且過(guò)分干燥和過(guò)分油膩的手指也將使光學(xué)指紋產(chǎn)品的效果變壞。

　　缺點(diǎn)：

　　光學(xué)指紋傳感局限性體現(xiàn)于潛在指印方面（潛在指印是手指在臺(tái)板上按完后留下的），不但會(huì)降低指紋圖像的質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)還可能導(dǎo)致2個(gè)指印重疊。此外，臺(tái)板涂層及CCD陣列會(huì)隨時(shí)間推移產(chǎn)生損耗，可能導(dǎo)致采集的指紋圖像質(zhì)量下降。

　　光學(xué)指紋識(shí)別系統(tǒng)由于光不能穿透皮膚表層（死性皮膚層），所以只能夠掃描手指皮膚的表面，或者掃描到死性皮膚層，但不能深入真皮層。在這種情況下，手指表面的干凈程度，直接影響到識(shí)別的效果。如果，用戶手指上粘了較多的灰塵，可能就會(huì)出現(xiàn)識(shí)別出錯(cuò)的情況。并且，如果人們按照手指，做一個(gè)指紋手模，也可能通過(guò)識(shí)別系統(tǒng)，對(duì)于用戶而言，使用起來(lái)不是很安全和穩(wěn)定。

　　此外，光學(xué)傳感器中存在棱鏡，其體積較大，一般為半導(dǎo)體的幾倍甚至10倍大小，所以限制了其在小型設(shè)備上的應(yīng)用。在類(lèi)似考勤機(jī)、門(mén)禁等大設(shè)備上使用沒(méi)有體積限制的問(wèn)題，但在U盤(pán)、移動(dòng)硬盤(pán)、手持設(shè)備上使用，體積成了最大的障礙。

　　2、半導(dǎo)體硅感技術(shù)（電容式技術(shù)）

　　原理：

　　20世紀(jì)90年代后期，基于半導(dǎo)體硅電容效應(yīng)的技術(shù)趨于成熟。硅傳感器成為電容的一個(gè)極板，手指則是另一極板，利用手指紋線的脊和谷相對(duì)于平滑的硅傳感器之間的電容差，形成8bit的灰度圖像。電容傳感器發(fā)出電子信號(hào)，電子信號(hào)將穿過(guò)手指的表面和死性皮膚層，直達(dá)手指皮膚的活體層（真皮層），直接讀取指紋圖案。由于深入真皮層，傳感器能夠捕獲更多真實(shí)數(shù)據(jù)，不易受手指表面塵污的影響，提高辨識(shí)準(zhǔn)確率，有效防止辨識(shí)錯(cuò)誤。

　　半導(dǎo)體電容傳感器根據(jù)指紋的嵴和峪與半導(dǎo)體電容感應(yīng)顆粒形成的電容值大小不同，來(lái)判斷什么位置是嵴什么位置是峪。其工作過(guò)程是通過(guò)對(duì)每個(gè)像素點(diǎn)上的電容感應(yīng)顆粒預(yù)先充電到某一參考電壓。當(dāng)手指接觸到半導(dǎo)體電容指紋表現(xiàn)上時(shí)，因?yàn)獒帐峭蛊稹⒂前枷?，根?jù)電容值與距離的關(guān)系，會(huì)在嵴和峪的地方形成不同的電容值。然后利用放電電流進(jìn)行放電。因?yàn)獒蘸陀鴮?duì)應(yīng)的電容值不同，所以其放電的速度也不同。嵴下的像素（電容量高）放電較慢，而處于峪下的像素（電容量低）放電較快。根據(jù)放電率的不同，可以探測(cè)到嵴和峪的位置，從而形成指紋圖像數(shù)據(jù)。

　　優(yōu)點(diǎn)：

　　半導(dǎo)體硅感技術(shù)最重要的優(yōu)點(diǎn)是能夠達(dá)到活體指紋識(shí)別。還可以在較小的表面上獲得比光學(xué)技術(shù)更好的圖像質(zhì)量，在1cm×1.5cm的表面上獲得200-300線的分辨率（較小的表面也導(dǎo)致成本的下降和能被集成到更小的設(shè)備中）。體積小、成本低，成像精度高，而且耗電量很小，因此非常適合在安全防范和高檔消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品中使用，被稱(chēng)為光學(xué)以后的第二代指紋識(shí)別技術(shù)。

　　缺點(diǎn)：

　　半導(dǎo)體硅感技術(shù)也有缺點(diǎn)，就是會(huì)受靜電干擾，但可以通過(guò)安裝時(shí)接地解決。半導(dǎo)體電容指紋傳感器因制造工藝復(fù)雜，單位面積上傳感單元多，包含高端的，IC設(shè)計(jì)技術(shù)、大規(guī)模集成電路制造技術(shù)、IC芯片封裝技術(shù)等，所以電容指紋傳感器幾乎全部是由IC技術(shù)發(fā)達(dá)的國(guó)家或地區(qū)，如美國(guó)、歐洲、臺(tái)灣等地設(shè)計(jì)制造的。所以以前成本較昂貴，近年來(lái)成本大幅度下降，與光學(xué)傳感器的成本日益接近，是目前最理想的指紋識(shí)別技術(shù)。如銀行金庫(kù)和監(jiān)獄等高危安保場(chǎng)所安防門(mén)禁系統(tǒng)，采用半導(dǎo)體硅感識(shí)別技術(shù)的指紋機(jī)用于門(mén)禁前端活體指紋識(shí)別，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的密碼、刷卡、光學(xué)指紋機(jī)，從而真正做到身份識(shí)別的惟一性，確保萬(wàn)無(wú)一失。

　　上面已經(jīng)詳細(xì)介紹了目前較為常見(jiàn)的光學(xué)識(shí)別技術(shù)與半導(dǎo)體硅感技術(shù)，這兩種技術(shù)也分別廣泛應(yīng)用于門(mén)禁和智能手機(jī)，除此之外，還有兩個(gè)使用還不是十分廣泛的傳感技術(shù)。

　　3、溫差感應(yīng)式識(shí)別技術(shù)

　　溫差感應(yīng)式識(shí)別技術(shù)是基于溫度感應(yīng)的原理而制成的，每個(gè)像素都相當(dāng)于一個(gè)微型化的電荷傳感器，用來(lái)感應(yīng)手指與芯片映像區(qū)域之間某點(diǎn)的溫度差，產(chǎn)生一個(gè)代表圖像信息的電信號(hào)。它的優(yōu)點(diǎn)是可在0.1s內(nèi)獲取指紋圖像，而且傳感器體積和面積最小，即目前通常所說(shuō)的滑動(dòng)式指紋識(shí)別儀就是采用該技術(shù)。缺點(diǎn)是：受制于溫度局限，時(shí)間一長(zhǎng)，手指和芯片就處于相同的溫度了。

　　4、超聲波技術(shù)

　　超聲波指紋采集是一種新型技術(shù)，其原理是利用超聲波具有穿透材料的能力，且隨材料的不同產(chǎn)生大小不同的回波（超聲波到達(dá)不同材質(zhì)表面時(shí)，被吸收、穿透與反射的程度不同）。因此，利用皮膚與空氣對(duì)于聲波阻抗的差異，就可以區(qū)分指紋嵴與峪所在的位置。

　　超聲波技術(shù)所使用的超聲波頻率為1×104Hz-1×109Hz，能量被控制在對(duì)人體無(wú)損的程度（與醫(yī)學(xué)診斷的強(qiáng)度相同）。超聲波技術(shù)產(chǎn)品能夠達(dá)到最好的精度，它對(duì)手指和平面的清潔程度要求較低，但其采集時(shí)間會(huì)明顯地長(zhǎng)于前述兩類(lèi)產(chǎn)品，而且價(jià)格昂貴。

　　后面的兩種傳感技術(shù)目前并不是很常見(jiàn)，但是超聲波技術(shù)卻十分值得關(guān)注。因?yàn)楦咄òl(fā)布了基于超聲波技術(shù)的3D指紋認(rèn)證解決方案Sense ID  3D指紋技術(shù)。高通的這項(xiàng)技術(shù)可以穿透表皮層，探測(cè)指紋的三維細(xì)節(jié)，因而讓黑客難以仿制指紋侵入用戶手機(jī)，這樣的活體指紋識(shí)別增強(qiáng)了安全性；同時(shí)由于超聲波識(shí)別不受手指上可能存在的污物影響大大提高了指紋識(shí)別的易用性；超聲波能夠穿透由玻璃、鋁、不銹鋼、藍(lán)寶石或塑料制成的智能手機(jī)外殼進(jìn)行掃描能夠讓手機(jī)生產(chǎn)商可以將傳感器和設(shè)備融為一體，而不必將指紋識(shí)別單元單獨(dú)做成一個(gè)按鈕這種形式。因此，高通超聲波指紋識(shí)別顛覆Touch ID值得期待。

　　通過(guò)本文的詳細(xì)介紹，對(duì)于指紋識(shí)別的認(rèn)識(shí)已經(jīng)不再停留在按壓式采集和滑動(dòng)式采集方式的差別。對(duì)于指紋采集技術(shù)的了解，能夠讓你對(duì)指紋采集系統(tǒng)有一個(gè)更加深入的了解，同時(shí)除了備受好評(píng)的Touch ID之外，超聲波指紋識(shí)或?qū)⒊蔀橹悄軝C(jī)指紋識(shí)別的新選擇。