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每天用指纹解锁手机,你就不好奇它的原理?

2017-7-4 08:49| 发布者: root| 查看: 598| 评论: 0

摘要: 为要灵敏测出指纹,就要求手指与指纹传感器芯片表面尽可能靠近,这也要求芯片表面的涂层必须尽可能的薄。但相对偏薄的涂层又会带来另一个问题,就是当手指因沾水而比较湿的时候,容易识别错误。

在几年前,指纹识别功能还是少数品牌的旗舰机才具备的功能。时至今日,众多国产机“扎堆”都实现了指纹识别。这背后隐藏了一个事实:中国企业已经成为全球最大的安卓阵营手机指纹芯片供应商。

(一)指纹识别是如何实现的?

指纹识别的前提是要进行指纹采集,在采集方式上,目前主要分两种:滑动式和按压式。

第一步:指纹采集

滑动式采集是将手指在传感器上滑过,从而使手机获得手指指纹图像。滑动式采集具有成本相对偏低,而且可以采集大面积图像的优势。但这种采集方式存在体验较差的问题,使用者需要一个连续规范的滑动动作才能实现采集成功,采集失败的概率大大增加。某品牌手机曾经使用过这种采集方式,因滑动式采集存在的短板而受到诟病。

按压式采集顾名思义就是在传感器上按压实现指纹数据采集,这种采集方式当然用户体验好一些,不过成本比滑动采集高,技术难度也相对高一些。此外,由于一次采集的指纹面积相对滑动式采集来说要小一些,就得多次采集,通过“拼凑”,拼出较大面积的指纹图像。这就必须仰仗先进的算法,用软件算法来弥补滑按压式采集获得的指纹面积相对偏小的问题,以保障识别的精确度。

第二步:指纹评估

在采集到指纹之后,然后对采集的指纹进行质量评估,不合格要再采一次,合格则对图像进行增强和细化。

第三步:提取“特征”

经过处理后会依次得道二值化图、细化图和提取特征图。在获得比较清晰的图像后,就开始对其进行特征提取。经过特征提取将数据存储下来之后,就可以进行下一步匹配工作了。

第四步:指纹匹配

在匹配中要注意一点,那就是由于同一个手指的两幅样本图像会因为手指的位移、偏转、以及按压时的力道不同而产生差异,这就使在匹配时要进行校准,通过特征点集校准等方式保障指纹识别的准确性。

(二)手机指纹识别体验好不好,关键看这几个指标

指纹识别有哪些关键指标呢?识别速度、采集面积、分辨率、使用寿命、安全性、软件支持种类、宽容度、抗静电性能都是指纹识别的关键指标。

识别速度——指的是指纹传感器识别出指纹所消耗的时间,通过对某品牌的手机进行检测,其识别时间为300多毫秒。有的指纹识别供应商宣称解锁时间仅需150毫秒,当然时间短用户体验好。

采集面积——过小的采集面积会使指纹识别的准确性大幅下降。也正是因此,中国和美国在一些非常严肃的场景下对指纹采集面积有明确的规定。在500PPI的分辨率下,美国FBI要求指纹采集面积为832*768像素;中国刑侦应用中要求,指纹采集面积为640*640像素。即便是中国的第二代身份证,其指纹采集面积的要求也为256*360像素,而且还必须是平面采集。

分辨率——和采集面积类似。在过去,曾经使用过200-400PPI分辨率的指纹传感器,不过随着技术的进步,目前很多指纹传感器的分辨率已经达到500PPI,在某些领域,甚至开始局部使用1000PPI分辨率的指纹传感器。

安全性——影响安全性的机制有很多,比如不保存用户的指纹数据,只记录提取的特征码模板。或者在特征码在传输存储的时候采用加密算法,以及采用TrustZone安全技术,在手机芯片里添加一安全区,从硬件上隔离数据和应用软件,确保信息安全。

使用寿命——指的是传感器的重复使用次数,目前对传感器的使用寿命要求是可重复使用100万次。

抗静电性能——传感器还必须具备抗静电性能,一般要求大于15kv,否则比较容易被击穿。

软件支持种类则直接影响指纹识别可以解锁的应用种类和数量。

(三)什么样的指纹采集技术能用于移动端?

油墨按印指纹采集:质量不高

一般,大规模的指纹采集还是采用油墨按印的方式,将指纹印进行扫描转变为数字信号。不过这种方式获得的指纹数据质量不高,在司法实践中还发生因指纹图像质量相对有限而不具备参考价值,甚至是导致冤假错案的情况。

光学指纹采集技术:手指要干净

随着技术的进步,光学指纹采集技术在各个行业开始普及。它利用光不能穿透皮肤表层的特性,对手指皮肤的表面进行扫描。这样一来就只扫描皮肤表层,而不会深入真皮层。

光学指纹采集器基于全内反射破坏原理设计,光源发出的光线以特定的角度摄入三棱镜的上表面发生全发射。在有手指按上时,因为脊线将接触棱镜表面,棱镜表面与脊线的接触将破坏全反射条件,从而使一部分光线泄漏,反射光线变弱,从而在图像传感器上形成明暗纹相间的指纹图像。

(使用棱镜片替代三棱镜的光学指纹采集仪)

相对于以往的指纹采集技术,光学指纹识别提高了指纹采集和识别的效率。不过,光学指纹识别也存在一个短板,那就是对手指表面的干净程度要求非常高——如果手指沾染了灰层或者油脂,就可能影响指纹识别的使用效果。

固态指纹识别技术:手机的“标配”

在上世纪80-90年代,固态指纹识别技术的发展大幅降低了指纹采集器的尺寸和成本。固态指纹采集器的最大优点是可以做的非常薄、非常小,非常适合手机等各种移动设备,而且在指纹识别图像质量上完全可以和光学指纹识别相比肩。蓝宝石保护层等技术的出现使弥补了固态指纹识别技术的短板,大幅提升了指纹识别器的耐用性。

(四)固态指纹传感器:为什么手指有水不能指纹解锁,原因在这儿

固态指纹传感器可以分为电容式指纹传感器、射频式指纹传感器、超生波式指纹传感器等。

1、电容式指纹传感器

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。而对于指纹传感器,传感器测量的其实是距离。就像下图,传感器在指纹上取点,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。

(图片来源:知乎 伤痕的天空)

距离不同,电容式指纹传感器也会获得不同的电容值,对这些电容值进行测量就可以获得指纹图像。

由于电容值一般相对偏弱一些,因此要求手指与芯片表面的要尽可能靠近,这也要求芯片表面的涂层必须尽可能的薄,否则就会影响灵敏度。

但是相对偏薄的涂层又会带来另一个问题,就是当手指因沾水而比较湿的时候,容易识别错误。而这也是现在很多手机的指纹识别过程中,经常发生因为手指有汗或者水而导致指纹识别失败的原因。

目前,电容式指纹传感器是使用最广泛的技术。

(电容式传感器)

2、射频式传感器

因为射频信号具有较好的穿透性,可以获得质量较高的指纹图像,图像质量一般要优于电容式指纹传感器。不过,射频式指纹传感器也并非完美无缺,在手指潮湿状态下,射频式指纹传感器或多或少也会受一点影响。目前,只有少数供应商提供射频式指纹传感器。

3、超声波式指纹传感器

工作原理是向手指表面发射超声波,然后接受反射回来的回波。由于手指嵴和沟会产生不同的超声波信号回波,将回波信号进行数据处理就可以获得指纹图像数据。

超声波式指纹传感器最大的优势是对手指表面干净与否要求不像射频式指纹传感器和电容式指纹传感器那么高。不过,目前来说,这项技术还不够成熟,成像质量还有待提升。而且更关键的是,价格相对高昂,非常不利于商业化。

(超声波式指纹传感器工作原理)

结语

有人说,如果没有iPhone5s指纹识别的加入,国内厂商说不定到现在还不会往指纹识别方面迈步子,国内产品只是在跟随、模仿等。

虽是如此,但国内厂商看中了指纹识别的市场前景,纷纷加入,中国供应商的指纹识别芯片不仅被广泛用在千元级手机上,还挤入了中高端安卓手机的供应链中,不少中国和韩国的手机品牌都选择了中国供应商的指纹识别芯片。如今中国成为全球最大的安卓阵营手机指纹芯片供应商。


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