光学/电容传感方案趋成熟 指纹辨识兼顾安全及便利

2014-01-07 05:01:01来源: 新电子
    在苹果(Apple)率先导入智慧型手机应用的激励下,指纹辨识发展近来再度掀起热潮,并促使光学式与电容式感测技术相继出现重大突破,可望加速指纹辨识渗透消费性电子市场,为使用者带来比密码更安全且便利的认证机制。

所谓指纹辨识,顾名思义就是利用人体手指上独有指纹资讯进行辨识。常见的指纹辨识方法有两种,一为Verify(1:1),此种辨识通常会搭配一组密码或是ID,系统比对时会将此密码与ID输入资料库,再与对应此密码或ID的指纹资讯进行一对一比对。另一种为Identify(1:N),此种辨识称为一对多比对,也就是输入的指纹会与资料库内成千上万的指纹资讯进行比对。做为众多生物辨识技术的一种,指纹辨识为何会受到世界各国的青睐,成为身分认证的唯一工具?主要是指纹辨识拥有以下特性。
指纹辨识优势多

做为生物辨识技术,最关键的问题是此生物特征的唯一性与永久不变性。包括人脸、虹膜、静脉等生物特征辨识技术,都是许多专家学者研究出来的理论,但是要能佐证生物辨识的可靠度与安全性,则需要庞大生物特征资料库以证明任何一人的生物特征均不相同。  

18世纪以前,有些学者认为地球上几十亿的人口,总会找到有指纹相同的人。有人曾以电脑来计算,结论是要到四十二位数时,才可能出现指纹相同的人;所以说,就算真的有指纹相同的人,他们也不太可能生存在同一个世纪。  

目前全世界已有许多国家发行指纹身分证,如印度、马来西亚、韩国等;而中国自2013年起民众的二代身分证须要采集指纹,因此中国将成为全世界指纹资料库最多的国家,这将有助于指纹辨识技术的发展,并使指纹辨识相关应用产业蓬勃起飞。  

另一方面,这几年由于半导体制程进步与光学元件的普及,带动指纹感测器的价格下滑,让此一技术能走入民生消费品中。  

指纹辨识的另一个优点,则是指纹模板(Template)是所有生物特征里面最小的。一般而言,一枚指纹需要的模板资讯量大约是120?180位元组,这可让指纹资讯易储存于有限容量的终端装置内,例如晶片信用卡、电子护照、晶片身分证等。这样的优势可让消费者将个人资料带着走,如须验证身分时,可利用终端设备将晶片上的指纹资讯读出,再搭配设备上的指纹读取器采集本人活体指纹,进行身分认证,此举有助于降低指纹资料被窃取的风险。  

事实上,台湾目前所采用的指纹制度和世界各国统一标准一致,使用的是英国学者E.R.Henry的现代指纹法,即Henry System分类整理法,将指纹分为二部八类,Henry并确认了若指纹上有十三个特征点重合,即可确认为本人。  

感测器/演算法为核心要素

常见的指纹辨识装置可由两种元素组成。其一为指纹感测器(Fingerprint Sensor),主要目的是采集一枚完整的指纹影像。常见的指纹感测器有电容式(Capacity)与光学式(Optical)两种(图1)。  


图1    常见指纹辨识传感器原理图,左为光学式,右为电容式。
另一个元素则为指纹辨识演算法(Fingerprint Algorithm)。当前端的指纹感测器采集指纹影像后,后续则是交由演算法进行指纹影像处理与指纹特征点抽取,生成指纹模板后将原始指纹图像丢弃,最后再进行指纹比对。一个好的指纹辨识演算法,除了比对精准与迅速外,最重要的是能根据应用场合与硬体架构调整其错误接受率(False Acceptance Rate, FAR)和错误拒绝率(False Rejection Rate, FRR);其中,FRR代表便利程度,数值愈低表示愈方便使用,FAR代表安全程度,数值愈低表示愈安全。  

电容式感测器

指纹辨识感测器目前可依制程方式区分成半导体式与光学式。半导体晶片式感测器(Semiconductor Sensor)泛指利用IC设计与半导体制程方式来进行制造的指纹感测器,半导体式指纹感测器常见的应用原理有RF电容感测、压力感测、热感测等。其原理系将高密度的电容感测器,或是压力感测器等微型化感测器,整合于一晶片中,待指纹按压晶片表面时,内部微型电容感测器会根据指纹波峰与波谷聚集而产生的不同电荷量(或是温差),形成指纹影像。苹果(Apple)的iPhone 5s采用的就是电容式的原理。  

电容式的优点为薄型化与小型化,可被大量运用在手持装置上,不过其缺点为成本高及耐用性备受考验;事实上,电容式感测器为了维持一定的按压面积须切割整片晶圆,因此每一晶片产出的成本高;再者,由于其本身就是裸露的半导体晶片,因此其设计挑战在于如何抵抗手指本身汗水与酸硷对晶片表面的侵蚀以及静电防护。苹果在iPhone 5s指纹感测器表面增贴一层蓝宝石基板以进行防护是相当聪明的举动,此举解决过去电容式感测器耐用性不佳的问题。  

光学式感测器

光学式指纹感测器为最早的指纹采集设备,始于1970年代,系利用光源、三菱镜、电荷耦合元件(CCD)的照相机组成一套指纹采集设备。利用手指按压三菱镜后,指纹的波峰与波谷对于全反射的吸收与破坏,得到一枚指纹影像,再经由照像机模组将影像撷取与输出。这也是现今所有光学式指纹感测器所仿造的架构与原理。由于光学式的采集方式是非接触晶片本身,也就是指纹按压处是由压克力或是玻璃等光学元件所构成,故光学式最大的优势就是价格低廉且耐用。这也可以从中正机场的快速通关或是美国、日本海关这些需要一天数十万人次使用指纹验证的场所,其使用的指纹采集设备均为光学式可得到验证。不过,它的缺点是体积较大,难以运用于手持装置内。  

[@B]采集方式分为按压与滑动[@C] 采集方式分为按压与滑动

另一方面,若依照采集行为来区分,则指纹辨识装置的使用方式又可再细分为面采集(或称按压采集)与滑动采集两种,这两种采集方式各有厂商力拱。  

以iPhone 5s为例,即是采用按压采集,亦即将手指按压在指纹感测器的表面,此一行为模式是最符合人类对于指纹使用的行为模式。  

通常按压采集指纹感测器在第一次采集指纹时,均会要求用户端以重覆按压感测器表面数次以采得指纹影像;以苹果iPhone 5s为例,使用者第一次使用时,须按压十到十五次,此举主要是因为苹果所使用的电容式感测器感应面积太小,约为8毫米(mm)×8毫米,故须利用多次建档以拼图的方式完成一枚指纹资讯的建立;相反地,较大的采集面积则拥有较佳便利性,如金佶科技所生产的指纹感测器面积为12.5毫米×14.5毫米,故第一次采集指纹时,只须按压两到三次即可完成指纹采集。  

按压采集感测器在建档完成后,均可支援手指360度按压,无方向性限制,便利性极高。不过须注意的是,开发商若是采用半导体式加按压采集式的感测器,其成本则较高。  

至于HTC One max则是采滑动采集技术。早期为解决半导体按压式指纹感测器的成本问题,于是乎就有人想到利用IC封装小型化的概念,将原本面型的半导体式切割成一条状式感测器,把原本消费者的按压使用习惯改为如同在扫描器上运行的原理,须将手指紧贴感测器进行滑动,然后在后台将指纹用软体组成一幅指完整指纹影像。此种滑条式指纹感测器(Sweep Senor),也被命名为线性采集式指纹感测器(Linear Sensor)。  

事实上,滑条式的指纹感测器在2004年左右曾经变成笔记型电脑上的标准配备,并且也冲上指纹应用热潮的高峰。但是到了消费者用户端,许多消费者向品牌厂反应不知如何正常使用;使用者发现,若是滑动的速度过快,或是滑的方向偏移均无法正常识别,故最后,许多消费者均将此装置关闭。  

除此之外,当时为了因应笔电厂成本逐季下降的压力,所有的线性采集感测器厂商均将滑条的面积长宽再缩小,以降低模组成本,此举让原本感测模组约为256×8 Pixel的规格再下降至128×4 Pixel。这样的结果,让原本已经不友善的滑条式指纹感测用户操作介面更加雪上加霜。各类型指纹辨识感测器比较详见表1。  


指纹辨识应用热潮再起
这两年来电容式指纹感测器厂商先后被购并,首先AuthenTec在2012年突然被苹果以3.82亿美元购并。这家公司在被苹果收购之前,就是电容式指纹感测器第一大厂,自1997年成立以来,中间购并几家大型指纹公司如UPEK等,因而取得目前最多电容式指纹专利。完整的专利布局是苹果公司选择购并的主因。  

另一家电容式大厂Validity于2004年成立,于2013年被触控方案大厂新思国际(Synaptics)购并。这表示指纹辨识感测器供应商将会出现垄断的局面,后续如有从事电容式设计的厂商恐会面临一条艰辛的专利路。  

iPhone 5s指纹辨识系统,应该为苹果试水温的第一步,先测试大众对指纹辨识应用的接受度,接着针对消费者的反馈问题不断进行改善,并且慢慢增加新功能于Touch ID上面。最终是要所有消费者能享受指纹辨识的便利性与安全性。  

目前苹果与宏达电所提供的功能包括以下三种;首先是密码管理,如利用手机在线上购买商品时毋须再输入密码;其次为指纹开机与萤幕解锁;最后则是指纹快捷键,亦即利用不同指纹可开启不同功能快捷键。  

值得注意的是,手机结合信用卡也是指纹辨识业者可布局的方向。事实上,Google近年来强推Google Wallet的功能,即是企图将手机与近距离无线通讯(NFC)功能进行结合,形成手机支付的方案;而苹果近年的专利布局也是朝向手机支付的功能前进。  

手机与支付要能普及于应用端,笔者认为,有两大因素要考虑。首先为手机本身的安全性考量,万一手机遗失的时候如何保护个资?再者,手机本身的PIN码安全性容易被侧录如何保护?电信商很难提出一套安全的方案给银行业者信服。第二是电信商与银行端的拆帐分配尚未有一套令双方可信服的标准模式。用户利用手机刷卡,是属于电信业者的业务还是发卡银行的业务,如何分拆手续费,万一手机被盗如何赔偿?这都是目前存在于手机支付应用上的最大障碍,而生物辨识之一的指纹辨识技术或可成解方,来加强手机支付的安全性。  

事实上,指纹辨识早年发展受限于两大因素以至于无法普及,让应用仅存在于军方与警政系统中。首先为指纹辨识用的主晶片处理速度慢与价格高。由于指纹辨识软体是须要用到大量运算的技术,非常占晶片运算资源且耗电,早期只能运行于x86的系统晶片或是数位讯号处理器(DSP)等高价与高运算的晶片。近年由于半导体制程进步,加上标榜高性价比与省电的安谋国际(ARM)处理器兴起,让此一产品真正可以走入消费性市场。  

其次则是目前尚未有一款指纹辨识感测器能够真正做到完美。不过经过苹果的努力,在iPhone 5s的指纹辨识系统,可让终端用户体验到指纹辨识取代输入密码的便利性,藉由蓝宝石基板的贴合也解决长久以来电容式指纹感测器在耐用性上的疑虑,这就是指纹辨识所追求的目标。  

密码是长久以来被普遍利用的一种安全认证措施。但是「安全性」与「便利性」是两个相冲突的概念,越安全的防护往往伴随的是不便利;以目前网路上常用的帐户与密码为例,通常用户在选择密码时都希望愈长愈好,并且最好由英文字母与数字混合而成,所以忘记密码是大家都有的共同经验。  

指纹辨识就是平衡安全性与便利性的最佳途径。经过苹果的带动,指纹辨识的观念与相关应用产品会走入更多人的生活,例如指纹锁让你省去带钥匙的麻烦,汽车指纹遥控器也让使用者不用担心遥控器、汽车被盗,从此跟钥匙与密码告别。  

关键字:光学  电容传感

编辑:北极风 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/xfdz/2014/0107/article_29409.html
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