每天都用指紋解鎖手機，你知道它的原理嗎？

每天都在用指紋識別，還沒搞清楚怎麼回事，就要人臉識別了？

出品| 網易新聞學院

作者| 鐵流

在幾年前，指紋識別功能還是少數品牌的旗艦機才具備的功能。時至今日，眾多國產機「扎堆」都實現了指紋識別。這背後隱藏了一個事實：中國企業已經成為全球最大的安卓陣營手機指紋晶元供應商。

（一）指紋識別是如何實現的？

指紋識別的前提是要進行指紋採集，在採集方式上，目前主要分兩種：滑動式和按壓式。

第一步：指紋採集

滑動式採集是將手指在感測器上滑過，從而使手機獲得手指指紋圖像。滑動式採集具有成本相對偏低，而且可以採集大面積圖像的優勢。但這種採集方式存在體驗較差的問題，使用者需要一個連續規範的滑動動作才能實現採集成功，採集失敗的概率大大增加。某品牌手機曾經使用過這種採集方式，因滑動式採集存在的短板而受到詬病。

按壓式採集顧名思義就是在感測器上按壓實現指紋數據採集，這種採集方式當然用戶體驗好一些，不過成本比滑動採集高，技術難度也相對高一些。此外，由於一次採集的指紋面積相對滑動式採集來說要小一些，就得多次採集，通過「拼湊」，拼出較大面積的指紋圖像。這就必須仰仗先進的演算法，用軟體演算法來彌補滑按壓式採集獲得的指紋面積相對偏小的問題，以保障識別的精確度。

第二步：指紋評估

在採集到指紋之後，然後對採集的指紋進行質量評估，不合格要再采一次，合格則對圖像進行增強和細化。

第三步：提取「特徵」

經過處理後會依次得道二值化圖、細化圖和提取特徵圖。在獲得比較清晰的圖像後，就開始對其進行特徵提取。經過特徵提取將數據存儲下來之後，就可以進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，那就是由於同一個手指的兩幅樣本圖像會因為手指的位移、偏轉、以及按壓時的力道不同而產生差異，這就使在匹配時要進行校準，通過特徵點集校準等方式保障指紋識別的準確性。

（二）手機指紋識別體驗好不好，關鍵看這幾個指標

指紋識別有哪些關鍵指標呢？識別速度、採集面積、解析度、使用壽命、安全性、軟體支持種類、寬容度、抗靜電性能都是指紋識別的關鍵指標。

識別速度——指的是指紋感測器識別出指紋所消耗的時間，通過對某品牌的手機進行檢測，其識別時間為300多毫秒。有的指紋識別供應商宣稱解鎖時間僅需150毫秒，當然時間短用戶體驗好。

採集面積——過小的採集面積會使指紋識別的準確性大幅下降。也正是因此，中國和美國在一些非常嚴肅的場景下對指紋採集面積有明確的規定。在500PPI的解析度下，美國FBI要求指紋採集面積為832*768像素；中國刑偵應用中要求，指紋採集面積為640*640像素。即便是中國的第二代身份證，其指紋採集面積的要求也為256*360像素，而且還必須是平面採集。

解析度——和採集面積類似。在過去，曾經使用過200-400PPI解析度的指紋感測器，不過隨著技術的進步，目前很多指紋感測器的解析度已經達到500PPI，在某些領域，甚至開始局部使用1000PPI解析度的指紋感測器。

安全性——影響安全性的機制有很多，比如不保存用戶的指紋數據，只記錄提取的特徵碼模板。或者在特徵碼在傳輸存儲的時候採用加密演算法，以及採用TrustZone安全技術，在手機晶元里添加一安全區，從硬體上隔離數據和應用軟體，確保信息安全。

使用壽命——指的是感測器的重複使用次數，目前對感測器的使用壽命要求是可重複使用100萬次。

抗靜電性能——感測器還必須具備抗靜電性能，一般要求大於15kv，否則比較容易被擊穿。

軟體支持種類則直接影響指紋識別可以解鎖的應用種類和數量。

（三）什麼樣的指紋採集技術能用於移動端？

油墨按印指紋採集：質量不高

一般，大規模的指紋採集還是採用油墨按印的方式，將指紋印進行掃描轉變為數字信號。不過這種方式獲得的指紋數據質量不高，在司法實踐中還發生因指紋圖像質量相對有限而不具備參考價值，甚至是導致冤假錯案的情況。

光學指紋採集技術：手指要乾淨

隨著技術的進步，光學指紋採集技術在各個行業開始普及。它利用光不能穿透皮膚表層的特性，對手指皮膚的表面進行掃描。這樣一來就只掃描皮膚表層，而不會深入真皮層。

光學指紋採集器基於全內反射破壞原理設計，光源發出的光線以特定的角度攝入三稜鏡的上表面發生全發射。在有手指按上時，因為脊線將接觸稜鏡表面，稜鏡表面與脊線的接觸將破壞全反射條件，從而使一部分光線泄漏，反射光線變弱，從而在圖像感測器上形成明暗紋相間的指紋圖像。

（使用稜鏡片替代三稜鏡的光學指紋採集儀）

相對於以往的指紋採集技術，光學指紋識別提高了指紋採集和識別的效率。不過，光學指紋識別也存在一個短板，那就是對手指表面的乾淨程度要求非常高——如果手指沾染了灰層或者油脂，就可能影響指紋識別的使用效果。

固態指紋識別技術：手機的「標配」

在上世紀80-90年代，固態指紋識別技術的發展大幅降低了指紋採集器的尺寸和成本。固態指紋採集器的最大優點是可以做的非常薄、非常小，非常適合手機等各種移動設備，而且在指紋識別圖像質量上完全可以和光學指紋識別相比肩。藍寶石保護層等技術的出現使彌補了固態指紋識別技術的短板，大幅提升了指紋識別器的耐用性。

（四）固態指紋感測器：為什麼手指有水不能指紋解鎖，原因在這兒

固態指紋感測器可以分為電容式指紋感測器、射頻式指紋感測器、超生波式指紋感測器等。

1、電容式指紋感測器

感測器是將不易識別處理的非電學量轉換為易於識別處理的電學量的設備。而對於指紋感測器，感測器測量的其實是距離。就像下圖，感測器在指紋上取點，有的點落在指紋的嵴上，有的落在溝里。落在嵴上的距離短，落在溝里的距離長。

（圖片來源：知乎 傷痕的天空）

距離不同，電容式指紋感測器也會獲得不同的電容值，對這些電容值進行測量就可以獲得指紋圖像。

由於電容值一般相對偏弱一些，因此要求手指與晶元表面的要儘可能靠近，這也要求晶元表面的塗層必須儘可能的薄，否則就會影響靈敏度。

但是相對偏薄的塗層又會帶來另一個問題，就是當手指因沾水而比較濕的時候，容易識別錯誤。而這也是現在很多手機的指紋識別過程中，經常發生因為手指有汗或者水而導致指紋識別失敗的原因。

目前，電容式指紋感測器是使用最廣泛的技術。

（電容式感測器）

2、射頻式感測器

因為射頻信號具有較好的穿透性，可以獲得質量較高的指紋圖像，圖像質量一般要優於電容式指紋感測器。不過，射頻式指紋感測器也並非完美無缺，在手指潮濕狀態下，射頻式指紋感測器或多或少也會受一點影響。目前，只有少數供應商提供射頻式指紋感測器。

3、超聲波式指紋感測器

工作原理是向手指表面發射超聲波，然後接受反射回來的回波。由於手指嵴和溝會產生不同的超聲波信號回波，將回波信號進行數據處理就可以獲得指紋圖像數據。

超聲波式指紋感測器最大的優勢是對手指表面乾淨與否要求不像射頻式指紋感測器和電容式指紋感測器那麼高。不過，目前來說，這項技術還不夠成熟，成像質量還有待提升。而且更關鍵的是，價格相對高昂，非常不利於商業化。

（超聲波式指紋感測器工作原理）

結語

有人說，如果沒有iPhone5s指紋識別的加入，國內廠商說不定到現在還不會往指紋識別方面邁步子，國內產品只是在跟隨、模仿等。

雖是如此，但國內廠商看中了指紋識別的市場前景，紛紛加入，中國供應商的指紋識別晶元不僅被廣泛用在千元級手機上，還擠入了中高端安卓手機的供應鏈中，不少中國和韓國的手機品牌都選擇了中國供應商的指紋識別晶元。如今中國成為全球最大的安卓陣營手機指紋晶元供應商。

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