指紋門鎖的識別裝置原理及安全體驗

來自專欄智能門鎖的一切

PS:文章較為生僻，是偏重於純技術性的科普文章！

現在大家無論是手機還是門鎖領域裡，半導體指紋識別裝置都已經被廣泛的應用上了，首先是手機產業，目前絕大部分的高、中、低端手機的指紋識別應用已經非常的普遍，而在智能門鎖領域，指紋識別也佔據著絕大部分的產、銷量，半導體指紋識別裝置在智能門鎖中有市場份額也有半壁江山。截止目前我國智能門鎖領域內半導體應用識別至2016年取得了急速的發展，年均增長超過百分之百，截止2017年底我國智能門鎖領域內半導體指紋識別裝置的應用數量已經超過400萬套左右，預計2018年的需求將超過800套，未來的5年內的總需求超過3000萬套，是目前全球半導體指紋識別裝置除手機外增長和保有量最大的市場。

但是目前絕大多數的市場經銷商和消費者，甚至部分的智能門鎖的生產企業的技術工人都不了解半導體指紋識別裝置的工作原理和機制，很容易被一些有不良的現象所利用，導致產品選擇上出問題，甚至引起消費者的不信任。

什麼是半導體指紋識別

得用半導體（電容）的電感應手指紋路凸凹之間的電位差異，從而得出指紋識別圖像或特徵點，並能夠相應識別的辦法。那麼就不難理解，半導體指紋識別裝置工作應該分為兩部分，一部分是硬體，包括半導體器件（感測器）、處理晶元、存儲晶元，一部分是軟體部分，核心是演算法。總體四部分為主。

其中半導體器件（感測器）負責感應電位差，處理晶元負責將得到的圖片或特徵進行運算和判斷，存儲晶元負責儲存相關數據和演算法，這其中核心部分是感測器，它的好與壞直接在硬體層面上決定了識別的效率和準確性，其次是處理器，這是整個半導體指紋識別裝置的中樞部分，處理器決定了演算法的速度，識別的效率還有智能門鎖功耗的大小，最後是存儲器，但是三者之間是共榮共生的，感測器再好，處理器不行的話，一樣也達不到應用效果，前兩都都優秀，但存儲器不能存儲更多的數據，最終總體效果也是枉然。

軟體的演算法，在整個半導體指紋識別裝置上處於指揮者的位置，硬體是基礎，演算法是功能和體驗的重要體現，所謂指紋識別演算法，是指在指紋識別過程中，對採集的指紋圖像預處理，數據特徵提取、特徵匹配等一系列解決問題的清晰指令。整個個指紋識別演算法當中，包括三部分的，其中首先是預處理，主要是將錄入指紋進行改善，以提高識特徵提取的準確性；其次是指紋特徵提取：是指對某個特定區域或特徵信息進行提取，從而去掉大量的偽特徵，提升識別的效率和準確性；最後是匹配，也就是基於上述兩點基礎上存留信息，在那錄入指紋後進行各項特徵和圖像的匹配。

半導體指紋識別裝置與指紋鎖連接的方式

當前在指紋門鎖應用領域中，半導體指紋識別裝置與指紋門鎖連接的方式主要分為以下兩種，一種是相對獨立的以套件的形式存在，另一種是與電子方案的各組件相集成。

相對獨立是：半導體指紋識別裝置以套件的形式存在於指紋門鎖當中，其感測器、存儲器、處理器三個主要配件均獨立於指紋門鎖的電子方案之外，僅通過數據線與指紋門鎖電子部分相連接，指紋識別的應用相對獨立。這樣做的優點是可適配性強，容易維護，更新容易，降低電子開發的難度，形成模塊化的應用；缺點是集成度不高，體積相對較大，成本相對較高；這是目前

集成方案是：半導體指紋識別裝置以相對集成的方式存在指紋門鎖當中，僅半導體感測器以插接或數據線連接等方式與電子方案的PCBA主板連接，也 就是說將處理器、存儲器等集成在整體電子方案的框架當中，指紋識別已經溶於整體方案當中，指紋識別裝置僅是電子方案中的一部分。這樣做法的優點是：產品質量容易把控，集成度較高，成本相對低廉，更新更加容易；缺點是：增加了開發難度，無法形成模塊化應用，適配性較差，同一類指紋識別裝置無法與其它電子方案完全匹配。

兩種連接方式，其中以第一種連接方式的指紋門鎖的生產廠愛為最多，集成方案的僅佔比極少數的一部分，但集成方案的生產企業大部分都是技術力量較強或有非常固定的供應商的生產企業，且規模都相對較大。

指紋演算法的在指紋門鎖當中安全地位

指紋門鎖的電子部分的安全的核心就在指紋識別裝置，無論是識別效率的高低，識別的準確性的強大還是識別的精準度，被破解的難易程度等等都是決定著指紋門鎖的最終的產品質量和安全。而這些除了指紋識別裝置在硬體上在足夠好之外，還要求在演算法上有非常高的造詣。

指紋演算法的種類，目前在國內指紋門鎖的演算法主要包括三種類型，一種類型是以圖像為基礎的特徵識別演算法，其主要原理是通過手指紋在感測器上形成的經過預處理之後，提取成相應的整體圖像，在識別時通過整體/部分圖像比對一致/不一致做出判定的演算法類型，但因為圖像會發生變化，或者接受面過小的時候圖像判斷難度增大，一般這類演算法都具備自學習功能，以解決接受面積過小的弊端，所以這類演算法適用於小面積感測器，是從手機指紋識別演算法衍生出來的，所以整體成本較低，另一種是以指紋特徵點為基礎的特徵識別演算法，其原理是，通過感測器按壓，指紋圖像預處理之後，提取的指紋圖像上的相應不同區域特徵點，在識別時通過比對圖像上特徵做出一致/不一致判定的演算法類型，這種演算法不會因為圖像發生變化而出現無法識別的，只要特徵存在，就可以識別，但這種演算法對感測器面積過小時特徵不明顯的容易出現識別效率低下的原因，因此不適用感測器面積過小的產品，比如手機。因此整體成本偏高；第三種則最近幾家專註於指紋識別演算法的公司開發出的基於圖像和特徵點兩種類型為一體的演算法類型，這種類型是基於上述兩者的優點的集合，利用特徵和圖像兩者的優點進行識別，整體成本居於中游地位。

安全，從工作原理上我們很容易分析出，基於圖像識別的安全相對較差，因為圖像是容易被複制的，而且由於大部分基於圖像識別的裝置感測器面積過小，為了體驗感更好，大都具備了自學習功能，這也導致了前階段所產品的桔子皮解手機指紋鎖的出現，其正是利用了圖像演算法的不足，無法大面積的對圖像比對，而且具有自學習功能，通過導電筆和導電紙讓「桔子皮」也可以「指紋識別」，但目前因為指紋識別面積過小，體驗感反而不好，而且指紋門鎖應用圖像演算法的企業不多，僅極少數的低價品牌受到了波及，但這也是要讓我們警惕的，不能因為成本和體驗就犧牲了安全。

基於特徵識別的安全則非常好，因為其基於特徵信息進行識別，而且特徵信息一般都是不容易發生改變的，而且從原理上我們也得出，傳器面積都是大面積的，使得複製指紋的難度呈幾何數級的增長，這極大的提升了識別的安全性能，基本上不可能實現所謂的「桔子皮」開鎖，這也是當前指紋門鎖生產企業主流採用的演算法，這同樣是為什麼，絕大部分有品牌的指紋門鎖在此次事件當中沒有被波及的重要原因。

而基於兩者優勢的圖像+特徵識別演算法，目前來看是發展前景最好的，前者價格低，但安全性堪憂，第二種，安全性沒問題，但整體成本偏高，隨著市場和產業的發展，未來將會更多的集中於高端產品，而基於兩者優勢的演算法，一方面利用了前者速度、效率的和降本的優勢，另一方面還具備的特徵識別的安全性的優勢，最重要的是這樣整體成本也會出現合理的下降，未來可能會成為發展的趨勢之一。

指紋識別裝置的指紋門鎖產品體驗與安全的關係

指紋門鎖是一個重度體驗的產品，是高頻次使用，高頻次體驗的產品，基本上每家一天至少體驗十次以上，最高的甚至高過三十次，因此指紋門鎖的使用體驗決定著消費者購買時候的慾望。而指紋門鎖的體驗最核心、最為關鍵的地方則在指紋識別裝置上，這是消費者使用過程中接觸最頻繁，使用體驗感觸最多的地方，所以指紋識別裝置的體驗基本上決定了指紋門鎖產品的體驗感。

而指紋識別裝置的體驗與安全在硬體和軟體上卻是辯證的關係，體驗好、安全性能好，一般成本都會極高，因為這裡要求感測面積要大一些，演算法要高端一些，存儲器要大一些，快一些，處理器速度要快一些，這樣效率體驗好，卻會造成成本和功耗的急劇上升，上升到消費者無法接受的地步，試想指紋門鎖一周或兩周更換一次電池消費者能接受嗎？或者為了降低功耗，讓演算法更容易通過一些，其它的性能保持一定，雖然體驗較好，可以達到0.x秒開門，但安全性能卻也下降很多，無法保證安全的指紋門鎖，那還能是算是一把安全的鎖嗎？

所以一般現在各大指紋識別裝置研發廠家都採用了第三種方式，利用三者的辯證的關係，在設定好功耗的大前提下，同時提高演算法、感測器、處理器、存儲器的水平，從而達到指紋門鎖產品使用體驗的最終目的，最終達到消費者滿意的水平。

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