淺談指紋辨識原理:指紋辨識安全性?電容式、光學式技術差異

by Tandee
2014.08.28 10:47PM
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是淺談指紋辨識原理:指紋辨識安全性?電容式、光學式技術差異這篇文章的首圖

 

生物辨識技術一直是安全技術發展的重點要項,粗略算來少說有近10種不同的發展方向,像是電影中常看到的視網膜(retina)、虹膜(iris)、臉部(face)等辨識技術,還有已經很普遍的指紋(fingerprint)、掌紋(palm print)、聲紋(voice pattern)辨識。這之中最常見的莫過於指紋辨識技術,但你有想過電腦是如何比對成千上萬的指紋資料?像是iPhone 5s使用的Touch ID又是如何實際運作的呢?接下來就先來認識什麼是指紋,再來了解各類辨識技術。

透過隆起線的端點與分岔點

如果放大看你的指紋,會發現它如同山谷一樣高低起伏,高者為波鋒即為隆起線低者為波谷,再加上彎曲的特性每個人都不相同,形成個人獨特的生物特徵。所謂指紋特徵,指的是指紋隆起線的分布狀況,每條隆起線都會有斷裂處亦即端點。除了端點外,還會稱為分岔點的分岔處,端點與分岔點皆為特徵點,這就是比對指紋時的關鍵。

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指紋是生物辨識的方式之一,透過波峰與波谷以及隆起線的變化,就能抓到特定的特徵點,且每個人的特徵點皆不相同。圖片來源:Wiki

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指紋有多種構型,Arch、Loop與Whorl,其中也有將Loop細分為Right Loop、Left Loop,Arch再分為Arch與Tented Arch。圖片來源:fortinet

指紋有50個特徵點

每枚指紋大約會有50個左右的特徵點,取得特徵點的位置與方向,就能用於指紋的辨識。一般指紋辨識技術並非完整紀錄整枚指紋的圖形,而是僅僅儲存指紋的特徵。分析時會比對指紋的特徵點的方向、位置是否相同。實作上辨識方式大致可分為2種模式,分別是一對一的Verify比對,以及一對多的Identify。前者大多會搭配特定密碼或ID,輸入完畢直接比對該組指紋特徵,而後者則是輸入指紋後,在茫茫資料庫內比對。

雖然指紋的特徵點很多,但根據英國E.R.Henry的Henry System分類,指紋被歸類為二部八類,其中只要13個特徵點相同,即可確認是相同的指紋。

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指紋主要靠著隆起線的起斷與分岔進行辨識,但掃瞄出來的指紋不見得完全正確,得靠後端演算法修正與加強辨識度。圖片來源:NEC

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比對是靠著隆起線形成的特徵點辨識。圖片來源:NEC

會有指紋相同的人嗎?

那麼你可能會問,世界上有沒有指紋相同的人呢?除了同卵雙胞胎外,以機率來說的確有可能2個人的指紋擁有相同的特徵點,但這機率小得可憐,大約要讓地球人口達到42位數時才可能出現,就算有也不太可能存活在同個世紀。世界上也已經有多個國家發行指紋身分證,像是印度、馬來西亞、韓國等,並有部分國家建立指紋資料庫。台灣先前領取新式身分證也需按壓指紋建檔,但後來因為違憲而取消。

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已經有多個國家開始採用指紋認證,或是將指紋做為輔助辨識工具,圖為美國入境時海關掃瞄旅客指紋。附帶一提,該機器為光學式設計,稍後會提到更詳細的內容。

指紋辨識的優點

生物辨識的種類這麼多,為什麼指紋辨識會成為主流?原因在於儲存指紋特徵資料的模板是目前生物特徵辨識當中最小的。每枚指紋的儲存量僅約120至180byte,這麼小的空間需求能讓它輕鬆儲存於容量有限的裝置內,像是信用卡、護照、身分證等。此外,由於技術的進步,指紋辨識裝置的體積也縮減許多,除了筆電上常見的滑動辨識器外,手機上也逐漸應用類似的裝置,都不需要很大的空間用於配置硬體。

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手機逐漸加入指紋辨識器,而商務筆電在更早之前就已經邁入指紋辨識時代。

構成指紋辨識器的軟硬體

指紋辨識器由軟體與硬體共同構成,硬體部分是指紋感應器(Fingerprint Sensor),用於採集指紋,依照技術可分為電容式與光學式感應器,依照掃瞄方式可分成滑動式與按壓式。軟體則是指紋辨識演算法(Fingerprint Algorithm),當前端指紋感應器掃瞄完畢後,透過演算法比對資料庫內的指紋檔案。各家演算法重視的點可能略有差異,有些重視比對速度、有些重視比對正確性。

錯誤接受率(False Acceptance Rate,FAR)、錯誤拒絕率(False Rejection Rate,FRR)就關係到安全性與速度,FAR代表安全程度,越低越安全。至於FRR則關係到便利性,數值越低越便於使用。知道指紋辨識器大致的架構後,我們接著了解指紋採集技術的差異,就是先前提到的電容式與光學式,還有依據掃瞄方式的不同,分類出來的滑動式與按壓式感應技術。

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掃瞄指紋儲存的不見得是指紋的完整影像,而是指紋的特徵點曲線與位置,亦即圖片中最右端的折線。

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指紋的保存關係到個人隱私,指紋特徵點分析完畢後,大多會透過加密的方式儲存成為某種數據流。圖片來源:identityone.net

電容式:透過電荷量、溫差、壓力掃瞄

指紋說穿了就是手指的紋路,要讓電腦掃到這些紋路,可透過手指的電荷變化、溫度差、壓力等方式掃瞄,而iPhone 5s使用的感應技術就是電容式感應,亦有人將其稱為半導體式、矽晶式等名稱。薄與小是電容式設計的優點,便於安裝於行動裝置上。但成本相較於光學式設計更高,且裸露的感應器容易受到汗水等外在因素影響,導致耐用度較差。若要提升耐用程度會在感應器上加增保護機構,像是藍寶石玻璃就用於iPhone 5s的感應器上。

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左為光學式感應器,右為電容式感應器,前者透過光線與感光元件儲存,後者則是透過半導體記錄電荷、溫度、壓力等分布狀態。

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圖片中可看到電容式感應器的半導體元件,以及覆蓋與其上的藍寶石保護玻璃。

光學式:透過光線形成陰影掃描

光學式的設計早於電容式,要掃瞄紋路最直覺的方式就是直接翻拍掃瞄,要讓紋路細節顯現出來則是依靠光線。1970年代的光學式設計架構很簡單,靠著光源、三稜鏡、感光元件就能記錄指紋。使用時手指按壓於三稜鏡上,靠著光源反射讓隆起線顯現出來,再透過感光元件擷取影像。

因為光學式設計手指接觸的是三稜鏡或是其它反射面,而非電容式嬌貴的感應晶片,因此耐用度較高且成本低廉。對於需大批量使用的機場等地,大多為光學式設計,例如美國海關。但不論電容或光學式設計,目的都是要取得指紋影像,後端還是得透過演算法計算、比對才行。

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光學式原理很簡單,就是透過光線照射辨別出波峰與波谷,再透過感光元件儲存。圖片來源:biometrics

滑動與按壓式:體積與方向性是關鍵

技術分為電容與光學式,而掃瞄則也可分為滑動與按壓2種方式。先從按壓說起,就是將手指平貼於感應器上,而滑動式常用於筆電,感應器多呈現細長狀,使用時要將整個手指完整滑過感應器。後端軟體會將滑過的每幅影像拼貼出來,構成完整的指紋檔案。滑動式的設計起源很簡單,就是為了節省成本,畢竟當初電容式設計很貴,就有人想到如果把感應器面積縮減,只要划動過去同樣能取得整枚的指紋,而且占用的空間還更小。

按壓式的優點在於操作最直覺,符合人類使用習慣,而且放置的指紋無方向性,缺點則是需要較大的面積且成本較高。至於滑動式優點就是成本較低,且細長的感應器需要的空間較小。然而還是有些缺點,那就是滑動時必須順著某個方向,且辨識度相對較低。不論按壓式與滑動式都有廠商支持,筆者認為不同的環境下各有優缺點,兩者皆無法完全取代對方的功用。

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滑動式感應器常見於筆電上,使用時需要完整地刷過整枚指紋。圖片來源:PTT

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按壓式設計常見於海關等政府單位,筆電也曾經使用過按壓式設計,但佔用空間較大且成本較高,後來逐漸被滑動式所取代。圖片來源:workstation

指紋辨識只是開端

最初我們提到生物辨識技術種類很多,而指紋只是其中較為普遍的應用。相信部分用過筆電以及手機指紋介面的人,應該都對於其免輸入密碼等應用感到方便。或許未來我們可以進步到使用內建鏡頭做視網膜或是虹膜辨識,或用聲紋解鎖亦無不可,甚至未來去ATM提款不用帶提款卡,對著鏡頭三秒鐘就能提款,這些都是可預見的未來,也是令人期待的科技應用。

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