光學/電容感測方案趨成熟 指紋辨識兼顧安全及便利

在蘋果(Apple)率先導入智慧型手機應用的激勵下,指紋辨識發展近來再度掀起熱潮,並促使光學式與電容式感測技術相繼出現重大突破,可望加速指紋辨識滲透消費性電子市場,為使用者帶來比密碼更安全且便利的認證機制。

所謂指紋辨識,顧名思義就是利用人體手指上獨有指紋資訊進行辨識。常見的指紋辨識方法有兩種,一為Verify(11),此種辨識通常會搭配一組密碼或是ID,系統比對時會將此密碼與ID輸入資料庫,再與對應此密碼或ID的指紋資訊進行一對一比對。另一種為Identify(1N),此種辨識稱為一對多比對,也就是輸入的指紋會與資料庫內成千上萬的指紋資訊進行比對。做為眾多生物辨識技術的一種,指紋辨識為何會受到世界各國的青睞,成為身分認證的唯一工具?主要是指紋辨識擁有以下特性。

指紋辨識優勢多 

做為生物辨識技術,最關鍵的問題是此生物特徵的唯一性與永久不變性。包括人臉、虹膜、靜脈等生物特徵辨識技術,都是許多專家學者研究出來的理論,但是要能佐證生物辨識的可靠度與安全性,則需要龐大生物特徵資料庫以證明任何一人的生物特徵均不相同。  

18世紀以前,有些學者認為地球上幾十億的人口,總會找到有指紋相同的人。有人曾以電腦來計算,結論是要到四十二位數時,才可能出現指紋相同的人;所以說,就算真的有指紋相同的人,他們也不太可能生存在同一個世紀。  

目前全世界已有許多國家發行指紋身分證,如印度、馬來西亞、韓國等;而中國自2013年起民眾的二代身分證須要採集指紋,因此中國將成為全世界指紋資料庫最多的國家,這將有助於指紋辨識技術的發展,並使指紋辨識相關應用產業蓬勃起飛。  

另一方面,這幾年由於半導體製程進步與光學元件的普及,帶動指紋感測器的價格下滑,讓此一技術能走入民生消費品中。  

指紋辨識的另一個優點,則是指紋模板(Template)是所有生物特徵裡面最小的。一般而言,一枚指紋需要的模板資訊量大約是120?180位元組,這可讓指紋資訊易儲存於有限容量的終端裝置內,例如晶片信用卡、電子護照、晶片身分證等。這樣的優勢可讓消費者將個人資料帶著走,如須驗證身分時,可利用終端設備將晶片上的指紋資訊讀出,再搭配設備上的指紋讀取器採集本人活體指紋,進行身分認證,此舉有助於降低指紋資料被竊取的風險。  

事實上,台灣目前所採用的指紋制度和世界各國統一標準一致,使用的是英國學者E.R.Henry的現代指紋法,即Henry System分類整理法,將指紋分為二部八類,Henry並確認了若指紋上有十三個特徵點重合,即可確認為本人。  

感測器/演算法為核心要素 

常見的指紋辨識裝置可由兩種元素組成。其一為指紋感測器(Fingerprint Sensor),主要目的是採集一枚完整的指紋影像。常見的指紋感測器有電容式(Capacity)與光學式(Optical)兩種(1)  

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1 常見指紋辨識傳感器原理圖,左為光學式,右為電容式。

另一個元素則為指紋辨識演算法(Fingerprint Algorithm)。當前端的指紋感測器採集指紋影像後,後續則是交由演算法進行指紋影像處理與指紋特徵點抽取,生成指紋模板後將原始指紋圖像丟棄,最後再進行指紋比對。一個好的指紋辨識演算法,除了比對精準與迅速外,最重要的是能根據應用場合與硬體架構調整其錯誤接受率(False Acceptance Rate, FAR)和錯誤拒絕率(False Rejection Rate, FRR);其中,FRR代表便利程度,數值愈低表示愈方便使用,FAR代表安全程度,數值愈低表示愈安全。  

電容式感測器 

指紋辨識感測器目前可依製程方式區分成半導體式與光學式。半導體晶片式感測器(Semiconductor Sensor)泛指利用IC設計與半導體製程方式來進行製造的指紋感測器,半導體式指紋感測器常見的應用原理有RF電容感測、壓力感測、熱感測等。其原理係將高密度的電容感測器,或是壓力感測器等微型化感測器,整合於一晶片中,待指紋按壓晶片表面時,內部微型電容感測器會根據指紋波峰與波谷聚集而產生的不同電荷量(或是溫差),形成指紋影像。蘋果(Apple)iPhone 5s採用的就是電容式的原理。  

電容式的優點為薄型化與小型化,可被大量運用在手持裝置上,不過其缺點為成本高及耐用性備受考驗;事實上,電容式感測器為了維持一定的按壓面積須切割整片晶圓,因此每一晶片產出的成本高;再者,由於其本身就是裸露的半導體晶片,因此其設計挑戰在於如何抵抗手指本身汗水與酸鹼對晶片表面的侵蝕以及靜電防護。蘋果在iPhone 5s指紋感測器表面增貼一層藍寶石基板以進行防護是相當聰明的舉動,此舉解決過去電容式感測器耐用性不佳的問題。  

光學式感測器 

光學式指紋感測器為最早的指紋採集設備,始於1970年代,係利用光源、三菱鏡、電荷耦合元件(CCD)的照相機組成一套指紋採集設備。利用手指按壓三菱鏡後,指紋的波峰與波谷對於全反射的吸收與破壞,得到一枚指紋影像,再經由照像機模組將影像擷取與輸出。這也是現今所有光學式指紋感測器所仿造的架構與原理。由於光學式的採集方式是非接觸晶片本身,也就是指紋按壓處是由壓克力或是玻璃等光學元件所構成,故光學式最大的優勢就是價格低廉且耐用。這也可以從中正機場的快速通關或是美國、日本海關這些需要一天數十萬人次使用指紋驗證的場所,其使用的指紋採集設備均為光學式可得到驗證。不過,它的缺點是體積較大,難以運用於手持裝置內。  

[@B]採集方式分為按壓與滑動[@C] 採集方式分為按壓與滑動 

另一方面,若依照採集行為來區分,則指紋辨識裝置的使用方式又可再細分為面採集(或稱按壓採集)與滑動採集兩種,這兩種採集方式各有廠商力拱。  

iPhone 5s為例,即是採用按壓採集,亦即將手指按壓在指紋感測器的表面,此一行為模式是最符合人類對於指紋使用的行為模式。  

通常按壓採集指紋感測器在第一次採集指紋時,均會要求用戶端以重覆按壓感測器表面數次以採得指紋影像;以蘋果iPhone 5s為例,使用者第一次使用時,須按壓十到十五次,此舉主要是因為蘋果所使用的電容式感測器感應面積太小,約為8毫米(mm)×8毫米,故須利用多次建檔以拼圖的方式完成一枚指紋資訊的建立;相反地,較大的採集面積則擁有較佳便利性,如金佶科技所生產的指紋感測器面積為12.5毫米×14.5毫米,故第一次採集指紋時,只須按壓兩到三次即可完成指紋採集。  

按壓採集感測器在建檔完成後,均可支援手指360度按壓,無方向性限制,便利性極高。不過須注意的是,開發商若是採用半導體式加按壓採集式的感測器,其成本則較高。  

至於HTC One max則是採滑動採集技術。早期為解決半導體按壓式指紋感測器的成本問題,於是乎就有人想到利用IC封裝小型化的概念,將原本面型的半導體式切割成一條狀式感測器,把原本消費者的按壓使用習慣改為如同在掃描器上運行的原理,須將手指緊貼感測器進行滑動,然後在後台將指紋用軟體組成一幅指完整指紋影像。此種滑條式指紋感測器(Sweep Senor),也被命名為線性採集式指紋感測器(Linear Sensor)  

事實上,滑條式的指紋感測器在2004年左右曾經變成筆記型電腦上的標準配備,並且也衝上指紋應用熱潮的高峰。但是到了消費者用戶端,許多消費者向品牌廠反應不知如何正常使用;使用者發現,若是滑動的速度過快,或是滑的方向偏移均無法正常識別,故最後,許多消費者均將此裝置關閉。  

除此之外,當時為了因應筆電廠成本逐季下降的壓力,所有的線性採集感測器廠商均將滑條的面積長寬再縮小,以降低模組成本,此舉讓原本感測模組約為256×8 Pixel的規格再下降至128×4 Pixel。這樣的結果,讓原本已經不友善的滑條式指紋感測用戶操作介面更加雪上加霜。各類型指紋辨識感測器比較詳見表1  

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指紋辨識應用熱潮再起 

這兩年來電容式指紋感測器廠商先後被購併,首先AuthenTec2012年突然被蘋果以3.82億美元購併。這家公司在被蘋果收購之前,就是電容式指紋感測器第一大廠,自1997年成立以來,中間購併幾家大型指紋公司如UPEK等,因而取得目前最多電容式指紋專利。完整的專利布局是蘋果公司選擇購併的主因。  

另一家電容式大廠Validity2004年成立,於2013年被觸控方案大廠新思國際(Synaptics)購併。這表示指紋辨識感測器供應商將會出現壟斷的局面,後續如有從事電容式設計的廠商恐會面臨一條艱辛的專利路。  

iPhone 5s指紋辨識系統,應該為蘋果試水溫的第一步,先測試大眾對指紋辨識應用的接受度,接著針對消費者的反饋問題不斷進行改善,並且慢慢增加新功能於Touch ID上面。最終是要所有消費者能享受指紋辨識的便利性與安全性。  

目前蘋果與宏達電所提供的功能包括以下三種;首先是密碼管理,如利用手機在線上購買商品時毋須再輸入密碼;其次為指紋開機與螢幕解鎖;最後則是指紋快捷鍵,亦即利用不同指紋可開啟不同功能快捷鍵。  

值得注意的是,手機結合信用卡也是指紋辨識業者可布局的方向。事實上,Google近年來強推Google Wallet的功能,即是企圖將手機與近距離無線通訊(NFC)功能進行結合,形成手機支付的方案;而蘋果近年的專利布局也是朝向手機支付的功能前進。  

手機與支付要能普及於應用端,筆者認為,有兩大因素要考慮。首先為手機本身的安全性考量,萬一手機遺失的時候如何保護個資?再者,手機本身的PIN碼安全性容易被側錄如何保護?電信商很難提出一套安全的方案給銀行業者信服。第二是電信商與銀行端的拆帳分配尚未有一套令雙方可信服的標準模式。用戶利用手機刷卡,是屬於電信業者的業務還是發卡銀行的業務,如何分拆手續費,萬一手機被盜如何賠償?這都是目前存在於手機支付應用上的最大障礙,而生物辨識之一的指紋辨識技術或可成解方,來加強手機支付的安全性。  

事實上,指紋辨識早年發展受限於兩大因素以至於無法普及,讓應用僅存在於軍方與警政系統中。首先為指紋辨識用的主晶片處理速度慢與價格高。由於指紋辨識軟體是須要用到大量運算的技術,非常占晶片運算資源且耗電,早期只能運行於x86的系統晶片或是數位訊號處理器(DSP)等高價與高運算的晶片。近年由於半導體製程進步,加上標榜高性價比與省電的安謀國際(ARM)處理器興起,讓此一產品真正可以走入消費性市場。  

其次則是目前尚未有一款指紋辨識感測器能夠真正做到完美。不過經過蘋果的努力,在iPhone 5s的指紋辨識系統,可讓終端用戶體驗到指紋辨識取代輸入密碼的便利性,藉由藍寶石基板的貼合也解決長久以來電容式指紋感測器在耐用性上的疑慮,這就是指紋辨識所追求的目標。  

密碼是長久以來被普遍利用的一種安全認證措施。但是「安全性」與「便利性」是兩個相衝突的概念,越安全的防護往往伴隨的是不便利;以目前網路上常用的帳戶與密碼為例,通常用戶在選擇密碼時都希望愈長愈好,並且最好由英文字母與數字混合而成,所以忘記密碼是大家都有的共同經驗。  

指紋辨識就是平衡安全性與便利性的最佳途徑。經過蘋果的帶動,指紋辨識的觀念與相關應用產品會走入更多人的生活,例如指紋鎖讓你省去帶鑰匙的麻煩,汽車指紋遙控器也讓使用者不用擔心遙控器、汽車被盜,從此跟鑰匙與密碼告別。  

(本文作者為金佶科技副總經理)

媒體報導連結: 新電子科技雜誌

 

 

 

 

 

 

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