王競博

【摘要】 隨著智能手機(jī)的日漸普及，手機(jī)逐漸成為人們?nèi)粘Ｉ钪凶钪匾墓ぞ咧?，手機(jī)使用的安全性一直以來備受關(guān)注，各種解鎖方式層出不窮。本文主要以指紋解鎖在智能手機(jī)中的應(yīng)用為例，剖析智能手機(jī)終端的指紋解鎖原理。

【關(guān)鍵詞】 指紋識(shí)別 智能終端 技術(shù)原理 鎖屏

一、指紋解鎖在智能終端上的應(yīng)用現(xiàn)狀

20世紀(jì)以來，電子信息產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)緊隨其后得到了全面普及，人們的日常生活方式發(fā)生了翻天覆地的變化，越來越多的日?；顒?dòng)，例如打車、購物、娛樂消費(fèi)、證券交易等等，正在借助移動(dòng)智能終端完成著，給人們的生活帶來了極大的便利。但是傳統(tǒng)的密碼機(jī)制已經(jīng)不能滿足人們對(duì)智能終端使用安全性的要求，因此將目光轉(zhuǎn)向具有超高獨(dú)特性和穩(wěn)定性的生物密碼識(shí)別技術(shù)上。

生物密碼是人體與生俱來的生理特征，與傳統(tǒng)的密碼相比，它具有 “隨身攜帶”、無須記憶的特征，它包括指紋、人臉、聲紋、虹膜等等。其中，指紋識(shí)別技術(shù)是目前在各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用最廣的一項(xiàng)生物識(shí)別技術(shù)。人的指紋具有穩(wěn)定不變性，一個(gè)人從出生到死亡，除非是經(jīng)過特意破壞，否則他的指紋不會(huì)發(fā)生變化；人的指紋還具有獨(dú)一無二的特征，就算是同卵雙生的雙胞胎，他們的指紋也存在著很大的差異，所以指紋識(shí)別是最常見的身份識(shí)別方式。

1998年，德國西門子公司研制了史上第一款指紋識(shí)別手機(jī)。這一款手機(jī)裝有手機(jī)存儲(chǔ)卡一般大小的指紋傳感器，一共可以錄入并存儲(chǔ)60個(gè)人的指紋信息，所以手機(jī)用戶可以設(shè)置除了機(jī)主以外的其他臨時(shí)手機(jī)用戶。之后，又有很多手機(jī)公司在指紋識(shí)別上進(jìn)行研發(fā)應(yīng)用，但是都沒有將其發(fā)展壯大，直到2013年9月蘋果公司的旗艦機(jī)型iPhone 5S問世。這一款機(jī)型在新功能中添加的Touch ID指紋識(shí)別技術(shù)，在iPhone手機(jī)獨(dú)特的home鍵下設(shè)置一個(gè)指紋識(shí)別傳感器，不僅可以解鎖屏幕，還可以在蘋果公司旗下的應(yīng)用商店、iTune和電子商城進(jìn)行APP下載和在線支付驗(yàn)證。這一項(xiàng)新奇的技術(shù)引起了社會(huì)上極大的關(guān)注，此后Android手機(jī)開發(fā)商們紛紛效仿，越來越多的智能手機(jī)添加了指紋識(shí)別技術(shù)。

2014年9月，以華為手機(jī)為代表的國產(chǎn)手機(jī)配置了指紋識(shí)別技術(shù)，雖然更早以前就有國產(chǎn)手機(jī)搶先配置了這項(xiàng)技術(shù)，但是華為創(chuàng)新性地引用了主動(dòng)按壓式指紋傳感器，是第一個(gè)使用此類傳感器的Android手機(jī)廠商，并且與支付寶合作，進(jìn)行指紋密碼在線支付。2016年是智能手機(jī)大面積轉(zhuǎn)向指紋識(shí)別的一年，指紋識(shí)別不再是中高端手機(jī)的特權(quán)，低價(jià)手機(jī)也在越來越多地使用著指紋識(shí)別技術(shù)。

二、指紋識(shí)別基本原理

2.1指紋的特征

人的指紋特征可分為3級(jí)：第1級(jí)特征、第2級(jí)特征、第3級(jí)特征。

第1級(jí)特征是指紋的紋形，指紋的紋形可分為3類：環(huán)形（loop，或者俗稱斗形）、弓形（arch）、螺旋形（whorl）。根據(jù)研究調(diào)查表明，紋形表現(xiàn)出來的不同最主要的原因在于遺傳基因。不同人種呈現(xiàn)出各種指紋紋形的概率是不一樣的，相反，直系親屬之間表現(xiàn)出指紋紋形存在較高的相似性。

第2級(jí)特征是指紋的細(xì)節(jié)點(diǎn)，包括端點(diǎn)、分叉點(diǎn)、核心點(diǎn)等等。端點(diǎn)是一條紋線延伸到消失的地方；一條紋線延伸到某個(gè)點(diǎn)突然分成兩條紋線，這個(gè)點(diǎn)就被成為分叉點(diǎn)；核心點(diǎn)就是紋路的漸進(jìn)中心點(diǎn)。這三個(gè)點(diǎn)是最常用的細(xì)節(jié)點(diǎn)特征，通常記錄這三個(gè)點(diǎn)的位置和方向用來作為讀取指紋和比對(duì)指紋的參考點(diǎn)。

第3級(jí)特征是指紋紋線上的汗孔、紋線形態(tài)、疤痕等。第3級(jí)特征表現(xiàn)得更加細(xì)致，但是穩(wěn)定性不如第2級(jí)特征，但是第2級(jí)特征和第3級(jí)特征都具有很強(qiáng)的隨機(jī)性。

根據(jù)這3級(jí)特征，指紋匹配算法可大體分為：基于細(xì)節(jié)點(diǎn)的指紋匹配算法、基于紋理結(jié)構(gòu)的指紋匹配算法和其他指紋匹配算法。目前應(yīng)用最多的是基于細(xì)節(jié)點(diǎn)的指紋匹配算法，這種算法難度適中，它具有指紋模板占用存儲(chǔ)空間小、算法容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)它的匹配用時(shí)較多。

2.2指紋識(shí)別步驟

智能終端上的指紋識(shí)別技術(shù)分為四個(gè)步驟：指紋圖像采集、圖像預(yù)處理、特征提取和指紋匹配（如下圖1所示）。

第一步：指紋圖像采集。這是一個(gè)利用各種指紋傳感器依照自身不同的采集原理采集并儲(chǔ)存指紋信息的過程。目前指紋傳感器的種類是光學(xué)傳感器、半導(dǎo)體傳感器、超聲波傳感器和射頻式傳感器（號(hào)稱“活體識(shí)別”傳感器）。其中半導(dǎo)體傳感器又可分為：電容式指紋傳感器、熱敏指紋傳感器、壓感指紋傳感器。目前市面上應(yīng)用最廣的是電容式指紋傳感器，而做得最出色的是蘋果公司，他在電容式傳感器之外，還采用射頻傳感器實(shí)現(xiàn)雙重驗(yàn)證人體皮膚的真皮層信息，使得指紋圖像采集中不受手指上的污物影響，能快速精確地識(shí)別用戶的指紋信息。

第二步：圖像預(yù)處理。由于人體指紋上可能會(huì)出現(xiàn)不同程度的污物或者指紋采集設(shè)備本身具有一些缺陷，導(dǎo)致采集的指紋圖像會(huì)有較強(qiáng)的噪聲，在后期的細(xì)節(jié)特征會(huì)出現(xiàn)困難，所以要對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理，包括指紋圖像均衡、分割、平滑、智能增強(qiáng)、智能二值化細(xì)化等步驟，處理后的指紋圖像紋路和特征點(diǎn)清晰可見，便于提取。

第三步：特征提取。指紋圖像經(jīng)過預(yù)處理之后每條指紋紋線都變成了一個(gè)點(diǎn)寬度的細(xì)小紋路。由于指紋紋線上的像素點(diǎn)的數(shù)據(jù)量很大，如果后期指紋匹配對(duì)紋線像素進(jìn)行一一匹配，將會(huì)耗費(fèi)大量時(shí)間，并且需要較大存儲(chǔ)空間，所以進(jìn)行了時(shí)間和空間上的優(yōu)化，在描述紋線時(shí)采用紋線上的特征點(diǎn)來表示指紋。通常提取的特征點(diǎn)就是端點(diǎn)、分叉點(diǎn)和核心點(diǎn)。

第四步：指紋匹配。在指紋進(jìn)行匹配之前，首先要將采集的指紋和系統(tǒng)已建檔指紋進(jìn)行一個(gè)特征點(diǎn)的配準(zhǔn)，使得他們的方向相同，特征點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)。然后才是特征點(diǎn)的一一匹配，根據(jù)匹配算法，匹配之后得出一個(gè)相似值，與系統(tǒng)設(shè)置的判定是否為同一指紋的相似值進(jìn)行比較，如果大于或等于系統(tǒng)設(shè)定相似值，則判定是同一指紋，解鎖成功；反之，判定為不同指紋，解鎖失敗。

2.3指紋識(shí)別算法性能評(píng)測(cè)

為了評(píng)價(jià)不同指紋算法的性能優(yōu)劣，設(shè)置了以下四個(gè)重要的參數(shù)：

拒識(shí)率（False Rejection Rate）：與系統(tǒng)已建檔指紋匹配的指紋被認(rèn)為是不匹配的指紋的概率；

認(rèn)假率（False Accept Rate）：與系統(tǒng)已建檔指紋不匹配的指紋被認(rèn)為是匹配的指紋的概率；

平均錯(cuò)誤率（Equal Error Rate）：拒識(shí)率與認(rèn)假率相等的概率，作為系統(tǒng)性能綜合評(píng)價(jià)重要指標(biāo)；

拒登率（Failure To Enroll Rate）：出現(xiàn)不能夠建檔進(jìn)行后續(xù)識(shí)別的指紋的概率。

根據(jù)這四個(gè)參數(shù)，設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)來判定指紋識(shí)別算法的性能好壞。

三、總結(jié)

智能終端自融入人們的日常生活中后，就變成了人們生活中不可或缺的一部分。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)顯示，人們每天對(duì)手機(jī)的操作次數(shù)頻繁，就屏幕解鎖而言，iOS用戶平均次數(shù)80余次，Android用戶頻率更是高達(dá)150余次。在每天高頻的屏幕解鎖中，如果在開放的環(huán)境下輸入密碼或者畫圖案解鎖，很容易造成密碼泄密，并且手機(jī)在線支付在生活中的應(yīng)用越來越頻繁，一旦支付密碼泄露，將會(huì)帶來不同程度的經(jīng)濟(jì)損傷。指紋解鎖的私密性正好彌補(bǔ)了傳統(tǒng)密碼解鎖的缺陷，并且指紋是人類獨(dú)一無二的生物密碼，它的復(fù)雜程度足以提供用于身份鑒別的信息，指紋識(shí)別技術(shù)已經(jīng)十分成熟，為各類身份識(shí)別系統(tǒng)廣泛引用，指紋解鎖滿足手機(jī)使用的安全要求。

參 考 文 獻(xiàn)

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[3]田森，閆滿囤. 基于Android手機(jī)的指紋識(shí)別技術(shù)研究[J]. 電腦迷，2016，（03）：13.