標籤: Touch ID

 
生物辨识技术一直是安全技术发展的重点要项，粗略算来少说有近10种不同的发展方向，像是电影中常看到的视网膜(retina)、虹膜(iris)、脸部(face)等辨识技术，还有已经很普遍的指纹(fingerprint)、掌纹(palm print)、声纹(voice pattern)辨识。这之中最常见的莫过于指纹辨识技术，但你有想过电脑是如何比对成千上万的指纹资料？像是iPhone 5s使用的Touch ID又是如何实际运作的呢？接下来就先来认识什么是指纹，再来了解各类辨识技术。

透过隆起线的端点与分岔点
如果放大看你的指纹，会发现它如同山谷一样高低起伏，高者为波锋即为隆起线低者为波谷，再加上弯曲的特性每个人都不相同，形成个人独特的生物特征。所谓指纹特征，指的是指纹隆起线的分布状况，每条隆起线都会有断裂处亦即端点。除了端点外，还会称为分岔点的分岔处，端点与分岔点皆为特征点，这就是比对指纹时的关键。

指纹是生物辨识的方式之一，透过波峰与波谷以及隆起线的变化，就能抓到特定的特征点，且每个人的特征点皆不相同。图片来源：Wiki

指纹有多种构型，Arch、Loop与Whorl，其中也有将Loop细分为Right Loop、Left Loop，Arch再分为Arch与Tented Arch。图片来源：fortinet

指纹有50个特征点
每枚指纹大约会有50个左右的特征点，取得特征点的位置与方向，就能用于指纹的辨识。一般指纹辨识技术并非完整纪录整枚指纹的图形，而是仅仅储存指纹的特征。分析时会比对指纹的特征点的方向、位置是否相同。实作上辨识方式大致可分为2种模式，分别是一对一的Verify比对，以及一对多的Identify。前者大多会搭配特定密码或ID，输入完毕直接比对该组指纹特征，而后者则是输入指纹后，在茫茫资料库内比对。

虽然指纹的特征点很多，但根据英国E.R.Henry的Henry System分类，指纹被归类为二部八类，其中只要13个特征点相同，即可确认是相同的指纹。

指纹主要靠着隆起线的起断与分岔进行辨识，但扫瞄出来的指纹不见得完全正确，得靠后端演算法修正与加强辨识度。图片来源：NEC

比对是靠着隆起线形成的特征点辨识。图片来源：NEC

会有指纹相同的人吗？
那么你可能会问，世界上有没有指纹相同的人呢？除了同卵双胞胎外，以机率来说的确有可能2个人的指纹拥有相同的特征点，但这机率小得可怜，大约要让地球人口达到42位数时才可能出现，就算有也不太可能存活在同个世纪。世界上也已经有多个国家发行指纹身分证，像是印度、马来西亚、韩国等，并有部分国家建立指纹资料库。台湾先前领取新式身分证也需按压指纹建档，但后来因为违宪而取消。

已经有多个国家开始采用指纹认证，或是将指纹做为辅助辨识工具，图为美国入境时海关扫瞄旅客指纹。附带一提，该机器为光学式设计，稍后会提到更详细的内容。

指纹辨识的优点
生物辨识的种类这么多，为什么指纹辨识会成为主流？原因在于储存指纹特征资料的模板是目前生物特征辨识当中最小的。每枚指纹的储存量仅约120至180byte，这么小的空间需求能让它轻松储存于容量有限的装置内，像是信用卡、护照、身分证等。此外，由于技术的进步，指纹辨识装置的体积也缩减许多，除了笔电上常见的滑动辨识器外，手机上也逐渐应用类似的装置，都不需要很大的空间用于配置硬体。

手机逐渐加入指纹辨识器，而商务笔电在更早之前就已经迈入指纹辨识时代。

构成指纹辨识器的软硬体
指纹辨识器由软体与硬体共同构成，硬体部分是指纹感应器(Fingerprint Sensor)，用于采集指纹，依照技术可分为电容式与光学式感应器，依照扫瞄方式可分成滑动式与按压式。软体则是指纹辨识演算法(Fingerprint Algorithm)，当前端指纹感应器扫瞄完毕后，透过演算法比对资料库内的指纹档案。各家演算法重视的点可能略有差异，有些重视比对速度、有些重视比对正确性。

错误接受率(False Acceptance Rate,FAR)、错误拒绝率(False Rejection Rate,FRR)就关系到安全性与速度，FAR代表安全程度，越低越安全。至于FRR则关系到便利性，数值越低越便于使用。知道指纹辨识器大致的架构后，我们接着了解指纹采集技术的差异，就是先前提到的电容式与光学式，还有依据扫瞄方式的不同，分类出来的滑动式与按压式感应技术。

扫描指纹储存的不见得是指纹的完整影像,而是指纹的特征点曲线与位置,亦即图片中最右端的折线。

指纹的保存关系到个人隐私，指纹特征点分析完毕后，大多会透过加密的方式储存成为某种数据流。图片来源：identityone.net

电容式：透过电荷量、温差、压力扫瞄
指纹说穿了就是手指的纹路，要让电脑扫到这些纹路，可透过手指的电荷变化、温度差、压力等方式扫瞄，而iPhone 5s使用的感应技术就是电容式感应，亦有人将其称为半导体式、矽晶式等名称。薄与小是电容式设计的优点，便于安装于行动装置上。但成本相较于光学式设计更高，且裸露的感应器容易受到汗水等外在因素影响，导致耐用度较差。若要提升耐用程度会在感应器上加增保护机构，像是蓝宝石玻璃就用于iPhone 5s的感应器上。

左为光学式感应器，右为电容式感应器，前者透过光线与感光元件储存，后者则是透过半导体记录电荷、温度、压力等分布状态。

图片中可看到电容式感应器的半导体元件，以及覆盖与其上的蓝宝石保护玻璃。

光学式：透过光线形成阴影扫描
光学式的设计早于电容式，要扫瞄纹路最直觉的方式就是直接翻拍扫瞄，要让纹路细节显现出来则是依靠光线。 1970年代的光学式设计架构很简单，靠着光源、三稜鏡、感光元件就能记录指纹。使用时手指按压于三稜鏡上，靠着光源反射让隆起线显现出来，再透过感光元件撷取影像。

因为光学式设计手指接触的是三稜鏡或是其它反射面，而非电容式娇贵的感应晶片，因此耐用度较高且成本低廉。对于需大批量使用的机场等地，大多为光学式设计，例如美国海关。但不论电容或光学式设计，目的都是要取得指纹影像，后端还是得透过演算法计算、比对才行。

光学式原理很简单，就是透过光线照射辨别出波峰与波谷，再透过感光元件储存。图片来源：biometrics

滑动与按压式：体积与方向性是关键
技术分为电容与光学式，而扫瞄则也可分为滑动与按压2种方式。先从按压说起，就是将手指平贴于感应器上，而滑动式常用于笔电，感应器多呈现细长状，使用时要将整个手指完整滑过感应器。后端软体会将滑过的每幅影像拼贴出来，构成完整的指纹档案。滑动式的设计起源很简单，就是为了节省成本，毕竟当初电容式设计很贵，就有人想到如果把感应器面积缩减，只要划动过去同样能取得整枚的指纹，而且占用的空间还更小。

按压式的优点在于操作最直觉，符合人类使用习惯，而且放置的指纹无方向性，缺点则是需要较大的面积且成本较高。至于滑动式优点就是成本较低，且细长的感应器需要的空间较小。然而还是有些缺点，那就是滑动时必须顺着某个方向，且辨识度相对较低。不论按压式与滑动式都有厂商支持，笔者认为不同的环境下各有优缺点，两者皆无法完全取代对方的功用。

滑动式感应器常见于笔电上，使用时需要完整地刷过整枚指纹。图片来源：PTT

按压式设计常见于海关等政府单位，笔电也曾经使用过按压式设计，但占用空间较大且成本较高，后来逐渐被滑动式所取代。图片来源：workstation

指纹辨识只是开端
最初我们提到生物辨识技术种类很多，而指纹只是其中较为普遍的应用。相信部分用过笔电以及手机指纹介面的人，应该都对于其免输入密码等应用感到方便。或许未来我们可以进步到使用内建镜头做视网膜或是虹膜辨识，或用声纹解锁亦无不可，甚至未来去ATM提款不用带提款卡，对着镜头三秒钟就能提款，这些都是可预见的未来，也是令人期待的科技应用。
 
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