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摩擦VS按压 四家手机指纹识别方案解析

实验室资讯网时间:2017-12-17 点击: 百度搜索

【导读】1 常见指纹识别方案简介 【PConline 杂谈】 指纹识别其实不是新技术,早在2011年MOTO Atrix 4G就已经有指纹识别解锁功能,但由于当时的技术所限,其指纹识别的成功率并不能让人满意,2013年苹果......
TAG标签: 指纹识别
1常见指纹识别方案简介

  【PConline 杂谈】指纹识别其实不是新技术,早在2011年MOTO Atrix 4G就已经有指纹识别解锁功能,但由于当时的技术所限,其指纹识别的成功率并不能让人满意,2013年苹果在iPhone 5S上加入了Touch ID指纹识别功能,随着技术以及指纹识别功能的加入,其他厂商也在手机中加入指纹识别功能。这些指纹识别功能是否真的好用?正面识别与背后识别有什么差异?接下来我们就来谈谈这些问题。

摩擦VS按压 四家手机指纹识别方案解析

手机业界常见的指纹识别解决方案

  笔者的同事曾在指纹识别媲美苹果?魅族MX4 Pro深度评测一文中为大家整理出来了现阶段手机业界常用指纹识别解决方案,笔者在其基础之上进行了完善。

手机业界常见指纹识别解决方案
供应商 AuthenTec
(美国)
Synaptics& Validity
(美国)
Fingerprint Cards AB
(瑞典)
Goodix汇顶
(中国)
识别指纹方案 与Home结合
正面按压
与Home键结合
正面滑动
置于手机后盖
背面滑动
置于手机后盖
背面触摸
置于手机后盖
背面滑动

与Home键结合
正面按压

采集技术

基于电容和无线射频
半导体传感器

有源电容式硅成像传感器 电容式传感器 电容式传感器
手机合作厂商 苹果 三星 HTC 华为、OPPO vivo 魅族
代表产品 iPhone系列 Galaxy S5 One Max Mate7、N3 Xplay 3S MX4 Pro

  从表中我们可以发现,现在最主要的解锁方式有正面按压、背面按压、正面滑动、背面滑动以及背面触摸几种方式,这几种方式孰优孰劣笔者在后面会进行详细测试,首先,笔者跟大家聊一聊这几个指纹识别供应商。

一、AuthenTec(美国)

  简介:AuthenTec 是世界领先的PC、无线设备以及访问控制市场指纹认证传感器和解决方案的提供商。而在2012年7月27日,苹果以3.56亿美元收购了该公司。从此AuthenTec隶属于苹果。 

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  其研发的指纹识别传感器是基于电容和无线射频的半导体,传感器是与iPhone和iPad的Home键相结合,最上层为蓝宝石盖板。该传感器是由台积电完成晶圆代工,台湾精材、晶方科技完成晶圆级封装,日月光负责后续封装与测试以及SiP模组制作。

  面向对象:只对苹果旗下的手机以及平板产品开放,不向同行业厂商提供任何产品以及技术,但是对银行安全以及管理业务可以提供(笔者感觉是为Apple Pay做铺垫)。

二、新思Synaptics Validity(美国)

  简介:Synaptics是全球领先的移动计算、通信和娱乐设备人机界面交互开发解决方案设计制造公司。其成立于1986年,总部在美国。2013年10月17日时,以2.55亿美元的价格收购了生物ID识别公司Validity,正式进军指纹识别领域。

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  面向对象:三星Galaxy S5以及去年发布的HTC One Max都是采用的Synaptics的设计方案,不过稍显不同的是,S5采用正面与Home键结合,而HTC One Max则采用背部识别方案,虽说在指纹识别位置上有所不同,但是方案确实一样的。

三、Fingerprint Cards AB(FPC)

  简介:FPC致力于开发、生产和销售生物识别元件和技术,帮助通过分析和比对个人独特的指纹确认用户的身份,总部在瑞典哥德堡,并在纳斯达克上市。其推出全球首个使用Android智能手机和平板的电容式触摸指纹传感器—FPC1020。

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  面向对象:其面向的对象有很多,大家所熟知的就是vivo Xplay 3S、华为Mate7以及OPPO N3,三个都是将传感器置于背部,不过解锁方式稍微有所不同。

四、Goodix汇顶科技(中国)

  简介:汇顶科技成立于2002年,于2006年开始进军触控行业。汇顶科技立足于全球领先的人机交互技术研发及芯片设计,汇顶科技现作为MTK唯一战略合作伙伴,具有丰富的电容触摸芯片的量产经验并拥有完善的触控测试系统和测试标准,已经拥有电容触控技术专利超过30项。

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   面向对象:目前手机市场上只有魅族MX4 Pro,这也是国内手机厂商首创正面按压式指纹识别方案,对此笔者感到骄傲,国内的科技公司能够做到这点真的是很难得。

  现阶段手机市场上,这四家的指纹识别方案是运用最多的,每个方案都有着自己的专利以及独特性,对于这四家指纹方案的具体实现机制以及实现的效果又是怎样的?下一页笔者会继续给大家讲到。

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2常见指纹识别方案原理

 

各个手机指纹识别原理

  对于四家公司,笔者已经为大家简单介绍了一下,接下来就iPhone 6、魅族MX4 Pro、三星Note 4、华为Mate7、OPPO N3这几款机器指纹方案的具体实现原理。下图是指纹识别简单的过程,而每个手机在指纹识别方案上是具体实现,由于华为Mate7与OPPO N3采用同一家方案,N3是Mate7方案的升级版,实际原理是相同的,因此笔者在下文放在一起讲解。

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iPhone 5S/6指纹识别原理:

  iPhone 5S/6的Touch ID指纹传感器被放置在Home键中,Home键传感器表面由激光切割的蓝宝石水晶制成,能够实现精确聚焦手指,保护传感器的作用,并且传感器会在此时进行指纹信息的纪录与识别,而传感器按钮周围则是不锈钢环,用于监测手指,激活传感器和改善信噪比。随后,软件将读取指纹信息,查找匹配指纹来解锁手机。

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图片来源于The verge

  其中指纹传感器部分在开始表格中提到的基于电容和无线射频的半导体传感器,这位指纹读取做了两层验证。第一层是借助了一个指纹电容传感识别器来识别整个接触面的指纹图像。第二层则是利用无线射频技术并通过蓝宝石片下面的感应组件读取从真皮层反射回来的信号,形成一幅指纹图像。 

 

电容传感识别:手指构成电容的一极,另一边一个硅的传感器阵列构成电容另一极,通过人体带有的微电场与电容传感器间形成微电流,指纹的波峰波谷与感应器之间的距离形成电容高低差,从而描绘出指纹图像的

无线射频识别:将一个低频的射频信号发射到真皮层。由于人体细胞液是导电的,读取真皮层的电场分布而获得整个真皮层最真皮层,并且通过读取真皮层的电场分布而获得整个真皮层最精确的图像,而Touch ID外面有一个驱动环,由它将射频信号发射出来。

 

   经过对指纹图像的纪录,将数据录入到数据库中,然后Touch ID在指纹验证过程中,获得指纹扫描图像之后,其能够对指纹进行360度全方位扫描并且与数据库指纹数据进行比对判断。当新的指纹图像与数据库样本指纹互相匹配成功,该指纹图像就能够用于加强和完善数据库的样本信息,这样能够使得更多的样本信息被纪录了,提高指纹识别的成功率以及能够在各种角度成功的识别指纹。

魅族MX4 Pro指纹识别原理

  魅族认为背部的指纹识别体验不好,因此魅族在最后时刻选择了汇顶,MX4 Pro采用的是汇顶科技GT6618/28指纹识别模块,下图为该模块的具体参数。其中工作模式中的Finger Flash模式是汇顶的专利技术。 

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  在Finger Flash模式下,魅族MX4 Pro可以实现从息屏到亮屏然后到唤醒最后解锁这样的一体化操作。在锁屏状态下,用户通过按压Home键点亮屏幕并在Home键上停留一会就可以实现解锁,这与iPhone6在锁屏状态下采用的解锁方式是一样的,此外在屏幕点亮的情况下,两者均可轻触HOME键解锁。汇顶的指纹识别与苹果的iphone5s都是采用基于电容触摸的原理。这样不禁有人会问,汇顶科技岂不是侵权了?

 

汇顶科技是否侵权?
  汇顶科技董事长张帆表示,汇顶认为不存在侵权。副总经理龙华解释,其一是IC的专利一般保护的是芯片的layout,也就是实现方案,虽然实现原理一样,但是实现的方式不一样,就不是侵权。其二,这里另一个重要的技术是指纹识别芯片的封装与模组形式,汇顶花了大量的时间研发封装技术,形成自己独有的专利。并且不会找苹果的封装厂商,也不会像他们那样使用很复杂的封装方式。

 

  笔者个人觉得,苹果是一个很注重专利的公司,汇顶科技如果真的是侵权苹果的话,苹果应该不会轻易放过他们,但是到魅族发布至今,苹果官方并没有什么发表任何声明,由此可见,汇顶科技应该是不存在侵权行为的。 

华为Mate 7指纹识别原理

  华为Mate 7 采用瑞典FPC公司的FPC1020指纹识别方案 ,该方案是将传感器置于手机后盖中,虽说是按压式指纹识别技术,但是它应该属于接触式。只需要将手机轻轻放在解锁区域,就能够进行解锁。

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  华为Mate7指纹传感器上覆盖一层银色镀膜,指纹识别区域和后壳之间还有一圈环形金属状,类似于包裹住iphone5s指纹感应区的不锈钢探测环(Stainless steel detection ring),这个金属环除了充当指纹触发器感觉还可以有很多功能。此外成熟的FPC1020的识别的面积是现阶段其他手机的面积中最大的。

 

oppo N3所使用的方案
  oppo N3使用的是FPC1020的升级版—FPC1021。两者差异性并不大,所以笔者就不进行赘述了,不过FPC1021相较于FPC1020小30%,但是相对于iPhone的Touch ID依然还是有点大,放在Android手机正面,不太合适,因此,OPPO N3 将它放在了背面。

华为Mate 7与OPPO N3采用背部指纹识别方案原因
  
1.设计与美观
  华为Mate 7与OPPO N3的操作顺应安卓的变化,采用虚拟按键的方式,EMUI是在屏幕内部设置了虚拟按键,如果为了指纹识别而在正面下巴安装一个指纹识别传感器,这对手机整体外观而言会大打折扣的,OPPO N3虽在屏幕面板外设置虚拟按键,但如果在Home键的位置进行安装指纹识别传感器的话,这与OPPO的设计语言有很大出入,所以没有必要这样做。
  2.Sensor大小
  由于Sensor大小的原因,在正面指纹识别的Sensor所占据的面积会比较大,对华为Mate 7以及OPPO N3的窄下巴进行挑战,而放在背部则也能实现指纹识别功能,方便性与实用性上也不太差,并且能够保证正面设计的完整性,自然会选择背部指纹识别。

 

  笔者个人认为华为与OPPO将指纹识别Sensor放在背部,主要由于用于在使用手机的时候,眼睛更多的是在正面,而背面的关注则少了很多,那么给用户一个漂亮的正面,将指纹识别Sensor放在背部,也是基于用户考虑的。至于放在背部与放在正面除了这方面的原因,笔者会在后文为大家介绍两者的优劣的。

三星Note 4指纹识别方案原理

  三星Note 4指纹识别传感器跟苹果一样,同样选择集成在Home键之下,不过三星Note 4采用的是Synaptics& Validity的方案,属于摩擦类型,在解锁菜单设置过程也和iPhone 6类似。

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  三星Galaxy S5滑动式指纹识别必须从上向下滑动,当手指划过传感器的时候,会对手指进行逐行扫描,这样就要求你必须固定姿势,固定方向并且手指覆盖整个Sensor才可被识别。这样的要求会使得用户体验变得差很多了。

 

三星为什么没有使用按压式指纹识别?
  
首先,按压式指纹识别方案在汇顶出现之前,AnthenTec独享了这项技术,三星用了全球第二大的Validity,Validity到现在为止只有划擦式的指纹识别功能,而三星为什么没有选择汇顶,各位觉得三星会选择一个国内还在发展中的科技公司么?
  其次,瑞典的
Fingerprint Cards AB的FPC1020方案中的Sensor体积太大了,与三星的Home键大小会冲突,Home键的尺寸与Sensor的大小不合适,如果在下面重新设计Home键那就不是三星的传统设计语言了。这对于三星来说,这是难以接受的。

 

  笔者个人感觉如果三星不改变Home键设置的话,那么必须等到按压式指纹识别技术更加成熟,使得Sensor做到很小,到那时才能使用按压式指纹解。但到那个阶段,就显得有些迟了。

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3常见指纹识别方案各项比较

 

  介绍完手机指纹方案的公司以及各公司不同解锁方式的原理,接下来笔者将与大家聊聊关于指纹识别安全性、实用性以及未来发展方面,在这些方面,让用户感受一下那些方案是比较好的方案。对于安全性方面的问题,相信是每个人都特别关心的问题,随着指纹技术的加强,在安全性方面各个公司又是如何实现的呢?其采用的安全处理方案之间是相互独立还是相互之间有联系的呢?

苹果Touch ID安全性

  苹果技术实力是毋庸置疑的,正是由于其技术实力,在iPhone上使用的是由苹果单独设计的Secure Enclave模块,据安全手册上描述,Secure Enclave是一个建在苹果最新的单芯片系统设计内部的协处理器。

摩擦VS按压 四家手机指纹识别方案解析
图片来源于The Verge

  其与应用处理器不同,该协处理器处理安全时会启动序列码和软件更新机制,专门负责对数据保护加密操作的关键操作以及数据保护完整的流程。只有Secure Enclave能够访问用户指纹信息,苹果公司也无法获知,也不会传到iCould上面。而Secure Enclave是基于ARM TrustZone技术的,相当于是苹果定制了一个高度优化的TrustZone版本,TrustZone安全系统是由硬件和软件分区来成就的。

摩擦VS按压 四家手机指纹识别方案解析

  不管是硬件还是软件中,都有两个区,一个是安全子系统,一个是正常的区。TrustZone可确保正常区组件不访问安全区的数据。而那些敏感的数据就放在安全区,来防止许多可能的攻击。当有安全验证的需求时,Moniter模式就会自主进行两个虚拟处理器的切换,有针对性地工作。

魅族mTouch安全性

  对于魅族mTouch的安全性,我们不防来看看其官方网站对mTouch的描述,其也是从软件和硬件方面对指纹进行安全保障,其保障的方式,也是采用的ARM TrustZone的技术,首先来看看软件方面。

摩擦VS按压 四家手机指纹识别方案解析

  软件方面魅族采用的是Tiny算法对指纹进行加密,并且在Flsh芯片上也进行了AES 128的加密算法进行加密,多重的加密算法能够最大限度的保证你指纹识别的安全。

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  而硬件方面,魅族mTouch与苹果一样都运用了ARM TrustZone技术,也就是可信计算方面的技术,因此两者的安全性是一脉相承的,虽说苹果经过了自己的定制,但笔者觉得两者之间的差异并不会相差太多,我们可以认为魅族即使没有达到苹果的安全水平但也是相差不远了吧。

Mate 7指纹识别安全性

  华为是基于芯片硬件的安全解决方案。指纹加密,存储,校验的程序是运行在海思芯片里物理隔离的安全OS中,安卓环境下的程序无法直接访问,即使手机被root后,这部分仍然不能被访问和篡改。

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  手机并不会保存指纹图像,只会去保存提取后的模板信息,当然通过指纹模板是不能还原出指纹图像的。在所录入的所有指纹模板信息在手机中是手机本身利用AES256算法进行加密的,每个芯片都有独一无二的密钥,这个密钥在芯片出厂时就是被一次性熔断写入的,根本无法从外部读取和修改。指纹模板数据只能写入和删除,无法读取和修改,自然也不会上传任何服务器,更不会被任何第三方程序读取。

摩擦VS按压 四家手机指纹识别方案解析

  指纹安全程序对外提供经过签名的验证结果,整个过程通过RSA 2048签名保护,无法被仿冒和篡改。支付宝就是通过这个结果来判断是否要付款的,并且付款的指纹只有一个。其他的是不可以实现的。

摩擦VS按压 四家手机指纹识别方案解析
ARM TrustZone
的运行机制

  ARM的TrustZone技术简要来讲就是属于ARM为了保护指纹、密码信息所构建的一个安全体系,这个安全体系是从根本上(硬件上)就已经开始隔离SoC与所有软件,其属于独立自主的一个体系。这个就是说,在这个体系中,即使用户将iOS设备越狱、Android设备root,这对它来说是没有任何影响的,他是独立于系统与应用软件之外的一个个体。

  笔者未能找到关于三星Note 4的指纹识别方案为了保证安全是如何处理的,不过由于采用系统以及硬件方面都是大同小异,相信Note 4的指纹识别方案与魅族华为的都差不多,硬件上都是基于ARM TrustZone技术,软件加密上虽说不同但实际效果上还是大同小异的。

背部识别与正面识别对比

  指纹识别方案越来越成熟,不仅是在指纹识别方案的选择上是不同的,在指纹识别Sensor的位置的选择上有一定差异,现在对于正面识别与背面识别很多人都持有不同意见,笔者就来先梳理一下两者(主要是MX4 Pro与华为Mate 7)优缺点吧。

  1.正面识别方案将指纹识别Sensor集成在Home键中,在交互上,能够更加直观的看到手指是否按压到Sensor上,而背部则是人眼无法直接看到的,不过笔者进行试验之后,在第一次可能需要适应,而后来由于Sensor是内凹进去,所以比较容易触摸到,在体验上也不会差很多。

  2.当单手持握的时候,手大的朋友在正面或者背面解锁上都比较容易。而背面解锁一般会在摄像头下部,对于手小的用户而言其手指无法触摸到背部Sensor的位置,这就需要他们调整自己的握持姿势了,正面则就不会出现这种问题了。

摩擦VS按压 四家手机指纹识别方案解析

  所以,笔者个人觉得,对于大多数人而言,背部触摸并不比正面按压要来的复杂,由于华为Mate 7的解锁速度上是要快于iPhone的,别看这一点小小的进步,这对于用户而言,用户体验的提升是巨大的。


各款手机与iPhone 6解锁速度对比(慢动作视频)

  从视频中大家可能会看不出太大的区别,但在实际体验过程中还是有所不同的,MX4 Pro与iPhone 6的解锁方式相似,速度差距微乎其微,所以在体验上没太大差别。而华为Mate 7不需要按压,可以直接对手机进行解锁,其减少了按压亮屏的过程,在速度上要由于iPhone 6的,而三星Note 4需要整个手指都能覆盖到Sensor上,所以对姿势还是比较挑剔的。

手机支付问题

  对于指纹识别功能,只是一个单纯的指纹解锁这个相信很多人是不满意的,苹果的Apple Pay就为中国的指纹解锁开启了一扇大门,那现在指纹支付方面都到了何种地步了?

指纹支付功能开通情况
手机 自家应用商店 支付宝指纹支付 微信指纹支付
iPhone 6 ×
魅族MX4 Pro × ×
华为Mate 7 × ×
三星Note 4 × × ×

  从表中我们可以发现,三星Note 4与华为Mate 7都为开通自家应用商店指纹支付功能,而其中华为Mate 7支持支付宝指纹支付(三星S5现也已经支持),iPhone 6也在昨天更新之后能够支持支付宝指纹支付功能了(越狱之后无效),而魅族MX4 Pro只是支持其自家应用商店,而魅族表示支付宝指纹识别功能还需要半年左右,微信指纹支付方面目前还未有所动静。

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  苹果选择开放了Touch ID的接口,并推出了Apple Pay,在美国已经支持了多种支付方式,但是目前在中国却是没有太大起色,而国内魅族华为都在有着进一步的发展,魅族相信很快就能够支持支付宝指纹支付了,而微信支付在明年也望开通指纹支付功能。在国内,国产厂商在指纹支付方面应该会走在苹果前面。

总体上来说

  这篇文章,笔者从提供指纹识别方案的公司、指纹识别原理、安全性以及其他方面进行了详细的解析,相信朋友们对指纹识别也有了一定的了解。指纹识别发展到今日,之后会在支付上进一步的发展,国内厂商的飞速发展会使得手机行业进步更快,这对消费者而言,也是一个很好的消息,相信在不久的将来,指纹支付将会取代密码付款。

(本文来源:pconline 数码宝贝 )

(责任编辑:Labtoday)

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