岂止于Touch ID 手机上的指纹识别技术

苹果的产品技术和设计通常左右着业界的步伐，例如多点触控屏、64位处理器、Siri语音助手以及图标扁平化设计，都引得无数厂商竞相跟进。

其实这些技术和设计之前都已经存在，但都因各种原因没有火爆,却因苹果将它们引入后进行深加工进而“影响世界”。所以同样地，从iPhone 5S开始新增的Touch ID指纹识别功能又一次让众多厂商有了目标。当然，鉴于苹果的技术壁垒和专利，Android要玩指纹识别就必须“绕道”走。目前部分高端机型采用了Validity的指纹识别方案，深圳汇顶科技公司主推的隐藏式指纹识别技术也已经“绕道”成功并有望在千元级机型上推广开来。接下来，我们就来谈谈手机上的指纹识别技术。

隐私攻防战

功能机时代，手机的功能就是打电话和发短信，对大多数用户来说即使手机丢了也不会有太大损失，顶多就是和异性那些羞羞的短信被人看到了—但人家看到也不认识你。而现在不一样了，智能机几乎成为了个人信息管家，里面有用户的个人记忆、社交往来、私密照片、银行信息等，丢失手机可谓灭顶之灾。为了保护这些信息，人们设置了各种各样的密码，加入了各种各样的控件，后发现深受困扰的反而是自己。由于密码太多经常记不住，而本不该泄的密还是在泄。

指纹识别技术的运用已经相对成熟，堪称目前合适的生物密码。

这个问题一直没什么改善，唯有指望使用者更小心谨慎。这方面来说苹果做得很好，iPhone的保密性在iOS7中已经得到了极大的提升，只要用户设置了锁屏密码，开启了“Find My iPhone”，个人信息基本上算是固若金汤。大多数的小偷面对这样一块无法恢复出厂、不能刷机的砖头都会毫无办法，这一点让广大丢手机就等于丢钱丢人的Android用户羡慕不已。但用户在使用自己的设备时，复杂程度依然还是没什么改善，还是要记住很多密码。这时问题来了，能否将科幻电影上那些扫描指纹、角膜、心电图甚至DNA来确认身份的技术运用到手机上？
这些生物密码中，目前来看只有指纹识别是合适的，毕竟指纹识别技术的运用已经相对成熟。日常生活中常见的就是指纹考勤机，这恐怕是上班族痛恨但又每天要面对的东西。但指纹识别技术运用到手机上就很新鲜了。之前也有其他厂商进行过手机整合指纹识别的尝试，但因为技术或者市场的原因都没有成功。2013年，苹果在iPhone 5S上加入了Touch ID指纹识别功能，2014年的发布会上又亮出了ApplePay并宣布将进一步开放Touch ID接口。鉴于苹果强大的生态圈和影响力，人们有理由相信指纹识别将迎来曙光，也让业界看到了新的方向。前不久，深圳汇顶科技公司公布了自主知识产权的隐藏式指纹识别技术。如果能够推广开来，对于Android用户的个人隐私保护无疑是一个福音。

更强大的隐私锁

我们谈隐藏式指纹识别技术之前，还是要谈谈Touch ID(凭借良好的正面按压式体验、适合单手操作等特性广受赞誉）。因为它们的一些技术原理是相通的，就像三星的电容触摸屏工作原理和索尼的没区别一样。Touch ID采用了美国AuthenTec公司的方案。AuthenTec原本是一家指纹传感器及芯片与模组、身份识别软件和加密安全方案的供应商，其客户包括阿尔卡特-朗讯、思科、惠普、三星、联想、LG、摩托罗拉、诺基亚等。AuthenTec有一种基于电容和射频识别的指纹识别新技术—“TruePrint”。我们知道，用交流信号连接两块平行的金属板，当交流信号的波长远大于两块金属板的间距时，两块金属板之间会产生纯电场，可以作出很多平行的等电位线。如果其中一块板是波纹状凹凸不平的，那么等电位线的形状就会与它相似。基于这个原理，TruePrint让手指和硅传感器阵列构成电容的两极，通电后就会在手指和传感器之间产生电场。由于手指表面凹凸不平，到传感器阵列之间的距离就会不同，使得在传感器阵列上感应出不同的电场强度，经过芯片处理就合成为指纹图像。TruePrint加入了动态优化技术（Dynamic Optimization）可以让指纹识别器更加适应不同用户的手指。它每隔0.5秒依次摄取数帧指纹图像，每帧都比前一帧更好地优化，直到系统能够可靠地确认用户身份。

苹果2014年发布会上推出的ApplePay也许将改写移动支付规则，对于掌握了指纹ID技术的国内厂商而言亦是一次机遇。

由于手指表层皮肤的细胞并非活体，不导电，所以TruePrint感应的是死皮下面能够导电的活体皮肤。这就排除了因为表皮干湿度、破损、污渍、老茧等影响而指纹读取，能够得到极其精确可靠的指纹成像。

AuthenTec向它的大客户推销TruePrint技术，试图获得资助，然而只有苹果公司有兴趣投入研发。经过多轮谈判，苹果于2012年7月以3.56亿美元收购了AuthenTec，随后AuthenTec宣布停止向其他客户提供指纹识别方案。而苹果也卖掉了AuthenTec的嵌入式安全方案业务，终目的很明确：就是为了AuthenTec的指纹识别技术。经过苹果的深加工而诞生的Touch ID的确没让人失望。Touch ID能够一次性捕捉到完整的指纹信息，所以用户不需要移动手指；在登记时形成指纹图像会通过图像增强、方向计算、二值化处理，终形成一个在各个角度都能成功识别的指纹模板，所以用户不需要手指处在特定角度，360°都能识别，有着很好的用户体验。

 TruePrint感应的实际上是手指表皮下面的活体皮肤。

不过，尽管苹果声称只有真的、活体的手指才会被识别，想通过复制指纹甚至把别人的手指剁了拿去都无法解锁，但残酷的现实就是iPhone 5S上市不到一周，就有黑客通过复制指纹模破解了iPhone 5S。当然这位高手表示，用户不必为此恐慌，他公布的办法看起来简单，但首先必须确认用户用哪根手指解锁，还要能弄到完整、干净、高精度的指纹，并且制作指纹模过程相当复杂，这绝对不是街头的小偷或者什么手机维修点能够办到的。假如某个人真的这么渴望进入你的手机，恐怕用刀架在你脖子上是有效的解锁方案。

此外，苹果还采取了其他措施增强Touch ID的安全性。比如指纹信息只存储在本地设备而不存到云端，禁止任何软件读取指纹信息，解锁失败五次之后只能通过PIN码解锁，必须设置常规密码等等。所以目前来说，Touch ID的可靠性依然很高，凭借苹果完整的生态圈以及强大的影响力也更容易得到推广。反观Android阵营，厂商众多，各自为阵，手机型号混乱不堪，甚至连Google都很难服众，更不用说谁家想要推广一门新技术。同时，由于强大的root权限，深入修改Android系统内核完全不是难事，各种轻度中度深度定制的ROM充斥网络，指纹信息的保密性也成为一个问题。

Android阵营的解决方案

苹果在2014年的发布会上亮出了ApplePay，Touch ID除了锁屏外还可用于iTunes和App Store的支付确认。这让移动支付喜忧参半，喜的是移动支付规则的改变给广大用户带来便利，也给指纹识别方案供应商提供了机会，忧的是第三方支付今后可能找不到存在感。但不管怎样，看起来指纹识别已经是移动支付领域未来的发展方向。现在的问题是，Android阵营如何在手机上加入指纹识别功能。

Touch ID的位置与ID工业设计并不适合Android手机，因为它需要在手机面板上打孔。除了苹果以外，三星应该算是硕果仅存的坚持在手机下巴上放实体HOME按键的厂商，其他厂商早已经习惯了感应键或虚拟键，手机面板除了听筒位置外都不再开孔。一些厂商还追求“息屏美学”，根本无法忍受再开一个孔来破坏手机的美观。因此，华为、HTC、Vivo等公司都将指纹传感器放在了手机背后，这给用户带来了不便。而Galaxy S5的指纹识别虽然位于HOME键上方的屏幕上，但需要手指上下垂直划动才能解锁，用户体验亦不如iPhone 5S。其实这也是没有办法的事，掌握业内高技术的AuthenTec已经被苹果收购，苹果绝对不会把这项技术授权给竞争对手，专利壁垒让对手们也只能另辟蹊径。目前三星、HTC等采用的是专门做笔记本电脑触摸板的Synaptics以2亿多美元收购Validity之后的方案。Validity同样是一家指纹识别供应商，但其技术与AuthenTec还存在一定的差距。它仍然采用了旧式的条状电容扫描元件，这种方式决定了必须通过手指的多次划擦来拼接出完整的指纹图像，很让人诟病。

不改变ID设计，各种模组也简化，这是Android手机厂商都喜闻乐见的。

IFS的自适应深度传感技术示意

尽管如此，Android阵营的指纹识别功能目前也只出现在旗舰机型上，笔者并不清楚Synaptics的授权费用，但恐怕不会太便宜，这会对指纹识别在Android阵营的推广形成障碍;在Synaptics之外的厂商（如瑞士Fingerprint Cards公司提供的方案，目前有华为Mate 7采用）虽有按压式指纹识别技术，但尚不能提供隐藏式方案且成本可能较高。因此，业界需要一家低成本、成熟可靠且兼顾隐藏式设计的手机指纹识别方案供应商。

汇顶科技是国内一家电容式触控芯片及解决方案供应商，其客户包括华为、中兴、联想、宇龙、酷派、TCL、东芝、华硕、宏碁等品牌。今年五月，汇顶科技发布了“触摸式蓝宝石指纹识别技术”。这回他们又推出了“IFS（Invisible Fingerprint Sensor）隐藏式指纹识别技术”，从各项特性来看，这项技术成功绕开了苹果的专利壁垒，并在业内处于领先。

IFS的先进之处在于指纹传感器位于手机正面触控面板下面，采用这种设计的好处是手机厂商无需额外在Home键或机身背后设置单独指纹感应模块，这也更符合现今手机ID工业设计的要求，即便是追求“息屏美学”也没有问题。除此之外，IFS的供应链十分简单，不需要另外的指纹芯片封装与模组封装供应商，汇顶公司只需要与触控IC和触控面板（TP）厂商合作即可。甚至TP的生产线也不需作改动，只需改变软件参数，就能大规模量产。不但成本大幅降低，生产难度也下降。

IFS的闪闪亮点

IFS技术拥有29项专利和3大特点，即保持原有ID风格、TP模组简化、指纹识别模组简化。这其中又包括了4项核心技术：自适应深度传感技术、可变增强图像处理技术、整体反推匹配算法和一体化结构技术。

可变增强图像处理技术。由于涉及商业机密，具体原理暂不清楚。

采用IFS方案的客户无需担心遭遇专利官司，因为汇顶公司本身就是专利持有人。

指纹识别传感器的表面防护层有表面涂层处理和蓝宝石玻璃覆盖两种方法，蓝宝石玻璃自然比表面涂层厚得多。纹识别要求的距离是50微米，表面涂层的厚度一般5～15微米，蓝宝石玻璃厚度约300微米（Touch ID表面蓝宝石玻璃厚度为260微米），而TP面板随随便便就是上千微米，传统的指纹传感器在此距离下只能发呆，所以必须在TP面板上开孔。IFS传感器敢置于TP下面，也就对其灵敏度和信噪比提出了地狱般严酷的要求。汇顶公司为此花了4年时间来研究和积累，其“自适应深度传感技术”已经解决了这个问题。他们自信地声称，就算将TP面板厚度增加到三四厘米，IFS的传感器依然能够正常工作。

传感器感应到的指纹图像需进一步加工，这就涉及到“可变增强图像处理技术”。将传感器获取的模糊的信号增强，从而提高识别率。而“整体反推匹配算法”是通过整体反推法进行指纹特征点的提取和匹配。当然，上述这些技术具体如何实现属于商业机密，官方不会对外公布。不过根据IFS方案发布会上，参会人员对样机的试用感受，认为IFS的识别速度、精度、用户体验都不输甚至超越iPhone 5S的Touch ID。据汇顶内部人士透露，IFS的误识率（FAR）和拒识率（FRR）大致与汇顶上一代蓝宝石产品的表现相当：FAR低于百分之一，FRR低于5万分之一。同时，IFS与TP面板中的玻璃盖板有着良好的兼容性，现在市场上的多种盖板都可以使用，解决了之前困扰业界的各种材料的介电参数和材料厚度对于信号的衰减等问题。

整体反推匹配算法，同样是商业机密。但作为用户，我们只需要关心整个成品好不好用就行了。

从整体上来看，IFS和Touch ID都是基于电容感应的原理，其识别过程也十分相似。那么IFS是否对苹果构成侵权？答案是否定的。汇顶公司早在五月份发布的“触摸式蓝宝石指纹识别技术”中就已经成功绕开了苹果。因为IC专利保护的是芯片的实现方案，就算实现原理一样，但是实现的方式不一样，就不构成侵权。否则的话，现在全世界生产触摸屏设备的厂商都对美国人Sam Hurst构成侵权或应向他缴纳授权费。另一方面，指纹识别芯片的封装与模组形式不同。汇顶公司花了大量的时间研发封装技术，形成自己独有的专利。而这一次的IFS技术从实现方式上讲比Touch ID更为先进，汇顶公司自身就是专利持有人，因此更不存在侵权。所以，采用IFS方案的客户完全不用担心专利问题，因为目前全世界都没有类似的商用指纹识别的Android手机。除此之外，IFS也是一次TP厂商洗牌的机会，毕竟目前TP产业已经严重同质化竞争，而能够完美整合IFS的TP面板或许能够脱颖而出。

当然，任何商业产物，群众关心的首先就是价格。东西再好，价钱太高也是白搭。目前汇顶公司仍需集中解决的就是与TP面板的贴合以及良品率的问题。随着量产与良品率的提升，IFS价格会很快下降，因为它本质上同TP产业无异。回想2010年时，3.5寸的TP面板售价高达12美元，而工艺成熟后价格就迅速下降。

写在后

苹果通过Touch ID配合ApplePay，展示了其在移动支付领域布局的野心，也给业界指明了发展方向。虽然苹果独占了AuthenTec的技术，但指纹识别传感器技术目前仍处于乱世。自古乱世出英雄，IFS看起来比Touch ID和Validity的方案更加先进，这也许会是国内厂商弯道超车的绝佳机会。或许有一天，它会成为Android手机的标配，让我们的隐私得到更加有力的保护。