Touch ID指纹识别的原理

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指纹有两个重要特征，一个是两根不同手指的指纹纹脊样式不同，另一个是手指的指纹纹脊样式终生不变。这个19世纪初的研究成果是指纹在罪犯鉴别中被正式采用的理论基础。可以说指纹是天然的人体生物密码，科研人员已经花了很长时间探索以指纹为核心的身份验证系统。生活中比较常见的场合包括指纹门禁和考勤系统。

在电子设备上，10年前就已经有很多主打商业用途的笔记本电脑配备了指纹扫描器。手机方面，2011年摩托罗拉在Atrix 4G手机上采用了指纹扫描器，可以实现开机解锁。HTC也于近期推出了一款集成指纹扫描器的大屏手机HTC One max。这两款手机都将指纹识别模块安排在机身背部，需要滑动手指进行操作。Atrix 4G很有创意地将电源键与扫描模块整合在一起，按下电源键之后滑动手指即可解锁屏幕。One max特意将电源键设计到机身右侧，引导用户用大拇指按电源键，而后通过滑动食指解锁。该手机设计上的硬伤在于相机镜头和指纹识别模块距离很近，每次扫描指纹之前都可能弄脏镜头保护玻璃。Atrix 4G的设计谈不上糟糕，但与iPhone 5s相比就能看出，摩托罗拉和HTC在对用户体验的把握上，与苹果完全不在一个段位。

苹果在iPhone 5s上采用的指纹识别技术来自AuthenTec。2012年6月，苹果收购了这家公司。在被苹果收购之前，AuthenTec是全球最大的指纹识别芯片供应商，拥有名为TurePrint的专利技术，可以读取皮肤表皮之下的真皮层信息。按照AuthenTec的说法，真正的指纹藏在真皮层。包括ThinkPad在内的主流商务笔记本电脑都采用了该公司的技术。

全球从事指纹识别研究的机构和公司众多，新技术和实现方式层出不穷。在获得指纹图像的方式中，主流的包括光学传感器、热传感器和电容传感器，它们无一例外地利用了皮肤表层纹脊和纹谷（空气层）对信号的不同反应来获取指纹图像。AuthenTec的独门绝技是利用射频传感器直接读取真皮层的指纹，这样不仅能生成更精准的指纹图像，而且不会像以上3种技术一样受到干性皮肤、油性皮肤、皮肤磨损、皮肤结茧甚至轻微脏污的影响。它是怎么做到的呢？

首先，我们来到微观世界，回顾一下皮肤的结构（见左图）。皮肤的最外层是死皮层，导电性差，可以认为是一种介电质（可被电极化的绝缘体）。在死皮层与真皮层的交界处，就是真皮层发生角质化的地方，这个区域是有水分可以导电的。芯片上的信号生成器在手指和相连的半导体之间施加一个微弱的RF射频信号，导电的钢圈（在Home键周围）将RF射频信号与表皮下的导电层（真正的指纹）进行耦合。然后手指和芯片之间的射频场（RF Field）会将皮肤导电层的信号“传递”到像素感应器，每个像素感应器就像微型天线一样获得电压，纹脊部分获得的电压强，纹谷部分获得的电压弱。强弱不同的信号经过进一步的处理，就可以得到指纹图像。

通常得到的指纹图像是灰度图。接下来将灰度图转化成便于计算机处理的二进制图像，提取指纹的特征。首先，touch id芯片会根据3种基本指纹类型（弧形纹、箕形纹或斗形纹）将指纹分类，然后提取指纹纹路中的特征点：包括纹路的起点、终点、分叉点和毛孔的位置等。最后将该手指的特征点数据加密之后保存为数学表达式。通过指纹识别进行身份验证的过程就是再次执行以上过程，然后将获得的指纹与已经注册的指纹数据进行比对，以确定是否匹配并解锁 iPhone。

以上过程都发生在0.5s之内。以解锁手机功能来讲，苹果最具创造性的地方是把传感器放置到“用户与iPhone自然而然频频接触的地方”——Home键中，在丝毫不影响易用性的情况下，赋予iPhone用户不错的安全体验。现在，在App Store购买应用变得轻而易举，轻触Home键即可通过指纹来确认，免去密码输入的烦恼。但Touch ID的潜力显然不止于此，它不仅能用于其他需要身份验证的场合，而且也能与触摸屏的手势结合起来，实现让人意想不到的操作体验。