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五分钟告诉你超声波指纹识别的原理与未来

2021-01-14 09:23 来源:智安物联网 作者:缙霄

近日,据外媒报道,芯片巨头高通发布了第二代超声波屏下指纹识别器3D Sonic Sensor Gen 2,几乎在所有方面都碾压初代型号。新版本为传感器提供了更大的表面积和更快的处理速度,从而能更快地解锁。

超声波指纹识别技术是如何实现的?

 绝大多数超声波的检测技术原理都基于pulse-echo——你在山谷里喊一声就是pulse, 被岩壁或者树反射回来的回声就是echo。

对于超声检测而言,特制的晶片(称为换能器)在电脉冲的激励下,产生机械振动(类似于人摸一下电门浑身一抖),振动产生超声波脉冲(pulse),超声波脉冲在传播过程中,会被传播介质(如人体)一部分一部分地被反射或者散射回来(echo),尤其是介质中物理性质不连续的地方,(比如手机上方的一根手指),反射波尤为强烈。反射或散射回换能器的回波,又使换能器产生振动,这种振动被换能器转换为电信号,对于电信号进行不同的处理,可以得到不同的信息,比如传播介质的结构,有没有运动的物体在介质中,介质的弹性等等。

如果把超声波的声束想像成一条线,那么一次超声PULSE-ECHO得到的通常只有一条线的信息,指纹至少是一个面,用超声扫描的方式在不同的位置进行PULSE-ECHO就能够得到一系列线的信息,从而获取整个指纹信息。医院里用的超声成像设备也大多就是这样的工作原理。

从高通第一代超声波屏下指纹识别器的宣传视频中可以确认,在SenseID技术中,超声波是垂直于手指表面发射的。不管内部的具体实现,其基于的基本原理就是下图所示,

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超声波指纹识别技术具有哪些优势?

在2015年,纽约大学和密歇根州立大学的研究人员发明了一种万能指纹(MasterPrint),解锁成功率高达67%。万能指纹背后的工作原理不只是利用了人类手指上常见的指纹,它还利用了部分光学指纹识别器的一个漏洞。由于部分指纹识别器会受到体积的限制,其拍摄出来的指纹图片会非常小。为了确保指纹记录的完整,它必须对你的手指拍摄数张照片才能完全记录那根手指的指纹。

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五分钟告诉你超声波指纹识别的原理与未来

在技术端,相比于第一代的光学指纹识别技术,不再依赖于照片(光学指纹识别器本质上是为你的手指拍照,以确定使你的指纹上独一无二的纹路和模式)。

而第二代指纹识别用的是电容传感器技术,是用硅晶元与皮下电解液形成电场,我们知道,指纹是有高低起伏的,这就会导致硅晶元与皮下电解液之间的压差产生变化,即可由此测定指纹。但是,用硅材料制成的传感器非常容易磨损,而且手指比较脏、湿,或脱皮时,识别率也会非常低。

超声波指纹识别技术基于皮肤反射声波的压力读数(其读数可以达到深入毛孔的水平),并生成绘制指纹的声波。这样就能识别出传统指纹技术无法识别出的三维细节和独特指纹特征,包括指纹脊线和汗毛孔等。这样能够产生细节丰富,难于仿制的指纹表面图。

而在应用端,它够穿透由玻璃、铝、不锈钢、蓝宝石或塑料制成的外壳进行扫描,拓宽了应用范围和相关产品的设计思路。此外,用户体验的提升体现在,即使是指纹识别模块磨损的情况下,这种技术依然有效,并且不受手指上可能存在的污物影响,例如汗水、护手霜或凝露等,从而提供一种更稳定、更精确的认证方法。同时声波还能检测到用户的血液流动,会拒绝来自断指的指纹。

超声波指纹识别技术前景如何?

当下最常采用指纹识别技术的两种产品为智能机和智能锁。

在早些年间高通等公司第一代超声波指纹识别器推出的时候,由于识别面积的原因,出现了多次识别才能开启的负面反馈,而本次高通表示第二代超声波屏下指纹识别器的表面积为64平方毫米,而初代表面积仅为36平方毫米,表面积增加了77%。

这意味着更容易准确地将手指放在传感器上,并且允许传感器在每次扫描时收集更多数据。高通承诺,通过将更大传感器与更快处理速度相结合,扫描指纹解锁手机的速度将比初代快50%。

另有传言称,苹果将在2021年的某个时候将其Touch ID生物识别系统带回iPhone阵容。知名苹果分析师曾预测,2021年款iPhone可能会同时使用Face ID和Touch ID。他还表示,高通可能是苹果指纹识别技术的供应商。

而作为物联网体系下最易推广的入口,智能锁的市场竞争从未息止。据相企查查资料显示,截至2020年12月,我国共有26315家公司在智能锁项目上有涉猎。

另根据Statista公布的数据显示,截至2019年年底,智能门锁市场规模上涨至16.2亿美元,约合110.6亿人民币(机械锁的规模是这个的四倍),同比增长24.62%。

在识别技术方面,当前的市面上主流的智能锁依旧以人脸识别和指纹识别进行检测方式。同时受制于当前人脸识别技术和传统指纹识别技术的种种弊端,有厂家开始研发指静脉识别智能锁。

但指静脉识别技术应用于智能锁,存在一个比较严重的问题,即识别模块成本更高,而在安全性、便利性、先进性等方面较之超声波指纹识别技术除“非接触”外优势不大,很难抵消价格方面的差距。

依照当前融合生物识别技术的大势来看,超声波指纹识别技术在智能锁应用的前景中总体向好,有望占据相当的份额。

责任编辑:潘一大