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迈向生活化的指纹辨识技术
 

【作者: 許文星、許鶴齡】2004年03月25日 星期四

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指纹辨识已有120年以上的历史。 1880年10月英国人亨利(Herry Faulds)在科学期刊「Natural」介绍「指纹辨识」的观念,启动了「利用指纹作人身辨识」运用的列车。


1911年4月,日本警察建立「指纹法」。指纹比对可以作为自然人身份认定的方法,获得法律上的承认。


两枚指纹是否相同,以指纹的特征点重合程度作为认定基准。如果有13个以上的特征点重合,在法律上即认定为同一手指的指纹。现场采到的指纹(现场指纹)与嫌疑犯本人的某一手指的指纹,有13点以上的特征点重合,该现场指纹即可视为该嫌疑犯留下的指纹,而可以作为起诉该嫌疑犯在现场出现过的证据。


指纹的电脑辨识发展历经30年

影像处理及样型识别是电脑应用领域之一个分支。 1968年,第一篇样型识别论文问世,就是以电脑如何辨识指纹与染色体为题。从此,许多学者专家开始对指纹辨识投入研究。


在70,80年代,世界各国警察单位已大量建立个人的十指指纹卡(在1980年时,台湾已有600万张役男指纹卡,150万张罪犯指纹卡)。并以亨利码作十指指纹卡编码归档。但是亨利码编码法并不科学,十根手指不完整时,即无法找到该单一卡片。当时只作指纹建档及本人在警局时,按压十指指纹作身分确认用。


所以自1980年起,日本、美国及欧洲的警政单位均开始指纹卡电脑化的规划,美国FBI支持Printrak,日本警视厅支持NEC,法国政府支持Mophor开始开发指纹电脑建档及比对系统,称之AFIS(Automatic Fingerprint Identification System)。


在美国各州、日本全国、欧洲,及全世界各警政单位亦逐步导入AFIS,但AFIS为半自动化系统,必须手指沾墨按压在纸卡上建立十指指纹卡,再经扫描输入。比对结果,只取得候补名单,必须经由个人文化背景检出及人眼作最后确认。


1990年光学活体指纹读取机(Line Scan)(一种直接读取指纹的技术)开发成功。 1991年台湾Startek星友科技、美国Identix、日本三菱电机,三家公司推出指纹门禁系统,指纹辨识开始走入全自动化的新里程。


其后,全世界如富士通、NEC、ST Micro、Infineon、IBM、Lucent等数十家电子公司,开始投入省电化,小型化,提高辨识率,辨识精确化,低成本化等等一连串高投资,而且辛苦的产品化改良,以符合市场的需求。


指纹辨识的应用

以指纹辨识的应用观点,可分成三个阶段:


  • (1)第一阶段(1980年~),警政使用,犯人的检出及验证(Crime Investigations)。


  • (2)第二阶段(1990年~),门禁差勤之Gate管理(Facility management)。


  • (3)第三阶段(2000年~),个人认证,资讯管理。 (Information system / Personal information management)



其年代表如图一所示,图二则可看出指纹辨识在商业上的发展进程。


《图一 生物辨识技术与产品在日本之发展过程》
《图一 生物辨识技术与产品在日本之发展过程》
《图二 指纹辨识之商业模式发展》
《图二 指纹辨识之商业模式发展》

第一阶段是以mini-computer为平台,scanner为输入机,主要应用为警政系统。


第二阶段是以PC、微处理器为平台,光学指纹读取机(live scanner)为主流,在此​​阶段之应用,门禁系统由于价格偏高,非一般办公室大楼可以接受,差勤的应用因为效果显著,先取得商机,广受许多领域采用,诸如金融机构(如元大证券,99分公司,1998年开始?用),各县市政府(如台北市,新竹市等),中央政府机关(如国科会,新竹科学园区管理局),研究机构(如中研院史语所,工研院生医所等)等。在2000年以前,国内至少有500个单位采用指纹差勤系统,匡正人事管理制度,杜绝代打卡的弊端。


第三阶段是以网路PC、DSP、大哥大、PDA、NoteBook为平台,针对不同应用平台需求,有不同的指纹读取器。其中大哥大、PDA以line-chip sensor为主;NoteBook以Area-Chip sensor为主;PC周边、P.O.S.、ATM、保险箱及其他应用则以光学读取器为主。


2003年指纹辨识开始被应用于电梯管理,如上海汤臣花园大楼之电梯管理(永大电机,星友科技),只有被认证的人可以前往被指定的楼层。由于价格合理化成功,门禁系统也开始普及,2003年3月日本东京某法务单位大楼安装700余台FG70指纹门禁机,如图三,是一套24小时运用管理的系统。


指纹辨识模组(如图四)的发展扩大了指纹辨识的应用领域,相关应用如枪柜管理、枪盒、指纹ATM、指纹POS等等,这些设备在2003年均有采用该模组之相关商品问世。


《图四 FCP301S指纹辨认模块》
《图四 FCP301S指纹辨认模块》

在2003年5月富士通推出第一代指纹大哥大,(富士通505i,平面晶片式sensor),2004年1月富士通推出第二代指纹大哥大FOMA F900i,如图五,该手机采用SWEAP线形指纹sensor ,首创指纹辨识的平台走入了大哥大、PDA的范例,功能初步应用为个人隐私的保护,下一步则将应用在电子认证服务上。


《图五 FOMA F900i》
《图五 FOMA F900i》

指纹辨识系统

指纹机可分为网路型应用,及单机使用。网路型应用通常用在大楼及工厂的门禁管理,是否具扩充性、管理的便利性是系统能否大量使用的关键。


由于OS有Real-time的要求,1996年~2003年使用之O.S以DOS为主,但是DOS为single tasking,所以网路功能有所限制,曾经造成扩大使用的瓶颈。


单机使用则以家庭使用为主,其使用对象包括老人和小孩,操作性的便利性考量是关键。


Logical Access Control

在IT的应用上主要是Data Access Control,以电脑之Logon、Device管理及防止资料copy等网路型的应用为主。在这方面的应​​用,现阶段指纹读取机以USB I/F与电脑相连,BioAPI标准化及良好middle ware的提供,是应用扩大的关键,2004年将以PKI及ID Card应用为主流。


指纹读取机的种类

指纹输入机,第一代为十指指纹卡扫描器(1980年~1990年),第二代为光学指纹读取机(1990年迄今),见图六与图七,第三代为晶片式指纹读取机。


《图七 FC200(星友科技,CCD Image Sensor)》
《图七 FC200(星友科技,CCD Image Sensor)》

光学指纹读取机

其成像原理有利用手指接触稜鏡,造成全反射之破坏来取得清晰指纹影像的原理。


《图八 棱镜式》
《图八 棱镜式》

晶片式指纹读取机

其成像原理有电场式E-Field (Authentec, AS4000)、电容式(富士通MBF200,MKC200)、压力式(BMF)。


以图九的FCS100为例,它是采用电场式晶片,而图十的MKC200则采用电容式晶片,结合滑鼠使用。不论是电容式或电场式,两者均为CMOS晶片,使用的困难点为灵敏度及耐静电冲击问题,现有商品其最大可接受之静电冲击在8KV以下。


《图十 MKC200(电容式)》
《图十 MKC200(电容式)》

除了上述两种,还有一种是压力式晶片读取机,其原理为一层感压薄膜加在LCD平面上,没有静电冲击的问题,但是容易摩损是致命伤。在成本方面,与CMOS晶片式比较,比较有下降空间。在美国枪管理盒已有采用压力式的指纹读取器。


指纹特征以特征点为国际标准

指纹影像必须抽取其特征,利用其特征作储存与比对。指纹的特征可存于卡片、指纹门禁机或中心的资料库,以备于作人身验证时,提供标准的指纹样本。门禁、差勤应用为封闭性系统,指纹特征格式可以随厂商自行设计、储存。但是作为电子认证、出入境管理、电子护照、信用卡使用、身分证使用等用途时,由于是对公众提供服务,并且跨国使用,储存指纹资料格式及内容必须标准化才能实行,因此,从1993年生物辨识的国际标准化的活动开始进行。 2004年5月将完成大部份的标准化规范,使生物辨识的应用走入一个新纪元(开放性系统的时代)。


指纹比对已是指纹特征点的国际标准,各公司各自发展其之较佳,较准确的比对方法,但特征点的定义,及储存格式则是共通的国际标准。图十一为相同指纹的比对范例,图十二为不同指纹的比对范例。


《图十一 相同指纹的比对》
《图十一 相同指纹的比对》
《图十二 不同指纹的比对》
《图十二 不同指纹的比对》

良好的指纹系统,其相同指纹比对所得之分数必须远大于不同指纹比对之分数。日本DoCoMo大哥大的准确度要求为错误拒绝率FRR: 1%,错误接受率FAR: 0.1%(个人使用),一般门禁系统由于使用对象多,其准确度要求则为FRR: 3%, FAR: 0.001%


已建立之主要国际标准为:



其关系架构图如图十三


《图十三》
《图十三》

指纹辨识即将走入高成长期

2004年由于美国机场安全系统开始启用指纹辨识作为人身确认的主要工具,逼使世界各国必须发行电子护照配合。世界各国(尤其亚洲地区,台湾最落后)也开始在国内推动身分证加入指纹及IC卡化,信用卡也在2006年全面IC卡化,而且成为开放性架构。以上意味着人类的生活及日常活动的身分验证走入电子化、自动化,指纹辨识化时代的来临能为人类带来便利与安全,也带来了指纹辨识产业最大的商机。


指纹辨识技术发展了20多年,终于走入人类的生活,就如一场宁静的革命,但必将产生极大的震撼力。 (作者许文星为清华大学电机系教授、许鹤龄任职于星友科技)


延 伸 阅 读

指纹辨识器
近几年来,有两种价格低廉的辨识器已经快速成长。最早采用的是光学扫描器,使用许多电荷耦合器件组成的阵列来采集指尖的数位影像。所谓的矽晶辨识器,则是利用微小的电容器来感测指尖的指纹图形。

指纹辨识器 认证也认人
国内不少大学校园目前已经向新科技迈进,发展使用每个人的「随身密码」,包括个人的指纹、瞳孔、声带语音陆续进入学校电脑路系统,成为校园通关的「新证件」。

指纹钥匙 机密不外泄
指纹辨识在技术上大幅精进,核心辨识软体可安装在一颗「系统单晶片」(SoC)上,运用「类神经网路」为核心辨识技术,应可避免富贵手或干湿手指纹辨别困难的问题。
相关组织网站
星友科技网站
台北市政府民政局网站 - 指纹辨识与身分确认系统
美国国家标准研究所
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