指纹门锁的识别装置原理及安全体验

PS:文章较为生僻，是偏重于纯技术性的科普文章！

现在大家无论是手机还是门锁领域里，半导体指纹识别装置都已经被广泛的应用上了，首先是手机产业，目前绝大部分的高、中、低端手机的指纹识别应用已经非常的普遍，而在智能门锁领域，指纹识别也占据着绝大部分的产、销量，半导体指纹识别装置在智能门锁中有市场份额也有半壁江山。截止目前我国智能门锁领域内半导体应用识别至2016年取得了急速的发展，年均增长超过百分之百，截止2017年底我国智能门锁领域内半导体指纹识别装置的应用数量已经超过400万套左右，预计2018年的需求将超过800套，未来的5年内的总需求超过3000万套，是目前全球半导体指纹识别装置除手机外增长和保有量Z大的市场。

 

但是目前绝大多数的市场经销商和消费者，甚至部分的智能门锁的生产企业的技术工人都不了解半导体指纹识别装置的工作原理和机制，很容易被一些有不良的现象所利用，导致产品选择上出问题，甚至引起消费者的不信任。

什么是半导体指纹识别

得用半导体（电容）的电感应手指纹路凸凹之间的电位差异，从而得出指纹识别图像或特征点，并能够相应识别的办法。那么就不难理解，半导体指纹识别装置工作应该分为两部分，一部分是硬件，包括半导体器件（传感器）、处理芯片、存储芯片，一部分是软件部分，核心是算法。总体四部分为主。

其中半导体器件（传感器）负责感应电位差，处理芯片负责将得到的图片或特征进行运算和判断，存储芯片负责储存相关数据和算法，这其中核心部分是传感器，它的好与坏直接在硬件层面上决定了识别的效率和准确性，其次是处理器，这是整个半导体指纹识别装置的中枢部分，处理器决定了算法的速度，识别的效率还有智能门锁功耗的大小，Z后是存储器，但是三者之间是共荣共生的，传感器再好，处理器不行的话，一样也达不到应用效果，前两都都优秀，但存储器不能存储更多的数据，Z终总体效果也是枉然。

软件的算法，在整个半导体指纹识别装置上处于指挥者的位置，硬件是基础，算法是功能和体验的重要体现，所谓指纹识别算法，是指在指纹识别过程中，对采集的指纹图像预处理，数据特征提取、特征匹配等一系列解决问题的清晰指令。整个个指纹识别算法当中，包括三部分的，其中首先是预处理，主要是将录入指纹进行改善，以提高识特征提取的准确性；其次是指纹特征提取：是指对某个特定区域或特征信息进行提取，从而去掉大量的伪特征，提升识别的效率和准确性；Z后是匹配，也就是基于上述两点基础上存留信息，在那录入指纹后进行各项特征和图像的匹配。

半导体指纹识别装置与指纹锁连接的方式

当前在指纹门锁应用领域中，半导体指纹识别装置与指纹门锁连接的方式主要分为以下两种，一种是相对独立的以套件的形式存在，另一种是与电子方案的各组件相集成。

相对独立是：半导体指纹识别装置以套件的形式存在于指纹门锁当中，其传感器、存储器、处理器三个主要配件均独立于指纹门锁的电子方案之外，仅通过数据线与指纹门锁电子部分相连接，指纹识别的应用相对独立。这样做的优点是可适配性强，容易维护，更新容易，降低电子开发的难度，形成模块化的应用；缺点是集成度不高，体积相对较大，成本相对较高；

集成方案是：半导体指纹识别装置以相对集成的方式存在指纹门锁当中，仅半导体传感器以插接或数据线连接等方式与电子方案的PCBA主板连接，也 就是说将处理器、存储器等集成在整体电子方案的框架当中，指纹识别已经溶于整体方案当中，指纹识别装置仅是电子方案中的一部分。这样做法的优点是：产品质量容易把控，集成度较高，成本相对低廉，更新更加容易；缺点是：增加了开发难度，无法形成模块化应用，适配性较差，同一类指纹识别装置无法与其它电子方案完全匹配。

两种连接方式，其中以第一种连接方式的指纹门锁的生产厂爱为Z多，集成方案的仅占比极少数的一部分，但集成方案的生产企业大部分都是技术力量较强或有非常固定的供应商的生产企业，且规模都相对较大。

指纹算法的在指纹门锁当中安全地位

指纹门锁的电子部分的安全的核心就在指纹识别装置，无论是识别效率的高低，识别的准确性的强大还是识别的精准度，被破解的难易程度等等都是决定着指纹门锁的Z终的产品质量和安全。而这些除了指纹识别装置在硬件上在足够好之外，还要求在算法上有非常高的造诣。

指纹算法的种类，目前在国内指纹门锁的算法主要包括三种类型，一种类型是以图像为基础的特征识别算法，其主要原理是通过手指纹在传感器上形成的经过预处理之后，提取成相应的整体图像，在识别时通过整体/部分图像比对一致/不一致做出判定的算法类型，但因为图像会发生变化，或者接受面过小的时候图像判断难度增大，一般这类算法都具备自学习功能，以解决接受面积过小的弊端，所以这类算法适用于小面积传感器，是从手机指纹识别算法衍生出来的，所以整体成本较低，另一种是以指纹特征点为基础的特征识别算法，其原理是，通过传感器按压，指纹图像预处理之后，提取的指纹图像上的相应不同区域特征点，在识别时通过比对图像上特征做出一致/不一致判定的算法类型，这种算法不会因为图像发生变化而出现无法识别的，只要特征存在，就可以识别，但这种算法对传感器面积过小时特征不明显的容易出现识别效率低下的原因，因此不适用传感器面积过小的产品，比如手机。因此整体成本偏高；第三种则Z近几家专注于指纹识别算法的公司开发出的基于图像和特征点两种类型为一体的算法类型，这种类型是基于上述两者的优点的集合，利用特征和图像两者的优点进行识别，整体成本居于中游地位。

安全，从工作原理上我们很容易分析出，基于图像识别的安全相对较差，因为图像是容易被复制的，而且由于大部分基于图像识别的装置传感器面积过小，为了体验感更好，大都具备了自学习功能，这也导致了前阶段所产品的桔子皮解手机指纹锁的出现，其正是利用了图像算法的不足，无法大面积的对图像比对，而且具有自学习功能，通过导电笔和导电纸让“桔子皮”也可以“指纹识别”，但目前因为指纹识别面积过小，体验感反而不好，而且指纹门锁应用图像算法的企业不多，仅极少数的低价品牌受到了波及，但这也是要让我们警惕的，不能因为成本和体验就牺牲了安全。

基于特征识别的安全则非常好，因为其基于特征信息进行识别，而且特征信息一般都是不容易发生改变的，而且从原理上我们也得出，传器面积都是大面积的，使得复制指纹的难度呈几何数级的增长，这极大的提升了识别的安全性能，基本上不可能实现所谓的“桔子皮”开锁，这也是当前指纹门锁生产企业主流采用的算法，这同样是为什么，绝大部分有品牌的指纹门锁在此次事件当中没有被波及的重要原因。

而基于两者优势的图像+特征识别算法，目前来看是发展前景Z好的，前者价格低，但安全性堪忧，第二种，安全性没问题，但整体成本偏高，随着市场和产业的发展，未来将会更多的集中于高端产品，而基于两者优势的算法，一方面利用了前者速度、效率的和降本的优势，另一方面还具备的特征识别的安全性的优势，Z重要的是这样整体成本也会出现合理的下降，未来可能会成为发展的趋势之一。

指纹识别装置的指纹门锁产品体验与安全的关系

指纹门锁是一个重度体验的产品，是高频次使用，高频次体验的产品，基本上每家一天至少体验十次以上，Z高的甚至高过三十次，因此指纹门锁的使用体验决定着消费者购买时候的欲望。而指纹门锁的体验Z核心、Z为关键的地方则在指纹识别装置上，这是消费者使用过程中接触Z频繁，使用体验感触Z多的地方，所以指纹识别装置的体验基本上决定了指纹门锁产品的体验感。

而指纹识别装置的体验与安全在硬件和软件上却是辩证的关系，体验好、安全性能好，一般成本都会极高，因为这里要求传感面积要大一些，算法要高端一些，存储器要大一些，快一些，处理器速度要快一些，这样效率体验好，却会造成成本和功耗的急剧上升，上升到消费者无法接受的地步，试想指纹门锁一周或两周更换一次电池消费者能接受吗？或者为了降低功耗，让算法更容易通过一些，其它的性能保持一定，虽然体验较好，可以达到0.x秒开门，但安全性能却也下降很多，无法保证安全的指纹门锁，那还能是算是一把安全的锁吗？

所以一般现在各大指纹识别装置研发厂家都采用了第三种方式，利用三者的辩证的关系，在设定好功耗的大前提下，同时提高算法、传感器、处理器、存储器的水平，从而达到指纹门锁产品使用体验的Z终目的，Z终达到消费者满意的水平。

来　源：知乎《地球大战》专栏

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微　博：制锁行业中心赵宏武