Touch ID指紋識別的原理

指紋有兩個重要特征，一個是兩根不同手指的指紋紋脊樣式不同，另一個是手指的指紋紋脊樣式終生不變。這個19世紀初的研究成果是指紋在罪犯鑒別中被正式采用的理論基礎。可以說指紋是天然的人體生物密碼，科研人員已經花了很長時間探索以指紋為核心的身份驗證系統。生活中比較常見的場合包括指紋門禁和考勤系統。

在電子設備上，10年前就已經有很多主打商業用途的筆記本電腦配備了指紋掃描器。手機方面，2011年摩托羅拉在Atrix 4G手機上采用了指紋掃描器，可以實現開機解鎖。HTC也于近期推出了一款集成指紋掃描器的大屏手機HTC One max。這兩款手機都將指紋識別模塊安排在機身背部，需要滑動手指進行操作。Atrix 4G很有創意地將電源鍵與掃描模塊整合在一起，按下電源鍵之后滑動手指即可解鎖屏幕。One max特意將電源鍵設計到機身右側，引導用戶用大拇指按電源鍵，而后通過滑動食指解鎖。該手機設計上的硬傷在于相機鏡頭和指紋識別模塊距離很近，每次掃描指紋之前都可能弄臟鏡頭保護玻璃。Atrix 4G的設計談不上糟糕，但與iPhone 5s相比就能看出，摩托羅拉和HTC在對用戶體驗的把握上，與蘋果完全不在一個段位。

蘋果在iPhone 5s上采用的指紋識別技術來自AuthenTec。2012年6月，蘋果收購了這家公司。在被蘋果收購之前，AuthenTec是全球最大的指紋識別芯片供應商，擁有名為TurePrint的專利技術，可以讀取皮膚表皮之下的真皮層信息。按照AuthenTec的說法，真正的指紋藏在真皮層。包括ThinkPad在內的主流商務筆記本電腦都采用了該公司的技術。

全球從事指紋識別研究的機構和公司眾多，新技術和實現方式層出不窮。在獲得指紋圖像的方式中，主流的包括光學傳感器、熱傳感器和電容傳感器，它們無一例外地利用了皮膚表層紋脊和紋谷（空氣層）對信號的不同反應來獲取指紋圖像。AuthenTec的獨門絕技是利用射頻傳感器直接讀取真皮層的指紋，這樣不僅能生成更精準的指紋圖像，而且不會像以上3種技術一樣受到干性皮膚、油性皮膚、皮膚磨損、皮膚結繭甚至輕微臟污的影響。它是怎么做到的呢？

首先，我們來到微觀世界，回顧一下皮膚的結構（見左圖）。皮膚的最外層是死皮層，導電性差，可以認為是一種介電質（可被電極化的絕緣體）。在死皮層與真皮層的交界處，就是真皮層發生角質化的地方，這個區域是有水分可以導電的。芯片上的信號生成器在手指和相連的半導體之間施加一個微弱的RF射頻信號，導電的鋼圈（在Home鍵周圍）將RF射頻信號與表皮下的導電層（真正的指紋）進行耦合。然后手指和芯片之間的射頻場（RF Field）會將皮膚導電層的信號“傳遞”到像素感應器，每個像素感應器就像微型天線一樣獲得電壓，紋脊部分獲得的電壓強，紋谷部分獲得的電壓弱。強弱不同的信號經過進一步的處理，就可以得到指紋圖像。

通常得到的指紋圖像是灰度圖。接下來將灰度圖轉化成便于計算機處理的二進制圖像，提取指紋的特征。首先，Touch ID芯片會根據3種基本指紋類型（弧形紋、箕形紋或斗形紋）將指紋分類，然后提取指紋紋路中的特征點：包括紋路的起點、終點、分叉點和毛孔的位置等。最后將該手指的特征點數據加密之后保存為數學表達式。通過指紋識別進行身份驗證的過程就是再次執行以上過程，然后將獲得的指紋與已經注冊的指紋數據進行比對，以確定是否匹配并解鎖 iPhone。

以上過程都發生在0.5s之內。以解鎖手機功能來講，蘋果最具創造性的地方是把傳感器放置到“用戶與iPhone自然而然頻頻接觸的地方”——Home鍵中，在絲毫不影響易用性的情況下，賦予iPhone用戶不錯的安全體驗。現在，在App Store購買應用變得輕而易舉，輕觸Home鍵即可通過指紋來確認，免去密碼輸入的煩惱。但Touch ID的潛力顯然不止于此，它不僅能用于其他需要身份驗證的場合，而且也能與觸摸屏的手勢結合起來，實現讓人意想不到的操作體驗。