基于安全認證的指紋識別專利技術研究

劉 穎，孫俊博

(1. 國家知識產權局專利局專利審查協(xié)作天津中心 天津300300；2. 國網天津市電力公司城南供電分公司 天津300201)

1 研究背景概述

1.1 基于安全認證的指紋識別技術背景

安全認證主要包括以下4種方式[1]：一是靜態(tài)口令方式，該安全認證方法最簡單也最常用；二是動態(tài)口令方式，其與靜態(tài)口令方式的不同點在于口令是動態(tài)變化的，從而其安全性有所提高；三是USB Key認證方式，該認證方式采用軟硬件相結合的模式，結合USB Key內部存儲的密鑰或數(shù)組證書對用戶身份進行認證；四是生物認證方式，該認證方式利用用戶獨一無二的指紋、虹膜、耳相、DNA等生物特征對用戶進行安全認證。

基于安全認證的指紋識別技術是指為了設備安全而采用指紋識別技術，通過身份證明和核實，對用戶進行確認的過程[2]。它屬于安全認證的一種，并占據(jù)十分重要的地位。利用指紋識別技術，無需攜帶任何輔助的身份標識物品就可進行個人身份的驗證[3]。

指紋識別技術出現(xiàn)伊始便引起廣泛關注，在金融、電子商務、無線網絡服務、司法、門禁系統(tǒng)、個人電子產品及電子服務業(yè)務系統(tǒng)等諸多領域廣泛應用，作為一種價格低廉、使用便捷的生物識別技術，有望獲得爆發(fā)式發(fā)展。

1.2 基于安全認證的指紋識別技術實現(xiàn)方式

基于安全認證的指紋識別技術通過指紋采集設備對用戶的指紋圖像進行采集，利用計算機圖像處理和模式識別技術對采集的指紋圖像進行特征識別、提取，并利用數(shù)據(jù)匹配技術進行指紋匹配，根據(jù)匹配結果自動認證用戶身份[4]。基于指紋識別進行安全認證的過程具體包括：指紋圖像采集、指紋圖像處理、指紋特征提取和指紋匹配。

指紋圖像采集主要包括光學取像、硅晶體電容傳感、超聲波掃描3種：光學取像技術利用光的全反射原理獲取指紋圖像；硅晶體電容傳感技術利用電子度量計捕獲指紋圖像；超聲波掃描技術利用測量的指紋信號范圍獲取谷的深度，并進一步得到指紋圖像。

指紋圖像處理主要包括指紋預處理、指紋圖像分割、指紋圖像增強。指紋預處理用于突出指紋圖像中的紋理、方向信息，消除或者減弱噪聲等無用信息；指紋圖像分割將指紋的有效區(qū)域從背景和噪聲區(qū)域中分離出來；指紋圖像增強對低質量的指紋圖像采用一定的算法進行處理，使其紋線結構清晰化，突出和保留固有的特征信息以避免產生偽特征信息。

在自動指紋識別技術的特征提取中，一般使用兩種細節(jié)點特征：紋線端點和分叉點。紋線端點是紋線突然結束的位置，紋線分叉點是紋線突然一分為二的位置。特征提取算法可以檢測指紋中這兩類細節(jié)點的數(shù)量以及每個細節(jié)點的類型、位置和所在區(qū)域的紋線方向。

指紋匹配對兩幅給定的圖像提取特征信息，進行匹配，判斷兩枚指紋是否同源，即是否來自同一個指頭。指紋匹配主要是比較兩枚指紋的細節(jié)特征來決定指紋的唯一性。

隨著科技的不斷進步，人們對指紋識別的性能和便攜性提出了更高的要求，近年來還出現(xiàn)了以單一指紋識別專用芯片代替復雜的嵌入式系統(tǒng)的情況。

1.3 基于安全認證的指紋識別技術應用現(xiàn)狀

近年來，在指紋識別領域，我國申請人的發(fā)明專利申請較多，在核心算法、產業(yè)應用方面取得了長足進步，但與美日等國的申請人相比仍存在較大差距，主要是缺乏芯片和傳感器方面的核心技術[5]，這在很大程度上制約了我國指紋識別技術的發(fā)展與產業(yè)化進程。基于安全認證的指紋識別技術比較常見的領域有：

①進行身份認證。基于指紋圖像隱形意識的個人身份驗證系統(tǒng)，該系統(tǒng)首先采集意識指紋圖像，然后進行圖像特征提取和特征優(yōu)化，最后進行特征匹配決策，克服傳統(tǒng)的依據(jù)固有物理特征進行身份認證的弊端。

②指紋密碼鎖、安全鎖。從采集的指紋圖像提取多個指紋特征點；根據(jù)所提取的指紋特征點計算兩兩特征點間的點距值；按照預定的數(shù)學模型選取多個點距值形成數(shù)字序列；對所形成的數(shù)字序列進行哈希運算以獲得其摘要值作為業(yè)務密碼；從指紋圖像生成業(yè)務密碼。可以實現(xiàn)專人開鎖，使用起來更安全。

③門禁系統(tǒng)、防盜門。房屋門安裝指紋防盜鎖，所裝的指紋防盜鎖上設有指紋驗證按鈕和紅、綠提示燈，在房屋門上裝設一個與指紋防盜鎖相連的警報器；通過指紋識別器來控制保護蓋的開閉。使用該裝置為防盜門增添了雙重保險，即使鑰匙丟失或被仿制，防盜門也不會被輕易打開。

④手機等電子設備。通過在手機上設置多重鑒權，在用戶身份驗證、手機金融服務等領域具有極強的應用價值，從而可以真正實現(xiàn)手機身份證、手機銀行等功能，增強用戶的使用效果，具有較高的經濟價值。

⑤指紋支付。將現(xiàn)場支付指紋信息與存儲在所述IC卡中的指紋模板進行比對，若比對失敗則拒絕交易，若比對成功，則由后臺系統(tǒng)對現(xiàn)場支付指靜脈信息與存儲在后臺系統(tǒng)中的指靜脈模板進行比對，若比對失敗則拒絕交易，若比對成功則授權交易，能夠有效提高身份認證安全等級。

2 專利申請現(xiàn)狀

本文在中國專利摘要數(shù)據(jù)庫(CNABS)和德溫特世界專利數(shù)據(jù)庫(DWPI)中分別對關鍵詞“指紋、識別、匹配、身份、認證、安全、解鎖、密碼；fingerprint、identif+、match+、recogni+、code、access+、secure、security、identity、authentication、password”進行檢索，主要IPC小類為G06K、G06F，檢索文獻涵蓋了申請日在2016年12月份之前的全球發(fā)明和實用新型專利申請，利用S系統(tǒng)中的統(tǒng)計命令對該領域的專利申請數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，得到了專利申請趨勢、專利申請所屬地域分布、主要申請人分布和技術分布等信息。

2.1 全球專利分析

2.1.1 全球專利主要申請量分布

在1986年以前，全球只有美國申請過該技術專利，美國在1970、1971、1977、1978年分別申請過1件；中國直到1987年才申請第一件專利，時隔6年到1994年又申請一件相關專利。從圖1看出，在2004年以前中國專利的申請量遠不如其他國家，此后開始有所增長，但是速度很緩慢。從圖1可以看出，在2007年以前中國專利申請量一直處于落后地位，然而從2010年開始，中國年申請量開始超越世界其他國家，說明中國基于安全認證的指紋識別技術開始崛起，2017年有所回落，因為部分專利申請還未公開。美國指紋識別技術一直處于全球領先地位，并且年申請量也保持穩(wěn)定增長。

圖1 全球基于安全認證的指紋識別技術專利主要申請人分布Fig.1 Distribution of main applicants for fingerprint identification technology patents based on security authentication

2.1.2 全球專利區(qū)域分布

由圖2可以看出，全球范圍內，在中國的申請量最多，其次是美國、日本，其他國家相對較少。中國作為全球人口最多的國家，電子產品和網絡系統(tǒng)的發(fā)展非常迅速，在基于指紋識別的身份認證應用領域其市場前景巨大，所以各申請人爭先在中國進行該領域的專利布局，為相關產品進入中國市場做準備。在美國的專利申請量僅次于中國，在日本和韓國的專利申請量次于美國，說明韓國、日本、歐洲等在基于指紋識別的身份認證領域的發(fā)展也相對較快，其市場前景不容小覷。

圖2 全球基于安全認證的指紋識別技術專利區(qū)域分布Fig.2 Global patent distribution of fingerprint identification technology based on security authentication

2.1.3 全球專利IPC分布

由圖3可以看出，基于安全認證的指紋識別技術相關的專利申請主要集中在H部和G部，主要針對互聯(lián)網、數(shù)據(jù)庫和信息索引等相關領域，其中G06K、G07C、G06F占主要比重。G06K(模式識別領域)，通過圖像獲取、圖像預處理、特征提取、使用電子設備進行分類，主要的CPC分類號為G06K9/00。除上述領域外，在其他領域中也有大量專利申請。由此可見，基于安全認證的指紋識別技術應用或涉及的領域非常廣泛，具有廣闊的研究空間和應用前景。

圖3 全球基于安全認證的指紋識別技術IPC分布情況Fig.3 Global IPC distribution of fingerprint identification technology based on security authentication

2.1.4 全球專利主要申請人分布

結合圖4分析，中國廣東歐珀移動通信有限公司(OPPO)和國家電網總申請量在全球范圍內較為領先，主要是因為在2015、2016年申請量突然大規(guī)模增加。而國際大公司，如國際商業(yè)機器公司(IBM)、三星電子株式會社、LG電子有限公司等申請量一直穩(wěn)定增長。我國基于安全認證的指紋識別技術在2015、2016年的急劇增長，體現(xiàn)了該技術發(fā)展迅速。

圖4 全球基于安全認證的指紋識別技術專利主要申請人分布Fig.4 Distribution of main applicants for fingerprint identification technology patents based on security authentication

2.2 中國專利分析

2.2.1 技術發(fā)展趨勢分析

從圖5可以看出，隨著中國經濟發(fā)展，基于安全認證的指紋識別技術專利申請量也相應增長。1994—2000年申請量增長緩慢，每年不超過10件；2001—2008年，年度申請量由17件增加到84件。進入21世紀后，手機、密碼鎖等電子產品快速發(fā)展，促進基于安全認證的指紋識別技術的發(fā)展，基于安全認證的指紋識別技術進入活躍期。從2009年至今，年申請量快速增加，進入飛速發(fā)展期，尤其是2015、2016年增長量達到歷史之最。雖然2017年部分專利還未公開，但鑒于該技術的迅猛發(fā)展，預計仍會持續(xù)增長。綜上，基于安全認證的指紋識別技術在中國的發(fā)展可以分為以下3個階段：萌芽階段(1994—2004年)、緩慢增長階段(2005—2010年)、快速增長階段(2011年—至今)。

圖5 中國基于安全認證的指紋識別技術專利申請量年度分布Fig.5 Annual distribution of patent applications for fingerprint identification technology based on security authentication in China

2.2.2 中國專利申請地區(qū)分布

從圖6可以看出，北京、深圳、上海、江蘇地區(qū)的申請量較多，這些地區(qū)是信息技術發(fā)展的核心地區(qū)，其中深圳的專利數(shù)量位居第一，北京次之，廣東和江蘇分別位于第三、第四位，上述4個省市的專利數(shù)量占總量的45%左右。如圖6所示，各省市地區(qū)在基于安全認證的指紋識別技術上的研發(fā)投入有較大不平衡，這是由區(qū)域性經濟差異導致的，經濟發(fā)展較發(fā)達區(qū)域的專利數(shù)量較多，經濟發(fā)展相對落后區(qū)域的專利申請量較少。

2.2.3 國內主要申請人的分布情況

從圖7可以看出，以主要申請人所在企業(yè)進行排名，廣東歐珀移動通信有限公司(OPPO)排名第一，緊隨其后依次是國家電網公司、宇龍計算機通信科技(深圳)有限公司、貴州永興科技有限公司、努比亞技術有限公司、南昌歐菲生物識別技術有限公司等。由此說明，在基于安全認證的指紋識別技術領域的專利申請，國內大公司占據(jù)絕對優(yōu)勢，同時，也從側面反映出基于安全認證的指紋識別技術的產業(yè)化程度水平較高，已經從純理論研究轉向規(guī)模化產業(yè)生產應用。

圖6 基于安全認證的指紋識別技術專利在我國各省的申請量分布Fig.6 Distribution of patent applications for fingerprint identification technology based on security authentication in various provinces of China

圖7 基于安全認證的指紋識別技術在中國的主要申請人分布Fig.7 Distribution for principal applicant of fingerprint identification technology based on security authentication in China

相對于全球來說，即使是中國技術領先的大公司，在基于安全認證的指紋識別技術上也都起步較晚。在圖8中，總體來看，2012—2016年是國內基于安全認證的指紋識別技術的快速增長期，2011年以前申請量微乎其微，到2012年才開始迅速發(fā)展起來，在2015、2016年突飛猛進，申請量大幅增加。貴州永興科技有限公司的專利申請量主要集中在2016年，宇龍計算機通信科技(深圳)有限公司和南昌歐菲生物識別技術有限公司在2015—2016年專利申請量有所回落，而其他4個公司的申請量仍在繼續(xù)增長。

2.2.4 中國申請的IPC分布

從圖9可以看出，國內申請的專利的IPC主要分布在G06K、G06C、G06F等領域，其中G06K(模式識別領域)通過圖像獲取、圖像預處理、特征提取、使用電子設備進行分類，主要的CPC分類號為G06K9/00、G06C(一切計算均用機械方式實現(xiàn)的數(shù)字計算機)、G06F(電數(shù)字數(shù)據(jù)處理)。可以看出，中國在上述領域與全球專利的IPC分布相似度很高，說明中國在該技術領域是與國際接軌的。

圖8 中國基于安全認證的指紋識別技術重要申請人的歷年專利申請量Fig.8 Annual patent application number of fingerprint identification technology applicants based on security in China

圖9 中國申請的IPC分布Fig.9 IPC distribution of Chinese applications

2.2.5 中國申請人的類型構成

圖10中，在基于安全認證的指紋識別技術領域，國內申請人構成企業(yè)占主要比重，高達66.36%，其次是個人和大專院校，分別占21.27%和10.29%，可以看出基于安全認證的指紋識別技術研發(fā)已經比較成熟，并已在市場中成熟應用。

2.2.6 中國申請的法律狀態(tài)

圖11中，中國基于安全認證的指紋識別技術，授權率高達43.3%，同時有24.21%在實質審查中，其次是權利終止的概率在15.36%，駁回率和視撤率都不高，說明中國的專利申請具有很高的創(chuàng)造性和價值，這在一定程度上體現(xiàn)了國內基于安全認證的指紋識別技術越來越強，而且處于高速發(fā)展期。

圖10 中國申請人類型構成Fig.1 0 Chinese applicant type composition

圖11 當前中國申請的法律狀態(tài)Fig.1 1 Current legal status of Chinese application

3 審查實踐

針對審查實踐，下面通過具體案例說明如何利用該技術提高審查工作效率。

申請?zhí)枺?01110421683.4

發(fā)明名稱：基于多指紋的識別系統(tǒng)及其方法

技術方案：如圖12所示，一種基于多指紋的識別系統(tǒng)及其方法，通過同時擷取多個指紋產生指紋圖像，并且解析指紋圖像形成指紋特征，以便將指紋特征與對比特征進行比對，當比對符合時判斷為識別成功，反之則判斷為識別失敗，用以達成提高指紋識別的安全性的技術功效。

圖12 指紋識別系統(tǒng)的簡化圖Fig.1 2Simplified diagram of fingerprint identification system

分析說明：本發(fā)明與現(xiàn)有技術之間的差異在于本發(fā)明是通過同時擷取多個指紋以產生指紋圖像，并且解析指紋圖像形成指紋特征，以便將指紋特征與對比特征進行比對，當比對符合時判斷為識別成功，反之則判斷為識別失敗。通過上述的技術手段，本發(fā)明可以達成提高指紋辨識的安全性的技術功效。可見，在檢索中利用“指紋”“識別”“特征”“比對”等相關關鍵詞進行檢索，在專利庫中很快篩選到了對比文件CN2578903Y，可以評述本申請的創(chuàng)造性，提高了檢索效率。

4 結 語

從整體上看，美國基于安全認證的指紋識別技術起步較早，一直在穩(wěn)定增長并且已經相對成熟。隨著該技術應用的日趨廣泛，中國的基于安全認證的指紋識別技術和專利保護意識都在增強，相關的專利申請在近幾年急劇增加，并蓬勃發(fā)展。在了解基于安全認證的指紋識別技術的發(fā)展情況后，可以更清晰地了解圖形檢索技術的構架，及其應用領域和技術需要改進的方向，幫助自己快速理解發(fā)明，準確獲取發(fā)明構思，利用分類號及發(fā)明點進行有效篩選對比文件，提高基于安全認證的指紋識別案件的檢索效率和審查效率，促進中國基于安全認證的指紋識別技術的專利授權工作。