指紋鎖的發(fā)展研究

田師思

（中國人民公安大學(xué) 偵查與刑事科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京100038）

1 概述

近年來，鎖具市場對指紋鎖的投入正飛速上漲，市場需求也在逐年遞增。從汽車、手機支付到高檔小區(qū)門鎖，指紋鎖悄然覆蓋了人們生活的每個角度。但近年來關(guān)于指紋鎖安全問題的報道屢見報端，從偽造指紋膜到黑盒破解，指紋鎖安全性問題的研究探討顯得更為急迫指紋的特定性和穩(wěn)定性是指紋鎖在身份識別和門禁控制領(lǐng)域有了廣泛的應(yīng)用[1]。并通過附加溫度測量，皮膚彈性以及血管探測技術(shù)實現(xiàn)對偽造指紋的識別。指紋鎖具有易推廣，技術(shù)門檻較低，應(yīng)用廣泛，適應(yīng)能力好，誤識率低，操作簡便快捷，識別過程安全可靠的優(yōu)點，同時在使用中其仍存在漏洞和缺點。指紋鎖的適用環(huán)境有較高要求，對手指溫濕度，表面清潔程度有一定條件：對于脫皮或指紋紋線較淺者識別效果較差。

鑒此，本文旨在通過對指紋鎖構(gòu)造和識別方式的分析，探討指紋鎖的安全性，專注于三種主流指紋識別方式，橫向?qū)Ρ雀黝愔讣y鎖識別技術(shù)的優(yōu)劣情勢，縱向探討指紋鎖與其他生物識別電子鎖的適用范圍和未來趨勢[2]。

2 指紋鎖識別原理概述

指紋鎖識別指紋主要通過指紋圖像獲取、預(yù)處理獲取圖像、提取紋線、標(biāo)記并提取細節(jié)特征、保存提取數(shù)據(jù)并算法比對。將指紋傳感器獲取的圖像，經(jīng)過圖像空間采樣、二值化處理得到清晰的紋線，再利用識別算法標(biāo)記特征位置和方向，把保存后的特征數(shù)值與庫中的指紋匹配對比完成指紋識別。指紋鎖主要由電子電路和機械鎖具兩部分組成，電子部分負責(zé)識別身份并傳輸對比成功信號，由機械鎖具部分完成開鎖。電子電路部分可分為指紋傳感器、微處理器控制部分和電機部分，指紋鎖電路框圖如圖1 所示。

3 目前主流指紋識別技術(shù)

移動終端領(lǐng)域的指紋識別系統(tǒng)代表著指紋鎖領(lǐng)域的最高水平和前沿研究[3]。因此主要關(guān)注手機上搭載的指紋識別技術(shù)的對比。下面主要介紹三類指紋識別系統(tǒng)：光學(xué)指紋識別系統(tǒng)、電容式指紋識別系統(tǒng)、超聲波指紋識別系統(tǒng)。

3.1 光學(xué)指紋識別技術(shù)

光學(xué)指紋識別，是研究最早應(yīng)用最廣的指紋識別技術(shù)；由于皮膚表面存在著數(shù)量不同的油脂汗液，當(dāng)壓有紋線的玻璃受到光的照射時，入射光線會在指紋紋線與三棱鏡表面接觸處發(fā)生全反射，光的反射量會隨著紋線上脊線和谷的深淺變化而改變[4]。光學(xué)指紋傳感器是目前市場流通中價格最為便宜的一類識別器，技術(shù)投入使用時間早，是最為成熟的識別技術(shù)。但手指較干燥時，紋線在玻璃表面貼合度不高，手指越干，光學(xué)指紋傳感器的識別率就越低，拒真率也就越高[5]。

3.2 電容式指紋識別

電容式指紋識別系統(tǒng)是將半導(dǎo)體芯片的表面分割為諸多像，于脊線寬度相比，每一個像元更為細小，把手掌皮膚表面視作電容一極，由于芯片到指紋紋線谷底和脊線的空間距離不同，因此指紋識別傳感器檢測到的電容值不同，根據(jù)電容信號的強弱差異可以通過芯片算法生成紋線圖像（如圖3）[2]。電容式指紋識別傳感器能夠在自動控制技術(shù)的幫助下以及通過算法調(diào)整，獲得高達600dpi 的清晰指紋對比圖像。然而，電容式傳感器所具有的最大的缺點是其容易產(chǎn)生靜電干擾。當(dāng)手上有著水分存在時，電流會受到水導(dǎo)電性的影響導(dǎo)致傳感器無法測得準(zhǔn)確的電流數(shù)據(jù)，也就無法精準(zhǔn)識別用戶指紋。

3.3 超聲波指紋識別

超聲波指紋傳感器是基于脈沖回波原理（pulse-echo），將超聲波頻率限制在1×104～1×109Hz 限度內(nèi)，既可以避免超聲波能量過大損害身體健康，又能最大程度利用超聲波對各種材料的穿透功能[6]。超聲波指紋識別傳感器是當(dāng)下最為先進的技術(shù)。當(dāng)手指觸摸屏幕時，傳感器向指紋表面發(fā)送超聲波，利用皮膚與空氣密度不同，構(gòu)建3D 圖像。有著極好的抗污能力，可以完美識別濕潤手指和贓污手指，為其他活體檢測提供有效數(shù)據(jù)。對于干濕手指，超聲波指紋識別系統(tǒng)可做到99%成功識別率。由于其能深入皮膚表層獲得真皮下指紋紋線，能從根本上杜絕偽造指紋問題。相較于光學(xué)指紋識別模組，其理論上可以占據(jù)更小的空間，并且可以手機屏幕的任何位置完成指紋識別[7]。但是超聲波識別傳感器對于屏幕玻璃材質(zhì)的厚度有著特殊要求，并且超聲波信號在手機內(nèi)部傳遞時遇到復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)會影響信號的傳導(dǎo)，從而造成傳感器的識別精度下降。

4 指紋識別系統(tǒng)安全性分析

過去二十年里，偽造指紋隨著指紋識別技術(shù)的發(fā)展而不斷更新?lián)Q代[8]，指紋識別系統(tǒng)面臨著多重角度的攻擊威脅，一方面是來自傳統(tǒng)物質(zhì)層次，通過模仿指紋騙過識別系統(tǒng)；另一方面針對識別系統(tǒng)本身的攻擊也層出不窮。下面我們從各個角度介紹一下目前常見或可實現(xiàn)的對指紋識別系統(tǒng)的攻擊方式和潛在威脅[9]。

4.1 指紋圖像制膜法

利用所獲得的高質(zhì)量指紋圖像，通過高精度儀器處理，生成細膩逼真的指紋膜。這項技術(shù)對于相機分辨率的要求很高，并可通過對構(gòu)成指紋膜相關(guān)化學(xué)材料的優(yōu)化生成更為難以識別的指紋。這一技術(shù)方法打破了傳統(tǒng)意義上偽造指紋需要收集實體指紋紋線的界定，只是技術(shù)難度較大。

4.2 硅膠指紋膜偽造技術(shù)

首先利用塑形材料獲得目標(biāo)對象的指紋模具，然后加入硅膠凝膠等高分子材料，通過拓印倒模得到硅膠指紋模。目前，硅膠指紋模偽造技術(shù)是最為多見的，該方法對目前手機市場絕大多數(shù)指紋識別奏效。硅膠或電容黑膠指紋模紋線清晰完整，與真實指紋的相似度、契合度十分接近，已經(jīng)成為智能手機識別安全的一大威脅。

4.3 3D 打印偽造指紋膜

以“分層制造，逐層疊加”原理工作的3D 打印機開始應(yīng)用到指紋偽造領(lǐng)域。生物3D 打印技術(shù)是其一個分支，通過采用不同材質(zhì)的生物材料以實現(xiàn)打印要求。但因為其皮膚細胞培養(yǎng)的難度系數(shù)較高，3D 打印皮膚技術(shù)還處在實驗研究階段，還不能真正應(yīng)用于實際臨床領(lǐng)域。未來該技術(shù)可能用于偽造生物身份，以欺騙識別系統(tǒng)獲得身份認證。

4.4 針對指紋識別系統(tǒng)的電子攻擊

通過計算機電子層面對識別系統(tǒng)自身漏洞進行攻擊，重放攻擊、盜取底層數(shù)據(jù)或篡改系統(tǒng)模板以及匹配結(jié)果會造成指紋鎖錯誤開啟的問題。由于各指紋識別系統(tǒng)是基于所儲存的指紋特征進行識別，因此獲得系統(tǒng)數(shù)據(jù)后逆轉(zhuǎn)加密過程直接得到的原始指紋圖像對識別系統(tǒng)的攻擊成功率可達95%。并且可以通過偽裝電子信號，繞過識別系統(tǒng)直接發(fā)送開鎖信號到電機模塊，已實現(xiàn)開鎖目的。

5 結(jié)論

隨著計算機技術(shù)的不斷迅速發(fā)展，指紋鎖可以應(yīng)用到信息安全保護的領(lǐng)域也不斷擴大。并且在隱私安全方面的挑戰(zhàn)日益加劇的今天，傳統(tǒng)的密碼系統(tǒng)無法有效防止入侵和攻擊。以指紋識別技術(shù)為主的生物識別系統(tǒng)將會在未來從各個方面保護個人信息和財產(chǎn)安全。

指紋鎖的發(fā)展在提高指紋識別精度和準(zhǔn)確性的同時，其價格的下降為擴大應(yīng)用鋪好了前行的道路。將之應(yīng)用到實際業(yè)務(wù)辦公，快速鑒別個人身份和身份授權(quán)提高工作效率。未來在為每一個人建立電子檔案后，通過使用人身一系列生物特征作為該人的獨有數(shù)字證書作為身份識別的標(biāo)志，一方面可以加強安全防護，另一方面可以便捷操作[10]。