生物识别：你的身体就是密码

生物识别技术的发展简史

生物识别一词起源于希腊单词“bio”(生命)和“metric”(计量)。自人类文明出现以来，人脸就被用于鉴定身份。但是，人口的不断增长令这种做法变得不切实际。指纹验证当然是大家最熟悉的生物识别方法，可追溯到使用手指和掌纹给洞穴画“签名”的史前人类。指纹验证早在公元前500年便已开始在商业环境中使用。Nehesmc

1858年，印度公务员William Herschel在合同背面印上掌纹，生物识别作为一种身份验证形式自此诞生。1903年，纽约警方开始使用指纹来识别罪犯。虹膜验证的概念则是由眼科医生Frank Burch率先提出的，半自动面部识别是Woody Bledsoe、Helen Chan Wolf和Charles Bisson于1964年率先实施的。Nehesmc

今天，声音、步态、耳形、甚至体味都可作为一种生物识别手段来验证身份。但是，直到苹果公司于2013年发布内置指纹识别功能的iPhone 5S后，生物识别才真正成为应用于大众市场的主流技术。Nehesmc

Visa组织曾在2016年对来自七个欧洲国家的14000多名受访者进行了一项调查研究，结果表明：Nehesmc

• 近四分之三的欧洲人(73%)认为在双因子身份认证中使用生物识别技术是一种安全的方式，能够有效地验证帐户持有人的身份，超过三分之二的人(68%)表示愿意在付费时使用生物识别技术来进行身份验证。
• 37%的欧洲男性可能会换掉那些不提供生物识别支付服务的银行，而女性似乎更忠诚，这一比例仅为29%。
• 几乎三分之一的消费者(31%)因为安全支付流程的繁琐而放弃了网上购物的最后结算。但是，如果流程采用生物识别技术，他们很可能会完成整个购买流程。
• 一半的欧洲受访者(51%)认为，生物验证可以带来比传统方法更快捷、更轻松的支付体验。

业内人士预测称，未来几年内，生物识别技术将从银行和支付领域朝着移民控制、电子政务、医疗卫生甚至劳动力管理等多个其他领域进行扩展。如果该技术能按预期那样在未来几年内蓬勃发展，那么，今后面部识别将占据主导地位，其次是多模态生物识别和虹膜识别——所有这些都将超越指纹识别。此外，行为生物识别也将呈现出增长趋势。而随着生物特征识别成为所有人访问大量基础服务的通行证，三位一体的身份、安保和隐私显然必须得到支持。Nehesmc

其实，很多时候用户需要的是“安全感”—从心理层面讲，他们需要感觉到自己存储在设备中的私人数据是安全的。有时，他们会习惯性地期待在屏幕上看到一个盾状符号，以显示安全软件正在运行，为他们的数据保驾护航。因此，在金雅拓(Gemalto)提供的一份报告中显示，80%的受访者表示如果安全应用能够在手机屏幕上以可视化的方式加以显示，他们就会更有信心。Nehesmc

屏下指纹的现状与未来

指纹、人脸和虹膜，是目前智能手机所使用的三大主要生物识别技术。而指纹识别之中，又以电容式指纹识别发展最为成熟，光学式与超音波指纹识别则是在今年开始有突破性发展。Nehesmc

根据研究机构IHS Markit的预测，2019年使用屏下指纹传感器的智能手机出货量至少将达到1亿台，到2020年则进一步翻倍至2亿台，市场空间超过20亿美元，有望在未来3年保持高速增长。Nehesmc

而TrendForce旗下拓墣产业研究院最新报告也指出，2017年新突思(Synaptics)的光学屏下指纹识别成本尚需要12-15美元，但随着汇顶(Goodix)、思立微(Silead)等厂商的加入，预计2019年其成本将有机会下降至8美元以下。此外，超音波与光学屏下指纹识别技术占手机指纹识别市场比重，也将从2018年的3%拉升至2019年的13%。可以预期，未来多数手机品牌将同时推出具备指纹识别(无论是否为屏下)与人脸识别技术(包含3D与2D)并存的产品。Nehesmc

• 汇顶：卧薪尝胆，重树屏下指纹地位

“屏下光学指纹识别技术，是由中国企业抢在苹果、三星之前商用成功的，其过程的辛苦不为人知。我们历经了5年的摸索，中间也有人曾质疑过这项技术是做不到的。做到业界首例对汇顶来说也是一个质的转变，这场仗打下来，大家的信心已完全不同。这也是中国半导体产业的进步，今后大家会更有胆识和信心去创新。”汇顶科技首席技术官皮波博士日前在一场媒体沟通会上这样感慨。Nehesmc

一年前，苹果新机iPhone X采用3D人脸识别后，国内手机业界一度对屏下指纹失去信心，但经过一年的市场验证，vivo X21 UD、华为Mate RS保时捷设计、小米8探索版、vivo NEX旗舰版，vivo X23等机型均采用了汇顶的屏下光学指纹识别方案，今年下半年会有更多机型发布。Nehesmc

此前，屏下光学指纹的主要瓶颈在于强光环境下的干扰、干手指以及低温环境下的障碍，这些问题目前已基本克服。现在，汇顶屏下光学指纹识别方案在解锁速度和识别率方面已与电容指纹识别一样，平均解锁速度可达 0.35秒，还有进步空间，而且能支持OLED软、硬屏。同时，其屏下光学指纹识别方案采用的独创式分离设计，光学指纹模组无需与屏贴合，模组直接交给整机厂商，大大减轻了商用难度，降低了生产的隐形成本，终端厂商非常欢迎。Nehesmc

对于业界比较期待的一些新技术，皮波博士表示，LCD屏下指纹识别困难巨大，目前暂时还没有明确的办法，但好消息是LCD方案在成本上能够更放开手去做；全屏指纹识别虽然在技术上能够实现，但成本更高，需要手机厂商综合考虑。不过，汇顶全球首创的活体指纹识别技术(Live Finger Detection)，将指纹和心率检测集成在一起，能够提供更高的移动支付安全性，并已成功商用于中兴、魅族等品牌的旗舰机型。Nehesmc

“未来，多重生物识别组合才是最被认可的手机加密方式，很多手机厂商也将采用‘屏下光学指纹＋人脸识别’的方案。”皮波博士说。Nehesmc

• Synaptics：安全高于一切

Clear ID光学屏幕指纹传感器和SentryPoint安全套件是Synaptics在生物特征识别领域的两把利器。在vivo X21 UD智能手机、小米8透明探索版智能手机中，我们都能看到FS9500 Clear ID光学屏幕指纹传感器的身影。Nehesmc

Synaptics亚太区高级市场经理廖仲雯介绍说，Clear ID光学屏幕指纹传感器专为全面屏设计，可置于OLED触摸屏内，消除了对按钮及边框的需求。屏幕中的指纹图标能够引导用户并在认证后消失。此外，Clear ID的识别速度也快于其他生物识别技术，包括3D面部识别，一触式生物认证可带来便捷体验。Nehesmc

进行身份验证和安全的电子交易曾经是简单的密码和用户识别号码的主要工作，但这些方法都不可避免的存在被盗用的风险。相较于其他不够安全的验证方式，指纹识别是一个更具吸引力的选择，可将用户的生物特征来代替密码或用户识别码。但是，指纹验证也不是万无一失的，因此，Clear ID采用了Synaptics SentryPoint技术，为OEM提供一系列广泛、独特且高度安全的认证软件功能，包括支持自适应指纹模版匹配和认证的Quantum Matcher技术。 Nehesmc

在SentryPoint这项技术中，通过将生物特征识别数据单向转换为拥有专利的模板格式，可防止重新创建、反向工程或意外使用，从而保护用户免受身份窃贼的攻击。256位高级加密标准和传输层安全技术加密了所有生物特征识别技术并进行数字签名，从而防止此数据被窃听、篡改或骗取。而由硬件生成的一次性加密密钥可确保生物特征识别数据完全保存在主机的可信执行环境中，其中只会将数据提供给已知的可信赖流程。Nehesmc

除了Clear ID之外，Synaptics还推出了电容式Match-in-Sensor指纹识别解决方案，包括一个系统芯片(SoC)架构，其中的单个设备可通过内置传感器的微处理器运行固件来执行输入和输出两个功能。这是业界首款完全硬件封装的指纹传感器和匹配方案，强化的身份识别可实现“与外界隔离”，通过将指纹图像注册、图像存储和指纹识别独立于指纹传感器内，为抵御基于设备的威胁提供保护。Nehesmc

“传统的主机匹配match-on-host认证方式安全性较低，因为指纹数据会与主机处理器进行数据传输，从而给硬件攻击和系统恶意软件创造了机会。而通过在SoC内独立执行安全敏感功能，并与主机操作系统完全隔离，Match-in-Sensor增加了全新的安全级别。”廖仲雯说。Nehesmc

据悉，新一代FS7600 Match-in-Sensor传感器匹配指纹识别系列产品已生产就绪，预计将在第三季度出货的全新PC外设产品上集成。今年7月，AMD就宣布借助FS7600 Match-in-Sensor指纹传感器技术、AMD Ryzen移动平台和微软下一代操作系统，共同打造具备更高安全标准的企业级/消费级笔记本电脑。Nehesmc

3D传感，连接立体的未来

如何说服持有怀疑态度的普通大众，让他们相信自己能从生物识别这项技术所解锁的独有生物学特征中获得裨益呢。“苹果效应”(Apple Effect)显然是可以提供帮助的。Nehesmc

继iPhone 5s后，2017年苹果公司又在iPhone X中去掉Touch ID功能，转而采用3D传感技术的Face ID。今年，Android阵营厂商也陆续开始探索类似的3D传感技术。Nehesmc

根据咨询机构Yole Développement的预测，受益于消费电子市场可预见的爆发式增长，3D成像与传感的市场规模将从2016年的13亿美元增长至2022年的90亿美元，其中用于消费电子的3D成像与传感市场将从2016年的2000万美元增长至2022年的60.58亿美元，复合年均增长率(CAGR)达到158%。Nehesmc

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2011-2022年全球3D成像与传感市场收入预测Nehesmc

• 选什么枪炮打“3D传感”战争

现阶段，3D摄像头演进出了三条主流技术路线：结构光(Structured light)、飞行时间(TOF, Time of Flight)和双目视觉技术(Stereo Vision)。技术上虽各有千秋，但终极目的是相同的——构建一个3D的生态帝国。Nehesmc

与传统摄像头产业链相比，3D摄像头产业链新增加了“红外光源+光学组件+红外传感器”等部分，这使得垂直腔表面发射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser, VCSEL)、准直镜头(WLO)、光学衍射光栅(DOE)等一跃成为核心器件。虽然3D摄像头早期一般使用LED作为红外光源，但LED不具有谐振器，导致光束更加发散，而VCSEL在精确度、耦合性、小型化、低功耗、可靠性方面都更有优势，所以现在常见的3D摄像头系统均采用VCSEL作为红外光源。 Nehesmc

有分析机构认为3D传感技术在Android阵营的大规模普及可能要到2019年，主要因为现阶段3D感测模组的生产良率偏低：第一，高效率VCSEL组件生产不易，目前平均光电转换效率仅约30%；第二，结构光技术的必要组件DOE以及红外光镜头的CIS，都需要极高的技术底蕴；第三，3D感测模组生产过程需考虑热胀冷缩的问题，提高模组组装的困难度。Nehesmc

而厂商们也普遍认为成本高、良率等问题会导致3D传感摄像头在2018年只适用于售价高于3000元的旗舰机型中，从2019年初开始，会与指纹、双摄等技术一样，成为2000元以上智能手机的标配，而到2020年，覆盖面将进一步扩大，千元机型配备3D传感摄像头将不是一件令人惊讶的事情。Nehesmc

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3D传感摄像头市场渗透预估Nehesmc

不过，OPPO FaceKey 3D结构光系统的横空出世，却让整个产业的大规模量产时间表提前了一年。Nehesmc

尽管在硬件和软件方案方面遭遇多重挑战，但OPPO算法团队与硬件团队在短短的3个月内，使用结构光硬件完成了10万人次的3D人脸数据采集，人脸数据分布覆盖全球，并在此期间完成了500TFlops大型训练服务器的搭建。同时，为了达到百万分之一的误识精度，OPPO还与AI算法公司旷世科技(Face++)与商汤科技(SenseTime)深入探讨了3D人脸识别算法，并在人脸检测、人脸识别与活体检测算法上形成了一套属于自己的算法方案。 Nehesmc

最终，通过4轮硬件方案迭代和10轮人脸算法迭代训练，OPPO成功完成了现今顶级体验的结构光方案。对比数据显示，在单张深度图3D渲染、3D渲染精度、抗强光以及50cm-70cm距离识别方面，OPPO Find X方案较iPhone X更为成熟；在20-50cm距离识别、功耗、分辨率、帧速、体积等方面也毫不逊色。而国内首例3D人脸识别算法的面世，也标志着OPPO在技术研发领域已经是业界一个不可忽略的力量。Nehesmc

除了OPPO，安卓生态其他厂商也在摸索3D成像的技术未来。与Find X同期，小米在小米8发布会上推出了小米8探索版，在异形屏的刘海区集成了3D结构光系统。而就Find X发布后不久，vivo也在上海MWC期间演示了其ToF方案。Nehesmc

• 3D数据要安全到可以用于支付

生物识别技术最重要的因素就是安全，不应该有“之一”。这也是3D结构光人脸认证相较于2D人脸识别最大的优势之一。虽然后者在过去一年也成为手机发布会上必提及的功能，但以算法为主要实现方式的2D人脸识别虽然实现了极速的解锁速度，依然面临非常严重的安全问题。一些评测机构甚至发现仅仅通过用普通打印机打印一张A4的照片就可以解锁很多2D人脸识别的手机。Nehesmc

比设备被解锁更严重的，则是个人信息的安全性。这一方面指私人的敏感数据，包括个人身份信息、以及像银行卡号、密码等财务信息；另一方面则是是生物信息自身，比如指纹数据以及面部信息。银行卡丢失还可以补办改密码，但是指纹或者面部信息一辈子也无法更改，外泄之后的风险是永久的。因此，这也是支付机构如果要支持人脸或者指纹认证的时候，必须要经过非常严苛认证过程的原因。Nehesmc

从另一个角度来说，支付机构对3D结构光技术认可，一方面是可以对这一技术的安全性背书，另一方面则是肯定这一技术未来能否普及的重要因素。Nehesmc

在OPPO与蚂蚁金服成立的联合创新实验室推动下，新推出的Find X旗舰手机以结构光为硬件基础，并结合OPPO基于深度学习的人脸智能识别自研算法，3D人脸支付可以精确比对用户录入与识别的信息，将误识别率控制在百万分之一的支付精度，远高于当前约为五万分之一的指纹识别误识别率。用户可以期待在未来更多OPPO手机中利用这一技术，放心地用面部替代指纹、密码或PIN码作为移动支付应用的主要验证方式。Nehesmc

• 打通端到端的3D数据流通

3D结构光技术获得的3D数据如果只用于解锁和支付，那么对丰富数据的利用显然不够充分，手机厂商也不会只停留在这一层面。所以，虽然iPhone X和Find X 3D结构光目前给用户带来了安全又新奇的体验，但更有意义的则是两家厂商对整个3D数据潜在布局的想象。Nehesmc

今年5月，OPPO宣布成功实现全球首个采用3D结构光技术的5G视频通话演示。通过OPPO手机的结构光系统采集3D数据，利用高通的5G新空口终端原型机，最终在远端接收显示器实现三维人像画面的还原。Nehesmc

在6月的WWDC 2018上，苹果除了重点介绍ARkit 2，更隆重推出“USDZ”的3D文件格式。有开发者评论称“这一成就堪比秦始皇统一六国之后实施的‘车同轨’，这种3D文件格式让跨App间的3D数据传输成为可能。”就在这一发布会上，苹果演示了同一组3D图像可以在Safari、新闻以及是相机中跨应用呈现。从去年第一次在iPhone X上搭载3D成像系统，到今年发力3D图像的呈现场景，不难看到苹果在这一技术领域的布局。Nehesmc

作为计算机视觉的一个分支，3D成像功能提供了底层的技术能力，并由此让设备具备了增强现实(AR)、3D人脸这些新功能，而这些新功能又赋能了经典的SoLoMo业务以及新兴的短视频、直播、游戏等等业务，给予用户新鲜的体验。除了之前重点谈及的安全支付外，三维重建、AR和游戏将极有可能成为未来通过3D结构光技术实现的突破性应用场景。Nehesmc

以AR应用为例，在3D AR游戏中，利用结构光对周围的环境进行精确3D建模，将模型实时导入游戏中，实现虚拟游戏与现实三维世界的紧密融合，实现逼真的三维效果。或是通过精确的结构光双摄相机拍摄的三维信息，可以实现精确的AR帖子与微表情效果。Gartner预测到2021年，40%的智能手机将会配备可用于AR的3D摄像头，分析师Jon Erensen甚至表示，“这种功能对AR来讲非常重要，我认为那是一种你绝不想落在后面的事情。”Nehesmc

所以可以看到苹果和OPPO都在布局AR。前者在近两年的WWDC都把ARkit作为重点之一来介绍；后者也联合商汤科技、浙江大学CAD&CG国家重点实验室携手打造出名为ARunit的开发平面，能够支持即时定位与地图构建(SLAM)、多平面恢复、非平面表面上放置虚拟物体、平面标志识别、光照估计、地图保存与状态设置、遮挡处理等特性，可以帮助开发者打造出新一代的全新AR应用。自3月19日发布，已吸引了包括京东、王者荣耀13家合作伙伴产品的入驻，并预计在2018年全年为8000万台OPPO手机提供AR支持。Nehesmc

在OPPO看来，移动互联网正在模糊现实世界和数字世界的边界。虚拟图像+虚拟图像、虚拟图像+实景图像、实景图像+实景图像的两两结合将带来泛在现实(Ubiquitous Reality, UR)的全新一代用户体验。这远不是我们今天所看到的VR、AR这么简单，而未来真正进一步推动沉浸式用户体验的，将是3D内容和“即将来临”的5G。因此，通过主动式结构光感知目标物体位置和深度信息，对整个三维空间实现高分辨率、高精确度的复原，然后通过低延迟5G网络对3D视频进行实时传输，将成为下一代移动用户体验泛在现实的关键。Nehesmc

通俗点说，OPPO是打算利用5G网络高速率的特性，来支撑3D视频信号的大数据传输，从而给用户提供全新的通话体验。这显然不再仅仅只是二维层面的视频通话，而是在一个立体空间展示下得到的视频通话体验。虽然现在因为显示技术的局限性，并不能直接呈现3D数据，但可以看到的是未来在3D数据呈现端的技术发展到位之后，我们就可以体验科幻作品中的“全息投影”一样的数字生活。Nehesmc

本文为《国际电子商情》2018年11月刊杂志文章。Nehesmc

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