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邁向生活化的指紋辨識技術
 

【作者: 許文星、許鶴齡】   2004年03月25日 星期四

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指紋辨識已有120年以上的歷史。1880年10月英國人亨利(Herry Faulds)在科學期刊「Natural」介紹「指紋辨識」的觀念,啟動了「利用指紋作人身辨識」運用的列車。


1911年4月,日本警察建立「指紋法」。指紋比對可以作為自然人身份認定的方法,獲得法律上的承認。


兩枚指紋是否相同,以指紋的特徵點重合程度作為認定基準。如果有13個以上的特徵點重合,在法律上即認定為同一手指的指紋。現場採到的指紋(現場指紋)與嫌疑犯本人的某一手指的指紋,有13點以上的特徵點重合,該現場指紋即可視為該嫌疑犯留下的指紋,而可以作為起訴該嫌疑犯在現場出現過的證據。


指紋的電腦辨識發展歷經30年

影像處理及樣型識別是電腦應用領域之一個分支。1968年,第一篇樣型識別論文問世,就是以電腦如何辨識指紋與染色體為題。從此,許多學者專家開始對指紋辨識投入研究。


在70,80年代,世界各國警察單位已大量建立個人的十指指紋卡(在1980年時,台灣已有600萬張役男指紋卡,150萬張罪犯指紋卡)。並以亨利碼作十指指紋卡編碼歸檔。但是亨利碼編碼法並不科學,十根手指不完整時,即無法找到該單一卡片。當時只作指紋建檔及本人在警局時,按壓十指指紋作身分確認用。


所以自1980年起,日本、美國及歐洲的警政單位均開始指紋卡電腦化的規劃,美國FBI支持Printrak,日本警視廳支持NEC,法國政府支持Mophor開始開發指紋電腦建檔及比對系統,稱之AFIS(Automatic Fingerprint Identification System)。


在美國各州、日本全國、歐洲,及全世界各警政單位亦逐步導入AFIS,但AFIS為半自動化系統,必須手指沾墨按壓在紙卡上建立十指指紋卡,再經掃描輸入。比對結果,只取得候補名單,必須經由個人文化背景檢出及人眼作最後確認。


1990年光學活體指紋讀取機(Line Scan)(一種直接讀取指紋的技術)開發成功。1991年台灣Startek星友科技、美國Identix、日本三菱電機,三家公司推出指紋門禁系統,指紋辨識開始走入全自動化的新里程。


其後,全世界如富士通、NEC、ST Micro、Infineon、IBM、Lucent等數十家電子公司,開始投入省電化,小型化,提高辨識率,辨識精確化,低成本化等等一連串高投資,而且辛苦的產品化改良,以符合市場的需求。


指紋辨識的應用

以指紋辨識的應用觀點,可分成三個階段:


  • (1)第一階段(1980年~),警政使用,犯人的檢出及驗證(Crime Investigations)。


  • (2)第二階段(1990年~),門禁差勤之Gate管理(Facility management)。


  • (3)第三階段(2000年~),個人認證,資訊管理。(Information system / Personal information management)



其年代表如圖一所示,圖二則可看出指紋辨識在商業上的發展進程。


《圖一 生物辨識技術與產品在日本之發展過程》
《圖一 生物辨識技術與產品在日本之發展過程》
《圖二 指紋辨識之商業模式發展》
《圖二 指紋辨識之商業模式發展》

第一階段是以mini-computer為平台,scanner為輸入機,主要應用為警政系統。


第二階段是以PC、微處理器為平台,光學指紋讀取機(live scanner)為主流,在此階段之應用,門禁系統由於價格偏高,非一般辦公室大樓可以接受,差勤的應用因為效果顯著,先取得商機,廣受許多領域採用,諸如金融機構(如元大證券,99分公司,1998年開始?用),各縣市政府(如台北市,新竹市等),中央政府機關(如國科會,新竹科學園區管理局),研究機構(如中研院史語所,工研院生醫所等)等。在2000年以前,國內至少有500個單位採用指紋差勤系統,匡正人事管理制度,杜絕代打卡的弊端。


第三階段是以網路PC、DSP、大哥大、PDA、NoteBook為平台,針對不同應用平台需求,有不同的指紋讀取器。其中大哥大、PDA以line-chip sensor為主;NoteBook以Area-Chip sensor為主;PC週邊、P.O.S.、ATM、保險箱及其他應用則以光學讀取器為主。


2003年指紋辨識開始被應用於電梯管理,如上海湯臣花園大樓之電梯管理(永大電機,星友科技),只有被認證的人可以前往被指定的樓層。由於價格合理化成功,門禁系統也開始普及,2003年3月日本東京某法務單位大樓安裝700餘台FG70指紋門禁機,如圖三,是一套24小時運用管理的系統。


指紋辨識模組(如圖四)的發展擴大了指紋辨識的應用領域,相關應用如槍櫃管理、槍盒、指紋ATM、指紋P.O.S.等等,這些設備在2003年均有採用該模組之相關商品問世。


《圖四 FCP301S指紋辨認模組》
《圖四 FCP301S指紋辨認模組》

在2003年5月富士通推出第一代指紋大哥大,(富士通505i,平面晶片式sensor),2004年1月富士通推出第二代指紋大哥大FOMA F900i,如圖五,該手機採用SWEAP線形指紋sensor,首創指紋辨識的平台走入了大哥大、PDA的範例,功能初步應用為個人隱私的保護,下一步則將應用在電子認證服務上。


《圖五 FOMA F900i》
《圖五 FOMA F900i》

指紋辨識系統

指紋機可分為網路型應用,及單機使用。網路型應用通常用在大樓及工廠的門禁管理,是否具擴充性、管理的便利性是系統能否大量使用的關鍵。


由於OS有Real-time的要求,1996年~2003年使用之O.S以DOS為主,但是DOS為single tasking,所以網路功能有所限制,曾經造成擴大使用的瓶頸。


單機使用則以家庭使用為主,其使用對象包括老人和小孩,操作性的便利性考量是關鍵。


Logical Access Control

在IT的應用上主要是Data Access Control,以電腦之Logon、Device管理及防止資料copy等網路型的應用為主。在這方面的應用,現階段指紋讀取機以USB I/F與電腦相連,BioAPI標準化及良好middle ware的提供,是應用擴大的關鍵,2004年將以PKI及ID Card應用為主流。


指紋讀取機的種類

指紋輸入機,第一代為十指指紋卡掃描器(1980年~1990年),第二代為光學指紋讀取機(1990年迄今),見圖六與圖七,第三代為晶片式指紋讀取機。


《圖七 FC200(星友科技,CCD Image Sensor)》
《圖七 FC200(星友科技,CCD Image Sensor)》

光學指紋讀取機

其成像原理有利用手指接觸稜鏡,造成全反射之破壞來取得清晰指紋影像的原理。


《圖八 稜鏡式》
《圖八 稜鏡式》

晶片式指紋讀取機

其成像原理有電場式E-Field (Authentec, AS4000)、電容式(富士通MBF200,MKC200)、壓力式(BMF)。


以圖九的FCS100為例,它是採用電場式晶片,而圖十的MKC200則採用電容式晶片,結合滑鼠使用。不論是電容式或電場式,兩者均為CMOS晶片,使用的困難點為靈敏度及耐靜電衝擊問題,現有商品其最大可接受之靜電衝擊在8KV以下。


《圖十 MKC200(電容式)》
《圖十 MKC200(電容式)》

除了上述兩種,還有一種是壓力式晶片讀取機,其原理為一層感壓薄膜加在LCD平面上,沒有靜電衝擊的問題,但是容易摩損是致命傷。在成本方面,與CMOS晶片式比較,比較有下降空間。在美國槍管理盒已有採用壓力式的指紋讀取器。


指紋特徵以特徵點為國際標準

指紋影像必須抽取其特徵,利用其特徵作儲存與比對。指紋的特徵可存於卡片、指紋門禁機或中心的資料庫,以備於作人身驗證時,提供標準的指紋樣本。門禁、差勤應用為封閉性系統,指紋特徵格式可以隨廠商自行設計、儲存。但是作為電子認證、出入境管理、電子護照、信用卡使用、身分證使用等用途時,由於是對公眾提供服務,並且跨國使用,儲存指紋資料格式及內容必須標準化才能實行,因此,從1993年生物辨識的國際標準化的活動開始進行。2004年5月將完成大部份的標準化規範,使生物辨識的應用走入一個新紀元(開放性系統的時代)。


指紋比對已是指紋特徵點的國際標準,各公司各自發展其之較佳,較準確的比對方法,但特徵點的定義,及儲存格式則是共通的國際標準。圖十一為相同指紋的比對範例,圖十二為不同指紋的比對範例。


《圖十一 相同指紋的比對》
《圖十一 相同指紋的比對》
《圖十二 不同指紋的比對》
《圖十二 不同指紋的比對》

良好的指紋系統,其相同指紋比對所得之分數必須遠大於不同指紋比對之分數。日本DoCoMo大哥大的準確度要求為錯誤拒絕率FRR: 1%,錯誤接受率FAR: 0.1%(個人使用),一般門禁系統由於使用對象多,其準確度要求則為FRR: 3%, FAR: 0.001%


已建立之主要國際標準為:



其關係架構圖如圖十三


《圖十三 》
《圖十三 <資料來源:American National Standard Institute>》

指紋辨識即將走入高成長期

2004年由於美國機場安全系統開始啟用指紋辨識作為人身確認的主要工具,逼使世界各國必須發行電子護照配合。世界各國(尤其亞洲地區,台灣最落後)也開始在國內推動身分證加入指紋及IC卡化,信用卡也在2006年全面IC卡化,而且成為開放性架構。以上意味著人類的生活及日常活動的身分驗證走入電子化、自動化,指紋辨識化時代的來臨能為人類帶來便利與安全,也帶來了指紋辨識產業最大的商機。


指紋辨識技術發展了20多年,終於走入人類的生活,就如一場寧靜的革命,但必將產生極大的震撼力。(作者許文星為清華大學電機系教授、許鶴齡任職於星友科技)


延 伸 閱 讀

指紋辨識器
近幾年來,有兩種價格低廉的辨識器已經快速成長。最早採用的是光學掃描器,使用許多電荷耦合器件組成的陣列來採集指尖的數位影像。所謂的矽晶辨識器,則是利用微小的電容器來感測指尖的指紋圖形。

指紋辨識器 認證也認人
國內不少大學校園目前已經向新科技邁進,發展使用每個人的「隨身密碼」,包括個人的指紋、瞳孔、聲帶語音陸續進入學校電腦路系統,成為校園通關的「新証件」。

指紋鑰匙 機密不外洩
指紋辨識在技術上大幅精進,核心辨識軟體可安裝在一顆「系統單晶片」(SoC)上,運用「類神經網路」為核心辨識技術,應可避免富貴手或乾濕手指紋辨別困難的問題。
相關組織網站
星友科技網站
台北市政府民政局網站 - 指紋辨識與身份確認系統
美國國家標準研究所
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