生物識別技術(shù)的發(fā)展簡史

生物識別一詞起源于希臘單詞“bio”(生命)和“metric”(計量)。自人類文明出現(xiàn)以來，人臉就被用于鑒定身份。但是，人口的不斷增長令這種做法變得不切實際。指紋驗證當然是大家最熟悉的生物識別方法，可追溯到使用手指和掌紋給洞穴畫“簽名”的史前人類。指紋驗證早在公元前500年便已開始在商業(yè)環(huán)境中使用。CN9esmc

1858年，印度公務員William Herschel在合同背面印上掌紋，生物識別作為一種身份驗證形式自此誕生。1903年，紐約警方開始使用指紋來識別罪犯。虹膜驗證的概念則是由眼科醫(yī)生Frank Burch率先提出的，半自動面部識別是Woody Bledsoe、Helen Chan Wolf和Charles Bisson于1964年率先實施的。CN9esmc

今天，聲音、步態(tài)、耳形、甚至體味都可作為一種生物識別手段來驗證身份。但是，直到蘋果公司于2013年發(fā)布內(nèi)置指紋識別功能的iPhone 5S后，生物識別才真正成為應用于大眾市場的主流技術(shù)。CN9esmc

Visa組織曾在2016年對來自七個歐洲國家的14000多名受訪者進行了一項調(diào)查研究，結(jié)果表明：CN9esmc

• 近四分之三的歐洲人(73%)認為在雙因子身份認證中使用生物識別技術(shù)是一種安全的方式，能夠有效地驗證帳戶持有人的身份，超過三分之二的人(68%)表示愿意在付費時使用生物識別技術(shù)來進行身份驗證。
• 37%的歐洲男性可能會換掉那些不提供生物識別支付服務的銀行，而女性似乎更忠誠，這一比例僅為29%。
• 幾乎三分之一的消費者(31%)因為安全支付流程的繁瑣而放棄了網(wǎng)上購物的最后結(jié)算。但是，如果流程采用生物識別技術(shù)，他們很可能會完成整個購買流程。
• 一半的歐洲受訪者(51%)認為，生物驗證可以帶來比傳統(tǒng)方法更快捷、更輕松的支付體驗。

業(yè)內(nèi)人士預測稱，未來幾年內(nèi)，生物識別技術(shù)將從銀行和支付領(lǐng)域朝著移民控制、電子政務、醫(yī)療衛(wèi)生甚至勞動力管理等多個其他領(lǐng)域進行擴展。如果該技術(shù)能按預期那樣在未來幾年內(nèi)蓬勃發(fā)展，那么，今后面部識別將占據(jù)主導地位，其次是多模態(tài)生物識別和虹膜識別——所有這些都將超越指紋識別。此外，行為生物識別也將呈現(xiàn)出增長趨勢。而隨著生物特征識別成為所有人訪問大量基礎(chǔ)服務的通行證，三位一體的身份、安保和隱私顯然必須得到支持。CN9esmc

其實，很多時候用戶需要的是“安全感”—從心理層面講，他們需要感覺到自己存儲在設(shè)備中的私人數(shù)據(jù)是安全的。有時，他們會習慣性地期待在屏幕上看到一個盾狀符號，以顯示安全軟件正在運行，為他們的數(shù)據(jù)保駕護航。因此，在金雅拓(Gemalto)提供的一份報告中顯示，80%的受訪者表示如果安全應用能夠在手機屏幕上以可視化的方式加以顯示，他們就會更有信心。CN9esmc

屏下指紋的現(xiàn)狀與未來

指紋、人臉和虹膜，是目前智能手機所使用的三大主要生物識別技術(shù)。而指紋識別之中，又以電容式指紋識別發(fā)展最為成熟，光學式與超音波指紋識別則是在今年開始有突破性發(fā)展。CN9esmc

根據(jù)研究機構(gòu)IHS Markit的預測，2019年使用屏下指紋傳感器的智能手機出貨量至少將達到1億臺，到2020年則進一步翻倍至2億臺，市場空間超過20億美元，有望在未來3年保持高速增長。CN9esmc

而TrendForce旗下拓墣產(chǎn)業(yè)研究院最新報告也指出，2017年新突思(Synaptics)的光學屏下指紋識別成本尚需要12-15美元，但隨著匯頂(Goodix)、思立微(Silead)等廠商的加入，預計2019年其成本將有機會下降至8美元以下。此外，超音波與光學屏下指紋識別技術(shù)占手機指紋識別市場比重，也將從2018年的3%拉升至2019年的13%?？梢灶A期，未來多數(shù)手機品牌將同時推出具備指紋識別(無論是否為屏下)與人臉識別技術(shù)(包含3D與2D)并存的產(chǎn)品。CN9esmc

• 匯頂：臥薪嘗膽，重樹屏下指紋地位

“屏下光學指紋識別技術(shù)，是由中國企業(yè)搶在蘋果、三星之前商用成功的，其過程的辛苦不為人知。我們歷經(jīng)了5年的摸索，中間也有人曾質(zhì)疑過這項技術(shù)是做不到的。做到業(yè)界首例對匯頂來說也是一個質(zhì)的轉(zhuǎn)變，這場仗打下來，大家的信心已完全不同。這也是中國半導體產(chǎn)業(yè)的進步，今后大家會更有膽識和信心去創(chuàng)新。”匯頂科技首席技術(shù)官皮波博士日前在一場媒體溝通會上這樣感慨。CN9esmc

一年前，蘋果新機iPhone X采用3D人臉識別后，國內(nèi)手機業(yè)界一度對屏下指紋失去信心，但經(jīng)過一年的市場驗證，vivo X21 UD、華為Mate RS保時捷設(shè)計、小米8探索版、vivo NEX旗艦版，vivo X23等機型均采用了匯頂?shù)钠料鹿鈱W指紋識別方案，今年下半年會有更多機型發(fā)布。CN9esmc

此前，屏下光學指紋的主要瓶頸在于強光環(huán)境下的干擾、干手指以及低溫環(huán)境下的障礙，這些問題目前已基本克服?，F(xiàn)在，匯頂屏下光學指紋識別方案在解鎖速度和識別率方面已與電容指紋識別一樣，平均解鎖速度可達 0.35秒，還有進步空間，而且能支持OLED軟、硬屏。同時，其屏下光學指紋識別方案采用的獨創(chuàng)式分離設(shè)計，光學指紋模組無需與屏貼合，模組直接交給整機廠商，大大減輕了商用難度，降低了生產(chǎn)的隱形成本，終端廠商非常歡迎。CN9esmc

對于業(yè)界比較期待的一些新技術(shù)，皮波博士表示，LCD屏下指紋識別困難巨大，目前暫時還沒有明確的辦法，但好消息是LCD方案在成本上能夠更放開手去做；全屏指紋識別雖然在技術(shù)上能夠?qū)崿F(xiàn)，但成本更高，需要手機廠商綜合考慮。不過，匯頂全球首創(chuàng)的活體指紋識別技術(shù)(Live Finger Detection)，將指紋和心率檢測集成在一起，能夠提供更高的移動支付安全性，并已成功商用于中興、魅族等品牌的旗艦機型。CN9esmc

“未來，多重生物識別組合才是最被認可的手機加密方式，很多手機廠商也將采用‘屏下光學指紋＋人臉識別’的方案。”皮波博士說。CN9esmc

• Synaptics：安全高于一切

Clear ID光學屏幕指紋傳感器和SentryPoint安全套件是Synaptics在生物特征識別領(lǐng)域的兩把利器。在vivo X21 UD智能手機、小米8透明探索版智能手機中，我們都能看到FS9500 Clear ID光學屏幕指紋傳感器的身影。CN9esmc

Synaptics亞太區(qū)高級市場經(jīng)理廖仲雯介紹說，Clear ID光學屏幕指紋傳感器專為全面屏設(shè)計，可置于OLED觸摸屏內(nèi)，消除了對按鈕及邊框的需求。屏幕中的指紋圖標能夠引導用戶并在認證后消失。此外，Clear ID的識別速度也快于其他生物識別技術(shù)，包括3D面部識別，一觸式生物認證可帶來便捷體驗。CN9esmc

進行身份驗證和安全的電子交易曾經(jīng)是簡單的密碼和用戶識別號碼的主要工作，但這些方法都不可避免的存在被盜用的風險。相較于其他不夠安全的驗證方式，指紋識別是一個更具吸引力的選擇，可將用戶的生物特征來代替密碼或用戶識別碼。但是，指紋驗證也不是萬無一失的，因此，Clear ID采用了Synaptics SentryPoint技術(shù)，為OEM提供一系列廣泛、獨特且高度安全的認證軟件功能，包括支持自適應指紋模版匹配和認證的Quantum Matcher技術(shù)。 CN9esmc

在SentryPoint這項技術(shù)中，通過將生物特征識別數(shù)據(jù)單向轉(zhuǎn)換為擁有專利的模板格式，可防止重新創(chuàng)建、反向工程或意外使用，從而保護用戶免受身份竊賊的攻擊。256位高級加密標準和傳輸層安全技術(shù)加密了所有生物特征識別技術(shù)并進行數(shù)字簽名，從而防止此數(shù)據(jù)被竊聽、篡改或騙取。而由硬件生成的一次性加密密鑰可確保生物特征識別數(shù)據(jù)完全保存在主機的可信執(zhí)行環(huán)境中，其中只會將數(shù)據(jù)提供給已知的可信賴流程。CN9esmc

除了Clear ID之外，Synaptics還推出了電容式Match-in-Sensor指紋識別解決方案，包括一個系統(tǒng)芯片(SoC)架構(gòu)，其中的單個設(shè)備可通過內(nèi)置傳感器的微處理器運行固件來執(zhí)行輸入和輸出兩個功能。這是業(yè)界首款完全硬件封裝的指紋傳感器和匹配方案，強化的身份識別可實現(xiàn)“與外界隔離”，通過將指紋圖像注冊、圖像存儲和指紋識別獨立于指紋傳感器內(nèi)，為抵御基于設(shè)備的威脅提供保護。CN9esmc

“傳統(tǒng)的主機匹配match-on-host認證方式安全性較低，因為指紋數(shù)據(jù)會與主機處理器進行數(shù)據(jù)傳輸，從而給硬件攻擊和系統(tǒng)惡意軟件創(chuàng)造了機會。而通過在SoC內(nèi)獨立執(zhí)行安全敏感功能，并與主機操作系統(tǒng)完全隔離，Match-in-Sensor增加了全新的安全級別。”廖仲雯說。CN9esmc

據(jù)悉，新一代FS7600 Match-in-Sensor傳感器匹配指紋識別系列產(chǎn)品已生產(chǎn)就緒，預計將在第三季度出貨的全新PC外設(shè)產(chǎn)品上集成。今年7月，AMD就宣布借助FS7600 Match-in-Sensor指紋傳感器技術(shù)、AMD Ryzen移動平臺和微軟下一代操作系統(tǒng)，共同打造具備更高安全標準的企業(yè)級/消費級筆記本電腦。CN9esmc

3D傳感，連接立體的未來

如何說服持有懷疑態(tài)度的普通大眾，讓他們相信自己能從生物識別這項技術(shù)所解鎖的獨有生物學特征中獲得裨益呢。“蘋果效應”(Apple Effect)顯然是可以提供幫助的。CN9esmc

繼iPhone 5s后，2017年蘋果公司又在iPhone X中去掉Touch ID功能，轉(zhuǎn)而采用3D傳感技術(shù)的Face ID。今年，Android陣營廠商也陸續(xù)開始探索類似的3D傳感技術(shù)。CN9esmc

根據(jù)咨詢機構(gòu)Yole Développement的預測，受益于消費電子市場可預見的爆發(fā)式增長，3D成像與傳感的市場規(guī)模將從2016年的13億美元增長至2022年的90億美元，其中用于消費電子的3D成像與傳感市場將從2016年的2000萬美元增長至2022年的60.58億美元，復合年均增長率(CAGR)達到158%。CN9esmc

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2011-2022年全球3D成像與傳感市場收入預測CN9esmc

• 選什么槍炮打“3D傳感”戰(zhàn)爭

現(xiàn)階段，3D攝像頭演進出了三條主流技術(shù)路線：結(jié)構(gòu)光(Structured light)、飛行時間(TOF, Time of Flight)和雙目視覺技術(shù)(Stereo Vision)。技術(shù)上雖各有千秋，但終極目的是相同的——構(gòu)建一個3D的生態(tài)帝國。CN9esmc

與傳統(tǒng)攝像頭產(chǎn)業(yè)鏈相比，3D攝像頭產(chǎn)業(yè)鏈新增加了“紅外光源+光學組件+紅外傳感器”等部分，這使得垂直腔表面發(fā)射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser, VCSEL)、準直鏡頭(WLO)、光學衍射光柵(DOE)等一躍成為核心器件。雖然3D攝像頭早期一般使用LED作為紅外光源，但LED不具有諧振器，導致光束更加發(fā)散，而VCSEL在精確度、耦合性、小型化、低功耗、可靠性方面都更有優(yōu)勢，所以現(xiàn)在常見的3D攝像頭系統(tǒng)均采用VCSEL作為紅外光源。 CN9esmc

有分析機構(gòu)認為3D傳感技術(shù)在Android陣營的大規(guī)模普及可能要到2019年，主要因為現(xiàn)階段3D感測模組的生產(chǎn)良率偏低：第一，高效率VCSEL組件生產(chǎn)不易，目前平均光電轉(zhuǎn)換效率僅約30%；第二，結(jié)構(gòu)光技術(shù)的必要組件DOE以及紅外光鏡頭的CIS，都需要極高的技術(shù)底蘊；第三，3D感測模組生產(chǎn)過程需考慮熱脹冷縮的問題，提高模組組裝的困難度。CN9esmc

而廠商們也普遍認為成本高、良率等問題會導致3D傳感攝像頭在2018年只適用于售價高于3000元的旗艦機型中，從2019年初開始，會與指紋、雙攝等技術(shù)一樣，成為2000元以上智能手機的標配，而到2020年，覆蓋面將進一步擴大，千元機型配備3D傳感攝像頭將不是一件令人驚訝的事情。CN9esmc

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3D傳感攝像頭市場滲透預估CN9esmc

不過，OPPO FaceKey 3D結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)的橫空出世，卻讓整個產(chǎn)業(yè)的大規(guī)模量產(chǎn)時間表提前了一年。CN9esmc

盡管在硬件和軟件方案方面遭遇多重挑戰(zhàn)，但OPPO算法團隊與硬件團隊在短短的3個月內(nèi)，使用結(jié)構(gòu)光硬件完成了10萬人次的3D人臉數(shù)據(jù)采集，人臉數(shù)據(jù)分布覆蓋全球，并在此期間完成了500TFlops大型訓練服務器的搭建。同時，為了達到百萬分之一的誤識精度，OPPO還與AI算法公司曠世科技(Face++)與商湯科技(SenseTime)深入探討了3D人臉識別算法，并在人臉檢測、人臉識別與活體檢測算法上形成了一套屬于自己的算法方案。 CN9esmc

最終，通過4輪硬件方案迭代和10輪人臉算法迭代訓練，OPPO成功完成了現(xiàn)今頂級體驗的結(jié)構(gòu)光方案。對比數(shù)據(jù)顯示，在單張深度圖3D渲染、3D渲染精度、抗強光以及50cm-70cm距離識別方面，OPPO Find X方案較iPhone X更為成熟；在20-50cm距離識別、功耗、分辨率、幀速、體積等方面也毫不遜色。而國內(nèi)首例3D人臉識別算法的面世，也標志著OPPO在技術(shù)研發(fā)領(lǐng)域已經(jīng)是業(yè)界一個不可忽略的力量。CN9esmc

除了OPPO，安卓生態(tài)其他廠商也在摸索3D成像的技術(shù)未來。與Find X同期，小米在小米8發(fā)布會上推出了小米8探索版，在異形屏的劉海區(qū)集成了3D結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)。而就Find X發(fā)布后不久，vivo也在上海MWC期間演示了其ToF方案。CN9esmc

• 3D數(shù)據(jù)要安全到可以用于支付

生物識別技術(shù)最重要的因素就是安全，不應該有“之一”。這也是3D結(jié)構(gòu)光人臉認證相較于2D人臉識別最大的優(yōu)勢之一。雖然后者在過去一年也成為手機發(fā)布會上必提及的功能，但以算法為主要實現(xiàn)方式的2D人臉識別雖然實現(xiàn)了極速的解鎖速度，依然面臨非常嚴重的安全問題。一些評測機構(gòu)甚至發(fā)現(xiàn)僅僅通過用普通打印機打印一張A4的照片就可以解鎖很多2D人臉識別的手機。CN9esmc

比設(shè)備被解鎖更嚴重的，則是個人信息的安全性。這一方面指私人的敏感數(shù)據(jù)，包括個人身份信息、以及像銀行卡號、密碼等財務信息；另一方面則是是生物信息自身，比如指紋數(shù)據(jù)以及面部信息。銀行卡丟失還可以補辦改密碼，但是指紋或者面部信息一輩子也無法更改，外泄之后的風險是永久的。因此，這也是支付機構(gòu)如果要支持人臉或者指紋認證的時候，必須要經(jīng)過非常嚴苛認證過程的原因。CN9esmc

從另一個角度來說，支付機構(gòu)對3D結(jié)構(gòu)光技術(shù)認可，一方面是可以對這一技術(shù)的安全性背書，另一方面則是肯定這一技術(shù)未來能否普及的重要因素。CN9esmc

在OPPO與螞蟻金服成立的聯(lián)合創(chuàng)新實驗室推動下，新推出的Find X旗艦手機以結(jié)構(gòu)光為硬件基礎(chǔ)，并結(jié)合OPPO基于深度學習的人臉智能識別自研算法，3D人臉支付可以精確比對用戶錄入與識別的信息，將誤識別率控制在百萬分之一的支付精度，遠高于當前約為五萬分之一的指紋識別誤識別率。用戶可以期待在未來更多OPPO手機中利用這一技術(shù)，放心地用面部替代指紋、密碼或PIN碼作為移動支付應用的主要驗證方式。CN9esmc

• 打通端到端的3D數(shù)據(jù)流通

3D結(jié)構(gòu)光技術(shù)獲得的3D數(shù)據(jù)如果只用于解鎖和支付，那么對豐富數(shù)據(jù)的利用顯然不夠充分，手機廠商也不會只停留在這一層面。所以，雖然iPhone X和Find X 3D結(jié)構(gòu)光目前給用戶帶來了安全又新奇的體驗，但更有意義的則是兩家廠商對整個3D數(shù)據(jù)潛在布局的想象。CN9esmc

今年5月，OPPO宣布成功實現(xiàn)全球首個采用3D結(jié)構(gòu)光技術(shù)的5G視頻通話演示。通過OPPO手機的結(jié)構(gòu)光系統(tǒng)采集3D數(shù)據(jù)，利用高通的5G新空口終端原型機，最終在遠端接收顯示器實現(xiàn)三維人像畫面的還原。CN9esmc

在6月的WWDC 2018上，蘋果除了重點介紹ARkit 2，更隆重推出“USDZ”的3D文件格式。有開發(fā)者評論稱“這一成就堪比秦始皇統(tǒng)一六國之后實施的‘車同軌’，這種3D文件格式讓跨App間的3D數(shù)據(jù)傳輸成為可能。”就在這一發(fā)布會上，蘋果演示了同一組3D圖像可以在Safari、新聞以及是相機中跨應用呈現(xiàn)。從去年第一次在iPhone X上搭載3D成像系統(tǒng)，到今年發(fā)力3D圖像的呈現(xiàn)場景，不難看到蘋果在這一技術(shù)領(lǐng)域的布局。CN9esmc

作為計算機視覺的一個分支，3D成像功能提供了底層的技術(shù)能力，并由此讓設(shè)備具備了增強現(xiàn)實(AR)、3D人臉這些新功能，而這些新功能又賦能了經(jīng)典的SoLoMo業(yè)務以及新興的短視頻、直播、游戲等等業(yè)務，給予用戶新鮮的體驗。除了之前重點談及的安全支付外，三維重建、AR和游戲?qū)O有可能成為未來通過3D結(jié)構(gòu)光技術(shù)實現(xiàn)的突破性應用場景。CN9esmc

以AR應用為例，在3D AR游戲中，利用結(jié)構(gòu)光對周圍的環(huán)境進行精確3D建模，將模型實時導入游戲中，實現(xiàn)虛擬游戲與現(xiàn)實三維世界的緊密融合，實現(xiàn)逼真的三維效果?；蚴峭ㄟ^精確的結(jié)構(gòu)光雙攝相機拍攝的三維信息，可以實現(xiàn)精確的AR帖子與微表情效果。Gartner預測到2021年，40%的智能手機將會配備可用于AR的3D攝像頭，分析師Jon Erensen甚至表示，“這種功能對AR來講非常重要，我認為那是一種你絕不想落在后面的事情。”CN9esmc

所以可以看到蘋果和OPPO都在布局AR。前者在近兩年的WWDC都把ARkit作為重點之一來介紹；后者也聯(lián)合商湯科技、浙江大學CAD&CG國家重點實驗室攜手打造出名為ARunit的開發(fā)平面，能夠支持即時定位與地圖構(gòu)建(SLAM)、多平面恢復、非平面表面上放置虛擬物體、平面標志識別、光照估計、地圖保存與狀態(tài)設(shè)置、遮擋處理等特性，可以幫助開發(fā)者打造出新一代的全新AR應用。自3月19日發(fā)布，已吸引了包括京東、王者榮耀13家合作伙伴產(chǎn)品的入駐，并預計在2018年全年為8000萬臺OPPO手機提供AR支持。CN9esmc

在OPPO看來，移動互聯(lián)網(wǎng)正在模糊現(xiàn)實世界和數(shù)字世界的邊界。虛擬圖像+虛擬圖像、虛擬圖像+實景圖像、實景圖像+實景圖像的兩兩結(jié)合將帶來泛在現(xiàn)實(Ubiquitous Reality, UR)的全新一代用戶體驗。這遠不是我們今天所看到的VR、AR這么簡單，而未來真正進一步推動沉浸式用戶體驗的，將是3D內(nèi)容和“即將來臨”的5G。因此，通過主動式結(jié)構(gòu)光感知目標物體位置和深度信息，對整個三維空間實現(xiàn)高分辨率、高精確度的復原，然后通過低延遲5G網(wǎng)絡(luò)對3D視頻進行實時傳輸，將成為下一代移動用戶體驗泛在現(xiàn)實的關(guān)鍵。CN9esmc

通俗點說，OPPO是打算利用5G網(wǎng)絡(luò)高速率的特性，來支撐3D視頻信號的大數(shù)據(jù)傳輸，從而給用戶提供全新的通話體驗。這顯然不再僅僅只是二維層面的視頻通話，而是在一個立體空間展示下得到的視頻通話體驗。雖然現(xiàn)在因為顯示技術(shù)的局限性，并不能直接呈現(xiàn)3D數(shù)據(jù)，但可以看到的是未來在3D數(shù)據(jù)呈現(xiàn)端的技術(shù)發(fā)展到位之后，我們就可以體驗科幻作品中的“全息投影”一樣的數(shù)字生活。CN9esmc

本文為《國際電子商情》2018年11月刊雜志文章。CN9esmc

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