指纹锁的发展研究

田师思

（中国人民公安大学 侦查与刑事科学技术学院，北京100038）

1 概述

近年来，锁具市场对指纹锁的投入正飞速上涨，市场需求也在逐年递增。从汽车、手机支付到高档小区门锁，指纹锁悄然覆盖了人们生活的每个角度。但近年来关于指纹锁安全问题的报道屡见报端，从伪造指纹膜到黑盒破解，指纹锁安全性问题的研究探讨显得更为急迫指纹的特定性和稳定性是指纹锁在身份识别和门禁控制领域有了广泛的应用[1]。并通过附加温度测量，皮肤弹性以及血管探测技术实现对伪造指纹的识别。指纹锁具有易推广，技术门槛较低，应用广泛，适应能力好，误识率低，操作简便快捷，识别过程安全可靠的优点，同时在使用中其仍存在漏洞和缺点。指纹锁的适用环境有较高要求，对手指温湿度，表面清洁程度有一定条件：对于脱皮或指纹纹线较浅者识别效果较差。

鉴此，本文旨在通过对指纹锁构造和识别方式的分析，探讨指纹锁的安全性，专注于三种主流指纹识别方式，横向对比各类指纹锁识别技术的优劣情势，纵向探讨指纹锁与其他生物识别电子锁的适用范围和未来趋势[2]。

2 指纹锁识别原理概述

指纹锁识别指纹主要通过指纹图像获取、预处理获取图像、提取纹线、标记并提取细节特征、保存提取数据并算法比对。将指纹传感器获取的图像，经过图像空间采样、二值化处理得到清晰的纹线，再利用识别算法标记特征位置和方向，把保存后的特征数值与库中的指纹匹配对比完成指纹识别。指纹锁主要由电子电路和机械锁具两部分组成，电子部分负责识别身份并传输对比成功信号，由机械锁具部分完成开锁。电子电路部分可分为指纹传感器、微处理器控制部分和电机部分，指纹锁电路框图如图1 所示。

3 目前主流指纹识别技术

移动终端领域的指纹识别系统代表着指纹锁领域的最高水平和前沿研究[3]。因此主要关注手机上搭载的指纹识别技术的对比。下面主要介绍三类指纹识别系统：光学指纹识别系统、电容式指纹识别系统、超声波指纹识别系统。

3.1 光学指纹识别技术

光学指纹识别，是研究最早应用最广的指纹识别技术；由于皮肤表面存在着数量不同的油脂汗液，当压有纹线的玻璃受到光的照射时，入射光线会在指纹纹线与三棱镜表面接触处发生全反射，光的反射量会随着纹线上脊线和谷的深浅变化而改变[4]。光学指纹传感器是目前市场流通中价格最为便宜的一类识别器，技术投入使用时间早，是最为成熟的识别技术。但手指较干燥时，纹线在玻璃表面贴合度不高，手指越干，光学指纹传感器的识别率就越低，拒真率也就越高[5]。

3.2 电容式指纹识别

电容式指纹识别系统是将半导体芯片的表面分割为诸多像，于脊线宽度相比，每一个像元更为细小，把手掌皮肤表面视作电容一极，由于芯片到指纹纹线谷底和脊线的空间距离不同，因此指纹识别传感器检测到的电容值不同，根据电容信号的强弱差异可以通过芯片算法生成纹线图像（如图3）[2]。电容式指纹识别传感器能够在自动控制技术的帮助下以及通过算法调整，获得高达600dpi 的清晰指纹对比图像。然而，电容式传感器所具有的最大的缺点是其容易产生静电干扰。当手上有着水分存在时，电流会受到水导电性的影响导致传感器无法测得准确的电流数据，也就无法精准识别用户指纹。

3.3 超声波指纹识别

超声波指纹传感器是基于脉冲回波原理（pulse-echo），将超声波频率限制在1×104～1×109Hz 限度内，既可以避免超声波能量过大损害身体健康，又能最大程度利用超声波对各种材料的穿透功能[6]。超声波指纹识别传感器是当下最为先进的技术。当手指触摸屏幕时，传感器向指纹表面发送超声波，利用皮肤与空气密度不同，构建3D 图像。有着极好的抗污能力，可以完美识别湿润手指和赃污手指，为其他活体检测提供有效数据。对于干湿手指，超声波指纹识别系统可做到99%成功识别率。由于其能深入皮肤表层获得真皮下指纹纹线，能从根本上杜绝伪造指纹问题。相较于光学指纹识别模组，其理论上可以占据更小的空间，并且可以手机屏幕的任何位置完成指纹识别[7]。但是超声波识别传感器对于屏幕玻璃材质的厚度有着特殊要求，并且超声波信号在手机内部传递时遇到复杂的内部结构会影响信号的传导，从而造成传感器的识别精度下降。

4 指纹识别系统安全性分析

过去二十年里，伪造指纹随着指纹识别技术的发展而不断更新换代[8]，指纹识别系统面临着多重角度的攻击威胁，一方面是来自传统物质层次，通过模仿指纹骗过识别系统；另一方面针对识别系统本身的攻击也层出不穷。下面我们从各个角度介绍一下目前常见或可实现的对指纹识别系统的攻击方式和潜在威胁[9]。

4.1 指纹图像制膜法

利用所获得的高质量指纹图像，通过高精度仪器处理，生成细腻逼真的指纹膜。这项技术对于相机分辨率的要求很高，并可通过对构成指纹膜相关化学材料的优化生成更为难以识别的指纹。这一技术方法打破了传统意义上伪造指纹需要收集实体指纹纹线的界定，只是技术难度较大。

4.2 硅胶指纹膜伪造技术

首先利用塑形材料获得目标对象的指纹模具，然后加入硅胶凝胶等高分子材料，通过拓印倒模得到硅胶指纹模。目前，硅胶指纹模伪造技术是最为多见的，该方法对目前手机市场绝大多数指纹识别奏效。硅胶或电容黑胶指纹模纹线清晰完整，与真实指纹的相似度、契合度十分接近，已经成为智能手机识别安全的一大威胁。

4.3 3D 打印伪造指纹膜

以“分层制造，逐层叠加”原理工作的3D 打印机开始应用到指纹伪造领域。生物3D 打印技术是其一个分支，通过采用不同材质的生物材料以实现打印要求。但因为其皮肤细胞培养的难度系数较高，3D 打印皮肤技术还处在实验研究阶段，还不能真正应用于实际临床领域。未来该技术可能用于伪造生物身份，以欺骗识别系统获得身份认证。

4.4 针对指纹识别系统的电子攻击

通过计算机电子层面对识别系统自身漏洞进行攻击，重放攻击、盗取底层数据或篡改系统模板以及匹配结果会造成指纹锁错误开启的问题。由于各指纹识别系统是基于所储存的指纹特征进行识别，因此获得系统数据后逆转加密过程直接得到的原始指纹图像对识别系统的攻击成功率可达95%。并且可以通过伪装电子信号，绕过识别系统直接发送开锁信号到电机模块，已实现开锁目的。

5 结论

随着计算机技术的不断迅速发展，指纹锁可以应用到信息安全保护的领域也不断扩大。并且在隐私安全方面的挑战日益加剧的今天，传统的密码系统无法有效防止入侵和攻击。以指纹识别技术为主的生物识别系统将会在未来从各个方面保护个人信息和财产安全。

指纹锁的发展在提高指纹识别精度和准确性的同时，其价格的下降为扩大应用铺好了前行的道路。将之应用到实际业务办公，快速鉴别个人身份和身份授权提高工作效率。未来在为每一个人建立电子档案后，通过使用人身一系列生物特征作为该人的独有数字证书作为身份识别的标志，一方面可以加强安全防护，另一方面可以便捷操作[10]。