指纹识别技术在汽车上的应用分析

杨佩君， 徐 伟， 刘关林， 丁晓慧

（广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院， 广东 广州 511434）

生物识别技术是当今数字化生活中最高级别的安全密钥系统，而指纹识别由于性能好、尺寸小、成本低等因素，成为了目前应用最为广泛的生物识别技术。在汽车上搭载指纹识别系统，可精准识别用户身份，有助于实现千车千面的交互体验；同时，可实现钥匙功能，让用户不再依赖于传统的实体钥匙以及通过智能手机、智能穿戴设置等实现的蓝牙钥匙，实现真正意义上的“人即是钥匙”，带来更好的人车交互体验和安全性。

1 指纹识别技术简介

1.1 指纹识别原理

一个典型的指纹识别过程主要包括：指纹原始数据采集、特征点提取、与模板指纹进行相似度比较，从而判断采集的指纹与模板指纹是否来自于同一手指。其中，模板的采集、生成以及指纹的比对过程示意如图1所示。

图1 指纹识别过程

1.2 指纹采集技术

指纹采集是指纹识别技术的主要组成部分。目前主要的指纹采集方式有：超声波式指纹采集技术、电容式传感器指纹采集技术、光学式指纹采集技术、电磁波指纹采集技术等。其中，超声波式、电容式、光学式在消费电子领域及安防领域等应用较为广泛。各采集技术的原理、优缺点、应用情况见表1。

表1 各采集技术的原理、 优缺点、 应用情况

1.3 指纹识别技术的主要性能参数

1）误识率：指2个不同指纹被错误地识别成相同指纹的概率。

2）拒识率：指2个相同指纹被错误地识别成不同指纹的概率。

3）注册时间：从指纹被采集到完成指纹特征提取所需要消耗的时间。

4）匹配时间：2个指纹样本进行一次对比匹配所需要消耗的时间。

5）模板特征的大小：从一个指纹图像中提取出的指纹特征的存储容量。

其中，误识率、拒识率、匹配时间对用户体验影响最大。

2 汽车指纹识别技术

2.1 汽车指纹识别技术现状

相较于指纹识别在消费电子领域的普及程度，汽车上采用指纹识别仍然较少，且由于成本高、没有不可替代性等问题，并未引起用户的广泛关注及行业内的普遍讨论及跟进。近几年，仅有以下几家OEM采用过车载指纹识别产品。

1）2019年5月，现代第4代胜达搭载了基于电容式传感器的指纹识别系统，可提供车外识别指纹解锁车门、车内识别指纹启动车辆的功能。

2）2020年年中，领克05搭载了指纹识别，安装在中控屏下方，用户可通过识别指纹登录账户系统，同时也充当了中控的Home按键。

3）2020年7月，全新发布的奔驰S级，在中控屏的下边缘设置了指纹识别模块。

4）2020年9月，凯迪拉克XT4推出了后装的生物识别解锁启动系统，融合了人脸、指纹、数字密码3种身份验证方式。如图2所示。

2.2 汽车指纹识别技术难点及痛点

指纹识别技术本身具有局限性，即对用户指纹状况要求较高。根据《中国消费者指纹识别状况研究报告》，超70%的调研用户存在指纹识别体验差的问题 （图3），且指纹体验不好的问题主要分布在手指指纹状况不理想导致。汽车作为高价值的用户私有物品，如在汽车上搭载指纹识别系统，识别率低或不能识别的负面影响会进一步放大。

图3 指纹识别体验差的情况占比

指纹识别技术本身具有的局限性对环境要求较高，如果识别区域有灰尘、水等，均对识别率有较大影响。车辆经常会处于高低温、灰尘、雨雪等户外环境中，会进一步影响指纹的识别率。

汽车上指纹识别产品的布置空间有限。如实现指纹解锁，需将指纹识别产品布置在车外，对于用户操作来说，最友好的操作位置为在车门区域实现指纹识别。但目前应用较多的隐藏式门把手，很难提供指纹产品的布置空间。如实现指纹启动车辆，需在车内布置指纹产品，但目前取消启动开关及实体按键虚拟化的趋势，进一步影响了车内指纹产品的布置。

另外，汽车长期放置在户外，指纹产品被非法攻击的可能性大增。指纹模板存储、认假率参数设置、指纹识别结果传输等，都会考验OEM的系统设计能力。

2.3 汽车指纹识别的使用场景

1）智能座舱入口。指纹识别可以作为智能座舱的入口，通过识别用户身份，实现针对用户的迎宾，同步用户的座椅位置调节、转向盘位置调节、氛围灯设置、车机显示偏好设置、空调温度设置、香氛设置、驾驶习惯设置等；不同的身份调用不同的设置，实现“千车千面”的使用体验。

2）安全应用入口。指纹识别可以作为整车安全应用的入口，例如，储物盒、保险箱解闭锁；应用程序保护、私密文件保护、通讯录保护、特殊功能 （如自动驾驶功能等）保护、车机开机验证、用户身份二次验证等。

3）安全便捷的汽车钥匙。指纹识别作为汽车钥匙是较常规的一种使用方式，指纹特征是人体随身携带的特征，不需要借助其他载体，可有效解决钥匙忘带、手机没电时无法使用车辆等用户痛点，也可以解决多人使用钥匙时的不便问题。

4）功能拓展。通过指纹传感器可以检测乘客心跳，建立健康模型，提前识别酒驾风险，提前识别用户身体状况；也可以实现滑动控制车机的功能。另外，如果移动支付功能上车，指纹识别可以作为支付验证的便捷手段。

2.4 汽车指纹识别实现方案

综合汽车指纹的技术现状、技术难点、应用场景等，提供以下车载指纹识别系统解决方案。系统主要由车外指纹模块、车内指纹模块、进入与启动控制模块PEPS、车身控制模块BCM、车机ACU等组成。同时，也可以配合人脸识别系统，实现更便捷的多模态生物识别技术。

1）系统架构方案

图4为车载指纹识别系统架构方案。车外指纹模块与整车网络隔离，通过私有CAN连接在车内指纹模块上，2个指纹模块均可独立实现指纹图像的采集及识别工作；ACU与车内指纹模块通过CAN连接，提供指纹录入的人机界面；车内指纹模块完成指纹录入后，需通过私有CAN加密传输到车外指纹模块；车外指纹模块保持指纹模板。PEPS、BCM接收指纹识别状态，参与实现指纹识别解闭锁车门、指纹识别启动车辆功能；结合指纹识别与基于人脸识别系统实现的人脸识别，可弥补指纹识别在部分场景下识别效果不佳带来的体验问题。

图4 车载指纹识别系统架构方案

2）硬件方案

车外指纹模块、车内指纹模块最主要的硬件组成为：指纹传感器、MCU、CAN收发器、电源芯片、安全芯片等。指纹传感器选择时，需考虑汽车环境及EMC要求等；采用MCU而非SOC，主要是考虑到系统功耗以及启动时间的需求。电源芯片选择时，需根据转换效率评估选取Buck或LDO等；采用安全芯片，可有效提高存储、识别结果、模板传输的安全性。

3）算法

车载指纹识别系统涉及的算法包括图像处理算法、精确生物识别算法，可选用在消费电子领域已广泛采用的成熟算法，并进行相应的适配开发。

4）安全方案

车载指纹识别系统涉及的安全方案包括指纹原始数据传输的安全、指纹模板的传输安全、指纹识别结果的传输安全以及指纹模板的存储安全。传输安全问题，可用AES128算法加密传递，涉及的密钥可存储在SE中；指纹模板可存储在Secure Flash中。示意如图5所示。

图5 指纹识别安全方案

采用通信加密和存储加密技术后，最大限度保证了指纹数据的安全，有效预防指纹识别被黑客攻破，此类方案已经在手机上得到大规模验证，目前来看是可靠的。

5）系统交互方案

指纹识别系统的功能实现均涉及到与整车其他节点的交互过程，针对指纹识别解闭锁车门，交互流程举例说明如图6所示。

图6 车载指纹识别解闭锁车门流程

针对指纹识别启动车辆的功能，交互流程举例说明如图7所示。

图7 车载指纹识别启动车辆流程

指纹录入时，将指纹ID与用户账户进行绑定，在识别指纹通过后，可根据指纹识别系统发出的指纹ID登录相应的用户账户，从而同步用户的相关设置。

另，如采用多模态生物识别方案，人脸识别结果也可以实现进入和启动车辆以及其他指纹识别可以参与实现的功能。

3 结语

随着多模态生物识别技术逐渐成为行业趋势，指纹识别配合人脸识别、声纹识别等生物识别技术，将在智能汽车领域迎来新的发展机遇，解决了单一的指纹识别在车载应用上的痛点，可以为用户提供更多样化、智能化的身份验证体验以及更高安全等级的车辆防盗技术。