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智慧型手機/NFC推波助瀾　手機指紋辨識需求攀升

2007-11-19

葉錫仁

指紋辨識器的市場在過去幾年中已經迅速成長。主要的成長動能來自筆記型電腦和手機市場的使用率增加。當指紋辨識器的價格滑落，且終端使用者對於安全和隱私的考量又上升時，指紋辨識設備裝置的需求隨即建立。

在行動電話的市場中，指紋辨識器的適用性正從兩個方面明顯成長。第一是含有作業系統的PDA手機市場，例如移動Windows CE和Windows Mobile。第二方面的成長在於近距離無線通訊(NFC)的商務電話，如由au KDDI或NTT DoCoMo在日本所提供的產品服務。除這兩方面，日本、韓國和中國大陸的低價特色手機也已採用指紋辨識器來作為隱私方面的解決方案。

PDA手機成指紋辨識器最大驅動力

全世界有數十家指紋辨識器供應商。這些公司大多數都把指紋辨識器提供給政府機關和筆記型電腦業者。至今為止，在行動電話市場，以AuthenTec為市場主導，在手機市場占有率已超過95%。而剩餘的行動電話市場，則由其他供應商來分配，包括Atrua、Atmel和富士通(Fujitsu)。

圖1　WX321J、F903i和SCH-S370指紋辨識手機

指紋辨識器最大的手機行動市場是日本，已售出超過600萬支以上。韓國、中國大陸和台灣市場的需求隨後也將陸續增加。據了解，在日本，NTT DoCoMo已經有十四款手機機種，包括F904i、F903iBSC、F903iX、F903i、F902iS、F702iD、F902i、F901iS、F901iC、F900iC、F900iT、F506i、F900i、F505i；另有au KDDI的W51H機種以及Willcom的WX321J(圖1)與WX311J兩個機種，採用指紋辨識器。在韓國，則有LP3800、KP3800、LP3550、SCH-S370與PCK6000等五個機種採用；中國大陸目前則有三個機種採用。

根據Frost & Sullivan的分析報告，指紋辨識器在筆記型電腦的的採用率從2004年的3.0%以非常快的速度成長至2007年的13.3%。預計2008年採用率將攀升至35%。同時，自今日起，前十名的筆記型電腦製造業者中，有九名都會生產指紋辨識模組。

圖2　F1100和HTC P6500的PDA手機

伴隨著Windows Mobile和Windows CE作業系統，PDA手機也開始像Windows的電腦一樣更多元化。PDA手機(圖2)須能包含大數量的資訊，如使用者可透過ActiveSync，簡單地將資料同步和電腦連結，和把電子郵件直接從伺服器傳至Outlook。一旦這些設備遺失，可能會引起公司機密和私人訊息的洩漏。根據美國的沙賓法案(Sorbane-Oxley Act)，甚至可能會導致個人的債權責任。

指紋辨識器保護著PDA手機，並且提供許多額外的特色，來提升結合指紋辨識器的附加價值。顧能(Gartner)預估在2006年，Windows Mobile和Windows CE的市場約有九百九十五萬套的規模。Gartner也預計2007年第一季約出貨三百一十八萬套，相較於2006年第一季成長64.4%。PDA手機電話的市場預期將會持續成長，並將帶動指紋辨識器在行動電話市場的成長。

指紋辨識器彌補密碼輸入之缺

指紋辨識器提供給裝置並非只有安全，還有便利性。以冗長的數字和字母當密碼能提高安全性，但是對於終端使用者來說，鍵入並記住密碼非常不方便。對於不同的網域和應用，有著不同的長密碼，更是複雜，在可攜式裝置上輸入這些密碼的不便性將令人難以接受。

在筆記型電腦中，指紋辨識器對使用者而言，會被當做達成便利性安全的一個方法，一旦廣泛採用，指紋辨識器更可提供幾個超過密碼的優勢。

首先，冗長和錯綜複雜的密碼容易被忘記，而指紋不可能遺忘，而且長時間來說是非常穩定。指紋總是與使用者在一起。讀取手指表面的指紋辨識器可能很難由表面損壞或受污染的手指讀取資料，而用TruePrint技術來動態讀取手指活體層的指紋辨識器將正常工作。通常會有多根手指被登記進指紋辨識器裝置，因此如果被登記的手指之一受傷，其他的手指也能被使用。

其次，密碼可能被偷或被未授權的使用者使用，而且盜用這些密碼就像是竊取寫在紙片上的密碼一樣容易。

而指紋是相當難被竊取，對犯罪者來說，就好像要從一個杯子上的指紋創造出假的指紋一樣困難。即使一隻假的手指被成功仿冒，防偽的TrueMatch技術可偵測偽造手指，會藉由在刷指紋的期間檢查指紋的自然扭曲程度，而在軟體中拒絕假的手指。更進階則是以硬體為基礎的技術，它是以量測手指的電氣特性來拒絕假的手指。

NFC結合指紋辨識風行日本

NFC裝置已經被整合至在日本的行動電話中好幾年了。NFC裝置在新力(Sony)公司商標FeliCa之下被製造，已成功支援日本鐵路和行動通訊業者NTT DoCoMo。現今，NFC賦予手機能夠在購買前，藉由以現金儲值NFC帳號的運作來行使交易，這些裝置包含了貨幣價值，亦等同將信用晶片嵌入其中，這些裝置的遺失將造成實質上的金融損失。

圖3　有指紋辨識器和NFC的手機電話

對於行動電話而言，指紋辨識器對NFC來說是一個優秀的夥伴。NFC支付款項系統的概念是為了快速交易。使用密碼鎖住NFC卡片對用戶來說會造成多餘的不便。透過指紋辨識器，用戶便能簡單地完成交易。目前，在日本已有十一個電話模組使用NFC和指紋辨識器(圖3)，而全世界的電信業者正對其顯示出高度的興趣。

指紋辨識器操作方便

指紋在手指上是以類似波峰和波谷的圖型分布。每個人的每根手指都不同於其他的人的指紋，除非特別的情況，否則手指的表面不會沒有指紋。透過指紋來做鑑定，已有超過100年的歷史。

指紋辨識器是擷取指紋影像的裝置，並且被用於驗証使用者身分。使用指紋辨識的特別之處，是使用者剛開始須透過指紋感應器登錄他的指紋進到系統之中。指紋的圖像會被譯成代碼模板並且以安全牢固的方式儲存在系統裡。之後，當使用者存取系統時，用戶會透過指紋辨識器驗證他和系統的指紋。如果驗證指紋影像符合系統中任一枚指紋，使用者則可成功存取系統。

圖4　按壓式和滑動式指紋辨識器

指紋辨識器依手指紋呈現的方式分成兩種類型︰接觸按壓式和滑動式指紋辨識器(圖4)。按壓式感應器是大面積的感應器，其要求使用者將手指按在感應器的表面上。這些感應器同時抓取整個指紋的圖像。接觸式感應器對手機的使用者來說過大也過於昂貴，不過，儘管如此，小型的接觸式感應器同樣已經在日本銷售。

滑動式感應器比較小，而按壓式矩形感應器，有著較寬且較長的尺寸。它們要求使用者縱向地將手指滑過感應器，而感應器則循序地擷取指紋影像的片段。這些指紋影像的片段會用來產生指紋的模型。

表皮/真皮層影像有差異

指紋感測技術被更進一步分類到以皮膚滲透度為基礎的二個型態，包括描繪手指表面層的技術和描繪在表面之下活體層的影像擷取技術。以表皮為基礎的技術包括光學式，電容性和熱感式等技術；並且這些技術的物理概念允許只作手指的表面影像擷取。真皮層的影像擷取技術如TruePrint(圖5)，使用射頻(RF)的專業技術穿透過手指的表面，進而截取手指底下真皮層的影像。

圖5　TruePrint技術示意圖

一般人手指的表面是會損壞，污染或乾燥的，對於表皮擷取的技術來說，會導致成像失敗的問題。而真皮層影像擷取的技術對於這些有問題的手指則反應良好。

對於行動電話來說，光學式指紋感應器體積雖過大，卻有其特色。光學式指感應器使用光來擷取指紋影像，並且用在指紋間的波峰，也就是表面的表皮層，以及波谷，也就是空氣之間的折射率的差別來讀取這種指紋圖案。差別之處是光在手指到感應器的介面中的部分反射裡，只有手指的表面是被讀取的。光學指紋感應器的供應商如Digital Persona和Mitsumi。

直流電容式的指紋感應器使用水平放置的平行板之間的電位來讀取指紋圖案。它從表面的表皮層和空氣間的電介質常數的不同，來讀取同一平面上的平行板之間微小電容的差異。因為來自平行板的電場度衰退的非常快，通常以倒轉距離的-3次方的速度衰退，它穿不透皮膚的表層，因此只讀感應器的表面。直流電容式指紋感應器的另外一個限制條件是，因為不能穿透進入皮膚，厚的塗層也就不能被用於保護感應器。然而，對於使用裸露式感應器的行動電話，薄的塗層來保護感應器也是不適用的。

直流電容式的指紋感應器供應商如Atrua、Upek、富士通和Lighttuning等。熱感式的指紋感應器利用在表面的外皮層和空氣之間的熱傳導率中的不同來測量指紋圖案。因為熱感式的傳導是基於和感應器接觸的不同材料，故感應器只讀表面層。另外，在一些情形中，為了指紋的讀取，需要一個加熱器來改變感應器的溫度，這會導致非常高的功率消耗。主要代表業者如Atmel。

射頻式的指紋感應器藉由送一個射頻訊號進入手指，並截取來自真皮層的反射訊號讀指紋圖案。MF頻帶中的一個訊號被送進手指而且經過在皮膚表層沒有傳導性的細胞。當訊號擊中有著高傳導性的真皮層時，它會向感應器做訊號的反射，而且被感應器的像素陣列，即點矩陣所讀取。這反射的電場強度跟相距感應器的距離成反比(~d^-1)，且在波峰和波谷之間的高度差中被讀取。由於距離的關係，電場強度衰減的程度是緩慢的，所以真皮層則可被讀取。除此之外，這慢速的衰減則允許感應器表面可擁有較厚塗層來作保護，使它們更適合整合在手機的外部。

此外，指紋辨識器的解析度也很重要，通常要求500ppi，若解析度低於500ppi，將會得到非常差的效能。

圖樣比對法效能較佳

圖6　特徵點與圖樣比對技術

指紋功能的另一種元件則是比對軟體。指紋比對的演算法被分類成特徵點(Minutia)比對和圖樣(Pattern)比對(圖6)。特徵點比對是舊式的指紋比對演算法，它是檢查指紋中不連續的部分。主要被使用在犯罪學中，從一個大的資料庫中選擇有潛在符合的一小部分，來對照要比對的指紋。包含在特徵點比對裡的訊息較稀少，才能放進整個資料庫中資料庫中。

然而，因為許多指紋的訊息被忽略，大的指紋區域就會要求作精確的比對。當以低效能的CPU或是小型指紋感應器的行動電話進行比對，其效能可能是很差的。

圖樣比對是較新的指紋辨識演算法，在指紋中檢查波峰和波谷的圖案和流動方式。與特徵點比對相比較，它使用更多的指紋訊息，並且在有限的CPU效能和相對小的感應器的行動電話應用上，有更卓越的效能。有時多餘的訊息，像是斑點等異常的指紋物件，也能被加到圖樣中，而提高比對的效能。現今，圖樣比對是全世界大多數的行動電話中所使用的匹配演算法。

指紋辨識器可多樣搭配

指紋辨識器除了驗証之外，還可以被使用在多種應用過程之中。這些應用包括導航功能、裝置鎖、檔案鎖、訊息保護、電子郵件保護、快速撥號、網頁連結、自動填入用戶名/密碼，以及應用軟體的啟動和觸碰喚醒的功能。對於有NFC能力的電話來說，應用包括啟用或者解除NFC連接的能力。

裝置鎖是個特色，當使用者須要滑動手指來開啟或關閉手機時。為了安全起見，建議使用者用不同的手登記多根手指，以避免不能解開電話鎖的窘境。另外，有些手機也允許使用者除了指紋外，也可設立一個密碼來作解鎖之用。

檔案閉鎖是要求使用者滑動他的手指去開啟或者解密一個檔案的功能。訊息保護和電子郵件保護則允許使用者滑動他的手指去讀取其訊息或電子郵件。

網路連結、速撥功能和應用程式啟動須要多根手指被登記進手機中，而且不同的手指會連結不同的網址，撥不同的電話號碼，而且取決於背景或使用者設定，而有不同的應用。

當網站和內部網路帳號的用戶名和密碼跟指紋連結在一起，特色是用戶名稱和密碼則會被填入。意謂當使用者滑動他的手指，用戶名稱和密碼就會直接填進網站。這對沒有鍵盤來輸入字母和字串的手持式裝置特別有用。加上網路啟動連結，這提供了一個滑動連結來驗證網站和內部網路。

上述的鑑別特色被感應器的影像模式所支援並使用多根手指驗証API。在此同時，比對的準確和速度是相當關鍵，因為更多的樣板需要被比對，因為有較高的可能性出錯，而且比對的時間也會增加，所以，當更多的手指同時地被相配比對的時候，比對的準確度會降低。因此，最初的準確度和比對速度一定高得足以適應多根手指。TrueMatch已經是一種被證明在百萬支手機中使用十根手指同時的比對技術，並已經成功地被使用在同時使用三十根手指來比對的設備裡。

導航功能是使用指紋辨識器來作為一塊類似於小觸碰板的導航設備的能力。透過在指紋感應器上移動手指，感應器能成功地抓取手指的連續圖像並且計算移動。以這種方法，指紋辨識器透過移動一個類似於一塊觸碰板的指標充分實現了如滑鼠般全方位的導航。

另外，感應器能偵測到是否有手指已經被放在感應器上或是離開了感應器。因此利用感應器也能被解釋為單擊滑鼠、雙擊或是單擊後拖曳。

對導航訊號來說，也能被過濾成關鍵壓力動作。對沒有全方位導航按鍵的電話來說，可設定成四向鍵或者是八向鍵。輕敲感應器將被整合成OK或者選擇鍵。

導航模式是一個典型的支援，藉由感應器在有規律的時間距離下輸出導航封包的一個特殊模式。

觸碰喚醒的功能是當CPU進休眠時，指紋感應器會搜尋手指接觸與否的功能。在這方面，指紋感應器則作為一只叫醒CPU的按鈕。觸碰喚醒的功能被感應器的低功率指紋偵測模式所支援，獨立運作而不透過CPU，當感應器識別到一根手指時，則會發中斷訊號來喚醒CPU。這低功率的指紋偵測，僅需要極少量的電流，會降低對電池壽命的影響。目前在市場上沒有任何手機已經整合觸碰喚醒的功能。

對行動電話來說，在選擇指紋感應器過程中的最重要原素是耐久性、尺寸、費用、功耗和效能。

指紋感應器是不同於其他IC的一個裸露和易被外部物理損傷的裝置，可能跟鑰匙和硬幣等其他物體一起被放入使用者的包包。如果感應器暴露在電話外面，那在動態的影響和靜態壓力兩個方面可能損壞指紋感應器。
動態影響乃由物件直接撞擊感應器引起，如使用者走路時外力的撞擊；靜態壓力來自對抗從感應器的物件壓入，舉例來說，人坐著時，物品對手機產生壓力。在相關產業裡，收集且修理被損壞指紋感應器的費用遠超過支付給更耐用感應器的額外成本。
以矽為基礎的指紋感應器，被在矽晶感測區域上方放置的塗層所保護著。這些塗層通常是有機和與半導體程序兼容的介質材料。通常，較厚的塗層會導致更高的穩定性。若指紋感應器用少於7微米的塗層整合進入手機中，則預計每個月的不良退回比例會大於10,000ppm。對於裸露的行動電話來說，9微米的有機加非導電性總塗層厚度應可降低損傷退回的程度，達到一般可接受的範圍標準。

行動電話的趨勢迫使組成物件更小，在行動電話裡，指紋辨識器是較大的裝置。然而在現今的感應器則能提供大約三分之一典型八向鍵對電話的空間縮減。事實上，感應器的尺寸已被驅使成足夠取得指紋區域的最小寬度。較舊的特徵點比對技術至少需要10～15毫米的感應器寬度。用圖樣比對技術，對於準確比對的要求，感應器寬度可降低至6.5毫米。最好的尺寸是寬度縮減，讓指紋感應器更容易被整合進入大多數的手機電話之內。

在行動電話裡的另一個主要考量是價錢。指紋感應器的價格在過去5年內穩定地下修，從30美元到現在的5美元以下。然而，裝置本身的價格不是最重要的事，而是所有的總費用。這費用包括指紋感應器，外部元件的組成部分，用戶支援，和不良品退回。低價的指紋感應器可能會有很差的效能表現，導致須增加客戶端的支援，並且薄的塗層會有相當高的退回比例。

行動電話跟使用的次數有關，例如交談時間和待機時間。而指紋感應器消耗極少能量，並在使用時產生不到1%的消耗。在指紋感應器的選擇過程中，這定期的電源消耗並不能代表在支援指紋感應器中的總電流消耗。一般而言，指紋比對的動作低於2秒，且使用低於電池0.01%的能量。
不過，使用者能用指紋感應器來執行導航模式每天數小時。在導航模式期間，CPU須處理從感應器送來的導航數據。在感應器中，差勁的導航設計引擎，會產生幾千位元組的封包數據，並且使用到超過20%的CPU處理資源。這額外處理效能的使用會使CPU支援感應器的功耗增加，並且必須被計算進總功耗中。
因此，如TrueNav導航引擎，用別的方式來壓縮導航封包，並且減少八分之一導航封包負載重量，相對也降低功耗和增加使用時間。

如果指紋感應器拒絕登錄的使用者的次數，即錯誤拒絕率(FRR)，接受未登錄的使用者，即錯誤接受比率(FAR)，或者無法讓使用者登錄(FTE)等三項數值太高，指紋辨識器就等同無法使用，手機可能會被退回。
選擇指紋辨識器，應該基於現實環境的經驗。對於坐鎮辦公室的使用者來說，指紋圖案都不會太差，在這些人身上試驗將無法探測指紋感測器的好壞差異。不過如護士或理髮師，或有著乾燥手指的老年人，使用者的手指可能已經損壞或者受污染，將是評判優劣的標準。

應用版圖不斷擴張

除手機之外，LG-Nortel(IP Phone 8540)和Polycom(CX700)已經在VoIP桌上型話機上使用指紋辨識器。一些筆記型也已經宣布用指紋辨識器來消弭行動電話和個人筆記型電腦之間的距離。Medion(GoPal 4425)最近則發布一款採用指紋辨識器的個人導航裝置(PND)。

顯而易見，指紋辨識器在筆記型電腦市場已有顯著成長，並期待在手機市場的成長。指紋辨識器在手機市場的最大兩個驅動者是Windows作業系統的發展和NFC。對於將指紋辨識器整合進入低價手機，隱私方面的考量則是持續的驅動力。