在科技爆發的世代中，能安全可靠且便利地交換訊息顯得十分重要。例如透過網站、自動取款機或銷售終端系統(POS)，甚至在智慧型手機和個人電腦中獲取及傳輸關鍵訊息，這類活動通常會伴隨著個人隱私訊息，所以個人進行互動安全保護機制是必要的。而現今活躍的商業領域更須要達成此目標，此時生物辨識便可符合這需求。
許多人認為使用生物辨識技術是取代以密碼或PIN碼存取訊息和進行其他形式的交易，為了有更高階安全性和便利性交易所衍生的替代方案，本文將介紹使用由奧斯陸Next Biometrics開發的生物辨識感測器技術的優勢，稱為主動式熱傳導技術(Active Thermal)生物辨識，應用於收集和驗證指紋資料。
生物辨識發展重點 不能偽造不可轉讓
生物辨識是指為了驗證或識別目的而測量人類生理特徵的能力，這個術語來源於希臘詞「Bio」，意思是生活，「Metrics」意思是衡量。個人生物特徵因素，對於該個體是獨特的。用於認證或識別的一些最廣泛使用的生物特徵，包括指紋、虹膜掃描、語音識別和臉部識別。
使用生物認證和識別解決方案的關鍵優勢，在於生物辨識技術不能偽造且不可轉讓於他人，能夠有效防範欺詐。生物辨識技術現已成功應用於各種實際應用中，如法醫鑑定、政府識別、銀行金融應用以及企業身分管理等。
正如相關產業人士所說，生物辨識技術比以往任何時候都必要。例如，對建築物的存取控制通常基於鎖和鑰匙或是數位感應卡，或者容易被盜的PIN碼。倘若存取控制是基於密鑰或數位感應卡，缺點就是此認證無法判別此密鑰或數位感應卡為本人所持有。
在電腦系統做資料的存取，也是如此。存取控制主要基於密碼或PIN碼，由於用戶必須記住這麼多的密碼和PIN碼，以至於安全性常常受到影響。最終，用戶傾向於寫下密碼或讓密碼盡可能簡單化，或是經常反覆使用相同的密碼。這些行為都將使得資料被保護的安全性降低，也因此幾乎每天都有關於密碼被黑客盗用的新聞。
使用生物辨識技術，存取控制是經由使用者本身主體，是一種可數位化的生物特徵值，與密碼或PIN碼相比，這種特徵通常更難以偽造、竊取或模仿。用戶不必記住它，不會意外將它留在家中。生物特徵的型態可以是個人的指紋或發聲的方式。
關鍵在於，生物辨識技術對於每個個體而言都是獨一無二的，所以生物辨識這個應用會遠較於密碼和PIN碼更加安全和使用便利。
指紋獨特難以改變 有利生物辨識發展
指紋是人手指紋路波峰波谷所拼湊成的圖像。人的指紋是細緻的、獨特的、難以改變的，並且是個人所擁有的，這些要素使得指紋非常適合作為人類身分識別的長期標誌。
根據記錄和科學實驗的方式，指紋實際上是不可能偽造的。與語音和臉部識別系統相比，指紋辨識已被證明相對不容易被駭客攻擊。
雖然虹膜掃描被認為是非常準確的，但它是一種相對較新的生物認證方法。縱使虹膜掃描在低光照條件下工作得相當好，但它們在識別日光和戴眼鏡時的虹膜圖案時可能會遇到困難。與指紋技術相比，虹膜掃描通常需要更長的時間才能進行身分驗證，也因為如此尚未被市場認可且廣泛的應用。
從二十世紀初開始使用的指紋分析，一直是執法部門用來識別犯罪嫌犯的破案工具。然而，80年代後期有了重大進展，特別是生物辨識技術廣泛應用在安全和監控行業。利用強大運算能力的硬體及搭配指紋辨識演算法，於龐大的資料庫進行指紋分析，也因為長久的技術累積，所以已被普世認為其機制是非常安全而獲得各種領域的應用。
認識主流指紋辨識 技術良窳分析比較
雖然目前有幾種指紋技術正在使用，但本文將探討主要的三種指紋技術包括光學式、電容式和主動式熱傳導。
光學式指紋辨識
光學式指紋掃描是捕獲和比較指紋的最古老的方法。顧名思義，這種技術仰賴於其所捕獲光學圖像，透過分析圖像的最亮和最暗區域，使用演算法來檢測手指表面上的獨特圖案。
隨著光學分辨率的提高，光學式指紋辨識可以檢測手指的更多細節，從而提高安全性。然而，光學掃描器須將發光二極體(LED)陣列作為光源，在掃描時點亮照射被抓取的手指，進而抓取其指紋，此行為動作主要需要背光源照射，因此物理特性須有背光模組，而導致光學式指紋感測器通常無法以輕薄的形態出現。
而光學掃描器的主要缺點是，它們相對較不容易辨別是否為生物體的指紋。由於該技術只能單純拍攝二維(2D)圖片，因此可使用類似橡皮材質製作的假手指或是其他高畫質的指紋圖像來通過個人身分識別。
所以，光學掃描器由於不夠安全且其物理限制導致體積厚重等因素而受限，包括電容式和主動式熱傳導指紋辨識正逐漸取代光學式指紋辨識。
電容式指紋辨識
電容式指紋辨識技術使用偵測指紋紋路上所反映的電容差值來勾勒出指紋圖像，而目前在智慧型手機中使用的最常見的指紋掃描器便是電容式掃描器。
電容式指紋辨識不是創建傳統圖像，而是使用微型電容器電路陣列來收集有關指紋的電性資料。由於電容器可以儲存電荷，因此將它們連接指紋感測器表面上的導電板，可以用於描繪指紋的細節。當手指放置在導電板上時，儲存在電容器中的電荷將稍微改變，而氣隙將使電容器處的電荷相對不變。運算放大器積體電路用於追蹤這些變化，然後可以透過轉換器記錄這些變化。
獲取的指紋可以被分解可用的資料，建立其獨特的指紋屬性，這些屬性可以在以後保存用於比較及驗證。與光學掃描儀一樣，更多的電容器會產生更高分辨率的掃描器，從而提高安全性，通常在單一指紋感測器中可達數百甚至數千個，以便創建足夠大的電容陣列。
主動式熱傳導指紋辨識
經由第三方獨立研究機構證明，感測器面積大小是影響指紋感測器生物辨識性能的主要因素。
一項馬德里大學與NEXT Biometrics合作的研究，在其報告中充分說明指紋感測器面積的重要性。在馬德里卡洛斯三世大學的勞爾桑切斯·里洛教授的管理下進行這項獨立研究，這是一家備受尊敬的生物辨識學研究機構。
經過廣泛的比較測試，並且該研究在4個月的時間內從600個人中於每個感測器上蒐集了超過80,000枚指紋。使用業界領先的生物辨識算法，針對收集的圖像進行了1億多次比較。
該研究採用了兩家市場領先供應商的電容式感測器，並使用國際標準組織(ISO)標準最佳實踐方法。為每個測試對象隨機分配一系列用於指紋採集的感測器，而隨機樣本代表實際生活中實際的大眾群體狀況。另外，所有參與測試的操作員和對象都不曉得感測器的來源。所有受試者都被要求在兩段期間中進行指紋記錄，每次測試之間至少間隔兩週。
該研究記錄了與生物系統相關的戲劇性系統性能變化，感測器尺寸被證明是決定感測器系統整體性能的關鍵因素(圖1)，然而其他變量(如感測器分辨率)的作用則不那麼重要。
圖1 感測器面積大小是影響指紋感測器生物辨識性能的主要因素。
當指紋感測器的感應區域從200平方毫米(mm2)減少到100平方毫米時，根據該研究，錯誤拒絕率(FRR)顯著增加。FRR是衡量生物辨識安全系統錯誤地拒絕授權用戶存取嘗試的可能性，系統的FRR通常表示為假拒絕次數除以識別嘗試次數的比率。另一方面，錯誤接受率(FAR)是生物特徵安全系統錯誤地接受未授權用戶存取嘗試之可能性的度量。
在馬德里研究中，一個典型的配置為0.01% FAR的系統，配置全尺寸區域感測器(200平方毫米)的FRR將小於1%，然而100平方毫米感測器的平均FRR將大幅增加到5%以上。由此證明，大尺寸感測器遠遠優於消費性電子使用的小尺寸感測器，其通常僅有10毫米×10毫米或甚至8毫米×8毫米有效感應區域。
對於小型感測器，在初始指紋登錄期間會使用「拼接」的方式來實現一枚完整指紋採取的工作，以此彌補感測器的感應區域的不足。此外，有些特定族群中有相當比例的人將無法使用此小型感測器，例如擁有大手指的人。
善用LTPS製程 打造大面積感測器
解釋過感測器尺寸大小的重要性之後，接著介紹主動式熱傳導指紋感測器的工作原理，以及該技術如何以更低的成本建構更大尺寸的感測器。
主動式熱傳導指紋感測器與電容式指紋感測器的工作方式類似，不同之處在於，主動式熱傳導指紋感測器不是測量電性資料，而是測量溫度變化。
主動式熱傳導指紋感測器利用皮膚和空氣之間的介係數差異，即熱阻率和熱容量。使用的是紅外攝影機使用的熱電材料。當手指接觸感測器時，藉由指紋的波峰與波谷間的溫度差異回饋來建立指紋圖像。
另一方面，與傳統方法(900℃以上)相比，低溫多晶矽(LTPS)是一種多晶矽，可在較低溫度(~650℃及以下)下合成，目前LTPS製程大多應用於顯示器行業。
透過主動式熱傳導原理實現在LTPS製程上的獨特特性以及利用顯示器工廠的製程技術，可以製造出高質量且大面積的感測器，其成本遠低於其他高性能感測器供應商。除此之外，它具備可彎曲的特性。獨特的可撓特性將成為生物辨識智慧卡領域的關鍵，感測器將嵌入信用卡大小的產品中，並用於每日進行多項交易。
NEXT Biometrics生產的主動式熱傳導感測器，在一片60公分×72公分LTPS面板上可生成840顆主動式熱傳導感測器。這些類面板的材料成本，比電容式感測器的晶圓材料低許多，而且生產技術高度成熟，經過優化以符合成本效益，大量應用於顯示器市場。由於建立於此技術的感測器適用於生產大尺寸傳導器，也因此凸顯出Active Thermal技術在指紋辨識領域中有強力的技術及價格競爭優勢。每個感測器都有一個小型特定應用積體電路(ASIC)。該ASIC具有多種功能，包括感測器訊號的轉換，並由技術優異的矽晶圓代工廠批量生產。
正如馬德里研究中指出，感測器的表面積越大，可以檢測和比較的指紋細節越多。由於使用Active Thermal技術適用於生產大面積的傳導器，也因此符合安全等級伴隨指紋傳導器面積正相關的趨勢。
在高安全性和便利性的重要應用中，初始的指紋登錄需要解析度非常高的指紋圖像，並且至少需要兩個手指的正確圖像。倘若一開始的指紋註冊傳導器所擷取的指紋圖像不完整，這將會使得指紋辨識的機制缺乏安全性與便利性，例如手指未完全擺放正確、手指潮濕、手指髒污或指紋磨損，這些因素會影響身分識別的表現。
在大多數指紋品質要求嚴格的應用中，包括政府ID、金融支付和零售銀行業務中均需要很高的指紋成像品質，小面積指紋傳導器所縫補的指紋成像，相較於主動式熱傳導器的大面積獲取完整指紋來說是個缺陷。
生物辨識含括四領域 兼顧安全性準確性
生物辨識解決方案必須始終提供最高級別的安全性。通常情況下，像政府ID和金融支付這樣的應用領域，每十萬個指紋感測器讀數需要少於一次的錯誤接受。只有使用捕獲最多指紋資料的大面積感測器，才能確保最高級別的安全性。
在生物辨識技術中，安全水準和便利程度通常代表對立的兩個變數。降低的安全級別將提供更高級別的便利。改變系統參數以降低FAR，將因此增加FRR。這意味著，只有使用大型感測器才能平衡高水準的安全性與高度便利性(圖2)。
圖2 FAR指的是「錯的指紋被接受」，而FRR指的是「錯的指紋被拒絕」。此圖的橫軸為安全等級，往右表示安全等級越高，所以可看出右半邊的FAR是低的，FRR是高的，如此符合需要較高的安全等級的應用。需要高比率「錯的指紋被拒絕」和低比率「錯的指紋被接受」這兩個值互斥的關係。通常要判定一個指紋辨識的好壞會把FAR定在某個比率(如0.01%)來看其FRR的表現，FRR越低，表示指紋感測器的表現較差。
如上所述，Active Thermal技術提供了構建捕捉更多特徵和更多資料的大型感測器的能力。基於Active Thermal的感測器也可以使用低製造成本的製程來製造。事實證明，基於Active Thermal技術構建更精確，大面積感測器的成本優勢，實際上隨著感測器尺寸的增加，而更具製造成本優勢。
隨著人們越來越重視使用基於指紋感測器的生物辨識智慧卡進行政府身分識別和電子支付，可適用於彎曲的感測器更顯其重要性。智慧卡每年將以數十億為單位發行，需要承受嚴重壓力、彎折或是不當的使用習慣。
為滿足所有大眾市場環境的要求，智慧卡行業制定了測試制度和標準。熱傳導式感測器的製造必須符合智慧卡片的要求和標準，包括ISO/IEC 10373-1:2006，其中規定卡片可彎曲性的要求。主動式熱傳導式指紋感測器可廣泛地應用，包括智慧卡、政府ID、存取控制、筆電市場四大領域。
智慧卡
在使用的便利和安全性考慮的推動下，生物辨識智慧卡市場預計在未來幾年內將有大幅增長。
生物辨識卡有四個主要應用，包括零售銀行支付、金融(包含支付)、政府ID以及門控系統。以上應用會決定不同智慧卡的規格，而其規格大致為：以安全或便利為重點、需要為接近100%的目標用戶工作、需要接觸式或非接觸式讀卡機、要求符合智慧卡行業可彎曲性標準、需要集中或遠程註冊、需要互操作性、整體系統生產成本，以及在乾淨或惡劣的環境中使用。
展望未來，大眾市場相關的實施，將在所有主要細分市場中證明，大型感測器格式(169平方毫米及以上)對於智慧卡應用其安全性扮演著極大要素。然而，主動式熱傳導技術提供其安全等級以及信賴性的高可靠度，是此應用最佳的解決方案(圖3)。
圖3 主動式熱傳導技術提供安全等級以及信賴性的高可靠度。
政府ID
為公民提供安全便捷的身分認證方法，是幫助防止詐騙，實現準確身分訊息並確保及時提供政府服務的重要識別工具。
世界上人口最多的國家，包括印度、中國、印尼、巴基斯坦和奈及利亞目前正在制定和部署他們的第一個生物特徵國家身分識別專案。在這些第一代項目中，公民通常會在收集社會福利或進行電子支付時使用指紋來驗證自己的身分。這些計畫需要生物辨識基礎設施，通常包括嵌入各種設備(如身分驗證終端和POS)的外部指紋感測器。這種產品格式包括門禁卡、密鑰卡、智慧卡或其他可以由政府安全控制的工具。
政府應用程序需要極高的安全性，解決方案必須能夠服務接近百分之百地服務人群。此外，公民驗證通常會在具有挑戰性的環境中發生，無論是準確讀取指紋和環境條件的能力。
此外，政府應用通常要求在專用登記中心使用大型感測器進行一鍵式登記。所謂的生物統計重複資料刪除方法，用於確保每個人只能註冊一次，這既是為了確保高品質的登記照片，也是為了避免欺詐性的重複ID。
登記的指紋通常根據國家法規和ISO/美國國家標準委員會(ANSI)標準進行儲存，允許儲存在中央資料庫內，以安全為重點，政府應用程式通常不允許向生物辨識技術提供任何密碼或密碼回退。因此，錯誤拒絕的數量必須非常低，因為故障通常需要連結相關行政機構進行驗證(圖4)。
圖4 在政府ID的應用領域所提供的指紋辨識Reader方案。
存取控制
存取控制設備如POS是生物辨識技術最成熟的市場領域之一，主要由基於指紋感測器的系統組成。類似這些系統的應用通常可以實現於建築物門禁或是行李箱等物品上。事實上，採用主動式熱傳導技術的指紋感測器，特別適合於滿足存取控制和POS應用在產品耐用性和生物辨識性能方面的要求。
主動式熱傳導技術也使無邊框感測器在用戶端的機構設計顯得更加容易和彈性，以獲得更有趣的機械設計。主動式熱傳導原理的指紋模組可以安裝在任何產品外形中，包括小型個人設備，如Token和遠端控制系統。
存取控制應用程序必須堅固耐用，能夠承受許多人的不斷使用。感測器模組要可以承受200多萬次手指觸摸的信賴度測試。它們也須被證明能夠經受刮痕、劇烈撞擊和暴露於紫外線等符合高規格門禁設備的規格要求(圖5)。
圖5 在門鎖(瀏覽存取)和筆電的指紋辨識市場所提供的指紋辨識模組。
筆電市場
大多數筆電供應商將感測器看作是一種便捷的附加功能，可用於較高比例的終端用戶的更快存取。這允許使用小型感測器(甚至是舊式刷卡感測器格式)，其性能與智慧型手機感測器實現的性能大致相同。
但在高階市場中性能的表現是非常重要的部分，筆電廠商把感測器應用期許可以建構在安全和方便地接近百分之百的用戶使用者體驗上。也因為有此要求，主動式熱傳導全尺寸感測器提供了筆電廠商最佳解決方案。
在高階筆記型電腦領域，安全性和便利性都不能打折扣。相當大比例的筆電將用於廣泛外界環境條件，無論是在取得指紋品質及抗衡惡劣使用環境條件方面皆是如此。除此之外，高階筆記型電腦裝置也需要一個優良的指紋註冊機制。所有這些規格都可以透過採用主動式熱傳導技術的指紋感測器輕鬆完成。
主動式熱傳導應用 滿足各類市場需求
隨著訊息技術逐步擴展到日常生活的各個方面，可使用生物辨識技術來存取最重要的財務。指紋技術的安全性、便利性和流行性，使其成為滿足安全存取和安全交易需求的理想生物辨識方法。
雖然有幾種技術可用於登記和認證指紋，但大面積感測器已被證明是最可靠、安全以及方便的。綜觀目前所有具成本效益和物理可彎曲的感測器，具備主動式熱傳導技術的感測器最能滿足市場上的需求。
(本文作者為Next Biometrics資深客戶應用工程師)