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| 本文作者： 程弢 | 2017-02-23 23:00 | 專題：雷峰網(wǎng)公開課 |
雷鋒網(wǎng)按：我們?cè)诤茉缰熬陀兄讣y傳感和采集的需求，但直到20世紀(jì)59年代計(jì)算機(jī)發(fā)明后才實(shí)現(xiàn)了指紋識(shí)別的可能性。到70年代，美國(guó)FBI開啟了一個(gè)項(xiàng)目，從而開啟了用指紋識(shí)別來進(jìn)行一些身份認(rèn)證的工作。從此，業(yè)界對(duì)指紋的傳感和如何攻破指紋系統(tǒng)的研究延續(xù)到現(xiàn)在。
指紋識(shí)別遭遇的攻擊手段層出不窮，假指紋就是其中之一。
為了防御假指紋帶來的安全風(fēng)險(xiǎn)，去年有國(guó)內(nèi)廠商專門推出了活體指紋識(shí)別技術(shù)，這種技術(shù)號(hào)稱可以通過指紋、手指皮膚顏色以及心率信號(hào)等生物特征來驗(yàn)證用戶的真實(shí)身份，以避免假指紋的攻擊。然而雷鋒網(wǎng)了解到，市面上所謂內(nèi)置“活體指紋識(shí)別”技術(shù)的終端遭假指紋破解的事件也屢見不鮮，這一技術(shù)似乎也不可靠。
指紋的采集技術(shù)和傳感器原理是指紋識(shí)別系統(tǒng)最基礎(chǔ)的部分，所以，要認(rèn)清指紋識(shí)別的安全問題必然繞不過這兩部分。那么活體指紋識(shí)別遭破解背后究竟有什么秘密呢？
為此，雷鋒網(wǎng)邀請(qǐng)了邁瑞微電子創(chuàng)始人李揚(yáng)淵為大家分享《指紋傳感器原理和假指紋攻防技術(shù)》。
李揚(yáng)淵，蘇州邁瑞微電子創(chuàng)始人；指紋識(shí)別領(lǐng)域唯一貫通算法、傳感器、IC設(shè)計(jì)的從業(yè)者；密碼芯片領(lǐng)域最早的開發(fā)者之一；基于李揚(yáng)淵所發(fā)明的“C-Q-T”電路，僅成立3周年的蘇州邁瑞微電子已成為中國(guó)大陸電容式指紋傳感器出貨量第二名的供應(yīng)商。
以下內(nèi)容整理自本期公開課：
我們?cè)诤茉缰熬陀兄讣y傳感和采集的需求，但直到20世紀(jì)50年代計(jì)算機(jī)發(fā)明后才實(shí)現(xiàn)了指紋識(shí)別的可能性。到70年代，美國(guó)FBI開啟了一個(gè)項(xiàng)目，從而開啟了用指紋識(shí)別來進(jìn)行一些身份認(rèn)證的工作。從此，業(yè)界對(duì)指紋的傳感和如何攻破指紋系統(tǒng)的研究延續(xù)到現(xiàn)在。
去年2月的MWC上，國(guó)內(nèi)某公司號(hào)稱發(fā)布了全球首個(gè)活體指紋檢測(cè)技術(shù)，2017年該公司得到了CES全球創(chuàng)新金獎(jiǎng)，在這期間有三個(gè)著名的廠商應(yīng)用了其活體指紋識(shí)別，并對(duì)外宣稱可以避免假指紋的攻擊。
MWC2016: XX科技發(fā)布全球首個(gè)活體指紋檢測(cè)技術(shù)，2016.02
黑科技 XX天機(jī)X XXX支持活體指紋識(shí)別 ，2016.10
XX“真”旗艦 除了8890芯片還有活體指紋 ，2016.12
XX科技榮獲2017年CES全球創(chuàng)新金獎(jiǎng) 活體指紋檢測(cè)識(shí)別方案引領(lǐng)生物識(shí)別科技創(chuàng)新 ，2017.01
XX M2017活體指紋體驗(yàn) 假指紋無處遁形 ，2017.01
然而，前不久有網(wǎng)友曝出一段視頻，視頻演示了假指紋是否能破解活體指紋識(shí)別的測(cè)試，結(jié)果如下：
1.未注冊(cè)的裸手制和理論結(jié)果一樣不能解鎖；
2.使用隱形指紋膜可以解鎖；
3.傳統(tǒng)指紋膜和理論結(jié)果一樣不能解鎖。
總結(jié)來說，活體檢測(cè)的可靠性隨技術(shù)方法的提升而提高，現(xiàn)在被破解的是最低級(jí)的早已被淘汰的技術(shù)。
指紋識(shí)別最早應(yīng)用在公安、海關(guān)等領(lǐng)域，所以假指紋的研究起初是一種間諜級(jí)別的行為。用硅膠等材料制作假指紋來欺騙傳感器是從指紋識(shí)別的應(yīng)用開始就存在的一種方式。
假指紋黑產(chǎn)一直是指紋識(shí)別技術(shù)的副產(chǎn)品， “隱形指紋膜”不是新技術(shù)，只是因?yàn)橐郧皼]有需求才沒有作為產(chǎn)品推出。而在中國(guó)，嚴(yán)格來講還沒有形成黑產(chǎn)業(yè)，一般只用作欺騙考勤機(jī)。
活體指紋識(shí)別是一個(gè)很寬泛的名詞，他本身不是一個(gè)很嚴(yán)格的技術(shù)定義。去年，我在雷鋒網(wǎng)發(fā)布了一篇文章《iPhone SE發(fā)布了，并沒有“活體指紋識(shí)別什么事”》，這篇文章里面引用了中國(guó)知識(shí)產(chǎn)權(quán)局的定義，定義的內(nèi)容包括哪些東西可以歸納到活體檢測(cè)的門類，具體有以下幾點(diǎn)：
第一類是生理特征信號(hào)，例如體溫、皮膚表面的電阻特性、排汗過程、表情的變化、眼部動(dòng)作、瞳孔大小變化等；
第二類是光譜學(xué)信息，該項(xiàng)技術(shù)主要針對(duì)打印圖像形成的規(guī)律的紙質(zhì)紋理特性，利用頻譜特征進(jìn)行檢測(cè)；
第三類是通過人機(jī)互動(dòng)的形式，通過檢測(cè)預(yù)期的運(yùn)動(dòng)來對(duì)生物特征的活體特性進(jìn)行驗(yàn)證；
第四類是多模態(tài)的生物特征識(shí)別，在認(rèn)證系統(tǒng)中采用兩種以上的生物特征識(shí)別技術(shù)方式，提高偽造樣本的難度。
這是一套檢測(cè)規(guī)則，如果做了其中一種就可以叫活體。但需要注意的是，活體并不代表最新的先進(jìn)技術(shù)，它可能是已經(jīng)不具備安全性的過時(shí)技術(shù)。
上文提到的活體指紋被破解的例子中，其手機(jī)用的技術(shù)其實(shí)就是蘋果擁有卻沒有應(yīng)用的專利技術(shù)（專利US 8180120 B2的技術(shù)）：
電容采集指紋成像；
紅外光反射率檢測(cè)（先發(fā)射，再檢測(cè)它的反射光，反射光的強(qiáng)度在一定范圍內(nèi)的時(shí)候就認(rèn)為其反射率和預(yù)期的差不多）。
但是，該方案智能防御傳統(tǒng)黑色材料的假指紋，并不能防住半透明材料的假指紋，這種假指紋具備以下兩個(gè)特性：
導(dǎo)電性，電容成像的可能性；
半透明，可以讓紅外光透過假指紋由真手指反射，所以能欺騙檢測(cè)系統(tǒng)。
指紋是空間的特征，它并不是具體的物理量，所以指紋的采集是一種很開放的技術(shù)領(lǐng)域。
傳感器可以分為物理傳感器、化學(xué)傳感器、生物傳感器，指紋傳感器是第一種，除了磁傳感器外，光、電、力、聲、熱這五類物理傳感器都可以采集指紋。
1.基于全反射的效應(yīng)，這是最經(jīng)典的一種：
當(dāng)光源在全反射角以上，就是光源側(cè)著照進(jìn)去時(shí)，光線會(huì)側(cè)著反射出去，在反射光的角度用鏡頭拍攝，就能拍到很亮的背景，如果指紋在棱鏡表面光源照亮的區(qū)域接觸，那么指紋凸出的部分（脊線）和棱鏡接觸，凹下的部分（谷線）不會(huì)接觸，接觸部分因?yàn)槿瓷湫?yīng)會(huì)有一個(gè)受抑制的情形（光線從脊線接觸的地方透射出去了），反射光的對(duì)應(yīng)區(qū)域會(huì)變?nèi)酰?這時(shí)候會(huì)收到一個(gè)脊線暗、谷線亮的圖像；
當(dāng)光源在全反射角一下（上圖不能實(shí)現(xiàn)這種情況，需要把棱鏡的直角削平，也就是變成梯形），光線從正下方射入，這時(shí)候光線大不會(huì)從棱鏡上透射出去，但是手指與棱鏡接觸的區(qū)域，光線會(huì)發(fā)生所有角度的散射，這時(shí)候就會(huì)出現(xiàn)脊線部分為亮，谷線為暗，這也可以形成指紋圖像。
這個(gè)例子解釋的是指紋傳感器的物理效應(yīng)是調(diào)制效應(yīng)，一組物理量在空間上有分布，而指紋只是通過某種方法影響了這種分布，用傳感器采集這個(gè)物理量的空間分布來獲得指紋的圖像，這是所有指紋傳感器所遵循的原理，具體差異只是選擇的物理量不同。
2.基于指內(nèi)漫射光效應(yīng)
這是由NEC公司原創(chuàng)的技術(shù)，它的原理如下：
當(dāng)我們用手電筒對(duì)著手掌照射，整個(gè)手掌會(huì)亮起來，這是光線在手的肌肉皮膚傳播，這種傳播包含散射、折射，如果從指紋的方向射出來，會(huì)產(chǎn)生亮暗的差別，我們就可以從中提取出來；
與指靜脈采集使用同樣的原理不同的波長(zhǎng)；
3.近距離面光源照射指紋，谷線陰影成像
最近iPhone 8要上光學(xué)指紋識(shí)別的消息被炒得沸沸揚(yáng)揚(yáng)，這實(shí)際上只是在炒冷飯。這種技術(shù)的原理甚至是工藝，早在1997年就發(fā)明了，之所以現(xiàn)在還能拿出來炒，是因?yàn)檫@個(gè)專利過期了。
這種方法的原理就是，當(dāng)有一個(gè)面型的光源離手指比較近的時(shí)候，脊線就會(huì)擋住谷線。如果遠(yuǎn)距離的光線照進(jìn)去，必須要有角度，某些角度看得見，某些角度看不見；但是近距離對(duì)于手指的任意一個(gè)點(diǎn)都相當(dāng)于從差異很大的方向光線匯聚過來進(jìn)行照明，所以有充分的條件使得脊線把谷線擋住。
但是這種圖像很弱，對(duì)于指紋淺的人來說，就很難識(shí)別。
4.空氣排斥成像
在玻璃板上放置啞光柔性薄膜，指紋壓迫薄膜時(shí)把脊線下方空氣排出，在另一面形成不同的反射率?？梢哉f，在所有光學(xué)指紋識(shí)別傳感器里面，這種圖像是最清晰的，不過目前只有臺(tái)灣一家公司在做小批量的生產(chǎn)。
1.直接電容式
這是最早的電學(xué)傳感器，是在1980年由西門子提出，也就是把指紋看做電極，對(duì)面放上一整片電極，凸起的地方距離小電容大，而凹下的地方電容更小，測(cè)出這部分電容就能得到指紋的分布。不過，在使用中，這種方法不耐用。
按照FBI的標(biāo)準(zhǔn)，指紋的像素密度是50微米一個(gè)像素，作為電容，那么電極之間的距離要遠(yuǎn)小于50微米，以5微米為例，隨便一根牙簽就能戳壞。所以早期的電容傳感器很容易損壞，要提高指紋到電極之間的距離，就需要有中間介質(zhì)進(jìn)行保護(hù)，也就是后面的電場(chǎng)式。
2.電場(chǎng)式
這種方法在1997年首次提出，傳感電極距離指紋距離遠(yuǎn)大于傳感點(diǎn)擊尺寸時(shí)，就不能堪稱電容，而必須以電場(chǎng)密度差（指紋的凸起和凹陷）為測(cè)量目標(biāo)，因?yàn)殡姌O是平的，所這個(gè)密度差體現(xiàn)的就是指紋的圖像，蘋果收購(gòu)的AuthenTec就是采用的是這種原理。
3.生物射頻、微波
這兩種都是無關(guān)原理的命名。
力學(xué)一般有兩種原理，但都不結(jié)實(shí)，為什么這么說呢？
要傳遞細(xì)微力的差異，必然不結(jié)實(shí)，但反過來，如果要在厚厚的鋼板上按壓，力就沒辦法傳遞。目前解決了這個(gè)矛盾的只有蘋果，這也是為什么蘋果能推出3D Touch的原因。
1.壓阻效應(yīng)
通過壓力改變電阻大小；
2.壓容效應(yīng)
通過壓力改變電容大小。
也就是采用壓電互換效應(yīng)：
壓電換能器件又稱為超聲波換能器，把壓力和電壓進(jìn)行互換；
超聲波傳感器的命名是因?yàn)槠涫褂昧顺暡〒Q能器，但并不像常見的超聲波傳感器那樣向空氣中發(fā)射超聲波再接收回波；
流傳的各種超聲波指紋傳感器的超能力，都基于對(duì)其定義的誤解，有點(diǎn)類似生物射頻、微波這樣的假技術(shù)名詞。
但是超聲波指紋識(shí)別傳感器并不是傳統(tǒng)意義上的超聲波傳感器，它是一個(gè)固體類的振動(dòng)阻抗傳感器。例如小米5S的指紋識(shí)別傳感器，它會(huì)自己發(fā)生振動(dòng)，手貼在指紋識(shí)別的區(qū)域就會(huì)產(chǎn)生阻抗，會(huì)減弱振動(dòng)，接觸的地方（脊線）振動(dòng)減弱會(huì)大一些，這寫振動(dòng)的變化會(huì)影響到下面的傳感器，然后轉(zhuǎn)換為電信號(hào)最后形成圖像。
采用熱傳導(dǎo)效應(yīng)：
熱學(xué)傳感器最早退出了市場(chǎng)，因?yàn)楫?dāng)熱傳導(dǎo)達(dá)到平衡，指紋傳感器就失去能力；所以熱學(xué)指紋傳感器曾經(jīng)以滑動(dòng)式存在過，卻一直難以實(shí)現(xiàn)按壓式。
這也在一定程度上證明了一點(diǎn)，試圖超越數(shù)學(xué)、物理來實(shí)現(xiàn)一項(xiàng)技術(shù)的能力，完全是緣木求魚。
總結(jié)來說，聲學(xué)和熱學(xué)一樣因?yàn)槲锢砩系娜毕荻惶蕴W(xué)也因?yàn)樯鲜鲈虿豢捎?，電學(xué)是主流，光學(xué)是很復(fù)雜，取決于是否適合產(chǎn)品。
系統(tǒng)層面，假指紋攻擊有三個(gè)等級(jí)：
rank1，已知指紋實(shí)體復(fù)制的假指紋；
rank2，根據(jù)指紋特征還原出的假指紋；
rank3，不基于具體指紋特征制作的“萬能指紋”。
需要注意的是，在傳感段不關(guān)心算法怎么判斷，而是傳感器怎么判斷是否是生物體的指紋。
傳感器防假一般與判定是否生物體等價(jià)：
基于生物指紋不重復(fù)的假定；
“活體”不是一種可傳感的物理量；
上文提到，指紋傳感器都是物理傳感器，而任何物倆量都可以被仿冒，區(qū)別只是成本高低。
平面打印指紋圖案可欺騙光學(xué)傳感器：
打印設(shè)備非常普及，不可管控；
東亞地區(qū)有按指印的文化習(xí)俗，通過指印來獲取電子化指紋數(shù)據(jù)只需要一臺(tái)掃描儀；
把日常留在物體表面的指紋進(jìn)行顯影和拍照，是公安部門應(yīng)用了近百年的技術(shù)，相當(dāng)普及；
類似的，由于定制美瞳作為一種商業(yè)活動(dòng)的存在，從照片中摳圖并基于之定制美瞳來攻擊虹膜識(shí)別系統(tǒng)，也是一種低成本攻擊。
立體指紋可欺騙電、力、聲、熱傳感器，難度比低級(jí)假指紋要高：
立體指紋可以由3D打印、激光雕刻獲得，這樣的設(shè)備相對(duì)稀缺，操作技能要求高；
立體指紋還可由生物指紋經(jīng)2次倒膜獲得，這相當(dāng)于要求指紋主人“攻擊”自己；
當(dāng)傳感器類型不同，假指紋所用的材料需要有所差別，電學(xué)傳感器需要(弱)導(dǎo)電材料，力學(xué)聲學(xué)使用一般材料，熱學(xué)則要求人體體溫。
在化學(xué)特性或細(xì)微結(jié)構(gòu)特性上非常接近真指紋的假指紋：
由于歷史上在指紋識(shí)別領(lǐng)域并未普及應(yīng)用過化學(xué)傳感方法，所以如果開發(fā)出化學(xué)型指紋傳感器，一段時(shí)間內(nèi)還沒有對(duì)應(yīng)的造假方法；
細(xì)微結(jié)構(gòu)，如汗腺、皮脂腺、皮膚層次等接近真指紋，需要非常高的制造技術(shù)。
安全技術(shù)成本不是安全技術(shù)價(jià)值的度量標(biāo)準(zhǔn)，破解成本才是：
防守方必須防御所有可能的攻擊，這形成了安全技術(shù)的成本；
攻擊方只要尋找到一個(gè)突破口，所有破解方法中成本最低者決定了攻擊成本，攻擊成本低安全環(huán)境就差；
使攻擊者因?yàn)槌杀咎叨艞壒羰前踩夹g(shù)唯一價(jià)值；
各種生理特征都需要轉(zhuǎn)換為具體物理量，導(dǎo)致從物理破解角度，這些檢測(cè)辦法都沒什么用：
參考中級(jí)假指紋，立體指紋通吃各種傳感技術(shù)，即使5類傳感技術(shù)全部用上也增加不了安全性；
如把電和光結(jié)合的例子，被某寶破解的結(jié)局說明，結(jié)合弱安全和中安全，結(jié)果還是中安全，沒有任何提高；
傳統(tǒng)指紋膜成本0.05rmb，隱形指紋膜0.016rmb，所以起不到阻止攻擊的作用。
另外，有個(gè)原則是安全性和安全成本的比例要在10以上。
通過紅外反射譜掃描可以判定真假手指：
紅外光譜可以用于分析物質(zhì)，符合人體光譜的可判定為真手指；
這種技術(shù)雖然靠譜，但是成本高（一套5000元左右），只能在海關(guān)一類場(chǎng)合應(yīng)用。
紅外斷層掃描（OCT）通過紅外干涉激光對(duì)皮下結(jié)構(gòu)進(jìn)行um級(jí)斷層成像，這是一種更高級(jí)的做法：
能獲取3D皮膚組織結(jié)構(gòu)，包括汗孔、汗腺、微細(xì)血管，神經(jīng)末梢；
成本極高（光傳感部分就是6萬美元，整套系統(tǒng)30萬美元以上），速度極慢。
這種技術(shù)的安全性和安全成本的比例在100以上。
平面假指紋到立體假指紋之間的技術(shù)鴻溝才是主要防御假指紋的壁壘：
不要自造立體指紋，更絕不可以交給第三方使用，以免被復(fù)制；
手機(jī)丟失要迅速鎖定，你的手機(jī)可能自帶指紋印，但輾轉(zhuǎn)到技術(shù)高手手中并制造出立體假指紋來尚需時(shí)間。
我們沒必要在假指紋攻破指紋識(shí)別系統(tǒng)這件事上太過擔(dān)憂，關(guān)鍵是自己不要參與制作假指紋的制造，保護(hù)好自己的指紋。
Q：看到有些活體指紋識(shí)別方案是把多個(gè)傳感器集成在一起，對(duì)此您怎么看？這是目前業(yè)界普遍的做法？
A：把難度不同的集成到一起，難度等于原本最大那個(gè)。全球充分研究40多年的攻防，不止針對(duì)指紋，而是針對(duì)各類物理傳感器。要提高防御能力必須用先進(jìn)技術(shù)，不可能靠幾毛錢打到好效果。
實(shí)際上當(dāng)有人提出用光學(xué)來加強(qiáng)電傳感器的放假能力時(shí)，我就已經(jīng)很雷了。公認(rèn)的強(qiáng)技術(shù)居然可以靠公認(rèn)的弱技術(shù)來提高，這得多業(yè)余啊。業(yè)界的普遍看法是，不必操心，守住3d立體指紋的制作難度即可，千萬別自己制作復(fù)制指紋送人！
Q：剛聽您講的內(nèi)容，現(xiàn)在好像沒有很好的防御假指紋攻擊的辦法啊，現(xiàn)在上游廠商研究的方向是什么？
A：多光譜，oct都是目前能確實(shí)防得住的技術(shù)，但成本等限制了應(yīng)用場(chǎng)合。從日常生活應(yīng)用來看，要注意幾點(diǎn)：
1、堅(jiān)決淘汰光學(xué)指紋傳感器，畢竟靠打印指紋圖案就能欺騙的東西
2、攻防相長(zhǎng)，要持續(xù)提高防御技術(shù)，這分幾個(gè)角度
2.1、把驗(yàn)證做得更復(fù)雜，但導(dǎo)致不方便
2.2結(jié)合更豐富的安全手段，切實(shí)提高攻擊者的成本和風(fēng)險(xiǎn)
3、絕對(duì)安全是假象，相對(duì)安全才是唯一可量化的
生物識(shí)別其實(shí)是不太靠譜的安全方式，但考慮到經(jīng)典信息安全領(lǐng)域只能做到設(shè)備到設(shè)備，沒有認(rèn)證人的辦法，也就聊勝于無了。
Q：那活體指紋識(shí)別方案對(duì)設(shè)備安全到底有沒有意義？
A：活體指紋識(shí)別是一個(gè)大類，在海關(guān)用多光譜來驗(yàn)活就有意義，但用一些沒有效果的做法套上活體的名詞，就涉嫌欺詐。指紋識(shí)別到目前為止其實(shí)還是一個(gè)模式識(shí)別技術(shù)，還沒有正式進(jìn)入信息安全技術(shù)的范疇，還有不少需要研究的。
我舉個(gè)最簡(jiǎn)單的例子，安全性的量化，目前就做不到，目前業(yè)界有一些企業(yè)，把指紋傳感器越做越小。我就想，你們干脆縮小成一個(gè)點(diǎn)，當(dāng)開關(guān)用好了，消費(fèi)者畢竟還指望這玩意有點(diǎn)聊勝于無的安全性，總不能啥也沒有吧。
Q：指紋識(shí)別做到顯示屏上還有什么難點(diǎn)？現(xiàn)在做到了什么水平？
A：這有三個(gè)思路：
第一，on，就是做在tp里
第二，in，做在screen里
第三，under，做在screen下面
先說第一類，tp層，做指紋的話密度會(huì)很高，會(huì)導(dǎo)致光學(xué)差異，其次，穿透整塊2.5D玻璃超出了物理極限，所以整個(gè)設(shè)計(jì)要重來。如果單說做個(gè)透明指紋面板，倒不是什么難度，難在各方面都達(dá)到工業(yè)量產(chǎn)。
再說第二類，技術(shù)上實(shí)現(xiàn)用光學(xué)方案問題不大，問題在于，screen損失近一半的亮度和分辨率，價(jià)格還大大提高，你愿意買單嗎？而且這種光學(xué)方案的圖像很弱，功耗又高，也就是說指紋喚醒等功能就別指望了。
第三類，under，這個(gè)最有欺騙性，但說句不好聽的，就憑3D touch都做不到量產(chǎn)的水平，under screen真的可行么？結(jié)合工業(yè)可行性，還是刻意忽視，就是領(lǐng)先工業(yè)設(shè)計(jì)者和技術(shù)騙子的區(qū)別，一線之隔，遠(yuǎn)隔天邊
under一重介質(zhì)，良率就一塌糊涂了，還要連續(xù)穿透那么多層那么厚。
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