從技術角度分析指紋是如何解鎖的...

2021-01-17 嵌入式資訊精選


自2013年蘋果iphone5S將指紋引入,引發了指紋手機的熱潮,android陣營的華為mate7也因指紋識別一炮走紅。短短幾年內,指紋識別晶片的解鎖速度越來越快,解鎖時間從最初的1s,縮短至0.7s,0.4s,0.3s甚至0.2s等,如今能做到0.2s內解鎖在業界內尚屬於鳳毛麟角,但即使0.2s時間內,實測仍然離人們需求的「一觸即解」的感覺還有差距。據最新消息,一家名為芯啟航科技的公司已開發出指紋產品實測最快可在90ms內就完成整個解鎖動作,刷新了指紋解鎖的最快記錄,堪稱地表最快。


指紋解鎖涉及到晶片、軟體和算法,下面從技術的角度來了解電容式指紋解鎖的整個過程:結合指紋晶片的應用場景,指紋晶片平時工作在睡眠模式和按壓檢測模式之間切換,相對於持續工作在按壓檢測模式,這樣的處理可以節省功耗,延長可攜式設備的待機時間。在睡眠模式下,晶片的功耗最低,而在按壓檢測模式下,該功耗提升至數十甚至上百倍。採用睡眠、檢測這樣不斷循環切換的方式可以在功耗和感應速度都滿足要求,芯啟航的產品切換頻率為30~50Hz,可以有效壓低對手指檢測的遲滯時間。在按壓檢測模式下,當手指按壓到指紋的sensor區時,檢測電路根據檢測到的結果進行對比,判斷識別出有手指按壓,並將判斷結果送給系統,系統由此切入到指紋採集模式。

  

進入到指紋採集模式後,電路將按照特定的sensor像素地址對像素進行掃描,內部電路得到數據進行判斷,再進行參數配置,經過幾次掃描計算迭代收斂得到最合理的參數後,再重新進行掃描,信號會在電路中被濾波、放大、量化等操作,最終得到完整的圖像信號,電路進行圖像信號處理操作後,通過通信接口傳輸到手機的CPU處理,由此完成了指紋信息的採集及傳輸的操作作,整個操作時間控制在20ms以內。信號傳輸完成後,指紋晶片再次切換到按壓檢測低功耗模式。

  

驅動電路通過通信接口上傳多幀圖像到系統,系統首先對圖像進行篩選,挑出對比度最高的一幀,交由算法進行處理生成模板數據,芯啟航採用自創快速點+圖像比對算法,該算法提取的特徵點穩定且可靠,每副圖像的特徵點數目適中,在微小面積識別算法中有效匹配點對數目最高,從而保證了算法的識別快速與準確。對算法流程及公式的優化,一方面簡化算法流程,對一些耦合性大可共用的部分進行優化,使運行路徑最優;另一方面對一些算法從公式上進行優化簡化。對編程實現優化,在編程實現過程中,優化實現過程,在保證功能一致的前提下,使運算量最少。另外所有的代碼採用定點實現,對於一些複雜的運行採用查表處理,針對的指定的平臺採用最優的編譯指令優化。軟體在匹配場景調用算法進行模板數據的比對,將匹配的結果反饋到系統最終完成解鎖與否的動作。

  

整個流程圖如下:

    

 

在主流手機仍停留在0.2s解鎖的時候,90ms極速解鎖晶片的推出,勢必將會給手機用戶帶來更加快速流暢的解鎖體驗。


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