指紋識別技術在汽車上的應用分析

楊佩君， 徐 偉， 劉關林， 丁曉慧

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院， 廣東 廣州 511434）

生物識別技術是當今數(shù)字化生活中最高級別的安全密鑰系統(tǒng)，而指紋識別由于性能好、尺寸小、成本低等因素，成為了目前應用最為廣泛的生物識別技術。在汽車上搭載指紋識別系統(tǒng)，可精準識別用戶身份，有助于實現(xiàn)千車千面的交互體驗；同時，可實現(xiàn)鑰匙功能，讓用戶不再依賴于傳統(tǒng)的實體鑰匙以及通過智能手機、智能穿戴設置等實現(xiàn)的藍牙鑰匙，實現(xiàn)真正意義上的“人即是鑰匙”，帶來更好的人車交互體驗和安全性。

1 指紋識別技術簡介

1.1 指紋識別原理

一個典型的指紋識別過程主要包括：指紋原始數(shù)據(jù)采集、特征點提取、與模板指紋進行相似度比較，從而判斷采集的指紋與模板指紋是否來自于同一手指。其中，模板的采集、生成以及指紋的比對過程示意如圖1所示。

圖1 指紋識別過程

1.2 指紋采集技術

指紋采集是指紋識別技術的主要組成部分。目前主要的指紋采集方式有：超聲波式指紋采集技術、電容式傳感器指紋采集技術、光學式指紋采集技術、電磁波指紋采集技術等。其中，超聲波式、電容式、光學式在消費電子領域及安防領域等應用較為廣泛。各采集技術的原理、優(yōu)缺點、應用情況見表1。

表1 各采集技術的原理、 優(yōu)缺點、 應用情況

1.3 指紋識別技術的主要性能參數(shù)

1）誤識率：指2個不同指紋被錯誤地識別成相同指紋的概率。

2）拒識率：指2個相同指紋被錯誤地識別成不同指紋的概率。

3）注冊時間：從指紋被采集到完成指紋特征提取所需要消耗的時間。

4）匹配時間：2個指紋樣本進行一次對比匹配所需要消耗的時間。

5）模板特征的大小：從一個指紋圖像中提取出的指紋特征的存儲容量。

其中，誤識率、拒識率、匹配時間對用戶體驗影響最大。

2 汽車指紋識別技術

2.1 汽車指紋識別技術現(xiàn)狀

相較于指紋識別在消費電子領域的普及程度，汽車上采用指紋識別仍然較少，且由于成本高、沒有不可替代性等問題，并未引起用戶的廣泛關注及行業(yè)內(nèi)的普遍討論及跟進。近幾年，僅有以下幾家OEM采用過車載指紋識別產(chǎn)品。

1）2019年5月，現(xiàn)代第4代勝達搭載了基于電容式傳感器的指紋識別系統(tǒng)，可提供車外識別指紋解鎖車門、車內(nèi)識別指紋啟動車輛的功能。

2）2020年年中，領克05搭載了指紋識別，安裝在中控屏下方，用戶可通過識別指紋登錄賬戶系統(tǒng)，同時也充當了中控的Home按鍵。

3）2020年7月，全新發(fā)布的奔馳S級，在中控屏的下邊緣設置了指紋識別模塊。

4）2020年9月，凱迪拉克XT4推出了后裝的生物識別解鎖啟動系統(tǒng)，融合了人臉、指紋、數(shù)字密碼3種身份驗證方式。如圖2所示。

2.2 汽車指紋識別技術難點及痛點

指紋識別技術本身具有局限性，即對用戶指紋狀況要求較高。根據(jù)《中國消費者指紋識別狀況研究報告》，超70%的調(diào)研用戶存在指紋識別體驗差的問題 （圖3），且指紋體驗不好的問題主要分布在手指指紋狀況不理想導致。汽車作為高價值的用戶私有物品，如在汽車上搭載指紋識別系統(tǒng)，識別率低或不能識別的負面影響會進一步放大。

圖3 指紋識別體驗差的情況占比

指紋識別技術本身具有的局限性對環(huán)境要求較高，如果識別區(qū)域有灰塵、水等，均對識別率有較大影響。車輛經(jīng)常會處于高低溫、灰塵、雨雪等戶外環(huán)境中，會進一步影響指紋的識別率。

汽車上指紋識別產(chǎn)品的布置空間有限。如實現(xiàn)指紋解鎖，需將指紋識別產(chǎn)品布置在車外，對于用戶操作來說，最友好的操作位置為在車門區(qū)域?qū)崿F(xiàn)指紋識別。但目前應用較多的隱藏式門把手，很難提供指紋產(chǎn)品的布置空間。如實現(xiàn)指紋啟動車輛，需在車內(nèi)布置指紋產(chǎn)品，但目前取消啟動開關及實體按鍵虛擬化的趨勢，進一步影響了車內(nèi)指紋產(chǎn)品的布置。

另外，汽車長期放置在戶外，指紋產(chǎn)品被非法攻擊的可能性大增。指紋模板存儲、認假率參數(shù)設置、指紋識別結(jié)果傳輸?shù)?，都會考驗OEM的系統(tǒng)設計能力。

2.3 汽車指紋識別的使用場景

1）智能座艙入口。指紋識別可以作為智能座艙的入口，通過識別用戶身份，實現(xiàn)針對用戶的迎賓，同步用戶的座椅位置調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)向盤位置調(diào)節(jié)、氛圍燈設置、車機顯示偏好設置、空調(diào)溫度設置、香氛設置、駕駛習慣設置等；不同的身份調(diào)用不同的設置，實現(xiàn)“千車千面”的使用體驗。

2）安全應用入口。指紋識別可以作為整車安全應用的入口，例如，儲物盒、保險箱解閉鎖；應用程序保護、私密文件保護、通訊錄保護、特殊功能 （如自動駕駛功能等）保護、車機開機驗證、用戶身份二次驗證等。

3）安全便捷的汽車鑰匙。指紋識別作為汽車鑰匙是較常規(guī)的一種使用方式，指紋特征是人體隨身攜帶的特征，不需要借助其他載體，可有效解決鑰匙忘帶、手機沒電時無法使用車輛等用戶痛點，也可以解決多人使用鑰匙時的不便問題。

4）功能拓展。通過指紋傳感器可以檢測乘客心跳，建立健康模型，提前識別酒駕風險，提前識別用戶身體狀況；也可以實現(xiàn)滑動控制車機的功能。另外，如果移動支付功能上車，指紋識別可以作為支付驗證的便捷手段。

2.4 汽車指紋識別實現(xiàn)方案

綜合汽車指紋的技術現(xiàn)狀、技術難點、應用場景等，提供以下車載指紋識別系統(tǒng)解決方案。系統(tǒng)主要由車外指紋模塊、車內(nèi)指紋模塊、進入與啟動控制模塊PEPS、車身控制模塊BCM、車機ACU等組成。同時，也可以配合人臉識別系統(tǒng)，實現(xiàn)更便捷的多模態(tài)生物識別技術。

1）系統(tǒng)架構(gòu)方案

圖4為車載指紋識別系統(tǒng)架構(gòu)方案。車外指紋模塊與整車網(wǎng)絡隔離，通過私有CAN連接在車內(nèi)指紋模塊上，2個指紋模塊均可獨立實現(xiàn)指紋圖像的采集及識別工作；ACU與車內(nèi)指紋模塊通過CAN連接，提供指紋錄入的人機界面；車內(nèi)指紋模塊完成指紋錄入后，需通過私有CAN加密傳輸?shù)杰囃庵讣y模塊；車外指紋模塊保持指紋模板。PEPS、BCM接收指紋識別狀態(tài)，參與實現(xiàn)指紋識別解閉鎖車門、指紋識別啟動車輛功能；結(jié)合指紋識別與基于人臉識別系統(tǒng)實現(xiàn)的人臉識別，可彌補指紋識別在部分場景下識別效果不佳帶來的體驗問題。

圖4 車載指紋識別系統(tǒng)架構(gòu)方案

2）硬件方案

車外指紋模塊、車內(nèi)指紋模塊最主要的硬件組成為：指紋傳感器、MCU、CAN收發(fā)器、電源芯片、安全芯片等。指紋傳感器選擇時，需考慮汽車環(huán)境及EMC要求等；采用MCU而非SOC，主要是考慮到系統(tǒng)功耗以及啟動時間的需求。電源芯片選擇時，需根據(jù)轉(zhuǎn)換效率評估選取Buck或LDO等；采用安全芯片，可有效提高存儲、識別結(jié)果、模板傳輸?shù)陌踩浴?/p>

3）算法

車載指紋識別系統(tǒng)涉及的算法包括圖像處理算法、精確生物識別算法，可選用在消費電子領域已廣泛采用的成熟算法，并進行相應的適配開發(fā)。

4）安全方案

車載指紋識別系統(tǒng)涉及的安全方案包括指紋原始數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩⒅讣y模板的傳輸安全、指紋識別結(jié)果的傳輸安全以及指紋模板的存儲安全。傳輸安全問題，可用AES128算法加密傳遞，涉及的密鑰可存儲在SE中；指紋模板可存儲在Secure Flash中。示意如圖5所示。

圖5 指紋識別安全方案

采用通信加密和存儲加密技術后，最大限度保證了指紋數(shù)據(jù)的安全，有效預防指紋識別被黑客攻破，此類方案已經(jīng)在手機上得到大規(guī)模驗證，目前來看是可靠的。

5）系統(tǒng)交互方案

指紋識別系統(tǒng)的功能實現(xiàn)均涉及到與整車其他節(jié)點的交互過程，針對指紋識別解閉鎖車門，交互流程舉例說明如圖6所示。

圖6 車載指紋識別解閉鎖車門流程

針對指紋識別啟動車輛的功能，交互流程舉例說明如圖7所示。

圖7 車載指紋識別啟動車輛流程

指紋錄入時，將指紋ID與用戶賬戶進行綁定，在識別指紋通過后，可根據(jù)指紋識別系統(tǒng)發(fā)出的指紋ID登錄相應的用戶賬戶，從而同步用戶的相關設置。

另，如采用多模態(tài)生物識別方案，人臉識別結(jié)果也可以實現(xiàn)進入和啟動車輛以及其他指紋識別可以參與實現(xiàn)的功能。

3 結(jié)語

隨著多模態(tài)生物識別技術逐漸成為行業(yè)趨勢，指紋識別配合人臉識別、聲紋識別等生物識別技術，將在智能汽車領域迎來新的發(fā)展機遇，解決了單一的指紋識別在車載應用上的痛點，可以為用戶提供更多樣化、智能化的身份驗證體驗以及更高安全等級的車輛防盜技術。