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字化生活中最高級別的安全密鑰系統，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，可精準識別用戶身份，有助于實現千車千面的交互體驗；同時，可實現鑰匙功能，讓用戶不再依賴于傳統的實體鑰匙以及通過智能手機、智能穿戴設置等實現的藍牙鑰匙，實現真正意義上的“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：指紋原始數據采集、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、優缺點、應用情況見表1。

表1 各采集技術的原理、 優缺點、 應用情況

1.3 指紋識別技術的主要性能參數

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?。簭囊粋€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內的普遍討論及跟進。近幾年，僅有以下幾家OEM采用過車載指紋識別產品。

1）2019年5月，現代第4代勝達搭載了基于電容式傳感器的指紋識別系統，可提供車外識別指紋解鎖車門、車內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，同時也充當了中控的Home按鍵。

3）2020年7月，全新發布的奔馳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，融合了人臉、指紋、數字密碼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《中國消費者指紋識別狀況研究報告》，超70%的調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，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境要求較高，如果識別區域有灰塵、水等，均對識別率有較大影響。車輛經常會處于高低溫、灰塵、雨雪等戶外環境中，會進一步影響指紋的識別率。

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

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

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，實現針對用戶的迎賓，同步用戶的座椅位置調節、轉向盤位置調節、氛圍燈設置、車機顯示偏好設置、空調溫度設置、香氛設置、駕駛習慣設置等；不同的身份調用不同的設置，實現“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 汽車指紋識別實現方案

綜合汽車指紋的技術現狀、技術難點、應用場景等，提供以下車載指紋識別系統解決方案。系統主要由車外指紋模塊、車內指紋模塊、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，實現更便捷的多模態生物識別技術。

1）系統架構方案

圖4為車載指紋識別系統架構方案。車外指紋模塊與整車網絡隔離，通過私有CAN連接在車內指紋模塊上，2個指紋模塊均可獨立實現指紋圖像的采集及識別工作；ACU與車內指紋模塊通過CAN連接，提供指紋錄入的人機界面；車內指紋模塊完成指紋錄入后，需通過私有CAN加密傳輸到車外指紋模塊；車外指紋模塊保持指紋模板。PEPS、BCM接收指紋識別狀態，參與實現指紋識別解閉鎖車門、指紋識別啟動車輛功能；結合指紋識別與基于人臉識別系統實現的人臉識別，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 車載指紋識別系統架構方案

2）硬件方案

車外指紋模塊、車內指紋模塊最主要的硬件組成為：指紋傳感器、MCU、CAN收發器、電源芯片、安全芯片等。指紋傳感器選擇時，需考慮汽車環境及EMC要求等；采用MCU而非SOC，主要是考慮到系統功耗以及啟動時間的需求。電源芯片選擇時，需根據轉換效率評估選取Buck或LDO等；采用安全芯片，可有效提高存儲、識別結果、模板傳輸的安全性。

3）算法

車載指紋識別系統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。

4）安全方案

車載指紋識別系統涉及的安全方案包括指紋原始數據傳輸的安全、指紋模板的傳輸安全、指紋識別結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據的安全，有效預防指紋識別被黑客攻破，此類方案已經在手機上得到大規模驗證，目前來看是可靠的。

5）系統交互方案

指紋識別系統的功能實現均涉及到與整車其他節點的交互過程，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，可根據指紋識別系統發出的指紋ID登錄相應的用戶賬戶，從而同步用戶的相關設置。

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

3 結語

隨著多模態生物識別技術逐漸成為行業趨勢，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。