基于安全认证的指纹识别专利技术研究

刘 颖，孙俊博

(1. 国家知识产权局专利局专利审查协作天津中心 天津300300；2. 国网天津市电力公司城南供电分公司 天津300201)

1 研究背景概述

1.1 基于安全认证的指纹识别技术背景

安全认证主要包括以下4种方式[1]：一是静态口令方式，该安全认证方法最简单也最常用；二是动态口令方式，其与静态口令方式的不同点在于口令是动态变化的，从而其安全性有所提高；三是USB Key认证方式，该认证方式采用软硬件相结合的模式，结合USB Key内部存储的密钥或数组证书对用户身份进行认证；四是生物认证方式，该认证方式利用用户独一无二的指纹、虹膜、耳相、DNA等生物特征对用户进行安全认证。

基于安全认证的指纹识别技术是指为了设备安全而采用指纹识别技术，通过身份证明和核实，对用户进行确认的过程[2]。它属于安全认证的一种，并占据十分重要的地位。利用指纹识别技术，无需携带任何辅助的身份标识物品就可进行个人身份的验证[3]。

指纹识别技术出现伊始便引起广泛关注，在金融、电子商务、无线网络服务、司法、门禁系统、个人电子产品及电子服务业务系统等诸多领域广泛应用，作为一种价格低廉、使用便捷的生物识别技术，有望获得爆发式发展。

1.2 基于安全认证的指纹识别技术实现方式

基于安全认证的指纹识别技术通过指纹采集设备对用户的指纹图像进行采集，利用计算机图像处理和模式识别技术对采集的指纹图像进行特征识别、提取，并利用数据匹配技术进行指纹匹配，根据匹配结果自动认证用户身份[4]。基于指纹识别进行安全认证的过程具体包括：指纹图像采集、指纹图像处理、指纹特征提取和指纹匹配。

指纹图像采集主要包括光学取像、硅晶体电容传感、超声波扫描3种：光学取像技术利用光的全反射原理获取指纹图像；硅晶体电容传感技术利用电子度量计捕获指纹图像；超声波扫描技术利用测量的指纹信号范围获取谷的深度，并进一步得到指纹图像。

指纹图像处理主要包括指纹预处理、指纹图像分割、指纹图像增强。指纹预处理用于突出指纹图像中的纹理、方向信息，消除或者减弱噪声等无用信息；指纹图像分割将指纹的有效区域从背景和噪声区域中分离出来；指纹图像增强对低质量的指纹图像采用一定的算法进行处理，使其纹线结构清晰化，突出和保留固有的特征信息以避免产生伪特征信息。

在自动指纹识别技术的特征提取中，一般使用两种细节点特征：纹线端点和分叉点。纹线端点是纹线突然结束的位置，纹线分叉点是纹线突然一分为二的位置。特征提取算法可以检测指纹中这两类细节点的数量以及每个细节点的类型、位置和所在区域的纹线方向。

指纹匹配对两幅给定的图像提取特征信息，进行匹配，判断两枚指纹是否同源，即是否来自同一个指头。指纹匹配主要是比较两枚指纹的细节特征来决定指纹的唯一性。

随着科技的不断进步，人们对指纹识别的性能和便携性提出了更高的要求，近年来还出现了以单一指纹识别专用芯片代替复杂的嵌入式系统的情况。

1.3 基于安全认证的指纹识别技术应用现状

近年来，在指纹识别领域，我国申请人的发明专利申请较多，在核心算法、产业应用方面取得了长足进步，但与美日等国的申请人相比仍存在较大差距，主要是缺乏芯片和传感器方面的核心技术[5]，这在很大程度上制约了我国指纹识别技术的发展与产业化进程。基于安全认证的指纹识别技术比较常见的领域有：

①进行身份认证。基于指纹图像隐形意识的个人身份验证系统，该系统首先采集意识指纹图像，然后进行图像特征提取和特征优化，最后进行特征匹配决策，克服传统的依据固有物理特征进行身份认证的弊端。

②指纹密码锁、安全锁。从采集的指纹图像提取多个指纹特征点；根据所提取的指纹特征点计算两两特征点间的点距值；按照预定的数学模型选取多个点距值形成数字序列；对所形成的数字序列进行哈希运算以获得其摘要值作为业务密码；从指纹图像生成业务密码。可以实现专人开锁，使用起来更安全。

③门禁系统、防盗门。房屋门安装指纹防盗锁，所装的指纹防盗锁上设有指纹验证按钮和红、绿提示灯，在房屋门上装设一个与指纹防盗锁相连的警报器；通过指纹识别器来控制保护盖的开闭。使用该装置为防盗门增添了双重保险，即使钥匙丢失或被仿制，防盗门也不会被轻易打开。

④手机等电子设备。通过在手机上设置多重鉴权，在用户身份验证、手机金融服务等领域具有极强的应用价值，从而可以真正实现手机身份证、手机银行等功能，增强用户的使用效果，具有较高的经济价值。

⑤指纹支付。将现场支付指纹信息与存储在所述IC卡中的指纹模板进行比对，若比对失败则拒绝交易，若比对成功，则由后台系统对现场支付指静脉信息与存储在后台系统中的指静脉模板进行比对，若比对失败则拒绝交易，若比对成功则授权交易，能够有效提高身份认证安全等级。

2 专利申请现状

本文在中国专利摘要数据库(CNABS)和德温特世界专利数据库(DWPI)中分别对关键词“指纹、识别、匹配、身份、认证、安全、解锁、密码；fingerprint、identif+、match+、recogni+、code、access+、secure、security、identity、authentication、password”进行检索，主要IPC小类为G06K、G06F，检索文献涵盖了申请日在2016年12月份之前的全球发明和实用新型专利申请，利用S系统中的统计命令对该领域的专利申请数据进行统计分析，得到了专利申请趋势、专利申请所属地域分布、主要申请人分布和技术分布等信息。

2.1 全球专利分析

2.1.1 全球专利主要申请量分布

在1986年以前，全球只有美国申请过该技术专利，美国在1970、1971、1977、1978年分别申请过1件；中国直到1987年才申请第一件专利，时隔6年到1994年又申请一件相关专利。从图1看出，在2004年以前中国专利的申请量远不如其他国家，此后开始有所增长，但是速度很缓慢。从图1可以看出，在2007年以前中国专利申请量一直处于落后地位，然而从2010年开始，中国年申请量开始超越世界其他国家，说明中国基于安全认证的指纹识别技术开始崛起，2017年有所回落，因为部分专利申请还未公开。美国指纹识别技术一直处于全球领先地位，并且年申请量也保持稳定增长。

图1 全球基于安全认证的指纹识别技术专利主要申请人分布Fig.1 Distribution of main applicants for fingerprint identification technology patents based on security authentication

2.1.2 全球专利区域分布

由图2可以看出，全球范围内，在中国的申请量最多，其次是美国、日本，其他国家相对较少。中国作为全球人口最多的国家，电子产品和网络系统的发展非常迅速，在基于指纹识别的身份认证应用领域其市场前景巨大，所以各申请人争先在中国进行该领域的专利布局，为相关产品进入中国市场做准备。在美国的专利申请量仅次于中国，在日本和韩国的专利申请量次于美国，说明韩国、日本、欧洲等在基于指纹识别的身份认证领域的发展也相对较快，其市场前景不容小觑。

图2 全球基于安全认证的指纹识别技术专利区域分布Fig.2 Global patent distribution of fingerprint identification technology based on security authentication

2.1.3 全球专利IPC分布

由图3可以看出，基于安全认证的指纹识别技术相关的专利申请主要集中在H部和G部，主要针对互联网、数据库和信息索引等相关领域，其中G06K、G07C、G06F占主要比重。G06K(模式识别领域)，通过图像获取、图像预处理、特征提取、使用电子设备进行分类，主要的CPC分类号为G06K9/00。除上述领域外，在其他领域中也有大量专利申请。由此可见，基于安全认证的指纹识别技术应用或涉及的领域非常广泛，具有广阔的研究空间和应用前景。

图3 全球基于安全认证的指纹识别技术IPC分布情况Fig.3 Global IPC distribution of fingerprint identification technology based on security authentication

2.1.4 全球专利主要申请人分布

结合图4分析，中国广东欧珀移动通信有限公司(OPPO)和国家电网总申请量在全球范围内较为领先，主要是因为在2015、2016年申请量突然大规模增加。而国际大公司，如国际商业机器公司(IBM)、三星电子株式会社、LG电子有限公司等申请量一直稳定增长。我国基于安全认证的指纹识别技术在2015、2016年的急剧增长，体现了该技术发展迅速。

图4 全球基于安全认证的指纹识别技术专利主要申请人分布Fig.4 Distribution of main applicants for fingerprint identification technology patents based on security authentication

2.2 中国专利分析

2.2.1 技术发展趋势分析

从图5可以看出，随着中国经济发展，基于安全认证的指纹识别技术专利申请量也相应增长。1994—2000年申请量增长缓慢，每年不超过10件；2001—2008年，年度申请量由17件增加到84件。进入21世纪后，手机、密码锁等电子产品快速发展，促进基于安全认证的指纹识别技术的发展，基于安全认证的指纹识别技术进入活跃期。从2009年至今，年申请量快速增加，进入飞速发展期，尤其是2015、2016年增长量达到历史之最。虽然2017年部分专利还未公开，但鉴于该技术的迅猛发展，预计仍会持续增长。综上，基于安全认证的指纹识别技术在中国的发展可以分为以下3个阶段：萌芽阶段(1994—2004年)、缓慢增长阶段(2005—2010年)、快速增长阶段(2011年—至今)。

图5 中国基于安全认证的指纹识别技术专利申请量年度分布Fig.5 Annual distribution of patent applications for fingerprint identification technology based on security authentication in China

2.2.2 中国专利申请地区分布

从图6可以看出，北京、深圳、上海、江苏地区的申请量较多，这些地区是信息技术发展的核心地区，其中深圳的专利数量位居第一，北京次之，广东和江苏分别位于第三、第四位，上述4个省市的专利数量占总量的45%左右。如图6所示，各省市地区在基于安全认证的指纹识别技术上的研发投入有较大不平衡，这是由区域性经济差异导致的，经济发展较发达区域的专利数量较多，经济发展相对落后区域的专利申请量较少。

2.2.3 国内主要申请人的分布情况

从图7可以看出，以主要申请人所在企业进行排名，广东欧珀移动通信有限公司(OPPO)排名第一，紧随其后依次是国家电网公司、宇龙计算机通信科技(深圳)有限公司、贵州永兴科技有限公司、努比亚技术有限公司、南昌欧菲生物识别技术有限公司等。由此说明，在基于安全认证的指纹识别技术领域的专利申请，国内大公司占据绝对优势，同时，也从侧面反映出基于安全认证的指纹识别技术的产业化程度水平较高，已经从纯理论研究转向规模化产业生产应用。

图6 基于安全认证的指纹识别技术专利在我国各省的申请量分布Fig.6 Distribution of patent applications for fingerprint identification technology based on security authentication in various provinces of China

图7 基于安全认证的指纹识别技术在中国的主要申请人分布Fig.7 Distribution for principal applicant of fingerprint identification technology based on security authentication in China

相对于全球来说，即使是中国技术领先的大公司，在基于安全认证的指纹识别技术上也都起步较晚。在图8中，总体来看，2012—2016年是国内基于安全认证的指纹识别技术的快速增长期，2011年以前申请量微乎其微，到2012年才开始迅速发展起来，在2015、2016年突飞猛进，申请量大幅增加。贵州永兴科技有限公司的专利申请量主要集中在2016年，宇龙计算机通信科技(深圳)有限公司和南昌欧菲生物识别技术有限公司在2015—2016年专利申请量有所回落，而其他4个公司的申请量仍在继续增长。

2.2.4 中国申请的IPC分布

从图9可以看出，国内申请的专利的IPC主要分布在G06K、G06C、G06F等领域，其中G06K(模式识别领域)通过图像获取、图像预处理、特征提取、使用电子设备进行分类，主要的CPC分类号为G06K9/00、G06C(一切计算均用机械方式实现的数字计算机)、G06F(电数字数据处理)。可以看出，中国在上述领域与全球专利的IPC分布相似度很高，说明中国在该技术领域是与国际接轨的。

图8 中国基于安全认证的指纹识别技术重要申请人的历年专利申请量Fig.8 Annual patent application number of fingerprint identification technology applicants based on security in China

图9 中国申请的IPC分布Fig.9 IPC distribution of Chinese applications

2.2.5 中国申请人的类型构成

图10中，在基于安全认证的指纹识别技术领域，国内申请人构成企业占主要比重，高达66.36%，其次是个人和大专院校，分别占21.27%和10.29%，可以看出基于安全认证的指纹识别技术研发已经比较成熟，并已在市场中成熟应用。

2.2.6 中国申请的法律状态

图11中，中国基于安全认证的指纹识别技术，授权率高达43.3%，同时有24.21%在实质审查中，其次是权利终止的概率在15.36%，驳回率和视撤率都不高，说明中国的专利申请具有很高的创造性和价值，这在一定程度上体现了国内基于安全认证的指纹识别技术越来越强，而且处于高速发展期。

图10 中国申请人类型构成Fig.1 0 Chinese applicant type composition

图11 当前中国申请的法律状态Fig.1 1 Current legal status of Chinese application

3 审查实践

针对审查实践，下面通过具体案例说明如何利用该技术提高审查工作效率。

申请号：201110421683.4

发明名称：基于多指纹的识别系统及其方法

技术方案：如图12所示，一种基于多指纹的识别系统及其方法，通过同时撷取多个指纹产生指纹图像，并且解析指纹图像形成指纹特征，以便将指纹特征与对比特征进行比对，当比对符合时判断为识别成功，反之则判断为识别失败，用以达成提高指纹识别的安全性的技术功效。

图12 指纹识别系统的简化图Fig.1 2Simplified diagram of fingerprint identification system

分析说明：本发明与现有技术之间的差异在于本发明是通过同时撷取多个指纹以产生指纹图像，并且解析指纹图像形成指纹特征，以便将指纹特征与对比特征进行比对，当比对符合时判断为识别成功，反之则判断为识别失败。通过上述的技术手段，本发明可以达成提高指纹辨识的安全性的技术功效。可见，在检索中利用“指纹”“识别”“特征”“比对”等相关关键词进行检索，在专利库中很快筛选到了对比文件CN2578903Y，可以评述本申请的创造性，提高了检索效率。

4 结 语

从整体上看，美国基于安全认证的指纹识别技术起步较早，一直在稳定增长并且已经相对成熟。随着该技术应用的日趋广泛，中国的基于安全认证的指纹识别技术和专利保护意识都在增强，相关的专利申请在近几年急剧增加，并蓬勃发展。在了解基于安全认证的指纹识别技术的发展情况后，可以更清晰地了解图形检索技术的构架，及其应用领域和技术需要改进的方向，帮助自己快速理解发明，准确获取发明构思，利用分类号及发明点进行有效筛选对比文件，提高基于安全认证的指纹识别案件的检索效率和审查效率，促进中国基于安全认证的指纹识别技术的专利授权工作。