揭秘高通超声波指纹被“贴膜破解”之谜

Original 芯智讯浪客剑芯智讯 2020-08-30

作为超声波指纹识别技术的坚定推动者，高通对于超声波指纹识别的推动是有目共睹的，三星、华为、小米等国内外手机大厂都有采用过高通的超声波指纹识别方案。

不过，自今年年初以来，高通的超声波指纹识别技术也遭到了一些质疑。早在今年4月的时候，采用高通超声波指纹识别的三星S10系列就被爆出，容易被3D打印的树脂指纹模破解的问题。随后在今年10月，三星S10和Note 10的超声波指纹再次被爆出，贴膜或带上保护套后易被破解的安全问题，甚至被中国银行和一些支付机构认为不安全，指纹支付功能遭到暂停。

在此背景之下，日前，高通推出了新一代的超声波指纹传感器3D Sonic Max。根据介绍，3D Sonic Max支持的识别面积为20mm×30mm，即600mm²的感应面积，是前一代的17倍，能够支持两个手指同时进行指纹认证，进一步提升了安全性，此外也提高了解锁速度和易用性，并且在芯片厚度上只有0.15mm，相比目前光学屏下指纹模组的厚度要少近一倍。

那么问题来了，高通的超声波指纹识别方案为何能够被“贴膜破解”？新一代的3D Sonic Max能否解决这个问题？

一、关于“贴膜破解”

首先我们来重温一下“贴膜破解”。2018年1月25日CCTV新闻频道报道了手机指纹识别的安全漏洞：只要在指纹传感器上粘贴一张手制薄膜，各种物体就都能解锁，比如一张橘子皮。

发明该破解方法的技术人员李扬渊对其原理进行了解释：

传感器采集的是物理量（的空间场分布），如果传感器和手指之间存在可导致该物理量成像的材料构成的阻隔层，那么阻隔层形成的图像就会替代了指纹（图像）。再利用手机普遍采用的图像基指纹识别算法存在的缺陷，通过指纹模板更新机制把阻隔层图像注入到注册指纹数据中，就完成了破解。被破解的手机可以被任意可触发指纹传感器的物体解锁，例如橘子皮、大闸蟹、番茄、桂圆、浸泡过童子尿的卫生纸，因为采集了阻隔层的固定图像，所以总是能匹配成功。

如下图所示：

当然，这并不是超声波指纹识别的独有的漏洞。早在2018年初，采用电容式指纹识别的苹果iPhone 6s、iPhone 7、iPhone 8也曾被曝光过，能够通过“指纹贴”攻破，即利用其他介质成像的方式攻破指纹识别功能。

二、超声波为何“安全问题”频发？

“贴膜破解”这个影响了全球智能手机的安全漏洞，在最初被曝光之时就引起轩然大波。由于破解方法过于简单，也带起一波全民破解手机指纹的娱乐节目。意料不到的是，在漏洞发现近2年后，三星旗舰机竟然再次出现该漏洞，这也直接导致了三星S10/Note10系列被众多金融机构毫不客气地“拉黑”了，禁用了指纹支付功能。这到底是为何？

其实，贴膜破解的漏洞与传感器类型无关，针对不同原理的传感器有不同类型的成像材料用于制膜。电容指纹传感器用电场阻隔材料（导电油墨、铅笔石墨屑），光学指纹传感器用光学阻隔材料（打印油墨、手绘颜料），超声波指纹传感器用声波阻隔材料（任何材料都有大或小的声学阻隔能力）。

可见，在防御“贴膜破解”的能力上，超声波没有任何原理性优势。高通宣传其超声波指纹更安全，似乎是言过其实。

由于安全技术领域长期以来都是攻防相长、共同发展的特殊性，在安全技术能力上的过分“夸大”往往并不能与法律层面的“虚假宣传”等同起来，证明其故意性非常困难。李扬渊表示：“作为安全技术专家，我们能做的就是通过破解来打脸，希望指纹厂商能够更加重视安全。”

三、高通3D Sonic Max安全性又如何？

在披露“贴膜破解”时，李扬渊就预警过，传感器自身的缺陷底图是更强大的破解图像，一定要严控指纹传感器质量。那么高通新推出的3D Sonic Max在这方面又如何呢？

我们先来看看媒体拍摄的高通新一代超声波指纹传感器的现场效果：

（图片来源：SlashGear.com）

（照片放大后的图像）

我们可以看到，无指纹的区域的底图噪声剧烈，似有纹路。这似乎不符合指纹传感器的通行技术标准对图像质量的要求。中华人民共和国公共安全行业标准GA/T 894.3 2010《安防指纹识别系统》第3部分《指纹图像质量》有如下内容：

指纹识别算法的第一步要把指纹图像从传感器整体图像中分出来，术语叫“前景背景分割”，指纹图像区域是前景，没指纹的图像区域是背景。前景和背景在灰度均值和动态范围上有明显的区别，便有利于分割；反之则难以分割，背景底图将因此进入指纹匹配阶段，导致问题。对前景背景的统计特性进行标准性规定，其意义是制止质量不合格、“采空气”都能出图的指纹传感器流入市场。

须知2010年中国“行标”的规定，相对于美国FBI原版标准对硬件的要求已经做了大幅度的降低，以向当时中国落后的传感器制造水平妥协。

“那么问题来了，到了2019年，高通的最新一代的超声波指纹识别传感器，为何却还达不到国内2010时的质量标准标准呢？”李扬渊表示：“诚然高通在这个产品里使用了不少领先的技术，可产品总得质量合格才能是领先的科技“成果”吧？如果质量不合格的，那又有什么用呢？”

当然，以上判断只是基于已有的媒体体验的指纹识别图像来分析。

四、问题根源何在？

李扬渊表示，基于逆向工程分析，也从媒体拍摄的高通3D Sonic Max采集图像得到印证，高通似乎没有对传感器底图进行合格的处理，任由其叠加在指纹图像上。当指纹图像的信号幅度足够大时，基于电容触屏提供的指纹接触区域信息用于前景背景分割，指纹识别算法还能以指纹信息为主进行识别。可当指纹信号幅度减小，底图幅度甚至超过指纹，再仅基于电容触屏提供的区域分割信息的话，当然就导致指纹识别算法以底图为主进行识别了。

所以，贴在屏上的硅胶或保护膜并不是用来产生攻击图像的，攻击图像是高通版超声波传感器生来自带的。贴膜只是使指纹的回波信号衰减，于是就像神奇的软件变脸一样，把指纹图像变成了传感器底图。

专业一点讲，靠贴膜形成图案遮挡指纹来破解电容式指纹传感器，是几何空间上的信号替换，硅胶膜破解高通版超声波指纹传感器时，是函数空间上的信号替换。机理更高深，破解更简单，一膜解决，成本更低。

五、超声波指纹识别真的不安全了吗？

“在图像传感器领域，消除底图是基本的设计要求，有很多成熟设计可以参考。所以严重的底图问题并非超声波原理的固有缺陷，而是高通的开发团队经验不足考虑不周的结果。”李扬渊说到。

客观上讲，超声波指纹传感器底图成分的确更复杂，既受电路（读出电路、阵列单元）影响，还受压电转换器（压电材料层和电极）和声学结构（传输介质、结合胶层等）的影响，比我们所知的其他类型的指纹传感器（包括电容式和光学式）有更大的底图抑制要求。但这并不是做不好的理由。

对此李扬渊给出了自己通过超声波指纹识别传感器获得的指纹图像（如下图）：

“无论指纹强弱（穿透介质和深度不同），底图必须干净得跟白莲花一样。这样才能够避免出现贴膜破解的问题。”同时李扬渊还表示：“像高通一样将超声波指纹识别传感器的识别区域做大也并不是难事，大家可以猜猜我们最后一张图的传感器尺寸（可以看到，在上图中，似乎一次性同时采集到了四个手指的指纹）。”

总结来说，从技术层面来看，高通的超声波指纹传感器目前所呈现出的出图质量似乎是有问题的，即便是在识别区域的规格层面上的提升，似乎也并不是难事。

“不必盲目的相信国外的大厂，在指纹识别领域，中国设计，已经自强。”李扬渊说到。

而对于李扬渊所指出的高通超声波指纹识别存在的问题，芯智讯也联系了高通方面相关人士，对方未予置评。

而另一位业内技术专家则表示：“这应该是基于片面信息得出的错误结论。如果对于其中的问题进行一一回应，那么高通可能需要解释很多他们的Know how。所以他们应该不会详细的来回应和说明。”

编辑：芯智讯-浪客剑