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【訊息新知】新型感測器加持 生物辨識快又準

新型感測器加持 生物辨識快又準

生物辨識技術發展得早,辨識的生理「對象」也越來越多元,從脈搏、心跳、指紋、瞳孔、臉部…等等。無論生物辨識技術如何發展,準確度、快速與安全性都是不變的目標,甚至尺寸、成本與功耗也因應用場合,如穿戴式裝置或其他可攜式裝置的發展而成為新的要求。

 

生物辨識技術發展得早,辨識的生理「對象」也越來越多元,如脈搏、心跳、指紋、瞳孔、臉部…等等。無論生物辨識技術如何發展,準確度、快速與安全性都是不變的目標,甚至尺寸、成本與功耗也因應用場景,如穿戴式裝置或其他行動裝置的發展而成為新的要求。

而隨著應用情境與裝置不斷變化,生物辨識技術的重要關鍵元件——感測器,會有什麼樣的改變,以作為因應?而新感測器又會如何助力生物辨識技術能夠在辨識時快又準確?更甚者,近期醫療相關穿戴式裝置,也因人們更加注重養生保健,而有更多的發展,包括心跳、脈搏、血壓…等相關生理資訊的辨識將如何發揮所長?

便利性——生物辨識「生存之道」

起初,生物辨識技術的崛起是基於安全性的考量,在智慧型手機為求銷售上的突破,而被導入作為手機開/解鎖的功能;進而再到為行動支付進一步把關交易安全。但生物辨識技術「百百種」,只要是能夠被截取的生理訊號都可能作為生物辨識技術中的一種,現今常見或者最常被採用的生物辨識技術包括語音、指紋與臉部辨識。成功大學電氣工程系教授暨IEEE TBioCAS副主編李順裕表示,語音、指紋及臉部辨識主要是因為便利性而被智慧型手機納入,進而取代輸入密碼的開機方式,且生物辨識技術也進一步刺激了智慧型手機的出貨成長。

現階段,上述三種生物辨識的「勢力消長」,從智慧型手機大廠的動態可發現,臉部辨識無疑是目前最夯的生物辨識技術之一,儼然有取代指紋辨識的態勢。不過,有鑑於成本、解鎖速度及安全性、便利性等各方面考量下,蘋果(Apple)有意在2020年的新機種重新「擁抱」指紋辨識技術,是否帶動整體智慧型手機的群起效尤,讓指紋辨識技術得以敗部復活,並使臉部辨識在手機應用市場中成為「黃昏」技術,仍待時間觀察。

另外,語音辨識技術在許多需要輸入文字的系統中,包括導航、翻譯、通訊/社交媒體…等,也越來越受青睞。隨著語音辨識的精確度越來越高,也可兼顧使用者在「分心」使用行動裝置時,讓輸入文字與溝通更加便利人性化,預期語音辨識將持續成為智慧型手機或行動裝置的標準配備。

事實上,無論各種生物辨識技術如何發展,該技術讓使用者無需碰觸到機器就能使用的便利性,以及生物辨識技術讓手機與人的互動更具人性化。可預期,生物辨識技術在行動裝置與穿戴式裝置應用上,將會越來越廣泛被使用。

智慧型手機突破困境的「殺手」應用?

智慧型手機銷售的低迷已是眾所周知,相關業者亦戮力使出渾身解數,尋找更吸引消費者的功能,以進一步刺激換機潮。生物辨識技術就是在這樣的前提下,在智慧型手機有限的PCB中找到「位置」,並進一步與其他功能相互搭配,衍生更多讓消費者躍躍欲試的應用。

為了讓生物辨識技術得以真正運作,相關感測器功不可沒。其中,最受矚目的兩項感測技術,是飛行時間(ToF)與大有後起之秀之姿的雷射感測器。

ToF打造3D感測

ToF是可說一種3D影像感測器,利用850mm或950mm遠紅外光發射到物體後,透過光線反射回來產生的相位差,進一步推算物體的距離、深度,並呈現出物體的3D影像。英飛凌(Infineon)大中華區射頻及感測元件、電源管理及多元電子事業處總監麥正奇表示,ToF讓影像呈現出振幅圖(2D)與深度圖(3D),再透過算法,提供應用裝置所需結果。其中,3D深度圖可謂是ToF相較其他感測技術的優勢,可進一步實現如人臉辨識功能,也因此現階段ToF最大的商機即是人臉辨識。

20190802EETTNT31P1ToF運作原理。(資料來源:英飛凌)

另外,除了人臉辨識,ToF亦可亦用其3D深度圖的特性辨識掌紋。樂金(LG)新款旗艦手機G8 ThinQ,則透過ToF辨識掌紋與人臉,提升行動支付的安全性。麥正奇指出,手機大廠仍持續思考ToF收集到的資訊,還能透過演算法開發出哪些新應用。

現階段,擴增實境(AR)/虛擬實境(VR)、相機景深效果、遊戲或行動支付都是有利用ToF開發的功能,但仍尚未找尋到真正的殺手級應用。而英飛凌也正與手機業者合作,研究ToF所收集到的訊息如何與傳統的2D影像思維結合,並做到3D QVGA(Quarter VGA)解析度效果,進一步提升辨識度,以及開發更多新應用。

雷射感測器後勢看俏

雷達有不同的頻段,根據不同的頻段能偵測的範圍不同。舉例來說,24GHz頻段雷達偵測距離長,適用於如智慧照明控制等大偵測範圍的應用;60GHz雷射則對物體的反應速度快、精準度高,因此適用於如心跳、呼吸、人臉…等與生物辨識相關的應用,唯獨軟體演算法、技術門檻較高,目前相關生物辨識應用仍處於開發階段。

為何需要把在汽車或工業等其他應用的雷射導入智慧型手機或行動裝置呢?麥正奇解釋,雷達可以偵測速度、距離、角度與位置,雖然其他感測器也做得到,但雷射感測器具備干擾少、不受天氣影響、相較紅外線,可應用的範圍廣泛等優勢,因此亦逐漸獲得手機業者青睞。

不過,要將雷達應用順利導入手機仍有成本高、相關演算法開發難度高等問題。英飛凌大中華區電源管理及多元電子事業處經理吳柏毅表示,上述挑戰都是可以解決的問題,甚至市場普遍認為雷達成本較高,應難以被手機或行動裝置所接受,但隨著製程技術日益成熟,不僅成本,連智慧型手機最關切的尺寸問題,透過英飛凌採用的天線封裝(Antenna in Package;AiP)技術,也都能順勢而解。

挾著眾多優勢,雷射感測器進軍手機市場指日可待。麥正奇認為,結合ToF與雷達感測器,將可為行動裝置與智慧型手機帶來更多可以和使用者互動的應用,而與人們的互動也正是行動裝置未來最重要的發展趨勢。

把醫生「穿戴」上身

在智慧型手機與行動裝置上的生物辨識技術多以辨識五官、外表為主,對於偵測身體內部的資訊,則大多是心跳、血壓…等較簡單的生理資訊為主,但這些資訊多作為參考或是檢視自身在運動後的身體狀況用,醫療院所內的醫生們較少根據這些數值判定病灶。

有鑑於老年化時代來臨,人們越來越注重身體保健,但同時又需兼顧醫療資源的不浪費,因此進一步詳細量測更多生理資訊的需求崛起。李順裕指出,智慧型手機也許可以量測心跳、血壓…等基本訊息,但是需要較長時間觀察才能發現問題的疾病,如心律不整,醫療院所傳統的做法是請病患在身上「背」一台小型心律追蹤器,紀錄24小時的心律狀況,但這是智慧型手機無法提供的功能,因為手機並不是設計來「穿戴」在身上的裝置。

但是背一台測試儀器在身上,會造成諸多不便,因此由李順裕擔任召集人的「健康貼身守護神小聯盟」應運而生。李順裕表示,健康貼身守護小聯盟將一些生理資訊的偵測由智慧型手機過渡到穿戴式裝置,如智慧手錶、智慧衣…等,並結合健康照顧的概念,讓穿戴式裝置偵測的訊息可以符合醫療院所所需,協助醫生能夠進一步判定病因。

健康貼身守護小聯盟成員包括軟硬體及人工智慧(AI)、應用服務相關演算法。在硬體方面,李順裕認為,拆開手機可以發現元件主要可分為四大塊,訊號擷取、數位訊號處理、通訊技術與電源管理,因此穿戴式裝置也需要這些元件,但有鑑於台灣廠商僅有少數完整擁有這四大塊的全部元件,且穿戴式裝置更需要將元件微小化,因此各式元件主要是由成功大學電機系自行研究開發,或是搜羅台灣各家廠商的元件,並秉持著組裝後的系統大小不能大於新台幣10元硬幣的目標,以符合穿戴式裝置更有限的空間需求。

穿戴式裝置擷取到的生理資訊若是要供醫療用,裝置本身需要通過醫療相關法規。為將健康貼身守護小聯盟的研發成果進行醫療人體實驗,李順裕亦成立裕晶醫學科技,以將研發出的長時效高解析度智慧穿戴的生醫檢測系統晶片申請醫規認證和人體臨床試驗,且該系統晶片內的感測器是利用電化學或導電織布與半導體生醫電子電路技術完成生理訊號的偵測,如心律、呼吸,並透過藍牙與智慧型裝置(如手機)傳輸,完成心電訊號處理、人工智慧分析、人機介面顯示與醫學資訊紀錄。

而此晶片系統可應用在如心律、心音、腦波、聲音、呼吸、血氧等各種不同的生物辨識上,並已衍生出多項產品,包括包含24小時心律偵測器、智慧衣、寶貝衣、智慧寵物衣、試穿戴開發平台、智慧聽診器、癲癇訊號檢測與神經調控,以及可重複使用的偵測貼片。

人工智慧提升精準度

無論應用在智慧型手機、行動裝置,或是醫療穿戴式裝置,準確度都是最重要的,因此在感測器中導入人工智慧,已逐漸成為大勢所趨。麥正奇表示,某些應用場景中,人工智慧與機器學習(ML)是提升生物辨識精準度的關鍵。目前人工智慧技術在感測器內的發展還在起步階段,相關演算法的開發需要根據應用需求量身打造,實屬不易,目前英飛凌德國總公司已針對雷達感測器機器學習方面進行研究。

李順裕表示,為提高生物辨識度,背後需要有人工智慧技術,而人工智慧需仰賴巨量資料,如何產生足夠的數據則需要精準的感測技術,透過資料不斷的輸入與機器學習,才能提高生物辨識技術的精準度。

而半導體技術的進展,讓智慧型手機可以進一步實現更多元的生物辨識技術,例如台積電(TSMC)領先的奈米製程技術,使半導體元件可持續微縮,有助於降低功率的消耗與整合人工智慧的技術於系統晶片中,提高系統整合度,以降低系統模組製作成本並提升準確度,進而催生各種低功耗感測器。還可將雲端運算(cloud computing)的人工智慧技術,帶入邊緣運算(edge computing)的感測系統中,達到智慧感測的目標。透過智慧感測器,將有助於物聯網(IoT)的連結,提供人們更多的服務。

未來商機可期

未來,生物辨識技術的商機何在?李順裕表示,科技來自人心,現階段,生物辨識技術主要著重在消費娛樂上,所以開發出臉部、瞳孔、指紋、語音辨識技術,以縮短機器與人的距離,改善人們使用上的不便。然而隨著少子化與高齡化社會的來臨,穿戴式健康照護系統如運動手環、智慧手錶將逐漸導入現代社會中,此時所面臨的生物技術將有別於檢測人體五官訊號,身體內部訊號,如心律、腦波、呼吸、血氧、血壓、血糖…等,將成為未來生物辨識技術的主流,並從消費娛樂環境導入健康醫療系統。

麥正奇也認為健康照護是生物辨識技術未來的發展方向,ToF、雷射感測器在心臟、心律量測等方面也有發揮的空間,唯相關演算法的開發仍具高門檻。而如何找到相關生態系統並進一步落實,是各家廠商持續努力的目標。

資料來源:https://www.eettaiwan.com/news/article/20190802NT31-new-sensors-help-Biometric-identify-fastly