Как работает сканер отпечатков пальцев? Оптические сканеры отпечатков пальцев. Обзор датчика R308
Так что же такое сканер отпечатков пальцев?
Это тип биометрической технологии безопасности, которая использует комбинацию аппаратных и программных методов дли распознавания отпечатка пальца пользователя. Он идентифицирует и проверяет подлинность отпечатков пальцев человека, чтобы разрешить или запретить доступ к смартфону, приложению и другим местам, которые нуждаются в защите от нежелательного вмешательства. Есть много других способов защиты персональной информации, такие как: биометрия, сканирование радужной оболочки глаза, сканирование сетчатки глаза, сканирование черт лица и так далее вплоть до спец анализа крови или походки. Кстати, анализ походки был продемонстрирован в фильме серии Миссия Невыполнима с Томом Крузом. В некоторых смартфонах даже используется сканер радужной оболочки глаза, но реализация этой фичи, естественно, далека от идеала. Почему именно сканер отпечатков? Все просто: платы для сканирования отпечатков довольно дешевы и просты как в изготовлении так и в использовании. Прикоснулся к сканеру и твой Redmi Note 3 мгновенно разблокирован и готов к работе.
Как существуют разные виды технологий биометрической безопасности, так и типы сканеров отпечатков пальцев имеют разные технологии и способы реализации. Всего существует три вида сканеров отпечатков:
- Оптические сканеры;
- Емкостные сканеры;
- Ультразвуковые сканеры.
Оптические сканеры
Оптические сканеры отпечатков пальцев являются самым старым методом захвата и сравнения отпечатков пальцев. Как нетрудно догадаться из названия, этот метод основан на захвате оптического изображения отпечатка. По сути, это фотография отпечатка пальца, которая после захвата обрабатывается с использованием специальных алгоритмов для обнаружения уникальных узоров на поверхности, таких как гребней и уникальных завиток, анализируя самые светлые и темные участки изображения.
Так же как и камера в смартфоне, эти датчики имеют конечное разрешение и чем выше это разрешение, тем более мелкие детали узора датчик сможет различить на вашем пальце, тем выше безопасность. Тем не менее сенсоры этих датчиков имеют намного больший контраст, чем обычный фотоаппарат. Как правило, они имеют очень большое количество диодов на дюйм, чтобы захватывать изображение на близком расстоянии. Но когда прикладываешь палец к сканеру, то его камера ничего не видит, ведь темно, возразите вы. Верно. Поэтому оптические сканеры также имеют целые массивы светодиодов в качестве вспышки, чтобы осветить область сканирования. Очевидно, такая конструкция слишком громоздкая для телефона, где тонкость корпуса играет важную роль.
Основным недостатком оптических сканеров является то, что их довольно легко обмануть. Оптические сканеры захватывают только 2D изображение. Многие видели как с помощью незамысловатых манипуляций с тем же клеем ПВА или просто с качественной фотографией взламывается сканер и доступ к вашим важным документам или котикам получен. Поэтому этот тип обеспечения безопасности не подходит для смартфонов.
Так же как и сейчас вы можете найти смартфоны с резистивным экраном, вам могут встретиться и оптические сканеры отпечатков. Их еще используют в многих сферах, кроме тех, где нужна реальная безопасность. В последнее время с развитием технологий и увеличением спроса на более серьезную безопасность, смартфоны единогласно приняли и используют емкостные сканеры. Речь о них пойдет ниже.
Емкостные сканеры
Это наиболее часто встречающийся тип сканера отпечатков пальцев на сегодняшний день. Как видно из названия, конденсатор является основным модулем для сканирования в емкостном сканере. Вместо того, чтобы создавать традиционное изображение отпечатка пальца, емкостные сканеры используют массивы крошечных цепей конденсатора для сбора данных о отпечатках. Конденсаторы хранят электрический заряд и, приложив палец к поверхности сканера, накапливаемый в конденсаторе будет слегка изменен в тех местах, где гребень на узоре прикасается к пластине, и останется относительно неизменным, где наоборот впадины на узоре. Схема интегратора операционного усилителя используется для отслеживания этих изменений, которые затем могут быть записаны с помощью преобразователя в аналого-цифровой.
После того, как данные о отпечатке были захвачены, данные преобразуются в цифровые и уже в них ведется поиск отличительных и уникальных атрибутов отпечатка пальца, которые в свою очередь могут быть сохранены для сравнения на более позднем этапе. Главный плюс этой технологии в том, что она намного лучше оптических сканеров. Результаты сканирования не могут быть воспроизведены с изображением и его невероятно сложно обмануть с помощью протезирования, то есть слепка отпечатка. Как написано выше, это потому, что при распознавании отпечатка записываются несколько иные данные, а именно, изменения заряда на конденсаторе. Единственная реальная угроза безопасности исходит от любого аппаратного или программного вмешательства.
В емкостных сканерах отпечатков используют достаточно большие массивы этих конденсаторов, как правило сотник, если не тысячи в одном сканере. Это позволяет с высокой степенью детализировать изображение гребней и впадин отпечатка пальца. Так же как и в оптических сканерах большее количество конденсаторов обеспечивает более высокое разрешение сканера, повышая точность распознавания и, соответственно, уровень безопасности, вплоть до распознавания мельчайших точек.
Из-за большего количества компонентов в цепи распознавания отпечатка емкостные сканеры обычно немного дороже оптических. В ранних итерациях емкостных сканеров многие производители пытались уменьшить стоимость, сократив количество конденсаторов, необходимых для распознавания отпечатка. Такие решения были почти всегда не очень успешными и многие пользователи жаловались на качество распознавания, ведь приходилось несколько раз прикладывать палец, чтобы отсканировать отпечаток. К счастью, в наши дни эта технология уже доведена до ума и даже привередливый пользователь останется доволен. Стоит заметить, что если палец грязный или слишком влажный/жирный, то и емкостный сканер иногда не сможет распознать отпечаток. Впрочем, все же моют руки?:)
Ультразвуковые сканеры
Ультразвуковые сканеры отпечатков пальцев на данный момент являются новейшими технологиями распознавания отпечатков. Впервые данный тип сканера был использован в смартфоне Le Max Pro. В этом телефоне используются технологии американской компании Qualcomm с ее Sense ID.
Для распознавания отпечатка ультразвуковой сканер использует ультразвуковой передатчик и приемник. Ультразвуковой импульс передается непосредственно на палец, который помещен перед сканером. Часть этого импульса поглощается, а часть возвращается к приемнику и далее распознается в зависимости от гребней, впадин и других деталей отпечатка, которые являются уникальными для каждого пальца. В ультразвуковых сканерах датчик, который обнаруживает механическое напряжение, используется для расчета интенсивности возвращающегося ультразвукового импульса в различных точках на сканере. Сканирование в течение более продолжительного времени позволяет распознать дополнительные данные по глубине отпечатка, которые будут захвачены, и дадут в результате очень подробные 3D изображения отсканированного отпечатка пальца. Использование 3D технологии в этом методе сканирования делает его наиболее безопасной альтернативой емкостным сканерам. Единственный минус данной технологии в том, что на данный момент она еще не отработана и слишком дорогая. Первые смартфоны с такими сканерами являются первопроходцами в этой сфере. По этой же причине Xiaomi не стала использовать ультразвуковой сканер в своем флагмане Mi5.
Алгоритмы обработки отпечатков
Хоть, большинство сканеров отпечатков и основаны на очень схожих аппаратных принципах, дополнительные компоненты и программное обеспечение может играть важную роль в распознавании отпечатков. Различные производители используют несколько различных алгоритмов, которые будут наиболее “удобны” для конкретной модели процессора и операционной системы. Соответственно, у различных производителей определение ключевых характеристик отпечатков пальцев может различаться по скорости и точности.
Как правило, эти алгоритмы ищут где гребни и впадины заканчиваются, пересекаются и разделяются на две части. В совокупности особенности узора отпечатка называются “мелочами”. Если отсканированный отпечаток соответствует нескольким “мелочам”, то он будет рассмотрен как совпадение. Для чего это? Вместо того, чтобы сравнивать целые отпечатки каждый раз, сравнивание по “мелочам” уменьшает количество затрачиваемой вычислительной мощности, необходимой для обработки и идентификации каждого отпечатка пальца. Также данный способ помогает избежать ошибок при сканировании отпечатка и, главное, появляется возможность прикладывать палец не полностью. Ведь вы никогда не прикладываете палец точь в точь? Конечно, нет.
Эта информация должна храниться в безопасном месте на вашем устройстве и в достаточном удалении от кода, который потенциально может поставить под угрозу надежность сканера. Вместо того, чтобы хранить пользовательские данные в интернете, процессор надежно хранит информацию об отпечатке на физическом чипе в TEE (доверенная среда для выполнения задач). Эта безопасная зона используется также и для других криптографических процессов и напрямую обращается к защитным аппаратным платформам, таким как тот же сканер отпечатков, чтобы предотвратить любую программную слежку и любое вторжение. Эти алгоритмы у разных производителей могут отличаться или вовсе быть организованны по разному, например у Qualcomm это архитектура Secure MCM, а у Apple - Secure Enclave, но все они основаны на одном и том же принципе хранения этой информации в отдельной части процессора.
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность развития биометрических технологий идентификации личности обусловлена увеличением числа объектов и потоков информации, которые необходимо защищать от несанкционированного доступа, а именно: криминалистика; системы контроля доступа; системы идентификации личности; системы электронной коммерции; информационная безопасность (доступ в сеть, вход на ПК); учет рабочего времени и регистрация посетителей; системы голосования; проведение электронных платежей; аутентификация на Web-ресурсах; различные социальные проекты, где требуется идентификация людей; проекты гражданской идентификации (пересечение государственных границ, выдача виз на посещение страны) и т.д.
В отличие от бумажных идентификаторов (паспорт, водительские права), пароля или персонального идентификационного номера (PIN), биометрические характеристики не могут быть забыты или потеряны, их трудно подделать и практически невозможно изменить.
Деятельность частных фирм, правительственных организаций и лабораторий, занимающихся вопросами биометрии, координируется Биометрическим Консорциумом BioAPI Consortium. Ведущими производителями биометрических систем являются: BioLink Technologies, Bioscrypt, Precise Biometrics, Neurotechnologiya, DigitalPersona, Ethentica, Identix, Staflink, Veridicom и др. Учитывая то, что основные биометрические технологии разрабатываются и совершенствуются за рубежом, актуальным является создание собственных биометрических технологий с целью ликвидации образовавшейся пропасти в разработке биометрических систем между отечественными и зарубежными производителями и дальнейшего параллельного (а возможно и совместного) совершенствования биометрических систем. В результате собственные разработки будут как минимум на порядок дешевле. При этом идентификация личности по отпечатку пальца является самой удачной биометрической технологией благодаря простоте использования, удобству и надежности. Вероятность ошибки при идентификации пользователя по отпечаткам пальцев намного меньше в сравнении с другими биометрическими методами. Кроме того, само устройство идентификации по отпечатку пальца малогабаритно и приемлемо по цене.
Цель магистерской работы: создание биометрической системы контроля доступа по отпечаткам пальцев, устойчивой к шумам и не зависящей от качества входных изображений, на основании проведенного анализа при соблюдении оптимальной точности и надежности системы и повышении быстродействия поиска.
Задачи, решаемые в магистерской работе:
Новизна магистерской работы: повышение быстродействия поиска в системе при соблюдении оптимальной точности и надежности системы за счет комбинации различных классификаторов и выявления наиболее точных методов для осуществления быстрого и корректного поиска в определенном классификатором классе. Быстродействие планируется достичь за счет правильной сегментации системной базы данных отпечатков пальцев в соответствии с натуральным распределением классов (0.279, 0.317, 0.338, 0.037, и 0.029 для классов завиток, правая петля, левая петля, дуга, и полусфера, соответственно ), а также возможно за счет объединения нескольких классов в один. В частности показатели быстродействия и точности системы значительно улучшаются при объединении классов дуга и полусфера в один класс. Точность классификации также планируется повысить за счет реализации эффективного метода обнаружения позиции центральной точки и внедрения в систему модуля улучшения изображений отпечатков пальцев перед выполнением этапа извлечения особых точек.
1. ОПИСАНИЕ ОБЪЕКТА КОМПЬЮТЕРИЗАЦИИ
Объектом исследования в данной работе является изображение отпечатка пальца, которое представляет собой папиллярный узор на поверхности пальцев. Уникальность каждого отпечатка пальца можно определить по узору, который образуют эти выступы и бороздки, а также по другим его деталям. Таким образом, в каждом отпечатке пальца можно определить два типа признаков - глобальные и локальные.
Глобальные признаки - те, которые можно увидеть невооружённым глазом :
В традиционной дактилоскопии папиллярные узоры пальцев рук делятся на три основных класса: дуговые (около 5% всех отпечатков), петлевые (65%) и завитковые (30%); для каждого класса проводится более детальная классификация на подклассы. В рамках данной работы классификация будет произведена на пять классов: завиток (W), правая петля (R), левая петля (L), дуга (A), и полусфера (T) .
На рисунке 1.1 изображены некоторые примеры отпечатков пальцев, относящиеся к основным классам.
Рисунок 1.1 - Основные классы отпечатков пальцев с учетом натурального распределения. a) Левая петля, b) Правая петля, c) Завиток, d) Дуга, e) Полусфера.
Локальные признаки называют деталями - уникальные для каждого отпечатка признаки, определяющие пункты изменения структуры папиллярных линий (окончание, раздвоение, разрыв и т.д.), ориентацию папиллярных линий и координаты в этих пунктах. Каждый отпечаток содержит до 70 деталей.
На изображении отпечатка пальца выделяют следующие детали (рисунок 1.2),:
Рисунок 1.2 – Примеры деталей.
Практика показывает, что отпечатки пальцев разных людей могут иметь одинаковые глобальные признаки, но совершенно невозможно наличие одинаковых деталей. Поэтому глобальные признаки используют для разделения базы данных на классы и на этапе аутентификации. На втором этапе распознавания (уникальная идентификация) используют уже локальные признаки ,.
Получение электронного представления отпечатков пальцев с хорошо различимым папиллярным узором - достаточно сложная задача. Поскольку отпечаток пальца слишком мал, для получения его качественного изображения приходится использовать достаточно изощренные методы. Современный метод получения электронного изображения отпечатка пальца - сканирование.
2. ЛОКАЛЬНЫЙ ОБЗОР СИСТЕМ, ОСУЩЕСТВЛЯЮЩИХ РАСПОЗНАВАНИЕ ПО ОТПЕЧАТКАМ ПАЛЬЦЕВ.
Задачей распознавания изображений отпечатков пальцев занималась магистр ДонНТУ Евстюничева А. В. Тема магистерской работы: В ходе выполнения магистерской работы были созданы проверочная и тестовая выборки отпечатков пальцев, частично реализован многоканальный подход для классификации отпечатков пальцев. В частности был получен вектор признаков - Код пальца и на его основании была осуществлена классификация методом Эвклидова расстояния. Однако вектор признаков был не совсем корректно генерирован в связи с неточной работой алгоритма определения месторасположения центральной точки. Тем ни менее была создана прекрасная база – теоретическая и практическая – для дальнейших исследований и продолжения работы в данном направлении.
3. ГЛОБАЛЬНЫЙ ОБЗОР СИСТЕМ, ОСУЩЕСТВЛЯЮЩИХ РАСПОЗНАВАНИЕ ПО ОТПЕЧАТКАМ ПАЛЬЦЕВ.
3.1 Обзор подходов для автоматической классификации отпечатков пальцев.
Классификация отпечатков пальцев - это метод, используемый для отнесения отпечатка пальца на основании его признаков к одному из нескольких предварительно заданных классов, которые могут обеспечить механизм индексации. Автоматизированная классификация отпечатков пальцев является сложной проблемой, потому что небольшие внутриклассовые различия и большие межклассовые различия между 5 классами должны быть приняты во внимание. Классификация отпечатков пальцев представляет собой грубый (укрупненный) уровень сопоставления отпечатков пальцев. Вначале введенный отпечаток пальца относится на грубом уровне к одному из нескольких предварительно заданных классов и затем, на более точном уровне, он сравнивается с множеством отпечатков, имеющихся в БД.
В результате развития науки об отпечатках пальцев было найдено несколько подходов для автоматической классификации отпечатка пальца. Эти подходы могут быть на грубом уровне представлены пятью основными категориями:
1) На основе модели. Метод классификации отпечатка пальца на основе модели использует местоположения особых точек (ядро и разветвление), чтобы классифицировать отпечаток пальца к одному из пяти вышеприведенных классов. Подход на основе модели использует знания людей-экспертов, применяя правила для каждой категории вручную построенной модели, и поэтому требует обучения. Развитием данной группы подходов занимались (K. Karu, A.K. Jain, L. Hong).
2) На основе структуры. Подход на основе структуры использует оценку ориентационного поля на изображении отпечатка пальца для того, чтобы отнести отпечаток к одному из пяти классов. Нейронная сеть, распознающая отпечатки пальцев, обучалась на изображениях с 2000 пальцев (одно изображение с пальца) и тестировалась на независимом наборе, состоящем из 2000 изображений, снятых с тех же пальцев. Более поздняя версия этого алгоритма (G.T. Candela, P.J. Grother, C.I. Watson, RA. Wilkinson, and C.L. Wilson) была тестирована на базе данных NIST-14, которая является естественно распределенной базой данных, обеспечивая лучшее выполнение алгоритма. Однако должно предполагаться совершенствование этого представления, так как база данных NIST-14 содержит маленький процент отпечатков пальцев типа дуга, которые поддаются классификации наиболее сложно, а нейронная сеть, используемая в алгоритме, неявно использует эту информацию для получения выгоды. Подобный подход на основе структуры, который использует скрытые модели Маркова для классификации (A. Senior), полагается на надежность оценки местоположений выступов, что является сложным из-за зашумленности изображения. В другом подходе на основе структуры используются кривые B-сплайна (базисные полиномиальные кривые), чтобы классифицировать отпечатки пальца (M.M.S. Chong, T.H. Ngee, L. Jun, and R.K.L. Gay).
3) На основе частоты. Подходы на основе частоты используют спектр частот отпечатков пальца для классификации. Здесь используются ряды Фурье (A.P. Fitz and R.J. Green).
4) Синтаксический подход. Синтаксический подход использует формальную грамматику для представления и классификации отпечатков пальцев (C.V.K. Rao and K. Black).
5) Гибридные подходы. Гибридные подходы комбинируют два или более видов подходов для классификации (B.G. Sherlock and D.M. Monro, M. Kawagoe and A. Tojo). Эти подходы подают надежды, но не были проверены на больших базах данных. Например, отчет M. M. S. Chong и др. заканчивается на 89 отпечатках пальца, Fitz и Green - на 40 отпечатках пальцев, и M. Kawagoe и A. Tojo - на 94 отпечатках пальцев. Наиболее перспективным является двухэтапный классификатор, который позволил бы сначала отнести отпечаток пальца к одному из подклассов, а после уже в этом подклассе производить сравнение. Среди гибридных подходов особое место занимает .
3.2. Обзор классификаторов изображений отпечатков пальцев
Рассмотрим несколько наиболее известных и используемых классификаторов: классификатор «K»-ближайших соседей, классификатор нейронная сеть, двухэтапный классификатор, классификатор скрытых моделей Маркова, классификатор дерево решений.
1. Классификатор «K»-ближайших соседей . Решающее правило «К» ближайших соседей заключается в том, что вначале находятся «К» ближайших соседей для тестового образца в пространстве признаков. После этого тестовый образец относится к классу, который наиболее часто представлен среди «К» ближайших соседей. Два верхних класса, которые были найдены с помощью классификатора «К» ближайших соседей, должны соответствовать классам, которые имеют самое высокое и второе по величине количество среди «К» ближайших соседей. Обычно рассматриваются 10 ближайших соседей (K=10). Точность классификации не всегда увеличивается с увеличением K; здесь возникает проблема классификации, связанная с определением оптимальной величины К для объема проверочной выборки конечного размера.
2. Классификатор Нейронная сеть . В данном случае обучали многослойную нейронную сеть с прямым распространением, используя в качестве обучающего алгоритма алгоритм быстрого распространения. Нейронная сеть имеет один скрытый слой из 20 нейронов, 192 входных нейрона, и 5 выходных нейронов, которые соответствуют пяти классам.
3. Двухэтапный Классификатор . Для упрощения задачи классификации мы декомпозируем 5-ти классовую задачу на набор из 10 2-х классовых задач. Целью является выполнение задачи простой классификации, используя классификатор «К» - ближайших соседей и затем используется набор двух-классовых классификаторов нейронных сетей для манипуляции с едва заметными различиями.
Первый этап использует классификатор «К» - ближайших соседей (К = 10), чтобы выбрать два наиболее вероятных класса для текущего входного образца. Мы получили путем наблюдения, что в 85.4 % случаев, класс с максимальной частотой попадания в группу «К» ближайших соседей это правильный класс (класс прошел классификацию) и в 12.6 % случаев класс со второй по величине частотой это также правильный класс. Другими словами, классификатор «К» - ближайших соседей приводит к нахождению двух классов с наибольшей частотой попадания в группу с точностью 98 %. Этот результат используется для точного отнесения отпечатков пальцев к двум из пяти классов. Каждый отпечаток будет иметь вхождение в два из пяти классов БД и поиск соответствия в БД должен быть произведен только в соответствующих двух классах.
Второй этап использует 10 (C 2 5) различных нейронных сетей для 10 различных парных классификаций. Эти нейронные сети имеют 192 входных нейрона, 20-40 скрытых нейронов находятся в одном скрытом слое, и 2 выходных нейрона. Каждая нейронная сеть обучена использовать образцы только из двух соответствующих классов в обучающей выборке. Например, нейронная сеть, которая находит различие между правой петлей и завитком обучена использовать только образцы, помеченные как правая петля и завиток в обучающей выборке. Схема двухэтапного классификатора представлена на рисунке 3.1.
Рисунок 3.1 - Схема двухэтапного классификатора.
Хотя этот классификатор устойчив к шумам и способен корректно классифицировать большинство низкокачественных отпечатков пальцев в БД NIST-4, он имеет недостатки на некоторых других изображения отпечатков пальцев, которые имеют очень низкое качество и не содержат информацию о выступах, присутствующую в центральной части отпечатка пальца. На низкокачественных отпечатках пальцев очень трудно правильно обнаружить центральную точку. Классификатор также не в состоянии правильно классифицировать изображения двойной петли, которые помечены как завиток в базе данных NIST-4. Для этих изображений алгоритм определения размещения центральной точки, выбирает вышерасположенную центральную точку и полагает, что это центр и при рассмотрении определяет, что центр изображения похож на петлю в области интереса, что приводит к ошибочной классификации завитка к правой петле или левой петле. Около 3% ошибок происходят в результате неправильной классификации петли в дугу, из-за едва различимой разницы между этими классами. Неправильная классификация дуги в полусферу составляет около 5 % ошибок.
3.3 Обзор алгоритмов сравнения отпечатков пальцев в найденном классе
В настоящее время выделяют следующие классы алгоритмов сравнения отпечатков пальцев:
Датчики отпечатков пальцев на сегодняшний день вышли за пределы премиум-сегмента смартфонов, технология дополнительной аппаратной защиты может внедряться даже в относительно недорогие аппараты среднего ценового диапазона. Со времени выхода на рынок технология претерпела значительные эволюционные изменения, поэтому вашему вниманию предлагается обзор имеющихся на рынке дактилоскопических сенсоров с указанием различий между ними.
Оптические сканеры
Старейший способ захвата и сравнения отпечатков пальцев. Как и предполагает название, технология основывается на оптическом изображении, по сути – фотографии, и использует особые алгоритмы для определения уникальных последовательностей на поверхности, например, бугорков или уникальных отметин, анализируя самые светлые и самые темные области на изображении.
По аналогии с камерами в смартфонах подобные датчики имеют конкретное разрешение, чем оно выше, тем более мелкие детали будут доступны для обработки сканером, что повысит уровень защиты. Однако подобные датчики получают более контрастные изображения, нежели обычная камера. Обычно в них включено большое количество диодов на дюйм для более четкого отображения деталей вблизи. В момент сканирования пальца сканер находится в темноте, поэтому оптические сканеры также имеют «на борту» светодиоды, действующие как вспышка во время сканирования. Подобное внутреннее устройство придаст смартфону дополнительные миллиметры толщины и негативно отразится на конечном форм-факторе.
Главным недостатком оптических сканеров является их ненадёжность. С их помощью получается лишь двумерное изображение, «обмануть» такой сканер можно другим изображением хорошего качества или искусственно созданным отпечатком с него. Не стоит доверять подобному типу сканеров, он недостаточно безопасен для защиты самой важной информации.
Сегодня датчики отпечатка пальца в смартфонах имеют различные формы и размеры, но оптических сканеров в них нет. По аналогии с началом распространения резистивных сенсорных экранов, оптические сканеры на сегодняшний день можно встретить разве что в самых недорогих аппаратных решениях. Необходимость в усилении безопасности обусловила единогласный переход смартфонов на конденсаторные сканеры.
Конденсаторные сканеры
Самый распространенный тип датчиков отпечатка пальца. И снова название выдаёт главный компонент, если вы, конечно, немного разбираетесь в электронике – конденсатор. Вместо создания традиционного изображения отпечатка, конденсаторные сканеры используют для сбора информации об отпечатке массивы крошечных конденсаторов. Если подключить способные сохранять электрический заряд конденсаторы к проводящей плате, то это позволит использовать их для считывания деталей отпечатка. Заряд в конденсаторах будет незначительно меняться во время прикосновения пальца к плате и в то же время воздушная прослойка оставит заряд относительно без изменения. Для отслеживания изменений используется интеграционная цепь операционного усилителя, впоследствии изменения можно записать конвертером сигнала из аналогового в цифровой.
После сканирования цифровая информация может быть проанализирована на предмет отличительных и уникальных параметров отпечатка, которые могут быть сохранены для последующего сравнения. Подобный датчик намного сложнее «обмануть», чем оптический. Результаты невозможно воспроизвести на изображении и очень сложно подделать каким-либо искусственным отпечатком: разные материалы вызовут разные изменения в заряде конденсатора. Единственный риск для безопасности может исходить от возможности взлома программного или аппаратного обеспечения.
Благодаря созданию достаточно большого массива таких конденсаторов (сотни, если не тысячи конденсаторов в одном сканере) есть возможность получить изображение бугорков и желобков отпечатка пальца с высокой детализацией путем использования лишь электрических сигналов. По аналогии с оптическими датчиками, большее количество конденсаторов даст более высокое разрешение сканера и до определенного уровня повысит защиту.
Из-за большего количества компонентов в цепи конденсаторные сканеры могут стоить дороже. В некоторых ранних вариантах осуществлялись попытки урезать количество необходимых конденсаторов путем использования сканеров «свайпа», которые получали информацию от меньшего количества конденсаторных элементов быстрым обновлением результатов по мере проведения пальцем по сенсору. Метод был довольно изощренным и зачастую требовалось несколько попыток для успешного сканирования. К счастью, сегодня распространена более простая схема работы датчика: достаточно простого нажатия и удержания.
Ультразвуковые сканеры
Новейшая дактилоскопическая технология, впервые представленная в составе смартфона Le Max Pro. Немаловажную роль в ней сыграла Qualcomm и технология Sense ID. Для фактического сбора деталей об отпечатке в состав аппаратной платформы входят ультразвуковые передатчик и приёмник. Через помещенный на сканер палец передаётся ультразвуковой импульс. Он частично поглощается, частично передаётся обратно на сенсор в зависимости от бугорков, пор и других уникальных для каждого отпечатка деталей.
Никакого микрофона, считывающего возвращающийся сигнал, не предусмотрено, вместо этого используется сенсор, который может считывать механическое напряжение для подсчета интенсивности вернувшегося сигнала на разных участках датчика. Сканирование на протяжении более долгого периода времени позволяет считать дополнительную информацию, что в свою очередь может предоставить детализированную трехмерную модель сканированного отпечатка. Трехмерная природа технологии делает её еще более безопасной альтернативой конденсаторным сканерам.
Алгоритмы и криптография
Большинство дактилоскопических сенсоров основаны на весьма сходных принципах, но дополнительные компоненты и программного обеспечения могут играть главную роль в дифференциации продуктов по производительности и функциональности, доступной потребителям.
Физический сканер сопровождает выделенная микросхема, интерпретирующая отсканированную информацию и передающая её в необходимом формате в процессор смартфона. Разные производители используют слегка отличающиеся друг от друга по скорости и точности алгоритмы идентификации ключевых характеристик отпечатка.
Обычно эти алгоритмы «ищут» место, где заканчиваются бугорки и линии или где бугорок разделяется на два. Собирательно эти и другие отличительные особенности называются шаблоном отпечатка или детальным протоколом ввода отпечатка. Если в отсканированном отпечатке совпадают несколько таких особенностей, то отпечаток будет засчитан как совпавший. Вместо того, чтобы сравнивать каждый раз целый отпечаток, сравнение особенностей шаблона уменьшает количество необходимой для идентификации отпечатка вычислительной мощности, помогает избежать ошибок при смазывании отпечатка и также позволяет сканировать помещенный не по центру палец или вообще лишь часть отпечатка.
Несомненно, подобная информация должна надежно храниться на устройстве и сохраняться подальше от кода, который может скомпрометировать её. Вместо загрузки информации пользователя в сеть, процессоры ARM могут надежно хранить её в выделенной физической микросхеме с использованием своей технологии Trusted Execution Environment (TEE) на базе TrustZone. Это безопасное хранилище также используется для других криптографических процессов и напрямую сообщается с защищенными аппаратными компонентами, такими, как датчик отпечатка, чтобы предотвратить любые попытки перехвата посредством ПО. Доступ к утвержденной информация не личного характера, например, паролю могут получить только приложения, использующие API клиентов TEE.
Подобное решение от Qualcomm встроено в архитектуру Secure MSM, Apple называет подобный проект «Secure Enclave», но все они основаны на одном и том же принципе – хранении информации на отдельной части процессора, к которой не могут получить доступ приложения, работающие в обычной среде операционной системы. В рамках альянса FIDO (Fast Identity Online) были разработаны надежные криптографические протоколы, позволяющие использовать эти аппаратно защищенные зоны для аутентификации между «железом» и сервисами без пароля. Поэтому можно входить на сайт или онлайн-магазин, используя отпечаток пальца, а ваша персональная информация при этом не покинет пределы смартфона. Это достигается путем передачи на сервер цифровых ключей, а не биометрической информации.
Датчики отпечатка пальца стали довольно безопасной альтернативой тому, чтобы запоминать бесчисленные пароли и имена пользователей и дальнейшее развитие безопасных мобильных платежных систем означает, что эти сканеры станут более распространенными и важнейшими инструментами по сохранению безопасности в будущем.
Все существующие на сегодняшний день сканеры отпечатков пальцев по используемым ими физическим принципам можно выделить в три группы:
- оптические;
- кремниевые (или полупроводниковые);
- ультразвуковые.
Оптические сканеры
В основе работы оптических сканеров лежит оптический метод получения изображения. По видам используемых технологий можно выделить следующие группы оптических сканеров:
1. FTIR-сканеры - устройства, в которых используется эффект нарушенного полного внутреннего отражения (Frustrated Total Internal Reflection, FTIR) .
При падении света на границу раздела двух сред световая энергия делится на две части: одна отражается от границы, другая — проникает через границу раздела во вторую среду. Доля отраженной энергии зависит от угла падения. Начиная с некоторой его величины, вся световая энергия отражается от границы раздела. Это явление называется полным внутренним отражением . Однако при контакте более плотной оптической среды (в нашем случае поверхность пальца) с менее плотной (в практической реализации, как правило, поверхность призмы) в точке полного внутреннего отражения пучок света проходит через эту границу. Таким образом, от границы отразятся только пучки света, попавшие в такие точки полного внутреннего отражения, к которым не были приложены бороздки папиллярного узора поверхности пальца. Для фиксации получившейся световой картинки поверхности пальца используется специальная камера (ПЗС или КМОП в зависимости от реализации сканера).
2. Оптоволо
конные сканеры (fiber optic scanners)
- представляют собой оптоволоконную матрицу, каждое из волокон которой заканчивается фотоэлементом.
Чувствительность каждого фотоэлемента позволяет фиксировать остаточный свет, проходящий через палец, в точке прикосновения рельефа пальца к поверхности сканера. Изображение отпечатка пальца формируется по данным каждого из элементов.
3. Электрооптические сканеры (electro- optical scanners) основаны на использовании специального электрооптического полимера, в состав которого входит светоизлучающий слой.
При прикладывании пальца к сканеру неоднородность электрического поля у его поверхности (разность потенциалов между бугорками и впадинами) отражается на свечении этого слоя так, что он высвечивает отпечаток пальца. Затем массив фотодиодов сканера преобразует это свечение в цифровой вид.
4. Оптические протяжные сканеры (sweep
optical
scanners)
в целом аналогичны FTIR-устройствам.
Их особенность в том, что палец нужно не просто прикладывать к сканеру, а проводить им по узкой полоске - считывателю. При движении пальца по поверхности сканера делается серия мгновенных снимков (кадров). При этом соседние кадры снимаются с некоторым наложением, т. е. перекрывают друг друга, что позволяет значительно уменьшить размеры используемой призмы и самого сканера. Для формирования (точнее сборки) изображения отпечатка пальца во время его движения по сканирующей поверхности кадрам используется специализированное программное обеспечение.
5. Роликовые сканеры (roller- style scanners) . В этих миниатюрных устройствах сканирование пальца происходит при прокатывании пальцем прозрачного тонкостенного вращающегося цилиндра (ролика).
Во время движения пальца по поверхности ролика делается серия мгновенных снимков (кадров) фрагмента папиллярного узора, соприкасающегося с поверхностью. Аналогично протяжному сканеру соседние кадры снимаются с наложением, что позволяет без искажений собрать полное изображение отпечатка пальца. При сканировании используется простейшая оптическая технология: внутри прозрачного цилиндрического ролика находятся статический источник света, линза и миниатюрная камера. Изображение освещаемого участка пальца фокусируется линзой на чувствительный элемент камеры. После полной «прокрутки» пальца, «собирается картинка» его отпечатка.
6. Бесконтактные сканеры (touchless
scanners)
. В них не требуется непосредственного контакта пальца с поверхностью сканирующего устройства.
Палец прикладывается к отверстию в сканере, несколько источников света подсвечивают его снизу с разных сторон, в центре сканера находится линза, через которую, собранная информация проецируется на КМОП-камеру, преобразующую полученные данные в изображение отпечатка пальца.
Полупроводниковые (кремниевые) сканеры
В основе этих сканеров использование для получения изображения поверхности пальца свойств полупроводников, изменяющихся в местах контакта гребней папиллярного узора с поверхностью сканера. В настоящее время существует несколько технологий реализации полупроводниковых сканеров.
1. Емкостные сканеры (capacitive scanners) - наиболее широко распространенный тип полупроводниковых сканеров, в которых для получения изображения отпечатка пальца используется эффект изменения емкости pn-перехода полупроводникового прибора при соприкосновении гребня папиллярного узора с элементом полупроводниковой матрицы.
Существуют модификации описанного сканера, в которых каждый полупроводниковый элемент в матрице сканера выступает в роли одной пластины конденсатора, а палец - в роли другой. При приложении пальца к сенсору между каждым чувствительным элементом и выступом-впадиной папиллярного узора образуется некая емкость, величина которой определяется расстоянием между поверхностью пальца и элементом. Матрица этих емкостей преобразуется в изображение отпечатка пальца.
2. Чувствительные к давлению сканеры (pressure scanners) - в этих устройствах используются сенсоры, состоящие из матрицы пьезоэлементов.
При прикладывании пальца к сканирующей поверхности выступы папиллярного узора оказывают давление на некоторое подмножество элементов поверхности, соответственно впадины никакого давления не оказывают. Матрица полученных с пьезоэлементов напряжений преобразуется в изображение поверхности пальца.
3. Термо-сканеры (thermal scanners) - в них используются сенсоры, которые состоят из пироэлектрических элементов, позволяющих фиксировать разницу температуры и преобразовывать ее в напряжение (этот эффект также используется в инфракрасных камерах).
При прикладывании пальца к сенсору по температуре прикасающихся к пироэлектрическим элементам выступов папиллярного узора и температуре воздуха, находящегося во впадинах, строится температурная карта поверхности пальца и преобразуется в цифровое изображение.
Данные типы сканеров являются самыми распространенными. Во всех приведенных полупроводниковых сканерах используются матрица чувствительных микроэлементов (тип которых определяется способом реализации) и преобразователь их сигналов в цифровую форму. Таким образом, обобщенно схему работы приведенных полупроводниковых сканеров можно продемонстрировать следующим образом:
4. Радиочастотные сканеры (RF- Field scanners) - в таких сканерах используется матрица элементов, каждый из которых работает как маленькая антенна.
Сенсор генерирует слабый радиосигнал и направляет его на сканируемую поверхность пальца. Каждый из чувствительных элементов принимает отраженный от папиллярного узора сигнал. Величина наведенной в каждой микроантенне электро-движущая сила (ЭДС) зависит от наличия или отсутствия в близи нее гребня папиллярного узора. Полученная таким образом матрица напряжений преобразуется в цифровое изображение отпечатка пальца.
5. Протяжные термо-сканеры (thermal
sweep
scanners)
- разновидность термо-сканеров, в которых для сканирования (так же как и в оптических протяжных сканерах), необходимо провести пальцем по поверхности сканера, а не просто приложить его.
6. Емкостные протяжные сканеры (capacitive sweep scanners) - используют аналогичный способ покадровой сборки изображения отпечатка пальца, но каждый кадр изображения получается с помощью емкостного полупроводникового сенсора.
7. Радиочастотные протяжные сканеры (RF- Field sweep scanners) - аналогичны емкостным, но используют радиочастотную технологию.
Ультразвуковые сканеры
Ультразвуковое сканирование
- это сканирование поверхности пальца ультразвуковыми волнами и измерение расстояния между источником волн и впадинами и выступами на поверхности пальца по отраженному от них эху. Качество получаемого таким способом изображения в 10 раз лучше, чем полученного любым другим, представленным на биометрическом рынке методом. Кроме этого, стоит отметить, что данный способ практически полностью защищен от муляжей, поскольку позволяет кроме отпечатка пальца получать и некоторые дополнительные характеристики о его состоянии (например, пульс внутри пальца).
Примеры использования сканеров отпечатков пальцев
Основное применение технологии распознавания по отпечаткам пальцев – защита от несанкционированного доступа. Чаще используются в охранных системах и системах учета рабочего времени сотрудников.
Для контроля доступа, сканеры отпечатков пальцев встраивают в ноутбуки, мобильные телефоны, внешние накопители, флэш-карты и т.д. и т.п.
Сегодня они являются хранилищами важной личной и даже финансовой информации. И эта информация нуждается в надежной защите, на страже которой стоит сканер отпечатков пальцев в смартфоне.
Сканер отпечатков пальцев – новая защита данных
В будущем, в наших смартфонах только прибавится личных финансовых данных. Сейчас большинство наших сограждан не используют виртуальные кошельки, привязанные к нашим мобильным устройствам, но со временем удобство бесконтактных платежей заставит и их внимательно присмотреться к ним. А потому защита данных наших банковских карт, которые будут храниться в смартфоне, станет, как никогда актуальной.
До последнего времени мы, защищая мобильные устройства от несанкционированного доступа, полагались на пароли, графические ключи или PIN-коды. Это действительно надежные способы в современных условиях, но и они могут быть взломаны. Как альтернатива им в свое время Apple предложила использовать технологию идентификации пользователя устройства по отпечатку пальца. Попав в смартфоны, сканер отпечатка пальца стремительно завоевал популярность, так что неудивительно, что модели с ним появились и у основных производителей Android-устройств, таких как Samsung, HTC, Huawei и прочих.
Однако именно 2015-й стал самым успешным годом для этой технологии. Сканер отпечатков пальцев перестал быть атрибутом только премиальных, а значит, и дорогих смартфонов. В этом году многие китайские производители снабдили свои недорогие устройства сканерами, таким образом, обеспечив путь технологии в «массы». На конец этого года уже существуют смартфоны по цене около $100 со сканерами отпечатков пальцев. Именно поэтому можно предположить, что в будущем сканер станет таким же неотъемлемым атрибутом смартфона, как камера.
Хорошо это или плохо? У нас нет однозначного ответа. Как и любая другая технология, сканеры отпечатков пальцев смартфона имеют свои положительные и отрицательные стороны. Мы решили провести детальный анализ, что хорошего и что плохого несет в себе эта технология. Тем, кто использует ее или только собирается приобрести смартфон со сканером, возможно, эта информация пригодится.
Преимущества использования сканера отпечатков пальцев
О преимуществах использования технологии идентификации владельца мобильного устройства по отпечатку его пальца, сказано уже немало. Если выделить три основных компонента, то это будут: удобство использования, безопасность и открывающиеся новые возможности. Остановимся поподробнее на каждом из этих компонентов.
Удобство использования сканера
Те, кто впервые столкнулся с таким методом идентификации, отмечают, что использовать его на своем смартфоне очень удобно. Не нужно больше возиться с придумыванием разнообразных паролей, графических ключей или просто PIN-кодов. Всего лишь одно касание и смартфон разблокирован. Это, конечно же, не только экономит время, но и имеет еще одно неоспоримое достоинство – не нужно ничего запоминать.
Так уж бывает в нашей жизни, что пароли часто теряются или забываются. А наши пальцы всегда с нами, и рисунок на них не меняется, так что можно не бояться потери доступа к своему смартфону и к той важной информации, которая на нем хранится.
Новые возможности
К тому же в условиях современности, сканер отпечатка пальца в смартфоне перестал быть просто инструментом его разблокировки. Все чаще производители предлагают нам использовать эту технологию для того, чтобы авторизироваться на любимых сайтах, без ввода логина и пароля. Все больше разработчиков приложений используют сканер для подтверждения покупок в приложении. А системы бесконтактных платежей, такие как Apple Pay или Samsung Pay вообще построены на основе этой технологии, которая обеспечивает конечное подтверждение нужного платежа с привязанной банковской карты.
Безопасность технологии идентификации
Ну и, наверняка, самым весомым преимуществом использования сканеров отпечатков пальцев в смартфонах, является увеличение безопасности. По сути, доступ к мобильному устройству и информации, которая хранится на нем, может получить только владелец.
Общеизвестно, что двух одинаковых отпечатков пальцев не существует, поэтому разблокировка смартфона другим лицом практически невозможна. К тому же остальные способы защиты, такие как пароли, PIN-коды и графические ключи можно либо подсмотреть, либо «взломать», тогда как с отпечатком пальцев этого сделать невозможно.
Конечно, теоретически есть вариант, больше смахивающий на шпионские истории, с получением отпечатка Вашего пальца, например со стакана, и нанесения его на специальную пленку, которая используется при идентификации. Однако на практике, такими методами есть смысл пользоваться, только если Вы очень значимый человек, а на Вашем смартфоне хранится информация «государственного значения». Так что, во многом, сканер отпечатков пальцев безопаснее, чем другие методы сохранения безопасности информации в устройстве.
Но, как и в любой бочке меда, есть своя ложка дегтя, использование сканеров отпечатков пальцев имеет и свои недостатки.
Сканер отпечатков пальцев: о чем стоит задуматься
И как это не пародоксально звучит, основной недостаток сканеров в том, что преподносится, как их основное достоинство – в безопасности. Когда Вы впервые приобретаете смартфон со сканером отпечатков пальцев, при первом включении он попросит Вас оставить свои отпечатки. Данная информация оцифровывается и хранится в памяти смартфона. Специалисты Apple намного лучше поработали над защитой этих данных, чем разработчики ОС Android, но и тут не все так безоблачно.
На самом деле, в Android-смартфонах данные про отпечатки пальцев владельца хранятся в виде незашифрованных файлов в локальной памяти устройства, что делает ее весьма уязвимой для хакеров. Так что на самом деле смартфон может быть менее безопасен, чем может представлять его владелец. Уже неоднократно программисты со всего мира обращали внимание на это, а в середине этого года в сети появилась информация о том, что хакерам удалось «взломать» некоторые смартфоны и добыть эти данные.
Что случится, если Ваш пароль или PIN-код станет известен злоумышленникам? Вы просто его поменяете и таким образом, защитите свои данные. В случае кражи информации про отпечатки пальцев, Вы не сможете ничего сделать, и Ваши данные всегда будут находиться под угрозой несанкционированного доступа.
Как обеспечить безопасность личной информации?
Использовать или нет сканер отпечатков пальцев в смартфоне, каждый может решить самостоятельно. Причем этот вопрос, по всей видимости, встанет перед большинством из нас, поскольку такие сканеры, скорее всего, скоро станут обыденностью и привычным аксессуаром всех без исключения смартфонов.
По нашему мнению, тут важно сохранить баланс между удобством использования и безопасностью. В конце концов, многие из нас вообще не используют никаких инструментов для защиты своих мобильных гаджетов, не желая тратить время на дополнительные действия при разблокировке. Поэтому для них сканер отпечатков пальцев только еще сильнее упростит разблокировку устройства. Для других – это повод задуматься.
Тем, кто хочет надежно защитить персональную информацию, мы можем посоветовать использовать многоуровневую защиту, тем более, что современные смартфоны это позволяют. Например, после ввода пароля, графического ключа или PIN-кода идентифицироваться при помощи отпечатка пальца. Или наоборот, после приложения пальца к сканеру вводить другой ключ.
В конце концов, глупо противится развитию технологий, и лишать себя удобства и комфорта, которое оно несет. Вооружившись необходимой информацией, почерпнутой из этой статьи, и проведя несколько дополнительных действий со своим смартфоном, можно надежно защитить его от доступа к нему посторонних лиц.
А Вы используете сканер отпечатков пальцев в смартфоне? Поделитесь своим опытом в комментариях к статье.
