Как работает отпечаток пальца на телефоне. Доступ к приложениям

На сегодняшний день компьютеризация общества заставляет искать различные способы ограничения доступа к информации, хранимой на компьютере. Причем система авторизации и аутентификации пользователя по паролю является одной из самых распространенных, хоть и имеет множество недостатков. Альтернативой парольной защите может выступать аутентификация по биометрическим параметрам пользователя, в частности по отпечатку пальца. А для этого требуется всего лишь сканер отпечатков пальцев и соответствующее программное обеспечение, которое идет в комплекте вместе с устройством.

Сканер отпечатка пальца представляет собой устройство, которое считывает образ пальца со всеми его особенностями в виде папиллярного узора и передает результат сканирования в программное обеспечение. Специализированное приложение сравнивает полученное изображение с образцом, созданным на этапе формирования биометрического пароля.

Типы сканеров отпечатков пальцев

Все сканеры отпечатков пальцев, которые на сегодняшний день используются, можно классифицировать на три группы, исходя из физического принципа работы:

Полупроводниковые (кремниевые);

Оптические;

Ультразвуковые.

Полупроводниковые сканеры

Данный тип сканеров получает изображение на основе свойств полупроводников, которые изменяются в области контакта папиллярного узора и сканера. В основе работы данного типа сканирующих устройств может лежать несколько технологий:

Емкостные сканеры. В основе работы подобных сканеров лежит эффект, когда емкость pn-перехода в изменяется при соприкосновении гребней папиллярного узора и элементов полупроводниковой матрицы.

Чувствительные к давлению отпечатков пальцев данного типа в своей работе использует специальную матрицу пьезоэлементов. Когда палец соприкасается с матрицей, то гребни оказывают давление на неё, а впадины, соответственно, нет. Исходя из оказываемого давления на матрицу, и формируется изображение.

Устройства данного типа используют сенсоры, состоящие из пироэлектрических элементов. Данные сенсоры фиксируют температурную разницу, после чего преобразуют её в напряжение.

Радиочастотные сканеры. Сканеры данного типа состоят из микроантенн, которые генерируют слабый сигнал, а по полученной в ответ от папиллярного узора величине электро-движущей силы формируется итоговое изображение отпечатка пальца.

Протяжные термо-сканеры. То же самое, что и термо-сканеры. Единственное отличие заключается в том, что палец необходимо провести по сканирующей поверхности, а не приложить его.

Емкостные протяжные сканеры. Технология получения изображения та же, что и в емкостных, но способ получения отличается тем, что палец проводится по сканирующей поверхности.

Радиочастотные протяжные сканеры. Принцип работы данных устройств тот же, что и в радиочастотных приборах, но способ снятия изображения заключается не в приложении пальца к устройству, а в проведении пальцем по его поверхности.

Оптические сканеры

Сканер отпечатков пальцев данного типа получает изображение пальца по оптическому методу. В основе работы устройств данного типа лежат различные технологии

FTIR-сканеры. Данные устройства используют эффект нарушенного внутреннего отражения.

Оптоволоконные сканеры. представляет собой матрицу оптоволоконную, каждое волокно которой содержит фотоэлемент.

- Электрооптические сканеры. Получение изображения идет от электрооптического полимера, который в своем составе имеет светоизлучающий слой.

Оптические протяжные сканеры. Данный вид оборудования представляет собой доработку оптоволоконных устройств, в которых для получения изображения необходимо проводить пальцем по поверхности, а не прикладывать его.

Роликовые сканеры. Для получения изображения необходимо провести пальцем по ролику, где делаются снимки пальца с папиллярными узорами.

Бесконтактные сканеры. Сканирование пальца осуществляется бесконтактным способом. Палец прикладывается к отверстию, где его подсвечивают несколько источников, а встроенная камера фиксирует изображение пальца.

Ультразвуковые сканеры

Данный тип устройств сканирует поверхность пальца ультразвуковыми волнами, а на основании измеренного расстояния отраженных волн от впадин и выступов строится изображение. Данный тип устройств отличается от выше рассмотренных тем, что результат сканирования получается более качественным.

С каждым годом цифровые технологии всё сильнее проникают в нашу жизнь. Деньги, документы, личные видео и фотографии, записи образуют массивы данных обо всех аспектах человеческой жизни. В теории, при должной усидчивости, с их помощью возможно построить исчерпывающий психологический портрет человека, украсть деньги, проникнуть в чужой дом. Защита личных данных в современном мире становится всё актуальнее.

Предпосылки развития

Эта пятиминутка паранойи понадобилась не для того, чтобы вас напугать (хотя если вы сейчас задумались о том, чтобы сменить пароли на более стойкие - это здорово), а чтобы объяснить почему производители смартфонов почти повсеместно в своих продуктах стали использовать методы биометрической аутентификации - защиты, в основе которой лежит уникальность параметров частей человеческого тела.

Таких параметров много, но не все из них подходят для целей защиты данных. Одни сильно меняются со временем, другие нелегко и неудобно считывать с технической точки зрения. Например, криминалисты иногда опознают людей по прикусу или при помощи ДНК, но вы ведь не будете снимать слепки с челюстей, каждый раз, когда предстоит авторизироваться в почте. Неудобно и сдавать капельку крови, чтобы разблокировать смартфон.

Если учесть все “но” остаются: рисунок радужки глаза, форма лица и черепа, а также отпечатки пальцев - малейшие узоры покрывающие кожу.

Несмотря на то, что смартфоны с датчиками отпечатков пальцев появились сравнительно недавно, сама технология прошла длинный путь развития. Я не буду обращаться к истории криминалистики, в которой дактилоскопия используется с 1902 года, а сразу перейду к применению ее достижений в различных гаджетах.

Толчок к развитию

Одним из первых девайсов, получивших датчик отпечатков пальцев, стал ноутбук от Acer - TravelMate 739. На обработку прикосновения к сканеру ему требовалось чуть больше 12 секунд, но для начала двухтысячных годов это было невероятно.

Уже в 2002 году мир увидел первое мобильное устройство со сканером отпечатков пальцев - карманный компьютер от HP - iPAQ Pocket PC h5400. Экран 320×240 точек, процессор Intel PXA250 400МГц, 64 МБ ОЗУ и 20 МБ под файловое хранилище - я мечтал о таком.

Уже на следующий год компания Fujitsu выпускает свой первый мобильный телефон с дактилоскопическим сканером и с тех пор, вплоть до 2011 года, на рынок попадает порядка 30 различных телефонов со сканерами отпечатков пальцев.

Apple запатентовала разблокировку с помощью дактилоскопического датчика в 2008 году, но пока компания доводила технологию до ума, Motorola представила первый в мире Android-смартфон с дактилоскопом - Atrix 4G.

К несчастью для Motorola, это устройство на рынке осталось почти что незамеченным. К моменту старта продаж интерес покупателей и индустрии к сканерам окончательно угас, чтобы возродиться вслед за анонсом iPhone 5S 10 сентября 2013 года. После этого события каждая уважающая себя компания считала долгом как можно скорее встроить сканер отпечатков пальцев свой аппарат.

Разновидности сканеров отпечатков пальцев

Отпечатки пальцев считываются различными способами. Существует несколько типов сканеров: оптические, емкостные, ультразвуковые, радиочастотные, термальные и распознающие узор за счет давления. Рассказывать обо всех этих разновидностях нет смысла, поскольку в мобильных устройствах используются только некоторые из них.

Сейчас в потребительской электронике наиболее распространены оптические и емкостные сенсоры.

Оптические дактилоскопические датчики - наиболее старая из актуальных технологий. Возможно, вы вспомните, как в некоторых фильмах, чтобы попасть за запертую дверь герой прикладывает к стеклянной пластине палец или ладонь, и кожу сканирует медленно проползающий луч света. Конечно, в реальности все происходит не так наглядно, но принцип тот же. По сути оптический дактилоскоп это маленький, но чрезвычайно чувствительный цифровой фотоаппарат. Палец подсвечивается сквозь полупрозрачную площадку и сенсоры в глубине датчика улавливают отраженный от поверхности кожи свет. По характеру отражения создается представление о форме узора, о складках кожи.

Общим недостатком оптических сканеров отпечатков пальцев является их чувствительность к загрязнениям. Стоит испачкаться контактной площадке или самому пальцу и количество отказов увеличивается в разы.

К тому же такой сканер несложно обмануть, что с удовольствием демонстрируют хакеры. Достаточно распечатать фотографию пальца в высоком разрешении и сканер “купится” на подмену.

Вторая распространенная технология - емкостные сенсоры . Они различают пальцы при помощи массива полупроводниковых элементов. Это очень похоже на сенсорный экран, но намного более тонко. Когда человек прикасается к такому датчику, изменяется распределение электрических зарядов на пластине сенсора, усеянной массой крошечных конденсаторов. Во впадинах и на гребнях которые образуют рисунок на коже заряд различается. Изменения отслеживаются и сохраняются в памяти устройства в виде паттерна, по которому можно опознать рисунок конкретного пальца. Но и это не панацея. Применяя 3D-печать и токопроводящие материалы позволяют изготовить подделку, которую не отличит от оригинала и емкостный датчик.

Наиболее продвинутой и пока еще очень слабо распространенной в мобильной электронике технологией остается ультразвуковое распознавание отпечатков пальцев.

В оптических сканерах происходит измерение угла отражения лучей света от рельефа пальца. В ультразвуковом сканере действует тот же принцип, но информация о рельефе кожи получается при помощи звука. Сенсором измеряется то, как кожа взаимодействует с ультразвуком. Причем он не просто отражается от поверхности пальца, а проникает вглубь кожи. В результате получается не двухмерное изображения, а объемная карта звуковых отражений, подделать которую очень сложно.

Одним из первых смартфонов с ультразвуковым сканером отпечатков пальцев стал производства LeEco, но ничего выдающегося, кроме технологии, в его датчике отпечатков пальцев не было. А ведь ультразвук хорошо проникает сквозь стекло и металл. В теории это позволяет конструкторам прятать дактилоскопический сенсор глубоко в корпусе смартфона под другими деталями.

Соедините эту особенность с нынешним увлечением безрамочными экранами и получите концепцию смартфона у которого датчик отпечатка пальца, расположен под дисплеем. Прототипы с таким расположением сенсора уже , нам осталось только дождаться релиза технологии в полноценном продукте. Его уже давно прочат , но не исключено, что корейцев обойдут на финишной прямой .

Аппаратная реализация сканирования отпечатка пальца это лишь половина того, что нужно сделать, чтобы защитить ваши данные. Куда важнее то, как смартфон хранит данные об отпечатках и то, как ими распоряжается.

Но прежде чем перейти к нюансам программной реализации биометрической аутентификации по отпечаткам пальцев - небольшой совет. Если вы хотите увеличить скорость распознавания отпечатка смартфоном - добавьте один и тот же палец в систему дважды.

“Железо” - это не все

Рассказывать о программной части я также буду в хронологическом порядке. В смартфонах на Android поначалу не существовало единого подхода к разблокировке устройства отпечатком пальца. Каждый производитель организовывал этот процесс в соответствии с собственными представлениями о безопасности. Порой весьма странными.

Например, громким скандалом стала история с HTC One Max, где в памяти телефона хранились полные копии отпечатков пальцев как есть, даже без шифрования.

Эталоном стала технология Touch ID от Apple. Смартфоны компании не запоминают отпечатки пальцев. Вместо этого, данные с сенсора в момент сканирования преобразовываются в одностороннюю хеш-функцию - битовую строку, из которой нельзя восстановить отпечаток.

Принцип проиллюстрирую на примере уравнения a+b=4. Какие пары чисел дают в сумме четыре - догадаться не сложно. Если слева от знака “равно” вместо a+b находится особая математическая последовательность - односторонняя хеш-функция. В нее можно подставить цифры, полученные с датчика отпечатков пальцев и получить справа некое значение. В одну сторону такую функцию посчитать легко, но проделать обратную операцию практически невозможно.

Чтобы по цифрам справа от знака “равно” выяснить, какие данные подставил в хеш-функцию датчик отпечатков пальцев, с текущим уровнем быстродействия компьютеров, потребуется время, сопоставимое с возрастом вселенной.

В памяти смартфона хранятся только хеш-функции, к тому же они дополнительно шифруются и извлекаются из защищенной памяти смартфона только когда требуются пользователю.

Аналогичный алгоритм, названный Nexus Imprint появился у пользователей Android только вместе с 6-й версией этой операционной системы. Тогда же Google представила Fingerprint API для сторонних разработчиков и включила в программу сертификации аппаратов требования к датчику отпечатков пальцев.

Но вечная проблема Android - фрагментация накладывает опечаток и здесь. Если для продажи устройств в Европе производители получают все необходимые сертификаты, то для выхода на такие рынки, как Китай и Индия это делать не обязательно. Так что многие аппараты без Google Play, попадающие по неофициальным каналам в частности на российский рынок, не недостаточно хорошо защищены.

Кроме того, энтузиастам “перепрошивок” следует помнить о том, что разблокировка загрузчика смартфона фактически отключает все меры безопасности, предпринятые разработчиком операционной системы.

Не безопаснее, но удобнее

Как видите, для смартфона ваши отпечатки пальцев мало чем отличаются от обычного пароля - такие же последовательности цифр, пускай и вводятся они не с наэкранной клавиатуры, а при помощи специального датчика. Они не безопаснее, но заметно удобнее паролей. Их нельзя потерять или забыть, они быстрее вводятся и что самое главное, с ними владельцы смартфонов стали защищать свои устройства гораздо чаще. На это и был расчет, когда Apple внедряла Touch ID - аккуратно подготовить платформу для развертывания и внедрения фирменной системы бесконтактных платежей - Apple Pay.

И тут надо отдать компании должное. Преследуя коммерческие интересы она в очередной раз выступила в роли локомотива, спровоцировав изменения, которые пошли на пользу всей индустрии.

Жизнь в современном быстротекущем мире предъявляет все большие требования к системам безопасности. Одним из главных направлений в этой сфере является создание эффективных устройств идентификации личности. Необходимость в этом появляется в самых различных случаях:

Защита автомобилей и других разнообразных дорогостоящих вещей от несанкционированного доступа или использования
Защита компьютерных систем, программного обеспечения, мобильных телефонов
Предотвращение краж и мошенничества при совершении финансовых сделок, при проведении электронных транзакций, включая выполнение платежей кредитными картами и оплату товаров и услуг через Интернет
Разрешение доступа к складам и секретным зонам только для авторизованного персонала
Подтверждение соответствия сведениям об индивидууме, указанным в паспорте, водительском удостоверении и пр.

Системы идентификации личности должны работать быстро, надежно и иметь малую стоимость. Обычные методы идентификации основаны на использовании документов (паспорт, значок и пр.), паролей, подписей и других подобных способов. Эти традиционные подходы не удовлетворяют современным требованиям обеспечения безопасности. Перспективное направление будущего – биометрия (biometric) . Биометрия предлагает удобные, надежные и дешевые средства идентификации или подтверждения личности и может использоваться без дополнительного контролирующего участия человека, в т.ч. при дистанционной идентификации.

Биометрия позволяет осуществлять идентификацию личности уникально, измеряя некоторые физические и поведенческие характеристики и извлекая т.н. sample из этих измерений, приводя их затем к стандартному формату данных. Этот sample сравнивается с template (некий зарегистрированный шаблон или сигнатура), основанным на тех характеристиках, которые были установлены как уникальный признак индивидуума и сохранены в системе безопасности. Близкое соответствие между sample и template подтверждает тождество индивидуума.

Внимание исследователей сосредоточено на нескольких физических характеристиках, способных идентифицировать личность уникально: голос, походка, лицо, радужная оболочка и сетчатка глаза, отпечатки ладони или пальца (ДНК не входит в этот список, поскольку взятие её образца происходит медленно и неудобно для человека). К настоящему моменту наиболее продвинутой, зрелой и хорошо разработанной является технология идентификации личности по отпечатку пальца.

Физиологически отпечаток пальца представляет собой конфигурацию выступов (гребней), содержащих индивидуальные поры, разделенные впадинами. Под кожей пальца расположена сеть кровеносных сосудов. Морфология отпечатка пальца связана с определенными электрическими и тепловыми характеристиками кожи. Это означает, что для получения изображения отпечатка пальца могут использоваться такие параметры, как свет, тепло или электрическая емкость (а также их комбинация). Отпечаток пальца формируется во время развития плода и не изменяется на протяжении всей жизни человека, кроме того, при повреждении через некоторое время он восстанавливает свою первоначальную структуру. Даже однояйцовые близнецы не имеют идентичных отпечатков пальцев.

Электронная технология отображения и алгоритмы распознавания структур сейчас достаточно продвинуты для автоматического извлечения template отпечатка пальца. Некоторые алгоритмы получения template стандартизованы институтом стандартов NIST в США .

В настоящее время развивается множество технологий электронного распознавания отпечатка пальца. Наиболее широко известны оптическая, емкостная, радио, микроэлектромеханическая (MEMS), тепловая технологии, а также технология анализа давления. В таблице 1 приведены особенности, достоинства и недостатки каждой их них.

Таблица 1. Электронные технологии получения отпечатков пальцев

Разновидность технологии	Сущность	Достоинства	Недостатки
Оптическая (на отражение)	Для захвата оптического изображения отпечатка пальца используется CMOS или CCD матрица.		- трудность различения живого пальца и его имитации; - чувствительность к загрязнениям.
Оптическая (на просвет)	Кончик пальца освещается со стороны ногтя. Прошедший через палец свет попадает на линзу датчика и далее на оптический сенсор, анализирующий характеристики поглощения света живыми тканями. Этот способ разработан компанией Mitsubishi Electric Corp.	- высокая надежность считывания и устойчивость к обману; - не требуется контакт пальца с поверхностью датчика	- сложность
Емкостная	Кончик пальца помещается напротив массива элементов, чувствительных к емкости. Различия в диэлектрике между гребнем (в основном вода) и впадиной (воздух) позволяют их идентифицировать и построить образ отпечатка.	Один из наиболее популярных методов вследствие его надежности и низкой стоимости	- уязвимость от электростатического разряда (ESD); - возможность обмана искусственным кончиком пальца.
Радио	Кончик пальца возбуждается радиоволной низкой интенсивности. В этом случае он действует как передатчик, а различие расстояний между гребнями и впадинами может быть обнаружено массивом соответственно настроенных антенн. Необходимо, чтобы кончик пальца контактировал с областью излучения датчика (по его периферии).	Поскольку анализируются физиологические свойства кожи, очень сложно обмануть такой датчик искусственным пальцем.	- неустойчивая работа при плохом контакте пальца с передающим кольцом, которое может стать некомфортно горячим
Давление	Массив чувствительных к давлению пикселей на основе пьезоэлектрических элементов преобразует давление гребней пальца в электрические импульсы.		- низкая чувствительность, срабатывание от имитации пальца, повреждение при чрезмерном давлении
MEMS	Кончик пальца анализируется множеством микроэлектромеханических элементов.		- высокая вероятность ошибки; Возможность обмана имитацией;
Тепловая	Использование пироэлектрического материала для преобразования различия температуры в напряжение. Тепловой датчик на основе массива элементов из такого материала измеряет разницу температур между элементом под гребнем и элементом под впадиной кончика пальца.	- устойчивость к электростатическому разряду; - отсутствие какого-либо воздействия на палец; - работа в широком диапазоне температур; - невозможность обмана с помощью имитации пальца.	- тепловой образ на датчике сохраняется короткое время (~0,1 сек.), поскольку при касании датчика быстро наступает тепловое равновесие

Большинство описанных технологий для получения изображения отпечатка пальцев могут использовать два различных пути. Первый заключается в использовании окна статического захвата изображения такого же размера, как у требуемого изображения отпечатка пальца (рис.1). Преимущество этого способа состоит в получении полного изображения одним действием. Серьезные недостатки заключаются в необходимости использования матрицы захвата большого размера, что повышает стоимость системы, а также в загрязнении поверхности датчика из-за остающихся на ней отпечатков.

Второй подход основан на использовании прямоугольного окна с шириной требуемого изображения и высотой несколько пикселей. При идентификации человек быстро проводит пальцем поперек окна датчика (рис.2). Изображение сканируется секциями и восстанавливается программным обеспечением. В результате значительно уменьшается стоимость датчика (из-за малых размеров чувствительного элемента) и он становится самоочищающимся. Датчики такого типа называются sweep-сенсорами1. Этот метод обязателен при тепловом захвате изображения.

В настоящей статье будут рассмотрены датчики отпечатков пальцев фирм ATMEL и FUJITSU, сводный перечень характеристик которых приведен в таблице 2.

Датчики ATMEL

Корпорация ATMEL после всестороннего изучения особенностей существующих технологий получения изображения отпечатков пальцев представила потребителям тепловой сенсор sweep-типа AT77C101B (рис.3). Он представляет собой комбинацию термочувствительной матрицы FingerChip™ и электронной схемы преобразования информации. Захват изображения происходит при перемещении пальца перпендикулярно окну датчика. Не требуется использования дополнительных нагревателей, источников света и радиоизлучения.

Сенсор FingerChip содержит массив из 8 строк и 280 столбцов, насчитывающий в совокупности 2240 теплочувствительных пикселей. Каждый пиксель имеет размер 50x50 мкМ, обеспечивая разрешение 500 dpi при размерах чувствительной области 0,4x14 мм. Величина этого разрешения соответствует спецификации IQS2, определяющей качество изображения IAFIS3 . Частота тактирования пикселей программируется и может достигать 2 МГц, обеспечивая 1780 кадров в секунду на выходе устройства. Изображение полноценного отпечатка пальца реконструируется из успешно получившихся кадров с помощью программного обеспечения фирмы ATMEL.

Сенсор FingerChip и схема преобразования информации изготавливаются на одном кристалле размером 1,7x17,3 мм. Функциональная схема микросхемы показана на рис.4. Цикл получения каждого кадра состоит из следующих шагов:

Выбирается один из 280+1 столбцов матрицы датчика. Столбцы выбираются по кругу слева направо. После сброса выбирается крайний слева столбец.
Аналоговый сигнал от каждого пикселя столбца поступает в банк из 8 усилителей.
Усиленные сигналы с двух линий (четной и нечетной) одновременно поступают на два 4-разрядных АЦП. Эти сигналы также присутствуют на аналоговых выходах микросхемы (на рисунке не показаны).
Полученные на выходе АЦП цифровые сигналы, разделенные на две группы по 4 разряда, фиксируются в защелках и выдаются на параллельные выходы De0-3 (четные линии) и Do (нечетные линии).

Цифровой поток с выхода датчика поступает в процессор реконструкции и идентификации отпечатка пальца.

С точки зрения надежности FigerChip сенсор отличается выдающимися характеристиками среди подобных устройств. Его интегральная КМОП - схема естественным образом защищена от электростатических разрядов величиной до 16 кВ. Рамочное окно датчика устойчиво к трению и допускает, по меньшей мере, миллион прикосновений пальцев. Он также весьма устойчив к значительному приложенному к рабочей поверхности давлению. Рабочее напряжение лежит в диапазоне от 3,3 В до 5 В, потребляемая мощность составляет 20 мВт при напряжении 3,3 В на частоте 1 МГц. Это эквивалентно потребляемому току около 7 мА. Имеется режим пониженного энергопотребления со сбросом при включении, возможность остановки тактирования, отключение системы температурной стабилизации и отключение выходов с переводом их в высокоимпедансное состояние.

При нормальной работе датчик полностью пассивен и использует для проведения измерений только тепловую энергию кончика пальца. Однако, если разница температур между пальцем и осью датчика мала (менее одного градуса), для создания необходимого температурного контраста активизируется система температурной стабилизации, несколько повышающая температуру датчика.

Таким образом, использование теплового сенсора AT77C101B от ATMEL имеет следующие преимущества:

Применение теплочувствительных элементов не требует какой-либо передачи сигнала к кончику пальца, используются только физиологические свойства живого пальца. Это уменьшает энергопотребление и устраняет любой возможный дискомфорт человека, вызванный энергетическим воздействием тока или радиоволн.
Использование sweep-метода получения изображения позволяет уменьшить чувствительную кремниевую область датчика примерно в 5 раз, во столько же снижается его стоимость. Однако восстановленное изображение имеет необходимое высокое разрешение. Кроме того, такой датчик является самоочищающимся и его очень сложно обмануть. Независимые тесты подтверждают, что чрезвычайно трудно переместить искусственный кончик пальца достаточно гладко для осуществления обмана датчика.
Интеграция датчика изображения и схемы преобразования на одном КМОП - кристалле снижает стоимость и потребляемую мощность, увеличивает скорость работы. Это также делает возможным встраивание модулей аппаратного шифрования или других особых схем для расширения возможностей по обеспечению безопасности.

Полученный от датчика поток данных подвергается программной обработке для восстановления изображения отпечатка пальца и извлечения из него необходимой для последующего сравнения с шаблоном информации. Восстановленное изображение обычно имеет размер 25x14 мм, что эквивалентно количеству пикселей 500x280. При разрешении 8 разрядов на пиксель для хранения изображения необходимо около 140 кБ. В целях обеспечения секретности и из-за ограниченности объема доступной памяти нежелательно сохранять полные изображения отпечатков пальцев в системе распознавания отпечатков. Конечно, они могут быть сохранены в безопасном месте как резервная копия для обращения к ним в особых случаях, но для нормальной работы рассматриваемой системы полноформатные изображения отпечатков пальцев не нужны.

При нормальной работе системы из изображения извлекается уникальный набор данных об отпечатке. Извлечение производится с помощью процедуры распознавания образов или с использованием принципа деталей (minutiae). В результате обычно получается набор из 36 деталей образа, для хранения которых необходимо 144 байта (по 4 байта на каждую деталь). Это позволяет получить высокую степень сжатия исходного изображения. Таким образом, создается либо шаблон (template) отпечатка пальца, либо его образец (sample), сравнивающийся при идентификации личности с шаблонами, хранящимися в системе.

Использование шаблонов, помимо экономии объема памяти и увеличения скорости идентификации, имеет некоторые другие преимущества:

Изображение отпечатка пальца не может быть восстановлено из шаблона. Это снижает риск преступного использования данных электронными взломщиками или недобросовестными служащими.

Шаблон можно сжать с помощью любого стандартного алгоритма сжатия данных и при необходимости зашифровать. Это особенно важно в приложениях, использующих отпечатки пальцев, к примеру, в Smart Card, которые имеют ограниченный объем памяти и повышенные требования к защите информации.
После извлечения шаблона с помощью стороннего программного обеспечения выполняется стандартная процедура идентификации и описания деталей изображения.

Завершающей стадией процесса установления соответствия является сравнение sample с зарегистрированными шаблонами (при идентификации) или с единственным зарегистрированным шаблоном (при установлении подлинности – аутентификации). Маловероятно, чтобы sample побитно соответствовал шаблону. Это вызвано самыми различными причинами: наличием приближений в процедуре сканирования (разрешение 50 мкМ далеко от идеала), перекосов изображения, ошибок аппроксимации процедуры извлечения деталей и пр. Поэтому необходим алгоритм выявления соответствия, определяющий степень соответствия в числовом выражении. Соответствие считается подтвержденным после преодоления некоторого заданного числового уровня. В результате появляется два типа ошибок:

FAR (False Acceptance Rate) – ложное принятие отпечатка, когда сравнение несоответствующих sample и template выдает настолько высокий уровень соответствия, что он принимается. В результате система пропускает самозванца.
FRR (False Rejection Rate) – ложное отклонение, возникающее, если соответствующие sample и template не дают достаточно высоких значений соответствия. Это приводит к нераспознаванию системой зарегистрированной личности.

Все системы распознавания отпечатков пальцев пытаются минимизировать FAR и FRR, однако на практике между этими параметрами существует зависимость. При уменьшении FAR происходит увеличение FRR и наоборот.

В целом в процессе идентификации личности используется следующий комплект программного обеспечения:

Программный драйвер от ATMEL для датчика FingerChip
Программное обеспечение реконструкции изображения отпечатка пальца (демо-версия программы FC_Demo, исходные коды алгоритмов реконструкции изображения и способа управления драйвером FingerChip доступны на сайте www.atmel.com)
Программа извлечения шаблона или образца отпечатка (любого стороннего производителя)
База данных для хранения шаблонов (при необходимости)
Программное обеспечение для сравнения шаблона и образца

Датчики FUJITSU

Компания Fujitsu производит обширный спектр емкостных датчиков отпечатков пальцев. Они значительно меньше оптических датчиков и позволяют минимизировать искажения получаемого изображения, поскольку кончик пальца непосредственно касается поверхности полупроводникового кристалла, что в результате обеспечивает простое и надежное установление подлинности.

Датчики Fujitsu изготавливаются по стандартной кремниевой КМОП-технологии, облегчающей интеграцию разнообразных схем управления, памяти, интерфейсов и пр. Они имеют низкое энергопотребление и доступны в корпусах различных типоразмеров для удовлетворения потребностей самых разнообразных приложений. Активная поверхность датчика, к которой производится прикосновение пальцев, защищена запатентованным ультра-износостойким покрытием, значительно повышающим долговечность прибора.

В основе всех датчиков Fujitsu лежит емкостная технология получения изображения отпечатка. Верхний слой кристалла содержит массив конденсаторных электродов. Когда кончик пальца прикасается к поверхности датчика, гребни и впадины пальца вызывают изменение емкости электродов. Датчик считывает значения емкости каждого конденсатора массива и с помощью 8-разрядного АЦП преобразует их в цифровой поток, поступающий на выход устройства. Размер каждого конденсатора равен 50?50 мкМ, что позволяет сенсору точно определять месторасположение гребней поверхности пальца, имеющих ширину более 200 мкМ.

На сегодняшний день ассортимент датчиков отпечатков пальцев компании Fujitsu насчитывает 4 прибора, два из которых являются статическими датчиками (MBF110 и MBF200), а два - датчиками sweep-типа (MBF300 и MBF310). Все устройства обладают разрешением 500 dpi. Датчик MBF110 имеет самую большую область получения изображения - 15x15 мм и соответствующее количество пикселей 300x300. Более старшие модели оснащены интерфейсами MCU и SPI, а модели MBF200 и MBF300 в дополнение к этому позволяют передавать информацию через интегрированный USB версии 1.1. Более подробно особенности датчиков можно рассмотреть на примере MBF300 Solid State Sweep Sensor™ (рис.5), получившего по итогам 2002 г. множество наград, в т.ч.:

продукт года, по мнению TMC"s BiometriTech (http://www.biometritech.com/features/poty03.htm);
лучший продукт 2002 года, выбранный читателями журнала Design News;
победитель 2002 года по итогам конкурса журнала EDN в категории инноваций в области периферийных устройств.

Рис.5 Емкостной датчик для считывания отпечатков пальцев MBF300 корпорации FUJITSU

Датчик MBF300 представляет собой высококачественный недорогой ёмкостной sweep-сенсор с малым потреблением энергии. Он имеет массив пикселей из 256 столбцов и 32 строк и размер чувствительной области 12.8?1.6 мм. Это первый в мире сенсор, поддерживающий три различных стандартных интерфейса: MСU, SPI и USB. Интерфейсы USB и SPI позволяют передавать изображение со скоростью 100 кадров/сек, а MCU – со скоростью 1000 кадров/сек. При этом для работы с микропроцессором через SPI необходимо только 6 линий. MBF300 рассчитан на работу при напряжении от 2,8 В до 5 В в диапазоне температур от 0°С до +60°С. Потребление тока в активном режиме составляет 20 мА, в режиме «standby» не превышает 20 мкА. Конструктивно датчик выпускается в 54-выводных корпусах FBGA или FLGA и имеет толщину 1.2 мм.

В общем виде процесс получения изображения датчиком состоит из двух фаз. В первой фазе происходит предварительный заряд ячеек выбранной строки массива элементов датчика от источника питания. С каждым столбцом массива связаны две схемы выборки и хранения. В течение предварительного заряда внутренний сигнал разрешает первому набору схем выборки и хранения сохранить величины напряжений элементов строки. Во второй фазе электроды строки разряжаются источником тока. Величина разряда каждой ячейки пропорциональна току разряда, определяемому в т.ч. близостью поверхности пальца. После некоторого периода времени (называемого «периодом разряда»), внутренний сигнал включает второй набор схем выборки и хранения для запоминания итоговых напряжений электродов. Разница между напряжениями после заряда и после разряда является критерием емкости ячеек сенсора. Сохраненные после разряда напряжения на электродах строки оцифровываются. Чувствительность кристалла можно изменять, регулируя ток и время разряда. Это выполняется программным образом. Номинальная величина источника тока определяется внешним резистором, подключенным к выводу ISET. Для получения полного изображения описанные действия повторяются необходимое количество раз.

Полученный на выходе датчика цифровой поток подвергается программной обработке для реконструкции изображения и выделения из него template или sample.

Компанией Fujitsu предлагается комплект программного обеспечения для разработчика DKF200. Он дает возможность работать с датчиком MBF200 в ОС Windows 98 и 2000 через USB-порт V1.1. В состав комплекта входит набор объектных кодов, примеры исходных кодов на С++, исполняемый файл myMinutia™, аппаратное обеспечение USB-порта MBF200 с необходимыми схемами. В совокупности модули программного обеспечения комплекта DKF200 выполняют захват изображения, автоматическую настройку чувствительности датчика и устранение шумов изображения, извлечение деталей (minutia) и сравнение полученного sample отпечатков c хранящимися в программе шаблонами конкретных индивидуумов.

Возможности применения датчиков отпечатков пальцев чрезвычайно обширны и охватывают следующие приложения:

Сотовые телефоны, Smart-фоны
Ноутбуки, системы доступа к персональным компьютерам
Системы разграничения доступа в здания
Электронные ключи (автомобили, дома и пр.)
PDA (управление доступом, защита данных)
Финансовые транзакции и транзакции через Интернет (Smart Сard и их считыватели)

Подводя итог, хотелось бы отметить, что биометрические технологии находятся в стадии бурного развития и совершенствования. Но уже сейчас наиболее простые и надежные решения из этой области, в частности, основанные на приборах считывания отпечатков пальцев, начинают активно проникать в нашу жизнь.

Таблица 2 Характеристики датчиков отпечатков пальцев ATMEL и FUJITSU

Тип	Разре- шение	Кол-во пикселей	Размер области считывания мм	Частота кадров кадр/с	Рабочая темп-ра, °С	Устой- чивость к ESD кВ	Напря- жение питания- В	Потре- бляемый ток	Корпус Размер мм
ATMEL FingerChip™ (тепловые датчики)
AT77C101B	500 dpi	280x8	14x0.4	1780	0…+70	±16 5	3-5.5	20мВт при 3.3В	COB6, COB с разъемом, CDIP-20 26.6x9 (COB)
FUJITSU
MBF110	500 dpi	300x300	15x15	10	0…+60	-	3.3-5	170мВт при 40МГц	LQFP-80, VSPA-80 24x24
MBF200	500 dpi	256x300	12.8x15	30 c MCU; 13 c USB; 10 c SPI	-20…+85	10	3.3-5	20 мА	LQFP-80 24x24x1.4
MBF300	500 dpi	256x32	12.8x0.2	1000 c MCU; 100 c USB; 100 c SPI	0…+60	-	2.8-5	20 мА	FBGA-54, FLGA-54 14x4.3x1.2
MBF310	500 dpi	218x8	12.8x0.2	1000 c MCU; 700 c SPI	-20…+85	-	2.7-3.6	12 мА	FBGA-42 16.1x6.5x1.2

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

The Biometric Consortium , Web: http://www.biometrics.org
Common Biometric Exchange File Format (CBEFF), January 2001, USA National Institute of Standards and Technology (NIST), Web: http://www.nist.gov
FBI Integrated Automated Fingerprint Identification System (IAFIS), USA Federal Bureau of Investigation, Web: http://www.fbi.gov/hq/cjisd/iafis/iafisbuilds.htm

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. Оптоволоконные 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.

Сейчас сканер отпечатков пальцев есть во многих флагманских смартфонах, различие только в размещении датчика и его типе. Что немаловажно – это реальный инструмент защиты не только доступа к самому устройству, но и отдельным его приложениям. И многим пользователям мобильных устройств может потребоваться помощь, если не работает отпечаток пальца.

Почему не работает отпечаток пальца?

Если вы недавно меняли сканер или телефон был в сервисном центе, советуем отвезти его обратно для исправления причин.

В других случаях, основные причины, из-за которых не работает отпечаток пальца:

после сильного удара разбился дисплей и, как следствие, повредился шлейф кнопки с сенсором
шлейф сенсора повреждён при самостоятельном вскрытии устройства
сбои в программном обеспечении смартфона
грязь или вода препятствуют считыванию
погодные условия, которые в холодном климате высушивают кожу, она грубеет, и отпечаток перестаёт распознаваться устройством
механические повреждения кожи

Что делать, если не работает сканер отпечатков пальцев?

В случае, когда не работает отпечаток пальца есть несколько решений проблемы.

Обновление ПО для работы сканера отпечатков пальца

Проверьте программное обеспечение вашего смартфона, если не работает датчик отпечатков пальцев, возможно, оно требует обновления. Необходимо обновлять ваше устройство, чтобы корректно работали все программы, поэтому постарайтесь,чтобы ваше ПО было всегда актуальным.

После обновления не работает отпечаток пальца

Если же вы обновили ПО, и поняли, что после обновления не работает отпечаток пальца. Вероятно, проблема именно в ошибках пришедшего обновления или несоответствии устройства требованиям нового обновления. Тогда придётся вернуть старую версию прошивки.

Как это сделать вы узнаете в нашей статье или скачайте с официального сайта производителя предыдущую версию ПО.

Обновление отпечатков пальцев

Попытайтесь обновить отпечатки пальцев, сохранённые в системе, или можете добавить дополнительные, когда основные перестанут работать. Чтобы попасть в меню, где хранятся ваши отпечатки, необходимо ввести пароль. Инструкцию как настроить сканер отпечатков пальцев найдёте .

Сброс до заводских настроек

Сбросьте устройство до заводских настроек. Только помните, что выполняя откат, следует с сохранением всей ценной для вас информации (видео и фотоматериалы, сообщения, настройки аккаунтов и приложений). Напоминаем, .

Грязь и вода

Причиной отказа сканера могли стать грязь или вода. Не пытайтесь прикладывать к сканеру мокрые пальцы. Датчик не сможет их распознать. Это же касается грязи, пыли или жира, которые могут находиться на ваших руках. Решение проблемы, как вы уже догадались, элементарное — вымойте и высушите руки.

Замена сканера отпечатков пальцев

Обратитесь в сервисный центр и доверьте ремонт профессионалам. Если вы не можете самостоятельно определить, почему не работает отпечаток пальца, воспользуйтесь услугами сервисного центра, где специалисты подберут и установят соответствующую деталь, устранят причину быстро с минимальными затратами для вас и вашего устройства.

Надеемся, что советы, приведенные в статье, помогут вам справиться, если вы столкнулись с отказом в работе сенсора отпечатка пальца, а если возникли вопросы — пишите в комментарии ниже.

Ответы на вопросы

Сканер отпечатков пальцев перестал работать после замены в сервисе. Каковы причины?

Если замену сканера осуществляли в сервисном центре, обратитесь к ним вновь. При условии того, что после ремонта вы устройство не роняли и не повреждали экран смартфона. Если замену осуществили неоригинальными деталями, в этом случае работа датчика под большим вопросом.