Сканеры отпечатков пальцев. Классификация и способы реализации

Не так давно технология считывания отпечатков пальцев была связана в основном с научно-фантастическими фильмами. Теперь, даже в бюджетном смартфоне Xiaomi есть сканер отпечатков пальцев. Мы объясним читателям принцип его работы.

Сканер отпечатков пальцев (Touch ID) позволяет идентифицировать пользователя на основе уникального рисунка кожи на кончике пальца. У каждого человека свой собственный отпечаток и «рисунок», который не повторяется даже в случае идентичных близнецов.

Отпечаток пальца (fingerprint) позволяет идентифицировать любого человека, например в случае поиска преступников. Как оказалось, функция Touch ID также полезна для пользователей смартфонов. С её помощью можно защитить смартфон от несанкционированного доступа.

В настоящее время на рынке существует несколько типов сканеров. Все они работают по одному и тому же принципу – сканер считывает отпечаток владельца смартфона и при попытке разблокировать его сравнивает «рисунок» с тем, который запрограммирован заранее в устройстве. Если отпечаток пальца совпадает, устройство будет разблокировано. В противном случае появится сообщение об ошибке.

Интересно, что сканеры не анализируют весь рисунок отпечатка пальца. Проверяются только некоторые из характерных черт или узоров. Это, например, ветвление, раздвоение или обрывание отпечатков пальцев.

Сканеры преобразуют картинку в темплит (шаблон), и по алгоритму сравнивают расстояние между кривыми и линиями. Это позволяет сделать процесс проверки намного короче, чем если бы вам нужно было проанализировать весь отпечаток пальца.

Алгоритмы подтверждают отпечаток, если примерно 40% минуций совпадает с сохранённым рисунком. На практике, этого достаточно для идентификации конкретного пользователя и обеспечения отказоустойчивости.

Минуции (или «точки Гальтона») – это уникальные для каждого пальца участки рисунка кожи (точки), которые показывают в каких местах папиллярные линии сливаются, раздваиваются или обрываются.

Типы сканеров отпечатков пальцев

1. Оптический сканер «снимает» всю панель пальцев и использует CCD-матрицу (как и большинство камер) для этого. В местах, где свет не приходит (гребни), матрица записывает «черные» пиксели, создавая точно отображаемое изображение пальца. Часто оптические сканеры имеют встроенный источник света (обычно светодиодный), чтобы сделать изображение максимально прозрачным.

2. Емкостный сканер – вместо матрицы, используются специальные миниатюрные схемы конденсаторов (ёмкостных датчиков). Когда мы прикладываем палец к этому считывателю, ёмкость отдельных конденсаторов мгновенно меняется. Емкостные сканеры гораздо точнее и эффективнее оптических сканеров, поскольку их сложнее обмануть.

3. Тепловой сканер – он работает аналогично емкостному считывателю, но вместо микроконденсаторов они используют микроскопические тепловые датчики, которые определяют разницу температур между гребнями и долями пальцевой подушки. Такой сканер невозможно обмануть имитацией пальца (т.е. фрагментом с кожным покровом).

4. Ультразвуковой сканер – использует явление дифракции, т. е. отражение и рассеяние звуковых волн. Когда мы прикладываем палец к считывателю он начинает генерировать неслышимые звуки для нас. Поведение звуковых волн в точках контакта «гребня» площадки отпечатка со сканером совершенно иное, чем во «впадинах» (где есть воздух). Это позволяет ультразвуковому сканеру создавать точный отпечаток вашего пальца.

Какой сканер отпечатка пальца лучше?

В настоящее время большинство смартфонов Xiaomi используют ёмкостные считыватели, например популярные Redmi Note 3 или Mi 5. Однако большие надежды связаны с ультразвуковыми сканерами, установленными непосредственно под дисплеем, и, вероятно, эта технология будет наиболее популярна в ближайшем будущем.

Функция Touch ID в смартфоне, хотя и очень безопасна, не гарантируют безопасность на 100%. С помощью правильных технологий и инструментов можно подделать отпечаток пальца, который сможет обмануть сканер.

Углубляясь все больше в системы, связанные с охраной и контролем, многие из нас в конце концов обратят внимание на биометрические методы идентификации личности для тех или иных потребностей.

Биометрия – это методы автоматической идентификации человека и подтверждения личности человека, основанные на физиологических или поведенческих характеристиках. Примерами физиологических характеристик являются отпечатки пальцев, форма руки, характеристика лица, радужная оболочка глаза, характеристика голоса, особенности подчерка. В процессе развития технологий появляется все большее количество способов идентифицировать человеческую личность.

Наиболее популярным методом биометрической идентификации является распознавание отпечатков пальцев. Думаю, это так, потому что это относительно дешевый и простой способ, проверенный временем. Способов получить отпечаток пальца человека с помощью электроники существует несколько: оптические методы получения изображения отпечатка пальца – на отражение, на просвет, бесконтактный способы, емкостные датчики отпечатков пальцев (полупроводниковые), радиочастотные сканеры, сканеры, использующие метод давления, термосканеры, ультразвуковой метод. Каждый способ получения отпечатка пальца имеет свои достоинства и недостатки, однако главным образом баланс выбора способа сканирования является цена – надежность (здесь выделяется не только эффективная защита, но и устойчивость к воздействию внешних факторов).

Рассматриваемый сканер отпечатков пальцев R308 (ссылка в магазин) является оптическим (метод на отражение). Данный метод использует эффект нарушенного полного внутреннего отражения (Frusted Total Internal Reflection). Эффект заключается в том, что при падении света на границу раздела двух сред световая энергия делится на две части - одна отражается от границы, другая проникает через границу во вторую среду. Доля отраженной энергии зависит от угла падения светового потока. Начиная с некоторой величины данного угла, вся световая энергия отражается от границы раздела. Это явление называется полным внутренним отражением. В случае контакта более плотной оптической среды (поверхности пальца) с менее плотной в точке полного внутреннего отражения пучок света проходит через эту границу. Таким образом, от границы отразятся лишь пучки света, попавшие в определенные точки полного внутреннего отражения, к которым не был приложен папиллярный узор пальца. Для захвата полученной световой картинки поверхности пальца используется специальный датчик изображения (КМОП или ПЗС, в зависимости от реализации сканера).

Для данного метода можно отметить следующее:

Одни из самых дешевых сканеров отпечатков пальцев при относительно большой площади сканирования пальца
Чувствительность к загрязнению рабочей поверхности датчика
Малая защита от муляжей
Относительно крупные размеры модуля

Итак сканер отпечатков пальцев R308 имеет следующий вид:

Хотелось бы разобрать и посмотреть на модуль изнутри, но конструкция сделана таким образом, что аккуратно открутить винтики и снять плату с элементами не получится, так как держит ее что-то изнутри и без применения паяльника это сделать проблематично, поэтому не стоит пытаться нарушить целостность модуля, что может привести к выводу его из строя.

Данный оптический сканер отпечатков пальцев использует высокоскоростной цифровой сигнальный процессор в качестве своей основы. Этот модуль может получить изображение отпечатка пальца, обработать изображение для сохранения или поиска, сохранить данные об отпечатке пальца в собственной памяти и делать поиск на совпадение полученного отпечатка с сохраненными. Для подключения к СКУД (системам контроля и управления доступом) модуль имеет интерфейс UART, посредством которого модуль принимает команды и посылает ответы о результатах операций. Кроме того, модуль может передать на другое устройство изображение отпечатка пальца, полученное при помощи него. Сканер отпечатков пальцев построен таким образом, что все вычислительные и аналитические операции выполняет он сам, но этими процессами необходимо управлять для получения практической ценности модуля. Таким образом, на основе ответов о результатах выполнения команд внешний микроконтроллер может выстраивать любую необходимую логику работы СКУД с применением сканера отпечатков пальцев.

Характеристики сканера отпечатков пальцев R308:

Напряжение питания – 4,5-5 вольт
Рабочий ток – 40 мА
Интерфейс – UART (TTL logical level)
Baud rate – 9600*n, n=1~12, по умолчанию 57600 bps
Время сканирования отпечатка пальца –до 0,5 сек
Размер шаблона отпечатка – 512 байт
Коэффициент ложного пропуска FAR (False Acceptance Rate) – менее 0,001 %
Коэффициент ложного отказа в доступе FRR (False Rejection Rate) – менее 0,5 %
Уровень безопасности – 5
Время среднего поиска – менее 1 сек
Размер окна считывания отпечатка пальца – 18х22 мм
Размер модуля – 55,5х21х20,5 мм
Диапазон рабочих температур – -20-+40 градусов Цельсия

Для подключения к другим устройствам R308 имеет 6-контактный разъем:

Vt – плюс питания детектора пальца
Vin – плюс питания модуля
Touch – выход сигнала детектора пальца

В документации указываются цвета шлейфа в комплекте с модулем, но в моем случае цвета не совпали, поэтому надежнее всего определять назначение контактов по нумерации, указанной на плате возле разъема модуля.

Структура пакета данных, передаваемых и принимаемых модулем:

Header – заголовок, фиксированное значение 0xEF01 (2 байта)
Adder – адрес сканера отпечатков пальцев, фиксированное значение 0xFFFFFFFF (4 байта)
Package identifier – идентификатор пакета данных, 01H – пакет команды, 02H – пакет данных, 07H – пакет ответа, 08H – пакет окончания данных (1 байт)
Package length – количество байт пакета информации (включает сумму байт данных пунктов 5 - 6), максимальное количество 256 байт (2 байта)
Package contents – полезные данные
Checksum – контрольная сумма, арифметическая сумма пунктов 3-6 (2 байта)

Сканер отпечатков пальцев имеет 8 основных инструкций для его управления:

Сканирование отпечатка пальца и сохранение его в буфере. Возвращает код подтверждения об успешности операции.
Создание файла символов отпечатка пальца из оригинального отпечатка и сохраняет его в CharBuffer1 (2). Возвращает код подтверждения об успешности операции.
Поиск на совпадение отпечатка пальца в библиотеке модуля который соответствует хранимому в CharBuffer1 или CharBuffer2. Возвращает код подтверждения об успешности операции и ID отпечатка пальца в библиотеке модуля.
Создание шаблона модели отпечатка пальца. Информация в CharBuffer1 и CharBuffer2 объединяется и комбинируется для получения более достоверных данных об отпечатке пальца (отпечаток в этих буферах должен принадлежать одному пальцу). После операции данные сохраняются обратно в CharBuffer1 и CharBuffer2. Возвращает код подтверждения об успешности операции.
Сохранение шаблона отпечатка пальца из Buffer1/Buffer2 во флэш память библиотеки модуля. Возвращает код подтверждения об успешности операции.
Удаление шаблона из флэш памяти модуля. Возвращает код подтверждения об успешности операции.
Очистка памяти библиотеки отпечатков пальцев модуля. Возвращает код подтверждения об успешности операции.
Проверка пароля модуля. Возвращает код подтверждения об успешности операции.

Для того чтобы искать совпадение отпечатка пальца в библиотеке модуля необходимо сканировать отпечаток пальца и сохранить его в буфере, сгенерировать символьный файл и поместить его в CharBuffer и прописать команду на поиск совпадений отпечатков пальце (инструкции 1, 2, 3).

Для того чтобы внести отпечаток пальца в память модуля необходимо получить изображение отпечатка пальца, сохранить его в буфере и сгенерировать символьный файл, сохраняемый в CharBuffer (операции повторяем минимум 2 раза и сохраняем все в CharBuffer1 и CharBuffer2), далее комбинируем данные в буферах 1 и 2 для получения более точного результата и запускаем командой сохранение в указанное место памяти информацию об отпечатке пальца (инструкции 1, 2, 4, 5).

По ходу выполнения инструкций модулем необходимо следить за корректностью и успешностью выполнения посредством ответов, следующих после посылки команд. Это может улучшить качество выполнения программы и точность заданных манипуляций со сканером отпечатков пальцев R308.

Для оценки работы модуля к статье прилагается демонстрационная прошивка для микроконтроллера STM32, соответствующая схеме:

На LCD дисплее отображаются необходимые данные для работы со сканером отпечатков пальцев, при включении схемы без замкнутых перемычек Jmp1 и Jmp2 запускается основной цикл программы, когда микроконтроллер ждет получения отпечатка пальца от сканера и запускает поиск в памяти модуля при его появлении. При включении с замкнутой перемычкой Jmp1 запускается полное стирание памяти библиотеки отпечатков пальцев. При включении с замкнутой перемычкой Jmp2 запускается добавление 5 новых отпечатков пальцев в память модуля. Для добавления отпечатка пальца необходимо дважды приложить палец к сканеру для его сохранения в случае отсутствия ошибок при сканировании отпечатков.

Кроме того к статье прилагается программа SFGDemo. С ее помощью можно получить изображение своего отпечатка пальца помимо стандартных операций добавления отпечатка в память, поиска совпадений, удаления отпечатка из памяти (для подключения к компьютеру используется переходник USB-UART).

Список радиоэлементов

Обозначение	Тип	Номинал	Количество	Мой блокнот
IC1	МК STM32	STM32F103C8	1	В блокнот
VR1	Линейный регулятор	LM7805	1	В блокнот
VR2	Линейный регулятор	AMS1117-3.3	1	В блокнот
FP1	Датчик отпечатков пальцев	R308	1	В блокнот
HG1	LCD-дисплей	2004a	1	В блокнот
C1, C2	Конденсатор	22 пФ	2	В блокнот
C3		470 мкФ	1	В блокнот
C4-C7, C9, C10, C12	Конденсатор	100 нФ	7	В блокнот
C8	Электролитический конденсатор	220 мкФ	1	В блокнот
C11	Электролитический конденсатор	100 мкФ	1	В блокнот
R1	Резистор	22 Ом	1	В блокнот
R2	Резистор	100 Ом	1	В блокнот
R3	Подстроечный резистор	10 кОм	1

Мы уже давно привыкли к практически неограниченным возможностям современным смартфонов. Мобильные операционные системы предоставляют богатый набор функций, а приложения позволяют решить практически любую задачу. При этом производительность флагманских устройств фактически является избыточной: даже самые ресурсоемкие задачи и требовательные игры не могут полностью загрузить топовые чипы Qualcomm, Samsung и Mediatek. Ну не конвертировать же на телефоне 4K-видео, в конце концов. Хотя и с этим смартфоны вполне могут справиться. Однако некоторые ранее недоступные функции все же стали распространяться. К примеру, теперь широко стали доступны смартфоны со встроенным сканером отпечатков пальцев. Но нужны ли они вообще? Сегодня мы ответим на этот вопрос, а также разберемся, какими эти сканеры бывают.

Первопроходцы

Сегодня дактилоскопическая идентификация преподносится как инновация, а первопроходцем в мобильной отрасли считается компания Apple с моделью iPhone 5S. Однако, как и в случае со многими другими инновациями, «яблочный гигант» сыграл роль популяризатора. Многие уже забыли настоящего первопроходца: еще в 2004 году сканер отпечатков пальцев появился на телефоне Pantech GI100. Разумеется, это был не смартфон, поэтому возможности биометрической идентификации были существенно ограничены. К примеру, можно было записать до десяти секретных номеров в телефонную книгу.

В 2006 году вышла модель Pantech PG6200, которая по многим параметрам стала преемницей Pantech GI100. В ней тоже использовался сканер отпечатков пальцев. Возможно, Apple iPhone 5S был первым смартфоном с этим приятным дополнением? И снова мимо: в 2011 году вышла Motorola Atrix 4G на Android 2.2, в которой тоже был сканер.

Однако сравнивать те устройства с современными смартфонами можно лишь формально. Да, в них действительно были дактилоскопические сенсоры, однако они были выполнены по принципиально другой технологии. Для сканирования требовалось провести пальцем со строго заданной скоростью, к тому же на обработку информации уходило некоторое время. Вряд ли в таких условиях можно говорить об удобстве и комфорте.

Так что хоть Apple iPhone 5S де-факто и не является первым мобильным устройством со сканером отпечатков пальцев, именно он сделал эту функцию востребованной.

Возможности

Раньше сканеры отпечатков пальцев можно было увидеть в основном в научно-фантастических фильмах, где они использовались для идентификации персонала на какой-нибудь секретной военной базе. По большому счет, сенсоры в современных мобильных устройствах выполняются такую же функцию - определение пользователя, которому разрешен доступ. Вот только теперь откроется не комната с ядерным чемоданчиком, а разблокируется смартфон.

Датчики отпечатков пальцев позволяют быстро снять блокировку. И здесь они выполняют сразу два действия. Во-первых, обозначают намерение воспользоваться смартфоном (то есть, по сути, заменяют на нажатие центральной механической клавиши или кнопка блокировки). Во-вторых, выполняют действие из разряда «slide to unlock», то есть подтверждают желание разблокировать устройство.

Конечно, отдельно необходимо поговорить о безопасности. Раньше, если вы заботились о конфиденциальности хранящихся на телефоне данных, то пользовались паролем. Во многих случаях его заменял графический пароль, который можно было быстрее ввести. Однако доступ к устройству также получал тот, кому вы сообщали этот пароль, либо кому удавалось его подсмотреть. С отпечатками пальцев все куда сложнее. Их довольно сложно подделать, и вашему другу или коллеге наверняка это не удастся. Единственным человеком, который будет иметь полный доступ к вашему гаджету, станет ваш однояйцевый близнец, поскольку его отпечатки, как и весь набор хромосом, полностью идентичны вашим.

Если говорить про функцию Touch ID в исполнении Apple, то использовать биометрическую идентификацию можнотакже в стандартных приложениях iTunes и App Store. Там она заменяет ввод пароля, а ведь данная процедура может надоесть, если требуется скачать установить сразу несколько программ или треков. Также новыми возможностями поспешили воспользоваться сторонние разработчики. В частности, многие сервисы мобильного банкинга теперь тоже идентифицируют пользователя по рисунку на его пальцах.

В случае с Android-смартфонами вариаций куда больше, поскольку производители нередко стараются придумать разнообразные новые функции. К примеру, на некоторых моделях на каждый отпечаток пальца можно назначить отдельную задачу. К примеру, если указательный просто разблокирует устройство, то средний запустит камеры, а безымянный включит аудиоплейер. В некоторых случаях это может быть очень удобно, поскольку позволяет сэкономить время. Но многое зависит еще и от расположения датчика.

Опасения

Как и любая инновация, сканер отпечатков вызывает немало вопросов и даже опасений у тех, кто им еще не пользовался или только недавно приобрел смартфон с такой функцией. Относительно этой технологии существуют самые разнообразные мифы, некоторые из которых мы постараемся развенчать.

Первый миф касается возможности взлома. Частично его мы уже опровергли в предыдущем пункте: подделать отпечатки пальцев весьма непросто. Рядовому пользователю это точно не удастся сделать, тем более без предварительной подготовки, в полевых условиях.

Тем не менее, при должной сноровке можно получить доступ к содержимому чужого устройства. К примеру, группа немецких биометрических хакеров Chaos Computer Club в свое время успешно взломали защиту iPhone 5S и Samsung Galaxy S5. Для этого использовалась камера, принтер, клей и ряд других химикатов, позволяющих создать слепок пальца владельца смартфона. Правда, необходимо учитывать, что все это требует времени, кропотливого труда, специфических умений и материалов. И, разумеется, необходим сам образец, то есть тот палец, который уже зарегистрирован в мобильном устройстве.

Второй миф касается несанкционированного доступа третьими лицами с помощью пальца непосредственно владельца. К примеру, ревнивая супруга или ревнивый супруг хотят проверить переписку своей пассии, и для этого подносят смартфон к пальцу спящей второй половинки. Что ж, такое опасение вполне имеет место быть, тем более что никаких технических преград к осуществлению подобной процедуры не существует. В конце концов, телефон не может знать, что его хозяин в данный момент спит. Так что если вы так уже сильно боитесь подобного случая, то можно подыскать другие методы защиты, к примеру, пароль или сканер сетчатки глаза. Еще проще не допускать подобных ситуаций или просто удалять подозрительную информацию из памяти устройства.

Ко второму мифу можно придумать еще и криминальный вариант. Злоумышленники завладели вашим устройством, а для доступа к нему пытаются отрезать палец владельца. Все это не только комично звучит, но и в сводках новостей подобные действия никогда не пробегали. В крайнем случае можно сказать пароль, который позволяет обойти процедуру идентификации, или же вовсе отключить подобную защиту в настройках, если того требуют преступники.

Из этого вытекает еще и третий миф, который гласит, что смартфон на правах хитрой штуки может однажды не узнать хозяина по отпечаткам и не пустить дальше экрана блокировки. Это действительно может случиться, поскольку грязные, мокрые или наоборот слишком чистые пальцы могут не считываться сенсором. К тому же отпечатки могут пострадать в результате ожога или физического воздействия иного рода. Однако в этом случае опять же остается лишь ввести ранее установленный пароль.

Место установки сенсора

Производители смартфонов используют разных подход к выбору места установка сканера отпечатки пальцев. К примеру, Apple традиционно встраивает его в механическую клавишу «Домой», установленную под экраном. В этом случае наиболее удобно для разблокировки и прочих действий использовать большой палец.

Схожий принцип используется южнокорейская компания Samsung. Ее смартфоны тоже уже много лет оснащаются центральной механической клавишей, поэтому именно она является наиболее уместным пристанищем для дактилоскопический сенсора. К тому же все уже привыкли, что для разблокировки требуется нажать на эту кнопку, а затем провести по экрану, либо же ввести пароль. В данном случае можно даже не нажимать ее, а слегка коснуться: этого будет вполне достаточно.

Сегодня даже не самые продвинутые модели Samsung получили сканер. К примеру, им комплектуются не только флагманские устройства Galaxy S5, S6/S6 Edge, Galaxy S7/S7 Edge и Galaxy Note 4/5, но также и обновленная линейка Galaxy A 2016 модельного года: Galaxy A5, Galaxy A7 и Galaxy A9/A9 Pro.

Также фронтальный сканер отпечатков пальцев используют многие другие производители, которые оснащают свои смартфоны центральной механической клавишей. К ним относятся Meizu (Meizu MX5, Meizu PRO 5), Lenovo (Lenovo Vibe P1), Xiaomi (Xiaomi Mi 5, хотя в тех же Xiaomi Redmi Note 3 и Xiaomi Mi 4s сканер установлен сзади), Oppo (Oppo F1 Plus), HTC (HTC One M10, HTC One A9), Lenovo (Lenovo Vibe P1) и так далее.

Еще одним популярным местом установка сенсора является тыльная сторона смартфона. В таком случае логичнее пользоваться указательным или средним пальцем. Обычно сканер представляет собой небольшой углубление круглой и реже квадратной формы в корпусе, установленный по центру, чуть ниже основной камеры. Именно такой способ установки используется на многих моделях LG (LG G5, LG V10, LG Nexus 5X), Huawei (Huawei Honor 5X, Huawei G8, Huawei Nexus 6P), Xiaomi (Xiaomi Redmi Note 3, Xiaomi Redmi 3 Pro) и так далее.

Альтернативу двум самым популярным местам установки сканеров отпечатков пальцев предлагает компания Sony. Она встроила сенсор непосредственно в боковую клавишу блокировки. Для этого пришлось поменять ее форму: место круглой металлической кнопки заняла большая овальная. В любом случае пользоваться ей удобно, поскольку на нее как раз ложиться большой палец правой руки, либо же указательный палец левой в случае с левшой. В целом подобная схема тоже довольно удобна, ведь мы уже привыкли пользоваться установленной там же кнопкой блокировки на подавляющем числе смартфонов. Сегодня подобная схема используется на флагманских смартфонах Sony Xperia Z5, Xperia Z5 Premium, Xperia Z5 Compact, Sony Xperia X и X Performance.

Про цену вопроса

Изначально сканеры отпечатков пальцев устанавливались лишь во флагманские модели. Соответственно, порог вхождения в клуб владельцев подобных устройств был достаточно высок. Однако уже совсем производители стали использовать эту функцию и на более доступных смартфонах.

Если говорить о ведущих мировых брендах, то приобрести мобильный аппарат со встроенным дактилоскопическим датчиком можно уже в районе 15-20 тысяч рублей. Примером могут служить модели Lenovo A7010, Lenovo Vibe X3, Samsung Galaxy S5 mini, Huawei Honor 5X и Huawei G7 Plus.

В то же время молодые китайские компании предлагают смартфоны со сканером отпечатков пальцев даже по цене до 10 000 рублей. Среди новинок можно отметить Doogee Y200, UMI Fair, Oukitel U8 и Cubot S550. Однако необходимо помнить, что не все эти устройства из Поднебесной официально продаются в России, к тому же в некоторых самых дешевых устройствах сканеры могут работать не столь быстро и корректно.

Будущее

В ближайшей перспективе количество моделей со встроенным дактилоскопическим сенсором будет стремительно увеличиваться. Возможно, некоторые производители придумают новые интересные функции. К примеру, компания Qualcomm начала продвижение собственной технологии Snapdragon Sense ID. Она подразумевает использование ультразвуковых волн для создания трехмерной «карты» поверхности пальца. Это позволяет существенно повысить точность идентификации. К тому же становится возможным использование в сочетании сенсором не только пластика и сапфирового стекла, но и других материалов, в том числе металла. Первым серийным смартфоном с использованием Snapdragon Sense ID стал LeTV Le Max Pro.

Следующим шагом может стать использование иных методов биометрической идентификации. Из тех же научно-фантастических фильмов можно позаимствовать сканеры сетчатки глаза. На самом деле первые устройства с такой технологией уже доступны: свои инновационные модели представили компании Microsoft, Fujitsu, ZTE и Homtom.

Что же касается дактилоскопических сенсоров, то они могут появиться и в иных устройствах. К примеру, на днях компания SmartMetric представила первую в мире пластиковую банковскую карты со встроенным сканером отпечатков пальцев. Он используется для идентификации владельца при каждой оплате. Так что в будущем ваша супруга уже не сможет отправиться в отвязанный шоппинг, захватив вашу карту. Да и воры не смогут воспользоваться прикрепленной скрепкой бумажкой с PIN-кодом.

Выводы

Сегодня уже очевидно, что с каждым годом будет выходить все больше смартфонов, оснащенных сканерами отпечатков. Многие уже оценили их удобство, поэтому и при выборе следующего устройства данная функция станет обязательной. Получается, что подобные сенсоры делают мобильные устройства не только безопаснее, но и удобнее.

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.

Мы живем в эпоху тотального проникновения цифровых технологий во все сферы жизни - делаем покупки в интернете, деньги храним на карточках, виртуальных счетах, а личные фотографии и документы - в сетевых хранилищах. При этом защита персональных данных становится актуальной как никогда. Ведь доступ злоумышленников к личной информации может грозить нам большими проблемами. Особенно уязвимым в этом плане становится смартфон, с помощью которого происходит авторизация во многих онлайн-сервисах. Его легко потерять, относительно неплохо получить к нему временный доступ. В большинстве случаев для защиты данных в смартфонах применяются пароли или графические ключи. Но это не всегда безопасно и удобно. Новым этапом в безопасности современных гаджетов стает биометрическая защита, в основе которой лежит уникальность некоторых частей нашего тела. Например - радужная оболочка и сетчатка глаза, геометрия лица, голос, отпечатки пальцев. Использование процесса биометрической аутентификации является надежной и удобной защитой. Ведь такой «пароль» невозможно забыть, подглядеть, крайне тяжело подделать и он всегда «под рукой»))).

Во втором типе оптического сканера мы должны проводить пальцем по сканеру. Сканер делает серию снимков и программно объединит их в один. Такой метод называется протяжным (swipe). Его реализовала Samsung в Galaxy S5. Но в последующих моделях она отказалась от этого метода. В силу необходимости использования большей матрицы для полного снимка отпечатка пальца первый тип оптического сканера является более дорогим, чем протяжной, но в то же время более удобным для конечного пользователя. Общим недостатком оптических сканеров является подверженность загрязнению, царапинам, влиянию физического состояния пальца (влажность, например). Кроме того, такой сканер можно обмануть с помощью снимка отпечатка пальца, что успешно продемонстрировала группа хакеров Chaos Computer Club. Они сфотографировали в высоком разрешении отпечаток пальца на стекле, распечатали его на лазерном принтере, залили жидким латексом и после высыхания такой слепок был распознан системой сканера как родной. Таким образом удалось обойти защиту детищ и Samsung, и Apple.

2. Полупроводниковый. Основан на свойствах полупроводников менять свои свойства в местах соприкосновения. Такие сканеры бывают емкостными, радиочастотными, термическими. В современных смартфонах полупроводниковые сканеры места не нашли. Вероятно, из-за сложности внедрения учитывая малые габариты мобильных гаджетов, а также дороговизны. Большой плюс данной технологии в том, что ее с помощью слепка не обманешь.

3. Ультразвуковой. На мой взгляд, самый перспективный метод работы сканера отпечатков пальцев. Ультразвуковые сканеры используют принцип медицинского УЗИ для того, чтобы создать визуальный образ отпечатка пальца. Звуковые волны генерируются с использованием пьезоэлектрических преобразователей. Далее они попадают на палец и отраженное от него эхо фиксируется специальными датчиками. В отличие от оптических изображений, эти сканеры используют очень высокие частоты звуковых волн, которые способны проникать в эпидермальный слой кожи. А он имеет неповторимую структуру.

Это исключает потребность в чистом, сухом, неповрежденном пальце. Ультразвуковой сканер невозможно обмануть с помощью снимка отпечатка, так как он формирует 3D-картину строения кожи, а также умеет фиксировать пульс. В марте этого года компания Qualcomm представила свою разработку на базе данной технологии и ходят слухи, что впервые мы увидим ее реализацию в смартфоне Xiaomi Mi5.

Далее давайте затронем тему программной и аппаратной реализации сканера отпечатка пальца в разных системах. Впервые Apple представила биометрический способ идентификации в iPhone 5s под брендом Touch ID. Это был оптический сканер на основе с разрешением 500 ppi. Он был встроен в кнопку «Home» и покрыт сапфировым стеклом, устойчивым к царапинам.

За обработку сканированного отпечатка отвечал сопроцессор, а уже преобразованный цифровой код хранился только в специальном изолированном хранилище. С помощью сканера отпечатка пальца iPhone 5s можно было только разблокировать смартфон и авторизоваться в iTunes. Сторонних приложений он не поддерживал. Уже в iOS 8 была реализована оплата с помощью Touch ID в ApplePay, появилась возможность использовать сканер для защиты данных сторонних программ.

В смартфонах на операционной системе Android сканер отпечатков впервые появился в Motorola Atrix 4G, но из-за неудобства реализации использовался немногими пользователями. Качественным прорывом стал флагман Samsung Galaxy S5.В нем с помощью сканера отпечатка пальцев можно было не только разблокировать смартфон, но и авторизоваться в платежной системе PayPal. Также функционал сканера могли использовать сторонние приложения. Но из-за метода сканирования отпечатка пальца (протяжного) решение в Samsung S5 проигрывало Touch ID.

В связи с особенностями операционных систем решение Apple в плане защиты от взлома вредоносными программами более надежное.

Стоит сказать, что в Android системах вплоть до 6-ой версии не было нативной поддержки такого способа аутентификации, и только в Android Marshmallow Google внедрила поддержку сканера отпечатков пальцев непосредственно в систему. В новой версии ОС разработчикам проще реализовать приложения для работы со сканером, так как достаточно добавить поддержку системных API. Вендерам же нет нужды создавать с нуля или адаптировать готовые программные решения, нередко не лучшего качества или низкого удобства.

На данный момент модуль сканера отпечатков пальцев уже не является привилегией флагманов ведущих игроков рынка смартфонов. Эту моду подхватили почти все производители, и сканер начал появляться даже в бюджетных моделях. Разработчики экспериментируют с размещение данного модуля (кнопка "Home", включения/выключения, под основной камерой), с программной частью и функциональностью.

Но на сегодняшний день такую систему биометрической защиты я бы не рекомендовал использовать для платежей, хранения важной личной информации. Доказательством этого служат примеры взлома с помощью слепков пальцев и Touch ID, и сканеров на Android-е. Возможно, разработка на основе ультразвукового сканирования исправит эту проблему. А вот в качестве метода разблокировки смартфона - для защиты от чрезмерного любопытства третьих лиц, сканер отпечатков пальцев подходит идеально.