Что такое датчик отпечатка
Как мы стали беречь наши пальцы чуточку больше
Привет, Geektimes! Наличие сканера отпечатков пальцев в смартфоне в последнее время для многих стало одним из главных факторов при выборе устройства для покупки. Хотя данный тип биометрической технологии безопасности отнюдь не новый, компактными и дешевыми сканеры отпечатков научились делать сравнительно недавно. Но задумывались ли вы о том, что происходит, когда вы подносите свой палец для разблокировки телефона? Мы вот решили разобраться и просим всех заинтересовавшихся под кат.
Отпечаток пальца, как известно, не изменяется в течение всей жизни человека, что позволяет идентифицировать его как в 15, так и в 75 лет. Отпечаток начинает формироваться еще на стадии развития плода, но даже у однояйцевых близнецов отпечатки не бывают идентичными. Поэтому это один из самых распространенных и безопасных (после сканера сетчатки и радужной оболочки глаза или анализа ДНК) способов идентификации человека. Удалить его как в фильме «Люди в черном» не получится.
Если смотреть с точки зрения физиологии, отпечаток пальца — это определенный набор выступов с индивидуальными порами, которые разделены между собой впадинами. А поскольку он связан с тепловыми и электрическими характеристиками кожи, для получения его изображения можно использовать как тепло, так и свет, и электрическую емкость (или все вместе).
Существует целый ряд разновидностей сканеров отпечатков пальцев — некоторые применяются на секретных объектах (вместе с анализом походки и другими фишками, конечно же), другие уже вошли в жизнь владельцев современных смартфонов как нечто обыденное. Если обобщить, можно выделить три основные группы сканеров отпечатков:
Оптические сканеры
Они, как следует из названия, используют оптические методы получения изображения отпечатка. Этот метод является самым старым методом захвата отпечатков пальцев: фотография отпечатка обрабатывается при помощи специальных алгоритмов, которые обнаруживают уникальные гребни и выступы. Полученное изображение сравнивается с заложенными в системе, после чего пользователю отправляется положительный или отрицательный ответ. Оптические сканеры подразделяются на FTIR-сканеры, оптоволоконные, протяжные, роликовые, электрооптические и бесконтактные.
В сканерах FTIR используется эффект нарушенного полного внутреннего отражения (Frustrated Total Internal Reflection). В данном случае свет падает на границу раздела двух сред, после чего одна часть световой энергии отражается от границы, а вторая проникает через нее во вторую среду. Сколько энергии будет отражено, определяется углом падения: когда он достигает определенной величины, от границы раздела отражается вся световая энергия, что и называется полным внутренним отражением.
При контакте отпечатка пальца (более плотной среды) с менее плотной пучок света проходит через границу в точке полного внутреннего отражения. Так что будут отражены только те пучки света, попавшие в точки, к которым не приложен капиллярный узор поверхности пальца. Далее CCD или CMOS фиксирует итоговую световую картинку поверхности пальца.
Оптоволоконные сканеры работают несколько иначе. По сути мы имеем оптоволоконную матрицу, при этом каждое её волокно заканчивается фотоэлементом. Каждый фотоэлемент фиксирует остаточный свет, который прошёл через палец, в той точке, где отпечаток прикасается к поверхности сканера. Далее данные всех элементов агрегируются и на их основании получается изображение отпечатка пальца.
В электрооптических сканерах используется специальный полимер, в составе которого есть светоизлучающий слой. На нем отражается неоднородность электрического поля пальца у поверхности сканера, после чего высвечивается отпечаток пальца. Остальную работу проделывают фотодиоды, преобразующие все в цифровой вид. Протяжные сканеры — одни из самых интересных, поскольку в этом случае палец не прикладывается к поверхности сканера, как мы привыкли, а проводится по считывателю, который представляет собой узкую полоску. Принцип их работы во многом схож с FTIR-сканерами, о которых упоминалось ранее.
При использовании бесконтактных сканеров вам даже не придется контактировать с поверхностью сканирующего устройства. Палец прикладывается к специальному отверстию, его подсвечивают снизу несколько источников света, линза собирает информацию, затем данные проецируются на CMOS, где преобразуются в изображение отпечатка пальца.
Оптические сканеры довольно легко обмануть, поскольку они захватывают только 2D-изображение — в этом один из их главных недостатков. В наше время они уже отошли на второй план, тем не менее во многих сферах до сих пор используются. Но уж точно не на секретных объектах и не там, где серьезно заботятся о безопасности: для этого и придумали кремниевые (полупроводниковые) и ультразвуковые сканеры.
Кремниевые (полупроводниковые) сканеры
Основное отличие полупроводниковых сканеров от оптических в том, что в данном случае изображение получается с помощью свойств полупроводников, которые изменяются в местах контакта отпечатка пальца с поверхностью сканера. Полупроводниковые сканеры реализуют несколькими способами, но наиболее распространенный из них — емкостный.
В емкостных сканерах для получения изображения отпечатка применяется эффект изменения емкости p-n-перехода полупроводникового прибора, когда гребень узора отпечатка соприкасается с полупроводниковой матрицей. Одна из модификаций емкостного сканера — когда основным модулем для сканирования является конденсатор. То есть традиционное изображение отпечатка не создается: вместо этого сбор данных осуществляется с помощью массивов крошечных цепей конденсатора. Поскольку конденсаторы хранят электрический заряд, когда палец контактирует со сканером, заряд будет изменен там, где гребень прикасается к пластине. Там, где на узоре впадины, заряд останется практически неизменным.
Изменения заряда отслеживаются, тем самым захватываются данные об отпечатке. Затем они преобразуются в цифровые, после чего начинается поиск отличительных и уникальных атрибутов отпечатка — они сравниваются с сохраненными для сравнения отпечатками.
Емкостные сканеры сейчас нашли признание у производителей смартфонов за счет оптимального соотношения цены и качества. У них низкая себестоимость и высокая степень защиты от муляжей — обмануть, конечно, можно, но это будет не так просто. Первым смартфоном от Xiaomi со сканером отпечатков пальцев стал Redmi Note 3, он же используется в одной из новинок компании — Xiaomi Mi Max. Не отказывается от емкостного сканера и OnePlus в своём OnePlus 3.
Из полупроводниковых сканеров также активно используются чувствительные к давлению и термо-сканеры, но не в смартфонах. В первом случае изображение поверхности пальца получается при помощи давления, которое оказывают выступы папиллярного узора на элементы поверхности, однако защита от муляжей здесь довольно низкая. В термо-сканерах используется температурная карта поверхности пальца, которая и преобразуется в цифровое изображение. Подделать такой отпечаток гораздо сложнее.
Остальные виды полупроводниковых сканеров по сути представляют собой разновидность емкостных, протяжных или термо-сканеров.
Ультразвуковые сканеры
Еще несколько лет назад данный тип сканирования отпечатков пальцев был слишком дорогим, однако с развитием технологий он добрался и до смартфонов. Ультразвуковой тип характеризуется сканированием поверхности пальца при помощи ультразвуковых волн и измерения расстояния между источником волн и рельефом отпечатка по отраженному эху.
Ультразвуковой импульс передается на палец перед сканером — часть его поглощается, а другая часть возвращается к приемнику. После этого она распознается в зависимости от гребней, впадин и других уникальных элементов отпечатка. Чем дольше происходит сканирование, тем лучше распознаются дополнительные данные об отпечатке — в результате получаются подробные 3D-изображения.
Технология, конечно, очень интересная — одним из первых смартфонов с ультразвуковым сканером отпечатков пальцев стал Le Max 2 от LeEco. Другие производители пока смотрят в эту сторону с осторожностью, все же ультразвуковой сканер в смартфонах еще недостаточно «обкатан», да и реализация подороже, что может увеличить конечную стоимость смартфона для покупателей. Поэтому в Mi5, например, Xiaomi не стала использовать ультразвуковой сканер и сделала выбор в пользу емкостного.
На CES 2016 Qualcomm представила технологию Sense ID — усовершенствованный 3D-датчик сканера, который собирает намного больше индивидуальной информации. Ультразвук проникает через металлические поверхности, стекло и некоторые пластмассы и получает не двухмерную, а подробную трехмерную карту отпечатка пальца.
Qualcomm Sense ID — ультразвуковой сканер отпечатков
И что, это действительно безопасно?
Конечно, любой сканер отпечатков пальцев можно обмануть. Емкостные сканеры старого образца плохо воспринимали мокрые или холодные пальцы, в современных смартфонах (том же Redmi Pro) эта проблема уже практически решена и сканер срабатывает очень быстро. В определенном плане ультразвуковые сканеры безопаснее, но до рынка эта тенденция скорее всего доберется только через пару лет. Изготовить слепок пальца сложно, еще сложнее применить его для разблокировки современного смартфона.
Очень интересно реализована область Secure Enclave у Apple. По сути это сопроцессор, который использует шифрованную память и включает в себя аппаратный генератор случайных чисел. При изготовлении каждый такой сопроцессор имеет свой уникальный идентификатор — он неизвестен ни другим компонентам системы, ни самой Apple (по крайней мере, так говорят в компании). Secure Enclave обрабатывает данные с датчика Touch ID: процессор не может прочитать информацию об отпечатке и сразу перенаправляет ее сопроцессору. Данные шифруются при помощи алгоритма AES.
Заметили, что iPhone просит пароль каждый раз после перезагрузки? Пароль является ключом для расшифровки отпечатков пальцев — он активируется при любых обстоятельствах, свидетельствующих о постороннем вмешательстве: добавление нового отпечатка, выключение смартфона, пять неверных попыток разблокировки и так далее. Кстати, в том числе поэтому кнопку с Touch ID нужно беречь — если она сломается и вы ее поменяете на неоригинальную, то сканер отпечатков превратится в тыкву работать не будет. А что вы хотели? Безопасность.
Тем не менее и у Apple все не так совершенно, правда здесь уже вину стоит переложить на разработчиков приложений. Если кто-то подсмотрит пароль владельца iPhone, он сможет разблокировать смартфон, добавить свой отпечаток, а затем авторизоваться во всех приложениях с Touch ID (мессенджерах, банковских и так далее), даже если их пароли отличны от системного. Начиная с iOS 9.0 разработчики могут устанавливать проверку (об этом недавно был пост на Geektimes) на появление новых отпечатков в момент запуска приложения, однако, многие, как правило, этой рекомендацией не пользуются.
Ну и что делать?
Ответ простой и очевидный — пользоваться! Сканеры отпечатков пальцев уже вошли в нашу жизнь как безопасная альтернатива запоминанию логинов и паролей, и владельцы смартфонов с соответствующей функциональностью что-то не жалуются. Взломать можно всё, однако, сейчас уровень безопасности сканеров действительно высокий, к тому же технология не стоит на месте и развивается — ультразвуковые сканеры в смартфонах тому подтверждение.
Как работает сканер отпечатка пальца
Удобно, но не всегда безопасно.
Сканер отпечатка пальца — удобная штука, но не самая надёжная. Иногда обычный пароль защитит ваши данные гораздо лучше, чем сканер. В этой статье — по какому принципу он работает и в чём уязвимость.
Всё дело в минуциях
Самое главное для сканера — это минуции. Минуции — это те места в узорах на пальцах, где изменяются линии. Например:
Именно минуции делают наши отпечатки уникальными и позволяют отличить один отпечаток от другого. Задача сканера — распознать их как можно точнее.
Как сканер получает данные
Самые первые сканеры работали по принципу фотоаппарата: фотографировали приложенный палец крупным планом, а потом сравнивали это изображение с тем, что есть в памяти. Сложность была в том, что для успешного распознавания нужно было прикладывать палец точно так же, как при первоначальном сканировании. Если приложить на полсантиметра ниже или выше — ничего не сработает.
Второй минус такого визуального подхода — этот сканер легко обмануть, приложив фотографию отпечатка. Сканер сфотографирует её, получит то же изображение, что и на отпечатке, и разрешит доступ. По этой причине такие оптические сканеры для серьёзной защиты почти не используются.
Современные сканеры работают не с общим видом отпечатка, а с минуциями. Задача сканера теперь такая:
Какие бывают сканеры отпечатков пальцев
Оптические — под экраном. OLED-матрицы, которые используются в современных смартфонах, могут пропускать свет изнутри и снаружи. Это свойство производители используют для того, чтобы поставить простой оптический сканер прямо под экраном. Технически такой сканер просто делает фотографию отпечатка, да ещё и плохого качества — сделать отличный снимок мешают пиксели на матрице. Поэтому такие сканеры могут ошибаться, работать медленно и срабатывать даже на простейший муляж отпечатка (например, на скотче или на пакете).
Оптические бесконтактные. Кроме оптических сканеров есть и оптические бесконтактные. Это значит, что палец кладётся не на сам сканер, а на стекло. Под этим стеклом есть несколько камер, которые снимают изображение с разных сторон. Теоретически этот сканер уже нельзя обмануть фотографией, потому что с нескольких камер получается стереоизображение. Но если палец изготовили на 3D-принтере — можно и обмануть.
Ёмкостные. Именно такие сканеры стояли в первых телефонах с датчиками отпечатков, и с разными модификациями они используются до сих пор.Работают они так: на поверхности сканера есть очень много миниатюрных полупроводников. Когда прикладывается палец, то выступающие линии на пальце замыкают эти проводники и их ёмкость в цепи меняется. По изменению ёмкости и составляется картина отпечатка сразу в цифровом виде.
Минусы ёмкостного сканера:
Ультразвуковые. Теоретически это самые передовые и надёжные сканеры отпечатков, потому что они могут собирать не только данные о линиях на пальце, но и проверять пульс и строить трёхмерную модель линий и впадин. На практике такое можно встретить пока только у некоторых телефонов Samsung — ультразвуковой сканер дороже остальных в производстве.
Что лучше — отпечаток или пароль
Если вам важнее скорость и удобство разблокировки телефона или ноутбука — используйте отпечаток. Или если вы считаете, что на вашем устройстве нет ничего ценного и даже если кто-то получит доступ ко всем данным, то тоже ничего страшного не случится. Ещё один вариант, когда отпечатка будет достаточно — если вам просто нужна защита от детей.
Во всех остальных случаях лучше использовать пароль. Есть много способов обмануть сканер отпечатка пальцев, и только два способа обойти пароль: подсмотреть или взломать. Если вы выберете сложный пароль и убедитесь, что никто не следит за вводом, то взломать такой пароль будет очень сложно.
Что такое датчик отпечатка
Что делает сканер отпечатков пальцев? Вполне логичный ответ — запоминает наши отпечатки. Это так и не так одновременно. Во-первых, сенсор не хранит фотографии ваших отпечатков. Во-вторых, человек не всегда прикладывает палец к сканеру в одном и том же положении, а прибавьте к этому возможный небольшой порез, слабую силу надавливания — датчик точно не узнает вас.
Что тогда сканирует этот сенсор? Он ищет уникальные признаки и контрольные точки, по которым сможет распознать, что это вы и ваш отпечаток. Если присмотреться, папиллярный узор, а именно так называются линии на наших пальцах, имеет интересные особенности: одни линии у него разветвляются, другие остаются отдельными островками, третьи прерываются в неожиданном месте. Все это и создает рисунок, особые точки ваших отпечатков. Именно такие точки и ищет сенсор во время сканирования, их количество может достигать более 70 штук. Поэтому при настройке сканера важно как можно больше раз приложить палец к сенсору, чтобы у него было больше особых точек для анализа.
При разработке смартфонов с поддержкой функции разблокировки по отпечатку используют три вида сенсоров: оптические, ультразвуковые и емкостные. У каждого есть свои достоинства и недостатки, а отличаются они способом получения отпечатка: оптический делает это с помощью света, ультразвуковой — через звук, емкостный — через электричество. Поговорим о каждом из них отдельно.
Оптический сканер отпечатков пальцев
Если упростить, оптический сканер — это черно-белая камера, которая делает двухмерный снимок отпечатка, когда к ней прикладывают палец. Обычно оптический вид сканера помещают под экран в определенное место, и прикасаться к нему нужно только в определенном месте. При этом стоит учесть, что их устанавливают только на AMOLED-экраны — они полупрозрачны и каждый их пиксель излучает свет, когда на него подается напряжение. Это позволяет размещать не только дактилоскопические сенсоры, но и датчики освещения и приближения, фронтальные камеры.
Главное достоинство такого сенсора в том, что его можно поместить под экран. Его скорость и качество работы будут зависеть от прозрачности стекла и разрешения матрицы.
Сейчас оптические сканеры стали быстрыми и точными, догнали по производительности емкостные сенсоры, но первые разработки не отличались скоростью и стабильностью, и это был один из недостатков.
Другой недостаток — на стабильность и скорость работы влияет всё. Это может быть вода, мелкая грязь, пыль, которые попали на сканер и помешали сделать четкий снимок отпечатка.
Такой сканер в теории легче обмануть, чем ультразвуковой или емкостный. Дело в том, что он сохраняет двухмерное изображение отпечатка, и вместо пальца можно приложить слепок или любую другую подделку с нужным отпечатком. Но с другой стороны, благодаря яркой подсветке сканер видит не только узоры отпечатка, но и пульсацию крови. Это значит, сканер подтвердит, что сканируется именно палец.
Еще один недостаток — оптические сенсоры привередливы к защитным пленкам и стеклам. Материал защиты, ее толщина тоже могут повлиять на качество работы сканера.
Емкостный сканер отпечатков пальцев
Сенсор состоит из токопроводящих пластин, размер которых меньше, чем линии папиллярного узора. В пластинах образуются конденсаторы, а в них, в свою очередь, хранится заряд тока. Когда палец касается сканер, этот заряд изменяется, а наше тело проводит ток через себя. При этом стоит учесть, что не вся кожа соприкасается с датчиком из-за особенностей узора отпечатка — он состоит из выступающих гребней и микрозазоров, а значит у конденсаторов разная емкость. Делая снимок, сканер проверяет все ячейки, выявляет, какое напряжение было на конкретном участке, совпадают ли расположение углублений и гребней, где кожа соприкасалась с поверхностью.
К достоинствам такого сканера относят: недорогое производство и хорошо известную технологию; создание трехмерного снимка во время сканирования; высокую скорость реагирования. А еще такой сканер сложно обмануть, им можно воспользоваться, даже если у вас грязные или мокрые руки.
К недостаткам можно отнести невозможность поставить такой сканер в экран — сам сенсор емкостный, и дисплеи в современных смартфонах точно такие же, работают от электрических импульсов. Поэтому некоторые производители устанавливают датчики на кнопке блокировки или, чаще всего, на задней панели смартфона. Такое решение не всегда удобно — чтобы разблокировать смартфон, нужно обязательно взять его в руки или вообще использовать другой вариант активации.
Еще один недостаток — сами сканеры могут быть разного качества и с разным количеством ячеек. Чем больше ячеек, тем выше разрешение и тем быстрее работает сенсор. Но в бюджетных устройствах чаще всего используют сканеры с “низким разрешением”, от чего они работают не так шустро, как могли бы.
Ультразвуковой сканер отпечатков пальцев
Такой тип сканера появился позже остальных, и первый такой датчик поставили только в 2019 году. Разработкой занималась компания Qualcomm, а первопроходцем в установке такого сенсора стал Samsung с его Galaxy S10. Протестировав сенсор на одном смартфоне, компания решила добавлять его и в остальные — следующими такими устройствами были Galaxy Note 10 и Galaxy S20.
Сканирование пальца таким сенсором происходит при помощи ультразвука. Технология не новая, ее использовали в других отраслях. Например, такие сканеры используются, чтобы делать УЗИ в больнице.
За основу для этого сканера взяли материал-пьезоэлектрик, который генерит заряд, если его деформировать, и деформируется, если воздействовать на него электрическим полем. Как это работает в смартфоне?
Датчик начинает вибрировать с большой частотой, когда на него подают напряжение, он издает звуковые сигналы на высоких частотах. Мы этот звук не слышим, но, например, животные могут услышать, как работает такой датчик. Затем звуковые волны проходят через стекло экрана, сталкиваются с приложенным пальцем. Здесь волны разделятся: часть вернется назад; часть пройдет немного дальше и столкнется с выступами нашего отпечатка и только после этого вернется назад, а третья часть волн заполнит собой пустое пространство между пальцем и стеклом, а затем вернется на датчик. Волна возвращается назад, бьет по пьезоэлектрику. Как результат, появляется электрический заряд.
Достоинство такого сканера в его безопасности. Как и емкостный сенсор, он делает трехмерный снимок отпечатка, и не реагирует на плоское изображение. Плюс, ультразвук не остается на поверхности — он проникает немного вглубь пальца, а значит можно сделать дополнительный фактор защиты, чтобы сканировать можно было только настоящий палец, а не муляж.
Разместить такой сенсор можно где угодно: сбоку, сзади, под экраном, ведь ультразвук проходит не только через стекло. А еще ему неважно, сухие или влажные у вас пальцы, есть на них частички грязи, или они чистые.
К недостаткам можно отнести, в первую очередь, отсутствие выбора — Qualcomm разработала первый датчик, и на данный момент он единственный, новых поколений еще нет. А еще такой датчик работает медленнее, чем современные оптические сканеры.
Многие слышали историю о том, что такой сканер можно взломать. Много об этом говорили, приводя в пример Galaxy S10 и Galaxy Note10, когда между экраном и пальцем клали гидрогелевую пленку, а дальше уже можно было прикладывать любой палец, чтобы смартфон разблокировался. Странное поведение для сенсора, но Samsung выпустила обновление, которое исправило этот момент.
На работу сенсора может повлиять защитное стекло и некоторые виды пленок, которые рассеивают или частично гасят звуковую волну.
И последний недостаток таких сканеров — их можно найти только во флагманах Samsung, начиная с модели Galaxy S10.
Говорить о том, какой сканер лучше, а какой хуже, нет смысла. У всех есть свои достоинства и недостатки, а один из них можно встретить в очень узкой флагманской линейке от Samsung. При этом разработчики продолжают совершенствовать систему безопасности, избавляя датчики от ошибок в алгоритмах, и каждый тип сенсора справляется со своей функцией одинаково хорошо.
Поэтому не стоит при выборе смартфона сильно заострять внимание на том, какой именно сканер установлен. Главное, что он есть и исправно работает. 🙂
Лайк — лучшее спасибо! 🙂
О каких еще тонкостях в работе смартфона вы хотите узнать?