Как работают сканеры отпечатков пальцев

Компьютеризированные сканеры отпечатков пальцев были основой шпионских триллеров на протяжении десятилетий, но до недавнего времени они были довольно экзотической технологией в реальном мире. Однако в последние несколько лет сканеры стали появляться повсюду — в полицейских участках, в зданиях с высоким уровнем безопасности и даже на клавиатурах ПК . Вы можете приобрести персональный USB - сканер отпечатков пальцев менее чем за 100 долларов, и ваш компьютер будет защищен высокотехнологичной биометрией . Вместо пароля или в дополнение к нему для доступа вам потребуется ваш отличительный отпечаток.

В этой статье мы рассмотрим секреты, лежащие в основе этого захватывающего события в правоохранительной сфере и безопасности личных данных. Мы также увидим, как системы безопасности со сканерами отпечатков пальцев сочетаются с обычными системами паролей и удостоверений личности, и выясним, как они могут выйти из строя.

1. Основы отпечатков пальцев
2. Оптический сканер
3. Сканер емкости
4. Анализ
5. Плюсы и минусы

Отпечатки пальцев — одно из тех причудливых явлений природы. У людей есть встроенные, легкодоступные удостоверения личности. У вас есть уникальный дизайн, который представляет вас в одиночку, буквально на кончиках ваших пальцев. Как это произошло?

У людей есть крошечные выступы кожи на пальцах, потому что именно эта адаптация была чрезвычайно выгодна для предков человеческого вида. Рисунок гребней и «впадин» на пальцах облегчает захват вещей руками, точно так же, как рисунок протектора резины помогает шине сцепляться с дорогой.

Другая функция отпечатков пальцев — полное совпадение. Как и все в человеческом теле, эти гребни формируются в результате сочетания генетических факторов и факторов окружающей среды. Генетический код в ДНК дает общие указания о том, как должна формироваться кожа у развивающегося плода, но конкретный способ ее формирования является результатом случайных событий. Точное положение плода в матке в определенный момент, а также точный состав и плотность окружающей амниотической жидкости определяют, как будет формироваться каждый отдельный гребень.

Таким образом, в дополнение к бесчисленным факторам, которые в первую очередь определяют вашу генетическую структуру, существует бесчисленное множество факторов окружающей среды, влияющих на формирование пальцев. Точно так же, как погодные условия, формирующие облака или береговую линию пляжа, весь процесс развития настолько хаотичен, что за весь ход человеческой истории практически не существует шансов, что один и тот же узор сформируется дважды.

Следовательно, отпечатки пальцев являются уникальным маркером человека, даже однояйцевого близнеца. И хотя на первый взгляд два отпечатка могут выглядеть практически одинаково, опытный исследователь или продвинутое программное обеспечение могут выявить четкие, определенные различия.

Это основная идея анализа отпечатков пальцев как при расследовании преступлений, так и при обеспечении безопасности. Работа сканера отпечатков пальцев состоит в том, чтобы заменить человека-аналитика, собрав образец отпечатка и сравнив его с другими зарегистрированными образцами. В следующих нескольких разделах мы узнаем, как это делают сканеры.

Система сканера отпечатков пальцев выполняет две основные задачи: ей нужно получить изображение вашего пальца и определить, соответствует ли структура гребней и впадин на этом изображении структуре гребней и впадин на предварительно отсканированных изображениях.

Есть несколько способов получить изображение чьего-то пальца. Наиболее распространенными методами сегодня являются оптическое сканирование и емкостное сканирование . Оба типа создают одинаковый образ, но делают это совершенно по-разному.

Сердцем оптического сканера является устройство с зарядовой связью (ПЗС), та же самая система световых датчиков, которая используется в цифровых фотоаппаратах и ​​видеокамерах . ПЗС — это просто массив светочувствительных диодов , называемых фотосайтами , которые генерируют электрический сигнал в ответ на световые фотоны . Каждый фотосайт записывает пиксель, крошечную точку, представляющую свет, попавший в это место. В совокупности светлые и темные пиксели формируют изображение сканируемой сцены (например, пальца). Как правило, аналого-цифровой преобразователь в системе сканера обрабатывает аналоговый электрический сигнал для создания цифрового представления этого изображения. Посмотрите , как работают цифровые камерыдля получения подробной информации о ПЗС и цифровом преобразовании.

Процесс сканирования начинается, когда вы кладете палец на стеклянную пластину, и ПЗС-камера делает снимок. Сканер имеет собственный источник света, обычно набор светодиодов , для освещения гребней пальца. ПЗС-система фактически генерирует перевернутое изображение пальца, при этом более темные области представляют более отраженный свет (гребни пальца), а более светлые области представляют менее отраженный свет (углубления между гребнями).

Прежде чем сравнивать отпечаток с сохраненными данными, процессор сканера убеждается, что ПЗС-матрица захватила четкое изображение. Он проверяет среднюю темноту пикселей или общие значения в небольшом образце и отклоняет сканирование, если общее изображение слишком темное или слишком светлое. Если изображение отклонено, сканер регулирует время экспозиции, пропуская больше или меньше света, а затем снова пытается выполнить сканирование.

Если уровень затемнения достаточен, система сканера продолжает проверять четкость изображения (насколько резким является отпечаток пальца). Процессор смотрит на несколько прямых линий, движущихся по горизонтали и вертикали по изображению. Если изображение отпечатка пальца имеет хорошее разрешение, линия, идущая перпендикулярно гребням, будет состоять из чередующихся участков очень темных пикселей и очень светлых пикселей.

Если процессор обнаруживает, что изображение четкое и правильно экспонировано, он переходит к сравнению захваченного отпечатка пальца с отпечатками в файле. Мы рассмотрим этот процесс через минуту, но сначала мы рассмотрим другую основную технологию сканирования, емкостной сканер .

Как и оптические сканеры, емкостные сканеры отпечатков пальцев генерируют изображение выступов и впадин, составляющих отпечаток пальца. Но вместо того, чтобы воспринимать отпечаток с помощью света, конденсаторы используют электрический ток.

На приведенной ниже схеме показан простой емкостной датчик. Датчик состоит из одного или нескольких полупроводниковых чипов, содержащих массив крошечных ячеек . Каждая ячейка включает две токопроводящие пластины , покрытые изолирующим слоем. Клетки крошечные - меньше ширины одного гребня на пальце.

Датчик подключен к интегратору , электрической цепи, построенной вокруг инвертирующего операционного усилителя . Инвертирующий усилитель представляет собой сложное полупроводниковое устройство, состоящее из ряда транзисторов, резисторов и конденсаторов. Детали его работы сами по себе заняли бы целую статью, но здесь мы можем получить общее представление о том, что он делает в емкостном сканере. (Посмотрите эту страницу , посвященную операционным усилителям, для ознакомления с техническим обзором.)

Как и любой усилитель , инвертирующий усилитель изменяет один ток в зависимости от колебаний другого тока (дополнительную информацию см . в разделе «Как работают усилители» ). В частности, инвертирующий усилитель изменяет напряжение питания. Изменение основано на относительном напряжении двух входов, называемых инвертирующей клеммой и неинвертирующей клеммой. В этом случае неинвертирующий вывод подключается к земле, а инвертирующий вывод подключается к источнику опорного напряжения и контуру обратной связи . Контур обратной связи, который также подключен к выходу усилителя, включает в себя две проводящие пластины.

Как вы могли заметить, две проводящие пластины образуют основной конденсатор — электрический компонент, способный накапливать заряд (подробности см. в разделе «Как работают конденсаторы» ). Поверхность пальца действует как третья пластина конденсатора, разделенная изолирующими слоями в клеточной структуре и, в случае впадин отпечатков пальцев, воздушным карманом. Изменение расстояния между пластинами конденсатора (путем перемещения пальца ближе или дальше от проводящих пластин) изменяет общую емкость (способность накапливать заряд) конденсатора. Из-за этого качества конденсатор в ячейке под гребнем будет иметь большую емкость, чем конденсатор в ячейке под впадиной.

Чтобы отсканировать палец, процессор сначала закрывает переключатель сброса для каждой ячейки, который закорачивает вход и выход каждого усилителя, чтобы «сбалансировать» схему интегратора. Когда ключ снова размыкается и процессор подает фиксированный заряд на схему интегратора, конденсаторы заряжаются. Емкость конденсатора контура обратной связи влияет на напряжение на входе усилителя, которое влияет на выход усилителя. Поскольку расстояние до пальца изменяет емкость, гребень пальца приведет к другому выходному напряжению, чем впадина пальца.

Процессор сканера считывает это выходное напряжение и определяет, является ли оно характеристикой хребта или впадины. Считывая каждую ячейку массива датчиков, процессор может составить общую картину отпечатка пальца, аналогичную изображению, полученному оптическим сканером.

Основное преимущество емкостного сканера заключается в том, что для него требуется реальная форма, похожая на отпечаток пальца, а не узор из света и тени, который создает визуальное впечатление от отпечатка пальца. Это затрудняет обман системы. Кроме того, поскольку в них используется полупроводниковый чип, а не блок ПЗС, емкостные сканеры, как правило, более компактны, чем оптические устройства.

В фильмах и телешоу автоматические анализаторы отпечатков пальцев обычно накладывают различные изображения отпечатков пальцев, чтобы найти совпадение. На самом деле, это не особенно практичный способ сравнения отпечатков пальцев. Размазывание может привести к тому, что два изображения одного и того же отпечатка будут выглядеть совершенно по-разному, поэтому вам редко удастся получить идеальное наложение изображений. Кроме того, использование всего изображения отпечатка пальца в сравнительном анализе требует большой вычислительной мощности, а также упрощает кражу данных печати.

Вместо этого большинство систем сканера отпечатков пальцев сравнивают определенные особенности отпечатка пальца, обычно известные как мелкие детали . Как правило, люди и компьютерные исследователи сосредотачиваются на точках, где линии гребня заканчиваются или где один гребень разделяется на два ( бифуркации ). В совокупности эти и другие отличительные признаки иногда называют типичными .

Программное обеспечение системы сканера использует очень сложные алгоритмы для распознавания и анализа этих мелочей. Основная идея состоит в том, чтобы измерить относительное положение мелких деталей таким же образом, как вы могли бы распознать часть неба по относительному положению звезд. Простой способ подумать об этом — рассмотреть формы, которые формируются различными мелочами, когда вы проводите прямые линии между ними. Если два отпечатка имеют три ребристых окончания и два бифуркации, образуя одну и ту же форму с одинаковыми размерами, высока вероятность того, что они принадлежат одному и тому же отпечатку.

Чтобы получить совпадение, системе сканирования не нужно находить весь образец мелких деталей как в образце, так и в отпечатке на записи, она просто должна найти достаточное количество шаблонов мелких деталей, которые являются общими для двух отпечатков. Точное количество зависит от программирования сканера.

Существует несколько способов, которыми система безопасности может проверить, что кто-то является авторизованным пользователем. Большинство систем ищут одно или несколько из следующего:

Чтобы обойти систему «что у вас есть», вам нужен какой-то «жетон», например удостоверение личности с магнитной полосой. Система «что вы знаете» требует от вас ввода пароля или PIN-кода. Система «кто вы есть» на самом деле ищет вещественные доказательства того, что вы являетесь тем, за кого себя выдаете — определенный отпечаток пальца, голос или рисунок радужной оболочки глаза .

Такие системы «кто вы есть», как сканеры отпечатков пальцев, имеют ряд преимуществ по сравнению с другими системами. Чтобы назвать несколько:

Но, какими бы эффективными они ни были, они, безусловно, не безошибочны, и у них есть серьезные недостатки. Оптические сканеры не всегда могут отличить изображение пальца от самого пальца, а емкостные сканеры иногда можно обмануть слепком пальца человека. Если бы кто-то получил доступ к отпечаткам авторизованного пользователя, он мог бы обмануть сканер. В худшем случае преступник может даже отрезать кому-нибудь палец, чтобы обойти систему безопасности со сканером. Некоторые сканеры имеют дополнительные датчики пульса и тепла для проверки того, что палец живой, а не слепок или расчлененный палец, но даже эти системы можно обмануть с помощью желатиновой формы для печати на реальном пальце. ( На этом сайте объясняются различные способы обмана сканера.)

Чтобы сделать эти системы безопасности более надежными, рекомендуется сочетать биометрический анализ с традиционными средствами идентификации, такими как пароль (аналогично банкомату требуется банковская карта и PIN-код).

Настоящая проблема с биометрическими системами безопасности заключается в степени ущерба, когда кому-то удается украсть идентификационную информацию. Если вы потеряете свою кредитную карту или случайно сообщите кому-то свой секретный PIN-код, вы всегда можете получить новую карту или изменить свой код. Но если кто-то украдет ваши отпечатки пальцев, вам не повезет на всю оставшуюся жизнь. Вы не сможете использовать свои отпечатки в качестве формы идентификации, пока не будете абсолютно уверены, что все копии уничтожены. Нет возможности получить новые отпечатки.

Но даже при этом существенном недостатке сканеры отпечатков пальцев и биометрические системы являются прекрасным средством идентификации. В будущем они, скорее всего, станут неотъемлемой частью повседневной жизни большинства людей, как сегодня ключи, карты для банкоматов и пароли.

Для получения дополнительной информации о сканерах отпечатков пальцев и других биометрических технологиях перейдите по ссылкам на следующей странице.

Статьи по Теме

Больше отличных ссылок