Виды и принцип работы сканера отпечатков пальцев в смартфоне

Оптические сенсоры

Существует три основных типа сканеров отпечатков пальцев: оптические, полупроводниковые и ультразвуковые. Несмотря на то, что в мобильных устройствах первыми стали использоваться полупроводниковые сенсоры, мы начнём с оптических сканеров, которые появились раньше.

Оптические сканеры, в свою очередь, также бывают трёх видов: измеряющие остаточный свет, измеряющие отражённый свет и бесконтактные датчики. Первый тип сканеров требует наличия внешнего освещения и измеряет количество прошедшего сквозь палец света в бороздках и выступах — как нетрудно догадаться, бороздки такой сканер увидит как более светлые места. В мобильных устройствах оптические сканеры, работающие на просвет, не применялись.

https://www.youtube.com/watch?v=https:accounts.google.comServiceLogin

Вторые два типа оптических сканеров схожи между собой тем, что имеют внутренний источник подсветки. Разница заключается в том, что сканеры, измеряющие отражённый свет, «видят» только бороздки пальца, поскольку они плотно прилегают к стеклу, а бесконтактные сканеры, фактически, создают полную фотографию отпечатка, а уже затем сравнивают её с эталоном.

К сожалению, информацию о том, какой именно тип оптического сканера используется в том или ином гаджете найти практически невозможно, но, в целом, первенство первого мобильного телефона с оптическим сенсором принадлежит упомянутому Pantech GI100.

С тех пор попытки внедрить оптические сканеры в смартфоны повторялись несколько раз — первым Android-смартфоном с таким сенсором (и дактилоскопическим сенсором вообще) стал Motorola Atrix 4G.

Оптические сенсоры довольно просты по своей конструкции, однако имеют ряд недостатков, включая низкую защищённость к муляжам. Но главной причиной отказа от подобных сканеров в смартфонах стали их большие габариты (даже несмотря на применение роликовых и протяжных механизмов), ведь им требуется полноценный оптический сенсор и подсветка.

Пока что этот тип сенсоров мало распространён, но всё указывает на то, что именно за ним будущее. Во-первых, как можно понять из названия, такие сканеры используют ультразвуковые волны, что ведёт к отсутствию необходимости использовать для датчика отдельную площадку — его можно встроить куда угодно, даже под дисплей.

Во-вторых, частота звука в таких сканерах настроена на отражение волн от человеческого тела, а это значит, что обмануть такой сенсор механическими способами пока что невозможно — такие методы ещё не найдены. Ну и, в-третьих, именно ультразвуковые сенсоры способны сканировать отпечатки в максимальном разрешении и даже создавать их трёхмерные модели — по точности и скорости срабатывания им нет равных.

Разработкой ультразвуковых сенсоров для использования в смартфонах занимается компания Qualcomm, которая назвала свою технологию Sense ID. Первым ультразвуковой сканер получил китайский смартфон LeTV Le Max Pro, а также их можно встретить во флагманской линейке Sony Xperia Z5. По слухам, сейчас к выпуску готовятся сразу несколько смартфонов разных компаний с такими сенсорами.

Принцип действия

Метод получения копии папиллярного узора зависит от типа сканера, который встроен в мобильное устройство. Однако любое устройство, вне зависимости от его типа, обеспечивает следующие операции – получение узора пальца, проверка его совпадения с рисунком из уже имеющейся базы данных. Наиболее распространены три типа:

1. Оптический. Этот считыватель наиболее часто применяется в смартфонах. Принцип работы аналогичен работе цифровых «мыльниц». Основой является матрица, которая состоит из светочувствительного диода и автономного источника питания. Попадание пучка света на светочувствительный фотодиод, вызывает образование электрического заряда, пропорциональный интенсивности потока. В результате получается «картинка» с участками разной освещённостью, которая является отображением отпечатка. Если яркость или чёткость, полученного узора недостаточна, то производится повторная проверка.
2. Ёмкостной. Работают аналогично сенсорному экрану. При прикосновении пальца происходит изменение ёмкости, которая затем преобразуется в напряжение. Выпуклости дают определённую разность потенциалов, впадины практически нет. На основании этого формируется точный рисунок.
3. Ультразвуковой. Как летучие мыши и дельфины ориентируются в пространстве при помощи эхолокации, так и данный датчик работает, используя звуковые волны. Источник постоянно отправляет импульсы в направлении экрана. Отражение волны от выпуклости и впадины происходит по-разному — различно время отражения. На основании этого составляется 3D картинка, которая повторяет папиллярные узоры пальца. Пока такие датчики не используются в мобильных устройствах, поскольку достаточно дорогие. Но работы ведутся.

Если сканирование отпечатка пальца происходит различными методами, то дальнейшая обработка информация одинакова. Она обрабатывается при помощи программного обеспечения, проводится его анализ, сравнение / сопоставление имеющихся в базе отпечатков с получившимся узором. Если получено полное совпадение, то идентификация проведена – вход в устройство разрешён.

Полупроводниковые сканеры

Полупроводниковые сенсоры используют свойство полупроводниковых материалов изменять свои характеристики при внешнем воздействии — температурном, физическом, электрическом. Первым карманным гаджетом с таким сканером отпечатков стал КПК HP iPAQ 5550. В нём использовался температурный сенсор, который реагировал на разницу температур между плотно прилегающим к сканеру папиллярным узором и самим сенсором.

Ещё два типа полупроводниковых сканеров, радиочастотные и чувствительные к давлению, довольно редки и в мобильных гаджетах пока не использовались. Радиочастотные сенсоры издают слабый радиосигнал, который отражается от папиллярного узора и попадает на чувствительную матрицу. Обмануть такой сенсор почти невозможно, но при плохом контакте пальца со сканером его работа будет неустойчивой.

Настоящую популярность в смартфонах получили ёмкостные сенсоры, причём не без помощи компании Apple. Несмотря на то, что сканеры отпечатков пальцев в смартфонах были и раньше, «яблочной компании» первой удалось реализовать компактный и быстрый сенсор, который, к тому же, имел бы удобное расположение.

Принцип работы таких сканеров похож на принцип работы ёмкостных сенсорных дисплеев: пальцы человека проводят электрический ток, который изменяет заряд микроскопических конденсаторов сенсора. Причём, папиллярный узор изменяет заряд сильнее, чем бороздки, что позволяет получить чёткое изображение отпечатка.

Довольно часто ёмкостные сенсоры в современных смартфонах называют оптическими, но это в корне неверно. Несмотря на то, что ёмкостные сканеры, как и оптические, используют КМОП-матрицы для обработки сигналов и конденсаторы для измерения разницы в воздействии на сенсор между бороздками и выступами, ёмкостные сенсоры не содержат фотодиодов и не нуждаются в подсветке, что делает их компактнее и быстрее.

Преимущества и недостатки такого способа доступа

Неоспоримым плюсом доступа от сканирования отпечатка пальца является обеспечение безопасности:

• Простота. Доступ осуществляется небрежным движением одного пальца.
• Сложность подделки или дублирования по сравнению с карточками.
• Невозможность подделки, случайного угадывания, вычисления или взлома, в отличии от pin-кода, пароля.
• Невозможность забыть, ошибиться при вводе, как это часто случается при вводе пароля.

Но, как и в любом, тем более достаточно новом способе доступа, есть свои минусы:

• 100% надёжность под вопросом. Люди, которые задались целью получить доступ могут использовать слепок фаланги пальца, фальшивку.
• Невозможность изменить свои отпечатки при несанкционированном доступе, как это легко сделать при смене пароля, pin-кода.
• Пока вызывает сомнение само шифрование, которое зависит от качества программного обеспечения, его «дыр».
• Проблемы авторизации пользователя могут вызвать раны, порезы на пальцах, загрязнение, царапины экрана. Любые, даже малые дефекты, могут затруднить доступ.
• Вы когда-нибудь задумывались – сколько человек до вас пользовались общественным сканером? Надо подходить к нему с дезинфицирующими салфетками.

Если возникли проблемы считывания

Если вы не можете войти в своё устройство, то не стоит ругать производителей. Может дело в следующем:

• У вас на руках влага, налёт жира.
• Произошёл сбой программного обеспечения, самого устройства. Требуется перезагрузка.
• Вы поранили, поцарапали палец, на нём след укуса насекомого или другой дефект.

Производители предусмотрели такие моменты, поэтому в любое устройство можно активизировать, воспользовавшись введением пароля, pin-кода. Как было сказано, данная технология защиты устройств потребительского уровня, довольно новая. Поэтому стандарты, протоколы по мере развития будут совершенствоваться, устраняться ошибки. Повысится точность настройки, будет улучшено качество шифрования, отработана защита данных, которая предотвратит кражу данных.

Безопасность хранения отпечатков

https://www.youtube.com/watch?v=ytaboutru

В настоящее время основная функция дактилоскопических сенсоров в смартфонах — безопасность. Причём, абсолютно во всех устройствах отпечатки пальцев используются только как дополнение к паролю, который всё равно потребуется вводить в случае ошибок распознавания, после перезагрузки гаджета и в некоторых других ситуациях.

Несмотря на это, если пароль вы можете задать любой, то отпечаток является уникальным, и его попадание в чужие руки может обернуться неприятностью. Это делает необходимым применение специальных методов защиты для образов отпечатков. Первая особенность этих методов — использование специального защищённого чипа или отдельной области в чипсете для хранения информации об отпечатках. Разные компании дали этой технологии свои названия: TrustZone (ARM), Secure Enclave (Apple) и Snapdragon Mobile Security (Qualcomm).

имея оригинал, можно точно сказать, соответствует ли он эталонной хэш-сумме, но если у вас есть только хэш-сумма, то восстановить по ней оригинал невозможно. Кроме того, для увеличения скорости срабатывания сенсора, возможности распознавания отпечатка под углом или даже по части отпечатка применяется не полное сравнение отпечатков, а по так называемым «деталям».

Заключение

В первых гаджетах с дактилоскопическими сенсорами своим отпечатком можно было разве что разблокировать устройство, да и сами аппараты не имели такой глубокой интеграции с различными сервисами, как современные смартфоны. Но сейчас отпечатки пальцев уже могут использоваться для доступа к защищённым областям памяти в устройствах, как подтверждение покупок в магазинах приложений и как средство авторизации в различных сервисах, включая банковские.

Всё идёт к тому, что пользователи мобильных устройств в скором времени забудут о паролях вовсе и даже вход на сайты в интернете будет производиться по отпечатку: браузеры уже умеют запоминать пароли и ничего не стоит научить их подставлять данные для аутентификации в нужные поля по отпечатку пальца.

Эта функция уже реализована в смартфонах Samsung, но работает только со стандартным браузером. Стандартизировать аутентификацию с помощью отпечатков пальцев собирается альянс FIDO, куда входит множество IT-компаний, включая Samsung, Microsoft, Qualcomm, ARM и многие другие. По задумке альянса, хранить пароли от web-сайтов в устройстве будет вообще не обязательно: компании предлагают создавать криптографический ключ на основе отпечатка, по которому удалённый сервер сможет вас авторизовать.

Пока авторизация на удалённых серверах находится только в планах FIDO, сторонние приложения на смартфонах уже могут получать доступ к функциям сканеров отпечатков. И Apple (начиная с iOS 8), и Google (начиная с Android 6.0 Marshmallow) уже открыли API (интерфейс, предоставляющий определённую функциональность сторонним программам) в своих операционных системах, которым может воспользоваться каждый разработчик.

Не всегда новая (или хорошо забытая старая) технология, однажды появившись в смартфоне, приобретает популярность. Так было с 3D-дисплеями и 3D-камерами, «ультрапикселями» и смартфонами с изогнутыми корпусами. Но сканеры отпечатков пальцев ждёт другая судьба и с каждым годом они всё больше входят в нашу жизнь.

Главная причина этого заключается в том, что это «фишка» внедрена не для того, чтобы ей можно было похвастаться перед друзьями, а для того, чтобы решать конкретные задачи — делать использование смартфонов проще, ускорять процесс разблокировки и ввода паролей, а ведь время всегда остаётся наиболее ценным ресурсом.

https://www.youtube.com/watch?v=ytpolicyandsafetyru

Автор текста: Владимир Терехов