Как работает сканер отпечатков пальцев на экране?

Ультразвуковые 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.

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.

Как работает сканер отпечатков пальцев в экране?

Перед использованием сканера необходимо сохранить отпечаток пальца в памяти устройства. Для этого нужно открыть настройки, приложить палец к экрану и подождать, пока смартфон обработает информацию. Впоследствии для разблокировки системы будет достаточно единственного прикосновения к сенсору.

Как работает распознавание? Смартфон регистрирует прикосновение к экрану, обрабатывает отпечаток и сверяет его с образцом, хранящимся во внутренней памяти. Благодаря использованию специальных программных алгоритмов точность распознавания очень высокая. Через доли секунды телефон разблокируется, и владелец сможет успешно войти в систему.

Перед началом эксплуатации смартфона нужно приложить палец к экрану аппарата, чтобы отпечаток сохранился в памяти. Для этого заходят в настройки, в раздел безопасности устройства, выбирают в качестве способа разблокировки отпечатки пальца. В дальнейшем, чтобы разблокировать девайс, будет достаточно прикоснуться к определенной области дисплея. Смартфон каждый раз сверяет отпечаток пальца, который приложили, с сохранённым в памяти.

В сканерах отпечатков пальцев имеются две основные функции. При помощи первой из них сканер считывает изображение отпечатка, в то время как вторая функция проверяет совпадение отпечатка с существующими в базе данных. Практически во всех современных смартфонах применяются оптические сканеры. Принцип их работы схож с цифровыми фотоаппаратами.

Когда свет попадает на считываемый папиллярный рисунок, с помощью фотодиодов появляется электрический заряд, в результате чего отдельно взятый пиксель запечатлевается на будущем снимке. С помощью пикселей различной интенсивности на сканере образуется снимок отпечатка пальца. Кроме того, перед тем как сверить отпечаток с базой данных, сканер осуществляет проверку качества снимка.

После получения снимка отпечатка его анализирует специальное программное обеспечение с помощью сложных алгоритмов. К слову, происходит анализ трёх типов узоров отпечатка: дугового, петлевого и завиткового. После того, как ПО определило тип узора, происходит идентификация окончаний линий узоров (разрывы или раздвоения, которые называются минуциями), ведь именно они являются неповторимыми и с их помощью можно осуществить идентификацию владельца устройства.

Дальше идет довольно сложный анализ, в рамках которого сканер анализирует положение минуций по отношению друг к другу, с разбитием отпечатка на микроблоки. Примечательно, что в процессе сопоставления сканер не анализирует отдельно взятую линию узора. Сканер определяет совпадение в отдельных блоках и по ним определяет сходство.

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.

Как меняются сканеры?

На сегодняшний день начинают появляться смартфоны, которые способны фиксировать отпечаток в любой точке экрана. Технология пока тестируется и дорабатывается. Скорее всего, в ближайшем будущем площадь покрытия датчика будет постепенно увеличиваться.

Наиболее простой технологией считается оптическая, которая подразумевает сканирование рисунка для дальнейшего сравнения с сохранённым в памяти. Такой способ – дешёвый, но в то же время производителям нелегко встроить датчик в тачскрин. Главным минусом называют низкий уровень безопасности смартфона, потому что создать подделку отпечатка не составит большого труда. Ещё одним недостатком является восприимчивость к загрязнению.

Одной из последних технологий является сканированием ультразвуком. Способ получил название 3D Sonic sensor и впервые был представлен в 2015 году. В устройство встраивается излучатель волн, который срабатывает при касании. Отраженные волны позволяют создать 3D-карту пальца владельца аппарата, тем самым значительно уменьшая риск взлома.

Недостатки сканера в экране

Несмотря на удобство использования и высокий уровень защиты информации, экранные сканеры отпечатков пальцев обладают несколькими недостатками. Во-первых, после появления царапин на дисплее модуль начинает работать нестабильно. Во-вторых, при наклеивании защитной пленки скорость распознавания может снизиться, возможно, иногда придется прикладывать палец несколько раз.

Несмотря на ряд преимуществ, среди которых легкость в использовании и повышенный уровень защиты данных, датчики отпечатков пальцев страдают некоторыми недостатками.

С появлением царапин на тачскрине система распознавания отпечатков работает нестабильно. Кроме того, при использовании защитной пленки процесс регистрации отпечатков замедляется.

Бывает, что владелец вынужден прикасаться к устройству помногу раз. Комфортные условия для эксплуатации подобного сенсора предполагают отсутствие препятствий между пальцем и датчиком, а поверхность экрана должна быть чистой, без каких-либо повреждений.

Безопасность хранения отпечатков

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».

Универсальный ключ

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.

Автор текста: Владимир Терехов