Сканер отпечатка пальца на смартфоне. Как работает и что лучше – емкостный, оптический или ультразвуковой?
Оценка этой статьи по мнению читателей:
4.9
(102)
Подумать только, еще каких-то 5-6 лет назад сканеры отпечатков пальцев можно было встретить лишь на самых дорогих флагманских смартфонах, да и те работали крайне плохо. Вспомнить хотя бы сканер на Samsung Galaxy S5, по которому нужно было проводить пальцем, повторяя безуспешно раз за разом одно и то же движение.
А сегодня эти датчики установлены даже на самых бюджетных аппаратах и работают они просто безупречно! Правда, не всегда. И ситуация становится сложнее еще от того, что цена смартфона не прямо пропорциональна качеству, надежности и стабильности используемого сканера отпечатков пальцев.
Так в чем же дело? Чем отличаются современные сканеры и как они работают? Обо всем этом мы и поговорим дальше.
Виды современных сканеров отпечатков пальцев
Сегодня на смартфонах используется 3 основных вида сканеров: емкостные, оптические и ультразвуковые.
Отличаются они способом получения картинки и каждый из них имеет свои преимущества и недостатки.
Но прежде, чем поговорить о сканерах, позвольте задать простой вопрос — что же именно эти сканеры пытаются сканировать? Очевидный и не совсем правильный ответ — отпечаток пальца. На самом деле, сканировать и анализировать большой отпечаток не совсем удобно и эффективно.
Во-первых, пользователь прикладывает каждый раз палец к сканеру по-разному. Иногда датчику удается захватить лишь небольшую часть пальца, также результат будет отличаться от силы, с которой прижимается палец к сканеру. Более того, небольшие порезы или другие травмы могут незначительно изменять общую картинку. И, тем не менее, смартфон успешно разблокируется.
Во-вторых, смартфоны не хранят фотографии ваших отпечатков и не накладывают при каждом сканировании сделанный снимок на сохраненную ранее копию.
Вместо этого в каждом отпечатке смартфон пытается найти определенные уникальные признаки или контрольные точки.
Если внимательно посмотреть на сам отпечаток, то помимо знакомых нам линий (называются они папиллярным узором), можно заметить другие интересные вещи:
Как видим, на отпечатке одни линии разветвляются, другие просто прерываются, а третьи выглядят как небольшие островки. Все это можно изобразить схематически следующим образом:
Смартфон пытается найти такие особые точки (их называют минуциями) на каждом конкретном отпечатке. Минуции являются уникальными признаками и один отпечаток может содержать более 70 минуций.
Соответственно, чем выше качество сканирования и чем большее число раз пользователь сканирует один и тот же отпечаток, немного смещая палец в стороны, тем большее количество минуций получает смартфон для дальнейшего анализа. Зачастую, именно эти особые признаки, а не снимки отпечатков, и сохраняются.
Вся разница между различными типами сканеров отпечатков пальцев заключается в том, каким именно образом они получают снимок пальца для дальнейшей работы:
- Емкостный сканер использует для этого электричество
- Ультразвуковой сканер использует звук
- Оптический сканер получает изображение с помощью света
Теперь давайте немного подробнее остановимся на каждом из них.
Емкостный сканер отпечатка пальца
Такой сканер состоит из множества крошечных токопроводящих пластин, толщина которых меньше, чем линии узора отпечатков пальцев. Такие пластины образуют конденсаторы, хранящие определенный заряд.
Наше тело способно проводить ток и когда палец прикасается к поверхности сканера, заряд, накопленный на конденсаторе, изменяется. Причем, в одних точках кожа будет соприкасаться со сканером, а в других — нет. Ведь папиллярный узор отпечатка — это выступающие гребни и впадины между ними. Соответственно, там где между сканером и пальцем появляются микрозазоры и в тех частях, где узор отпечатка своими выступами непосредственно соприкасается со сканером, будет получаться разная емкость конденсаторов:
Смартфон считывает все ячейки и определяет по напряжению, находилась ли возле каждого конкретного конденсатора канавка (пустота) или же это был выступ и кожа соприкасалась с поверхностью сканера. Так и собирается общая картина отпечатка.
Преимущества емкостных сканеров отпечатков пальцев
В принципе, это лучшие сканеры по совокупности всех характеристик.
Они стоят дешево в производстве, технология уже достаточно древняя и хорошо обкатана. Такие сканеры не просто делают двухмерный (плоский) снимок, а сканируют трехмерный объект, учитывая выступы и углубления на пальце.
Скорость работы емкостных сканеров очень высокая. На тех же iPhone’ах сканер Touch ID работает просто мгновенно. Ощутить задержку невозможно.
Обмануть такие сканеры тяжело. Стабильность работы очень высокая, палец не обязательно должен быть очень чистым и сухим.
Так что же с ними не так? Почему эти сканеры устанавливаются лишь на бюджетных Android-смартфонах?
Недостатки емкостных сканеров
Прежде всего, емкостные сканеры бывают разными. Чем больше ячеек внутри сканера, тем выше его «разрешение» и тем быстрее работа. В бюджетных устройствах могут устанавливаться самые дешевые сканеры с очень низким разрешением. Но, это не главная проблема.
Основной «недостаток» емкостного сканера отпечатка пальца заключается в том, что его нельзя разместить в экране (или под экраном).
Современные технологии изменили внешний вид смартфонов и теперь всю лицевую панель занимает дисплей. Соответственно, места для сканера попросту не хватает.
Некоторые производители размещают такой сканер на боковой грани, совмещая его с кнопкой питания (Honor 20, Galaxy S10e, Sony Xperia 1). Но в основном емкостные сканеры находятся сзади. А это удобно не во всех ситуациях. К примеру, когда смартфон лежит на столе, нужно обязательно брать его в руки, чтобы добраться до датчика (или пользоваться другими методами разблокировки).
Совместить такой сканер с дисплеем — задача очень трудная, так как сам дисплей использует ровно ту же технологию для отслеживания прикосновений. Ведь современные сенсорные экраны — это именно емкостные экраны.
Оптический сканер отпечатка пальца
Оптические сканеры работают совершенно по другому принципу. По сути, оптический сканер — это черно-белая камера, спрятанная под экраном и делающая снимок отпечатка, когда палец прикасается к дисплею.
Естественно, прикасаться нужно лишь в определенной области экрана — именно там, где расположена «скрытая камера».
Реализовать такую технологию можно только на AMOLED-экранах, так как эти дисплеи, по сути, являются полупрозрачными, что позволяет размещать за ними всевозможные датчики, начиная от сканеров отпечатков до датчиков приближения/освещения или даже селфи-камер.
В принципе, IPS-матрицы ровно такие же полупрозрачные и под ними также можно было бы что-то разместить, если бы не потребность в подсветке. Дело в том, что каждая точечка (пиксель) AMOLED-экрана сама по себе излучает свет, когда на нее подается напряжение. А в IPS-дисплеях пиксель представляет собой, грубо говоря, цветную стекляшку, через которую должен пройти внешний свет.
И если мы разместим сканер отпечатков (камеру) за сеточкой OLED-пикселей, тогда и мы будем видеть изображение, и сканер сможет увидеть что-то через экран. А если мы разместим сканер за сеточкой IPS-пикселей, тогда сама камера загородит собой подсветку, которая размещается сзади экрана.
И мы будем видеть черное пятно на рабочем дисплее. Если же разместить сканер сзади лампы, тогда сканер не будет видеть ничего, так как подсветка-то не прозрачная.
Преимущества оптических сканеров отпечатков пальцев
Основное преимущество оптического сканера заключается в том, что его можно размещать под экраном. Качество и скорость сканирования зависит как от разрешения матрицы, так и от прозрачности стекла (качества покрытия и пр.).
Недостатки оптического сканера
Первые оптические сканеры отличались медленной скоростью работы и низкой стабильностью. Современные оптические сканеры приблизились по скорости к емкостным, возросла и стабильность. На подавляющем большинстве смартфонов установлены оптические сканеры одного и того же производителя — компании Goodix.
Тем не менее, у оптических сканеров есть свои проблемы. Все, что может помешать сделать четкий снимок, будет влиять на скорость и стабильность распознавания. Это влага, мелкая грязь и пр.
Также эти сканеры в теории легче обмануть, чем емкостные и ультразвуковые, так как они работают с плоским двухмерным изображением, как любая камера. С другой стороны, яркая подсветка позволяет не только увидеть папиллярные узоры на пальце, но и зафиксировать пульсацию крови, тем самым убедившись, что сканируется именно палец.
Пример работы оптического сканераЭту же подсветку можно считать и недостатком оптических сканеров. Ночью яркий зеленый свет может вызывать определенный дискомфорт, так как иногда палец не полностью закрывает датчик и яркий свет режет глаза.
И последним недостатком оптических сканеров является их капризность к защитным стеклам. Толщина и материалы защитных пленок/стекол могут влиять на скорость и стабильность распознавания отпечатков.
Ультразвуковой сканер отпечатка пальцев
Ультразвуковые сканеры появились на смартфонах позже всех. Первый ультразвуковой датчик отпечатков был представлен вместе с Samsung Galaxy S10 в начале 2019 года.
С тех пор, Samsung использовала его в линейках Galaxy Note10 и Galaxy S20.
На данный момент только Qualcomm занимается ультразвуковыми сканерами для смартфонов, но делает это далеко не так активно, как другие компании, разрабатывающие оптические датчики. Уже прошло 3 поколения смартфонов (S10/Note10/S20), а датчик практически не менялся. Это одна и та же модель — 3D Sonic.
В конце 2019 года Qualcomm представила новое поколение ультразвуковых сканеров — 3D Sonic Max. Многие ожидали увидеть его уже в Galaxy S20, но этого не случилось и теперь ближайшим претендентом является Galaxy Note20.
Несмотря на то, что ультразвуковые сканеры пришли на смартфоны позже всех, сама технология используется очень давно в других отраслях. Сканирование отпечатка происходит при помощи ультразвука. Грубо говоря, каждый раз прикладывая палец к ультразвуковому сканеру, вы делаете его УЗИ.
Принцип работы тот же и построен он на пьезоэлектрическом эффекте. Что еще за спецэффект такой — спросите вы? Все просто! В природе есть такие вещества, которые, если их слегка деформировать, будут генерировать электрический заряд.
И наоборот, если на них воздействовать электрическим полем, они начинают деформироваться. Такие вещества называются пьезоэлектриками, а описанный эффект — пьезоэлектрическим.
К слову, именно благодаря такому эффекту работают кварцевые часы. Если подавать небольшое напряжение от батарейки на кварц, он начинает вибрировать с определенной частотой (десятки тысяч раз в секунды). Это позволяет легко отсчитывать время. К примеру, отсчитали 32000 колебаний — секунда прошла. Начинаем считать следующие ~32 тысячи колебаний.
Но причем здесь кварцевые часы? При том, что в основе ультразвукового сканера лежит такой же пьезоэлектрик. Подавая на него напряжение, он начинает вибрировать с огромной частотой, генерируя при этом звуковые волны. Мы их не слышим, так как частота очень высокая, но, некоторые животные вполне способны услышать работу ультразвукового сканера отпечатков пальцев.
Эти волны распространяются через защитное стекло экрана и сталкиваются с препятствием — нашим пальцем.
Одни волны отразятся еще от стекла и вернутся на пьезоэлектрик, другие — пройдут чуть дальше и столкнутся с бугорками (выступами) нашего отпечатка и снова вернутся на сканер, остальные волны пойдут дальше и заполнят пространство между впадинами отпечатка и стеклом, а затем снова отразятся и вернутся на датчик.
Возвращаясь на пьезоэлектрик, волна «ударяет» по его поверхности и с обратной стороны появляется электрический заряд.
Преимущества ультразвуковых сканеров отпечатков пальцев
Преимуществ у них много. Прежде всего, это безопасность (в теории). Так как сканируется именно трехмерная модель пальца. Если прикладывать картинку, волны будут просто отражаться от плоского объекта, «рисуя» светлое пятно на датчике. Чтобы появилось изображение отпечатка, сканировать нужно настоящий палец, со всеми выступами, бугорками и впадинками.
Более того, ультразвук не останавливается на внешней оболочке пальца и проникает в глубь. Получается, можно ввести дополнительную защиту от всяких муляжей и сканировать только настоящий палец.
Также ультразвуковые сканеры могут размещаться где угодно, так как ультразвук легко проходит не только через стекло. И, что немаловажно, пальцы не должны быть идеально сухими или чистыми. Небольшая грязь или жидкость не являются помехой для звуковых волн.
Недостатки ультразвукового сканера
Несмотря на все перечисленные преимущества, в реальной жизни все не так гладко. Первый ультразвуковой сканер 3D Sonic от Qualcomm работает заметно медленнее, чем современные оптические аналоги. А новое поколение сканеров до сих пор не выпущено.
Кроме того, многие слышали нашумевшую историю о том, как смартфоны Galaxy S10 и Galaxy Note10 можно было легко взломать, просто положив между пальцем и экраном кусок гидрогелевой защитной пленки. После этого можно было прикладывать любой палец и ультразвуковой сканер моментально разблокировал смартфон. Это повлекло за собой серьезный скандал и некоторые банки запретили работу своих приложений на смартфонах Samsung с ультразвуковыми сканерами.
Конечно, в конце прошлого года Samsung выпустила обновление, исправляющее столь странное поведение. Но осадок остался.
В любом случае, сегодня выбор между ультразвуковым и оптическим сканером не стоит, так как ультразвуковые датчики используются только на флагманах Samsung, начиная с Galaxy S10. На всех остальных смартфонах установлены оптические сканеры отпечатков пальцев.
На работу ультразвуковых сканеров также влияют защитные стекла и некоторые пленки, рассеивающие и частично гасящие звуковую волну.
Вместо заключения…
Попытки обойти любую биометрическую защиту делаются постоянно. Они же и позволяют разработчикам улучшать датчики и алгоритмы.
Любой современный сканер отпечатков пальцев достаточно надежен для того, чтобы обеспечить защиту финансовым данным. Любая платежная система на смартфонах позволяет использовать именно отпечатки пальцев. И делать выбор, исходя из соображений безопасности, не имеет никакого смысла. Емкостные, ультразвуковые и оптические сканеры справляются со своей задачей одинаково хорошо.
Если говорить о скорости и стабильности работы, то лучшим вариантом на сегодня остается емкостный сканер (на флагманских смартфонах), после которого идут современные оптические сканеры и уже затем упомянутый ультразвуковой 3D Sonic.
Apple также не будет оставаться долго в стороне от прогресса. Рано или поздно, в iPhone появится датчик отпечатка пальцев в экране. Те, кто следят за патентами компании, знают, что Apple ведет подобные разработки уже много лет.
P.S. Не забудьте подписаться в Telegram на наш научно-популярный сайт о мобильных технологиях, чтобы не пропустить самое интересное!
Если вам понравилась эта статья, присоединяйтесь к нам на Patreon – там еще интересней!
Как бы вы оценили эту статью?
Нажмите на звездочку для оценки
Внизу страницы есть комментарии…
Напишите свое мнение там, чтобы его увидели все читатели!
Если Вы хотите только поставить оценку, укажите, что именно не так?
Как работает сканер отпечатков в телефоне и какими они бывают
Еще 3-4 года назад мы смотрели, как кто-то прикладывает палец к экрану телефона и тот разблокируется, как на что-то фантастическое.
Сейчас этим никого не удивишь даже в бюджетных моделях. Благодаря таким технологиям сканирования, именно отпечаток пальцев до сих пор остается главным ключом к данным, хранящимся в телефоне. Мало кто задумывается, что такие сканеры бывают разными. Они по-разному работают, имеют разную скорость отклика и обработки, а так же обеспечивают разный уровень безопасности. Давайте разберемся, чем они отличаются и какой лучше выбрать.
Основных типов сканеров отпечатков в смартфонах три.
Содержание
- 1 Какие сканеры отпечатков пальцев бывают
- 2 Почему надо несколько раз сканировать отпечаток
- 3 Какой сканер отпечатков для телефона лучше
- 3.1 Ультразвуковой сканер отпечатков
- 3.2 Оптический сканер отпечатков в телефоне
- 3.3 Емкостный сканер отпечатков
Какие сканеры отпечатков пальцев бывают
Сканеры отпечатков пальцев можно разделить на три типа: оптические, емкостные, ультразвуковые. Дальше надо понимать, что сам по себе сканер не разблокирует телефон.
Он лишь запускает сложный механизм, в основе которого лежит сообщение о том, что экрана коснулся палец с такими-то параметрами. Дальше данные сопоставляются с эталонными, а система безопасности принимает решение о разблокировке.
Говоря о том, что сопоставляются именно данные, а не картинка пальца, я не ошибаюсь. Точная фотография может не совпадать, ведь палец можно приложить под разным углом и с разным нажимом, а на нем могут быть повреждения или жирный налет от чебурека. Поэтому система сверяет именно данные контрольных точек, которые все равно уникальны для каждого человека. Особенно, если взять их побольше.
Приложил палец и готово. Это позволяет нам не вводить пароли. но быть в безопасности.
Почему надо несколько раз сканировать отпечаток
Поэтому нас и просят приложить палец несколько раз, чтобы найти и зафиксировать как можно больше уникальных особенностей. Их количество может переваливать за сотню, если все сделано правильно.
В начале я уже сказал, что типов датчиков может быть три. Время от времени в разных моделях доминируют то одни, то другие. Ультразвуковой сенсор работает за счет сканирования рельефного узора кожи при помощи ультразвука.
Как безопасно пользоваться Wi-Fi в кафе, транспорте и на улице.
Какой сканер отпечатков для телефона лучше
Ультразвуковой сканер отпечатков
Этот тип сканирования пальца в телефонах самый молодой. Он применяется всего около трех лет, а благодарить за его появление стоит компанию Qualcomm, которая позволила установить его в телефон своего давнего партнера — Samsung. Это была модель Galaxy S10.
Galaxy S10 — первый телефон с ультразвуковым сканером отпечатков.
Чтобы телефон мог сканировать отпечатки при помощи ультразвука, его оснащают пьезоэлектриком. Он имеет непосредственную связь между электрическим током и формой. То есть, если на него нажать, то вырабатывается заряд. А если воздействовать на него электрическим полем, то он сам меняет форму.
Перед сканированием отпечатка датчик начинает вибрировать с высокой частотой. В результате появляются ультразвуковые волны, которые проходят через стекло, по-разному отражаются от рельефа пальца и возвращаются обратно. Создавая давление на пьезоэлектрик, они заставляют его создавать уникальное электрическое поле, соответствие которого эталонному и говорит о том, что перед экраном палец хозяина.
Такой способ позволяет строить объемную модель отпечатка, прежде чем ”брать его в работу”. То есть его почти невозможно обмануть, что и является его преимуществом перед, например, оптическим датчиком.
Почему не работает сканер отпечатков пальцев.
Оптический сканер отпечатков в телефоне
Последний, как не сложно догадаться из названия, работает с изображением, которое в черно-белом снимается через стекло. Это если совсем просто, но в реальности некоторые особенности будут сложнее.
Такие сканеры совместимы только с OLED-экранами.
И размещаются только в строго определенном месте. А еще для их работы экран в зоне контакта подсвечивает палец, чтобы датчик лучше ”увидел” его.
В экран можно встроить только оптический сканер.
Первые модели оптических сканеров не отличались скоростью работы, но сейчас начали работать не только быстро, но и стабильно. Правда, качество их работы до сих пор сильно зависит от качества стекла, состояния пальца и грязи или воды, которые есть между ними. Это все сильно влияет на процесс сканирования и в какой-то момент может привести к тому, что оно будет просто невозможным.
Емкостный сканер отпечатков
Третий тип сканеров самый старый и применяется в телефонах уже довольно давно. Но его преимуществом перед оптическими сканерами является то, что наравне с ультразвуковыми, они создают объемный скан пальца, а из-за того, что работает он только с ”живым” пальцем, как и сенсорный экран, использование любых заменителей просто невозможно.
5 фишек клавиатуры Samsung, о которых вы должны знать.
В основе такого сенсора лежат токопроводящие пластины очень маленького размера. Они меньше линий папиллярного узора пальца. В пластинах хранится заряд тока, который меняется, когда вы подносите палец. Наше тело проводит через себя этот небольшой ток и тем самым меняет картину на сенсоре в тех метах, где его касаются выступы узора пальца. Это изменение сравнивается с эталонным и, если все правильно, смартфон разблокируется.
Сканеры отпечатков до сих пор являются самым популярным способом разблокировки.
Такие сканеры относительно простые в производстве и стоят не так дорого, как оптические или ультразвуковые. Кроме этого, они срабатывают быстрее остальных и для них не являются помехой, скажем, мокрые руки.
К сожалению, такой сканер нельзя встроить в экран, так как они будут мешать работе друг друга. А еще некоторые производители экономят и используют сенсоры с меньшим количеством пластин. В результате разрешение сканирования становится ниже, а сам процесс тормозит или становится менее безопасным.
Даже сейчас, когда технологии уже показали свои плюсы и минусы, а производители научились делать их хорошо, говорить о том, что какой-то сканер лучше остальных бессмысленно. Для каждого есть своя сфера применения и свои плюсы/минусы. Поэтому просто интересуйтесь, какой сканер установлен в выбранном вами телефоне. Запомните преимущества и недостатки каждого, а заодно поделитесь статьей с друзьями, вдруг они тоже не задумывались о том, насколько важен правильный выбор сканера отпечатков.
Технология считывания отпечатков пальцев: оптическая, емкостная и мультиспектральная
Технология считывания отпечатков пальцев является одним из самых популярных биометрических способов проверки личности людей. Отпечатки пальцев были впервые использованы в Китае в 700 году нашей эры, и до сих пор не было обнаружено двух идентичных отпечатков пальцев. Отпечатки пальцев уникальны даже для идентичных близнецов, что делает биометрию отпечатков пальцев очень точным и надежным методом проверки личности.
Сопоставление отпечатков пальцев сравнивает уникальные функции, такие как характеристики гребней или мелких деталей, которые находятся в шаблоне отпечатка.
Процесс обнаружения отпечатка пальца обычно состоит из захвата изображения отпечатка пальца, извлечения отличительных признаков отпечатка пальца и последующего сохранения цифрового шаблона отпечатка пальца или сравнения текущего изображения с сохраненными шаблонами отпечатка пальца.
Что такое сканер отпечатков пальцев?
Электронное устройство, записывающее цифровое изображение отпечатка пальца, известно как считыватель отпечатков пальцев. Захваченное изображение известно как живое сканирование, которое затем обрабатывается в цифровом виде. Извлекаются отличительные признаки и создается биометрический шаблон отпечатка пальца. Этот биометрический шаблон сохраняется и будет использоваться для сопоставления позже.
Сканер отпечатков пальцев имеет много преимуществ по сравнению с традиционными механизмами идентификации и обеспечивает более высокий уровень безопасности бизнеса.
Организации получают различные преимущества от внедрения считывателя отпечатков пальцев, такие как надежная проверка биографических данных сотрудников, безопасный доступ к объектам и активам и защита конфиденциальных данных. Существует много типов технологий датчиков отпечатков пальцев. Мы будем обсуждать следующие три типа датчиков, а именно оптические отпечатки пальцев, емкостные отпечатки пальцев и мультиспектральные изображения.
Что такое оптические сканеры и как они работают?
Оптические сканеры — это распространенные типы сканеров отпечатков пальцев, в которых для освещения пальца используется светодиод. Датчик обнаруживает и создает изображение отпечатка пальца, определяя светлые и темные области, созданные гребнями отпечатка пальца. Процесс сканирования начинается, когда человек кладет палец на стеклянную пластину, известную как сенсорная поверхность.
Оптические датчики в основном используют два типа детекторов – устройства с зарядовой связью (ПЗС) и оптические формирователи изображений на основе КМОП.
ПЗС-детекторы очень чувствительны к низким уровням освещенности и, таким образом, способны создавать превосходные изображения в оттенках серого. Генерируется перевернутое изображение пальца, где более темные области представляют больше отраженного света, а более светлые области представляют меньше отраженного света. Более темные области на самом деле являются гребнями пальцев, а более светлые области — впадинами между гребнями.
Перед сравнением отпечатка пальца человека с сохраненным шаблоном процессор сканера гарантирует, что ПЗС-матрица захватила четкое изображение. Он проверяет различные атрибуты, такие как средняя темнота пикселя или общие значения в образце. Скан будет отклонен процессором, если общее изображение слишком темное или слишком светлое. В таком случае время экспозиции настраивается сканером, чтобы пропустить больше или меньше света, и он снова попытается отсканировать отпечаток пальца. Когда уровень темноты достаточен, сканер проверит четкость изображения, чтобы определить резкость отсканированного отпечатка пальца.
Процессор сканера ищет множество горизонтальных и вертикальных прямых линий, движущихся по изображению. Линия, проходящая перпендикулярно гребням и состоящая из участков, чередующихся между очень темными и очень светлыми пикселями, означает, что изображение отпечатка пальца имеет хорошее разрешение. Процессор сканера продолжает сравнивать захваченный отпечаток пальца с сохраненным шаблоном, если обнаруживает, что захваченное изображение четкое и правильно экспонировано.
Однако устройства с зарядовой связью относительно дороги в производстве, и, кроме того, распознавание отпечатков пальцев не требует чувствительности при слабом освещении или изображения в оттенках серого. С другой стороны, оптические формирователи изображений на основе КМОП могут быть изготовлены с меньшими затратами. Формирователи изображений CMOS производятся в больших количествах, и некоторые этапы обработки изображений встроены в чип, что объясняется его более низкой стоимостью.
Вот наш список некоторых популярных оптических сканеров, доступных на рынке: SecuGen Hamster Plus, Digital Persona U.
are.U 4500, Fingkey Hamster DX, Suprema BioMini и Cross Match Verifier 300.
Факторы, влияющие на качество изображения в оптических датчиках
На качество изображения отпечатка пальца, полученного оптическими датчиками, могут влиять многие факторы реального мира. Эти факторы могут включать рассеянный свет от другого источника или загрязнение поверхности, такое как отпечаток пальца, оставленный предыдущим пользователем. Другими факторами, влияющими на качество изображения, являются масло, грязь, конденсат или лед, а также любые царапины на поверхности.
По сравнению с другими типами сканеров оптические сканеры относительно легко обмануть с помощью поддельных отпечатков пальцев, представив убедительное изображение отпечатка пальца. Таким образом, производители оптических сканеров представили множество методов, которые могут проверять живой палец. Одним из таких методов является электрооптическая визуализация, которая улучшает оптические датчики и повышает их устойчивость к обману.
При электрооптической визуализации на светоизлучающую полимерную пленку подается напряжение. Когда человек кладет палец на датчик, гребни отпечатков пальцев представляют собой землю на поверхности полимера, которая создает небольшой ток и генерирует свет. Это дает высококонтрастное изображение, поскольку долины отпечатка пальца остаются темными, а полимер напрямую связан с оптическим детектором.
Что такое емкостные сканеры отпечатков пальцев и как они работают?
Емкостное сканирование — еще один распространенный способ захвата изображений отпечатков пальцев, в котором вместо света для восприятия изображения используется электрический ток. Процесс емкостного сканирования использует массив конденсаторных пластин для захвата изображения отпечатка пальца. Подобно оптическим сканерам, этот процесс также создает изображение гребней и впадин, составляющих отпечатки пальцев. Кожа человека обладает достаточной проводимостью и способна обеспечить емкостную связь в сочетании с отдельным емкостным элементом на решетке.
Физические гребни отпечатка пальца ближе к пластинам конденсатора и имеют более высокую емкость, тогда как впадины отпечатка пальца, т.е. подкожный слой, имеют более низкую емкость. Некоторые емкостные датчики могут подавать небольшое напряжение для усиления сигнала, в результате чего изображение становится более контрастным. Емкостной датчик способен измерять наименьшие различия в проводимости, вызванные наличием выступов.
Электростатический разряд, такой как удар, может мешать работе сканера этого типа, но на него не влияет окружающее освещение. Более того, емкостные сканеры отпечатков пальцев лучше противостоят загрязнениям, чем некоторые оптические сканеры. Также довольно сложно обмануть этот сканер, используя качественную фотографию отпечатка пальца, а не реальный палец. Но емкостные сканеры можно обмануть, используя форму кончика пальца человека.
Сравнение оптических и емкостных считывателей отпечатков пальцев
Тип датчика в оптическом сканере — оптический, как следует из названия.
В оптических сканерах поверхность сенсора не требует специальной обработки или обслуживания. Оптические датчики очень долговечны по своей природе. Они устойчивы к царапинам, а стеклянная пластина изготовлена из небьющегося материала, такого же твердого, как кварц. Оптические сканеры также устойчивы к ударам, экстремальным погодным условиям и электростатическим разрядам. Они спроектированы так, чтобы хорошо работать в условиях интенсивного движения, а также в суровых условиях или на открытом воздухе. Он имеет большую область изображения, что приводит к увеличению изображения, а также к более высокому разрешению. Стоимость изготовления оптических сканеров ниже. Он также имеет долгий срок службы и практически не требует обслуживания.
Емкостный сканер имеет полупроводниковый или чиповый датчик. Покрытия на поверхности емкостных сканеров неровные и со временем изнашиваются. Это приводит к снижению производительности, а также сокращает срок службы изделия. Емкостные датчики обычно нуждаются в некоторой обработке поверхности, такой как ESD и другие защитные покрытия.
Эти датчики не так долговечны, как оптические датчики, и могут быть повреждены электростатическим разрядом. Многократное обращение и ежедневное воздействие могут легко вызвать коррозию поверхности. Кроме того, кремниевые чипы тонкие и по своей природе хрупкие и могут быть повреждены сильными внешними воздействиями и царапинами. Емкостный сканер обычно имеет меньшую область изображения по сравнению с оптическим сканером, что приводит к меньшему размеру изображения с более низким разрешением. Производить поверхностные покрытия стабильного качества дорого. Также могут быть другие расходы, такие как замена, простои и расходы на техническое обслуживание.
Уязвимость оптических и емкостных сканеров к атакам датчиков отпечатков пальцев
Оптические датчики могут быть обмануты скрытыми отпечатками, т. е. отпечатками, остающимися после прикосновения реального пальца к сенсорной пластине. Скрытые отпечатки обычно образуются из-за пота, остатков кожи или других сальных выделений, покрывающих ладонные поверхности кончиков пальцев.
Если на стекле оптического сенсора находится скрытый отпечаток и на него направлен свет, этот отпечаток может обмануть оптический сканер. Это происходит потому, что свет, направленный на скрытый отпечаток, оптически рассеивается, и датчик распознает его как изображение отпечатка пальца.
Емкостные датчики можно подделать, используя мягкие искусственные пальцы на основе желатина. Этот материал может имитировать физические характеристики кожи и, следовательно, способен обманывать емкостные датчики.
Что такое мультиспектральный датчик изображения и как он работает?
Многоспектральная визуализация — это оптический датчик, который был введен для снижения уязвимости датчиков отпечатков пальцев к атакам с подделкой. Особенность мультиспектральных датчиков заключается в том, что они могут фиксировать особенности ткани, лежащей под поверхностью кожи, а также обычные особенности на поверхности пальца. Элементы под поверхностью кожи могут обеспечить второе представление узора на поверхности отпечатка пальца.
Это позволяет датчику MSI собирать изображения отпечатков пальцев хорошего качества в различных условиях.
В тех случаях, когда элементы поверхности изношены или условия отбора проб неблагоприятны, датчик MSI все еще может захватывать изображение отпечатка пальца. Сенсор MSI четко различает живой палец и другие мягкие материалы. Особенности ткани под поверхностью кожи предоставляют датчику MSI большой объем информации об отображаемом материале и, таким образом, делают его менее уязвимым для атак датчика отпечатков пальцев.
Lumidigm M301, Lumidigm V302 и Lumidigm V311 — самые популярные и эффективные сканеры, использующие запатентованную HID Global технологию мультиспектральной визуализации.
Заключение
Мы обсудили три типа датчиков отпечатков пальцев — оптические, емкостные и мультиспектральные датчики изображения, а также их сильные и слабые стороны. Мультиспектральная визуализация — это прорыв в дактилоскопии, способный обеспечить надежную защиту от методов подделки отпечатков пальцев.
Как работают сканеры отпечатков пальцев — оптические, емкостные и другие варианты
Robert Triggs / Android Authority
Сканеры отпечатков пальцев больше не предназначены только для смартфонов самого высокого уровня. В наши дни даже многие бюджетные телефоны оснащены этой технологией, которая является краеугольным камнем безопасности приложений. Технология также сильно продвинулась по сравнению с ее ранними итерациями, становясь быстрее и точнее при считывании отпечатков пальцев. Имея все это в виду, давайте посмотрим, как работают новейшие сканеры отпечатков пальцев и в чем их отличия.
Оставайтесь в безопасности: 15 лучших антивирусных приложений и лучших приложений для защиты от вредоносных программ для Android
Оптические сканеры
Оптические сканеры отпечатков пальцев — старейший метод захвата и сравнения отпечатков пальцев. Как следует из названия, этот метод основан на захвате оптического изображения — по сути, фотографии.
Затем он использует алгоритмы для обнаружения уникальных узоров на поверхности, таких как выступы или метки, путем анализа самых светлых и самых темных областей изображения.
Как и камеры смартфонов, эти сенсоры имеют конечное разрешение. Чем выше разрешение, тем мельче датчик может различить ваш палец, повышая уровень безопасности. Однако эти датчики захватывают гораздо более контрастные изображения, чем обычная камера. Оптические сканеры обычно имеют очень большое количество диодов на дюйм для захвата этих деталей с близкого расстояния. Конечно, очень темно, когда палец находится над сканером. Поэтому сканеры включают в себя массивы светодиодов или даже дисплей вашего телефона в качестве вспышки, чтобы осветить изображение во время сканирования.
Главный недостаток оптических сканеров в том, что их несложно обмануть. Поскольку эта технология захватывает только 2D-изображение, можно использовать протезы и даже изображения хорошего качества, чтобы обмануть этот конкретный дизайн.
Сам по себе этот тип сканера недостаточно безопасен, чтобы доверить ему самые важные данные. Таким образом, отрасль перешла к более безопасным гибридным решениям.
В связи с растущим спросом на более надежную защиту смартфоны единодушно используют превосходные емкостные и оптико-емкостные гибридные сканеры. Эти сканеры используют данные оптического отпечатка пальца в сочетании с емкостным датчиком для обнаружения настоящего пальца. Снижение стоимости технологий сделало эти альтернативы жизнеспособными и для продуктов среднего класса.
С переходом на безрамочные дисплеи возвращаются меньшие оптические модули. Их можно встроить под стекло дисплея, и они занимают небольшую площадь. Некоторые представленные на рынке модели могут успешно работать под стеклом толщиной 1 мм и с мокрыми пальцами, что мешает емкостным альтернативам. Гибридные оптические сканеры никуда не денутся.
Емкостные сканеры
Другим широко используемым сегодня типом сканера отпечатков пальцев является емкостной сканер.
Вы найдете этот тип сканера на передней и задней панелях смартфонов и даже используете его как часть передовых вариантов дисплея. Емкостные сканеры приобрели известность из-за их дополнительных преимуществ в плане безопасности. Опять же, название выдает основной компонент — конденсатор.
Вместо того, чтобы создавать традиционное изображение отпечатка пальца, емкостные сканеры отпечатков пальцев используют массивы крошечных конденсаторных цепей для сбора данных. Поскольку конденсаторы сохраняют электрический заряд, подключение их к токопроводящим пластинам на поверхности сканера позволяет использовать их для отслеживания деталей отпечатка пальца. Сохраненный заряд немного изменится, если поместить ребро пальца на проводящие пластины. И наоборот, воздушный зазор оставит заряд на конденсаторе относительно неизменным. Схема интегратора на операционном усилителе используется для отслеживания этих изменений, которые затем могут быть записаны аналого-цифровым преобразователем.
Теория и архитектура емкостного чипа для сканирования отпечатков пальцев.
Slideshare
После захвата эти цифровые данные анализируются для поиска отличительных и уникальных атрибутов отпечатков пальцев. Затем их можно сохранить для последующего сравнения. Что особенно хорошо в этой конструкции, так это то, что ее гораздо сложнее обмануть, чем оптический сканер. Результаты не могут быть воспроизведены с изображением. Кроме того, их невероятно сложно обмануть с помощью какого-либо протеза, так как разные материалы будут записывать немного разные изменения заряда на конденсаторе. Единственные реальные риски безопасности связаны со взломом аппаратного или программного обеспечения.
Создание достаточно большого массива таких конденсаторов, обычно сотен, если не тысяч, в одном сканере, позволяет создать очень подробное изображение гребней и впадин отпечатка пальца, используя только электрические сигналы. Как и в оптическом сканере, чем больше конденсаторов, тем выше разрешение сканера. Это повышает уровень безопасности до определенного момента.
Тем не менее, производство высокой плотности обходится намного дороже.
См. также: Лучшие приложения безопасности для Android, которые не являются антивирусными приложениями
Из-за большого количества компонентов в схеме обнаружения емкостные сканеры раньше были довольно дорогими. В некоторых ранних реализациях пытались сократить количество необходимых конденсаторов с помощью сканеров «смахивания». Они будут собирать данные с меньшего количества компонентов конденсатора, быстро обновляя результаты, когда палец проводится над датчиком. Как жаловались многие потребители в то время, этот метод был очень привередливым и часто требовал нескольких попыток для правильного сканирования результата. К счастью, в наши дни простой дизайн «нажми и удерживай» является настройкой по умолчанию.
Однако с помощью этих сканеров вы можете делать больше, чем просто считывать отпечатки пальцев. Более новые модели также поддерживают функции жестов и смахивания. Их можно использовать в качестве поддержки программных кнопок, которые действуют как клавиши навигации, возможности измерения силы или как способ взаимодействия с другими элементами пользовательского интерфейса.
Тем не менее, смартфоны премиум-класса перешли на технологии, встроенные в дисплей.
David Imel / Android Authority
Ультразвуковые сканеры
Новейшая технология сканирования отпечатков пальцев, появившаяся в смартфонах, — это ультразвуковой датчик. Впервые об этом было объявлено в смартфоне Le Max Pro 2016 года. Qualcomm и ее технология Sense ID являются основной частью дизайна. Фактически, Qualcomm сейчас использует технологию ультразвукового сканирования отпечатков пальцев второго поколения (технически это третий продукт). Он обещает большую область чтения и более высокую скорость обработки.
Для фактического захвата деталей отпечатка пальца оборудование состоит из ультразвукового передатчика и приемника. Ультразвуковой импульс передается на палец, который находится над сканером. Часть этого импульса поглощается, а часть отражается обратно к датчику, в зависимости от выступов, пор и других деталей, уникальных для каждого отпечатка пальца.
Нет микрофона для приема этих возвращающихся сигналов.
Вместо этого датчик, который может обнаруживать механическое напряжение, используется для расчета интенсивности возвращающегося ультразвукового импульса в разных точках сканера. Сканирование в течение более длительных периодов времени позволяет получить дополнительные данные о глубине. В результате получается детальное трехмерное воспроизведение отсканированного отпечатка пальца. Трехмерная природа этого метода захвата делает его еще более безопасной альтернативой емкостным сканерам.
Ультразвуковой датчик отпечатков пальцев Qualcomm 3D, встроенный в дисплей, впоследствии был принят во флагманах Samsung, включая последний Galaxy S22. Samsung отмечает, что этот новый сканер на 77% больше и на 50% быстрее, чем продукт предыдущего поколения.
Недостаток ультразвукового сканера в том, что он пока не такой быстрый, как другие сканеры. Отчасти это связано с причинами, указанными выше. Тем не менее, Qualcomm решила эту проблему с помощью своей технологии второго поколения. Ультразвуковая технология также плохо работает с некоторыми защитными пленками для экрана, особенно с более толстыми.
Они могут ограничить способность сканера правильно считывать отпечатки пальцев. С другой стороны, рамки стали тоньше, чем когда-либо, благодаря возможности скрыть сканер под дисплеем.
Несколько слов о встроенных в дисплей сканерах
Ультразвуковые сканеры отпечатков пальцев — не единственный вариант, если вы хотите скрыть датчик на дисплее. Для этой цели также используются оптико-емкостные сканеры отпечатков пальцев. В настоящее время отрасль разделена между этими двумя. Однако вы редко найдете ультразвуковые сканеры в более доступной части рынка.
Оптико-емкостные сканеры решают некоторые предыдущие проблемы безопасности с оптическими конструкциями. Они сочетают в себе требования «реального прикосновения» емкостных сканеров со скоростью и энергоэффективностью оптических конструкций. Эта технология внедряется путем вставки датчика под дисплей. Он улавливает свет, отраженный отпечатком пальца, через щели в OLED-дисплее. Это требует некоторой работы для интеграции с дисплеем, но работает достаточно хорошо.
Вы найдете различные технологии оптического отпечатка пальца на дисплее как в недорогих, так и в премиальных телефонах, включая серию Galaxy A от Samsung.
Ультразвуковые сканеры, по сравнению с ними, немного проще внедрить и настроить их размещение под любой мобильный телефон. Крошечный датчик толщиной 0,2 мм находится за экраном, пропуская свои ультразвуковые волны через дисплей к кончику пальца. Хотя это отлично подходит для разработки, это само по себе привело к нескольким проблемам с безопасностью. Samsung пришлось выпускать исправления для своих флагманских смартфонов, чтобы решить проблемы, из-за которых практически любой отпечаток пальца позволял разблокировать телефоны при использовании защитной пленки.
У обеих технологий есть свои плюсы и минусы, и, скорее всего, они останутся жизнеспособным выбором для встроенных в дисплей сканеров отпечатков пальцев на долгие годы. Однако ультразвуковым сканерам может потребоваться больше времени, чтобы перейти к более доступным ценам.
Криптография и безопасная обработка
Хотя большинство сканеров отпечатков пальцев основаны на очень схожих аппаратных принципах, дополнительные компоненты и программное обеспечение также могут играть важную роль в дифференциации того, как продукты работают и какие функции доступны потребителям.
К физическому сканеру прилагается специальная микросхема. Он интерпретирует отсканированные данные и передает их в полезной форме на главный процессор вашего смартфона. Разные производители используют немного разные алгоритмы для определения ключевых характеристик отпечатков пальцев, которые могут различаться по скорости и точности.
Обычно эти алгоритмы ищут, где кончаются гребни и линии или где гребень разделяется на две части. В совокупности эти и другие отличительные признаки называются мелочами. Если отсканированный отпечаток пальца соответствует нескольким из этих деталей, он будет считаться совпадением. Вместо того, чтобы каждый раз сравнивать весь отпечаток пальца, сравнение мелких деталей снижает вычислительную мощность, необходимую для идентификации каждого отпечатка.
ARM TrustZone используется для защиты биометрических и криптографических данных от Rich OS.
Конечно, эта информация должна храниться на вашем устройстве в безопасности и храниться вдали от кода, который может ее скомпрометировать. Вместо того, чтобы загружать эти пользовательские данные онлайн, процессоры ARM могут безопасно хранить эту информацию на физическом чипе, используя технологию TrustZone на основе Trusted Execution Environment (TEE). Эта защищенная область также используется для других криптографических процессов и для прямой связи с защищенными аппаратными платформами, такими как сканер отпечатков пальцев. Утвержденные части личной информации, такие как ключ пароля, могут быть доступны только приложениям, использующим клиентские API TEE.
Как работает вход в систему FIDO без отправки какой-либо личной информации.
Решение Qualcomm по этому вопросу заложено в его архитектуре Secure MSM и Secure Processing Unit (SPU). Apple, с другой стороны, называет это «безопасным анклавом». В любом случае, он основан на том же принципе хранения этих защищенных данных в отдельной части процессора. Там к нему не могут получить доступ приложения, работающие в обычной среде операционной системы.
Альянс FIDO (Fast IDentity Online) разработал надежные криптографические протоколы, которые используют эти защищенные аппаратные зоны для обеспечения подтверждения подлинности без пароля между оборудованием и службами. Таким образом, вы можете войти на веб-сайт или в интернет-магазин, используя свой отпечаток пальца, и ваши уникальные данные никогда не будут покидать ваш смартфон. Это достигается путем передачи на серверы цифровых ключей, а не биометрических данных.
Подробнее: Лучшие телефоны со сканерами отпечатков пальцев на дисплее
Сканеры отпечатков пальцев стали очень надежной альтернативой запоминанию бесчисленных имен пользователей, пин-кодов и паролей, хранящихся на наших телефонах.
