Как работает сканер отпечатка на телефоне. Оптические сканеры отпечатков пальцев. Обзор датчика R308. Толчок к развитию

10.04.2019

Флешка

Сканером отпечатка пальца сейчас оборудован практически каждый небюджетный смартфон. Большинство производителей уверяет, что использовать дактилоскопические датчики не только удобно, но и безопасно.

Все мы привыкли пользоваться этой технологией для разблокировки смартфона, но она может выполнять еще множество полезных функций. Многие считают, что впервые данная технология была использована компанией Apple в iPhone 5S. На самом деле в период с 2002 по 2011 год в продаже появилось около 30 телефонов, оснащенных дактилоскопическим датчиком. В 2011 году Motorola выпустила смартфон на операционной системе Android, на задней крышке которого размещался полноценный сканер отпечатка пальца. Тем не менее, про устройство и новую технологию практически сразу забыли, а вернуть интерес к ней смогли только сотрудники Apple.

Какие бывают сканеры отпечатков?

Есть несколько видов сканеров, самым распространенным считает оптический . Большинство производителей используют именно этот тип - он не только является самым бюджетным, но и самым простым в реализации. Принцип работы заключается в «фотографировании» и запоминании отпечатка пальца. У таких дактилоскопов есть ряд минусов, ведь на качество и скорость отклика влияют загрязненность сканера, чистота и влажность пальца, а также наличие на нем механических повреждений. Кроме того, именно их проще всего обмануть.

Ультразвуковые сканеры отпечатков понемногу приходят на смену предшественникам. Они сканируют поверхность пальца с помощью звуковых волн. Такая технология более безопасна, время отклика меньше, загрязнения и повреждения на коже не страшны. На данный момент, этим видом датчика оснащены несколько топовых смартфонов китайских производителей.

Функции сканера отпечатков пальцев

Не стоит забывать, что сегодня смартфон играет действительно крайне важную роль в жизни практически каждого человека. Это не только устройство для совершения звонков и написания сообщений, но и настоящее хранилище личных данных, фото, воспоминаний, заметок и финансовой информации. Все это требует надежной защиты, которую и обеспечивает сканер отпечатка пальцев. Таким образом, первая его функция заключается в возможности разблокировки смартфона .

Второй функцией можно назвать доступ к личным файлам . На некоторых Android-смартфонах можно установить запрос отпечатка не только при разблокировке устройства, но и при открытии некоторых приложений, например, галереи, календаря или документов. Кроме того, такая функция будет полезна и для ограничения доступа к некоторым финансовым приложениям. Только вспомните, сколько детей приобрели вещи или танки в онлайн-играх, пользуясь смартфонами родителей?

В некоторых моделях Huawei с помощью дактилоскопического датчика можно ответить на звонок - нужно просто приложить палец к сканеру и дождаться начала разговора. На первый взгляд эта функция кажется удобной, но, с другой стороны, существует большая вероятность взять трубку случайно.

Оплата в интернете . С помощью специальных приложений можно совершать покупки в интернет-магазинах, денежные переводы, оплату коммунальных услуг и многое другое. С помощью сканера отпечатка пальцев можно существенно уменьшить время операции и подтвердить оплату простым касанием дактилоскопа.

Передача данных . Смартфоны оснащены множеством функций, одна из которых позволяет передавать файл с устройства на устройство «по воздуху», например, через Bluetooth. Чтобы не вводить лишний раз пароль, можно подтвердить действие с помощью дактилоскопа.

Используя сканер, можно отключить будильник . Принцип действия точно такой же, как и во всех вышеперечисленных случаях - как только слышен звук будильника, достаточно поднести палец к датчику, и сигнал автоматически выключится. Только не забудьте настроить автоповтор, иначе можно проспать.

Насколько надежен сканер отпечатков пальцев?

Дактилоскопические датчики по праву могут считаться надежными. Тем не менее, хакеры уже научились взламывать и их. Самый банальный способ заключается в том, чтобы сделать фото отпечатка (например, на прозрачной стеклянной вазе), распечатать его с помощью струйного принтера и приложить к сканеру. Этот способ может сработать только с первыми поколениями дактилоскопов.

Чтобы разблокировать новые поколения потребуется исхитриться - сделать слепок из силикона. Конечно, эти методы больше похожи на примеры из кино, но все равно нужно быть начеку и беречь свой смартфон.

Когда пользуешься смартфоном каждый день, то особо не задумываешься том, как работает та или иная функция. Взять тот же сканер отпечатков пальца в смартфонах Meizu: разблокирует аппарат с первого раза, вот и хорошо. Не все знают, что бывает несколько типов сканера, которые отличаются друг от друга. А ну-ка давайте заполним пробел в знаниях.

Зачем нужен сканер отпечатков

Защита персональной информации - сейчас главный вопрос в нашем цифровом мире, важно не только обладать данными, но и защищать их. Далеко ходить за примерами не надо, мало кому приятно, когда одногруппник на лекции берёт телефон «покрутить и посмотреть», а потом начинает копаться в фотогалерее. Конечно, если у вас Meizu и вы закрыли доступ к приложению паролем, можно не париться на этот счёт, но не все в курсе такой возможности.

Идентификация по отпечатку пальца - один из самых надежных способов для подтверждения личности владельца. По точности такой метод уступает только сканированию сетчатки глаза и анализу ДНК, но это впереди. Согласитесь, сложно представить в реальных условиях необходимость анализа крови для разблокировали смартфона.

Что надо знать об отпечатках пальцев

Во-первых, отпечаток образуется папиллярными узором на коже, его можно рассмотреть на своих пальцах. Это выступы и углубления на коже, образующие неповторимый рисунок.

Во-вторых, узор у каждого человека уникален даже у близких родственников и близнецов. Он формируется еще у нерожденного плода и остается неизменным на протяжении всей жизни.

В-третьих, даже при повреждении эпидермиса со временем узор восстанавливается, вопрос лишь во времени и степени повреждения кожи. Поэтому фильмы, где главные герои удалют свои отпечатки не более чем художественный вымысел.

В-четвёртых, каждый отпечаток содержит не только визуальные особенности, но и свою тепловую и электрическую характеристику.

Все эти свойства и легли в основу методик по идентификации владельцев современных смартфонов, ноутбуков и другой техники. Сенсоры делятся на три группы: оптические, полупроводниковые и ультразвуковые.

Оптические датчики

Как понятно из названия, принцип распознавания строится на анализе изображения папиллярных узоров. В свою очередь, способы получения изображения делятся на базирующиеся несколько видов: отражение, просвет или бесконтактное распознавание.

Отражающие сенсоры

Такие сканеры используют эффект нарушенного полного внутреннего отражения. Его суть проста: при попадании света на границу разных поверхностей поток делится на две части, одна отражается от границы, а вторая проникает через границу в другую среду. Что за поверхности? Это возвышения узора, приложенные к сенсору, и свободная часть сенсора, на которую приходятся углубления в рисунке.

Если поиграть с величиной угла можно добиться отражения всего потока от границы раздела сред, простыми словами, свет отражается от мест, где кожа не касается сенсора, построив таким образом, изображение узора, в памяти устройства.

Это самый простой способ, но с недостатками: его можно обмануть муляжом, такие сенсоры чувствительны к загрязнению.

Просвечивающие сенсоры

Такие датчики работают при помощи оптоволоконной матрицы, в которой на одном конце каждого канала закреплен фотоэлемент. Палец прикладывается к сенсору, сверху на него излучается свет, а сенсоры фиксируют остаточный световой поток в точках соприкосновения возвышений на узоре с поверхностью датчика. Такой датчик сложно обмануть, муляж уже не подействует, но мобильным такой метод не назовешь.

Бесконтактные датчики

Наиболее распространенные из всех оптических датчиков на мобильных платформах. Суть похожа на отражающие сенсоры, за одним исключением, прямого контакта пальца с поверхностью сенсора не требуется. Палец прикладывается к защитному стеклу, под которым находится линза сенсора и источники света по бокам от нее. Свет отражается от рисунка пальца, фокусируется матрицу через линзы. Принцип действия очень похож на работу цифрового фотоаппарата. Такой датчик тоже чувствителен к загрязнению защитного стекла, при желании его можно обмануть муляжом отпечатка.

Полупроводниковые датчики

В таких сенсорах используются изменение свойств полупроводников в месте контакта гребня узора с поверхностью самого сенсора.

Емкостные сканеры

Они работают на изменении емкости полупроводника в области соприкосновения двух полупроводников с разными типами проходимости. Разница возникает в местах касания гребня папиллярного узора с полупроводниковой матрицей. Полученные данные преобразуются в отпечаток пальца отдельным защищенным процессором. Такие датчики дешевые и неприхотливые, но их тоже можно обмануть муляжом.

Радиочастотные сканеры

Еще один подвид, который использует радиосигналы низкой интенсивности. Сенсор фиксирует отраженный сигнал в месте приложения гребня узора, таким образом, формируется цифровое изображение отпечатка. Такой датчик сложно обмануть, ведь отражающие свойства кожи в совокупности с уникальным узором подделать практически невозможно, но при плохом контакте пальца с поверхностью датчика распознавание отпечатка становится затруднительным.

Пьезоэлектрические элементы

Чувствительные к давлению на поверхность сенсоры определяют рисунок отпечатка, когда прикладываете палец: гребни узора оказывают давление, а впадины нет. Такие сенсоры тоже легко провести, да и общая чувствительность у них небольшая, зато они относительно дешевые.

Температурные сенсоры

Они считывают уникальную температурную карту поверхности отпечатка. За преобразование температуры в цифровой отпечаток отвечают пироэоектрические элементы. Обмануть такие датчики сложно, тем более, они устойчивы к электростатике и работают при любых температурных условиях. Недостаток только один, температурная карта быстро исчезает, т.к. поверхность сенсора и пальца быстро приходят к температурному равновесию.

Ультразвуковые датчики

Такие сенсоры самые совершенные и самые быстрые, они сканируют поверхность приложенного пальца. Разница в уровне отраженного сигнала от гребней и впадин узора регистрируется сенсором, после чего строится полная цифровая картина отпечатка. Такие сенсоры почти невозможно обмануть, т.к. кроме карты приложенной поверхности они могут считывать и пульс, и другие показатели биологической активности. Тем более, такие сенсоры хорошо реагируют даже при касании влажного пальца, а это особенно актуально в повседневном использовании смартфонов. Среди всех описанных они самые дорогостоящие, но именно такой тип используется в последних аппаратах Meizu.

Заключение

Наш небольшой ликбез по сканерам отпечатков завершен, теперь, беря в руки аппарат и прикладывая палец к сенсору, вы знаете как он работает и как эта маленькая штучка защищает ваши персональные данные. Что умеют сканеры отпечатков пальцев, вы можете прочитать в отдельной на эту тему.

С развитием технологий изобретается все большее количество способов, ограничивающим какие-то действия одним и позволяющая беспрепятственно совершать какие-либо действия другим. Одним из современных методов ограничения доступа являет распознавание отпечатков пальцев, основанный на уникальности папиллярного узора пальца каждого человека. Распознавание отпечатка пальца человека является одним из методов биометрической аутентификации. Данный метод аутентификации по отпечаткам пальцев, заглядывая в историю, был основан в 1877 году англичанином Уильямом Гершелем, который выдвинул гипотезу о неизменности папиллярного рисунка ладонной поверхности кожи человека. Эта гипотеза стала результатом долгих исследований Уильяма Гершеля, служившего полицейским чиновником в Индии.

Возвращаясь в современный мир, результатом умозаключений этого человека можно наблюдать широкий спектр различных устройств, способных сканировать, обрабатывать и сравнивать отпечатки пальцев разных людей. При этом давая хорошую точность распознавания отпечатка пальца и как результат, получаем лишь небольшой процент возможной ошибки. Ошибки при работе со сканерами отпечатков пальцев могут быть только двух типов: неправильное распознавание верного отпечатка и верное распознавания неверного отпечатка пальца.

Емкостные сканеры отпечатка пальца изготавливают на кремниевой пластине, которая содержит область микроконденсаторов. Они расположены равномерно в квадратной или прямоугольной матрице. Прямоугольные датчики считаются более подходящими, поскольку больше соответствуют форме отпечатка. Способы емкостного сканирования основаны на заряде и разряде конденсаторов в зависимости от расстояния до кожи пальца в каждой отдельной точке поля и считывании соответствующего значения. Это возможно, поскольку размеры гребней и впадин на коже достаточно велики. Средняя ширина гребня - около 450 мкм. Сравнительно небольшой размер конденсаторных модулей (50 х 50 мкм) позволяет замечать и фиксировать различия емкости даже на близких точках кожи.

Итак, рассмотрим один из сканеров отпечатков пальцев, построенный по принципу емкостного сканера – R301 компании Grow Technology (цена на Aliexpress около 18$). Технические характеристики модуля:

Напряжение питания 4,2 – 6 Вольт (работает и при 3,3 В)
Ток потребления – 40 мА
Пиковый ток потребления – 100 мА
Интерфейс – UART, USB
Baud rate – 9600*n, n=1~12, по умолчанию 57600 bps
Время сканирования отпечатка пальца –до 0,2 сек
Размер шаблона отпечатка – 810 байт
Коэффициент ложного пропуска FAR (False Acceptance Rate) – менее 0,001 %
Коэффициент ложного отказа в доступе FRR (False Rejection Rate) – менее 0,1 %
Время среднего поиска – менее 0,05 сек
Уровень безопасности – 5
Диапазон рабочих температур – -10-+50 градусов Цельсия
Режимы сравнения – 1:1, 1:N
Емкость памяти библиотеки отпечатков - 1700

Датчик отпечатков пальцев R301 предназначен для сканирования отпечатка пальца, его обработки, хранения в собственной памяти библиотеки сохраненных отпечатков пальцев и поиска на совпадение нового отпечатка пальца с библиотекой сохраненных отпечатков пальцев по запросу. Сам модуль состоит из двух основных частей: полупроводниковый емкостной сканер отпечатков с одной стороны модуля и цифровой сигнальный процессор, обрабатывающий данные, получаемые со сканера и выполняющий функции по хранению, обработке и поиску библиотеке отпечатков пальцев.

Сканер отпечатков имеет достаточно низкий профиль, что вписывается в небольшие размеры самого модуля и упрощает процесс встраивания в какую-либо систему.

Сама библиотека отпечатков пальцев хранится во flash памяти 25q80 (восьми выводная микросхема), подключенной по SPI к цифровому сигнальному процессору. Кроме этого на этой стороне модуля расположены кварцевый резонатор на 24 МГц, стабилизатор напряжения с низким падением напряжения на 3,3 вольта XC6206 (элемент в корпусе sot-23 с маркировкой 662k) и резисторы и конденсаторы, необходимые для работы схемы.

Применение подобного модуля значительно снижает нагрузку на основной микроконтроллер СКУД или другой системы, использующей идентификацию по отпечаткам пальцев, а также упрощает проектирование этих систем. При работе с внешним микроконтроллером данный модуль не передает никаких данных об отпечатке пальца, кроме данных о результате выполнения операции (прием отпечатка, обработка, поиск на совпадение и др.), что с одной стороны усложняет взлом, но с другой стороны упрощает. Информации о работе, да и другой информации тоже о самом сканере, расположенном на лицевой стороне модуля, производитель не дает. Если при физическом взломе датчика возможно добраться до линии данных UART или USB, то послать ложные данные основному микроконтроллеру для получения доступа не составит труда. Если же доступ есть только к сканеру модуля, то взломать систему будет достаточно сложно. Однако сама по себе технология сканирования отпечатка пальца полупроводниковой емкостной матрицей слабо защищает от взлома с помощью муляжей.

Для того чтобы усилить защиту от муляжей некоторые сканеры отпечатков пальцев имеют восприятие жизненных параметров при сканировании отпечатка: температура тела, частота пульса, кожно-гальваническая реакция, наличие пота и некоторые другие технологии. К сожалению, о наличии такой защиты от муляжей производитель R301 не указывает – либо восприятия жизненных параметров нет в данных датчиках, либо работает это ненадежно.

Следующим слабым местом сканеров отпечатков пальцев компании Grow Technology в целом является сам интерфейс передачи данных. Дело в том, что при успехе выполняемой операции (например, сравнение на совпадение отпечатка пальца в памяти модуля) модуль передает значение 0 (ноль), а если модуль просто отключить, то приемник данных будет все время получать нули, и таким образом будет подаваться разрешение на открытие замка или доступ. Этот момент нужно обязательно учитывать и предусматривать программно защиту от обрыва линии – то есть проверять не только байт данных о выполнении операции, но и остальные байты, включая заголовочные, что наверняка предотвратит доступ при обрыве линии данных сканера отпечатка пальцев.

Для того чтобы подключить модуль R301 к ПК можно использовать контакты USB или переходник USB-UART.

При подключении по USB устройство определиться как запоминающее устройство (здесь мы видим, что в роли цифрового сигнального процессора модуля выступает микроконтроллер STM32, так как устройство подписано именно так – зря производители стирали маркировку с микросхемы и заклеивали царапины). Однако, без готового софта эта функция нам бесполезна. При подключении к ПК через переходник USB-UART для оценки функционала и работоспособности модуля можно воспользоваться программой SFGDemo.

Для начала работы в программе необходимо указать COM порт USB-UART переходника и далее просто использовать кнопки необходимых нам функций модуля.Здесь можно использовать функции сохранению отпечатка, сравнения, поиска отпечатков среди сохраненных, а также получить изображение отпечатка пальца и сохранить его в виде рисунка.

В сравнении с оптическим сканером отпечатков пальцев R308, R301 имеет значительно меньший размер сканера и меньший сканируемый рисунок отпечатка пальца, но на работе это не сказывается – в обоих случаях имеем достаточно большую точность верного определения отпечатков пальцев.

Данные модули в основном предназначены для встраивания в системы, что делает интерфейс UART основным. Подключим датчик к микроконтроллеру:

На LCD дисплее отображаются необходимые данные для работы со сканером отпечатков пальцев, при включении схемы без замкнутых перемычек Jmp1 и Jmp2 запускается основной цикл программы, когда микроконтроллер ждет получения отпечатка пальца от сканера и запускает поиск в памяти модуля при его появлении. При включении с замкнутой перемычкой Jmp1 запускается полное стирание памяти библиотеки отпечатков пальцев. При включении с замкнутой перемычкой Jmp2 запускается добавление 5 новых отпечатков пальцев в память модуля. Для добавления отпечатка пальца необходимо дважды приложить палец к сканеру для его сохранения в случае отсутствия ошибок при сканировании отпечатков.

Работа разных датчиков отпечатков пальцев компании Grow в основных своих функциях одинакова и при замене датчика на другой, изменять прошивку или структуру команд нет необходимости.

Основные команды, необходимые для работы с модулями сканеров отпечатков пальцев:

Команда (hex)	Ответ (hex)	Описание
EF01 FFFFFFFF 01 0003 1D 0021	EF01 FFFFFFFF 07 0005 xx nnnn ssss, где xx - код подтверждения (0h - успешно завершено, 1h - ошибка), nnnn - количество шаблонов в библиотеке отпечатков, ssss - контрольная сумма	Считать количество сохраненных отпечатков в памяти библиотеки отпечатков пальцев модуля.
EF01 FFFFFFFF 01 0003 01 0005	где xx - код подтверждения (0h - успешно завершено, 1h - ошибка при приеме пакета данных, 2h -не обнаружен палец, 3h - ошибка при сканировании), ssss - контрольная сумма	Сканирование отпечатка пальца и сохранение его в буфер.
EF01 FFFFFFFF 01 0004 02 bb ssss, где bb - CharBuffer1 или CharBuffer2 (1h или 2h), ssss - контрольная сумма	EF01 FFFFFFFF 07 0003 xx ssss, где xx - код подтверждения (0h - успешно завершено, 1h, 6h, 7h, 15h - ошибка), ssss - контрольная сумма	Создание файла символов отпечатка пальца из оригинального отпечатка и сохраняет его в CharBuffer1 (2).
EF01 FFFFFFFF 01 0003 05 0009	EF01 FFFFFFFF 07 0003 xx ssss, где xx - код подтверждения (0h - успешно завершено, 1h, ah - ошибка), ssss - контрольная сумма	Создание шаблона модели отпечатка пальца. Информация в CharBuffer1 и CharBuffer2 объединяется и комбинируется для получения более достоверных данных об отпечатке пальца (отпечаток в этих буферах должен принадлежать одному пальцу). После операции данные сохраняются обратно в CharBuffer1 и CharBuffer2.
EF01 FFFFFFFF 01 0006 06 bb pppp ssss где bb - CharBuffer1 или CharBuffer2 (1h или 2h), pppp - номер ячейки памяти библиотеки отпечатков пальцев, ssss - контрольная сумма	EF01 FFFFFFFF 07 0003 xx ssss, где xx - код подтверждения (0h - успешно завершено, 1h, 18h - ошибка, bh - неверный номер ячейки памяти), ssss - контрольная сумма	Сохранение шаблона отпечатка пальца из Buffer1/Buffer2 во флэш память библиотеки модуля.
EF01 FFFFFFFF 01 0007 0C pppp nnnn ssss, где pppp - номер ячейки памяти библиотеки отпечатков пальцев, nnnn - количество удаляемых отпечатков пальцев, ssss - контрольная сумма	EF01 FFFFFFFF 07 0003 xx ssss, где xx - код подтверждения (0h - успешно завершено, 1h, 10h - ошибка), ssss - контрольная сумма	Удаление шаблона из флэш памяти модуля.
EF01 FFFFFFFF 01 0003 0D 0011	EF01 FFFFFFFF 07 0003 xx ssss, где xx - код подтверждения (0h - успешно завершено, 1h, 11h - ошибка), ssss - контрольная сумма	Очистка памяти библиотеки отпечатков пальцев модуля.
EF01 FFFFFFFF 01 0003 03 0007	EF01 FFFFFFFF 07 0005 xx mmmm ssss, где xx - код подтверждения (0h - успешно завершено, 1h, 08h - ошибка), mmmm - оценка соответствия, ssss - контрольная сумма	Точное сравнение шаблонов из CharBuffer1 и CharBuffer2.
EF01 FFFFFFFF 01 0008 04 bb pppp nnnn ssss, где bb - CharBuffer1 или CharBuffer2 (1h или 2h), pppp - начальный номер ячейки памяти диапазона поиска на совпадение, nnnn - количество ячеек памяти для поиска на совпадение, ssss - контрольная сумма	EF01 FFFFFFFF 07 0007 xx pppp mmmm ssss, где xx - код подтверждения (0h - успешно завершено, 1h - ошибка, 9h - нет совпадений), pppp - номер ячейки памяти, которая совпала с отпечатком пальца, mmmm - оценка соответствия, ssss - контрольная сумма	Поиск на совпадение отпечатка пальца в библиотеке модуля который соответствует хранимому в CharBuffer1 или CharBuffer2.

Список радиоэлементов

Обозначение	Тип	Номинал	Количество	Мой блокнот
IC1	МК STM32	STM32F103C8	1	В блокнот
VR1	Линейный регулятор	LM7805	1	В блокнот
VR2	Линейный регулятор	AMS1117-3.3	1	В блокнот
FP1	Датчик отпечатков пальцев	R301	1	В блокнот
Z1	Кварцевый резонатор	8 МГц	1	В блокнот
HG1	LCD-дисплей	2004а	1	В блокнот
C1, C2	Конденсатор	22 пФ	2	В блокнот
C3		470 мкФ	1	В блокнот
C4-C7, C9, C10, C12	Конденсатор	100 нФ	7	В блокнот
C8	Электролитический конденсатор	220 мкФ	1	В блокнот
C11	Электролитический конденсатор	100 мкФ	1	В блокнот
R1	Резистор

С каждым годом цифровые технологии всё сильнее проникают в нашу жизнь. Деньги, документы, личные видео и фотографии, записи образуют массивы данных обо всех аспектах человеческой жизни. В теории, при должной усидчивости, с их помощью возможно построить исчерпывающий психологический портрет человека, украсть деньги, проникнуть в чужой дом. Защита личных данных в современном мире становится всё актуальнее.

Предпосылки развития

Эта пятиминутка паранойи понадобилась не для того, чтобы вас напугать (хотя если вы сейчас задумались о том, чтобы сменить пароли на более стойкие - это здорово), а чтобы объяснить почему производители смартфонов почти повсеместно в своих продуктах стали использовать методы биометрической аутентификации - защиты, в основе которой лежит уникальность параметров частей человеческого тела.

Таких параметров много, но не все из них подходят для целей защиты данных. Одни сильно меняются со временем, другие нелегко и неудобно считывать с технической точки зрения. Например, криминалисты иногда опознают людей по прикусу или при помощи ДНК, но вы ведь не будете снимать слепки с челюстей, каждый раз, когда предстоит авторизироваться в почте. Неудобно и сдавать капельку крови, чтобы разблокировать смартфон.

Если учесть все “но” остаются: рисунок радужки глаза, форма лица и черепа, а также отпечатки пальцев - малейшие узоры покрывающие кожу.

Несмотря на то, что смартфоны с датчиками отпечатков пальцев появились сравнительно недавно, сама технология прошла длинный путь развития. Я не буду обращаться к истории криминалистики, в которой дактилоскопия используется с 1902 года, а сразу перейду к применению ее достижений в различных гаджетах.

Толчок к развитию

Одним из первых девайсов, получивших датчик отпечатков пальцев, стал ноутбук от Acer - TravelMate 739. На обработку прикосновения к сканеру ему требовалось чуть больше 12 секунд, но для начала двухтысячных годов это было невероятно.

Уже в 2002 году мир увидел первое мобильное устройство со сканером отпечатков пальцев - карманный компьютер от HP - iPAQ Pocket PC h5400. Экран 320×240 точек, процессор Intel PXA250 400МГц, 64 МБ ОЗУ и 20 МБ под файловое хранилище - я мечтал о таком.

Уже на следующий год компания Fujitsu выпускает свой первый мобильный телефон с дактилоскопическим сканером и с тех пор, вплоть до 2011 года, на рынок попадает порядка 30 различных телефонов со сканерами отпечатков пальцев.

Apple запатентовала разблокировку с помощью дактилоскопического датчика в 2008 году, но пока компания доводила технологию до ума, Motorola представила первый в мире Android-смартфон с дактилоскопом - Atrix 4G.

К несчастью для Motorola, это устройство на рынке осталось почти что незамеченным. К моменту старта продаж интерес покупателей и индустрии к сканерам окончательно угас, чтобы возродиться вслед за анонсом iPhone 5S 10 сентября 2013 года. После этого события каждая уважающая себя компания считала долгом как можно скорее встроить сканер отпечатков пальцев свой аппарат.

Разновидности сканеров отпечатков пальцев

Отпечатки пальцев считываются различными способами. Существует несколько типов сканеров: оптические, емкостные, ультразвуковые, радиочастотные, термальные и распознающие узор за счет давления. Рассказывать обо всех этих разновидностях нет смысла, поскольку в мобильных устройствах используются только некоторые из них.

Сейчас в потребительской электронике наиболее распространены оптические и емкостные сенсоры.

Оптические дактилоскопические датчики - наиболее старая из актуальных технологий. Возможно, вы вспомните, как в некоторых фильмах, чтобы попасть за запертую дверь герой прикладывает к стеклянной пластине палец или ладонь, и кожу сканирует медленно проползающий луч света. Конечно, в реальности все происходит не так наглядно, но принцип тот же. По сути оптический дактилоскоп это маленький, но чрезвычайно чувствительный цифровой фотоаппарат. Палец подсвечивается сквозь полупрозрачную площадку и сенсоры в глубине датчика улавливают отраженный от поверхности кожи свет. По характеру отражения создается представление о форме узора, о складках кожи.

Общим недостатком оптических сканеров отпечатков пальцев является их чувствительность к загрязнениям. Стоит испачкаться контактной площадке или самому пальцу и количество отказов увеличивается в разы.

К тому же такой сканер несложно обмануть, что с удовольствием демонстрируют хакеры. Достаточно распечатать фотографию пальца в высоком разрешении и сканер “купится” на подмену.

Вторая распространенная технология - емкостные сенсоры . Они различают пальцы при помощи массива полупроводниковых элементов. Это очень похоже на сенсорный экран, но намного более тонко. Когда человек прикасается к такому датчику, изменяется распределение электрических зарядов на пластине сенсора, усеянной массой крошечных конденсаторов. Во впадинах и на гребнях которые образуют рисунок на коже заряд различается. Изменения отслеживаются и сохраняются в памяти устройства в виде паттерна, по которому можно опознать рисунок конкретного пальца. Но и это не панацея. Применяя 3D-печать и токопроводящие материалы позволяют изготовить подделку, которую не отличит от оригинала и емкостный датчик.

Наиболее продвинутой и пока еще очень слабо распространенной в мобильной электронике технологией остается ультразвуковое распознавание отпечатков пальцев.

В оптических сканерах происходит измерение угла отражения лучей света от рельефа пальца. В ультразвуковом сканере действует тот же принцип, но информация о рельефе кожи получается при помощи звука. Сенсором измеряется то, как кожа взаимодействует с ультразвуком. Причем он не просто отражается от поверхности пальца, а проникает вглубь кожи. В результате получается не двухмерное изображения, а объемная карта звуковых отражений, подделать которую очень сложно.

Одним из первых смартфонов с ультразвуковым сканером отпечатков пальцев стал производства LeEco, но ничего выдающегося, кроме технологии, в его датчике отпечатков пальцев не было. А ведь ультразвук хорошо проникает сквозь стекло и металл. В теории это позволяет конструкторам прятать дактилоскопический сенсор глубоко в корпусе смартфона под другими деталями.

Соедините эту особенность с нынешним увлечением безрамочными экранами и получите концепцию смартфона у которого датчик отпечатка пальца, расположен под дисплеем. Прототипы с таким расположением сенсора уже , нам осталось только дождаться релиза технологии в полноценном продукте. Его уже давно прочат , но не исключено, что корейцев обойдут на финишной прямой .

Аппаратная реализация сканирования отпечатка пальца это лишь половина того, что нужно сделать, чтобы защитить ваши данные. Куда важнее то, как смартфон хранит данные об отпечатках и то, как ими распоряжается.

Но прежде чем перейти к нюансам программной реализации биометрической аутентификации по отпечаткам пальцев - небольшой совет. Если вы хотите увеличить скорость распознавания отпечатка смартфоном - добавьте один и тот же палец в систему дважды.

“Железо” - это не все

Рассказывать о программной части я также буду в хронологическом порядке. В смартфонах на Android поначалу не существовало единого подхода к разблокировке устройства отпечатком пальца. Каждый производитель организовывал этот процесс в соответствии с собственными представлениями о безопасности. Порой весьма странными.

Например, громким скандалом стала история с HTC One Max, где в памяти телефона хранились полные копии отпечатков пальцев как есть, даже без шифрования.

Эталоном стала технология Touch ID от Apple. Смартфоны компании не запоминают отпечатки пальцев. Вместо этого, данные с сенсора в момент сканирования преобразовываются в одностороннюю хеш-функцию - битовую строку, из которой нельзя восстановить отпечаток.

Принцип проиллюстрирую на примере уравнения a+b=4. Какие пары чисел дают в сумме четыре - догадаться не сложно. Если слева от знака “равно” вместо a+b находится особая математическая последовательность - односторонняя хеш-функция. В нее можно подставить цифры, полученные с датчика отпечатков пальцев и получить справа некое значение. В одну сторону такую функцию посчитать легко, но проделать обратную операцию практически невозможно.

Чтобы по цифрам справа от знака “равно” выяснить, какие данные подставил в хеш-функцию датчик отпечатков пальцев, с текущим уровнем быстродействия компьютеров, потребуется время, сопоставимое с возрастом вселенной.

В памяти смартфона хранятся только хеш-функции, к тому же они дополнительно шифруются и извлекаются из защищенной памяти смартфона только когда требуются пользователю.

Аналогичный алгоритм, названный Nexus Imprint появился у пользователей Android только вместе с 6-й версией этой операционной системы. Тогда же Google представила Fingerprint API для сторонних разработчиков и включила в программу сертификации аппаратов требования к датчику отпечатков пальцев.

Но вечная проблема Android - фрагментация накладывает опечаток и здесь. Если для продажи устройств в Европе производители получают все необходимые сертификаты, то для выхода на такие рынки, как Китай и Индия это делать не обязательно. Так что многие аппараты без Google Play, попадающие по неофициальным каналам в частности на российский рынок, не недостаточно хорошо защищены.

Кроме того, энтузиастам “перепрошивок” следует помнить о том, что разблокировка загрузчика смартфона фактически отключает все меры безопасности, предпринятые разработчиком операционной системы.

Не безопаснее, но удобнее

Как видите, для смартфона ваши отпечатки пальцев мало чем отличаются от обычного пароля - такие же последовательности цифр, пускай и вводятся они не с наэкранной клавиатуры, а при помощи специального датчика. Они не безопаснее, но заметно удобнее паролей. Их нельзя потерять или забыть, они быстрее вводятся и что самое главное, с ними владельцы смартфонов стали защищать свои устройства гораздо чаще. На это и был расчет, когда Apple внедряла Touch ID - аккуратно подготовить платформу для развертывания и внедрения фирменной системы бесконтактных платежей - Apple Pay.

И тут надо отдать компании должное. Преследуя коммерческие интересы она в очередной раз выступила в роли локомотива, спровоцировав изменения, которые пошли на пользу всей индустрии.

Жизнь в современном быстротекущем мире предъявляет все большие требования к системам безопасности. Одним из главных направлений в этой сфере является создание эффективных устройств идентификации личности. Необходимость в этом появляется в самых различных случаях:

Защита автомобилей и других разнообразных дорогостоящих вещей от несанкционированного доступа или использования
Защита компьютерных систем, программного обеспечения, мобильных телефонов
Предотвращение краж и мошенничества при совершении финансовых сделок, при проведении электронных транзакций, включая выполнение платежей кредитными картами и оплату товаров и услуг через Интернет
Разрешение доступа к складам и секретным зонам только для авторизованного персонала
Подтверждение соответствия сведениям об индивидууме, указанным в паспорте, водительском удостоверении и пр.

Системы идентификации личности должны работать быстро, надежно и иметь малую стоимость. Обычные методы идентификации основаны на использовании документов (паспорт, значок и пр.), паролей, подписей и других подобных способов. Эти традиционные подходы не удовлетворяют современным требованиям обеспечения безопасности. Перспективное направление будущего – биометрия (biometric) . Биометрия предлагает удобные, надежные и дешевые средства идентификации или подтверждения личности и может использоваться без дополнительного контролирующего участия человека, в т.ч. при дистанционной идентификации.

Биометрия позволяет осуществлять идентификацию личности уникально, измеряя некоторые физические и поведенческие характеристики и извлекая т.н. sample из этих измерений, приводя их затем к стандартному формату данных. Этот sample сравнивается с template (некий зарегистрированный шаблон или сигнатура), основанным на тех характеристиках, которые были установлены как уникальный признак индивидуума и сохранены в системе безопасности. Близкое соответствие между sample и template подтверждает тождество индивидуума.

Внимание исследователей сосредоточено на нескольких физических характеристиках, способных идентифицировать личность уникально: голос, походка, лицо, радужная оболочка и сетчатка глаза, отпечатки ладони или пальца (ДНК не входит в этот список, поскольку взятие её образца происходит медленно и неудобно для человека). К настоящему моменту наиболее продвинутой, зрелой и хорошо разработанной является технология идентификации личности по отпечатку пальца.

Физиологически отпечаток пальца представляет собой конфигурацию выступов (гребней), содержащих индивидуальные поры, разделенные впадинами. Под кожей пальца расположена сеть кровеносных сосудов. Морфология отпечатка пальца связана с определенными электрическими и тепловыми характеристиками кожи. Это означает, что для получения изображения отпечатка пальца могут использоваться такие параметры, как свет, тепло или электрическая емкость (а также их комбинация). Отпечаток пальца формируется во время развития плода и не изменяется на протяжении всей жизни человека, кроме того, при повреждении через некоторое время он восстанавливает свою первоначальную структуру. Даже однояйцовые близнецы не имеют идентичных отпечатков пальцев.

Электронная технология отображения и алгоритмы распознавания структур сейчас достаточно продвинуты для автоматического извлечения template отпечатка пальца. Некоторые алгоритмы получения template стандартизованы институтом стандартов NIST в США .

В настоящее время развивается множество технологий электронного распознавания отпечатка пальца. Наиболее широко известны оптическая, емкостная, радио, микроэлектромеханическая (MEMS), тепловая технологии, а также технология анализа давления. В таблице 1 приведены особенности, достоинства и недостатки каждой их них.

Таблица 1. Электронные технологии получения отпечатков пальцев

Разновидность технологии	Сущность	Достоинства	Недостатки
Оптическая (на отражение)	Для захвата оптического изображения отпечатка пальца используется CMOS или CCD матрица.		- трудность различения живого пальца и его имитации; - чувствительность к загрязнениям.
Оптическая (на просвет)	Кончик пальца освещается со стороны ногтя. Прошедший через палец свет попадает на линзу датчика и далее на оптический сенсор, анализирующий характеристики поглощения света живыми тканями. Этот способ разработан компанией Mitsubishi Electric Corp.	- высокая надежность считывания и устойчивость к обману; - не требуется контакт пальца с поверхностью датчика	- сложность
Емкостная	Кончик пальца помещается напротив массива элементов, чувствительных к емкости. Различия в диэлектрике между гребнем (в основном вода) и впадиной (воздух) позволяют их идентифицировать и построить образ отпечатка.	Один из наиболее популярных методов вследствие его надежности и низкой стоимости	- уязвимость от электростатического разряда (ESD); - возможность обмана искусственным кончиком пальца.
Радио	Кончик пальца возбуждается радиоволной низкой интенсивности. В этом случае он действует как передатчик, а различие расстояний между гребнями и впадинами может быть обнаружено массивом соответственно настроенных антенн. Необходимо, чтобы кончик пальца контактировал с областью излучения датчика (по его периферии).	Поскольку анализируются физиологические свойства кожи, очень сложно обмануть такой датчик искусственным пальцем.	- неустойчивая работа при плохом контакте пальца с передающим кольцом, которое может стать некомфортно горячим
Давление	Массив чувствительных к давлению пикселей на основе пьезоэлектрических элементов преобразует давление гребней пальца в электрические импульсы.		- низкая чувствительность, срабатывание от имитации пальца, повреждение при чрезмерном давлении
MEMS	Кончик пальца анализируется множеством микроэлектромеханических элементов.		- высокая вероятность ошибки; Возможность обмана имитацией;
Тепловая	Использование пироэлектрического материала для преобразования различия температуры в напряжение. Тепловой датчик на основе массива элементов из такого материала измеряет разницу температур между элементом под гребнем и элементом под впадиной кончика пальца.	- устойчивость к электростатическому разряду; - отсутствие какого-либо воздействия на палец; - работа в широком диапазоне температур; - невозможность обмана с помощью имитации пальца.	- тепловой образ на датчике сохраняется короткое время (~0,1 сек.), поскольку при касании датчика быстро наступает тепловое равновесие

Большинство описанных технологий для получения изображения отпечатка пальцев могут использовать два различных пути. Первый заключается в использовании окна статического захвата изображения такого же размера, как у требуемого изображения отпечатка пальца (рис.1). Преимущество этого способа состоит в получении полного изображения одним действием. Серьезные недостатки заключаются в необходимости использования матрицы захвата большого размера, что повышает стоимость системы, а также в загрязнении поверхности датчика из-за остающихся на ней отпечатков.

Второй подход основан на использовании прямоугольного окна с шириной требуемого изображения и высотой несколько пикселей. При идентификации человек быстро проводит пальцем поперек окна датчика (рис.2). Изображение сканируется секциями и восстанавливается программным обеспечением. В результате значительно уменьшается стоимость датчика (из-за малых размеров чувствительного элемента) и он становится самоочищающимся. Датчики такого типа называются sweep-сенсорами1. Этот метод обязателен при тепловом захвате изображения.

В настоящей статье будут рассмотрены датчики отпечатков пальцев фирм ATMEL и FUJITSU, сводный перечень характеристик которых приведен в таблице 2.

Датчики ATMEL

Корпорация ATMEL после всестороннего изучения особенностей существующих технологий получения изображения отпечатков пальцев представила потребителям тепловой сенсор sweep-типа AT77C101B (рис.3). Он представляет собой комбинацию термочувствительной матрицы FingerChip™ и электронной схемы преобразования информации. Захват изображения происходит при перемещении пальца перпендикулярно окну датчика. Не требуется использования дополнительных нагревателей, источников света и радиоизлучения.

Сенсор FingerChip содержит массив из 8 строк и 280 столбцов, насчитывающий в совокупности 2240 теплочувствительных пикселей. Каждый пиксель имеет размер 50x50 мкМ, обеспечивая разрешение 500 dpi при размерах чувствительной области 0,4x14 мм. Величина этого разрешения соответствует спецификации IQS2, определяющей качество изображения IAFIS3 . Частота тактирования пикселей программируется и может достигать 2 МГц, обеспечивая 1780 кадров в секунду на выходе устройства. Изображение полноценного отпечатка пальца реконструируется из успешно получившихся кадров с помощью программного обеспечения фирмы ATMEL.

Сенсор FingerChip и схема преобразования информации изготавливаются на одном кристалле размером 1,7x17,3 мм. Функциональная схема микросхемы показана на рис.4. Цикл получения каждого кадра состоит из следующих шагов:

Выбирается один из 280+1 столбцов матрицы датчика. Столбцы выбираются по кругу слева направо. После сброса выбирается крайний слева столбец.
Аналоговый сигнал от каждого пикселя столбца поступает в банк из 8 усилителей.
Усиленные сигналы с двух линий (четной и нечетной) одновременно поступают на два 4-разрядных АЦП. Эти сигналы также присутствуют на аналоговых выходах микросхемы (на рисунке не показаны).
Полученные на выходе АЦП цифровые сигналы, разделенные на две группы по 4 разряда, фиксируются в защелках и выдаются на параллельные выходы De0-3 (четные линии) и Do (нечетные линии).

Цифровой поток с выхода датчика поступает в процессор реконструкции и идентификации отпечатка пальца.

С точки зрения надежности FigerChip сенсор отличается выдающимися характеристиками среди подобных устройств. Его интегральная КМОП - схема естественным образом защищена от электростатических разрядов величиной до 16 кВ. Рамочное окно датчика устойчиво к трению и допускает, по меньшей мере, миллион прикосновений пальцев. Он также весьма устойчив к значительному приложенному к рабочей поверхности давлению. Рабочее напряжение лежит в диапазоне от 3,3 В до 5 В, потребляемая мощность составляет 20 мВт при напряжении 3,3 В на частоте 1 МГц. Это эквивалентно потребляемому току около 7 мА. Имеется режим пониженного энергопотребления со сбросом при включении, возможность остановки тактирования, отключение системы температурной стабилизации и отключение выходов с переводом их в высокоимпедансное состояние.

При нормальной работе датчик полностью пассивен и использует для проведения измерений только тепловую энергию кончика пальца. Однако, если разница температур между пальцем и осью датчика мала (менее одного градуса), для создания необходимого температурного контраста активизируется система температурной стабилизации, несколько повышающая температуру датчика.

Таким образом, использование теплового сенсора AT77C101B от ATMEL имеет следующие преимущества:

Применение теплочувствительных элементов не требует какой-либо передачи сигнала к кончику пальца, используются только физиологические свойства живого пальца. Это уменьшает энергопотребление и устраняет любой возможный дискомфорт человека, вызванный энергетическим воздействием тока или радиоволн.
Использование sweep-метода получения изображения позволяет уменьшить чувствительную кремниевую область датчика примерно в 5 раз, во столько же снижается его стоимость. Однако восстановленное изображение имеет необходимое высокое разрешение. Кроме того, такой датчик является самоочищающимся и его очень сложно обмануть. Независимые тесты подтверждают, что чрезвычайно трудно переместить искусственный кончик пальца достаточно гладко для осуществления обмана датчика.
Интеграция датчика изображения и схемы преобразования на одном КМОП - кристалле снижает стоимость и потребляемую мощность, увеличивает скорость работы. Это также делает возможным встраивание модулей аппаратного шифрования или других особых схем для расширения возможностей по обеспечению безопасности.

Полученный от датчика поток данных подвергается программной обработке для восстановления изображения отпечатка пальца и извлечения из него необходимой для последующего сравнения с шаблоном информации. Восстановленное изображение обычно имеет размер 25x14 мм, что эквивалентно количеству пикселей 500x280. При разрешении 8 разрядов на пиксель для хранения изображения необходимо около 140 кБ. В целях обеспечения секретности и из-за ограниченности объема доступной памяти нежелательно сохранять полные изображения отпечатков пальцев в системе распознавания отпечатков. Конечно, они могут быть сохранены в безопасном месте как резервная копия для обращения к ним в особых случаях, но для нормальной работы рассматриваемой системы полноформатные изображения отпечатков пальцев не нужны.

При нормальной работе системы из изображения извлекается уникальный набор данных об отпечатке. Извлечение производится с помощью процедуры распознавания образов или с использованием принципа деталей (minutiae). В результате обычно получается набор из 36 деталей образа, для хранения которых необходимо 144 байта (по 4 байта на каждую деталь). Это позволяет получить высокую степень сжатия исходного изображения. Таким образом, создается либо шаблон (template) отпечатка пальца, либо его образец (sample), сравнивающийся при идентификации личности с шаблонами, хранящимися в системе.

Использование шаблонов, помимо экономии объема памяти и увеличения скорости идентификации, имеет некоторые другие преимущества:

Изображение отпечатка пальца не может быть восстановлено из шаблона. Это снижает риск преступного использования данных электронными взломщиками или недобросовестными служащими.

Шаблон можно сжать с помощью любого стандартного алгоритма сжатия данных и при необходимости зашифровать. Это особенно важно в приложениях, использующих отпечатки пальцев, к примеру, в Smart Card, которые имеют ограниченный объем памяти и повышенные требования к защите информации.
После извлечения шаблона с помощью стороннего программного обеспечения выполняется стандартная процедура идентификации и описания деталей изображения.

Завершающей стадией процесса установления соответствия является сравнение sample с зарегистрированными шаблонами (при идентификации) или с единственным зарегистрированным шаблоном (при установлении подлинности – аутентификации). Маловероятно, чтобы sample побитно соответствовал шаблону. Это вызвано самыми различными причинами: наличием приближений в процедуре сканирования (разрешение 50 мкМ далеко от идеала), перекосов изображения, ошибок аппроксимации процедуры извлечения деталей и пр. Поэтому необходим алгоритм выявления соответствия, определяющий степень соответствия в числовом выражении. Соответствие считается подтвержденным после преодоления некоторого заданного числового уровня. В результате появляется два типа ошибок:

FAR (False Acceptance Rate) – ложное принятие отпечатка, когда сравнение несоответствующих sample и template выдает настолько высокий уровень соответствия, что он принимается. В результате система пропускает самозванца.
FRR (False Rejection Rate) – ложное отклонение, возникающее, если соответствующие sample и template не дают достаточно высоких значений соответствия. Это приводит к нераспознаванию системой зарегистрированной личности.

Все системы распознавания отпечатков пальцев пытаются минимизировать FAR и FRR, однако на практике между этими параметрами существует зависимость. При уменьшении FAR происходит увеличение FRR и наоборот.

В целом в процессе идентификации личности используется следующий комплект программного обеспечения:

Программный драйвер от ATMEL для датчика FingerChip
Программное обеспечение реконструкции изображения отпечатка пальца (демо-версия программы FC_Demo, исходные коды алгоритмов реконструкции изображения и способа управления драйвером FingerChip доступны на сайте www.atmel.com)
Программа извлечения шаблона или образца отпечатка (любого стороннего производителя)
База данных для хранения шаблонов (при необходимости)
Программное обеспечение для сравнения шаблона и образца

Датчики FUJITSU

Компания Fujitsu производит обширный спектр емкостных датчиков отпечатков пальцев. Они значительно меньше оптических датчиков и позволяют минимизировать искажения получаемого изображения, поскольку кончик пальца непосредственно касается поверхности полупроводникового кристалла, что в результате обеспечивает простое и надежное установление подлинности.

Датчики Fujitsu изготавливаются по стандартной кремниевой КМОП-технологии, облегчающей интеграцию разнообразных схем управления, памяти, интерфейсов и пр. Они имеют низкое энергопотребление и доступны в корпусах различных типоразмеров для удовлетворения потребностей самых разнообразных приложений. Активная поверхность датчика, к которой производится прикосновение пальцев, защищена запатентованным ультра-износостойким покрытием, значительно повышающим долговечность прибора.

В основе всех датчиков Fujitsu лежит емкостная технология получения изображения отпечатка. Верхний слой кристалла содержит массив конденсаторных электродов. Когда кончик пальца прикасается к поверхности датчика, гребни и впадины пальца вызывают изменение емкости электродов. Датчик считывает значения емкости каждого конденсатора массива и с помощью 8-разрядного АЦП преобразует их в цифровой поток, поступающий на выход устройства. Размер каждого конденсатора равен 50?50 мкМ, что позволяет сенсору точно определять месторасположение гребней поверхности пальца, имеющих ширину более 200 мкМ.

На сегодняшний день ассортимент датчиков отпечатков пальцев компании Fujitsu насчитывает 4 прибора, два из которых являются статическими датчиками (MBF110 и MBF200), а два - датчиками sweep-типа (MBF300 и MBF310). Все устройства обладают разрешением 500 dpi. Датчик MBF110 имеет самую большую область получения изображения - 15x15 мм и соответствующее количество пикселей 300x300. Более старшие модели оснащены интерфейсами MCU и SPI, а модели MBF200 и MBF300 в дополнение к этому позволяют передавать информацию через интегрированный USB версии 1.1. Более подробно особенности датчиков можно рассмотреть на примере MBF300 Solid State Sweep Sensor™ (рис.5), получившего по итогам 2002 г. множество наград, в т.ч.:

продукт года, по мнению TMC"s BiometriTech (http://www.biometritech.com/features/poty03.htm);
лучший продукт 2002 года, выбранный читателями журнала Design News;
победитель 2002 года по итогам конкурса журнала EDN в категории инноваций в области периферийных устройств.

Рис.5 Емкостной датчик для считывания отпечатков пальцев MBF300 корпорации FUJITSU

Датчик MBF300 представляет собой высококачественный недорогой ёмкостной sweep-сенсор с малым потреблением энергии. Он имеет массив пикселей из 256 столбцов и 32 строк и размер чувствительной области 12.8?1.6 мм. Это первый в мире сенсор, поддерживающий три различных стандартных интерфейса: MСU, SPI и USB. Интерфейсы USB и SPI позволяют передавать изображение со скоростью 100 кадров/сек, а MCU – со скоростью 1000 кадров/сек. При этом для работы с микропроцессором через SPI необходимо только 6 линий. MBF300 рассчитан на работу при напряжении от 2,8 В до 5 В в диапазоне температур от 0°С до +60°С. Потребление тока в активном режиме составляет 20 мА, в режиме «standby» не превышает 20 мкА. Конструктивно датчик выпускается в 54-выводных корпусах FBGA или FLGA и имеет толщину 1.2 мм.

В общем виде процесс получения изображения датчиком состоит из двух фаз. В первой фазе происходит предварительный заряд ячеек выбранной строки массива элементов датчика от источника питания. С каждым столбцом массива связаны две схемы выборки и хранения. В течение предварительного заряда внутренний сигнал разрешает первому набору схем выборки и хранения сохранить величины напряжений элементов строки. Во второй фазе электроды строки разряжаются источником тока. Величина разряда каждой ячейки пропорциональна току разряда, определяемому в т.ч. близостью поверхности пальца. После некоторого периода времени (называемого «периодом разряда»), внутренний сигнал включает второй набор схем выборки и хранения для запоминания итоговых напряжений электродов. Разница между напряжениями после заряда и после разряда является критерием емкости ячеек сенсора. Сохраненные после разряда напряжения на электродах строки оцифровываются. Чувствительность кристалла можно изменять, регулируя ток и время разряда. Это выполняется программным образом. Номинальная величина источника тока определяется внешним резистором, подключенным к выводу ISET. Для получения полного изображения описанные действия повторяются необходимое количество раз.

Полученный на выходе датчика цифровой поток подвергается программной обработке для реконструкции изображения и выделения из него template или sample.

Компанией Fujitsu предлагается комплект программного обеспечения для разработчика DKF200. Он дает возможность работать с датчиком MBF200 в ОС Windows 98 и 2000 через USB-порт V1.1. В состав комплекта входит набор объектных кодов, примеры исходных кодов на С++, исполняемый файл myMinutia™, аппаратное обеспечение USB-порта MBF200 с необходимыми схемами. В совокупности модули программного обеспечения комплекта DKF200 выполняют захват изображения, автоматическую настройку чувствительности датчика и устранение шумов изображения, извлечение деталей (minutia) и сравнение полученного sample отпечатков c хранящимися в программе шаблонами конкретных индивидуумов.

Возможности применения датчиков отпечатков пальцев чрезвычайно обширны и охватывают следующие приложения:

Сотовые телефоны, Smart-фоны
Ноутбуки, системы доступа к персональным компьютерам
Системы разграничения доступа в здания
Электронные ключи (автомобили, дома и пр.)
PDA (управление доступом, защита данных)
Финансовые транзакции и транзакции через Интернет (Smart Сard и их считыватели)

Подводя итог, хотелось бы отметить, что биометрические технологии находятся в стадии бурного развития и совершенствования. Но уже сейчас наиболее простые и надежные решения из этой области, в частности, основанные на приборах считывания отпечатков пальцев, начинают активно проникать в нашу жизнь.

Таблица 2 Характеристики датчиков отпечатков пальцев ATMEL и FUJITSU

Тип	Разре- шение	Кол-во пикселей	Размер области считывания мм	Частота кадров кадр/с	Рабочая темп-ра, °С	Устой- чивость к ESD кВ	Напря- жение питания- В	Потре- бляемый ток	Корпус Размер мм
ATMEL FingerChip™ (тепловые датчики)
AT77C101B	500 dpi	280x8	14x0.4	1780	0…+70	±16 5	3-5.5	20мВт при 3.3В	COB6, COB с разъемом, CDIP-20 26.6x9 (COB)
FUJITSU
MBF110	500 dpi	300x300	15x15	10	0…+60	-	3.3-5	170мВт при 40МГц	LQFP-80, VSPA-80 24x24
MBF200	500 dpi	256x300	12.8x15	30 c MCU; 13 c USB; 10 c SPI	-20…+85	10	3.3-5	20 мА	LQFP-80 24x24x1.4
MBF300	500 dpi	256x32	12.8x0.2	1000 c MCU; 100 c USB; 100 c SPI	0…+60	-	2.8-5	20 мА	FBGA-54, FLGA-54 14x4.3x1.2
MBF310	500 dpi	218x8	12.8x0.2	1000 c MCU; 700 c SPI	-20…+85	-	2.7-3.6	12 мА	FBGA-42 16.1x6.5x1.2

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

The Biometric Consortium , Web: http://www.biometrics.org
Common Biometric Exchange File Format (CBEFF), January 2001, USA National Institute of Standards and Technology (NIST), Web: http://www.nist.gov
FBI Integrated Automated Fingerprint Identification System (IAFIS), USA Federal Bureau of Investigation, Web: http://www.fbi.gov/hq/cjisd/iafis/iafisbuilds.htm