Как это работает: сканер отпечатков пальцев

Компьютеризированные сканеры отпечатков пальцев были опорой шпионских триллеров в течение многих десятилетий, но до недавнего времени они стали действительно экзотической технологией в реальном мире. За последние несколько лет сканеры начали появляться повсеместно — в полицейских участках, зданиях с высоким уровнем безопасности, на обычной компьютерной клавиатуре и даже в мобильных устройствах типа смартфона или планшета. Вместо использования банального пароля, вам потребуется характерный отпечаток пальца с целью получения доступа к файлам.

Основа отпечатков пальцев

Люди, как оказалось, имеют встроенные и легкодоступные удостоверения личности прямо на собственной руке. У вас есть уникальные элементы, которые находятся на кончиках ваших пальцев.

Как известно, люди имеют крошечные выступы на коже пальцев, потому что именно данная адаптация была чрезвычайно необходима и выгодна для предков сегодняшнего человека как биологического вида. Уникальные свойства рисунка кончика пальца позволяют вам проще захватить тот или иной предмет. Ту же картину мы можем наблюдать и в резине — определённый рисунок помогает шинам осуществлять сцепление с дорогой.

Другая функция отпечатков пальцев — общее совпадение. Как и всё в организме человека, рисунок пальца образуется путём сочетания генетических и экологических факторов. Генетический код в ДНК образует общую основу рисунка кожи. 

Также существует бесчисленное множество факторов окружающей среды, влияющих на формирование пальцев. Так же, как и погодные условия, которые формируют облака или береговую линию пляжа. Весь процесс разработки настолько хаотичен, что в ходе всей человеческой истории нет практически никаких шансов на формирование точно такого же узора дважды. Следовательно, отпечатки пальцев являются уникальным маркером для человека. 

Работа сканеров отпечатков пальцев заключается в сравнении его с другими образцами посредством проведения специальных анализов. 

Оптический сканер

Система сканеров отпечатков пальцев имеет два основных рабочих способа — получение изображения пальца, а также определение соответствия структуры рисунка с помощью предварительно отсканированных изображений. 

Есть целый ряд различных способов получить изображение рисунка пальца того или иного человека. Наиболее распространёнными методами в настоящее время являются оптические и емкостные сканеры отпечатков пальцев. Оба типа существенно идентичны друг другу, но работают совершенно по-разному.

Сердцем оптического сканера является прибор с зарядовой связью (ПЗС). Та же система датчика света используется и по сей день в цифровых камерах и видеокамерах. Прибор с зарядовой связью — это просто массив светочувствительных диодов, называемых фотосайтами. Фотосайты генерируют электрический сигнал в ответ на световые фотоновы. Каждый светочувствительный элемент сохраняет пиксель, крошечную точку, представляющую свет, который попал на определённое место. В совокупности светлые и тёмные пиксели формируют изображение отсканированного элемента (в данном случае элементом является человеческий палец). Как правило, аналого-цифровая система сканера обрабатывает аналоговый электрический сигнал, после чего генерирует цифровое представление данного изображения. 

Процесс сканирования отпечатка пальца начинается когда вы помещаете палец на стеклянную пластину, после чего камера прибора с зарядовой связью делает снимок. Сканер имеет собственный источник света — обычно это массив светодиодов для освещения рисунка пальца. Система ПЗС фактически генерирует перевёрнутое изображение пальца: темные области, представляющие более отражённый свет (гребни пальца), и светлые участки, представляющие собой менее отражённый свет (области между выступами). 

Прежде чем сравнивать печать с хранимыми данными, процессор сканера генерирует прибор с зарядовой связью, который получает чёткое изображение. Он проверяет среднюю долю тёмных пикселей или общие значения в небольшой выборке. Изображение отвергается в случае, если изображение в целом получилось слишком тёмным или же слишком светлым. Если изображение будет отклонено, сканер регулирует время экспозиции, чтобы впустить больше или меньше света, а затем пытается провести сканирование снова.

Если уровень тёмных пикселей нормален, система сканера продолжает проверять чёткость изображения. Процессор просматривает несколько прямых перемещений по горизонтали и вертикали по изображению. Если изображение отпечатка пальца имеет недостаточную чёткость, линия, идущая перпендикулярно выступов будет состоять из чередующихся секций очень тёмных и очень светлых пикселей.

Если процессор обнаруживает, что изображение чёткое и экспозиция правильного значения, он приступает к сравниванию захваченного отпечатка пальца.

Емкостный сканер

Как и оптические сканеры, емкостные сканеры отпечатков пальцев создают изображение из выступов и областей между ними вашего пальца, которые в итоге составляют единый отпечаток. Но вместо того, чтобы использовать печать с использованием света, конденсаторы используют электрический ток. 

На изображении показан простой емкостный датчик, состоящий из одного или более полупроводниковых чипов, которые содержат множество крошечных клеток. Каждая ячейка включает в себя два проводника пластины, покрытые изолирующим слоем. Клетки по-настоящему крошечные — меньше, чем ширина одного выступа на кончике вашего пальца.

Датчик соединён с интегратором электрической цепи, построенной вокруг инвертирующего операционного усилителя. Инвертирующий усилитель представляет собой сложный полупроводниковый прибор, состоящий из ряда транзисторов, резисторов и конденсаторов.

Как и любой усилитель, инвертирующий усилитель изменяет один ток на основе колебаний другого. В частности, инвертирующий усилитель изменяет напряжения питания. Изменения основаны на относительном напряжении из двух входов, называемых интвертирующим терминалом и неинвертирующим терминалом. В этом случае неинвертирующий терминал подключен к земле, а инвертирующий терминал подключен к источнику опорного напряжения и цепи обратной связи. Петля обратной связи, которая также подключена к выходу усилителя, содержит два проводника пластин.

Два проводника пластины образуют основной конденсатор, электрический компонент, который может хранить заряд. Поверхность пальца выступает в качестве третьей пластины конденсатора, разделённой изолирующими слоями в структуре клеток. Варьируя расстояние между обкладками конденсатора (путём перемещения пальца ближе или дальше от проводящих пластин) изменяется общая ёмкость (способность хранить заряд) конденсатора. Из-за данного качества конденсатор в камере будет иметь большую ёмкость, чем конденсатор в ячейке.

Для сканирования пальца процессор сначала закрывает кнопку сброса для каждой ячейки, которая имеет вход и выход каждого усилителя, чтобы произвести «баланс» цепи интегратора. Когда переключатель снова открывается, и процессор применяет фиксированный сбор в схему интегратора, конденсаторы заряжаются. Ёмкость конденсатора цепи обратной связи влияет на напряжение на входе усилителя, который, в свою очередь, влияет на выход усилителя. 

Процессор сканера считывает данный выход напряжения и определяет, является ли это характеристикой выступа или области между ней. Читая каждую клетку матрицы датчиков, процессор может собрать общую картинку отпечатка пальца, похожую на изображение, созданное с помощью оптического сканера.

Главным преимуществом емкостного сканера является то, что он требует реальные очертания отпечатков пальцев, а не картинку темных и светлых пикселей, которые составляет визуальное впечатление отпечатка пальца. Это делает систему сильнее относительно обмана. Кроме того, поскольку они используют полупроводниковую микросхему, а не блок ПЗС, емкостные сканеры более компактны в размерах, чем оптические приборы.

В фильмах и телевизионных шоу автоматизированные анализаторы отпечатков пальцев, как правило, накладывают различные изображения отпечатков пальцев с целью нахождения соответствия. В действительности это не особенно практичный способ для сравнения отпечатков пальцев. Используя все изображение отпечатка пальца в сравнительном анализе используется множество вычислительной мощности, а это позволяет украсть данные печати не таким уж и трудным способом. 

Система сканера отпечатков пальцев использует очень сложные алгоритмы для распознавания и анализа мелочных деталей. Основная идея заключается в измерении относительных положений мелочных деталей. Система сканера не должна найти всю картину мелочных деталей как в образце и в печати на записи, она просто должна найти достаточное количество тех самых мелочей. Точное количество зависит от программирования сканера.