Волшебные «пальчики». Как работают механизмы биометрической авторизации по отпечатку пальца

Волшебные «пальчики». Как работают механизмы биометрической авторизации по отпечатку пальца

Добавлено в закладки: 0

Больше ста лет назад человечество научилось устанавливать личность по отпечаткам пальцев. Теперь эта технология используется в каждом втором телефоне и значительно повышает уровень безопасности в сравнении с ПИН-кодами. Но как именно работают эти сканеры? Мне стало интересно, и, разобравшись, расскажу об этом и тебе.

Типы сканеров отпечатка пальца

Существует несколько разных способов получить изображение отпечатка пальца. Давай разберем их по порядку.

Оптический сканер

Этот вид сенсора работает по простому принципу: есть фоточувствительная матрица (в большинстве случаев это ПЗС, которая используется во многих современных камерах) и несколько небольших светоизлучателей, которые подсвечивают поверхность пальца.

Свет отражается от папиллярного узора, и в зависимости от того, попал луч света на гребень или на впадину, интенсивность его варьируется.

Внешнее стекло такого сканера тонкое, чтобы вызвать эффект полного нарушенного внутреннего отражения. Из-за этого эффекта свет в местах контакта кожи со стеклом — на гребнях — полностью отражается в фотосенсор.

Волшебные «пальчики». Как работают механизмы биометрической авторизации по отпечатку пальца 7
Схема работы оптического сканера

Ты можешь наблюдать этот феномен с помощью стакана с водой: приложи палец с одной стороны стекла и посмотри с другой — ты четко увидишь свой отпечаток.

Волшебные «пальчики». Как работают механизмы биометрической авторизации по отпечатку пальца 8
Вот и весь феномен

Датчики такого типа весьма громоздкие: нужна большая камера и маленький излучатель света, — а поэтому они почти не применяются. Есть и другая проблема: свет может одинаково отражаться от кожи и другого материала, а потому подделать отпечаток пальца становится слишком легко.

 

Полупроводниковые сканеры

В таких сканерах используются полупроводники, которые меняют свои свойства при касании. Они реагируют на различные параметры: тепло, проводимость, давление.

Термические сенсоры реагируют на изменение проводимости полупроводника в зависимости от температуры. Воздух и кожа с разной скоростью передают тепло, датчики фиксируют это, и мы получаем изображение отпечатка.

Сенсоры давления реагируют на давление каждого маленького участка кожи на поверхность проводника, регистрируют разницу в давлении впадин и гребней. Но такие сканеры очень хрупкие и поэтому практически бесполезны: любое излишнее давление на поверхность способно полностью вывести из строя часть сенсоров, делая весь сканер неработоспособным.

Емкостные сенсоры используют датчики КМОП, которые выступают в роли маленьких конденсаторов, чтобы пропустить небольшой заряд через поверхность пальца. Способность воздуха и кожи изолировать электрический ток различается: чем больше емкость конденсатора, тем больше воздуха попало между сенсором и кожей.

Последний метод — самый универсальный: такой сенсор компактен и вмещает в себя до сорока тысяч датчиков на квадратный сантиметр. Именно этот тип сенсоров установлен в большинстве устройств Apple, Xiaomi, Samsung и других лидеров мобильного рынка.

И пусть сканеры такого типа обмануть сложнее, чем оптические, возможность создать муляж все еще остается: не только кожа обладает всеми эффектами, на которые полагаются эти сканеры. Подделка такого уровня уже на порядок сложнее: необходима тонкая работа с материалами, качественный отпечаток и небольшая лаборатория.

 

Ультразвуковой сканер

Ультразвуковые сенсоры используют точные часы и схожий с эхолотом принцип: излучатель испускает высокочастотный импульс, который отражается от поверхности пальца и регистрируется датчиком. Сигнал, который попал в область впадины, проходит больший путь, и, соответственно, ему требуется больше времени, чтобы вернуться, чем сигналу, который отразился от гребня.

Читайте также:   Жители островов Эгейского моря протестуют против лагерей мигрантов

Такое устройство сенсора позволяет получить четкое изображение папиллярного узора, которое учитывает не только сам факт касания, но и глубину каждого отдельного участка кожи. Это позволяет изображению быть еще точнее, хотя на сканирование уходит больше времени, а себестоимость устройства выше.

Однако, кроме высокой точности, у ультразвуковых сканеров есть другое ощутимое конкурентное преимущество, которое заставляет производителей все больше вкладываться в их упрощение и удешевление: такие сенсоры не требуют отдельной поверхности и могут работать сквозь любой плотный материал. Таким образом, интегрировать сканер отпечатка пальца прямо в экран становится не только возможно, но и относительно просто.

Производители смартфонов не только экспериментируют с этой технологией в лабораториях, ее уже успели реализовать в некоторых самых новых моделях: у Samsung S10 Plus, Huawei P30 Pro, One Plus 7, Xiaomi Mi 9 сканеры встроены прямо в экран.

 

Анализ и сравнение отпечатков

Отпечаток состоит из набора повторяющихся шаблонов — форм. Чаще всего анализ отпечатка проводится именно на их основе.

 

Характеристики папиллярного узора

Каждую характеристику можно отнести к одной из двух групп: глобальные, которые можно увидеть невооруженным глазом, и локальные, которые заключаются в особенностях структуры каждой отдельной папиллярной линии.

Арка, петля и завиток — это самые распространенные глобальные узоры. Ты можешь даже попробовать посмотреть на свой палец и найти их, ведь эти признаки есть у каждого человека. Но они в целом не уникальны, их одних недостаточно для точной идентификации. Зато эти узоры используются для предварительного отсеивания лишних записей в больших базах отпечатков, например в МВД.

Локальные признаки — минуции — намного более интересны для анализа. Причем важно не только какие они, но и где находятся на изображении. Сами по себе минуции представляют собой простые геометрические формы, которые можно обнаружить на изображении перебором.

Есть два вида локальных характеристик: окончания и разветвления (в медицине — бифуркации). Их можно найти на готовом отпечатке, а вот разглядеть без лупы на собственном пальце практически невозможно.

Волшебные «пальчики». Как работают механизмы биометрической авторизации по отпечатку пальца 9
Так выглядит окончание папиллярной линии

 

Волшебные «пальчики». Как работают механизмы биометрической авторизации по отпечатку пальца 10

 

Обработка изображения

Снимок делают черно-белым, а затем уменьшают до такого размера, чтобы каждая папиллярная линия занимала в ширину лишь один пиксель. После таких преобразований анализировать отпечаток становится проще и удобнее.

Волшебные «пальчики». Как работают механизмы биометрической авторизации по отпечатку пальца 11
Изображение отпечатка до и после первичной обработки

Следующий шаг — разбиваем изображения на отдельные блоки размером три на три пикселя, в центре должен быть закрашенный пиксель папиллярной линии. Если вокруг этого пикселя находится ровно один или три других таких же, то этот блок считается характеристикой, которая сохраняется в памяти вместе с типом признака и его координатами.

Волшебные «пальчики». Как работают механизмы биометрической авторизации по отпечатку пальца 12
Так выглядят обработанные блоки разветвлений

В случае если блок приходится на окончание папиллярной линии, эта линия должна как-то попасть в центр блока, но не должна из него уйти. Если же блок — это разветвление, то в центр блока заходит одна линия, а выходит из него две — суммарно три линии сходятся в одной точке.

Читайте также:   Борисполь. Из-за Криклия могут закрыть Терминале F

Данные каждого такого блока вместе с типом локального узора записываются в память и затем используются для сравнения каждый раз при авторизации.

 

Сравнение отпечатков

Для сравнения необходимо снова произвести сканирование, так же обработать изображение и разбить его на блоки. Такое разбиение позволяет сравнивать блоки в том случае, если положение пальца изменилось между измерениями.

Само сравнение блоков не так тривиально, как хотелось бы: во-первых, необходимо устранить последствия смещения и поворота пальца. Чаще всего это достигается перебором (хотя некоторые сканеры так не делают, а просто игнорируют слишком сильно повернутые отпечатки). Во-вторых, блоки начинают сравниваться попарно, и программа пытается найти два однотипных блока в одном и том же месте.

Доля таких найденных пар от суммарного количества существующих характеристик и служит своеобразной «уверенностью» алгоритма сравнения в том, что отпечатки принадлежат одному и тому же человеку. Ты удивишься, но для одного человека эта характеристика составляет всего 45–55%.

Так происходит потому, что качество отпечатка далеко не идеально. Из-за загрязнений или неточно приложенного пальца для анализа могут быть недоступны целые участки изображения. И, несмотря на это, в большинстве случаев даже порога 40% для сканера достаточно, чтобы безошибочно определять человека.

Защита данных отпечатка

Как выглядят «пальчики», сохраненные в памяти? После анализа они превращаются в описания положений и типов блоков. Дальше эти данные обычно шифруются или сохраняются в специальной внутренней памяти (защищаемой операционной системой) либо в отдельном чипе для хранения ключей и паролей. Обычно в качестве алгоритма шифрования используется AES с длиной ключа больше 128 бит, что обеспечивает полную сохранность наших биометрических данных.
В устройствах Apple, например, этот ключ хранится в системе Secure Enclave, которая располагается на отдельном чипе. Производители смартфонов на Android решают эту проблему по-разному — часто выбор падает на чипы безопасного выполнения Qualcomm (например, Qualcomm Trusted Execution Environment — см. PDF) или ARM TrustZone.

Заключение

Как видишь, в самом сканере отпечатка пальца нет ничего сложного: каждый механизм, который здесь используется, нельзя назвать большим прорывом в области физики или информатики. Однако такая удобная комбинация всех этих маленьких запчастей и алгоритмов в одно устройство позволяет нам с тобой тратить меньше времени на мелочи вроде набора пароля.

Источник

Автор публикации

не в сети 13 часов

Андрей Маргулис

Волшебные «пальчики». Как работают механизмы биометрической авторизации по отпечатку пальца 406
С организацией DDoS атак завязал.
Выкладываю новости технологий и интересные статьи с темной стороны интернета.
28 лет
День рождения: 14 Мая 1991
flagТунис.
Комментарии: 522Публикации: 1039Регистрация: 12-12-2015

Другие записи этого автора:

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
РЭНБИ
Добавить комментарий
Войти с помощью: 
Авторизация
*
*
Войти с помощью: 
Регистрация
*
*
*
Ваш день рождения * :
Число, месяц и год:
Отображать дату:
Войти с помощью: 
Генерация пароля