Сканер отпечатков пальцев как средство аутентификации пользователя. Сканер отпечатков пальцев: что и как

На сегодняшний день компьютеризация общества заставляет искать различные способы ограничения доступа к информации, хранимой на компьютере. Причем система авторизации и аутентификации пользователя по паролю является одной из самых распространенных, хоть и имеет множество недостатков. Альтернативой парольной защите может выступать аутентификация по биометрическим параметрам пользователя, в частности по отпечатку пальца. А для этого требуется всего лишь сканер отпечатков пальцев и соответствующее программное обеспечение, которое идет в комплекте вместе с устройством.

Сканер отпечатка пальца представляет собой устройство, которое считывает образ пальца со всеми его особенностями в виде папиллярного узора и передает результат сканирования в программное обеспечение. Специализированное приложение сравнивает полученное изображение с образцом, созданным на этапе формирования биометрического пароля.

Типы сканеров отпечатков пальцев

Все сканеры отпечатков пальцев, которые на сегодняшний день используются, можно классифицировать на три группы, исходя из физического принципа работы:

Полупроводниковые (кремниевые);

Оптические;

Ультразвуковые.

Полупроводниковые сканеры

Данный тип сканеров получает изображение на основе свойств полупроводников, которые изменяются в области контакта и сканера. В основе работы данного типа сканирующих устройств может лежать несколько технологий:

Емкостные сканеры. В основе работы подобных сканеров лежит эффект, когда емкость pn-перехода в изменяется при соприкосновении гребней папиллярного узора и элементов полупроводниковой матрицы.

Чувствительные к давлению сканеры. Сканер отпечатков пальцев данного типа в своей работе использует специальную матрицу пьезоэлементов. Когда палец соприкасается с матрицей, то гребни оказывают давление на неё, а впадины, соответственно, нет. Исходя из оказываемого давления на матрицу, и формируется изображение.

- Термо-сканеры. Сканирующие устройства данного типа используют сенсоры, состоящие из пироэлектрических элементов. Данные сенсоры фиксируют температурную разницу, после чего преобразуют её в напряжение.

Радиочастотные сканеры. Сканеры данного типа состоят из микроантенн, которые генерируют слабый сигнал, а по полученной в ответ от папиллярного узора величине электро-движущей силы формируется итоговое изображение отпечатка пальца.

Протяжные термо-сканеры. То же самое, что и термо-сканеры. Единственное отличие заключается в том, что палец необходимо провести по сканирующей поверхности, а не приложить его.

Емкостные протяжные сканеры. Технология получения изображения папиллярного узора та же, что и в емкостных, но способ получения отличается тем, что палец проводится по сканирующей поверхности.

Радиочастотные протяжные сканеры. Принцип работы данных устройств тот же, что и в радиочастотных приборах, но способ снятия изображения заключается не в приложении пальца к устройству, а в проведении пальцем по его поверхности.

Оптические сканеры

Сканер отпечатков пальцев данного типа получает изображение пальца по оптическому методу. В основе работы устройств данного типа лежат различные технологии

FTIR-сканеры. Данные устройства используют эффект нарушенного внутреннего отражения.

Оптоволоконные сканеры. Сканер отпечатков пальцев представляет собой матрицу оптоволоконную, каждое волокно которой содержит фотоэлемент.

- Электрооптические сканеры. Получение изображения идет от электрооптического полимера, который в своем составе имеет светоизлучающий слой.

Оптические протяжные сканеры. Данный вид оборудования представляет собой доработку оптоволоконных устройств, в которых для получения изображения необходимо проводить пальцем по поверхности, а не прикладывать его.

Роликовые сканеры. Для получения изображения необходимо провести пальцем по ролику, где делаются снимки пальца с папиллярными узорами.

Бесконтактные сканеры. Сканирование пальца осуществляется бесконтактным способом. Палец прикладывается к отверстию, где его подсвечивают несколько источников, а встроенная камера фиксирует изображение пальца.

Ультразвуковые сканеры

Данный тип устройств сканирует поверхность пальца ультразвуковыми волнами, а на основании измеренного расстояния отраженных волн от впадин и выступов строится изображение. Данный тип устройств отличается от выше рассмотренных тем, что результат сканирования получается более качественным.

По прогнозам IDC (International Data Corp), рынок биометрических технологий должен вырасти с 58,4 млн. долл. в 1999 году до 1,8 млрд. долл. в 2004-м. Наибольшие темпы роста ожидаются в области технологий сканирования и верификации отпечатков пальцев, голоса и подписей.

Уникальность дактилоскопического метода

актилоскопия — это установление личности человека по отпечаткам пальца, а точнее, по так называемому папиллярному узору. Дактилоскопия основывается на том, что, во-первых, отпечаток пальца уникален (за всю историю дактилоскопии не было обнаружено двух совпадающих отпечатков пальцев, принадлежащих разным лицам), а во-вторых, папиллярный узор не меняется на протяжении всей жизни человека.

Если присмотреться к структуре кожного покрова на пальцах рук, то можно заметить наличие сложного рельефного рисунка (так называемый папиллярный узор), образованного чередующимися валиками (высотой 0,1-0,4 мм и шириной 0,2-0,7 мм) и бороздками-углублениями (шириной 0,1-0,3 мм). Папиллярный узор полностью формируется на седьмом месяце развития плода. Более того, в результате проведенных исследований было установлено, что отпечатки пальцев различны даже у однояйцовых близнецов, хотя показатели ДНК у них идентичные.

Кроме того, папиллярный узор невозможно видоизменить - ни порезы, ни ожоги, ни другие механические повреждения кожи не имеют принципиального значения, ибо устойчивость папиллярного узора обеспечивается регенеративной способностью основного слоя эпидермиса кожи. Поэтому можно утверждать, что сегодня дактилоскопия представляет собой самый надежный способ идентификации личности.

Несмотря на многообразие строения папиллярных узоров, они поддаются четкой классификации, обеспечивающей процесс их индивидуализации и идентификации. Все папиллярные узоры делятся на три основных типа: дуговые, петлевые и завитковые, которые и составляют основу их классификации.

Дуговые узоры образуются потоком папиллярных линий и в средней части узора имеют изгиб - внутреннюю дугу, строение и форма которой служат для разделения их на подвиды. Так, согласно российской системе классификации (в разных странах используются различные системы классификации) дуговой узор может быть простым, шатровым, с неопределенным строением центра, ложно-петлевым, ложно-завитковым и аномальным. Пример простого дугового узора показан на рис. 1.

Рис. 1. Пример простого дугового папиллярного узораф

Петлевые узоры (рис. 2) состоят из потоков папиллярных линий, которые начинаются у одного края пальца, изгибаются вверх и к центру и, образуя петлю, возвращаются к тому же краю. Петлевой узор состоит из ряда петель, находящихся одна в другой, но для отнесения узора к петлевому типу необходимо, чтобы в центре узора хотя бы одна линия образовывала завершенную головку петли или полную петлю. В зависимости от формы петель, взаимного расположения ножек петель и положения петель в плоскости петлевые узоры подразделяются на девять подвидов: простой, изогнутый, половинчатый, замкнутый, с системой петель «параллельные петли», с системой петель «встречные петли», ложно-завитковые и редко встречающиеся петлевые узоры.

Рис. 2. Пример простого петлевого папиллярного узора

Завитковые узоры (рис. 3) образуются таким потоком, папиллярные линии которого в средней части изогнуты в виде кругов, овалов, спиралей, огибающих друг друга или образующих разные сочетания. Разновидности завитковых узоров обусловлены особенностями их внутреннего строения. Выделяют следующие 12 подтипов завитковых узоров: простой узор - круг, простой узор - овал, простой узор - спираль, петля-спираль, петли-спирали, петля-улитка, изогнутая петля, неполный завитковый узор, петли-клубки с разносторонним и односторонним расположением ножек петель и редко встречающиеся завитковые узоры.

Рис. 3. Пример простого завиткового узора - круга

Еще раз отметим, что в разных странах используются несколько различающиеся системы классификации, поэтому подтипы базовых папиллярных узоров могут быть разными.

Несмотря на бесконечное разнообразие типов папиллярных узоров, основываться лишь на этом узоре для идентификации личности нельзя. Типы рисунка папиллярного узора - это только так называемые детали первого уровня. Для более надежного способа установления личности используют детали второго и третьего уровней.

Детали второго уровня — это так называемые детали Гальтона (рис. 4), которые предусматривают рассмотрение окончаний папиллярных линий, разветвления и пересечения этих линий и т.д. На одном отпечатке пальца руки насчитывается от 50 до 160 деталей второго уровня. На основе анализа деталей первого и второго уровней уже можно проводить идентификацию.

Классификация деталей второго уровня тоже различна в разных странах. К примеру, в системе ФБР используется 8 различных типов деталей второго уровня, а в Германии - 11 типов деталей.

Каждая отдельно взятая папиллярная линия имеет и собственные особенности строения, которые могут быть также использованы для идентификации личности, - это детали третьего уровня. По отношению к деталям второго уровня их можно назвать «деталями деталей». К деталям третьего уровня относятся такие характеристики, как форма начала и окончания отдельной папиллярной линии, изгибы, изломы, утолщения, утоньшения, разрывы и пр.

Рис. 4. Детали папиллярного узора второго уровня:

1 — фрагмент папиллярной линии;

2 — начало папиллярной линии;

3 — глазок;

4 — разветвление папиллярной линии;

5 — крючок;

6 — мостик;

7 — островок;

8 — папиллярная точка;

9 — окончание папиллярной линии;

10 — слияние папиллярной линии;

11 — тонкие межпапиллярные линии

История дактилоскопии

ейчас уже невозможно точно установить, кому, где и когда пришла в голову мысль использовать отпечаток пальца для установления личности. Не установлено даже, кто впервые использовал термин «дактилоскопия» (по некоторым данным, этот термин ввел Жуан Вуцетич).

Непреложным остается лишь то, что основы дактилоскопии базируются на опыте столетий и что дактилоскопия является одной из древнейших наук.

Зачатки представлений о дактилоскопии относятся к дохристианской эпохе. К примеру, в области обитания индейцев микмак южнее полуострова Лабрадор было найдено древнее изображение на камне человеческой руки, на которой явно прослеживались рисунки папиллярных линий. Конечно, это не доказывает, что древним племенам была известна дактилоскопия, однако это, пожалуй, одно из самых ранних свидетельств об интересе человека к отпечаткам пальцев.

Признаки знания дактилоскопии можно встретить у древних ассирийцев и вавилонян, которые использовали отпечаток пальца в качестве личной печати или подписи, оставляя оттиски на глиняных табличках и защищая таким образом документы от подделок. Видимо, в древнем Вавилоне и Ниневии знали, что с помощью отпечатка пальца можно установить личность.

Если же следовать историческим фактам, истоки дактилоскопии следует искать в Китае. В 1904 году китайский археолог Лиу Тьейин выпустил в Шанхае книгу, где содержатся факсимиле древних китайских глиняных печатей, относящихся к дохристианской эре. Часть изображенных печатей представляет собой оттиски пальцев. Скорее всего, таким образом собственник печати имел возможность доказать свое право на владение печатью.

Китайские манускрипты в свитках периода династии Тангов (618-906), найденные во время раскопок в Китайском Туркестане, были снабжены печатями владельцев с оттисками отпечатков пальцев.

Использование оттисков пальцев в качестве уникальной и не поддающейся подделке подписи владельца внедрялось в Китае на протяжении столетий. Постепенно отпечатки пальцев стали использоваться не только как подпись или личная печать владельца - папиллярный узор стали изучать и наделять конкретным смыслом. Так, в Китае было принято предсказывать судьбу именно по папиллярному узору. Более того, каждая мать прекрасно знала отпечатки пальцев своего ребенка, а описание этого узора даже принималось к рассмотрению в суде в качестве доказательства материнских прав.

В Китае использование отпечатков пальцев нашло широкое применение не только в быту, но и в криминалистике. Вот что пишет об этом Гейндль Роберт в статье «Дактилоскопия и другие методы уголовной техники в деле расследования преступлений», опубликованной в 1927 году: «Китайцы применяют этот способ, по крайней мере в части страны, для того, чтобы идентифицировать совершивших тяжкие преступления. Мы фотографируем их лица - они делают отпечатки их пальцев, которые собираются в регистратуре. Если преступник опять попадает в руки полиции, вторично полученный отпечаток дает материал для сравнения. Китайцы считают свой метод надежнее и проще нашего фотографирования, так как лицо преступника может быть изменено до неузнаваемости волосами, бородой и другими искусственными способами».

В Европе на возможность использования отпечатков пальцев для идентификации личности обратили внимание значительно позже. Первым европейцем, который заинтересовался узорами папиллярных линий и стал их изучать, был профессор анатомии Университета Болоньи Марселло Мальпиги. В своем сочинении 1686 года он довольно подробно описывает линии на ладонной поверхности руки. Но только в 1823 году профессор из Университета города Бреслау (ныне Вроцлав) Иоганн Пуркинье опубликовал тезисы о возможности классификации папиллярных узоров, основываясь на девяти различных типах узоров. И хотя предложенная им система классификации не нашла в то время должного отклика, это было первой попыткой создания системы классификации.

Современную историю европейской дактилоскопии связывают с именами англичан Вильяма Гершеля и Генри Фолдса.

Вильям Гершель, служивший в Индии в 1853-1878 годах, был первым европейцем, решившим использовать отпечатки пальцев в целях розыска. По всей видимости, к такому решению его подтолкнуло тесное общение с местными жителями, имевшими представление об этом. Сначала Гершель практиковал дактилоскопию при выплачивании пособий местным жителям. Индусы, которые для европейца были все на одно лицо, нередко пользовались этим, пытаясь получить причитающиеся им деньги вторично. Чтобы исключить подобные махинации, Гершель велел ставить отпечатки пальцев на платежных квитанциях и в специальной регистрационной книге для сравнения, что позволяло безошибочно устанавливать личность получателя. Затем Гершель стал применять дактилоскопию в одной из тюрем округа. У каждого вновь прибывшего заключенного снимали отпечаток пальца, чтобы судьи и другие чиновники, приводя в тюрьму провинившихся, могли установить идентичность приведенного и убедиться, не ошибся ли тюремный привратник, поскольку ошибки в персональном опознавании преступника в те времена не были редкостью.

Независимо от Гершеля мысль об использовании отпечатков пальцев для установления личности высказал Генри Фолдс, работавший в токийском госпитале. Генри Фолдс начал изучать отпечатки пальцев в 1870 году, после того как обнаружил оттиск пальца на древнем гончарном изделии. А в 1880 году в британском научном журнале Nature была опубликована его статья об этом. Кроме того, доктор Генри Фолдс разработал систему классификации отпечатков пальцев и впервые провел идентификацию по отпечатку, оставленному на стеклянной бутылке. Фолдс составил и руководство для снятия отпечатков пальцев, предлагая дактилоскопировать все десять пальцев. После обнародования результатов своих исследований Фолдс послал объяснение созданной им системы классификации и метода регистрации отпечатков пальцев Чарльзу Дарвину. Знаменитый ученый не смог по причине старости и болезни лично поговорить с Фолдсом, но передал все материалы известному английскому антропологу сэру Фрэнсису Гальтону (1822-1911).

Идеи и накопленный опыт Гершеля и Фолдса послужили базой для дальнейшего развития классической дактилоскопии в трудах Фрэнсиса Гальтона. Основываясь на трудах доктора Фолдса и Гершеля, он установил индивидуальность и неизменность отпечатков пальцев на протяжении всей жизни. Первые данные своих исследований Гальтон изложил в своей книге «Finger prints», появившейся в Лондоне в 1892 году. В этой работе он обосновал возможность использования дактилоскопии для идентификации личности и привел разработанную им систему классификации отпечатков пальцев. Основу системы классификации Гальтона составляли три базовых узора - в форме петли (loop, L), дуги (arch, A) и завитка (whorl, W) и их распределение на десяти пальцах, к примеру: LLAWL LWWLL.

Гальтон доказал, что даже 10 пальцев одного и того же лица имеют 10 различных узоров. Уникальность папиллярных узоров основывалась на том, что, по расчетам Гальтона, возможны 64 млрд. узоров сосочковых линий, различия в которых можно установить вполне точно. Общее число людей на планете в то время составляло около 1,6 млрд., то есть вероятность совпадения двух отпечатков пальцев, принадлежащих разным людям, являлась чрезвычайно малой. Эти расчеты относятся только к сравнению каждого пальца в отдельности, если же сравниваются два пальца каждого из двух лиц, то уже возможно 4096Ѕ1018 различных узоров, а при сравнении всех десяти пальцев число различных узоров составит невообразимое число - (64Ѕ109)10. Система классификации Фрэнсиса Гальтона была впоследствии улучшена: рассматривались не только типы узоров, но и уникальные особенности самих линий. Появилось такое понятие, как minutiae, или детали Гальтона.

Следует отметить, что внедрение дактилоскопии в Европе происходило отнюдь не гладко. Дело в том, что в Европе уже существовала и широко использовалась биометрическая система идентификации личности, разработанная в 1870 году французским антропологом Альфонсом Бертильоном. В течение нескольких лет Бертильон трудился над системой регистрации карточек с характеристиками преступников, благодаря которой за несколько минут можно было установить, имеются ли в картотеке сведения об интересующем полицию человеке. В начале января 1883 года картотека Бертильона насчитывала 500 карточек, в середине января - 1000, а в начале февраля - около 1600. Сотрудники парижской полиции, применявшие метод Бертильона, окрестили его бертильонажем.

В основу системы Бертильона были положены физические размеры и различные признаки, такие как ширина черепа, длина стопы, длина среднего левого пальца, цвет волос, цвет глаз и т.д. Группируя индивидуальные характеристики человека, его можно было отнести к одной из 243 категорий, предусмотренных классификационной системой. Антропометрия как способ идентификации личности с успехом использовалась на протяжении 30 лет, являясь первой европейской системой идентификации личности, однако после выхода в свет книги Гальтона ее судьба была предрешена.

Хуан Вусетич, состоявший на службе в полиции Аргентины, также работал над системой классификации отпечатков пальцев, основываясь на трудах Галтона. В 1892 году он провел первую идентификацию преступника: по кровавым отпечаткам пальцев удалось установить, что женщина убила двух своих сыновей, а потом покончила с собой. Разработанная Вусетичем система, впервые опубликованная в книге «Dactiloscopнa Comparada» в 1904 году, до сих пор используется в большинстве испаноговорящих стран.

Дактилоскопия за несколько лет завоевала Европу и Америку, чуть позже - Россию, Японию и другие страны. В 1895 году дактилоскопия была взята на вооружение Скотланд-Ярдом, а в июне 1897 года антропометрическая система Бертильона была заменена на классификационную систему Ричарда Генри, которая стала официальным методом идентификации преступников во всей Индии. В 1900 году в Англии перестали применять бертильонаж, и с тех пор идентификация преступников стала строиться только на дактилоскопическом методе.

В 1901 году Ричард Генри, который в то время занимал пост помощника комиссара полиции Лондона, основал первую картотеку отпечатков пальцев. В течение последующих 25 лет система классификации Ричарда Генри стала использоваться как универсальный метод идентификации преступников. Данная система классификации и сейчас находит применение, хотя в настоящее время существует несколько различных вариантов системы классификации Генри.

Начиная с 1900 года дактилоскопия стала активно использоваться в Соединенных Штатах. Особенно укрепились позиции дактилоскопии после одного интересного случая в 1903 году. В тюрьму штата Канзас был доставлен преступник Уилл Вест. После снятия метрики по системе Бертильона выяснилось, что в этой тюрьме уже есть осужденный по имени Уильям Вест с такими же антропометрическими данными, который был братом-близнецом Уилла Веста. Единственное различие между ними заключалось в отпечатках пальцев. После этого случая система Бертильона вышла из доверия. Все организации, занимающиеся расследованием преступлений, стали высылать зарегистрированные отпечатки пальцев в Национальное бюро криминальной идентификации (National Bureau of Criminal Identification). Картотека этого бюро впоследствии составила ядро картотеки ФБР, когда там была образована соответствующая структура. Уже к 1956 году, когда ФБР возглавлял Эдгар Гувер, в картотеке было более 140 млн. карточек с отпечатками пальцев, причем 112 млн. из них принадлежали не преступникам, а честным гражданам. В 1971 году эта картотека насчитывала 200 млн. карточек.

Начиная с конца 20-х годов прошлого века ФБР разрабатывало различные автоматизированные системы идентификации по отпечаткам пальцев. В результате была создана система AFIS (автоматическая система идентификации по отпечаткам пальцев) - автоматизированная компьютерная система управления базой данных отпечатков пальцев (используются все десять отпечатков). Первоначально система AFIS была основана на записи отпечатков пальцев на перфокартах и не имела возможности сравнивать отпечатки пальцев, а автоматизация заключалась лишь в их классификации по отдельным группам.

С появлением первой операционной системы в конце 70-х годов в ФБР стали использовать сканирование карт с отпечатками пальцев. С помощью системы AFIS для идентификации сначала проводилось грубое сравнение, затем - точное, а потом на основе полученных результатов - окончательное сравнение путем визуального анализа отпечатков экспертами-криминалистами.

Конечно, такая система идентификации имела ряд существенных ограничений, в ФБР постоянно предпринимались попытки улучшить функциональные возможности системы AFIS. В 1989 году было принято решение о пересмотре всего дактилоскопического процесса и о разработке новой автоматизированной компьютерной системы, получившей название IAFIS (Integrated AFIS), которая планировалась к внедрению в 1999 году. Сначала система IAFIS использовала базу данных, хранящуюся более чем на 10 тыс. CD-дисках, и позволяла в автоматическом режиме сравнивать более 62 тыс. отпечатков пальцев в день, а впоследствии производительность была увеличена до 80 тыс. отпечатков.

Сканирование отпечатков пальцев

Урное развитие компьютерной техники не могло не отразиться на дактилоскопии. Учитывая уникальность папиллярного узора отпечатка пальца, его можно с успехом использовать вместо пароля для верификации личности, обеспечивая тем самым надежную защиту от злоумышленников. Это стало причиной широкого распространения компьютерных сканеров отпечатков пальцев. Такие сканеры могут выполнять функции электронного замка и устанавливаются на вход в помещение, куда разрешен доступ только строго определенным лицам. Специальными сканерами сегодня оснащены некоторые модели сейфов. Возможно, что вскоре информацией об отпечатках пальцев владельца, зашитой в специальный чип, будут оснащаться кредитные карточки - банковская индустрия, страдающая от деятельности мошенников, обсуждает возможность начала использования подобных технологий уже в этом десятилетии.

Широкое распространение получили сканеры, осуществляющие контроль доступа к компьютерам. Для десктопных систем имеется большое разнообразие сканеров, подключаемых, в частности, по USB-интерфейсу. А во многих ноутбуках такие сканеры встроены прямо в лицевую панель. Существуют также мыши и клавиатуры со встроенными сканерами отпечатков пальцев.

Нужно отметить, что между дактилоскопированием (снятием оттисков с пальцев) и сканированием имеется существенная разница. Заключается она не в том, как многие ошибочно полагают, что при сканировании происходит автоматизация всего процесса, а в том, что при сканировании отпечатков пальцев вместо сохранения полного изображения папиллярного узора сохраняется только информация о нескольких характерных точках папиллярного узора, причем восстановить полный образ отпечатка пальца по сохраненной информации невозможно. Последнее обстоятельство стало решающим фактором для широкого распространения сканирования отпечатков пальцев среди гражданского населения.

Кроме того, в криминалистике дактилоскопия используется для идентификации личности по отпечаткам пальцев, а когда говорят о применении цифровых сканеров для создания системы безопасности, то имеют в виду верификацию личности. При идентификации личности по отпечатку пальца устанавливается, кому именно принадлежат отпечатки пальцев. Для этого производится сравнение отпечатка пальца идентифицируемой личности со всей базой зарегистрированных отпечатков пальцев на предмет совпадения, то есть идентификация позволяет получить ответ на вопрос, кем является данный человек. Верификация же подразумевает сравнение отсканированного отпечатка пальца только с одним или с несколькими шаблонными отпечатками пальцев с целью установить, является ли данный человек именно тем, за кого он себя выдает.

Принцип работы сканера отпечатков пальцев, как и любого другого устройства биометрической верификации, довольно прост и включает четыре базовых этапа:

Запись (сканирование) биометрических характеристик (в данном случае - пальцев);

Выделение деталей папиллярного узора по нескольким точкам;

Преобразование записанных характеристик в соответствующую форму;

Сравнение записанных биометрических характеристик с шаблоном;

Принятие решения о совпадении или несовпадении записанного биометрического образца с шаблоном.

Типы сканеров отпечатков пальцев

бласть сканирования в большинстве сканеров составляет прямоугольник с размерами 20Ѕ25 или 15Ѕ15 мм. В настоящее время используются следующие типы сенсоров для сканеров отпечатков пальцев - емкостные, оптические, термические и электромагнитные.

Емкостные сенсоры (рис. 5) состоят из массива конденсаторов, каждый из которых представляет собой две соединенные пластины. Емкость конденсатора зависит от приложенного напряжения и от диэлектрической проницаемости среды. Когда к такому массиву конденсаторов подносят палец, то и диэлектрическая проницаемость среды, и емкость каждого конденсатора зависят от конфигурации папиллярного узора в локальной точке. Таким образом, по емкости каждого конденсатора в массиве можно однозначно идентифицировать папиллярный узор.

Рис. 5. Строение емкостного сенсора

Принцип действия оптических сенсоров (рис. 6) подобен тому, что используется в бытовых сканерах. Такие сенсоры состоят из светодиодов и ПЗС-сенсоров: светодиоды освещают сканируемую поверхность, а свет, отражаясь, фокусируется на ПЗС-сенсоры. Поскольку коэффициент отражения света зависит от строения папиллярного узора в конкретной точке, то оптические сенсоры позволяют записывать образ отпечатка пальца.

Рис. 6. Строение оптического сенсора

Термические сенсоры (рис. 7) представляют собой массив пироэлектриков - это разновидность диэлектриков, на поверхности которых при изменении температуры возникают электрические заряды из-за изменения спонтанной поляризации. Температура в межпапиллярных впадинах ниже, чем на поверхности валика папиллярной линии, вследствие чего массив пироэлектриков позволяет в точности воспроизвести папиллярный узор.

Рис. 7. Строение термического сенсора

В сенсорах электромагнитного поля (рис. 8) имеются генераторы переменного электрического поля радиочастоты и массив приемных антенн. Когда к сенсору подносят палец, то силовые линии генерируемого электромагнитного поля в точности повторяют контур папиллярных линий, что позволяет массиву приемных антенн фиксировать структуру отпечатка пальца.

Рис. 8. Строение сенсоров электромагнитного поля

Надежность систем сканирования отпечатков пальцев

онечно, в работе сканеров, как и любых других устройств, возможны ошибки. Ошибки первого типа - это ошибочное отклонение верификации (False Reject Rate, FRR), когда сканер не может распознать зарегистрированного пользователя, а ошибки второго типа заключаются в ошибочном принятии верификации (False Accept Rate, FAR), то есть незарегистрированный пользователь определяется сканером как зарегистрированный.

Ошибки первого типа не столь критичны для системы безопасности, хотя и создают неудобства, поскольку приходится проходить верификацию вторично. А от количества ошибок второго типа, в результате которых злоумышленник может получить доступ к системе, как раз и зависит надежность системы защиты от несанкционированного доступа. Появление ошибок FRR и FAR определяется такими характеристиками, как качество и разрешение сканирования, область сканирования, математические алгоритмы, используемые для сравнения отпечатков пальцев, количество деталей, которые применяются для сравнения.

Как правило, частота возникновения ошибок FRR выше частоты возникновения FAR-ошибок. Так, вероятность возникновения FRR-ошибки обычно составляет менее 2%, а вероятность FAR-ошибки - менее 0,0001%.

Для уменьшения вероятности возникновения ошибок сканеры отпечатков пальцев имеют стеклянную поверхность, выполненную из высококачественного стекла с высокой устойчивостью к возникновению царапин. Однако получение высококачественного отпечатка зависит не только от высокого разрешения сканера - должна быть обеспечена высокая контрастность изображения, а также отсутствие параллакса.

Кроме того, даже при получении высококонтрастного изображения с отсутствием параллакса и высоким разрешением, прежде чем использовать полученное изображение для анализа, применяют специальные фильтры-маски, уменьшающие уровень шума и эха от предыдущего сканирования. Дело в том, что при сканировании отпечатка пальца на стекле сканера остается не видимый глазом отпечаток пальца из-за выделения пота, способный повлиять на точность сканирования нового отпечатка пальца.

Все существующие на сегодняшний день сканеры отпечатков пальцев по используемым ими физическим принципам можно выделить в три группы:

• оптические;
• кремниевые (или полупроводниковые);
• ультразвуковые.

Оптические сканеры

В основе работы оптических сканеров лежит оптический метод получения изображения. По видам используемых технологий можно выделить следующие группы оптических сканеров:

1. FTIR-сканеры - устройства, в которых используется эффект нарушенного полного внутреннего отражения (Frustrated Total Internal Reflection, FTIR) .

При падении света на границу раздела двух сред световая энергия делится на две части: одна отражается от границы, другая — проникает через границу раздела во вторую среду. Доля отраженной энергии зависит от угла падения. Начиная с некоторой его величины, вся световая энергия отражается от границы раздела. Это явление называется полным внутренним отражением . Однако при контакте более плотной оптической среды (в нашем случае поверхность пальца) с менее плотной (в практической реализации, как правило, поверхность призмы) в точке полного внутреннего отражения пучок света проходит через эту границу. Таким образом, от границы отразятся только пучки света, попавшие в такие точки полного внутреннего отражения, к которым не были приложены бороздки папиллярного узора поверхности пальца. Для фиксации получившейся световой картинки поверхности пальца используется специальная камера (ПЗС или КМОП в зависимости от реализации сканера).

2. Оптоволоконные сканеры (fiber optic scanners) - представляют собой оптоволоконную матрицу, каждое из волокон которой заканчивается фотоэлементом.

Чувствительность каждого фотоэлемента позволяет фиксировать остаточный свет, проходящий через палец, в точке прикосновения рельефа пальца к поверхности сканера. Изображение отпечатка пальца формируется по данным каждого из элементов.

3. Электрооптические сканеры (electro- optical scanners) основаны на использовании специального электрооптического полимера, в состав которого входит светоизлучающий слой.

При прикладывании пальца к сканеру неоднородность электрического поля у его поверхности (разность потенциалов между бугорками и впадинами) отражается на свечении этого слоя так, что он высвечивает отпечаток пальца. Затем массив фотодиодов сканера преобразует это свечение в цифровой вид.

4. Оптические протяжные сканеры (sweep optical scanners) в целом аналогичны FTIR-устройствам.

Их особенность в том, что палец нужно не просто прикладывать к сканеру, а проводить им по узкой полоске - считывателю. При движении пальца по поверхности сканера делается серия мгновенных снимков (кадров). При этом соседние кадры снимаются с некоторым наложением, т. е. перекрывают друг друга, что позволяет значительно уменьшить размеры используемой призмы и самого сканера. Для формирования (точнее сборки) изображения отпечатка пальца во время его движения по сканирующей поверхности кадрам используется специализированное программное обеспечение.

5. Роликовые сканеры (roller- style scanners) . В этих миниатюрных устройствах сканирование пальца происходит при прокатывании пальцем прозрачного тонкостенного вращающегося цилиндра (ролика).

Во время движения пальца по поверхности ролика делается серия мгновенных снимков (кадров) фрагмента папиллярного узора, соприкасающегося с поверхностью. Аналогично протяжному сканеру соседние кадры снимаются с наложением, что позволяет без искажений собрать полное изображение отпечатка пальца. При сканировании используется простейшая оптическая технология: внутри прозрачного цилиндрического ролика находятся статический источник света, линза и миниатюрная камера. Изображение освещаемого участка пальца фокусируется линзой на чувствительный элемент камеры. После полной «прокрутки» пальца, «собирается картинка» его отпечатка.

6. Бесконтактные сканеры (touchless scanners) . В них не требуется непосредственного контакта пальца с поверхностью сканирующего устройства.

Палец прикладывается к отверстию в сканере, несколько источников света подсвечивают его снизу с разных сторон, в центре сканера находится линза, через которую, собранная информация проецируется на КМОП-камеру, преобразующую полученные данные в изображение отпечатка пальца.

Полупроводниковые (кремниевые) сканеры

В основе этих сканеров использование для получения изображения поверхности пальца свойств полупроводников, изменяющихся в местах контакта гребней папиллярного узора с поверхностью сканера. В настоящее время существует несколько технологий реализации полупроводниковых сканеров.

1. Емкостные сканеры (capacitive scanners) - наиболее широко распространенный тип полупроводниковых сканеров, в которых для получения изображения отпечатка пальца используется эффект изменения емкости pn-перехода полупроводникового прибора при соприкосновении гребня папиллярного узора с элементом полупроводниковой матрицы.

Существуют модификации описанного сканера, в которых каждый полупроводниковый элемент в матрице сканера выступает в роли одной пластины конденсатора, а палец - в роли другой. При приложении пальца к сенсору между каждым чувствительным элементом и выступом-впадиной папиллярного узора образуется некая емкость, величина которой определяется расстоянием между поверхностью пальца и элементом. Матрица этих емкостей преобразуется в изображение отпечатка пальца.

2. Чувствительные к давлению сканеры (pressure scanners) - в этих устройствах используются сенсоры, состоящие из матрицы пьезоэлементов.

При прикладывании пальца к сканирующей поверхности выступы папиллярного узора оказывают давление на некоторое подмножество элементов поверхности, соответственно впадины никакого давления не оказывают. Матрица полученных с пьезоэлементов напряжений преобразуется в изображение поверхности пальца.

3. Термо-сканеры (thermal scanners) - в них используются сенсоры, которые состоят из пироэлектрических элементов, позволяющих фиксировать разницу температуры и преобразовывать ее в напряжение (этот эффект также используется в инфракрасных камерах).

При прикладывании пальца к сенсору по температуре прикасающихся к пироэлектрическим элементам выступов папиллярного узора и температуре воздуха, находящегося во впадинах, строится температурная карта поверхности пальца и преобразуется в цифровое изображение.

Данные типы сканеров являются самыми распространенными. Во всех приведенных полупроводниковых сканерах используются матрица чувствительных микроэлементов (тип которых определяется способом реализации) и преобразователь их сигналов в цифровую форму. Таким образом, обобщенно схему работы приведенных полупроводниковых сканеров можно продемонстрировать следующим образом:

4. Радиочастотные сканеры (RF- Field scanners) - в таких сканерах используется матрица элементов, каждый из которых работает как маленькая антенна.

Сенсор генерирует слабый радиосигнал и направляет его на сканируемую поверхность пальца. Каждый из чувствительных элементов принимает отраженный от папиллярного узора сигнал. Величина наведенной в каждой микроантенне электро-движущая сила (ЭДС) зависит от наличия или отсутствия в близи нее гребня папиллярного узора. Полученная таким образом матрица напряжений преобразуется в цифровое изображение отпечатка пальца.

5. Протяжные термо-сканеры (thermal sweep scanners) - разновидность термо-сканеров, в которых для сканирования (так же как и в оптических протяжных сканерах), необходимо провести пальцем по поверхности сканера, а не просто приложить его.

6. Емкостные протяжные сканеры (capacitive sweep scanners) - используют аналогичный способ покадровой сборки изображения отпечатка пальца, но каждый кадр изображения получается с помощью емкостного полупроводникового сенсора.

7. Радиочастотные протяжные сканеры (RF- Field sweep scanners) - аналогичны емкостным, но используют радиочастотную технологию.

Ультразвуковые сканеры

Ультразвуковое сканирование - это сканирование поверхности пальца ультразвуковыми волнами и измерение расстояния между источником волн и впадинами и выступами на поверхности пальца по отраженному от них эху. Качество получаемого таким способом изображения в 10 раз лучше, чем полученного любым другим, представленным на биометрическом рынке методом. Кроме этого, стоит отметить, что данный способ практически полностью защищен от муляжей, поскольку позволяет кроме отпечатка пальца получать и некоторые дополнительные характеристики о его состоянии (например, пульс внутри пальца).

Примеры использования сканеров отпечатков пальцев

Основное применение технологии распознавания по отпечаткам пальцев – защита от несанкционированного доступа. Чаще используются в охранных системах и системах учета рабочего времени сотрудников.

Для контроля доступа, сканеры отпечатков пальцев встраивают в ноутбуки, мобильные телефоны, внешние накопители, флэш-карты и т.д. и т.п.

Стремление обезопасить персональные данные привело к тому, что мы проводим довольно много времени, набирая пароли и PIN-коды для авторизации. Биометрические сканеры упрощают эту задачу, считывая, например, отпечатки пальцев и обеспечивая доступ «в одно касание». Но не нужно думать, что это современная технология - она давно используется в самых различных девайсах. Просто в последнее время она стала особенно популярной, превратившись в стандарт для мобильных устройств. Мы решили проследить то, как сканер отпечатков пальцев стал must-have для каждого из нас.

Бум на сканеры отпечатков пальцев начался в середине 90-х годов. Особенно популярными эти устройства были в США. Можно было купить модель, подключаемую через USB-разъем, например, Digital Persona U.are.U. В 2001 году Compaq представила карту для ПК под названием Biometrics, так что даже старый ноутбук мог считывать ваши отпечатки.

Одним из первых ноутбуков со встроенным сканером отпечатков пальцев, появившихся в продаже, стал Acer TravelMate 739TLV. Он был представлен, что называется, «на рубеже столетий» и олицетворял новое слово в развитии технологии. Забавно, но после того, как лэптоп получал ваши данные, он обрабатывал информацию около 12 секунд. Затем вы и окружающие вас люди должны были выслушать объявление: «Личность подтверждена. Доступ разрешен». В стиле «Миссия невыполнима».

В 2002 году сканер отпечатков пальцев впервые появился в коммерческих мобильных устройствах. HP iPAQ h5400 - карманный компьютер - был оборудован датчиком FingerChip от Atmel. Он работал используя термальный силиконовый сенсор, который различал температуру бороздок и впадин вашего отпечатка. А еще он был водостойким и защищенным от грязи, жира, пыли и перепадов температур.

K-Tai

В 2003 году компания Fujitsu использует сканер от AuthenTec, встраивая датчик в телефон-раскладушку модели F505i. К 2011 году было представлено около 30 телефонов с подобными датчиками, включая флагман того сезона - Fujitsu REGZA T-01D. Как раз к тому моменту свои вариации на тему представили LG и Pantech.

В 2004 году компания IBM встроила сканирование отпечатков пальцев в свой первый ноутбук - ThinkPad T42. В 2005 Lenovo перекупает производителя и уделяет огромное внимание маркетингу. Уже к следующему году компания объявляет о продаже миллионного ThinkPad с биометрической технологией и, таким образом, занимает первое место в мире по поставкам ПК со сканерами отпечатков пальцев.

Mobi

В течение следующих лет датчики отпечатков пальцев перестали быть интересными для широкой общественности. Они практически пропали из поля зрения, хотя выпускались немногочисленные модели, в которых эта функция была. Например, в 2011 году Motorola представила Atrix 4G - телефон, который теперь называют предвестником нового всплеска интереса к подобным устройствам.

В 2012 году производитель AuthenTec, создававший датчики для Fujitsu и Motorola, выпустил сенсор и для Apple. Новые iPhone 5s, оборудованные оптическим сканером, очевидно, не были первопроходцами в этой сфере. Однако их появление на рынке стало решающим для технологии как таковой: она превратилась в must-have для каждого следующего девайса. При этом не все могли угнаться за «яблочным» стандартом: сразу же после презентации iPhone 5s, HTC показала свое решение - One Max. У него тоже был сканер отпечатков пальцев, но весьма старомодный: требовал свайпа и отличался крупным размером.

Теперь свои модели с такими сенсорами есть у всех - в том числе у Samsung, OnePlus, Microsoft и Meizu. У Apple функция Touch ID появилась во всех смартфонах и планшетах: после успеха 5s ее внедрили и в iPhone следующих поколений, и в iPad всех размеров. Теперь это не только способ защиты данных, но и неотъемлемая часть платежной системы Apple Pay. Удивительно, но технология, которая практически исчезла, возродилась вновь, превратившись в то, без чего мы скоро не сможем представить обычный день.

Около года назад во время написания курсовой работы мне пришлось вплотную столкнуться со сканерами отпечатков пальцев. Отчетливо помню, как меня неприятно удивило их многообразие – еще бы, ведь для каждого мне надо было искать каналы утечки информации и писать методику их оценки. И все же факт остается фактом – в настоящее время существуют принципиально разные способы получения отпечатков пальцев с разной степенью надежности и эффективности.

О сканировании

Чуть больше года назад на Хабре поднимался вопрос биометрической идентификации, поэтому общую информацию я дам вкратце. Физиологически отпечаток пальца представляет собой так называемый паппилярный узор - конфигурацию выступов (гребней), содержащих индивидуальные поры, разделенные впадинами. Под кожей пальца расположена сеть кровеносных сосудов. Также отпечаток пальца связан с определенными электрическими и тепловыми характеристиками кожи. Это означает, что для получения изображения отпечатка пальца может использоваться 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. По показателям надежности сканирование отпечатков уступает только анализу ДНК, а также сканированию радужной оболочки или сетчатки глаза.

Все существующие сканеры отпечатков пальцев можно разделить на три группы: оптические, полупроводниковые и ультразвуковые. К тому же в каждом методе существует несколько способов реализации.

Оптические сканеры

Оптические сканеры - основаны на использовании оптических методов получения изображения. Существует несколько основных способов реализации оптического метода:

Оптический метод на отражение

В данном методе используется эффект нарушенного полного внутреннего отражения (Frusted Total Internal Reflection). Эффект заключается в том, что при падении света на границу раздела двух сред световая энергия делится на две части - одна отражается от границы, другая проникает через границу во вторую среду. Доля отраженной энергии зависит от угла падения светового потока. Начиная с некоторой величины данного угла, вся световая энергия отражается от границы раздела.

Это явление называется полным внутренним отражением. В случае контакта более плотной оптической среды (поверхности пальца) с менее плотной в точке полного внутреннего отражения пучок света проходит через эту границу. Таким образом, от границы отразятся лишь пучки света, попавшие в определенные точки полного внутреннего отражения, к которым не был приложен папиллярный узор пальца. Для захвата полученной световой картинки поверхности пальца используется специальный датчик изображения (КМОП или ПЗС, в зависимости от реализации сканера).

Недостатки метода:

Чувствительность к загрязнениям

Ведущими производителями подобных сканеров являются компании BioLink, Digital Persona, Identix.

Оптический метод на просвет

Сканеры данного типа представляют собой оптоволоконную матрицу, в которой все волноводы на выходе соединены с фотодатчиками.

Чувствительность каждого датчика позволяет фиксировать остаточный свет, проходящий через палец, в точке соприкосновения пальца с поверхностью матрицы. Изображение всего отпечатка формируется по данным, считываемым с каждого фотодатчика.

У данного метода гораздо больше плюсов:
Высокая надежность считывания
Устойчивость к обману

Однако у данного метода имеется также существенный недостаток – сложность его реализации:

Данный тип сканеров выпускается компанией Security First Corp.

Оптические бесконтактные сканеры

В Оптических бесконтактных сканерах (touchless scanners), вы не поверите, не требуется непосредственного контакта пальца с поверхностью сканирующего устройства. Палец прикладывается к отверстию в сканере, несколько источников света подсвечивают его снизу с разных сторон, в центре сканера находится линза, через которую, собранная информация проецируется на КМОП-камеру, преобразующую полученные данные в изображение отпечатка пальца.

Ведущий производитель сканеров данного типа Touchless Sensor Technology.
(Про достоинства/недостатки почему-то ничего нет)

Полупроводниковые сканеры

В основе полупроводниковых сканеров лежит использование для получения изображения поверхности пальца свойств полупроводников, изменяющихся в местах контакта гребней папиллярного узора с поверхностью сканера.

Емкостные сканеры

Емкостные сканеры (Сapacitive Scanners) являются сегодня наиболее распространенными полупроводниковыми устройствами для получения изображения отпечатка пальца. Их работа основана на эффекте изменения емкости p-n-перехода полупроводника при соприкосновении гребня папиллярного узора с элементом полупроводниковой матрицы. Существуют модификации емкостных сканеров, в которых каждый полупроводниковый элемент в матрице выступает в роли одной пластины конденсатора, а палец - в роли другой. При приложении пальца к датчику между каждым чувствительным элементом и выступом-впадиной папиллярного узора образуется емкость, величина которой определяется расстоянием между рельефной поверхностью пальца и элементом. Матрица этих емкостей преобразуется в изображение отпечатка пальца.

Достоинствами вследствие его популярности является:
Низкая себестоимость
Надежность

Недостатки:
Неэффективная защита от муляжей

Ведущими производителями сканеров данного типа являются компании Infineon, STMicroelectronics, Veridicom.

Радиочастотные сканеры

В радиочастотных сканерах (RF-Field Scanners) используется матрица элементов, каждый из которых работает как миниатюрная антенна. Радиочастотный модуль генерирует сигнал низкой интенсивности и направляет его на сканируемую поверхность пальца. Каждый из чувствительных элементов матрицы принимает отраженный от папиллярного узора сигнал. Величина наведенной в каждой миниатюрной антенне ЭДС зависит от наличия или отсутствия вблизи нее гребня папиллярного узора. Полученная таким образом матрица напряжений преобразуется в цифровое изображение отпечатка пальца.

Достоинства:
Поскольку анализируются физиологические свойства кожи, вероятность обмана данного сканера стремится к нулю

Недостатки:
Неустойчивая работа при плохом контакте пальца

Известным производителем радиочастотных сканеров является компания Authentec.

Сканеры, использующие метод давления

Чувствительные к давлению сканеры (Pressure Scanners) в своей конструкции используют матрицу пьезоэлектрических элементов, чувствительных к нажатию. При прикладывании пальца к сканирующей поверхности гребешковые выступы папиллярного узора оказывают давление на некоторое подмножество элементов матрицы. Впадины кожного узора никакого давления не оказывают. Таким образом, совокупность полученных с пьезоэлектрических элементов напряжений преобразуется в изображение отпечатка пальца.

Данный метод имеет ряд недостатков:
низкая чувствительность
неэффективная защита от муляжей
подверженность к повреждениям при чрезмерно прилагаемых усилиях

Чувствительные к давлению сканеры выпускает компания BMF.

Термосканеры

Термосканеры (Thermal Scanners) - в таких устройствах используются датчики, которые состоят из пироэлектрических элементов, позволяющих фиксировать разницу температуры и преобразовывать ее в напряжение.
При прикладывании пальца к сканеру по температуре прикасающихся к пироэлектрическим элементам выступов папиллярного узора и температуре воздуха, находящегося во впадинах, строится температурная карта поверхности пальца, которая в дальнейшем преобразуется в цифровое изображение.

Температурный метод имеет множество преимуществ:
 высокая устойчивость к электростатическому разряду
устойчивая работа в широком температурном диапазоне
эффективная защита от муляжей.

К недостаткам данного метода можно отнести то, что изображение быстро исчезает. При прикладывании пальца в первый момент разница температур значительна и уровень сигнала, соответственно, высок. По истечении короткого времени (менее одной десятой доли секунды) изображение исчезает, поскольку палец и датчик приходят к температурному равновесию.

Ультразвуковой метод

В данной группе пока существует только один метод, который так и называется. Ультразвуковые сканеры (Ultrasonic Scanners) сканируют поверхность пальца ультразвуковыми волнами. Расстояния между источником волн и гребешковыми выступами и впадинами папиллярного узора измеряются по отраженному от них эху.

Качество получаемого изображения в десятки раз лучше, чем у любого другого представленного на биометрическом рынке метода. Кроме того, данный способ практически полностью защищен от муляжей, поскольку позволяет помимо отпечатка папиллярного узора пальца получать информацию и о некоторых других характеристиках, например, о пульсе.

Недостатки:
 Высокая стоимость

Ведущим производителем сканеров данного типа является компания Ultra-Scan Corporation.