Сканеры идентификации отпечатков пальцев? Да, вы их точно видели.
Компьютеризированные сканеры отпечатков пальцев были основой шпионских триллеров на протяжении десятилетий, но до недавнего времени они были довольно экзотической технологией в реальном мире. Однако в последние несколько лет сканеры начали появляться повсюду - в полицейских участках, зданиях строгого режима и даже на клавиатурах ПК. Вы можете приобрести персональный USB-сканер отпечатков пальцев менее чем за 100 долларов, и точно так же ваш компьютер будет защищен высокотехнологичной биометрией. Вместо пароля или в дополнение к нему для получения доступа вам понадобится отличительный отпечаток.
В этой статье мы рассмотрим секреты этого захватывающего развития в правоохранительной сфере и защите личных данных. Мы также увидим, как системы безопасности сканера отпечатков пальцев сочетаются с обычными системами паролей и удостоверений личности, и выясним, как они могут выйти из строя.
СОДЕРЖАНИЕ
- Основы работы с отпечатками пальцев
- Оптический сканер
- Сканер емкости
- Анализ
- За и против
Основы работы с отпечатками пальцев
Отпечатки пальцев - одно из тех причудливых поворотов природы. У людей есть встроенные легкодоступные удостоверения личности. У вас уникальный дизайн, который представляет вас одного, буквально у вас под рукой. Как это случилось?
У людей есть крошечные выступы кожи на пальцах, потому что эта особая адаптация была чрезвычайно выгодна предкам человеческого вида. Рисунок гребней и «впадин» на пальцах упрощает захват предметов руками, так же как резиновый рисунок протектора помогает шине сцепляться с дорогой.
Другая функция отпечатков пальцев - полное совпадение. Как и все в человеческом теле, эти гребни образуются в результате сочетания генетических факторов и факторов окружающей среды. Генетический код в ДНК дает общие указания о том, как должна формироваться кожа у развивающегося плода, но конкретный способ ее формирования является результатом случайных событий. Точное положение плода в утробе матери в определенный момент, а также точный состав и плотность окружающей околоплодной жидкости решают, как будет формироваться каждый отдельный гребень.
Итак, в дополнение к бесчисленным вещам, которые в первую очередь влияют на ваш генетический состав, существует бесчисленное множество факторов окружающей среды, влияющих на формирование пальцев. Подобно погодным условиям, которые образуют облака или береговую линию пляжа, весь процесс развития настолько хаотичен, что на протяжении всей истории человечества практически нет шансов на то, что одна и та же точная картина сформировалась дважды.
Следовательно, отпечатки пальцев являются уникальным маркером для человека, даже для однояйцевого близнеца. И хотя с первого взгляда два отпечатка могут выглядеть в основном одинаковыми, обученный исследователь или продвинутое программное обеспечение может выявить четкие, определенные различия.
Это основная идея анализа отпечатков пальцев как при расследовании преступлений, так и при обеспечении безопасности. Задача сканера отпечатков пальцев - заменить человека-аналитика, собирая образец отпечатка и сравнивая его с другими образцами в записи. В следующих нескольких разделах мы узнаем, как это делают сканеры.
Оптический сканер
Система сканера отпечатков пальцев выполняет две основные задачи: ей необходимо получить изображение вашего пальца и определить, соответствует ли рисунок гребней и впадин на этом изображении образцу гребней и впадин на предварительно отсканированных изображениях.Есть несколько способов получить изображение чьего-либо пальца. Наиболее распространенными сегодня методами являются оптическое сканирование и сканирование емкости. Оба типа создают одинаковый образ, но делают это совершенно по-разному.
Сердце оптического сканера - это устройство с зарядовой связью (ПЗС), та же система светового датчика, которая используется в цифровых фотоаппаратах и видеокамерах. ПЗС - это просто набор светочувствительных диодов, называемых фотосайтами, которые генерируют электрический сигнал в ответ на световые фотоны. Каждый фотосайт записывает пиксель, крошечную точку, представляющую свет, попавший в это пятно. Вместе светлые и темные пиксели образуют изображение отсканированной сцены (например, палец). Обычно аналого-цифровой преобразователь в системе сканирования обрабатывает аналоговый электрический сигнал для создания цифрового представления этого изображения. Посмотрите, как работают цифровые фотоаппараты для получения подробной информации о CCD и цифровом преобразовании.
Процесс сканирования начинается, когда вы кладете палец на стеклянную пластину, и камера CCD делает снимок. Сканер имеет собственный источник света, обычно набор светодиодов для освещения выступов пальца. Система CCD фактически генерирует перевернутое изображение пальца, причем более темные области представляют больше отраженного света (гребни пальца), а более светлые области представляют меньше отраженного света (впадины между гребнями).
Прежде чем сравнивать отпечаток с сохраненными данными, процессор сканера проверяет, записала ли ПЗС четкое изображение. Он проверяет среднюю темноту пикселей или общие значения в небольшой выборке и отклоняет сканирование, если общее изображение слишком темное или слишком светлое. Если изображение отклоняется, сканер регулирует время экспозиции, чтобы пропустить больше или меньше света, а затем снова пытается выполнить сканирование.
Если уровень темноты достаточен, система сканера продолжает проверять четкость изображения (насколько резким является сканирование отпечатка пальца). Процессор смотрит на несколько прямых линий, движущихся горизонтально и вертикально по изображению. Если изображение отпечатка пальца имеет хорошее разрешение, линия, идущая перпендикулярно гребням, будет состоять из чередующихся участков очень темных пикселей и очень светлых пикселей.
Если процессор обнаруживает, что изображение четкое и правильно экспонировано, он переходит к сравнению захваченного отпечатка пальца с отпечатками пальцев в файле. Мы рассмотрим этот процесс через минуту, но сначала рассмотрим другую важную технологию сканирования - емкостной сканер .
Сканер емкости
Как и оптические сканеры, емкостные сканеры отпечатков пальцев создают изображение гребней и впадин, составляющих отпечаток пальца. Но вместо того, чтобы воспринимать отпечаток светом, конденсаторы используют электрический ток.
На схеме ниже показан простой емкостный датчик. Датчик состоит из одного или нескольких полупроводниковых чипов, содержащих массив крошечных ячеек . Каждая ячейка включает две токопроводящие пластины, покрытые изоляционным слоем. Клетки крохотные - меньше ширины гребня на пальце.
Датчик подключен к интегратору - электрической цепи, построенной на инвертирующем операционном усилителе. Инвертирующий усилитель представляет собой сложное полупроводниковое устройство, состоящее из ряда транзисторов, резисторов и конденсаторов. Детали его работы сами по себе занимают целую статью, но здесь мы можем получить общее представление о том, что он делает в сканере емкости. (Посетите эту страницу об операционных усилителях для технического обзора.)
Как и любой усилитель, инвертирующий усилитель изменяет один ток в зависимости от колебаний другого тока ( дополнительную информацию см. В тнмн « Как работают усилители» ). В частности, инвертирующий усилитель изменяет напряжение питания. Изменение основано на относительном напряжении двух входов, называемых инвертирующим выводом и неинвертирующим выводом. В этом случае неинвертирующий терминал соединен с землей, а инвертирующий терминал подключен к источнику опорного напряжения и цепи обратной связи. Контур обратной связи, который также подключен к выходу усилителя, включает в себя две проводящие пластины.
Как вы могли заметить, две проводящие пластины образуют основной конденсатор, электрический компонент, который может накапливать заряд (подробности см. В разделе « Как работают конденсаторы» ). Поверхность пальца действует как третья пластина конденсатора, разделенная изолирующими слоями в структуре ячеек и, в случае впадин для отпечатков пальцев, воздушным карманом. Изменение расстояния между пластинами конденсатора (перемещая палец ближе или дальше от проводящих пластин) изменяет общую емкость (способность накапливать заряд) конденсатора. Благодаря этому качеству конденсатор в ячейке под выступом будет иметь большую емкость, чем конденсатор в ячейке под впадиной.
Чтобы сканировать палец, процессор сначала замыкает переключатель сброса для каждой ячейки, который замыкает вход и выход каждого усилителя, чтобы «сбалансировать» схему интегратора. Когда переключатель снова размыкается и процессор прикладывает фиксированный заряд к схеме интегратора, конденсаторы заряжаются. Емкость конденсатора контура обратной связи влияет на напряжение на входе усилителя, что влияет на выход усилителя. Поскольку расстояние до пальца изменяет емкость, выступ для пальца приведет к выходному напряжению, отличному от выходного напряжения для пальца.
Процессор сканера считывает это выходное напряжение и определяет, характерно ли оно для гребня или впадины. Считывая каждую ячейку в матрице датчиков, процессор может составить общую картину отпечатка пальца, аналогичную изображению, полученному с помощью оптического сканера.
Основное преимущество емкостного сканера заключается в том, что для него требуется реальная форма отпечатка пальца, а не рисунок из светлого и темного, который создает визуальное впечатление отпечатка пальца. Это усложняет обман системы. Кроме того, поскольку в них используется полупроводниковый чип, а не ПЗС-блок, емкостные сканеры обычно более компактны, чем оптические устройства.
Анализ
В фильмах и телешоу автоматические анализаторы отпечатков пальцев обычно накладывают различные изображения отпечатков пальцев, чтобы найти совпадение. На самом деле это не очень практичный способ сравнения отпечатков пальцев. Размазывание может привести к тому, что два изображения одного и того же отпечатка будут выглядеть по-разному, поэтому вы редко получите идеальное наложение изображения. Кроме того, использование всего изображения отпечатка пальца в сравнительном анализе требует больших вычислительных мощностей, а также облегчает кому-либо кражу данных печати.Вместо этого большинство систем сканера отпечатков пальцев сравнивают определенные характеристики отпечатка пальца, обычно известные как мелкие детали. Обычно люди и компьютерные исследователи сосредотачиваются на точках, где кончаются линии гребня или где один гребень разделяется на два (бифуркации). В совокупности эти и другие отличительные признаки иногда называют типичными.
Программное обеспечение системы сканера использует очень сложные алгоритмы для распознавания и анализа этих мелких деталей. Основная идея состоит в том, чтобы измерить относительное положение мелких деталей таким же образом, как вы могли бы распознать часть неба по относительному положению звезд. Простой способ представить себе это - рассмотреть формы, которые образуют различные мелочи, когда вы проводите прямые линии между ними. Если два отпечатка имеют три конца гребня и две бифуркации, образующие одну и ту же форму с одинаковыми размерами, высока вероятность, что это один и тот же отпечаток.
Чтобы получить совпадение, система сканера не должна находить весь образец мелких деталей как в образце, так и в отпечатке в записи, она просто должна найти достаточное количество шаблонов мелких деталей, которые являются общими для двух отпечатков. Точное количество зависит от программирования сканера.
За и против
Есть несколько способов, которыми система безопасности может проверить, что кто-то является авторизованным пользователем. Большинство систем ищут одно или несколько из следующего:- Что у тебя есть
- Что ты знаешь
- Кто ты
Системы «Кто вы», такие как сканеры отпечатков пальцев, имеют ряд преимуществ перед другими системами. Чтобы назвать несколько:
- Физические атрибуты подделать гораздо сложнее, чем удостоверения личности.
- Вы не можете угадать образец отпечатка пальца, как вы можете угадать пароль.
- Вы не можете потерять свои отпечатки пальцев, радужную оболочку или голос, как если бы вы потеряли карту доступа.
- Вы не можете забыть свои отпечатки пальцев, как можете забыть пароль.
Чтобы сделать эти системы безопасности более надежными, рекомендуется объединить биометрический анализ с обычными средствами идентификации, такими как пароль (точно так же, как банкомат требует банковскую карту и PIN-код).
Настоящая проблема биометрических систем безопасности - это степень ущерба, когда кому-то удается украсть идентификационную информацию. Если вы потеряете свою кредитную карту или случайно сообщите кому-нибудь свой секретный PIN-код, вы всегда можете получить новую карту или изменить свой код. Но если кто-то украдет ваши отпечатки пальцев, вам не повезет на всю оставшуюся жизнь. Вы не сможете использовать свои отпечатки в качестве формы идентификации, пока не будете абсолютно уверены, что все копии были уничтожены. Нет возможности получить новые отпечатки.
Но даже с этим существенным недостатком сканеры отпечатков пальцев и биометрические системы являются отличным средством идентификации. В будущем они, скорее всего, станут неотъемлемой частью повседневной жизни большинства людей, как сегодня ключи, карты банкоматов и пароли.
