Устройства сканирования отпечатков пальцев

 

ВВЕДЕНИЕ

 

Актуальность развития биометрических технологий идентификации личности обусловлена увеличением числа объектов и потоков информации, которые необходимо защищать от несанкционированного доступа, а именно: криминалистика; системы контроля доступа; системы идентификации личности; системы электронной коммерции; информационная безопасность (доступ в сеть, вход на ПК); учет рабочего времени и регистрация посетителей; системы голосования; проведение электронных платежей; аутентификация на Web-ресурсах; различные социальные проекты, где требуется идентификация людей; проекты гражданской идентификации (пересечение государственных границ, выдача виз на посещение страны) и т.д.

В отличие от бумажных идентификаторов (паспорт, водительские права), пароля или персонального идентификационного номера (PIN), биометрические характеристики не могут быть забыты или потеряны, их трудно подделать и практически  невозможно изменить.

Деятельность частных  фирм, правительственных организаций  и лабораторий, занимающихся вопросами  биометрии, координируется Биометрическим Консорциумом BioAPI Consortium. Ведущими производителями  биометрических систем являются: BioLink Technologies, Bioscrypt, Precise Biometrics, Neurotechnologiya, DigitalPersona, Ethentica, Identix, Staflink, Veridicom и др.

Идентификация личности по отпечатку пальца является самой  удачной биометрической технологией  благодаря простоте использования, удобству и надежности. Вероятность  ошибки при идентификации пользователя по отпечаткам пальцев намного меньше в сравнении с другими биометрическими  методами. Кроме того, само устройство идентификации по отпечатку пальца малогабаритно и приемлемо по цене.

 

 

1. Устройства сканирования отпечатков пальцев

 

Получение электронного представления  отпечатков пальцев с хорошо различимым папиллярным узором — достаточно сложная задача. Поскольку отпечаток пальца слишком мал, для получения его качественного изображения приходится использовать достаточно изощренные методы.

Все существующие сканеры  отпечатков пальцев по используемым ими физическим принципам можно  разделить на три группы: 

• оптические;
• кремниевые;
• ультразвуковые.

Рассмотрим каждую из них, укажем их достоинства и недостатки, а также ведущих производителей (иногда единственных), занимающихся реализацией  каждого из методов.

Оптические сканеры - основаны на использовании оптических методов получения изображения. В настоящее время существуют следующие технологии реализации оптических сканеров:

1. FTIR-сканеры — представляют собой устройства, в которых используется эффект нарушенного полного внутреннего отражения (Frustrated Total Internal Reflection, FTIR). Рассмотрим данный эффект подробнее, чтобы пояснить полный алгоритм работы таких сканеров.

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 получившийся таким образом световой картинки поверхности пальца используется специальная камера (ПЗС или КМОП в зависимости от реализации сканера).

 

Рис. 1.1 Принцип работы . FTIR-сканеров

 

Ведущие производители сканеров данного типа: BioLink, Digital Persona, Identix.

 

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.

 

Рис.2 Механизм работы оптоволоконних сканеров

 

Ведущий производитель сканеров данного типа Delsy.

 

3. Электрооптические сканеры(electro-optical scanners) — в основе данной технологии лежит использование 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.

Ведущий производитель сканеров данного типа Security First Corp (Ethentica).

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.

Рис. 1.3 Практическая реализация оптического протяжного сканера

 

Ведущий производитель сканеров данного типа Kinetic Sciences.

 

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. 
 

Рис. 1.4 Схема и практическая реализация роликового сканера

 

Ведущие производители сканеров данного типа: Digital Persona, CASIO Computer, ALPS Electric.

 

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.

 

Рис. 1.5 Схема работы безконтактного сканера

 

Ведущий производитель сканеров данного типа Touchless Sensor Technology.

Отметим несколько исторически  сложившихся недостатков оптических сканеров и укажем, какие из них  уже исправлены:

• невозможность сделать их компактными, однако, как это видно из приведенных выше четырех из шести рисунков, в настоящее время это возможно;
• оптические модули достаточно дороги из-за большого числа компонентов и сложной оптической системы. И эта проблема на сегодня решена: цена оптических сенсоров некоторых производителей сейчас 10 - 15 долл. (не путать с ценой сенсора в корпусе для конечного пользователя в комплекте с ПО);
• оптические сканеры не устойчивы к муляжам и мертвым пальцам. Этому вопросу будет посвящена следующая часть статьи, однако уже сейчас стоит отметить, что практически все производители реализовали механизмы защиты от муляжей на том или ином этапе обработки сканируемого изображения.

Полупроводниковые сканеры - в их основе лежит 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.

Ведущие производители сканеров данного типа: Infineon, ST-Microelectronics, Veridicom.

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.

Ведущий производитель сканеров данного типа: BMF.

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.

Ведущий производитель сканеров данного типа: Atmel.

Обобщенно говоря, 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. (См. рисунок.)

Рис. 1.6 Обобщенная схема работы полупроводниковых сканеров

 

Выше были описаны наиболее распространенные («классические») типы полупроводниковых сканеров, далее  мы рассмотрим другие, менее распространенные типы.

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 ЭДС зависит от наличия или отсутствия в близи нее гребня папиллярного узора. Полученная таким образом матрица напряжений преобразуется в цифровое изображение отпечатка пальца.

Ведущий производитель сканеров данного типа: Authentec.

5. Протяжные термо-сканеры (thermal sweep scanners) — разновидность термо-сканеров, в которых используется, как и в оптических протяжных сканерах, проведение пальца по поверхности сканера, а не просто прикладывание.

 

Рис. 1.7 Формирование изображения при сканировании протяжным сканером

 

Ведущий производитель сканеров данного типа: Atmel.

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.

Ведущий производители сканеров данного типа: Fujitsu.

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

Производит сканеры данного  типа: Authentec.

Отметим основные недостатки полупроводниковых сканеров, хотя они  характерны не для всех описанных  методов:

сканеры, в частности, чувствительные к давлению, дают изображение низкого  разрешения и маленького размера;

необходимость прикладывания  пальца непосредственно к полупроводниковой  поверхности (так как любой промежуточный  слой влияет на результаты сканирования) ведет к ее быстрому изнашиванию;

чувствительность к сильным  внешним электрическим полям, которые  могут вызвать электростатические разряды, способные вывести сенсор из строя (относится в первую очередь  к емкостным сканерам);

большая зависимость качества изображения от скорости движения пальца по сканирующей поверхности присуща  прокаточным сканерам.