Как работают сканеры отпечатков пальцев

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 произошло?

У людей на пальцах появляются крошечные выступы кожи, потому что эта особая адаптация была чрезвычайно выгодна предкам человеческого вида. Рельефные выступы и «впадины» на пальцах облегчают захват предметов руками, точно так же, как резиновый рисунок протектора помогает шине удерживать дорогу.

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 матке 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 вашу генетическую структуру, существует бесчисленное множество факторов окружающей среды, влияющих на формирование пальцев.. Так же, как погодные условия, которые образуют облака или береговую линию пляжа, весь процесс развития настолько хаотичен, что на протяжении всей истории человечества практически нет шансов на то, чтобы 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 могут выделить четкие, определенные различия.

Это 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 рисунку гребней и впадин на предварительно отсканированных изображениях.

Есть несколько разных способов получить изображение чьего-либо пальца. Наиболее распространенными сегодня методами являются оптическое сканирование и сканирование емкости . Оба типа создают одинаковые изображения, но делают это совершенно по-разному.

Сердце оптического сканера — это устройство с зарядовой связью (ПЗС), та же система светового датчика, которая используется в цифровых камерах и видеокамерах. ПЗС — это просто массив светочувствительных диодов, называемых фотосайтами , которые генерируют электрический сигнал в ответ на световые фотоны. Каждый фотосайт записывает пиксель, крошечную точку, представляющую свет, попавший в эту точку. Вместе светлые и темные пиксели образуют изображение отсканированной сцены (например, палец). Обычно аналого-цифровой преобразователь в системе сканера обрабатывает аналоговый электрический сигнал для создания цифрового представления этого изображения. См. «Как работают цифровые камеры» для получения подробной информации о ПЗС-матрицах и цифровом преобразовании.

Процесс сканирования начинается, когда вы кладете палец на стеклянную пластину и камеру ПЗС делает снимок. Сканер имеет собственный источник света, обычно набор светодиодов для освещения выступов пальца. Система CCD фактически генерирует перевернутое изображение пальца, с более темными областями, представляющими больше отраженного света (гребни пальца), и более светлыми областями, представляющими меньше отраженного света (впадины между гребнями).

Перед тем, как сравнить распечатку с сохраненными данными, процессор сканера проверяет, что ПЗС-матрица захватила 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 отклонено, сканер регулирует время экспозиции, чтобы пропустить больше или меньше света, а затем снова пытается сканировать.

Если уровень темноты адекватно, система сканера продолжает проверять четкость изображения (насколько четким 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 выступам, будет состоять из чередующихся участков очень темных 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 выступов и впадин, составляющих отпечаток пальца. Но вместо того, чтобы воспринимать печать с помощью света, 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 изолирующим слоем. Ячейки крошечные — меньше ширины одного 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 заполнят 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 на основе колебаний другого тока ( см. Как работают усилители для получения дополнительной информации). В частности, инвертирующий усилитель изменяет напряжение питания. Изменение основано на относительном напряжении двух входов, называемых инвертирующим терминалом и неинвертирующим терминалом. В этом случае неинвертирующий терминал соединен с землей, а инвертирующий терминал подключен к источнику опорного напряжения и петли обратной связи . Контур обратной связи, который также подключен к выходу усилителя, включает в себя две проводящие пластины..

Как вы, возможно, уже заметили, две проводящие пластины образуют основной конденсатор, электрический компонент, который может накапливать заряд (подробнее см. Как работают конденсаторы). . Поверхность пальца действует как третья пластина конденсатора, разделенная изоляционными слоями в структуре ячеек, а 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. Из-за этого качества конденсатор в ячейке под выступом будет иметь большую емкость, чем конденсатор в ячейке под впадиной.

Для сканирования 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 пальца приведет к выходному напряжению, отличному от выходного напряжения пальца.

Процессор сканера считывает это выходное напряжение и определяет, характерно ли это для хребта или долины. Считывая каждую ячейку в массиве датчиков, процессор может составить общую картину отпечатка пальца, аналогичную изображению, полученному оптическим сканером.

Основное преимущество емкостного сканера заключается в том, что для него требуется реальная форма отпечатка пальца, а не светлый и темный рисунок, который создает визуальное впечатление отпечатка пальца. Это усложняет обман системы. Кроме того, поскольку в них используется полупроводниковый чип, а не ПЗС-матрица, емкостные сканеры обычно более компактны, чем оптические устройства.

Analysis

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 большой вычислительной мощности, 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 . Как правило, люди и компьютерные исследователи концентрируются на точках, где кончаются линии гребня или где один гребень разделяется на два ( бифуркации ).. В совокупности эти и другие отличительные особенности иногда называют typica .

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 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 мелочей как в образце, так и на отпечатке в записи, она просто должна найти достаточное количество образцов мелких деталей, которые являются общими для двух отпечатков. Точное количество зависит от программирования сканера.

Плюсы и минусы

Есть несколько способов система безопасности может подтвердить, что кто-то является авторизованным пользователем. Большинство систем ищут одно или несколько из следующего:

Чтобы пройти через » какая у вас «система», вам нужен какой-то «жетон», например удостоверение личности с магнитной полосой. Система «что вы знаете» требует от вас ввода пароля или PIN-кода. Система «кто вы есть» на самом деле ищет вещественные доказательства того, что вы являетесь тем, кем вы себя называете — конкретный отпечаток пальца, голос или рисунок радужной оболочки.

Системы «Кто вы», такие как сканеры отпечатков пальцев, имеют ряд преимуществ перед другими системами. Назову несколько:

Но так же эффективно как бы они ни были, они определенно не безупречны, и у них действительно есть серьезные недостатки. Оптические сканеры не всегда могут отличить изображение пальца от самого пальца, а емкостные сканеры иногда можно обмануть слепком пальца человека. Если кто-то действительно получит доступ к отпечаткам авторизованного пользователя, он сможет обмануть сканер. В худшем случае преступник может даже отрезать кому-нибудь палец, чтобы пройти через систему безопасности сканера.. Некоторые сканеры имеют дополнительные импульсные и тепловые датчики для проверки живости пальца, а не форму или расчлененный палец, но даже эти системы можно обмануть, поставив желатиновую печатную форму на настоящий палец. (На этом сайте объясняются различные способы обмана сканера.)

Чтобы сделать эти системы безопасности более надежными, рекомендуется объединить биометрический анализ с обычные средства идентификации, такие как пароль (точно так же, как банкомат требует банковскую карту и PIN-код).

Настоящая проблема с биометрические системы 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 в значительной степени не повезет на всю оставшуюся жизнь. Вы не сможете использовать свои отпечатки как форму идентификации, пока не будете абсолютно уверены, что все копии были уничтожены. Невозможно 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.

Дополнительную информацию о сканерах отпечатков пальцев и других биометрических технологиях можно найти по ссылкам на следующей странице.

Дополнительная информация

Статьи по теме HowStuffWorks

Еще отличные ссылки