Сканер лица и отпечатка пальца. Как биометрические системы подчеркивают вашу индивидуальность и защищают телефон от взлома?

01.10.2020
106

Этой статьей открывается цикл материалов, раскрывающих принципы работы технологий, используемых в смартфонах, и делающих из них мульти-аппараты, заменяющие собой компьютеры, камеры и аудиосистемы. Сегодня речь пойдет о технологии защиты гаджета от проникновения в файловую систему не доверенных лиц, а проще говоря о сканерах отпечатков пальцев и лица.

Сканеры отпечатков пальцев

Сканирование отпечатка пальца — это один из способов биометрической аутентификации человека использующей для удостоверения его личности индивидуальные физические черты (сетчатка глаза, лицо, голос). В данном случае для распознавания используется папиллярный узор, который находится на коже пальца и формирует отпечаток. Он уникален для каждого человека и сопровождает его на протяжении всей жизни. Рисунок определяется на этапах созревания плода в еще утробе и зависит от генетического кода ребенка и случайных факторов сопутствующих беременность.

Узор представляет собой линии возвышенностей и впадин на коже образующих рисунок. Этот рисунок отображается на сканере и распознается программным обеспечением с уже имеющимся образцом — получение изображения и сопоставление узоров главная задача любого датчика. В смартфонах используются три типа сканеров: оптический, емкостный и ультразвуковой.

Оптический сканер

Первый сканер широко используемый в мобильных устройствах. Принцип его работы следующий: когда палец прикасается к сканеру им излучается свет, который отражается от кожного покрова и фиксируются на светочувствительной матрице (аналог фотокамеры) образуя узор соответствующий отпечатку пальца. Матрица преобразовывает полученный рисунок в цифровой код, а алгоритмы сопоставляют его с эталонным образцом “хозяйского” пальца. Анализируется не все изображение, а моменты разрывов и раздвоений папиллярных линий, нахождение их коротких эпизодов — эти локальные признаки создают уникальность рисунка и называются мунициями. Алгоритмы попиксельно изучают изображение сопоставляя типы и количество муниций, определяя их сходства с оригиналом.

Захват мелких деталей требует изображение высокого разрешения, которое могут обеспечить только массивное количество светодиодов, что делает сканер такого типа громоздким для современных утонченных аппаратов. Функционировать он может только под дисплеем AMOLED матрицы, т.к. она полупрозрачна, а значит способна пропускать свет.

Общим недостатком оптических сканеров является чувствительность к загрязнению, царапинам и физическому состоянию пальца (например влажность). Также такой сканер легко обманывается слепками и разного рода подделками, т.к. моделирует 2D изображение рисунка, поэтому для обеспечения полной безопасности данных необходима внимательность владельца.

Емкостный сканер

Распознавание отпечатка в таком типе сканеров основывается на электрическом заряде полупроводников. Конструкция состоит из пластины (матрицы) и находящегося под ней массива конденсаторов, имеющих накопленный заряд. Палец, касаясь сканера, контактирует не всей площадью, а выступающими линиями узора на которые реагирует конденсатор и разряжается. Незначительно изменяется заряд также в нетронутых линиями полупроводниках. Матрица сканера регистрирует изменения каждого конденсатора вырисовывая контур папиллярного рисунка, который затем, алгоритмами, сопоставляется с образцом.

В такой системе используются сотни, а иногда тысячи конденсаторов. Полученная, на основании электрических сигналов, объемная модель узора более точная и сложная, в отличие от оптической. Рисунок практически невозможно подделать, т.к. даже достоверный слепок или макет из инородного материала, будет по другому воздействовать на проводник. Сканер обладает высокой скоростью отклика и не снижает ее даже если палец загрязнен или влажен.

На данный момент это самый распространенный тип дактилоскопической аутентификации, однако имеет некоторые инженерные противоречия. Так, из-за способа реализации сканер нельзя разместить под дисплеем, что в эпоху безрамочных смартфонов не очень удобно. Производители размещают датчик на боковой грани или на задней крышке, из-за чего аппарат обязательно нужно взять в руки для разблокировки.

Ультразвуковой сканер

Самая свежая и перспективная технология распознавания папиллярного узора. Разработка была представлена компанией Qualcomm в 2016 году и впервые внедрена во флагман Le Max Pro.

Для распознавания отпечатка на палец, находящийся перед сканером, передатчиком посылаются ультразвуковые волны. Часть импульса проходит дальше, часть ударяется о впадины и выступы на коже и возвращается к источнику. Расстояние пройденное волной от передатчика до преграды (впадины-выступа) и обратно считывается приемником, после чего алгоритмами выстраивается объемная модель отпечатка и сопоставляется с образцом.

Полученное ультразвуковым сканером изображение в десятки раз качественнее и детальнее, чем могут отобразить оптические или емкостные альтернативы. Такой сканер невозможно обмануть, им воссоздается точная 3D-модель отпечатка с уникальным для каждого человека узором, а ультразвуковые волны, проникающие далее вглубь нашего тела, позволяют получить информацию о других характеристиках, например пульсе, отсутствующего у муляжа. Подделанное плоское изображение или даже слепок легко распознаются системой как ложные. Также, за счет того, что звуковой импульс способен пройти сквозь что угодно, сканер такого типа не испытывает проблем при размещении как под дисплеем смартфона, так и снаружи на корпусе.

Единственный минус в том, что ультразвуковой способ аутентификации не стал общедоступен и пока что является атрибутом флагманских устройств, однако это вопрос времени.

Сканер лица

Данная технология основывается на теории распознавания образов, неотъемлемой части работы мозга, потому разработка сканеров такого типа напрямую связана с искусственным интеллектом и нейросетями.

При первом знакомстве сканера, через фронтальную камеру, с лицом пользователя, алгоритмы выделяют и расставляют на нем ключевые точки: положение глаз, расстояния между ними, уголки губ, форма носа и прочие антропометрические якори. В современных устройствах используется минимум 68 таких якорей, например у iPhone 11. Из них создается сетка ключевых точек лица пользователя.

При разблокировке смартфона, алгоритмы искусственного интеллекта используют предустановленный шаблон и ищут в нем соответствие с лицом находящимся перед камерой. Для этого системой создаются дескрипторы — набор характеристик для описания лица без использования посторонних факторов (возраст, макияж, цвет кожи). Дескрипторами анализируются признаки и ключевые точки формирующие уникальный ландшафт лица-оригинала и лица, которое распознается. Сопоставляя эти два изображения система определяет относиться ли оно к одному и тому же человеку.

Для опознания лица, сканером используется:

  • Инфракрасная камера, позволяющая более точно, чем фронтальная, изучить лицо в инфракрасном спектре;
  • Излучатель, играющий роль вспышки;
  • Проектор точек, раскладывающий лицо на точки и создающий его своеобразную карту.
  • Алгоритмы нейросетей.

Насколько это безопасно?

Описанные устройства позволяют получить доступ к функциям смартфона по биометрическим признакам, которые являются уникальными для каждого человека. Выкрасть такой “пароль” очень сложно, однако если злоумышленникам это удастся, то изменить его, также вызовет немало трудностей у владельца. Несмотря на некоторые сложности и слабые места в использовании это единственно надежный метод защитить свои данные и со временем, разумеется, его надежность будет только расти.

В следующей статье раскроем принципы работы WiFi нового поколения и NFC, узнаем может ли мобильная связь быть смертоносной и разберем как технология передачи данных внедрена в смартфоны.