Данные на замке: дактилоскопические сканеры в смартфонах

28.07.2022

Дактилоскопические сканеры повсеместно встречаются на борту смартфонов от бюджетных моделей и до флагманов индустрии. Ведь отпечаток пальца — это главный ключ к данным, которые хранятся в памяти мобильного устройства. Как устроена технология, что «видят» сенсоры отпечатка и какими они бывают? Давайте попробуем разобраться.

Сканеры отпечатка в качестве «замка» для хранящейся информации — удобное и безопасное решение, нацеленное на защиту персональных данных. Однако вопреки своему названию, они анализируют не совсем отпечаток пальца.

Алгоритмы и шифрование

Вместо запоминания ветвей папиллярного узора дактилоскопические сканеры ищут уникальные признаки и контрольные точки, определяющие принадлежность отпечатка пальца. Дело в том, что на отпечатке одни линии разветвляются, другие — резко прерываются, а третьи остаются отдельными островками. Такие особые точки (минуции) и являются отличительными признаками конкретного отпечатка пальца.

На этапе первичного ввода отпечатка смартфон зачастую просит пользователя приложить палец к сенсору несколько раз, немного смещая его в стороны. Эта процедура необходима для запоминания наибольшего числа минуций. Чем больше сканер увидит уникальных признаков, тем больше точек анализа окажется в его распоряжении.

Дактилоскопические сканеры запоминают не сам рисунок отпечатка пальца, а характерные точки в нем.

Ориентация на контрольные точки дает гораздо лучший эффект, нежели банальное запоминание папиллярного узора. Судите сами, мелкие порезы подушечек, прикладывание пальца под разными углами и с разной силой нажима, да и попросту жирный налет на пальцах после употребления вокзального чебурека меняют картину сканирования. А минуции всегда остаются неизменными.

Нынче в смартфонах применяются три разновидности дактилоскопических сканеров: емкостные, оптические и ультразвуковые.

Емкостные

Сканеры отпечатка емкостного типа идентифицируют палец, используя электричество. Конструктивно они состоят из множества крошечных токопроводящих пластин с конденсаторами, которые хранят в себе определенные заряды. Прикладывая палец, гребни отпечатка изменяют накопленный заряд в местах соприкосновения кончика пальца с токопроводящими пластинами. И наоборот, во впадинах отпечатка образуются воздушные зазоры, оставляя заряд конденсатора относительно неизменным.

Смартфон считывает все ячейки на поверхности дактилоскопического сканера и по напряжению определяет, находилась ли возле конкретного конденсатора пустота либо же это был гребень, где кожа соприкасалась с сенсором. Так и формируется трехмерная картина отпечатка с учетом выступов и углублений на пальце.

Визуализация принципа действия емкостных сканеров отпечатка пальцев.

Обмануть емкостные сканеры отпечатка достаточно тяжело. Они характеризуются высокой стабильностью работы, спокойно узнают мокрые и грязные пальцы. В смартфонах разношерстного ранга применяются емкостные датчики с различной разрешающей способностью: модели бюджетной руки вооружают сканерами с небольшим количеством ячеек, в устройствах среднего класса и флагманах стоят многоячеистые сенсоры. Чем больше конденсаторов в конструкции сканера, тем более точную «карту» гребней и впадин он видит благодаря электрическим сигналам, что повышает уровень безопасности сканирования.

Плюсы емкостных сканеров отпечатка:

• создание трехмерного снимка во время сканирования;
• высокая скорость реагирования;
• отменная безопасность;
• стабильность работы (палец не обязательно должен быть сухим и чистым);
• недорогое производство.

Минусы емкостных дактилоскопических сканеров:

• низкая разрешающая способность в бюджетных моделях смартфонов;
• невозможность установки сканера в дисплеи (экраны у мобильных устройств тоже емкостные, из-за чего технологии перекликаются между собой).

Оптические

Оптические сканеры определяют подходящий отпечаток пальца с помощью света. По сути, они представляют собой черно-белую камеру, которая фотографирует подушечку пальца и производит анализ папиллярного узора по наиболее светлым и самым темным участкам изображения. Рисунок во время сканирования подсвечивается множеством махоньких диодных лампочек, чтобы датчик лучше «видел» и можно было считать мелкие детали с пальца.

Оптические датчики «фотографируют» подушечку пальца со вспышкой.

Дактилоскопические сенсоры оптической конструкции обеспечивают получение двухмерной картины, из-за чего их не так сложно обмануть. Устанавливаются такие сканеры, как правило, непосредственно в экран мобильных устройств. При этом для них годятся только полупрозрачные AMOLED и OLED-панели. В случае с традиционной IPS-матрицей камера сенсора загромождает подсветку, размещаемую в задней плоскости экрана.

Плюсы оптических сканеров отпечатка:

• возможность установки непосредственно в экран.

Минусы оптических дактилоскопических сканеров:

• двухмерное сканирование, из-за чего оптические сканеры легко обмануть (приложить муляж или подделку с нужным отпечатком);
• не лучшая стабильность распознавания (грязь и вода сильно влияют на алгоритмы определения отпечатка);
• невысокая скорость работы (особенно в ранних редакциях технологии);
• привередливость к защитным пленкам и стеклам.

Ультразвуковые

Ультразвуковые сканеры являются наиболее «молодой» разновидностью дактилоскопии. К разработке первых редакций таких сенсоров приложила руку небезызвестная компания Qualcomm, выпускающая мобильные процессоры для смартфонов. Дебют УЗ-сканера состоялся на борту флагмана Samsung Galaxy S10 в 2019 году. Однако за пару лет до этого события прототип сенсора «обкатали» в телефоне LeTV Le Max Pro.

В основе ультразвукового сканера лежит пьезоэлектрик. При подаче напряжения он начинает вибрировать с огромной частотой и генерирует звуковые волны, которые проходят сквозь защитное стекло смартфона, «ударяются» об углубления и выступы отпечатка пальца, а затем возвращаются обратно в сканер. Результатом измерений является определение интенсивности отраженного ультразвукового импульса в различных точках датчика, по итогам чего строится детализированная трехмерная картина подушечки пальца.

Ультразвуковые сенсоры испускают звуковые волны для идентификации владельца смартфона по отпечатку пальца.

Ультразвуковые импульсы проникают немного вглубь пальца, а значит подсунуть смартфону муляж не выйдет. Подобные сканеры прекрасно отличают настоящие пальцы от слепков. А еще для них не являются помехами влага и грязь.

Плюсы ультразвуковых сканеров отпечатка:

• трехмерное сканирование;
• высокая безопасность;
• эффективная защита от всяческих муляжей;
• стабильность работы (палец не обязательно должен быть сухим и чистым);
• возможность размещения где-угодно (под стеклом, на «спинке» смартфона, в боковой кнопке включения).

Минусы ультразвуковых дактилоскопических сканеров:

• ультразвуковые сканеры работают медленнее других;
• привередливость к защитным пленкам и стеклам (некоторые из них рассеивают и частично гасят звуковую волну).

Где размещаются?

На заре своего появления дактилоскопические сканеры нередко размещались в кнопке «Home», которую устанавливали на «подбородке» под экраном. Передние сенсоры отпечатка — отличительная черта характера Apple iPhone (начиная с поколения 5s), первых моделей Samsung из семейства Galaxy S и других мобильных устройств из недалекого прошлого.

В смартфонах Apple система разблокировки Touch ID применялась с модели iPhone 5s.

С выходом технологии в более широкие массы датчики отпечатка перекочевали на тыльную сторону корпуса смартфонов. Задние сканеры часто встречаются и поныне. Подобное расположение — прерогатива недорогих мобильников.

Подэкранный сканер отпечатка впервые выбился в люди на заре 2018 года. Таковым датчиком была оборудована модель Vivo X20 Plus UD. Технология быстро сыскала популярность и встраивать дактилоскопический сканер в экран начали многие маститые компании-производители смартфонов. Сперва подобным сканером оснащали исключительно флагманские устройства, но уже сейчас встретить таковой можно и во многих смартфонах крепкого среднего звена с дисплеями AMOLED или OLED.

Сканеры отпечатка в экране перестали быть уделом флагманов и перекочевали в средний сегмент смартфонов.

В последнее время прослеживается тенденция размещать сканер отпечатка на поверхности боковой кнопки включения/разблокировки телефонов. Главным достоинством подобного расположения можно назвать аккуратный внешний вид корпуса и малозаметность самого датчика.

Пару слов про iPhone

Как ни странно, iPhone был одним из первых массовых смартфонов со сканером отпечатка пальца, однако в современном портфолио «яблочных» мобильных устройств его давно уже нет. От дактилоскопического сканера отказались еще в революционной модели Apple iPhone X, заменив датчик на разблокировку по лицу Face ID.

Разблокировка по лицу Face ID — основной способ аутентификации для владельцев «Айфонов».

Если же копнуть чуть глубже, сенсор отпечатка у iPhone работал что надо, но в плане ремонтопригодности это было откровенно слабое место смартфонов Apple. Ремонт сломанного Touch ID — практически безнадежное занятие, поскольку он обычно тянул за собой замену системной платы.

Сканеры отпечатков послужили простой и безопасной альтернативой бесчисленным паролям и графическим ключам. Технологии есть куда развиваться дальше, а широкое проникновение в мобильные платежные системы оставляет дактилоскопические сенсоры важным инструментом безопасности в будущем.