نگاهی به ساختار سنسورهای تشخیص اثر انگشت، از فناوری‌ تا الگوریتم‌های شناسایی

این روزها حضور سنسورها و اسکنرهای تشخیص اثر انگشت تنها به گوشی ها و محصولات بالارده محدود نمی شود و اخیراً شاهد هستیم که بسیاری از محصولات میان رده و حتی پایین رده نیز از این جز سخت افزاری امنیتی بهره‌مند هستند. اما گذشت زمان نیز تغییرات زیادی را در فناوری های به کار گرفته شده در این سنسورها ایجاد کرده است. در این مطلب قصد داریم با معرفی نسل های مختلف از این فناوری، به بررسی جدیدترین روش های شناسایی هویت اشخاص بپردازیم.

اسکنرهای نوری و اپتیکی

قدیمی ترین فناوری که برای ثبت اثر انگشت و مقایسه آنها مورد استفاده قرار گرفته است سنسورهای نوری هستند. همانطور که از نام آن مشخص است، این روش بر پایه ثبت یک تصویر و یافتن الگوهای خاص در آن استوار است. این فناوری با استفاده از یک سری از الگوریتم های پیش فرض و بررسی نقاط تاریک و روشن موجود در تصویر، نقاط برآمدگی و فرو رفتگی بر روی پوست را شناسایی می کند تا همزمان با شناسایی الگوهای مشخص، هویت کاربران را هم تعیین کند.

همچون دوربین موجود در گوشی های هوشمند، این سنسورها هم از یک وضوح مشخص برخوردار هستند که هر چه میزان این وضوح افزایش پیدا کند آنگاه جزییات مربوط به اثر انگشت کاربران نیز بهتر شناسایی می شود و در نتیجه امنیت دستگاه نیز بهبود پیدا می کند. تفاوت اصلی تصاویر ثبت شده توسط این سنسورها با دوربین های معمولی در کنتراست و روشنایی خلاصه می شود. قسمت سخت افزاری که وظیفه ثبت تصاویر را برعهده دارد از تعداد انبوهی از دیودها تشکیل شده است که تعدادی از آنها وظیفه تامین نور موردنیاز برای تصویر برداری از سطوح انگشت را برعهده دارند.

شاید بزرگترین مشکل این اسکنرها، اشغال بیش از حد فضا است که با نیازهای امروزی گوشی های هوشمند کاملاً مغایر بوده و از فشرده و باریک شدن آنها جلوگیری می کند. علاوه بر این، به دلیل اینکه این فناوری تنها قادر است تصاویر را به صورت دو بعدی به ثبت برساند به راحتی می توان با استفاده از یک تصویر با کیفیت آن را به اشتباه واداشت. به دلیل امنیت نه چندان مناسب و همچنین هزینه های بالای تولید، این نوع از سنسورها را تقریباً در هیچ دستگاه و یا اسمارت فونی نمی توان پیدا کرد.

اسکنرهای خازنی

در حال حاضر اسکنرهای خازنی رایج ترین و متداول ترین نوع از سنسورهای تشخیص هویت محسوب می شوند. با توجه به نام این سنسورها کاملاً مشخص است که هسته این فناوری توسط یک مدار الکترونیکی و یک سری خازن پشتیبانی می شود. این فناوری به جای ثبت یک تصویر، از آرایه از مدارهای خازنی برای ثبت اطلاعات مربوط به اثر انگشت کاربران بهره می برد. با توجه به اینکه خازن ها قادر به ذخیره سازی بارهای الکتریکی هستند، اتصال آنها به صفحات رسانای موجود در سطح سنسور اجازه می دهد اطلاعات با جزییات بسیار خوبی، از نقش های موجود بر روی پوست افراد بدست بیاید.

با قرارگیری برآمدگی سطح پوست بر روی صفحات رسانا، میزان بارهای ذخیره شده درون خازن های موجود در این مدار تغییر می کند. اما به دلیل حضور هوا در فضای خالی بین فرورفتگی ها و این صفحات، این نقاط تغییراتی در میزان بارهای ذخیره شده ایجاد نمی کنند. با استفاده از یک تقویت کننده آپ-امپ تغییرات موجود در میزان بارهای ذخیره سازی شده با دقت بسیار خوبی قابل ردیابی است و به راحتی امکان بررسی لحظه به لحظه آن ممکن خواهد بود.

اطلاعات دیجیتال بدست آمده توسط این مدارات الکترونیکی به سادگی می تواند برای بررسی و یافتن خصوصیات و ویژگی هایی خاص مورد استفاده قرار بگیرد. علاوه بر این در این سنسورها با ذخیره سازی یک سری اطلاعات خاص می توان عملیات مقایسه سیگنال های بدست آمده را هم به سادگی صورت داد. در مقایسه با سنسورهای نوری، این سنسورها از امنیت بسیار بالاتری برخوردار هستند و امکان سو استفاده از اطلاعات موجود در یک تصویر جعلی دیگر وجود ندارد. از طرفی دیگر به دلیل اینکه مواد مختلف، تغییرات مختلفی را در میزان بارهای موجود در خازن ها ایجاد می کنند احتمال اینکه با استفاده از دیگر مواد بتوان امنیت این سیستم را به خطر انداخت تقریباً به صفر می رسد. تنها خطر موجود برای امنیت این سنسورها استفاده از هک های سخت افزاری و یا نرم افزاری است.

همچون نسل قبل، در این نوع از سنسورها هم می توان با افزایش تعداد خازن ها، جزییات بسیار بهتری را از برآمدگی ها و فرو رفتگی های سطح پوست بدست آورد تا امنیت سیستم بیشتر از قبل باشد. به دلیل حضور اجزای مختلف و گوناگون در این نوع از سنسورها، قیمت آنها کمی گران است اما به تازگی با استفاده از روش هایی جدید و کاهش تعداد خازن های مورد نیاز، این قیمت سیر نزولی به خود گرفته است.

سنسورهای فراصوت

آخرین نسل از سنسورهای تشخیص اثر انگشت با نام فراصوت شناخته می شوند و اخیراً در اسمارت فون های بالارده و گران قیمت مورد استفاده قرار گرفته اند. اولین اسمارت فونی که با استفاده از این فناوری توانست بازخورد بسیار خوبی را از کاربران دریافت کند Le Max Pro نام داشت. کوالکام با استفاده از فناوری Sense ID خود سیستم بسیار دقیقی را برای این اسمارت فون طراحی کرده است و از این رو به نوعی سردمدار رشد و پیشرفت در سنسورهای فراصوت شناخته می شود.

این نوع از سنسورها برای ثبت اطلاعات اثر انگشت از یک فرستنده و گیرنده امواج فراصوت کمک می گیرند. به این صورت که با قرار گیری سطح انگشت بر روی این سنسور، یک پالس صوتی با فرکانس بالا به سوی آن تابیده می شود. بخشی از این پالس توسط پوست جذب می شود و بخش دیگری نیز بازتاب می شود. متناسب با برآمدگی ها و فرو رفتگی های سطح پوست امواج بازتابیده تفاوت هایی خواهند داشت که سنسور گیرنده این امواج با بررسی شدت در نقاط مختلف پالس می تواند به اطلاعات دقیقی از اثر انگشت کاربران دست پیدا کند.

اگر اسکن صورت گرفته توسط این سنسور در مدت زمان بیشتری ادامه پیدا کند آنگاه جزییات بسیاری بهتری از نقش های موجود بر روی انگشت قابل دریافت است. از طرفی به دلیل اینکه بررسی این نقش ها به صورت سه بعدی صورت گرفته است، سیستم های بهره مند از اینگونه از سنسورها از امنیت بسیار بالایی برخوردار هستند.

الگوریتم ها و روش های رمزگذاری اطلاعات

در حالی که بیشتر سنسورهای تشخیص اثر انگشت امروزی از قطعات سخت افزاری نسبتاً مشابهی برخوردار هستند، اجزای دیگر موجود در ساختمان آنها و همچنین الگوریتم های نرم افزاری به کاربرده شده، عملکرد، سرعت و همچنین دیگر ویژگی های موجود در این اسکنرها را تعیین می کنند. همکاری قطعات سخت افزاری موجود در اسکنر و یک آی سی اختصاصی موجب می شود که علاوه بر تفسیر اطلاعات بدست آمده، آنها به صورت ساختار مشخصی به پردازنده اصلی دستگاه منتقل شوند. تولیدکنندگان مختلف با استفاده از الگوریتم های متفاوتی تلاش دارند علاوه بر بدست آوردن اطلاعات مفید از اثرانگشت کاربران، دقت و سرعت بالایی را نیز برای این فرآیند فراهم کنند.

معمولاً الگوریتم هایی که در این فرآیند به کاربرده می شوند در پی آنند که محل دقیق شیارها و خطوط و یا مکانی که این شیارها به دو قسمت تقسیم می شوند را تشخیص دهند. این اطلاعات بدست آمده معمولاً با نام Minutiae شناخته می شوند و اگر بخشی از این اطلاعات بین دو اثر انگشت مختلف یکسان باشد آنگاه می توان گفت این دو اثر مربوط به یک نفر هستند. الگوریتم های به کار برده شده در سنسورهای امروزی به جای اینکه کل اطلاعات بدست آمده را مورد ارزیابی قرار دهند تنها حول این Minutiae ها عمل می کنند تا علاوه بر افزایش سرعت تشخیص، میزان انرژی موردنیاز برای این کار را هم کاهش دهند. این کار همچنین سبب می شود که کاربران برای اسکن اثر انگشت خود لازم نباشد دقیقاً مرکز انگشت را بر روی سنسور قرار دهند و کار تشخیص دقیق افراد حتی از طریق بخشی از انگشت نیز ممکن باشد.

اما مطمئناً اطلاعات مربوط به اثر انگشت کاربران باید در مکانی امن که از هرگونه دسترسی غیر مجاز در امان است نگهداری شود. پردازنده های ARM قادر هستند با استفاده از فناوری TrustZone و Trusted Execution Environment (TEE) این اطلاعات را به صورت بسیار امنی در قسمتی از خود ذخیره سازی کنند. این بخش امن همچنین توسط فرآیندهای رمزنگاری مختلف که لازم است به صورت مستقیم با پلتفرم های مختلف سخت افزاری ارتباط برقرار کنند مورد استفاده قرار می گیرد. سنسورهای تشخیص اثر انگشت یکی از این پلتفرم ها هستند که با استفاده از فضای امن امکان دسترسی و تغییر در این اطلاعات را توسط نرم افزارهای دیگر غیر ممکن می کنند. این فضای امن به گونه ای طراحی شده است که امکان دسترسی به اطلاعات موجود در آن تنها از طریق رابط های کاربری TEE ممکن باشد.

کوالکام و اپل نیز همین فضای امن را به ترتیب از طریق ساختارهای Secure MSM و Secure Enclave برای پلتفرم هایی نظیر سنسورهای اثر انگشت فراهم کرده اند و با ذخیره سازی این اطلاعات حیاتی در بخشی از پردازنده امکان دسترسی به آنها را با محدودیت های زیادی روبرو می کنند. FIDO (Fast IDentity Online) Alliance یک پروتکل رمزگذاری پیشرفته است که با استفاده از این فضای امن امکان تشخیص دو طرفه قطعات سخت افزاری موجود در گوشی های هوشمند و سرویس های مختلف را فراهم می کند. با استفاده از این پروتکل شما می توانید با ورود به حساب کاربری خود در یک سایت و یا یک فروشگاه آنلاین توسط اثر انگشت خود خریدهای مختلفی را انجام دهید. سیستم امنیتی طراحی شده برای این پروتکل اجازه می دهد بدون اینکه اطلاعاتی از گوشی شما خارج شود امکان دسترسی به حساب کاربری صورت بگیرد. تصویر زیر به خوبی مکانیزم کار این پروتکل را شرح می دهد.

منبع: AndroidAuthority