Оценка этой статьи по мнению читателей:
Подумать только, еще каких-то 5-6 лет назад сканеры отпечатков пальцев можно было встретить лишь на самых дорогих флагманских смартфонах, да и те работали крайне плохо. Вспомнить хотя бы сканер на Samsung Galaxy S5, по которому нужно было проводить пальцем, повторяя безуспешно раз за разом одно и то же движение.
А сегодня эти датчики установлены даже на самых бюджетных аппаратах и работают они просто безупречно! Правда, не всегда. И ситуация становится сложнее еще от того, что цена смартфона не прямо пропорциональна качеству, надежности и стабильности используемого сканера отпечатков пальцев.
Так в чем же дело? Чем отличаются современные сканеры и как они работают? Обо всем этом мы и поговорим дальше.
Виды современных сканеров отпечатков пальцев
Сегодня на смартфонах используется 3 основных вида сканеров: емкостные, оптические и ультразвуковые. Отличаются они способом получения картинки и каждый из них имеет свои преимущества и недостатки.
Но прежде, чем поговорить о сканерах, позвольте задать простой вопрос — что же именно эти сканеры пытаются сканировать? Очевидный и не совсем правильный ответ — отпечаток пальца. На самом деле, сканировать и анализировать большой отпечаток не совсем удобно и эффективно.
Во-первых, пользователь прикладывает каждый раз палец к сканеру по-разному. Иногда датчику удается захватить лишь небольшую часть пальца, также результат будет отличаться от силы, с которой прижимается палец к сканеру. Более того, небольшие порезы или другие травмы могут незначительно изменять общую картинку. И, тем не менее, смартфон успешно разблокируется.
Во-вторых, смартфоны не хранят фотографии ваших отпечатков и не накладывают при каждом сканировании сделанный снимок на сохраненную ранее копию.
Вместо этого в каждом отпечатке смартфон пытается найти определенные уникальные признаки или контрольные точки. Если внимательно посмотреть на сам отпечаток, то помимо знакомых нам линий (называются они папиллярным узором), можно заметить другие интересные вещи:
Как видим, на отпечатке одни линии разветвляются, другие просто прерываются, а третьи выглядят как небольшие островки. Все это можно изобразить схематически следующим образом:
Смартфон пытается найти такие особые точки (их называют минуциями) на каждом конкретном отпечатке. Минуции являются уникальными признаками и один отпечаток может содержать более 70 минуций.
Соответственно, чем выше качество сканирования и чем большее число раз пользователь сканирует один и тот же отпечаток, немного смещая палец в стороны, тем большее количество минуций получает смартфон для дальнейшего анализа. Зачастую, именно эти особые признаки, а не снимки отпечатков, и сохраняются.
Вся разница между различными типами сканеров отпечатков пальцев заключается в том, каким именно образом они получают снимок пальца для дальнейшей работы:
- Емкостный сканер использует для этого электричество
- Ультразвуковой сканер использует звук
- Оптический сканер получает изображение с помощью света
Теперь давайте немного подробнее остановимся на каждом из них.
Емкостный сканер отпечатка пальца
Такой сканер состоит из множества крошечных токопроводящих пластин, толщина которых меньше, чем линии узора отпечатков пальцев. Такие пластины образуют конденсаторы, хранящие определенный заряд.
Наше тело способно проводить ток и когда палец прикасается к поверхности сканера, заряд, накопленный на конденсаторе, изменяется. Причем, в одних точках кожа будет соприкасаться со сканером, а в других — нет. Ведь папиллярный узор отпечатка — это выступающие гребни и впадины между ними. Соответственно, там где между сканером и пальцем появляются микрозазоры и в тех частях, где узор отпечатка своими выступами непосредственно соприкасается со сканером, будет получаться разная емкость конденсаторов:
Смартфон считывает все ячейки и определяет по напряжению, находилась ли возле каждого конкретного конденсатора канавка (пустота) или же это был выступ и кожа соприкасалась с поверхностью сканера. Так и собирается общая картина отпечатка.
Преимущества емкостных сканеров отпечатков пальцев
В принципе, это лучшие сканеры по совокупности всех характеристик. Они стоят дешево в производстве, технология уже достаточно древняя и хорошо обкатана. Такие сканеры не просто делают двухмерный (плоский) снимок, а сканируют трехмерный объект, учитывая выступы и углубления на пальце.
Скорость работы емкостных сканеров очень высокая. На тех же iPhone’ах сканер Touch ID работает просто мгновенно. Ощутить задержку невозможно.
Обмануть такие сканеры тяжело. Стабильность работы очень высокая, палец не обязательно должен быть очень чистым и сухим.
Так что же с ними не так? Почему эти сканеры устанавливаются лишь на бюджетных Android-смартфонах?
Недостатки емкостных сканеров
Прежде всего, емкостные сканеры бывают разными. Чем больше ячеек внутри сканера, тем выше его «разрешение» и тем быстрее работа. В бюджетных устройствах могут устанавливаться самые дешевые сканеры с очень низким разрешением. Но, это не главная проблема.
Основной «недостаток» емкостного сканера отпечатка пальца заключается в том, что его нельзя разместить в экране (или под экраном). Современные технологии изменили внешний вид смартфонов и теперь всю лицевую панель занимает дисплей. Соответственно, места для сканера попросту не хватает.
Некоторые производители размещают такой сканер на боковой грани, совмещая его с кнопкой питания (Honor 20, Galaxy S10e, Sony Xperia 1). Но в основном емкостные сканеры находятся сзади. А это удобно не во всех ситуациях. К примеру, когда смартфон лежит на столе, нужно обязательно брать его в руки, чтобы добраться до датчика (или пользоваться другими методами разблокировки).
Совместить такой сканер с дисплеем — задача очень трудная, так как сам дисплей использует ровно ту же технологию для отслеживания прикосновений. Ведь современные сенсорные экраны — это именно емкостные экраны.
Оптический сканер отпечатка пальца
Оптические сканеры работают совершенно по другому принципу. По сути, оптический сканер — это черно-белая камера, спрятанная под экраном и делающая снимок отпечатка, когда палец прикасается к дисплею.
Естественно, прикасаться нужно лишь в определенной области экрана — именно там, где расположена «скрытая камера».
Реализовать такую технологию можно только на AMOLED-экранах, так как эти дисплеи, по сути, являются полупрозрачными, что позволяет размещать за ними всевозможные датчики, начиная от сканеров отпечатков до датчиков приближения/освещения или даже селфи-камер.
В принципе, IPS-матрицы ровно такие же полупрозрачные и под ними также можно было бы что-то разместить, если бы не потребность в подсветке. Дело в том, что каждая точечка (пиксель) AMOLED-экрана сама по себе излучает свет, когда на нее подается напряжение. А в IPS-дисплеях пиксель представляет собой, грубо говоря, цветную стекляшку, через которую должен пройти внешний свет.
И если мы разместим сканер отпечатков (камеру) за сеточкой OLED-пикселей, тогда и мы будем видеть изображение, и сканер сможет увидеть что-то через экран. А если мы разместим сканер за сеточкой IPS-пикселей, тогда сама камера загородит собой подсветку, которая размещается сзади экрана. И мы будем видеть черное пятно на рабочем дисплее. Если же разместить сканер сзади лампы, тогда сканер не будет видеть ничего, так как подсветка-то не прозрачная.
Преимущества оптических сканеров отпечатков пальцев
Основное преимущество оптического сканера заключается в том, что его можно размещать под экраном. Качество и скорость сканирования зависит как от разрешения матрицы, так и от прозрачности стекла (качества покрытия и пр.).
Недостатки оптического сканера
Первые оптические сканеры отличались медленной скоростью работы и низкой стабильностью. Современные оптические сканеры приблизились по скорости к емкостным, возросла и стабильность. На подавляющем большинстве смартфонов установлены оптические сканеры одного и того же производителя — компании Goodix.
Тем не менее, у оптических сканеров есть свои проблемы. Все, что может помешать сделать четкий снимок, будет влиять на скорость и стабильность распознавания. Это влага, мелкая грязь и пр.
Также эти сканеры в теории легче обмануть, чем емкостные и ультразвуковые, так как они работают с плоским двухмерным изображением, как любая камера. С другой стороны, яркая подсветка позволяет не только увидеть папиллярные узоры на пальце, но и зафиксировать пульсацию крови, тем самым убедившись, что сканируется именно палец.
Эту же подсветку можно считать и недостатком оптических сканеров. Ночью яркий зеленый свет может вызывать определенный дискомфорт, так как иногда палец не полностью закрывает датчик и яркий свет режет глаза.
И последним недостатком оптических сканеров является их капризность к защитным стеклам. Толщина и материалы защитных пленок/стекол могут влиять на скорость и стабильность распознавания отпечатков.
Ультразвуковой сканер отпечатка пальцев
Ультразвуковые сканеры появились на смартфонах позже всех. Первый ультразвуковой датчик отпечатков был представлен вместе с Samsung Galaxy S10 в начале 2019 года. С тех пор, Samsung использовала его в линейках Galaxy Note10 и Galaxy S20.
На данный момент только Qualcomm занимается ультразвуковыми сканерами для смартфонов, но делает это далеко не так активно, как другие компании, разрабатывающие оптические датчики. Уже прошло 3 поколения смартфонов (S10/Note10/S20), а датчик практически не менялся. Это одна и та же модель — 3D Sonic.
В конце 2019 года Qualcomm представила новое поколение ультразвуковых сканеров — 3D Sonic Max. Многие ожидали увидеть его уже в Galaxy S20, но этого не случилось и теперь ближайшим претендентом является Galaxy Note20.
Несмотря на то, что ультразвуковые сканеры пришли на смартфоны позже всех, сама технология используется очень давно в других отраслях. Сканирование отпечатка происходит при помощи ультразвука. Грубо говоря, каждый раз прикладывая палец к ультразвуковому сканеру, вы делаете его УЗИ.
Принцип работы тот же и построен он на пьезоэлектрическом эффекте. Что еще за спецэффект такой — спросите вы? Все просто! В природе есть такие вещества, которые, если их слегка деформировать, будут генерировать электрический заряд. И наоборот, если на них воздействовать электрическим полем, они начинают деформироваться. Такие вещества называются пьезоэлектриками, а описанный эффект — пьезоэлектрическим.
К слову, именно благодаря такому эффекту работают кварцевые часы. Если подавать небольшое напряжение от батарейки на кварц, он начинает вибрировать с определенной частотой (десятки тысяч раз в секунды). Это позволяет легко отсчитывать время. К примеру, отсчитали 32000 колебаний — секунда прошла. Начинаем считать следующие ~32 тысячи колебаний.
Но причем здесь кварцевые часы? При том, что в основе ультразвукового сканера лежит такой же пьезоэлектрик. Подавая на него напряжение, он начинает вибрировать с огромной частотой, генерируя при этом звуковые волны. Мы их не слышим, так как частота очень высокая, но, некоторые животные вполне способны услышать работу ультразвукового сканера отпечатков пальцев.
Эти волны распространяются через защитное стекло экрана и сталкиваются с препятствием — нашим пальцем. Одни волны отразятся еще от стекла и вернутся на пьезоэлектрик, другие — пройдут чуть дальше и столкнутся с бугорками (выступами) нашего отпечатка и снова вернутся на сканер, остальные волны пойдут дальше и заполнят пространство между впадинами отпечатка и стеклом, а затем снова отразятся и вернутся на датчик.
Возвращаясь на пьезоэлектрик, волна «ударяет» по его поверхности и с обратной стороны появляется электрический заряд.
Преимущества ультразвуковых сканеров отпечатков пальцев
Преимуществ у них много. Прежде всего, это безопасность (в теории). Так как сканируется именно трехмерная модель пальца. Если прикладывать картинку, волны будут просто отражаться от плоского объекта, «рисуя» светлое пятно на датчике. Чтобы появилось изображение отпечатка, сканировать нужно настоящий палец, со всеми выступами, бугорками и впадинками.
Более того, ультразвук не останавливается на внешней оболочке пальца и проникает в глубь. Получается, можно ввести дополнительную защиту от всяких муляжей и сканировать только настоящий палец.
Также ультразвуковые сканеры могут размещаться где угодно, так как ультразвук легко проходит не только через стекло. И, что немаловажно, пальцы не должны быть идеально сухими или чистыми. Небольшая грязь или жидкость не являются помехой для звуковых волн.
Недостатки ультразвукового сканера
Несмотря на все перечисленные преимущества, в реальной жизни все не так гладко. Первый ультразвуковой сканер 3D Sonic от Qualcomm работает заметно медленнее, чем современные оптические аналоги. А новое поколение сканеров до сих пор не выпущено.
Кроме того, многие слышали нашумевшую историю о том, как смартфоны Galaxy S10 и Galaxy Note10 можно было легко взломать, просто положив между пальцем и экраном кусок гидрогелевой защитной пленки. После этого можно было прикладывать любой палец и ультразвуковой сканер моментально разблокировал смартфон. Это повлекло за собой серьезный скандал и некоторые банки запретили работу своих приложений на смартфонах Samsung с ультразвуковыми сканерами.
Конечно, в конце прошлого года Samsung выпустила обновление, исправляющее столь странное поведение. Но осадок остался.
В любом случае, сегодня выбор между ультразвуковым и оптическим сканером не стоит, так как ультразвуковые датчики используются только на флагманах Samsung, начиная с Galaxy S10. На всех остальных смартфонах установлены оптические сканеры отпечатков пальцев.
На работу ультразвуковых сканеров также влияют защитные стекла и некоторые пленки, рассеивающие и частично гасящие звуковую волну.
Вместо заключения…
Попытки обойти любую биометрическую защиту делаются постоянно. Они же и позволяют разработчикам улучшать датчики и алгоритмы.
Любой современный сканер отпечатков пальцев достаточно надежен для того, чтобы обеспечить защиту финансовым данным. Любая платежная система на смартфонах позволяет использовать именно отпечатки пальцев. И делать выбор, исходя из соображений безопасности, не имеет никакого смысла. Емкостные, ультразвуковые и оптические сканеры справляются со своей задачей одинаково хорошо.
Если говорить о скорости и стабильности работы, то лучшим вариантом на сегодня остается емкостный сканер (на флагманских смартфонах), после которого идут современные оптические сканеры и уже затем упомянутый ультразвуковой 3D Sonic.
Apple также не будет оставаться долго в стороне от прогресса. Рано или поздно, в iPhone появится датчик отпечатка пальцев в экране. Те, кто следят за патентами компании, знают, что Apple ведет подобные разработки уже много лет.
P.S. Не забудьте подписаться в Telegram на наш научно-популярный сайт о мобильных технологиях, чтобы не пропустить самое интересное!
Несмотря на высокую стоимость даже обычных, а тем более флагманских смартфонов, основную ценность в любом аппарате представляет хранящаяся на нем информация. Производители это осознают и постоянно совершенствуют системы аутентификации — от код-паролей до сканеров радужной оболочки глаз. Впрочем, не все способы прижились. Разбираемся, как работают сканеры отпечатков пальцев в экранах, почему никто так и не повторил Face ID от Apple и какие есть перспективы.
Способов «биометрической аутентификации» много, но применяются лишь несколько
То, что мы называем системой разблокировки устройства, на самом деле имеет чуть более сложное определение — биометрическая система аутентификации. В сети понятие объясняют так: «Биометрическая аутентификация — процесс доказательства и проверки подлинности заявленного пользователем имени через предъявление пользователем своего биометрического образа и путем преобразования этого образа в соответствии с заранее определенным протоколом аутентификации».
Причем есть разница между системами идентификации и аутентификации. Первые, как правило, работают в пассивном режиме — например, для учета рабочего времени (то есть включаются сами). А система биометрической аутентификации, напротив, используется в активном режиме и подразумевает авторизацию пользователя в системе — наш вариант, при котором считывание показателей владельца гаджета используется только по его запросу для входа в систему.
Если еще немного углубиться, то различают статические и динамические методы биометрической аутентификации. Первые можно назвать «классическими» — к ним мы привыкли по смартфонам, планшетам и другой технике. Такие методы отличаются тем, что основываются на физиологических характеристиках человека, присутствующих от рождения до смерти, и не могут быть потеряны, украдены и скопированы. К ним относят аутентификацию:
- по отпечатку пальца;
- по радужной оболочке глаза;
- по сетчатке глаза;
- по геометрии руки;
- по геометрии лица;
- по термограмме лица.
К динамическим методам относят, например, аутентификацию по голосу и рукописному почерку. В обычной потребительской технике такие встречаются сейчас редко.
В телефонах чаще всего применяются сканеры отпечатков пальцев. Каких типов они бывают?
Различают два типа признаков отпечатков пальцев человека: глобальные и локальные. Глобальные — это те, которые различимы невооруженным взглядом, то есть папиллярный узор, направление линий, их форма. Локальные признаки называются минуциями. Это маленькие уникальные точки для каждого отпечатка пальца, которые не повторяются.
Проще говоря, глобальные признаки отпечатков пальцев могут быть схожими, но локальные — нет. Считается, что они полностью неповторимы. При этом процесс выявления таких локальных признаков долгий и затратный. В сканерах, применяющихся в обычной технике, он не задействован. Как правило, дактилоскопические сенсоры смартфона ориентируются на глобальные признаки. Судя по материалу известного ресурса Android Authority, в телефонах, планшетах и ноутбуках в основном применяются сканеры отпечатков трех типов:
- оптические;
- ультразвуковые;
- емкостные.
1. Оптические сканеры являются старейшими, но вместе с тем и самыми популярными — они применяются не только в телефонах, но и, например, в пунктах прилета в аэропортах. Метод их работы основывается на захвате оптического изображения — по сути, фотографировании. Далее начинают использоваться алгоритмы обнаружения узоров пальцев через анализ самых светлых и темных областей полученного изображения.
Важно отметить: такой способ аутентификации нельзя назвать самым безопасным. По сути, сканер получает двухмерную картинку и сравнивает ее с той, что занесена в базу данных. Теоретически из-за этого подобный оптический сенсор, подсвечивающий палец юзера через диоды OLED-дисплея в случае со смартфоном, легче обмануть.
Однако оптические подэкранные сканеры сейчас являются самыми распространенными. Они используются в большинстве смартфонов с такой функцией — что от китайских, что от корейских производителей, причем как флагманского, так и среднего сегмента.
2. Ультразвуковые датчики считаются более безопасными с точки зрения возможностей взлома. Их, как правило, можно встретить в дорогих флагманских моделях (например, от Samsung), которые используют дактилоскопические сенсоры под OLED-экранами.
Принцип работы такой: ультразвуковой импульс передается на палец, находящийся над сканером. Часть этого импульса поглощается, а часть отражается обратно к датчику. После этого система рассчитывает интенсивность импульса в разных точках сканера, создавая «глубину». В общем, ультразвуковой способ позволяет получить трехмерный, объемный скан пальца пользователя — это делает его более безопасной альтернативой оптическим вариантам.
Правда, есть и минусы. Первый — более высокая цена, из-за чего ультразвуковые сканеры пока практически не применяются в смартфонах среднего уровня. Второй — пониженная скорость срабатывания в сравнении с оптическими сенсорами. Впрочем, последние поколения таких сенсоров от Qualcomm почти сравнялись в этом аспекте с «оптикой». Еще один недостаток — сложности работы со многими пленками, которые пользователи самостоятельно клеят на экраны. Часто они слишком толстые, и импульс просто не проходит — приходится выбирать варианты, специально одобренные для таких сканеров.
3. Емкостные сканеры отпечатков в смартфонах применяются, наверное, дольше всего. Но и речи про двухмерное или тем более трехмерное сканирование пальца тут не идет. Емкостные сенсоры используются в сканерах в кнопках — на задней стороне корпуса или в клавише питания. В общем, Touch ID в iPhone — сканер именно емкостного типа.
В подобном емкостном сканере расположено множество пластин, подключенных к микросхемам. Последние рассчитывают емкость, возникающую между пальцем и самим сенсором, — отсюда и название. Чем больше используется пластин (речь идет о сотнях, а иногда и тысячах), тем выше точность и скорость распознавания. «Кроме того, емкостные сканеры отпечатков невероятно сложно обмануть, если речь не идет про прямой взлом аппаратного или программного обеспечения», — пишут в Android Authority. По нашему опыту, проблем со скоростью считывания в последние годы также нет — даже в смартфонах начального уровня срабатывание происходит быстро. Короче говоря, технология обкатанная и хорошо себя зарекомендовавшая.
Резюме
Емкостные сканеры отпечатков пальцев в смартфонах наиболее распространены и хорошо себя зарекомендовали. Срабатывание происходит достаточно быстро (как правило, менее чем за секунду), последние год-полтора хватает даже площади клавиши питания.
Подэкранные сканеры оптического типа — не самые защищенные из-за особенностей работы с построением двухмерной копии отпечатка пальца юзера. По сути, они особым способом фотографируют палец и сравнивают изображение с тем, что есть в базе. Особо волноваться о безопасности не стоит, но ультразвуковые решения — более технологичные. Они строят уже трехмерный скан пальца, что повышает уровень безопасности. Правда, ультразвуковые сенсоры дорогие, так что пока они встречаются преимущественно в флагманских смартфонах.
Распознавание по лицу
Распознавание лиц — технология, альтернативная аутентификации пользователя по отпечатку пальцев. Но сегодня только Apple продолжает упорно использовать ее в своих смартфонах, почти уйдя от считывания отпечатков. Другие компании также позволяют разблокировать устройство через считывание лиц, но только с использованием фронтальной камеры. Безопасным такой способ не назвать: можно провести аналогию с оптическими сканерами отпечатков, которые создают двухмерную копию пальца пользователя, а не объемный скан.
Большинство производителей смартфонов на Android поступают с аутентификацией по лицу похожим образом: фронтальные камеры, не обладающие дополнительными модулями для измерения глубины кадра, при разблокировке сравнивают двухмерное изображение с тем, что уже занесено в память. Несколько лет назад некоторые компании — например, Samsung — позволяли пройти аутентификацию через распознавание радужной оболочки глаза, но и от такого сейчас отказались. Способ хоть и очень надежный, но слишком долгий и сложный, на ходу пользоваться им было не очень удобно. В общем, метод не прижился.
Face ID действует немного иначе: есть несколько датчиков, которые проецируют 30 тыс. ИК-точек на лицо юзера, и блок, считывающий такой рисунок. Так получается объемный скан, который сравнивается с «отпечатком», сделанным при настройке аппарата. Важно, что со временем система улучшается — распознавание начинает происходить быстрее, причем в автоматическом режиме. Это происходит за счет нейронных сетей, которые лучше запоминают лицо юзера и начинают срабатывать в более сложных условиях.
Из бытовых преимуществ технологии в сравнении с двухмерным распознаванием лица только по «фронталке» у Face ID выделяется возможность распознавания, даже когда пользователь надевает шапку, очки или другие предметы гардероба, а также настолько же быстрое срабатывание при полном недостатке света, как и днем, благодаря ИК-излучателю.
Но есть и минусы, причем некоторые обнаружились еще в 2017 году. Угол обзора системы датчиков TrueDepth недостаточно широк. Условно говоря, вы не сможете разблокировать лежащее на столе устройство, просто взглянув на него, — гаджет придется приподнять. В горизонтальном положении снять блокировку также не выйдет: Face ID именно в смартфонах срабатывает только в вертикальном положении. Почему, не ясно. В тех же iPad Pro, в которых используется та же система датчиков, проблем с горизонтальным распознаванием нет.
Кроме того, Face ID на момент публикации материала не срабатывает, когда пользователь находится в маске, — во время пандемийных ограничений такое сказывается как минимум на удобстве использования. Впрочем, ситуация вскоре может измениться: в версии iOS 15.4 компания добавит опцию, которая позволит распознавать юзера, когда на его лице есть маска.
Если 3D-распознавание лиц настолько хорошо, почему его использует преимущественно только Apple?
Точный ответ дать сложно, но есть предположения: рынок смартфонов на ОС Android неоднороден, большинству производителей легче и, что важнее, дешевле использовать наработки сторонних компаний в части аутентификации посредством сканера отпечатков пальцев вместе с более дешевой, пускай и не такой безопасной системой двухмерного распознавания лиц, чем разрабатывать собственную систему трехмерной аутентификации наподобие Face ID.
Наш канал в Telegram. Присоединяйтесь!
Есть о чем рассказать? Пишите в наш телеграм-бот. Это анонимно и быстро
Перепечатка текста и фотографий Onlíner без разрешения редакции запрещена. ng@onliner.by
22 января 2021
Сканеры отпечатков пальцев: как это работает?
По материалам Android Authority
Сканеры отпечатков пальцев перестали быть привилегией топовых смартфонов. Эта технология доступна уже даже в бюджетных аппаратах. Также в сравнении с ранними вариантами она значительно усовершенствовалась, и ваши отпечатки теперь считываются быстрее и точнее. Но как же работают такие сканеры и чем различаются между собой?
Оптические сканеры
Оптические сканеры отпечатков пальцев – это самый старый способ считывания и сравнения отпечатков. Как понятно из названия, технология базируется на считывании оптической информации – по сути, фотографии. Затем используются алгоритмы для распознавания уникального рисунка на поверхности пальца при помощи анализа самых светлых и самых темных участков изображения.
Также как и у камер смартфонов, разрешение этих сканеров ограничено. Чем выше разрешение, тем более мелкие детали может считать сканер с вашего пальца, а значит, повышается уровень безопасности. Однако такие сканеры дают гораздо более контрастные изображения, чем обычные камеры. В оптических сканерах обычно очень высокое число диодов на дюйм, позволяющее им распознавать такие детали. Когда вы прижимаете палец к сканеру, вы, естественно, лишаете свет доступа. Поэтому сканерам и требуется множество диодов, которые работают в качестве вспышки, чтобы подсветить рисунок во время сканирования. Такая конструкция несколько громоздка для смартфона, поскольку для подобных устройств важно максимальное уменьшение толщины.
Самый большой недостаток оптических сканеров в том, что их не так сложно обмануть. Поскольку технология считывает лишь двухмерное изображение, с этой целью могут быть использованы муляжи и даже картинки хорошего качества. Этот тип сканеров недостаточно безопасен, чтобы доверить ему самую чувствительную информацию, так что индустрия перешла к более надежным технологиям.
Как и в самом начале существования резистивных экранов, сейчас вы не найдете чисто оптических сканеров нигде, кроме как в бюджетных устройствах. Потребность в безопасности все возрастает, и производители смартфонов дружно стали ставить более удачные емкостные и оптико-емкостные гибридные сканеры. Стоимость технологии снижается, так что она стала доступна и для продуктов среднего уровня.
Однако поскольку безрамочность экрана оказалась долговременным трендом, возможно возвращение оптических модулей меньшего размера. Они могут быть встроены под стекло, прикрывающее экран, и требуют совсем небольшой площади. Компания Synaptics, которая разрабатывает сканеры для смартфонов и других устройств, показала именно такой оптический сканер отпечатков Natural ID FS9100. Этот модуль может успешно работать под стеклом толщиной в миллиметр и даже с мокрыми руками – то, чего не хватает емкостным сканерам. Так что полностью списывать оптические сканеры со счетов не стоит.
Емкостные сканеры
Один из самых распространенных в настоящее время сканеров отпечатков пальцев – емкостный сканер. Их помещают как на передней, так и на задней поверхности смартфона, а также, в самом современном варианте, как часть встроенного в дисплей модуля. Такие сканеры получили распространение благодаря более высокому уровню безопасности. Ключевым компонентом в этой технологии является конденсатор.
Вместо создания обычного изображения отпечатка пальца емкостные сканеры используют для получения данных маленькие конденсаторы. Поскольку конденсаторы могут накапливать электрический заряд, подключение их к проводящим пластинам на поверхности сканера позволяет использовать их для распознавания деталей отпечатка пальца. Накопленный заряд немного изменится там, где кончик пальца соприкасается с проводящими пластинами (гребни отпечатка). И наоборот, воздушный зазор между ними (там, где впадины отпечатка) оставит заряд конденсатора относительно неизменным. Для считывания этих изменений используется аналоговый интегратор, а затем они могут быть зафиксированы аналого-цифровым преобразователем.
Будучи зафиксированными, эти цифровые данные могут быть проанализированы для поиска уникальных атрибутов отпечатков пальцев. Затем их можно сохранить для сравнения в будущем. Особенно хорошо в этой конструкции то, что ее намного сложнее обмануть, чем оптический сканер. Результаты не могут быть воспроизведены в виде изображения. Кроме того, такие сканеры невероятно трудно обмануть каким-либо муляжом, поскольку разные материалы будут вызывать разные изменения заряда на конденсаторе. Единственная реальная угроза безопасности может возникнуть лишь при аппаратном или программном взломе устройства.
Если использовать достаточно много таких конденсаторов, обычно сотен, если не тысяч, в одном сканере, можно создать высокоточную «карту» гребней и впадин отпечатка пальца всего лишь благодаря электрическим сигналам. Как и в случае с оптическим сканером, чем больше конденсаторов, тем выше разрешение сканера. Это до определенного уровня повышает безопасность. Тем не менее, такая высокая плотность предполагает и большие затраты.
Из-за большего количества компонентов в распознающей схеме емкостные сканеры раньше были довольно дорогими. В некоторых ранних реализациях предпринималась попытка сократить количество необходимых конденсаторов благодаря «свайп-сканерам». Они должны были собирать данные с меньшего количества конденсаторов за счет того, что быстро обновляли результат, когда палец прижимался к сканеру. В то время многие пользователи жаловались, что этот метод был очень привередливым и часто требовал нескольких попыток для правильного сканирования. К счастью, сейчас все стало гораздо проще.
Однако с помощью этих сканеров вы можете делать больше, чем просто считывать отпечатки пальцев. В более новых моделях есть поддержка жестов и свайпов. Их можно использовать в качестве программных кнопок для навигации или как способ взаимодействия с другими элементами пользовательского интерфейса. Ряд смартфонов более высокого класса поддерживают более широкий спектр функций прокрутки и навигации с помощью сканеров отпечатков пальцев. Эта технология, вероятно, дальше будет распространяться на более низкие ценовые категории. Однако смартфоны премиум-класса уже перешли на третий тип сканера – ультразвуковой.
Ультразвуковые сканеры
Самой новой технологией сканирования отпечатков пальцев для разблокировки смартфона является ультразвуковой сканер. Впервые он был анонсирован в смартфоне Le Max Pro 2016 года. Важную роль в такой конструкции играют Qualcomm и ее технология Sense ID. Qualcomm сейчас работает над своим вторым поколением ультразвуковой технологии сканирования отпечатков пальцев (по факту это ее третий продукт). Она обещает большую область распознавания и более высокую скорость обработки данных.
Чтобы получить детали отпечатка пальца, требуется наличие ультразвукового передатчика и приемника. Ультразвуковой импульс передается на палец, который находится над сканером. Часть этого импульса поглощается, а часть возвращается к датчику, в зависимости от рисунка, состоящего из гребней, пор и других деталей, уникальных для каждого отпечатка пальца.
Однако эти возвращающиеся сигналы улавливает не микрофон. Вместо этого датчик, который может распознавать механическое напряжение, измеряет интенсивность отраженного ультразвукового импульса в различных точках сканера. Сканирование в течение более длительного времени позволяет получить дополнительные данные о глубине. В итоге мы получаем высокодетализированное трехмерное изображение отсканированного отпечатка пальца. Трехмерный характер этого метода распознавания делает его еще более безопасной альтернативой емкостным сканерам.
Ультразвуковой сканер отпечатков пальцев Qualcomm 3D был использован во флагманах Samsung серий Galaxy S10, Note 10 и Note 20. В топовом варианте флагмана Samsung Galaxy S21 Ultra используется самый новейший на данный момент сканер Qualcomm 3D Sonic Sensor Gen 2.
Недостатком ультразвукового сканера считалось то, что он не такой быстрый, как другие сканеры. Отчасти это связано с указанными выше причинами. Однако Qualcomm вроде бы удалось решить эту проблему во втором поколении технологии, во всяком случае, Galaxy S21 Ultra распознает отпечаток заметно быстрее своих предшественников. Ультразвуковая технология также не очень хорошо работает с некоторыми защитными пленками для экрана, особенно с более толстыми. Они могут мешать сканеру правильно считывать отпечатки пальцев. Зато лицевые панели смартфонов стали тоньше, чем когда-либо, благодаря возможности скрыть сканер под дисплеем.
Немного о подэкранных сканерах отпечатков
Ультразвуковые сканеры отпечатков пальцев – не единственный вариант, если вы хотите скрыть сканер в дисплее. Для этого также используются оптико-емкостные сканеры. Сейчас производители смартфонов применяют оба этих варианта. Однако ультразвуковые сканеры редко получают устройства в сегментах ниже флагманского.
Оптические емкостные сканеры решают некоторые проблемы безопасности, свойственные оптическим сканерам. В них необходимость «реального нажатия», свойственная емкостным сканерам, сочетается со скоростью и энергоэффективностью оптических устройств. Эта технология используется в подэкранных сканерах отпечатков. Сканер распознает свет, отраженный отпечатком пальца, который возвращается обратно через промежутки между пикселями в OLED-дисплее. Создание такой конструкции – не самое простое дело, но работает она вполне хорошо.
Различные технологии внедрения сканеров отпечатков под экран используются как в недорогих, так и в премиальных смартфонах, от Samsung Galaxy A50 до Huawei P40 Pro. Ультразвуковые сканеры, в отличие от них, немного проще в использовании, и можно применять их в любом смартфоне. Крошечный сенсор толщиной 0,2 мм находится под экраном и излучает ультразвуковые волны, идущие сквозь дисплей к кончику вашего пальца. Эта технология удобна в разработке, но и у нее есть ряд проблем, связанных с безопасностью. Samsung пришлось выпустить патчи для своих флагманских смартфонов, чтобы исправить возможность разблокировать телефоны практически любым отпечатком при использовании защитной пленки. У обеих технологий есть свои плюсы и минусы, и они, вероятно, так и будут использоваться в ближайшие годы. Тем не менее, ультразвуковым сканерам может потребоваться время, чтобы перейти в более доступный сегмент рынка.
Алгоритмы и шифрование
Хотя большинство сканеров отпечатков пальцев основаны на очень схожих аппаратных принципах, дополнительные компоненты и программное обеспечение также могут играть важную роль в том, как устройства работают и какие функции доступны пользователям. Сам сканер дополняется специальным контроллером, который переводит данные сканирования в удобную форму для передачи в главный процессор вашего смартфона. Разные производители используют немного разные алгоритмы для определения ключевых характеристик отпечатков пальцев, которые могут различаться по скорости и точности. Обычно эти алгоритмы определяют границы линий и гребней отпечатка или места, где гребень разделяется на две части. В совокупности эти и другие отличительные особенности называются мелкими деталями. Если отсканированный отпечаток пальца повторяется в нескольких таких мелких деталях, это будет считаться совпадением. Вместо того, чтобы каждый раз сравнивать весь отпечаток пальца, сравнение мелких деталей уменьшает вычислительную мощность, необходимую для идентификации каждого отпечатка пальца. Кроме того, это помогает избежать ошибок, если отсканированный отпечаток пальца смазан. Это также позволяет поместить палец не по центру или идентифицировать его только по частичному отпечатку.
Конечно, эта информация должна храниться на вашем устройстве защищенной от кода, который может ее скомпрометировать. Вместо того, чтобы загружать эти пользовательские данные в Интернет, процессоры ARM могут безопасно хранить эту информацию на физическом чипе, используя технологию TrustZone на основе безопасной среды исполнения (Trusted Execution Environment ,TEE). Эта защищенная область также используется для других криптографических процессов и для прямой связи с защищенными аппаратными платформами, такими как сканер отпечатков пальцев. Доступ к одобренным частям личной информации, например, к паролям, могут получить только приложения, использующие клиентские API TEE.
У Qualcomm это реализовано в ее архитектуре Secure MSM и Secure Processing Unit (SPU). Apple, в свою очередь, называет это «безопасным анклавом». В любом случае это один принцип – хранение чувствительных данных в отдельной части чипсета. Там они не могут быть доступны приложениям, работающим в обычной среде операционной системы.
Альянс FIDO (Fast IDentity Online) разработал надежные криптографические протоколы, которые используют эти защищенные аппаратные зоны, чтобы обеспечить установление связи между устройством и сервисами при аутентификации без пароля. Таким образом, вы можете войти на веб-сайт или в интернет-магазин с помощью отпечатка пальца, и никакие данные вообще не будут отправлены с вашего смартфона. Это достигается путем передачи на сервер цифровых ключей, а не биометрических данных.
Заключение
Сканеры отпечатков пальцев стали безопасной альтернативой запоминанию бесчисленных логинов, пин-кодов и паролей, хранящихся на наших телефонах. Их растущая скорость, высокий уровень безопасности и скрытое размещение в экране гарантируют, что эта технология сохранит актуальность, несмотря на растущее распространение дорогостоящей технологии разблокировки лица. Широкое проникновение безопасных мобильных платежных систем означает, что эти сканеры, безусловно, останутся важным инструментом безопасности в будущем.
Вспомнить мир без сканеров отпечатков пальцев и других средств биометрической аутентификации в смартфонах достаточно сложно. До их массового распространения большинство из нас просто не использовало защиту для разблокировки своих гаджетов, а все остальные по-настоящему издевались над собой регулярным вводом паролей или рисованием графических ключей. Более того, это же повторялось во время использования банковских и других приложений, конфиденциальность данных внутри которых всегда была на первом месте. Когда думаешь обо всем этом, начинает портиться настроение и дергаться левый или правый глаз (на выбор).
Самым популярным средством биометрической аутентификации сегодня остаются именно сканеры отпечатков пальцев, нормальные варианты которых в мир современной пользовательской электроники привнесла именно компания Apple. Многие уверены, что до настоящего момента она уже успела отказаться от подобных сенсоров, но это не так. Компания до сих пор использует их в iPad без приставки Pro и даже, судя по слухам, хочет выпустить новенький iPhone 9 как раз со считывателем конечностей. Собственно, вот и повод, чтобы вспомнить прошлое сканеров отпечатков пальцев, посмотреть на их настоящее и заглянуть в будущее.
Короткая история сканеров отпечатков пальцев в наших гаджетах
Главным толчком для сканеров отпечатков пальцев в смартфонах стал выход iPhone 5s, который представили в сентябре 2013 года, — почти семь лет назад. До этого данный метод биометрической аутентификации в гаджетах практически не использовался. Тем не менее, многие ждали его в смартфонах Apple куда раньше. Компания закрепила за собой соответствующий сенсор с помощью патента еще в 2008-м, но потратила целых пять лет, чтобы довести технологию до ума. В итоге сканер отпечатков пальцев назвали достаточно просто — Touch ID. Именно слово «просто» здесь очень уместно, ведь до этого все было слишком сложно.
Вообще, сканеры отпечатков пальцев первоначально начали появляться отнюдь не в смартфонах. Одним из первых устройств с данным методом аутентификации стал ноутбук Acer TravelMate 739TLV. Просто представьте, чтобы распознать палец, ему требовалось больше десяти секунд. Конечно, за это время более-менее опытный пользователь мог несколько раз ввести пароль от компьютера даже с закрытыми глазами. В 2002-м компания Hewlett Packard выпустила карманный компьютер HP iPAQ H5400 с аналогичным неуклюжим сенсором, который также не вызвал бурю восторженных отзывов. Долго, дорого — претензий хватало.
В более-менее современных смартфонах сканер отпечатков пальцев одним из первых появился в Motorola Atrix 4G. Сенсор был совмещен с кнопкой питания и располагался на верхней грани устройства. Его можно было настроить под указательный палец правой или левой руки — да, тогда гаджеты были достаточно маленькими, чтобы дотянуться до подобного элемента управления таким образом. Чтобы сканер распознал палец, его к нему мало было просто приложить. После прикосновения к площадке, экран загорался, а после этого нужно было еще и провести по ней подушечкой. После этого гаджету нужно было еще полсекунды на считывание и анализ.
Назвать подобную реализацию удобной нельзя даже с большой натяжкой — слишком медленно. Куда быстрее было просто нажать на кнопку питания, а потом ввести четырехзначный пароль. Более того, такой сканер мог не срабатывать при «неправильной» скорости вождения по нему пальцем. Да и расположение было не самым удачным — попробовать его можно было только при стандартном хвате гаджета, который, как показывает практика, не всегда возможен. В общем, до iPhone 5s с его быстрым и точным Touch ID в кнопке «Домой» ничего толкового не было. Он стал небольшой революцией именно из-за скорости и удобства.
После iPhone 5s Apple обновляла Touch ID, делая его еще более быстрым — ее сканер считался эталонным, даже когда конкуренты заполнили рынок аналогичными решениями. Но с выходом iPhone X в 2017 году компания дала ясно понять, что приостанавливает его развитие. Главной фишкой этого устройства стал Face ID — сканер лица, который разместился в вырезе экрана. До сих пор он остается одним из самых надежных, точных и удобных решений для биометрической аутентификации. Тем не менее, другие производители не стали отказываться от сканера отпечатков вслед за Apple и продолжили его активное развитие.
Где могут располагаться сканеры отпечатков пальцев в смартфонах
Первоначально по примеру пресловутого iPhone 5s сканеры отпечатков пальцев располагались на передней панели. В этом нет ничего удивительного, ведь в то время борьба за максимальную площадь экрана еще не велась, и места хватало с головой. Тем не менее, потом в Google решили отказаться от физических кнопок под дисплеем и добавили в Android возможность использования виртуальных аналогов — подтянулись и технологии. В итоге экраны вытеснили с передних панелей смартфонов любые дополнительные элементы — многим компаниям даже логотипы свои пришлось убрать, что уж говорить про сканеры. Их перенесли.
На передней панели. Как ни странно, сканеры отпечатков пальцев на передней панели до сих пор можно считать актуальными. Большинство компаний нашло для них другое место, но многие остаются верными своим традициям. Яркий пример — все та же Apple. Начнем с того, что она до сих пор выпускает iPhone 8 и iPhone 8 Plus с Touch ID в кнопке «Домой» под экраном. А закончить можно тем, что это же расположение для сенсора компания, скорее всего, сохранит и в iPhone 9. Речь про пресловутое продолжение для iPhone SE, которое станет недорогим идейным наследником именно «восьмерок».
На задней панели. Куда перенести сканер отпечатков пальцев, если вся (ну, почти) передняя панель уже занята экраном? Очевидным решением оказалось использование задней, на которой кроме набора из камер дополнительное пространство ни для чего и не нужно. Сегодня сканер на «заднике» — удел недорогих смартфонов вроде HONOR 10i и ему подобных. У данного подхода один главный недостаток — такой сенсор становится бесполезным, если гаджет лежит на столе или стоит на держалке в автомобиле. Собственно, именно поэтому в более дорогом сегменте на заднюю панель сканер отпечатков пальцев не ставят.
На боковых гранях. Компромиссом между неудобной задней и полностью занятой передней панелью для многих производителей оказались боковые грани. Это решение не стало массовым, но некоторые компании начали встраивать сканеры отпечатков пальцев в кнопки питания. Роль примера снова выполнит детище суббренда Huawei — смартфон HONOR 20. Сенсор, который умеет распознавать рисунок на коже, в нем как раз расположился в клавише включения. Это оказалось немного более удобно, чем сзади, но весь ворох вопросов по юзабилити не закрыло. На передней панели было бы куда удобнее, но там нет места.
Прямо в экране. Одним из первых смартфонов с сенсором отпечатков пальцев, который удалось спрятать прямо в экран (на самом деле, он находится под матрицей), оказался Vivo NEX. Этот гаджет-прототип вышел летом 2018 года и удивил. Тем не менее, тогда быстро стало понятно, что технология новая, не до конца обкатанная и требует доработки. Скорость срабатывания таких сенсоров уже достигла комфортного уровня, но к их безопасности до сих пор есть вопросы. В сети то и дело всплывают новости про взлом подобных решений с помощью трехмерных копий пальцев и даже защитной пленки (привет, Samsung Galaxy S10).
Чем отличаются емкостные, оптические и ультразвуковые сканеры
Оптический, емкостный, тепловой, ультразвуковой, радиочастотный и так далее — технологий сканеров отпечатков пальцев на рынке более чем достаточно. В большей степени, именно от их выбора зависит точность срабатывания сенсора и распознавания пальца. Тем не менее, нельзя упускать из вида и производительность гаджета, которая также играет не самую последнюю роль. От процессора не в последнюю очередь зависит то, насколько быстро устройство узнает своего владельца по пальцу. А вот тройка из основных технологий отпечатков пальцев — однозначно сказать, какой дактилоскопический сканер лучше, нельзя.
Емкостные. Такие сканеры отпечатков пальцев работают на базе массивов конденсаторов, которые хранят электрический заряд. Во время прикосновения пальца к сенсору, заряд каждого конкретного конденсатора меняется, и после анализа всей их сети появляется возможность создать рисунок отпечатка. Выпуклые места на коже явно меняют состояние заряда, а впадины оставляются его практически без изменений — вот и вся «математика». Именно эту технологию компания Apple использует в своих смартфонах, которые оборудованы Touch ID. Она до сих пор считается самой распространенной.
В числе очевидных преимуществ данной технологии — высокая точность, до которой практически не дотягиваются другие решения. Но есть у нее и недостатки. Главный — сегодня ее невозможно встроить в экран, и это делает ее неактуальной для большинства современных гаджетов.
Оптические. Судя по названию, не так сложно догадаться, что данный метод биометрической аутентификации основан на захвате оптического изображения отпечатка пальца. Если утрировать, то сенсор, использующий данную технологию, фотографирует рисунок на коже во время прикосновения и сравнивает его с тем, который был сохранен во время настройки. Для работы такого сканера необходима подсветка — именно поэтому во время его использования экран загорается ярким (обычно зеленым) цветом. Явный пример смартфона, который использует данную технологию, — Xiaomi Mi 9 со сканером отпечатков пальцев в экране.
В числе достоинств данной технологии — небольшая себестоимость, и именно поэтому ее используют в относительно недорогих смартфонах. Среди недостатков нашлось место для не самой высокой безопасности. Так как технология работает с 2D-изображением, обмануть ее проще, чем конкурентов.
Ультразвуковые. Эта относительно новая технология считывания отпечатков пальцев, которая только начинает набирать популярность. Для определения рисунка на коже пальцев во время прикосновения она отправляет в их стороны ультразвук и считывает сигналы, которые вернулись обратно. При длительном сканировании с помощью данного метода вообще можно создать точную трехмерную модель пальца. Тем не менее, и быстрого вполне достаточно для безопасной аутентификации. Яркий представитель «жанра» — Samsung Galaxy Note10, который отличается и другими топовыми технологиями.
В числе преимуществ данного решения — высокая точность. А вот недостатков пара: технология достаточно новая, поэтому иногда «радует» не самой стабильной работой, а еще она все еще очень дорогая, поэтому используется только в топовых решениях компаний из негласной группы AAA.
Какие алгоритмы используют сканеры отпечатков в смартфонах
На одном только сканировании отпечатков пальцев работа технологии не заканчивается. После того, как сенсор создал изображение кожи на пальцах, его еще нужно сравнить с эталонным. Здесь есть два нюанса, которые используют практически все производители смартфонов.
Во-первых, обычно алгоритм подтверждения отпечатка пальца не берет в учет весь его целиком. Зачастую ему достаточно найти мелкую уникальную деталь, которая не повторяется. Именно ее по примеру эталона он ищет во всех складках кожи, которая оказывается на сенсоре. Это экономит как время, так и энергию.
Во-вторых, для хранения эталонного изображения нужно специальное место в памяти смартфона, к которому не будет доступа у приложений и недоброжелателей. У Apple это Secure Enclave, а у Qualcomm — Secure MCM. Это отдельные части головного чипа со всеми такими данными.
Почему производители не отходят от сканеров отпечатков пальцев
Как уже говорилось выше, не так давно Apple частично отказалась от сенсоров отпечатков пальцев в пользу сканеров лица. Возникает вопрос, почему конкуренты не торопятся следовать ее примеру. Дело в компании Google, которая не спешила добавлять определение лица в доверенные методы аутентификации.
Xiaomi Mi 8 (Источник: ePHOTOzine)
Яркий пример — Xiaomi Mi 8, в котором появился продвинутый сканер лица уровня Face ID из iPhone X. Тем не менее, кроме разблокировки устройства ничего интересного с помощью него делать нельзя было. Поэтому уже в Xiaomi Mi 9 компания перешла на более примитивные методы распознавания по лицу.
Сейчас с помощью Face ID можно не просто разблокировать iPhone, но и зайти в любые банковские и другие защищенные приложения. До недавнего времени Google разрешала делать все это же только с помощью отпечатка пальца. Только в Pixel 4 с его продвинутым сканером лица открылся доступ разблокировке всего и вся с его помощью. Есть вероятность, что в дальнейшем будут появляться смартфоны на Android, которые также будут использовать эту фишку. Вот только, сейчас уже очевидно, что сенсоры пальцев сегодня у производителей стоят на первом месте — их будто делают в противовес главному конкуренту.
Подводя итоги: перспективы развития всех методов аутентификации
Сегодня нет хоть сколько-то значимых слухов по поводу возникновения новых методов биометрической аутентификации. Именно поэтому, скорее всего, производители сконцентрируются на двух актуальных: лицо и пальцы. У Samsung еще были находки в сканировании сетчатки глаза, но пока она работает слишком медленно и не всегда уверенно. Есть вероятность, что
подэкранный вариант Touch ID возьмут на вооружение и в Apple. Тем не менее, от Face ID в пользу него в ближайшее время компания вряд ли полностью откажется — вероятно, будет использовать сразу две системы, как конкуренты.
- Запуск виртуального ядерного реактора и другие новейшие достижения российской науки
- Трассировка лучей появляется в смартфонах: что собой представляет и чего ждать
- Производители электрокаров врут: как измеряется запас хода и почему он всегда завышен
- ИИ вместо психолога и дирижабль для Арктики: изобретения России в августе
- Cпутниковая система и компактный ускоритель частиц: изобретения России в июне
Еще недавно было странно видеть, как кто-то включает смартфон, приложив палец к участку со встроенным сканером. Сенсоры были только во флагманских смартфонах, но работали плохо, о чем говорят истории про смартфон Samsung Galaxy S5 — чтобы его включить, нужно было много раз водить пальцем. Теперь все стало проще, сканеры есть везде, их точность приближается к 100%. Но вот вопрос — как они работают? Давайте разбираться.
Оптический сканер
Емкостный сканер
Ультразвуковой сканер
Что делает сканер отпечатков пальцев? Вполне логичный ответ — запоминает наши отпечатки. Это так и не так одновременно. Во-первых, сенсор не хранит фотографии ваших отпечатков. Во-вторых, человек не всегда прикладывает палец к сканеру в одном и том же положении, а прибавьте к этому возможный небольшой порез, слабую силу надавливания — датчик точно не узнает вас.
Что тогда сканирует этот сенсор? Он ищет уникальные признаки и контрольные точки, по которым сможет распознать, что это вы и ваш отпечаток. Если присмотреться, папиллярный узор, а именно так называются линии на наших пальцах, имеет интересные особенности: одни линии у него разветвляются, другие остаются отдельными островками, третьи прерываются в неожиданном месте. Все это и создает рисунок, особые точки ваших отпечатков. Именно такие точки и ищет сенсор во время сканирования, их количество может достигать более 70 штук. Поэтому при настройке сканера важно как можно больше раз приложить палец к сенсору, чтобы у него было больше особых точек для анализа.
При разработке смартфонов с поддержкой функции разблокировки по отпечатку используют три вида сенсоров: оптические, ультразвуковые и емкостные. У каждого есть свои достоинства и недостатки, а отличаются они способом получения отпечатка: оптический делает это с помощью света, ультразвуковой — через звук, емкостный — через электричество. Поговорим о каждом из них отдельно.
Оптический сканер отпечатков пальцев
Если упростить, оптический сканер — это черно-белая камера, которая делает двухмерный снимок отпечатка, когда к ней прикладывают палец. Обычно оптический вид сканера помещают под экран в определенное место, и прикасаться к нему нужно только в определенном месте. При этом стоит учесть, что их устанавливают только на AMOLED-экраны — они полупрозрачны и каждый их пиксель излучает свет, когда на него подается напряжение. Это позволяет размещать не только дактилоскопические сенсоры, но и датчики освещения и приближения, фронтальные камеры.
Главное достоинство такого сенсора в том, что его можно поместить под экран. Его скорость и качество работы будут зависеть от прозрачности стекла и разрешения матрицы.
Сейчас оптические сканеры стали быстрыми и точными, догнали по производительности емкостные сенсоры, но первые разработки не отличались скоростью и стабильностью, и это был один из недостатков.
Другой недостаток — на стабильность и скорость работы влияет всё. Это может быть вода, мелкая грязь, пыль, которые попали на сканер и помешали сделать четкий снимок отпечатка.
Такой сканер в теории легче обмануть, чем ультразвуковой или емкостный. Дело в том, что он сохраняет двухмерное изображение отпечатка, и вместо пальца можно приложить слепок или любую другую подделку с нужным отпечатком. Но с другой стороны, благодаря яркой подсветке сканер видит не только узоры отпечатка, но и пульсацию крови. Это значит, сканер подтвердит, что сканируется именно палец.
Еще один недостаток — оптические сенсоры привередливы к защитным пленкам и стеклам. Материал защиты, ее толщина тоже могут повлиять на качество работы сканера.
Емкостный сканер отпечатков пальцев
Сенсор состоит из токопроводящих пластин, размер которых меньше, чем линии папиллярного узора. В пластинах образуются конденсаторы, а в них, в свою очередь, хранится заряд тока. Когда палец касается сканер, этот заряд изменяется, а наше тело проводит ток через себя. При этом стоит учесть, что не вся кожа соприкасается с датчиком из-за особенностей узора отпечатка — он состоит из выступающих гребней и микрозазоров, а значит у конденсаторов разная емкость. Делая снимок, сканер проверяет все ячейки, выявляет, какое напряжение было на конкретном участке, совпадают ли расположение углублений и гребней, где кожа соприкасалась с поверхностью.
К достоинствам такого сканера относят: недорогое производство и хорошо известную технологию; создание трехмерного снимка во время сканирования; высокую скорость реагирования. А еще такой сканер сложно обмануть, им можно воспользоваться, даже если у вас грязные или мокрые руки.
К недостаткам можно отнести невозможность поставить такой сканер в экран — сам сенсор емкостный, и дисплеи в современных смартфонах точно такие же, работают от электрических импульсов. Поэтому некоторые производители устанавливают датчики на кнопке блокировки или, чаще всего, на задней панели смартфона. Такое решение не всегда удобно — чтобы разблокировать смартфон, нужно обязательно взять его в руки или вообще использовать другой вариант активации.
Еще один недостаток — сами сканеры могут быть разного качества и с разным количеством ячеек. Чем больше ячеек, тем выше разрешение и тем быстрее работает сенсор. Но в бюджетных устройствах чаще всего используют сканеры с “низким разрешением”, от чего они работают не так шустро, как могли бы.
Ультразвуковой сканер отпечатков пальцев
Такой тип сканера появился позже остальных, и первый такой датчик поставили только в 2019 году. Разработкой занималась компания Qualcomm, а первопроходцем в установке такого сенсора стал Samsung с его Galaxy S10. Протестировав сенсор на одном смартфоне, компания решила добавлять его и в остальные — следующими такими устройствами были Galaxy Note 10 и Galaxy S20.
Сканирование пальца таким сенсором происходит при помощи ультразвука. Технология не новая, ее использовали в других отраслях. Например, такие сканеры используются, чтобы делать УЗИ в больнице.
За основу для этого сканера взяли материал-пьезоэлектрик, который генерит заряд, если его деформировать, и деформируется, если воздействовать на него электрическим полем. Как это работает в смартфоне?
Датчик начинает вибрировать с большой частотой, когда на него подают напряжение, он издает звуковые сигналы на высоких частотах. Мы этот звук не слышим, но, например, животные могут услышать, как работает такой датчик. Затем звуковые волны проходят через стекло экрана, сталкиваются с приложенным пальцем. Здесь волны разделятся: часть вернется назад; часть пройдет немного дальше и столкнется с выступами нашего отпечатка и только после этого вернется назад, а третья часть волн заполнит собой пустое пространство между пальцем и стеклом, а затем вернется на датчик. Волна возвращается назад, бьет по пьезоэлектрику. Как результат, появляется электрический заряд.
Достоинство такого сканера в его безопасности. Как и емкостный сенсор, он делает трехмерный снимок отпечатка, и не реагирует на плоское изображение. Плюс, ультразвук не остается на поверхности — он проникает немного вглубь пальца, а значит можно сделать дополнительный фактор защиты, чтобы сканировать можно было только настоящий палец, а не муляж.
Разместить такой сенсор можно где угодно: сбоку, сзади, под экраном, ведь ультразвук проходит не только через стекло. А еще ему неважно, сухие или влажные у вас пальцы, есть на них частички грязи, или они чистые.
К недостаткам можно отнести, в первую очередь, отсутствие выбора — Qualcomm разработала первый датчик, и на данный момент он единственный, новых поколений еще нет. А еще такой датчик работает медленнее, чем современные оптические сканеры.
Многие слышали историю о том, что такой сканер можно взломать. Много об этом говорили, приводя в пример Galaxy S10 и Galaxy Note10, когда между экраном и пальцем клали гидрогелевую пленку, а дальше уже можно было прикладывать любой палец, чтобы смартфон разблокировался. Странное поведение для сенсора, но Samsung выпустила обновление, которое исправило этот момент.
На работу сенсора может повлиять защитное стекло и некоторые виды пленок, которые рассеивают или частично гасят звуковую волну.
И последний недостаток таких сканеров — их можно найти только во флагманах Samsung, начиная с модели Galaxy S10.
Говорить о том, какой сканер лучше, а какой хуже, нет смысла. У всех есть свои достоинства и недостатки, а один из них можно встретить в очень узкой флагманской линейке от Samsung. При этом разработчики продолжают совершенствовать систему безопасности, избавляя датчики от ошибок в алгоритмах, и каждый тип сенсора справляется со своей функцией одинаково хорошо.
Поэтому не стоит при выборе смартфона сильно заострять внимание на том, какой именно сканер установлен. Главное, что он есть и исправно работает. 
Лайк — лучшее спасибо!
О каких еще тонкостях в работе смартфона вы хотите узнать?