Защита смартфона при помощи отпечатков пальцев — как это работает? Сканер отпечатков пальцев: что и как.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность развития биометрических технологий идентификации личности обусловлена увеличением числа объектов и потоков информации, которые необходимо защищать от несанкционированного доступа, а именно: криминалистика; системы контроля доступа; системы идентификации личности; системы электронной коммерции; информационная безопасность (доступ в сеть, вход на ПК); учет рабочего времени и регистрация посетителей; системы голосования; проведение электронных платежей; аутентификация на Web-ресурсах; различные социальные проекты, где требуется идентификация людей; проекты гражданской идентификации (пересечение государственных границ, выдача виз на посещение страны) и т.д.

В отличие от бумажных идентификаторов (паспорт, водительские права), пароля или персонального идентификационного номера (PIN), биометрические характеристики не могут быть забыты или потеряны, их трудно подделать и практически невозможно изменить.

Деятельность частных фирм, правительственных организаций и лабораторий, занимающихся вопросами биометрии, координируется Биометрическим Консорциумом BioAPI Consortium. Ведущими производителями биометрических систем являются: BioLink Technologies, Bioscrypt, Precise Biometrics, Neurotechnologiya, DigitalPersona, Ethentica, Identix, Staflink, Veridicom и др. Учитывая то, что основные биометрические технологии разрабатываются и совершенствуются за рубежом, актуальным является создание собственных биометрических технологий с целью ликвидации образовавшейся пропасти в разработке биометрических систем между отечественными и зарубежными производителями и дальнейшего параллельного (а возможно и совместного) совершенствования биометрических систем. В результате собственные разработки будут как минимум на порядок дешевле. При этом идентификация личности по отпечатку пальца является самой удачной биометрической технологией благодаря простоте использования, удобству и надежности. Вероятность ошибки при идентификации пользователя по отпечаткам пальцев намного меньше в сравнении с другими биометрическими методами. Кроме того, само устройство идентификации по отпечатку пальца малогабаритно и приемлемо по цене.

Цель магистерской работы: создание биометрической системы контроля доступа по отпечаткам пальцев, устойчивой к шумам и не зависящей от качества входных изображений, на основании проведенного анализа при соблюдении оптимальной точности и надежности системы и повышении быстродействия поиска.

Задачи, решаемые в магистерской работе:

анализ существующих методов разбиения отпечатков пальцев на классы (классификаторов);

анализ существующих методов поиска соответствия в найденном классификатором классе;

программная реализация найденных методов и их комбинаций;

выявление на основе тестовой выборки наиболее эффективных методов или их комбинаций;

достижение конечной цели работы.

Новизна магистерской работы: повышение быстродействия поиска в системе при соблюдении оптимальной точности и надежности системы за счет комбинации различных классификаторов и выявления наиболее точных методов для осуществления быстрого и корректного поиска в определенном классификатором классе. Быстродействие планируется достичь за счет правильной сегментации системной базы данных отпечатков пальцев в соответствии с натуральным распределением классов (0.279, 0.317, 0.338, 0.037, и 0.029 для классов завиток, правая петля, левая петля, дуга, и полусфера, соответственно ), а также возможно за счет объединения нескольких классов в один. В частности показатели быстродействия и точности системы значительно улучшаются при объединении классов дуга и полусфера в один класс. Точность классификации также планируется повысить за счет реализации эффективного метода обнаружения позиции центральной точки и внедрения в систему модуля улучшения изображений отпечатков пальцев перед выполнением этапа извлечения особых точек.

1. ОПИСАНИЕ ОБЪЕКТА КОМПЬЮТЕРИЗАЦИИ

Объектом исследования в данной работе является изображение отпечатка пальца, которое представляет собой папиллярный узор на поверхности пальцев. Уникальность каждого отпечатка пальца можно определить по узору, который образуют эти выступы и бороздки, а также по другим его деталям. Таким образом, в каждом отпечатке пальца можно определить два типа признаков - глобальные и локальные.

Глобальные признаки - те, которые можно увидеть невооружённым глазом :

Папиллярный узор - специфический узор, формируемый совокупностью выступов и впадинок;

Выступ - линия отпечатка пальца возвышается, образуя выступ;

Впадинка (бороздка) - желобок между выступами;

Центр (ядро) - пункт, локализованный в середине отпечатка или некоторой выделенной области; точка наибольшей кривизны выступа;

Дельта - зона, где выступ разветвляется на три линии, а затем они сходятся в одной точке;

Область интереса - выделенный фрагмент отпечатка, в котором локализованы все признаки (как правило, центральная область отпечатка пальца).

В традиционной дактилоскопии папиллярные узоры пальцев рук делятся на три основных класса: дуговые (около 5% всех отпечатков), петлевые (65%) и завитковые (30%); для каждого класса проводится более детальная классификация на подклассы. В рамках данной работы классификация будет произведена на пять классов: завиток (W), правая петля (R), левая петля (L), дуга (A), и полусфера (T) .

На рисунке 1.1 изображены некоторые примеры отпечатков пальцев, относящиеся к основным классам.

Рисунок 1.1 - Основные классы отпечатков пальцев с учетом натурального распределения. a) Левая петля, b) Правая петля, c) Завиток, d) Дуга, e) Полусфера.

Локальные признаки называют деталями - уникальные для каждого отпечатка признаки, определяющие пункты изменения структуры папиллярных линий (окончание, раздвоение, разрыв и т.д.), ориентацию папиллярных линий и координаты в этих пунктах. Каждый отпечаток содержит до 70 деталей.

На изображении отпечатка пальца выделяют следующие детали (рисунок 1.2),:

Конечные точки (окончания выступов) - точки, в которых «отчетливо» заканчиваются выступы;

Точки ветвления – точки, в которых происходит расхождение линий выступа.

Рисунок 1.2 – Примеры деталей.

Практика показывает, что отпечатки пальцев разных людей могут иметь одинаковые глобальные признаки, но совершенно невозможно наличие одинаковых деталей. Поэтому глобальные признаки используют для разделения базы данных на классы и на этапе аутентификации. На втором этапе распознавания (уникальная идентификация) используют уже локальные признаки ,.

Получение электронного представления отпечатков пальцев с хорошо различимым папиллярным узором - достаточно сложная задача. Поскольку отпечаток пальца слишком мал, для получения его качественного изображения приходится использовать достаточно изощренные методы. Современный метод получения электронного изображения отпечатка пальца - сканирование.

2. ЛОКАЛЬНЫЙ ОБЗОР СИСТЕМ, ОСУЩЕСТВЛЯЮЩИХ РАСПОЗНАВАНИЕ ПО ОТПЕЧАТКАМ ПАЛЬЦЕВ.

Задачей распознавания изображений отпечатков пальцев занималась магистр ДонНТУ Евстюничева А. В. Тема магистерской работы: В ходе выполнения магистерской работы были созданы проверочная и тестовая выборки отпечатков пальцев, частично реализован многоканальный подход для классификации отпечатков пальцев. В частности был получен вектор признаков - Код пальца и на его основании была осуществлена классификация методом Эвклидова расстояния. Однако вектор признаков был не совсем корректно генерирован в связи с неточной работой алгоритма определения месторасположения центральной точки. Тем ни менее была создана прекрасная база – теоретическая и практическая – для дальнейших исследований и продолжения работы в данном направлении.

3. ГЛОБАЛЬНЫЙ ОБЗОР СИСТЕМ, ОСУЩЕСТВЛЯЮЩИХ РАСПОЗНАВАНИЕ ПО ОТПЕЧАТКАМ ПАЛЬЦЕВ.

3.1 Обзор подходов для автоматической классификации отпечатков пальцев.

Классификация отпечатков пальцев - это метод, используемый для отнесения отпечатка пальца на основании его признаков к одному из нескольких предварительно заданных классов, которые могут обеспечить механизм индексации. Автоматизированная классификация отпечатков пальцев является сложной проблемой, потому что небольшие внутриклассовые различия и большие межклассовые различия между 5 классами должны быть приняты во внимание. Классификация отпечатков пальцев представляет собой грубый (укрупненный) уровень сопоставления отпечатков пальцев. Вначале введенный отпечаток пальца относится на грубом уровне к одному из нескольких предварительно заданных классов и затем, на более точном уровне, он сравнивается с множеством отпечатков, имеющихся в БД.

В результате развития науки об отпечатках пальцев было найдено несколько подходов для автоматической классификации отпечатка пальца. Эти подходы могут быть на грубом уровне представлены пятью основными категориями:

1) На основе модели. Метод классификации отпечатка пальца на основе модели использует местоположения особых точек (ядро и разветвление), чтобы классифицировать отпечаток пальца к одному из пяти вышеприведенных классов. Подход на основе модели использует знания людей-экспертов, применяя правила для каждой категории вручную построенной модели, и поэтому требует обучения. Развитием данной группы подходов занимались (K. Karu, A.K. Jain, L. Hong).

2) На основе структуры. Подход на основе структуры использует оценку ориентационного поля на изображении отпечатка пальца для того, чтобы отнести отпечаток к одному из пяти классов. Нейронная сеть, распознающая отпечатки пальцев, обучалась на изображениях с 2000 пальцев (одно изображение с пальца) и тестировалась на независимом наборе, состоящем из 2000 изображений, снятых с тех же пальцев. Более поздняя версия этого алгоритма (G.T. Candela, P.J. Grother, C.I. Watson, RA. Wilkinson, and C.L. Wilson) была тестирована на базе данных NIST-14, которая является естественно распределенной базой данных, обеспечивая лучшее выполнение алгоритма. Однако должно предполагаться совершенствование этого представления, так как база данных NIST-14 содержит маленький процент отпечатков пальцев типа дуга, которые поддаются классификации наиболее сложно, а нейронная сеть, используемая в алгоритме, неявно использует эту информацию для получения выгоды. Подобный подход на основе структуры, который использует скрытые модели Маркова для классификации (A. Senior), полагается на надежность оценки местоположений выступов, что является сложным из-за зашумленности изображения. В другом подходе на основе структуры используются кривые B-сплайна (базисные полиномиальные кривые), чтобы классифицировать отпечатки пальца (M.M.S. Chong, T.H. Ngee, L. Jun, and R.K.L. Gay).

3) На основе частоты. Подходы на основе частоты используют спектр частот отпечатков пальца для классификации. Здесь используются ряды Фурье (A.P. Fitz and R.J. Green).

4) Синтаксический подход. Синтаксический подход использует формальную грамматику для представления и классификации отпечатков пальцев (C.V.K. Rao and K. Black).

5) Гибридные подходы. Гибридные подходы комбинируют два или более видов подходов для классификации (B.G. Sherlock and D.M. Monro, M. Kawagoe and A. Tojo). Эти подходы подают надежды, но не были проверены на больших базах данных. Например, отчет M. M. S. Chong и др. заканчивается на 89 отпечатках пальца, Fitz и Green - на 40 отпечатках пальцев, и M. Kawagoe и A. Tojo - на 94 отпечатках пальцев. Наиболее перспективным является двухэтапный классификатор, который позволил бы сначала отнести отпечаток пальца к одному из подклассов, а после уже в этом подклассе производить сравнение. Среди гибридных подходов особое место занимает .

3.2. Обзор классификаторов изображений отпечатков пальцев

Рассмотрим несколько наиболее известных и используемых классификаторов: классификатор «K»-ближайших соседей, классификатор нейронная сеть, двухэтапный классификатор, классификатор скрытых моделей Маркова, классификатор дерево решений.

1. Классификатор «K»-ближайших соседей . Решающее правило «К» ближайших соседей заключается в том, что вначале находятся «К» ближайших соседей для тестового образца в пространстве признаков. После этого тестовый образец относится к классу, который наиболее часто представлен среди «К» ближайших соседей. Два верхних класса, которые были найдены с помощью классификатора «К» ближайших соседей, должны соответствовать классам, которые имеют самое высокое и второе по величине количество среди «К» ближайших соседей. Обычно рассматриваются 10 ближайших соседей (K=10). Точность классификации не всегда увеличивается с увеличением K; здесь возникает проблема классификации, связанная с определением оптимальной величины К для объема проверочной выборки конечного размера.

2. Классификатор Нейронная сеть . В данном случае обучали многослойную нейронную сеть с прямым распространением, используя в качестве обучающего алгоритма алгоритм быстрого распространения. Нейронная сеть имеет один скрытый слой из 20 нейронов, 192 входных нейрона, и 5 выходных нейронов, которые соответствуют пяти классам.

3. Двухэтапный Классификатор . Для упрощения задачи классификации мы декомпозируем 5-ти классовую задачу на набор из 10 2-х классовых задач. Целью является выполнение задачи простой классификации, используя классификатор «К» - ближайших соседей и затем используется набор двух-классовых классификаторов нейронных сетей для манипуляции с едва заметными различиями.

Первый этап использует классификатор «К» - ближайших соседей (К = 10), чтобы выбрать два наиболее вероятных класса для текущего входного образца. Мы получили путем наблюдения, что в 85.4 % случаев, класс с максимальной частотой попадания в группу «К» ближайших соседей это правильный класс (класс прошел классификацию) и в 12.6 % случаев класс со второй по величине частотой это также правильный класс. Другими словами, классификатор «К» - ближайших соседей приводит к нахождению двух классов с наибольшей частотой попадания в группу с точностью 98 %. Этот результат используется для точного отнесения отпечатков пальцев к двум из пяти классов. Каждый отпечаток будет иметь вхождение в два из пяти классов БД и поиск соответствия в БД должен быть произведен только в соответствующих двух классах.

Второй этап использует 10 (C 2 5) различных нейронных сетей для 10 различных парных классификаций. Эти нейронные сети имеют 192 входных нейрона, 20-40 скрытых нейронов находятся в одном скрытом слое, и 2 выходных нейрона. Каждая нейронная сеть обучена использовать образцы только из двух соответствующих классов в обучающей выборке. Например, нейронная сеть, которая находит различие между правой петлей и завитком обучена использовать только образцы, помеченные как правая петля и завиток в обучающей выборке. Схема двухэтапного классификатора представлена на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 - Схема двухэтапного классификатора.

Хотя этот классификатор устойчив к шумам и способен корректно классифицировать большинство низкокачественных отпечатков пальцев в БД NIST-4, он имеет недостатки на некоторых других изображения отпечатков пальцев, которые имеют очень низкое качество и не содержат информацию о выступах, присутствующую в центральной части отпечатка пальца. На низкокачественных отпечатках пальцев очень трудно правильно обнаружить центральную точку. Классификатор также не в состоянии правильно классифицировать изображения двойной петли, которые помечены как завиток в базе данных NIST-4. Для этих изображений алгоритм определения размещения центральной точки, выбирает вышерасположенную центральную точку и полагает, что это центр и при рассмотрении определяет, что центр изображения похож на петлю в области интереса, что приводит к ошибочной классификации завитка к правой петле или левой петле. Около 3% ошибок происходят в результате неправильной классификации петли в дугу, из-за едва различимой разницы между этими классами. Неправильная классификация дуги в полусферу составляет около 5 % ошибок.

3.3 Обзор алгоритмов сравнения отпечатков пальцев в найденном классе

В настоящее время выделяют следующие классы алгоритмов сравнения отпечатков пальцев:

Сегодня они являются хранилищами важной личной и даже финансовой информации. И эта информация нуждается в надежной защите, на страже которой стоит сканер отпечатков пальцев в смартфоне.

Сканер отпечатков пальцев – новая защита данных

В будущем, в наших смартфонах только прибавится личных финансовых данных. Сейчас большинство наших сограждан не используют виртуальные кошельки, привязанные к нашим мобильным устройствам, но со временем удобство бесконтактных платежей заставит и их внимательно присмотреться к ним. А потому защита данных наших банковских карт, которые будут храниться в смартфоне, станет, как никогда актуальной.

До последнего времени мы, защищая мобильные устройства от несанкционированного доступа, полагались на пароли, графические ключи или PIN-коды. Это действительно надежные способы в современных условиях, но и они могут быть взломаны. Как альтернатива им в свое время Apple предложила использовать технологию идентификации пользователя устройства по отпечатку пальца. Попав в смартфоны, сканер отпечатка пальца стремительно завоевал популярность, так что неудивительно, что модели с ним появились и у основных производителей Android-устройств, таких как Samsung, HTC, Huawei и прочих.

Однако именно 2015-й стал самым успешным годом для этой технологии. Сканер отпечатков пальцев перестал быть атрибутом только премиальных, а значит, и дорогих смартфонов. В этом году многие китайские производители снабдили свои недорогие устройства сканерами, таким образом, обеспечив путь технологии в «массы». На конец этого года уже существуют смартфоны по цене около $100 со сканерами отпечатков пальцев. Именно поэтому можно предположить, что в будущем сканер станет таким же неотъемлемым атрибутом смартфона, как камера.

Хорошо это или плохо? У нас нет однозначного ответа. Как и любая другая технология, сканеры отпечатков пальцев смартфона имеют свои положительные и отрицательные стороны. Мы решили провести детальный анализ, что хорошего и что плохого несет в себе эта технология. Тем, кто использует ее или только собирается приобрести смартфон со сканером, возможно, эта информация пригодится.

Преимущества использования сканера отпечатков пальцев

О преимуществах использования технологии идентификации владельца мобильного устройства по отпечатку его пальца, сказано уже немало. Если выделить три основных компонента, то это будут: удобство использования, безопасность и открывающиеся новые возможности. Остановимся поподробнее на каждом из этих компонентов.

Удобство использования сканера

Те, кто впервые столкнулся с таким методом идентификации, отмечают, что использовать его на своем смартфоне очень удобно. Не нужно больше возиться с придумыванием разнообразных паролей, графических ключей или просто PIN-кодов. Всего лишь одно касание и смартфон разблокирован. Это, конечно же, не только экономит время, но и имеет еще одно неоспоримое достоинство – не нужно ничего запоминать.

Так уж бывает в нашей жизни, что пароли часто теряются или забываются. А наши пальцы всегда с нами, и рисунок на них не меняется, так что можно не бояться потери доступа к своему смартфону и к той важной информации, которая на нем хранится.

Новые возможности

К тому же в условиях современности, сканер отпечатка пальца в смартфоне перестал быть просто инструментом его разблокировки. Все чаще производители предлагают нам использовать эту технологию для того, чтобы авторизироваться на любимых сайтах, без ввода логина и пароля. Все больше разработчиков приложений используют сканер для подтверждения покупок в приложении. А системы бесконтактных платежей, такие как Apple Pay или Samsung Pay вообще построены на основе этой технологии, которая обеспечивает конечное подтверждение нужного платежа с привязанной банковской карты.

Безопасность технологии идентификации

Ну и, наверняка, самым весомым преимуществом использования сканеров отпечатков пальцев в смартфонах, является увеличение безопасности. По сути, доступ к мобильному устройству и информации, которая хранится на нем, может получить только владелец.

Общеизвестно, что двух одинаковых отпечатков пальцев не существует, поэтому разблокировка смартфона другим лицом практически невозможна. К тому же остальные способы защиты, такие как пароли, PIN-коды и графические ключи можно либо подсмотреть, либо «взломать», тогда как с отпечатком пальцев этого сделать невозможно.

Конечно, теоретически есть вариант, больше смахивающий на шпионские истории, с получением отпечатка Вашего пальца, например со стакана, и нанесения его на специальную пленку, которая используется при идентификации. Однако на практике, такими методами есть смысл пользоваться, только если Вы очень значимый человек, а на Вашем смартфоне хранится информация «государственного значения». Так что, во многом, сканер отпечатков пальцев безопаснее, чем другие методы сохранения безопасности информации в устройстве.

Но, как и в любой бочке меда, есть своя ложка дегтя, использование сканеров отпечатков пальцев имеет и свои недостатки.

Сканер отпечатков пальцев: о чем стоит задуматься

И как это не пародоксально звучит, основной недостаток сканеров в том, что преподносится, как их основное достоинство – в безопасности. Когда Вы впервые приобретаете смартфон со сканером отпечатков пальцев, при первом включении он попросит Вас оставить свои отпечатки. Данная информация оцифровывается и хранится в памяти смартфона. Специалисты Apple намного лучше поработали над защитой этих данных, чем разработчики ОС Android, но и тут не все так безоблачно.

На самом деле, в Android-смартфонах данные про отпечатки пальцев владельца хранятся в виде незашифрованных файлов в локальной памяти устройства, что делает ее весьма уязвимой для хакеров. Так что на самом деле смартфон может быть менее безопасен, чем может представлять его владелец. Уже неоднократно программисты со всего мира обращали внимание на это, а в середине этого года в сети появилась информация о том, что хакерам удалось «взломать» некоторые смартфоны и добыть эти данные.

Что случится, если Ваш пароль или PIN-код станет известен злоумышленникам? Вы просто его поменяете и таким образом, защитите свои данные. В случае кражи информации про отпечатки пальцев, Вы не сможете ничего сделать, и Ваши данные всегда будут находиться под угрозой несанкционированного доступа.

Как обеспечить безопасность личной информации?

Использовать или нет сканер отпечатков пальцев в смартфоне, каждый может решить самостоятельно. Причем этот вопрос, по всей видимости, встанет перед большинством из нас, поскольку такие сканеры, скорее всего, скоро станут обыденностью и привычным аксессуаром всех без исключения смартфонов.

По нашему мнению, тут важно сохранить баланс между удобством использования и безопасностью. В конце концов, многие из нас вообще не используют никаких инструментов для защиты своих мобильных гаджетов, не желая тратить время на дополнительные действия при разблокировке. Поэтому для них сканер отпечатков пальцев только еще сильнее упростит разблокировку устройства. Для других – это повод задуматься.

Тем, кто хочет надежно защитить персональную информацию, мы можем посоветовать использовать многоуровневую защиту, тем более, что современные смартфоны это позволяют. Например, после ввода пароля, графического ключа или PIN-кода идентифицироваться при помощи отпечатка пальца. Или наоборот, после приложения пальца к сканеру вводить другой ключ.

В конце концов, глупо противится развитию технологий, и лишать себя удобства и комфорта, которое оно несет. Вооружившись необходимой информацией, почерпнутой из этой статьи, и проведя несколько дополнительных действий со своим смартфоном, можно надежно защитить его от доступа к нему посторонних лиц.

А Вы используете сканер отпечатков пальцев в смартфоне? Поделитесь своим опытом в комментариях к статье.

Углубляясь все больше в системы, связанные с охраной и контролем, многие из нас в конце концов обратят внимание на биометрические методы идентификации личности для тех или иных потребностей.

Биометрия – это методы автоматической идентификации человека и подтверждения личности человека, основанные на физиологических или поведенческих характеристиках. Примерами физиологических характеристик являются отпечатки пальцев, форма руки, характеристика лица, радужная оболочка глаза, характеристика голоса, особенности подчерка. В процессе развития технологий появляется все большее количество способов идентифицировать человеческую личность.

Наиболее популярным методом биометрической идентификации является распознавание отпечатков пальцев. Думаю, это так, потому что это относительно дешевый и простой способ, проверенный временем. Способов получить отпечаток пальца человека с помощью электроники существует несколько: оптические методы получения изображения отпечатка пальца – на отражение, на просвет, бесконтактный способы, емкостные датчики отпечатков пальцев (полупроводниковые), радиочастотные сканеры, сканеры, использующие метод давления, термосканеры, ультразвуковой метод. Каждый способ получения отпечатка пальца имеет свои достоинства и недостатки, однако главным образом баланс выбора способа сканирования является цена – надежность (здесь выделяется не только эффективная защита, но и устойчивость к воздействию внешних факторов).

Рассматриваемый сканер отпечатков пальцев R308 (ссылка в магазин) является оптическим (метод на отражение). Данный метод использует эффект нарушенного полного внутреннего отражения (Frusted Total Internal Reflection). Эффект заключается в том, что при падении света на границу раздела двух сред световая энергия делится на две части - одна отражается от границы, другая проникает через границу во вторую среду. Доля отраженной энергии зависит от угла падения светового потока. Начиная с некоторой величины данного угла, вся световая энергия отражается от границы раздела. Это явление называется полным внутренним отражением. В случае контакта более плотной оптической среды (поверхности пальца) с менее плотной в точке полного внутреннего отражения пучок света проходит через эту границу. Таким образом, от границы отразятся лишь пучки света, попавшие в определенные точки полного внутреннего отражения, к которым не был приложен папиллярный узор пальца. Для захвата полученной световой картинки поверхности пальца используется специальный датчик изображения (КМОП или ПЗС, в зависимости от реализации сканера).

Для данного метода можно отметить следующее:

Одни из самых дешевых сканеров отпечатков пальцев при относительно большой площади сканирования пальца
Чувствительность к загрязнению рабочей поверхности датчика
Малая защита от муляжей
Относительно крупные размеры модуля

Итак сканер отпечатков пальцев R308 имеет следующий вид:

Хотелось бы разобрать и посмотреть на модуль изнутри, но конструкция сделана таким образом, что аккуратно открутить винтики и снять плату с элементами не получится, так как держит ее что-то изнутри и без применения паяльника это сделать проблематично, поэтому не стоит пытаться нарушить целостность модуля, что может привести к выводу его из строя.

Данный оптический сканер отпечатков пальцев использует высокоскоростной цифровой сигнальный процессор в качестве своей основы. Этот модуль может получить изображение отпечатка пальца, обработать изображение для сохранения или поиска, сохранить данные об отпечатке пальца в собственной памяти и делать поиск на совпадение полученного отпечатка с сохраненными. Для подключения к СКУД (системам контроля и управления доступом) модуль имеет интерфейс UART, посредством которого модуль принимает команды и посылает ответы о результатах операций. Кроме того, модуль может передать на другое устройство изображение отпечатка пальца, полученное при помощи него. Сканер отпечатков пальцев построен таким образом, что все вычислительные и аналитические операции выполняет он сам, но этими процессами необходимо управлять для получения практической ценности модуля. Таким образом, на основе ответов о результатах выполнения команд внешний микроконтроллер может выстраивать любую необходимую логику работы СКУД с применением сканера отпечатков пальцев.

Характеристики сканера отпечатков пальцев R308:

Напряжение питания – 4,5-5 вольт
Рабочий ток – 40 мА
Интерфейс – UART (TTL logical level)
Baud rate – 9600*n, n=1~12, по умолчанию 57600 bps
Время сканирования отпечатка пальца –до 0,5 сек
Размер шаблона отпечатка – 512 байт
Коэффициент ложного пропуска FAR (False Acceptance Rate) – менее 0,001 %
Коэффициент ложного отказа в доступе FRR (False Rejection Rate) – менее 0,5 %
Уровень безопасности – 5
Время среднего поиска – менее 1 сек
Размер окна считывания отпечатка пальца – 18х22 мм
Размер модуля – 55,5х21х20,5 мм
Диапазон рабочих температур – -20-+40 градусов Цельсия

Для подключения к другим устройствам R308 имеет 6-контактный разъем:

Vt – плюс питания детектора пальца
Vin – плюс питания модуля
Touch – выход сигнала детектора пальца

В документации указываются цвета шлейфа в комплекте с модулем, но в моем случае цвета не совпали, поэтому надежнее всего определять назначение контактов по нумерации, указанной на плате возле разъема модуля.

Структура пакета данных, передаваемых и принимаемых модулем:

Header – заголовок, фиксированное значение 0xEF01 (2 байта)
Adder – адрес сканера отпечатков пальцев, фиксированное значение 0xFFFFFFFF (4 байта)
Package identifier – идентификатор пакета данных, 01H – пакет команды, 02H – пакет данных, 07H – пакет ответа, 08H – пакет окончания данных (1 байт)
Package length – количество байт пакета информации (включает сумму байт данных пунктов 5 - 6), максимальное количество 256 байт (2 байта)
Package contents – полезные данные
Checksum – контрольная сумма, арифметическая сумма пунктов 3-6 (2 байта)

Сканер отпечатков пальцев имеет 8 основных инструкций для его управления:

Сканирование отпечатка пальца и сохранение его в буфере. Возвращает код подтверждения об успешности операции.
Создание файла символов отпечатка пальца из оригинального отпечатка и сохраняет его в CharBuffer1 (2). Возвращает код подтверждения об успешности операции.
Поиск на совпадение отпечатка пальца в библиотеке модуля который соответствует хранимому в CharBuffer1 или CharBuffer2. Возвращает код подтверждения об успешности операции и ID отпечатка пальца в библиотеке модуля.
Создание шаблона модели отпечатка пальца. Информация в CharBuffer1 и CharBuffer2 объединяется и комбинируется для получения более достоверных данных об отпечатке пальца (отпечаток в этих буферах должен принадлежать одному пальцу). После операции данные сохраняются обратно в CharBuffer1 и CharBuffer2. Возвращает код подтверждения об успешности операции.
Сохранение шаблона отпечатка пальца из Buffer1/Buffer2 во флэш память библиотеки модуля. Возвращает код подтверждения об успешности операции.
Удаление шаблона из флэш памяти модуля. Возвращает код подтверждения об успешности операции.
Очистка памяти библиотеки отпечатков пальцев модуля. Возвращает код подтверждения об успешности операции.
Проверка пароля модуля. Возвращает код подтверждения об успешности операции.

Для того чтобы искать совпадение отпечатка пальца в библиотеке модуля необходимо сканировать отпечаток пальца и сохранить его в буфере, сгенерировать символьный файл и поместить его в CharBuffer и прописать команду на поиск совпадений отпечатков пальце (инструкции 1, 2, 3).

Для того чтобы внести отпечаток пальца в память модуля необходимо получить изображение отпечатка пальца, сохранить его в буфере и сгенерировать символьный файл, сохраняемый в CharBuffer (операции повторяем минимум 2 раза и сохраняем все в CharBuffer1 и CharBuffer2), далее комбинируем данные в буферах 1 и 2 для получения более точного результата и запускаем командой сохранение в указанное место памяти информацию об отпечатке пальца (инструкции 1, 2, 4, 5).

По ходу выполнения инструкций модулем необходимо следить за корректностью и успешностью выполнения посредством ответов, следующих после посылки команд. Это может улучшить качество выполнения программы и точность заданных манипуляций со сканером отпечатков пальцев R308.

Для оценки работы модуля к статье прилагается демонстрационная прошивка для микроконтроллера STM32, соответствующая схеме:

На LCD дисплее отображаются необходимые данные для работы со сканером отпечатков пальцев, при включении схемы без замкнутых перемычек Jmp1 и Jmp2 запускается основной цикл программы, когда микроконтроллер ждет получения отпечатка пальца от сканера и запускает поиск в памяти модуля при его появлении. При включении с замкнутой перемычкой Jmp1 запускается полное стирание памяти библиотеки отпечатков пальцев. При включении с замкнутой перемычкой Jmp2 запускается добавление 5 новых отпечатков пальцев в память модуля. Для добавления отпечатка пальца необходимо дважды приложить палец к сканеру для его сохранения в случае отсутствия ошибок при сканировании отпечатков.

Кроме того к статье прилагается программа SFGDemo. С ее помощью можно получить изображение своего отпечатка пальца помимо стандартных операций добавления отпечатка в память, поиска совпадений, удаления отпечатка из памяти (для подключения к компьютеру используется переходник USB-UART).

Список радиоэлементов

Обозначение	Тип	Номинал	Количество	Мой блокнот
IC1	МК STM32	STM32F103C8	1	В блокнот
VR1	Линейный регулятор	LM7805	1	В блокнот
VR2	Линейный регулятор	AMS1117-3.3	1	В блокнот
FP1	Датчик отпечатков пальцев	R308	1	В блокнот
HG1	LCD-дисплей	2004a	1	В блокнот
C1, C2	Конденсатор	22 пФ	2	В блокнот
C3		470 мкФ	1	В блокнот
C4-C7, C9, C10, C12	Конденсатор	100 нФ	7	В блокнот
C8	Электролитический конденсатор	220 мкФ	1	В блокнот
C11	Электролитический конденсатор	100 мкФ	1	В блокнот
R1	Резистор	22 Ом	1	В блокнот
R2	Резистор	100 Ом	1	В блокнот
R3	Подстроечный резистор	10 кОм	1

Человек всегда пытался сохранить свою личную информацию в тайне. И это совсем не удивляет – на то она и личная! С появлением первых компьютеров пользователи начали защищать свои данные паролями и различными ПИН-кодами. Однако первые компьютеры были созданы не для домашнего пользования, а для различных производственных фирм. Пусть на них и не было личной информации, они хранили различные алгоритмы работы, которые тоже разглашать никто не хотел.

Затем компьютеры постепенно начали «одомашниваться», а параллельно этому появляются и сотовые телефоны. И уже каждый человек, воспользовавшись комбинацией, известной только ему, смог обезопасить свои данные. Долгое время в обиходе применялись различные комбинации символов в качестве паролей. Однако на смену им приходит сканер отпечатков пальцев. Он был популярен в Америке ещё в середине 90-х. Идея заключалась в том, что можно получить доступ к устройству «в одно касание». И вместо того, чтобы каждый раз вводить пароль, пользователю достаточно лишь дотронуться до соответствующей площадки.

Сканер отпечатков пальцев в России

В России же такое нововведение не имело высокого распространения в те времена. Лишь 20 сентября 2013 года, когда был запущен iPhone 5s, который как раз и имеет встроенный сканер отпечатков пальцев и совокупность средств (Touch ID) для обеспечения его работы, широкая группа пользователей смогла оценить столь интересную технологию. После появления смартфона из Купертино на рынок повалила куча моделей выше среднего ценового сегмента, которые оснащались сканером отпечатков пальцев. Сегодня же даже бюджетные смартфоны в большинстве своем имеют биометрический датчик для идентификации пользователей.

Насколько безопасен сканер отпечатков пальцев?

Несмотря на то, что биометрические показатели человека не так просто подделать, сканер отпечатков не так безопасен, как может казаться. Команда «Лаборатории Касперского» провела проверку защищённости этого приспособления. Выяснилось, что на некоторых устройствах информация об отпечатках хранится в незашифрованной форме и в формате картинки. Так что теоретически любое приложение, которому вы дадите доступ к интернету и к локальным файлам, сможет передать информацию о ваших отпечатках куда угодно. Поэтому «Касперский» рекомендовал пользоваться только проверенными приложениями и программами. Как бы то ни было, на большинстве современных девайсов эта информация хранится в закодированном виде и в надёжно защищённой папке.

Альтернативы сканера отпечатков пальцев

Компания Samsung решила последовать примеру Apple с ее Touch ID и придумать уникальный биометрический датчик, который можно внедрить в смартфон. Фирмой было принято решение разработать сканер радужки глаза. Его суть состоит в том, что для разблокировки устройства необходимо посмотреть в камеру, чтобы система, проанализировав полученные данные, распознала вас. Она фиксирует именно радужку глаза, которая так же, как и отпечатки пальцев, у каждого человека разная. Однако и этот вид биометрической идентификации далеко не идеален. Технология требует, чтобы было видно более 90% радужки глаза. Некоторые люди с азиатским разрезом глаз жалуются на то, что устройство просит открыть глаза пошире, но в силу анатомических особенностей это сделать не так просто.

Фирма Apple тоже решила не останавливаться на сканере отпечатков пальцев, разработав Face ID. Это совокупность программ, которая проводит анализ вашего лица и строит его объёмную виртуальную модель. Она, помимо уникального рельефа лица, также несёт в себе информацию о ваших глазах, губах и носе. Эти показатели хранятся на смартфоне в закодированном формате. Но и эта технология биометрической идентификации не смогла гарантировать стопроцентную защиту. Уже через неделю после запуска iPhone X, который первым получил Face ID, в сети было опубликовано видео, в котором один из специалистов компании при помощи маски.

Где располагается

Чаще всего для расположения сканера используют два места: кнопка «Домой» на передней части смартфона или задняя крышка устройства. Сканер выглядит, как гладкая поверхность, чаще всего немного обрамлённая маленьким бортиком. Редко дактилоскопический сканер встраивают в боковую кнопку питания.

Как настроить

Чтобы настроить работу сканера отпечатков пальцев на Android-устройстве, вам необходимо зайти в настройки, затем выбрать пункт «Экран блокировки» (иногда «Экран блокировки и отпечатка пальца»), нажать на «Управление отпечатками пальцев» и смело можете производить настройку. А именно – добавить отпечаток пальца или удалить из уже занесённых в память.

В основном смартфоны могут хранить до 10 отпечатков пальцев (реже меньше). Чтобы занести отпечаток пальца, необходимо выбрать соответствующий пункт и приложить палец к сканеру (не нажимая кнопки «Домой», если он в неё встроен), прикладывая палец в разных положениях. Также после занесения отпечатка пальца в память устройства желательно присвоить ему какое-либо наименование, дабы не запутаться, если в систему будет занесено несколько отпечатков.

Мы живем в эпоху тотального проникновения цифровых технологий во все сферы жизни - делаем покупки в интернете, деньги храним на карточках, виртуальных счетах, а личные фотографии и документы - в сетевых хранилищах. При этом защита персональных данных становится актуальной как никогда. Ведь доступ злоумышленников к личной информации может грозить нам большими проблемами. Особенно уязвимым в этом плане становится смартфон, с помощью которого происходит авторизация во многих онлайн-сервисах. Его легко потерять, относительно неплохо получить к нему временный доступ. В большинстве случаев для защиты данных в смартфонах применяются пароли или графические ключи. Но это не всегда безопасно и удобно. Новым этапом в безопасности современных гаджетов стает биометрическая защита, в основе которой лежит уникальность некоторых частей нашего тела. Например - радужная оболочка и сетчатка глаза, геометрия лица, голос, отпечатки пальцев. Использование процесса биометрической аутентификации является надежной и удобной защитой. Ведь такой «пароль» невозможно забыть, подглядеть, крайне тяжело подделать и он всегда «под рукой»))).

Во втором типе оптического сканера мы должны проводить пальцем по сканеру. Сканер делает серию снимков и программно объединит их в один. Такой метод называется протяжным (swipe). Его реализовала Samsung в Galaxy S5. Но в последующих моделях она отказалась от этого метода. В силу необходимости использования большей матрицы для полного снимка отпечатка пальца первый тип оптического сканера является более дорогим, чем протяжной, но в то же время более удобным для конечного пользователя. Общим недостатком оптических сканеров является подверженность загрязнению, царапинам, влиянию физического состояния пальца (влажность, например). Кроме того, такой сканер можно обмануть с помощью снимка отпечатка пальца, что успешно продемонстрировала группа хакеров Chaos Computer Club. Они сфотографировали в высоком разрешении отпечаток пальца на стекле, распечатали его на лазерном принтере, залили жидким латексом и после высыхания такой слепок был распознан системой сканера как родной. Таким образом удалось обойти защиту детищ и Samsung, и Apple.

2. Полупроводниковый. Основан на свойствах полупроводников менять свои свойства в местах соприкосновения. Такие сканеры бывают емкостными, радиочастотными, термическими. В современных смартфонах полупроводниковые сканеры места не нашли. Вероятно, из-за сложности внедрения учитывая малые габариты мобильных гаджетов, а также дороговизны. Большой плюс данной технологии в том, что ее с помощью слепка не обманешь.

3. Ультразвуковой. На мой взгляд, самый перспективный метод работы сканера отпечатков пальцев. Ультразвуковые сканеры используют принцип медицинского УЗИ для того, чтобы создать визуальный образ отпечатка пальца. Звуковые волны генерируются с использованием пьезоэлектрических преобразователей. Далее они попадают на палец и отраженное от него эхо фиксируется специальными датчиками. В отличие от оптических изображений, эти сканеры используют очень высокие частоты звуковых волн, которые способны проникать в эпидермальный слой кожи. А он имеет неповторимую структуру.

Это исключает потребность в чистом, сухом, неповрежденном пальце. Ультразвуковой сканер невозможно обмануть с помощью снимка отпечатка, так как он формирует 3D-картину строения кожи, а также умеет фиксировать пульс. В марте этого года компания Qualcomm представила свою разработку на базе данной технологии и ходят слухи, что впервые мы увидим ее реализацию в смартфоне Xiaomi Mi5.

Далее давайте затронем тему программной и аппаратной реализации сканера отпечатка пальца в разных системах. Впервые Apple представила биометрический способ идентификации в iPhone 5s под брендом Touch ID. Это был оптический сканер на основе с разрешением 500 ppi. Он был встроен в кнопку «Home» и покрыт сапфировым стеклом, устойчивым к царапинам.

За обработку сканированного отпечатка отвечал сопроцессор, а уже преобразованный цифровой код хранился только в специальном изолированном хранилище. С помощью сканера отпечатка пальца iPhone 5s можно было только разблокировать смартфон и авторизоваться в iTunes. Сторонних приложений он не поддерживал. Уже в iOS 8 была реализована оплата с помощью Touch ID в ApplePay, появилась возможность использовать сканер для защиты данных сторонних программ.

В смартфонах на операционной системе Android сканер отпечатков впервые появился в Motorola Atrix 4G, но из-за неудобства реализации использовался немногими пользователями. Качественным прорывом стал флагман Samsung Galaxy S5.В нем с помощью сканера отпечатка пальцев можно было не только разблокировать смартфон, но и авторизоваться в платежной системе PayPal. Также функционал сканера могли использовать сторонние приложения. Но из-за метода сканирования отпечатка пальца (протяжного) решение в Samsung S5 проигрывало Touch ID.

В связи с особенностями операционных систем решение Apple в плане защиты от взлома вредоносными программами более надежное.

Стоит сказать, что в Android системах вплоть до 6-ой версии не было нативной поддержки такого способа аутентификации, и только в Android Marshmallow Google внедрила поддержку сканера отпечатков пальцев непосредственно в систему. В новой версии ОС разработчикам проще реализовать приложения для работы со сканером, так как достаточно добавить поддержку системных API. Вендерам же нет нужды создавать с нуля или адаптировать готовые программные решения, нередко не лучшего качества или низкого удобства.

На данный момент модуль сканера отпечатков пальцев уже не является привилегией флагманов ведущих игроков рынка смартфонов. Эту моду подхватили почти все производители, и сканер начал появляться даже в бюджетных моделях. Разработчики экспериментируют с размещение данного модуля (кнопка "Home", включения/выключения, под основной камерой), с программной частью и функциональностью.

Но на сегодняшний день такую систему биометрической защиты я бы не рекомендовал использовать для платежей, хранения важной личной информации. Доказательством этого служат примеры взлома с помощью слепков пальцев и Touch ID, и сканеров на Android-е. Возможно, разработка на основе ультразвукового сканирования исправит эту проблему. А вот в качестве метода разблокировки смартфона - для защиты от чрезмерного любопытства третьих лиц, сканер отпечатков пальцев подходит идеально.