Pirštų atspaudų skaitytuvo linijų analizė

Kaip tas mažas stikliukas atpažįsta jūsų pirštą

Kiekvieną kartą, kai atrakiname telefoną ar nuskenuojame pirštą įėjimo į biurą sistemoje, vyksta tikras technologinis stebuklas. Tas nedidelis skaitytuvas per akimirką analizuoja sudėtingą linijų raštą ant jūsų piršto galiuko ir nusprendžia – tai tikrai jūs ar ne. Bet kaip jis tai daro? Kodėl mūsų pirštų atspaudai tokie unikalūs ir kokia technologija leidžia juos atpažinti per sekundės dalį?

Pirštų atspaudų skaitytuvas iš esmės yra labai pažangus fotografas ir analitikas viename. Jis nedaro paprasto nuotraukos – jis kuria detalų jūsų odos paviršiaus žemėlapį, analizuoja kiekvieną vingį, kilpą ir linijos nutrūkimą. Šiuolaikiniai skaitytuvai gali užfiksuoti net smulkiausias detales, kurios yra mažesnės nei plaukas storis.

Kodėl mūsų pirštai tokie ypatingi

Pirštų atspaudai formuojasi dar prieš gimimą, apie 10-24 nėštumo savaitę. Jie susidaro dėl sudėtingo biologinio proceso, kai oda auga skirtingais greičiais skirtinguose sluoksniuose. Tai primena popierių, kurį sugniaužėte ir vėl išskėtėte – raukšlės lieka unikalios.

Įdomiausia tai, kad net identiški dvyniai neturi vienodų pirštų atspaudų. Nors jų DNR beveik identiška, aplinkos veiksniai motinos įsčiose – skysčio judėjimas, piršto padėtis, prisilietimas prie įsčių sienelės – sukuria visiškai unikalų raštą kiekviename pirštuke. Tikimybė, kad du žmonės turėtų identiškus pirštų atspaudus, yra maždaug 1 iš 64 milijardų.

Mūsų pirštų galiukuose yra trys pagrindiniai raštų tipai: lankai (apie 5% žmonių), kilpos (65%) ir sūkuriai (30%). Bet tikroji unikalumas slypi ne tik bendrame rašte, o smulkiose detalėse – minutijose. Tai linijų galiukai, šakojimosi taškai, trumpos linijos, salelės. Vidutiniškai viename pirštų atspaude yra apie 150 tokių unikalių taškų.

Optinis skaitymas – klasika, kuri vis dar veikia

Pirmieji komerciniai pirštų atspaudų skaitytuvai naudojo optinę technologiją, kuri iš esmės veikia kaip labai pažangi kamera. Kai pridedate pirštą prie stiklo paviršiaus, apačioje esantis LED šviesos šaltinis apšviečia jūsų odą. Šviesa atsispindi nuo odos paviršiaus ir patenka į CCD (Charge-Coupled Device) arba CMOS sensorių – tokius pat, kokie naudojami skaitmeniniuose fotoaparatuose.

Štai kaip tai veikia praktiškai: linijų viršūnės (papilės), kurios liečia stiklą, atsispindi tamsiau, o įdubos (tarpai tarp linijų) – šviesiau. Sensorius užfiksuoja šį kontrastą ir sukuria juodai-baltą vaizdą – jūsų pirštų atspaudų skaitmeninę kopiją.

Modernesni optiniai skaitytuvai naudoja prizmes ir sudėtingesnes optines sistemas. Šviesa keliauja per prizmę ir atsispindi skirtingais kampais nuo linijų ir įdubų. Tai leidžia gauti daug aiškesnį vaizdą ir apsunkina apgavystes naudojant nuotrauką ar guminį pirštų atspaudų kopiją.

Kapacityvinis jutimas – jūsų telefonas tikriausiai naudoja būtent šį

Jei turite išmanųjį telefoną su pirštų atspaudų skaitytuvų, labai tikėtina, kad jis naudoja kapacityvinę technologiją. Ši sistema veikia panašiai kaip jutiklinis ekranas – ji reaguoja į elektros laukus.

Kapacityvinis skaitytuvas sudarytas iš tūkstančių mažyčių kondensatorių, išdėstytų ant mikroschemos paviršiaus. Kai pridedate pirštą, kiekvienas kondensatorius, esantis po odos linijos viršūne, įkraunasi kitaip nei tas, kuris yra po įduba. Kodėl? Nes jūsų oda yra elektros laidininkas, o oras įdubose – ne.

Mikroschema išmatuoja kiekvieno kondensatoriaus įkrovą ir sukuria elektrinio lauko žemėlapį. Linijų viršūnės sukuria stipresnį signalą, įdubos – silpnesnį. Rezultatas – labai tikslus jūsų pirštų atspaudų vaizdas, kurį beveik neįmanoma suklastoti paprastu nuotraukos atspaudu.

Kapacityviniai skaitytuvai turi keletą privalumų: jie kompaktiški, gana pigūs masinėje gamyboje ir gali būti integruoti į labai plonų įrenginių korpusus. Be to, jie veikia tik su gyvu audiniu – negyvos odos elektrinės savybės skiriasi, todėl sistema to nepriims.

Ultragarso banga, kuri mato gilyn

Naujausios kartos skaitytuvai, ypač tie, kurie integruoti po telefono ekranu, dažnai naudoja ultragarsą. Ši technologija veikia panašiai kaip nėščių moterų ultragarsinis tyrimas ar laivų sonaras – tik mikroskopiniame lygmenyje.

Ultragarso skaitytuvas skleidžia aukšto dažnio garso bangas (žmogaus ausiai negirdimas), kurios keliauja per ekrano stiklą ir atsimušą į jūsų piršto odą. Linijų viršūnės ir įdubos atsispindi skirtingai, o sensorius užfiksuoja grįžtančias bangas ir apskaičiuoja atstumą iki kiekvieno odos taško.

Didžiulis pranašumas – ultragarso skaitytuvai gali „matyti” gilyn į odą, ne tik paviršių. Jie analizuoja ne tik išorines linijas, bet ir poodines struktūras, kraujagysles, prakaitavimo liaukų išsidėstymą. Tai daro juos itin saugius – suklastoti tokį atspaudą praktiškai neįmanoma.

Tačiau yra ir minusų. Ultragarso skaitytuvai brangūs, kartais lėtesni nei kapacityviniai, ir gali turėti problemų, jei jūsų pirštas šlapias ar labai šaltas. Bet technologija nuolat tobulėja – naujausi modeliai jau veikia beveik taip pat greitai kaip tradiciniai.

Nuo vaizdo iki sprendimo – kas vyksta po nuskaitymu

Kai skaitytuvas sukuria jūsų pirštų atspaudų vaizdą, prasideda tikrasis darbas. Sistema neišsaugo viso atspaudų nuotraukos – tai būtų nesaugu ir užimtų per daug vietos. Vietoj to, ji išskiria tuos pačius unikalius taškus – minutijas.

Specialus algoritmas analizuoja vaizdą ir identifikuoja:

• Linijų galiukus (kur linija staiga baigiasi)
• Bifurkacijas (kur viena linija išsišakoja į dvi)
• Trumpas linijas (mažos atskiros linijos)
• Salelių formacijas (uždaras linijų kilpas)
• Deltas (trikampius, kur linijos susitinka)

Kiekvienas taškas užrašomas kaip koordinatės rinkinys su papildoma informacija – kokio tipo tai minutija, kokiu kampu ji orientuota, kaip ji susijusi su kitomis minutijomis. Iš 150 galimų minutijų sistema pasirenka 30-40 patikimiausių ir sukuria matematinį šabloną – unikalų skaičių rinkinį, kuris reprezentuoja jūsų pirštą.

Šis šablonas paprastai užima tik 500-1000 baitų – mažiau nei paprasta tekstinė žinutė! Jis šifruojamas ir saugomas atskirame saugios atminties sektoriuje, dažnai specialiame procesoriuje, vadinamame Secure Enclave ar TEE (Trusted Execution Environment).

Palyginimas – ar tai tikrai jūs?

Kai bandote atrakinti telefoną, sistema nuskaito jūsų pirštą ir sukuria naują šabloną. Bet ji neieško 100% atitikmens – tai būtų neįmanoma. Kiekvieną kartą pridedate pirštą šiek tiek kitaip: kitu kampu, kitu spaudimu, galbūt pirštas šiek tiek drėgnesnis ar sausesnis.

Vietoj to, sistema skaičiuoja panašumo balą. Ji palygina naująjį šabloną su išsaugotu ir žiūri, kiek minutijų sutampa. Jei sutampa bent 12-15 minutijų (priklauso nuo sistemos saugumo lygio), sistema priima jus. Jei mažiau – atmeta.

Įdomu tai, kad geresnės sistemos naudoja mašininio mokymosi algoritmus, kurie tobulėja kiekvieną kartą, kai naudojate skaitytuvą. Jos išmoksta atpažinti jūsų įpročius – kaip paprastai laikote telefoną, kokiu kampu pridedate pirštą. Tai paaiškina, kodėl pirštų atspaudų atpažinimas kartais tampa greitesnis ir tikslesnis po kelių savaičių naudojimo.

Saugumas ir ką reikėtų žinoti

Pirštų atspaudų skaitytuvas yra patogus, bet ar saugus? Atsakymas – priklauso. Jis tikrai saugesnis nei keturių skaitmenų PIN kodas, kurį kas nors gali pamatyti per jūsų petį. Bet jis nėra tobulas.

Profesionalūs įsilaužėliai gali nukopijuoti pirštų atspaudus nuo stiklinės ar blizgaus paviršiaus ir sukurti dirbtinį pirštą. Tačiau tai reikalauja laiko, įgūdžių ir prieigos prie jūsų tikrų atspaudų. Paprastam vagiliui gatvėje tai per sudėtinga.

Didesnis rūpestis – kas atsitinka, jei jūsų pirštų atspaudų duomenys nutekinami? Slaptažodį galite pakeisti, bet pirštų atspaudų ne. Todėl svarbu, kad sistema saugotų tik šabloną, ne tikrą vaizdą. Iš 500 baitų šablono neįmanoma atkurti tikro pirštų atspaudo – tai vienos krypties transformacija.

Praktiniai patarimai saugumui:

• Registruokite kelis pirštus – jei vienas susižeistų, turėsite atsarginį
• Visada nustatykite atsarginį slaptažodį ar PIN – kai pirštai šlapi ar šalti, skaitytuvas gali neveikti
• Valykite skaitytuvą – nešvarumai ir riebalai blogina tikslumą
• Jei turite gilų įpjovimą ar nudegimą ant piršto, gali tekti iš naujo registruoti atspaudą
• Ypač slaptiems duomenims naudokite dviejų faktorių autentifikaciją – pirštų atspaudas plius slaptažodis

Ateitis jau čia ir ji dar įdomesnė

Pirštų atspaudų skaitytuvo technologija nesiruošia sustoti. Jau dabar kuriami skaitytuvai, kurie gali analizuoti ne tik linijas, bet ir kraują tekantį po oda. Tai reiškia, kad sistema galėtų patikrinti, ar pirštas tikrai gyvas ir priklauso gyvam žmogui, o ne dirbtinė kopija.

Kiti tyrinėtojai eksperimentuoja su visiškai naujais biometrijos metodais – venos ant delno, ausies formos, net kaip vaikštote. Bet pirštų atspaudai išliks populiarūs dėl savo paprastumo ir patikimumo. Juk nereikia nieko atsiminti ar nešiotis – jūsų pirštai visada su jumis.

Naujausios technologijos leidžia integruoti skaitytuvus į vis didesnius ekrano plotus. Netrukus galbūt galėsite prisiliesti bet kurioje ekrano vietoje ir telefonas jus atpažins. Kai kurie gamintojai jau eksperimentuoja su sistemomis, kurios gali nuskaityti kelis pirštus vienu metu, dar labiau padidinant saugumą.

Tas mažas stikliukas ar jutiklis jūsų telefone slepia tikrą technologijų stebuklą – sudėtingą optiką, jautrius sensorius, galingus algoritmus ir pažangų šifravimą. Ir visa tai veikia per akimirką, kol jūs tiesiog pridedate pirštą norėdami patikrinti žinutes. Kartais verta sustoti ir pagalvoti, kiek daug inžinerijos ir mokslo slypi už tokių kasdienių, atrodytų savaime suprantamų dalykų.