Как мы стали беречь наши пальцы чуточку больше
Привет, Geektimes! Наличие сканера отпечатков пальцев в смартфоне в последнее время для многих стало одним из главных факторов при выборе устройства для покупки. Хотя данный тип биометрической технологии безопасности отнюдь не новый, компактными и дешевыми сканеры отпечатков научились делать сравнительно недавно. Но задумывались ли вы о том, что происходит, когда вы подносите свой палец для разблокировки телефона? Мы вот решили разобраться и просим всех заинтересовавшихся под кат.
Отпечаток пальца, как известно, не изменяется в течение всей жизни человека, что позволяет идентифицировать его как в 15, так и в 75 лет. Отпечаток начинает формироваться еще на стадии развития плода, но даже у однояйцевых близнецов отпечатки не бывают идентичными. Поэтому это один из самых распространенных и безопасных (после сканера сетчатки и радужной оболочки глаза или анализа ДНК) способов идентификации человека. Удалить его как в фильме «Люди в черном» не получится.
Если смотреть с точки зрения физиологии, отпечаток пальца — это определенный набор выступов с индивидуальными порами, которые разделены между собой впадинами. А поскольку он связан с тепловыми и электрическими характеристиками кожи, для получения его изображения можно использовать как тепло, так и свет, и электрическую емкость (или все вместе).
Существует целый ряд разновидностей сканеров отпечатков пальцев — некоторые применяются на секретных объектах (вместе с анализом походки и другими фишками, конечно же), другие уже вошли в жизнь владельцев современных смартфонов как нечто обыденное. Если обобщить, можно выделить три основные группы сканеров отпечатков:
Оптические сканеры
Они, как следует из названия, используют оптические методы получения изображения отпечатка. Этот метод является самым старым методом захвата отпечатков пальцев: фотография отпечатка обрабатывается при помощи специальных алгоритмов, которые обнаруживают уникальные гребни и выступы. Полученное изображение сравнивается с заложенными в системе, после чего пользователю отправляется положительный или отрицательный ответ. Оптические сканеры подразделяются на FTIR-сканеры, оптоволоконные, протяжные, роликовые, электрооптические и бесконтактные.
В сканерах FTIR используется эффект нарушенного полного внутреннего отражения (Frustrated Total Internal Reflection). В данном случае свет падает на границу раздела двух сред, после чего одна часть световой энергии отражается от границы, а вторая проникает через нее во вторую среду. Сколько энергии будет отражено, определяется углом падения: когда он достигает определенной величины, от границы раздела отражается вся световая энергия, что и называется полным внутренним отражением.
При контакте отпечатка пальца (более плотной среды) с менее плотной пучок света проходит через границу в точке полного внутреннего отражения. Так что будут отражены только те пучки света, попавшие в точки, к которым не приложен капиллярный узор поверхности пальца. Далее CCD или CMOS фиксирует итоговую световую картинку поверхности пальца.
Оптоволоконные сканеры работают несколько иначе. По сути мы имеем оптоволоконную матрицу, при этом каждое её волокно заканчивается фотоэлементом. Каждый фотоэлемент фиксирует остаточный свет, который прошёл через палец, в той точке, где отпечаток прикасается к поверхности сканера. Далее данные всех элементов агрегируются и на их основании получается изображение отпечатка пальца.
В электрооптических сканерах используется специальный полимер, в составе которого есть светоизлучающий слой. На нем отражается неоднородность электрического поля пальца у поверхности сканера, после чего высвечивается отпечаток пальца. Остальную работу проделывают фотодиоды, преобразующие все в цифровой вид. Протяжные сканеры — одни из самых интересных, поскольку в этом случае палец не прикладывается к поверхности сканера, как мы привыкли, а проводится по считывателю, который представляет собой узкую полоску. Принцип их работы во многом схож с FTIR-сканерами, о которых упоминалось ранее.
При использовании бесконтактных сканеров вам даже не придется контактировать с поверхностью сканирующего устройства. Палец прикладывается к специальному отверстию, его подсвечивают снизу несколько источников света, линза собирает информацию, затем данные проецируются на CMOS, где преобразуются в изображение отпечатка пальца.
Оптические сканеры довольно легко обмануть, поскольку они захватывают только 2D-изображение — в этом один из их главных недостатков. В наше время они уже отошли на второй план, тем не менее во многих сферах до сих пор используются. Но уж точно не на секретных объектах и не там, где серьезно заботятся о безопасности: для этого и придумали кремниевые (полупроводниковые) и ультразвуковые сканеры.
Кремниевые (полупроводниковые) сканеры
Основное отличие полупроводниковых сканеров от оптических в том, что в данном случае изображение получается с помощью свойств полупроводников, которые изменяются в местах контакта отпечатка пальца с поверхностью сканера. Полупроводниковые сканеры реализуют несколькими способами, но наиболее распространенный из них — емкостный.
В емкостных сканерах для получения изображения отпечатка применяется эффект изменения емкости p-n-перехода полупроводникового прибора, когда гребень узора отпечатка соприкасается с полупроводниковой матрицей. Одна из модификаций емкостного сканера — когда основным модулем для сканирования является конденсатор. То есть традиционное изображение отпечатка не создается: вместо этого сбор данных осуществляется с помощью массивов крошечных цепей конденсатора. Поскольку конденсаторы хранят электрический заряд, когда палец контактирует со сканером, заряд будет изменен там, где гребень прикасается к пластине. Там, где на узоре впадины, заряд останется практически неизменным.
Изменения заряда отслеживаются, тем самым захватываются данные об отпечатке. Затем они преобразуются в цифровые, после чего начинается поиск отличительных и уникальных атрибутов отпечатка — они сравниваются с сохраненными для сравнения отпечатками.
Емкостные сканеры сейчас нашли признание у производителей смартфонов за счет оптимального соотношения цены и качества. У них низкая себестоимость и высокая степень защиты от муляжей — обмануть, конечно, можно, но это будет не так просто. Первым смартфоном от Xiaomi со сканером отпечатков пальцев стал Redmi Note 3, он же используется в одной из новинок компании — Xiaomi Mi Max. Не отказывается от емкостного сканера и OnePlus в своём OnePlus 3.
Из полупроводниковых сканеров также активно используются чувствительные к давлению и термо-сканеры, но не в смартфонах. В первом случае изображение поверхности пальца получается при помощи давления, которое оказывают выступы папиллярного узора на элементы поверхности, однако защита от муляжей здесь довольно низкая. В термо-сканерах используется температурная карта поверхности пальца, которая и преобразуется в цифровое изображение. Подделать такой отпечаток гораздо сложнее.
Остальные виды полупроводниковых сканеров по сути представляют собой разновидность емкостных, протяжных или термо-сканеров.
Ультразвуковые сканеры
Еще несколько лет назад данный тип сканирования отпечатков пальцев был слишком дорогим, однако с развитием технологий он добрался и до смартфонов. Ультразвуковой тип характеризуется сканированием поверхности пальца при помощи ультразвуковых волн и измерения расстояния между источником волн и рельефом отпечатка по отраженному эху.
Ультразвуковой импульс передается на палец перед сканером — часть его поглощается, а другая часть возвращается к приемнику. После этого она распознается в зависимости от гребней, впадин и других уникальных элементов отпечатка. Чем дольше происходит сканирование, тем лучше распознаются дополнительные данные об отпечатке — в результате получаются подробные 3D-изображения.
Технология, конечно, очень интересная — одним из первых смартфонов с ультразвуковым сканером отпечатков пальцев стал Le Max 2 от LeEco. Другие производители пока смотрят в эту сторону с осторожностью, все же ультразвуковой сканер в смартфонах еще недостаточно «обкатан», да и реализация подороже, что может увеличить конечную стоимость смартфона для покупателей. Поэтому в Mi5, например, Xiaomi не стала использовать ультразвуковой сканер и сделала выбор в пользу емкостного.
На CES 2016 Qualcomm представила технологию Sense ID — усовершенствованный 3D-датчик сканера, который собирает намного больше индивидуальной информации. Ультразвук проникает через металлические поверхности, стекло и некоторые пластмассы и получает не двухмерную, а подробную трехмерную карту отпечатка пальца.
Qualcomm Sense ID — ультразвуковой сканер отпечатков
И что, это действительно безопасно?
Конечно, любой сканер отпечатков пальцев можно обмануть. Емкостные сканеры старого образца плохо воспринимали мокрые или холодные пальцы, в современных смартфонах (том же Redmi Pro) эта проблема уже практически решена и сканер срабатывает очень быстро. В определенном плане ультразвуковые сканеры безопаснее, но до рынка эта тенденция скорее всего доберется только через пару лет. Изготовить слепок пальца сложно, еще сложнее применить его для разблокировки современного смартфона.
Очень интересно реализована область Secure Enclave у Apple. По сути это сопроцессор, который использует шифрованную память и включает в себя аппаратный генератор случайных чисел. При изготовлении каждый такой сопроцессор имеет свой уникальный идентификатор — он неизвестен ни другим компонентам системы, ни самой Apple (по крайней мере, так говорят в компании). Secure Enclave обрабатывает данные с датчика Touch ID: процессор не может прочитать информацию об отпечатке и сразу перенаправляет ее сопроцессору. Данные шифруются при помощи алгоритма AES.
Заметили, что iPhone просит пароль каждый раз после перезагрузки? Пароль является ключом для расшифровки отпечатков пальцев — он активируется при любых обстоятельствах, свидетельствующих о постороннем вмешательстве: добавление нового отпечатка, выключение смартфона, пять неверных попыток разблокировки и так далее. Кстати, в том числе поэтому кнопку с Touch ID нужно беречь — если она сломается и вы ее поменяете на неоригинальную, то сканер отпечатков превратится в тыкву работать не будет. А что вы хотели? Безопасность.
Тем не менее и у Apple все не так совершенно, правда здесь уже вину стоит переложить на разработчиков приложений. Если кто-то подсмотрит пароль владельца iPhone, он сможет разблокировать смартфон, добавить свой отпечаток, а затем авторизоваться во всех приложениях с Touch ID (мессенджерах, банковских и так далее), даже если их пароли отличны от системного. Начиная с iOS 9.0 разработчики могут устанавливать проверку (об этом недавно был пост на Geektimes) на появление новых отпечатков в момент запуска приложения, однако, многие, как правило, этой рекомендацией не пользуются.
Ну и что делать?
Ответ простой и очевидный — пользоваться! Сканеры отпечатков пальцев уже вошли в нашу жизнь как безопасная альтернатива запоминанию логинов и паролей, и владельцы смартфонов с соответствующей функциональностью что-то не жалуются. Взломать можно всё, однако, сейчас уровень безопасности сканеров действительно высокий, к тому же технология не стоит на месте и развивается — ультразвуковые сканеры в смартфонах тому подтверждение.
Сканеры отпечатков пальцев в смартфонах — вовсе не изобретение последних лет. Первым телефоном с дактилоскопическим сенсором был Pantech GI100, выпущенный ещё в далёком 2004 году, а одним из первых коммуникаторов — Toshiba Portege G500 родом из 2007 года. Такие сенсоры появлялись в мобильных гаджетах время от времени, но настоящий бум пережили только в 2013–2014 годах. В сегодняшней статье мы расскажем, что привело к такой популярности сканеров отпечатков, какие технологии в них используются, и чем они могут быть полезны сейчас и в ближайшем будущем.
Оптические сенсоры
Существует три основных типа сканеров отпечатков пальцев: оптические, полупроводниковые и ультразвуковые. Несмотря на то, что в мобильных устройствах первыми стали использоваться полупроводниковые сенсоры, мы начнём с оптических сканеров, которые появились раньше.
Оптические сканеры, в свою очередь, также бывают трёх видов: измеряющие остаточный свет, измеряющие отражённый свет и бесконтактные датчики. Первый тип сканеров требует наличия внешнего освещения и измеряет количество прошедшего сквозь палец света в бороздках и выступах — как нетрудно догадаться, бороздки такой сканер увидит как более светлые места. В мобильных устройствах оптические сканеры, работающие на просвет, не применялись.
Вторые два типа оптических сканеров схожи между собой тем, что имеют внутренний источник подсветки. Разница заключается в том, что сканеры, измеряющие отражённый свет, «видят» только бороздки пальца, поскольку они плотно прилегают к стеклу, а бесконтактные сканеры, фактически, создают полную фотографию отпечатка, а уже затем сравнивают её с эталоном. Для уменьшения габаритов таких сканеров используются протяжные (необходимо проводить пальцем над фотоэлементом) и роликовые (палец вращает подсвеченный ролик) механизмы, которые можно увидеть в современных ноутбуках.
К сожалению, информацию о том, какой именно тип оптического сканера используется в том или ином гаджете найти практически невозможно, но, в целом, первенство первого мобильного телефона с оптическим сенсором принадлежит упомянутому Pantech GI100.
С тех пор попытки внедрить оптические сканеры в смартфоны повторялись несколько раз — первым Android-смартфоном с таким сенсором (и дактилоскопическим сенсором вообще) стал Motorola Atrix 4G.
Оптические сенсоры довольно просты по своей конструкции, однако имеют ряд недостатков, включая низкую защищённость к муляжам. Но главной причиной отказа от подобных сканеров в смартфонах стали их большие габариты (даже несмотря на применение роликовых и протяжных механизмов), ведь им требуется полноценный оптический сенсор и подсветка.
Полупроводниковые сканеры
Полупроводниковые сенсоры используют свойство полупроводниковых материалов изменять свои характеристики при внешнем воздействии — температурном, физическом, электрическом. Первым карманным гаджетом с таким сканером отпечатков стал КПК HP iPAQ 5550. В нём использовался температурный сенсор, который реагировал на разницу температур между плотно прилегающим к сканеру папиллярным узором и самим сенсором. Главный недостаток температурных сенсоров — быстрый нагрев сенсора от пальца, который приводит к ослаблению сигнала (он имеет высокий уровень, когда высока разница температур между пальцем и сканером) и медленной работе сканера.
Ещё два типа полупроводниковых сканеров, радиочастотные и чувствительные к давлению, довольно редки и в мобильных гаджетах пока не использовались. Радиочастотные сенсоры издают слабый радиосигнал, который отражается от папиллярного узора и попадает на чувствительную матрицу. Обмануть такой сенсор почти невозможно, но при плохом контакте пальца со сканером его работа будет неустойчивой. Сенсоры, чувствительные к давлению, сканируют расположение папиллярного узора благодаря тому, что он давит на сканер сильнее, чем бороздки. Чтобы обмануть такой сканер достаточно простого слепка, а потому он и не снискал популярности.
Настоящую популярность в смартфонах получили ёмкостные сенсоры, причём не без помощи компании Apple. Несмотря на то, что сканеры отпечатков пальцев в смартфонах были и раньше, «яблочной компании» первой удалось реализовать компактный и быстрый сенсор, который, к тому же, имел бы удобное расположение. Принцип работы таких сканеров похож на принцип работы ёмкостных сенсорных дисплеев: пальцы человека проводят электрический ток, который изменяет заряд микроскопических конденсаторов сенсора. Причём, папиллярный узор изменяет заряд сильнее, чем бороздки, что позволяет получить чёткое изображение отпечатка. Но, в отличие от тачскринов, дактилоскопические сенсоры имеют намного более высокое разрешение: к примеру, в Touch ID плотность чувствительных элементов составляет 500 ppi.
Довольно часто ёмкостные сенсоры в современных смартфонах называют оптическими, но это в корне неверно. Несмотря на то, что ёмкостные сканеры, как и оптические, используют КМОП-матрицы для обработки сигналов и конденсаторы для измерения разницы в воздействии на сенсор между бороздками и выступами, ёмкостные сенсоры не содержат фотодиодов и не нуждаются в подсветке, что делает их компактнее и быстрее. Обмануть такой датчик хоть и сложно, но можно: для этого понадобится качественная фотография пальца, специально настроенный принтер и немного химии. Это станет помехой для большинства недоброжелателей, но рассматривать такой сенсор как абсолютно защищённый нельзя.
Ультразвуковые сенсоры
Пока что этот тип сенсоров мало распространён, но всё указывает на то, что именно за ним будущее. Во-первых, как можно понять из названия, такие сканеры используют ультразвуковые волны, что ведёт к отсутствию необходимости использовать для датчика отдельную площадку — его можно встроить куда угодно, даже под дисплей. Во-вторых, частота звука в таких сканерах настроена на отражение волн от человеческого тела, а это значит, что обмануть такой сенсор механическими способами пока что невозможно — такие методы ещё не найдены. Ну и, в-третьих, именно ультразвуковые сенсоры способны сканировать отпечатки в максимальном разрешении и даже создавать их трёхмерные модели — по точности и скорости срабатывания им нет равных.
Разработкой ультразвуковых сенсоров для использования в смартфонах занимается компания Qualcomm, которая назвала свою технологию Sense ID. Первым ультразвуковой сканер получил китайский смартфон LeTV Le Max Pro, а также их можно встретить во флагманской линейке Sony Xperia Z5. По слухам, сейчас к выпуску готовятся сразу несколько смартфонов разных компаний с такими сенсорами.
Безопасность хранения отпечатков
В настоящее время основная функция дактилоскопических сенсоров в смартфонах — безопасность. Причём, абсолютно во всех устройствах отпечатки пальцев используются только как дополнение к паролю, который всё равно потребуется вводить в случае ошибок распознавания, после перезагрузки гаджета и в некоторых других ситуациях. Несмотря на это, если пароль вы можете задать любой, то отпечаток является уникальным, и его попадание в чужие руки может обернуться неприятностью. Это делает необходимым применение специальных методов защиты для образов отпечатков. Первая особенность этих методов — использование специального защищённого чипа или отдельной области в чипсете для хранения информации об отпечатках. Разные компании дали этой технологии свои названия: TrustZone (ARM), Secure Enclave (Apple) и Snapdragon Mobile Security (Qualcomm).
Вторая особенность заключается в специальных методах хранения и обработки отпечатков. Несмотря на то, что современные ёмкостные и ультразвуковые сенсоры способы создавать высококачественные изображения отпечатков, информация о них в защищённых зонах хранится в виде математических образов. Этот механизм схож с хэш-функциями: имея оригинал, можно точно сказать, соответствует ли он эталонной хэш-сумме, но если у вас есть только хэш-сумма, то восстановить по ней оригинал невозможно. Кроме того, для увеличения скорости срабатывания сенсора, возможности распознавания отпечатка под углом или даже по части отпечатка применяется не полное сравнение отпечатков, а по так называемым «деталям». «Деталями» могут быть отдельные участки папиллярного рисунка, ветвления, повороты бороздок и другие характерные области. Этот подход значительно увеличивает быстродействие сканеров и при этом сохраняет высокий уровень точности.
Универсальный ключ
В первых гаджетах с дактилоскопическими сенсорами своим отпечатком можно было разве что разблокировать устройство, да и сами аппараты не имели такой глубокой интеграции с различными сервисами, как современные смартфоны. Но сейчас отпечатки пальцев уже могут использоваться для доступа к защищённым областям памяти в устройствах, как подтверждение покупок в магазинах приложений и как средство авторизации в различных сервисах, включая банковские. Всё идёт к тому, что пользователи мобильных устройств в скором времени забудут о паролях вовсе и даже вход на сайты в интернете будет производиться по отпечатку: браузеры уже умеют запоминать пароли и ничего не стоит научить их подставлять данные для аутентификации в нужные поля по отпечатку пальца. Эта функция уже реализована в смартфонах Samsung, но работает только со стандартным браузером. Стандартизировать аутентификацию с помощью отпечатков пальцев собирается альянс FIDO, куда входит множество IT-компаний, включая Samsung, Microsoft, Qualcomm, ARM и многие другие. По задумке альянса, хранить пароли от web-сайтов в устройстве будет вообще не обязательно: компании предлагают создавать криптографический ключ на основе отпечатка, по которому удалённый сервер сможет вас авторизовать.
Пока авторизация на удалённых серверах находится только в планах FIDO, сторонние приложения на смартфонах уже могут получать доступ к функциям сканеров отпечатков. И Apple (начиная с iOS 8), и Google (начиная с Android 6.0 Marshmallow) уже открыли API (интерфейс, предоставляющий определённую функциональность сторонним программам) в своих операционных системах, которым может воспользоваться каждый разработчик. Благодаря API, приложения не будут иметь доступ ни к отсканированному отпечатку, ни к хранящемуся в устройстве его образу. Сканирование и сравнение производятся на глубоком системном уровне, и всё, что могут узнать сторонние программы — совпали или не совпали отпечатки.
Заключение
Не всегда новая (или хорошо забытая старая) технология, однажды появившись в смартфоне, приобретает популярность. Так было с 3D-дисплеями и 3D-камерами, «ультрапикселями» и смартфонами с изогнутыми корпусами. Но сканеры отпечатков пальцев ждёт другая судьба и с каждым годом они всё больше входят в нашу жизнь. Главная причина этого заключается в том, что это «фишка» внедрена не для того, чтобы ей можно было похвастаться перед друзьями, а для того, чтобы решать конкретные задачи — делать использование смартфонов проще, ускорять процесс разблокировки и ввода паролей, а ведь время всегда остаётся наиболее ценным ресурсом.
Автор текста: Владимир Терехов
