حسگرهای اثر انگشت چگونه کار می‌کنند؟ + تصاویر

به گزارش گروه فضای مجازی ، حسگر اثر انگشت این روزها دیگر قابلیتی نیست که تنها در پرچم داران یافت شوند. ممکن است حتی گوشی میان رده شما با قیمتی معقول نیز به چنین ابزاری مجهز باشد. تکنولوژی حسگرها نیز از روزهای ابتدایی تا الان تغییرات بسیاری کرده است. در این مطلب می‌خواهیم نگاهی به نحوه کارکرد جدیدترین حسگرهای اثر انگشت و تفاوت‌های آن‌ها بیندازیم.

حسگر‌های اپتیکال

حسگرهای اپتیکال قدیمی‌ترین نوع حسگرهای اثر انگشت هستند. این روش بر این اساس استوار است که سنسور با ثبت تصویری از اثر انگشت و به کمک الگوریتم‌هایی، الگوهای منحصر به فرد روی سطح انگشت را تشخیص می‌دهد. برای این کار از آنالیز رنگ تصویر گرفته شده و اینکه در کدام مناطق تصویر تاریک‌تر یا روشن‌تر است استفاده می‌شود.

مانند دوربین گوشی‌های هوشمند این سنسورها هم رزولوشن محدودی دارند و هرچه رزولوشن نصویر گرفته شده بالاتر رود حسگر اطلاعات بیشتری از انگشت شما را می‌تواند تشخیص دهد که این مسئله باعث افزایش سطح امنیتی نیز می‌شود. البته لازم به ذکر است که سنسورهای به کار رفته در این حسگرها تصاویری با کنتراست بالاتری نسبت به دوربین‌های معمولی را ثبت می‌کنند.

این حسگرها تعداد زیادی دیود در هر اینچ دارند تا بتوانند اطلاعات را با دقت زیادی دریافت کنند. هنگامی که شما انگشت خود را بر روی حسگر قرار می‌دهید فضا بسیار تاریک می‌شود و عملا ثبت تصویر دقیق را غیر ممکن می‌سازد. برای حل این مشکل از یک ردیف LED به عنوان فلاش استفاده می‌شود تا بتواند محیط را برای عکس‌برداری مناسب کند. البته این تکنولوژی امروزه زیاد برای طراحی تلفن‌های هوشمند مناسب نیست چون فضای زیادی را اشغال می‌کند و سازندگان دوست دارند محصولاتشان باریک‌تر از گذشته باشد.


مشکل اصلی حسگرهای اپتیکال این است که فریب دادن آن‌ها چندان دشوار نیست. از آنجا که این تکنولوژی به کمک آنالیز یک تصویر دو بعدی کار می‌کند به کمک یک عضو مصنوعی یا تصویری با کیفیت خوب از اثر انگشت صاحب دستگاه به راحتی می‌توان آن‌ها را فریب داد. به همین دلیل این حسگرها برای رمزگذاری بر روی اطلاعات حساس شما به اندازه کافی امن نیستند.

همانطور که صفحه‌های لمسی مقاومتی در سال‌های ابتدایی آمدن صفحه های لمسی بسیار مورد استفاده قرار می‌گرفت و امروزه دیگر اثری از آن ها نیست، اکنون اثری از حسگرهای اپتیکال نیز نمی‌توانید پیدا کنید. مگر اینکه تولیدکننده بخواهد محصولش که به چنین سنسوری مجهز شده قیمت بسیار پایینی داشته باشد.

حسگرهای خازنی

رایج‌ترین حسگرهایی که امروزه مورد استفاده قرار می‌گیرد حسگرهای خازنی هستند. همانطور که از نام آن‌ها بر می‌آید این حسگرها به کمک خازن و خاصیت‌های مفیدش کار می‌کنند.

در این روش به جای ثبت یک تصویر و سپس آنالیز آن از یک ردیف مدار خازنی کوچک استفاده می‌شود که اطلاعات مربوط به اثر انگشت کاربر را جمع آوری می‌کند. خازن‌ها ابزارهایی هستند که می‌توانند بارهای الکتریکی را در خود ذخیره کنند و در موقع نیاز به مدار تحویل دهند. در این حسگر‌ها خازن ها به یک سطح رسانا متصل می‌شوند. هنگامی که سطح انگشت و برآمدگی‌های آن با سطوح رسانا تماس پیدا می‌کند در میزان بار ذخیره شده در خازن تغییر ایجاد می‌شود. این در حالی است که در فواصلی که هوا وجود دارد تغییری در میزان بار خازن‌ها بوجود نمی‌آید. به کمک یک تقویت کننده عملیاتی (به انگلیسی: op-amp) این تغییرات ثبت شده و سپس به کمک یک مبدل آنالوگ به دیجیتال ذخیره می‌شوند.


هنگامی که برای اولین بار از این حسگر استفاده می‌شود، داده‌های دیجیتال ذخیره می‌شوند تا برای دفعات بعد و مقایسه اثر انگشت مورد استفاده قرار بگیرند. نکته جالب توجه در مورد این تکنولوژی این است که دور زدن آن بسیار دشوارتر از فریب دادن حسگرهای اپتیکال است. به کمک تصویر که هرگز نمی‌توانید این تکنولوژی را فریب دهید. یک عضو مصنوعی ساخته شده از انگشت فرد نیز نمی‌تواند این فناوری را دور بزند زیرا مواد به کار رفته در ساخت آن عضو در میزان تغییر بار داخل خازن‌ها موثر است و تنها پوست دست انسان می‌تواند تغییر قابل قبول را در بار خازن‌ها بوجود بیاورد. تنها از طریق هک سخت‌افزاری یا نرم‌افزاری می‌توان چنین حسگرهایی را فریب داد.

برای تهیه ردیفی کافی از خازن‌ها نیاز به تعیبه صدها و بلکه هزاران خازن در یک حسگر است تا بتواند به طور دقیق برآمدگی‌ها و فرورفتگی‌های روی انگشت را به کمک سیگنال‌های الکتریکی تشخیص دهد. مانند حسگرهای اپتیکال هر چه تعداد خازن‌ها بیشتر باشد دقت تشخیص اثر انگشت بالاتر رفته و امنیت حسگر بیشتر می‌شود.


به خاطر نیاز به تعداد بالای خازن مورد نیاز در این حسگرها معمولا قیمت آنها بالاست. یک ایده برای کم کردن هزینه تولید حسگر این بود که به جای استفاده از تعداد زیاد خازن از تعداد کمتری از آن‌ها استفاده کنیم و در عوض کاربر به جای اینکه انگشت خود را بر روی حسگر قرار دهد و منتظر اسکن انگشتش شود، مجبور به کشیدن انگشت بر روی حسگر شود. با این کار به سرعت اطلاعات بخشی از انگشت که از روی ردیف خازن‌ها عبور کرده به سنسور تشخیص دهنده فرستاده شده و در پایان عملیات تطابق انجام می‌شود. ایده‌ای که جالب به نظر می‌رسد اما هنگامی که عملیاتی شد شکایت کاربران را به دنبال داشت. آن‌ها اعتراض داشتند برای اینکه حسگر بتواند اثر انگشتشان را تشخیص دهد معمولا باید چندین بار انگشت خود را بر روی آن بکشند. خوشبختانه امروزه این شیوه منسوخ شده است.

حسگرهای فراصوت (اولتراسونیک)

جدیدترین تکنولوژی برای تشخیص اثر انگشت که به دنیای گوشی‌های هوشمند راه پیدا کرده است حسگرهای فراصوت است که برای اولین بار در گوشی Le Max Pro مورد استفاده قرار گرفته است. کوالکام و تکنولوژی  Sense ID اش نقش به سزایی در طراحی این شیوه در این گوشی داشته‌اند.

برای دریافت اطلاعات روی اثر انگشت از یک سری فرستنده و گیرنده های فراصوت استفاده شده است. به کمک فرستنده ابتدا امواج فراصوتی به سطح انگشت کاربر فرستاده می‌شود که بنابر طرح انگشت هر فرد و فرورفتگی و برآمدگی آن برخی از این امواج جذب شده و برخی دوباره بازمی‌گردند.


زیر این حسگر برای شنیدن و تشخیص امواج فراصوت بازگشته میکروفونی تعبیه نشده به جای آن سنسورهایی قرار گرفته‌اند که می‌توانند فشار مکانیکی را حس کنند و بدین وسیله قابلیت این را دارند که تشخیص دهند در هر نقطه امواج با چه شدتی بازگشته‌اند. در این روش هر چه انگشت مدت بیشتری بر روی حسگر قرار بگیرد اطلاعات بیشتری از آن قابل ثبت و تشخیص است که می‌تواند به حدی کامل باشد که یک تصویر سه بعدی از اثر انگشت اسکن شده تهیه کند. اصولی که این روش بر اساس آن ابداع شده است باعث شده است که حسگرهای اولتراسونیک از حسگرهای خازنی امنیت بالاتری داشته باشند.

کوآلکام و تکنولوژی سنس آی‌دی اش تنها برای گوشی‎‌هایی قابل استفاده است که از پردازنده اسنپدراگون 820 استفاده می‌کنند.

الگوریتم و رمزنگاری

گرچه حسگرهای اثر انگشت مختلف امروزه از ساز و کار و اجزای مشابهی تشکیل شده‌اند اما چیزی که باعث تفاوت آن‌ها می‌شود الگوریتمی است که آن را به کار می‌گیرد و کاربردی بودن یا بلا استفاده بودن حسگر را معین می‌کند.

علاوه بر حسگر فیزیکی موجود که به ثبت اثر انگشت و اطلاعاتش می‌پردازند یک مدار مجتمع یا همان IC نیز وجود دارد که با اطلاعات بدست آمده سر و کار دارد و آن‌ها را به فرمتی مفید تبدیل کرده و به پردازنده اصلی ارسال می‌کند. در این بخش شرکت‌های مختلف از الگوریتم‌های مختلفی استفاده می‌کنند که می‌تواند از نظر سرعت و دقت متفاوت باشد.

معمولا این الگوریتم‌ها به دنبال این هستند که ببینند کجا برآمدگی‌ها و خط‌ها به پایان می‌رسند یا به دو قسمت تقسیم می‌شوند. این اطلاعات در مورد هر انگشت ثبت می‌شود و هنگام بررسی اینکه اثر انگشت با آنچه در بانک اطلاعات است تطبیق می‌کند یا خیر به جای اینکه تمامی اثر انگشت تجزیه و تحلیل شود تنها تعدادی از این اطلاعات مورد مقایسه قرار می گیرد و اگر با اطلاعات پیشین تطبیق داشت به عنوان اثر انگشت صحیح پذیرفته می‌شود. این کار باعث می‌شود برای تشخیص یک اثر انگشت پردازش کمتری مورد نیاز باشد. همچنین اگر انگشتتان کثیف باشد یا دقیقا در مرکز حسگر قرار نگرفته باشد باز هم برای حسگر قابل تشخیص است.


این اطلاعات بسیار حیاتی است و نیاز است که در مکانی بسیار امن نگه‌داری شود. برای اینکه نیازی به ذخیره آنلاین یا ذخیره در حافظه فیزیکی دستگاه نباشد، پردازنده‌های مبتنی بر معماری ARM به قابلیتی مجهز شده‌اند که این اطلاعات را درون خود نگه‌داری کنند. این اطلاعات به طور امن بر روی چیپ فیزیکی و در محیط اجرایی ایمن (به انگلیسی: Trusted Execution Enviroment) که بر پایه تکنولوژی TrustZone توسعه یافته ذخیره می‌شود. این محیط امن برای سایر پردازش‌های رمزنگاری شده استفاده می‌شود و برای جلوگیری از جاسوسی نرم‌افزاری مستقیما با سخت‌افزار های امنیتی مانند حسگرهای اثر انگشت در ارتباط است. برای دسترسی به چنین اطلاعاتی تنها باید از اپلیکیشن‌هایی استفاده کرد که از API های TTE استفاده می‌کنند.

کوآلکام از این روش با نام Secure MSM استفاده می‌کند و اپل آن را Secure Enclave می‌خواند. با این حال تمامی روش‌ها بر همین اصل استوار است که اطلاعات شما در یک بخش جداگانه و محافظت شده از پردازنده ذخیره شود که به وسیله نرم‌افزارهای معمولی سیستم قابل دسترسی نباشد.



اتحاد FIDO با توسعه رمزنگاری‌های قدرتمند این امکان را به وجود آورده که اطلاعات اثر انگشت شما به کلیدهای دیجتالی تبدیل شود و بتوانید به کمک اثر انگشت خود کارهای روزمره مانند لاگین کردن در یک سایت یا خرید آنلاین را انجام دهید بدون اینکه اطلاعات منحصر به فرد اثر انگشت شما از گوشی هوشمندتان خارج شود.

حسگرهای اثر انگشت یک جایگزین مناسب برای شناسه‌های کاربری و رمزهای عبور بی‌شماری هستند که همه ما در سایت‌ها و محیط‌های مختلف داریم. همچنین از آن می‌توان در سیستم‌های پرداخت موبایلی استفاده خوبی کرد. به همین دلیل آینده از آن حسگرهای اثر انگشت است.

/انتهای پیام/
: انتشار مطالب و اخبار تحلیلی سایر رسانه‌های داخلی و خارجی لزوماً به معنای تایید محتوای آن نیست و صرفاً جهت اطلاع کاربران از فضای رسانه‌ای منتشر می‌شود.