حسگرهای اثر انگشت چگونه کار می‌کنند؟

حسگر اثر انگشت این روزها دیگر قابلیتی نیست که تنها در پرچم‌داران یافت شود، ممکن است حتی گوشی میان‌رده 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 به نحوه کارکرد جدیدترین حسگرهای اثر انگشت و تفاوت‌های آنها نگاهی بیندازیم.

حسگر‌های اپتیکال

حسگرهای اپتیکال قدیمی‌ترین نوع حسگرهای اثر انگشت‌اند. 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 تصویر گرفته شده بالاتر رود، حسگر اطلاعات بیشتری از انگشت شما را می‌تواند تشخیص دهد که این موضوع باعث افزایش سطح امنیتی نیز می‌شود. البته شایان ذکر است که سنسورهای به کار رفته در این حسگرها تصاویری با کنتراست بالاتر نسبت به دوربین‌های معمولی 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 روی حسگر قرار می‌دهید، فضا بسیار تاریک می‌شود و عملا ثبت تصویر دقیق را غیرممکن 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 برای طراحی تلفن‌های هوشمند چندان مناسب نیست، چون فضای زیادی 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 فریبش داد. به همین دلیل این حسگرها برای رمزگذاری اطلاعات حساس شما به اندازه کافی امن نیستند.

همان طور که صفحه‌های لمسی مقاومتی در نخستین سال‌های آمدن صفحه لمسی بسیار استفاده می‌شد و امروزه دیگر اثری از آنها نیست، اکنون از حسگرهای اپتیکال نیز نمی‌توانید اثری پیدا کنید، مگر اینکه تولیدکننده بخواهد محصولش که به چنین سنسوری مجهز شده قیمت بسیار پایینی داشته باشد.

حسگرهای خازنی

رایج‌ترین حسگرهایی که امروزه استفاده می‌شوند حسگرهای خازنی هستند. همان طور که از نام آنها برمی‌آید، 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 به وجود نمی‌آید. به کمک تقویت کننده عملیاتی (op-amp) این تغییرات ثبت می‌شوند و سپس به کمک مبدل آنالوگ به دیجیتال ذخیره می‌شوند.

هنگامی که اولین بار از این حسگر استفاده می‌شود، داده‌های دیجیتال ذخیره می‌شوند تا برای دفعات بعد و مقایسه اثر انگشت به کار روند. نکته جالب توجه در مورد این تکنولوژی این است که دور زدن آن بسیار دشوارتر از فریب دادن حسگرهای اپتیکال است. به کمک تصویر 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 به وجود بیاورد. تنها از طریق هک سخت‌افزاری یا نرم‌افزاری می‌توان چنین حسگرهایی را فریب داد.

برای تهیه ردیفی کافی از خازن‌ها نیاز به تعبیه 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، هرچه تعداد خازن‌ها بیشتر باشد، دقت تشخیص اثر انگشت افزایش می‌یابد 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 روی حسگر قرار دهد و منتظر اسکن انگشتش شود، مجبور به کشیدن انگشت بر روی حسگر شود. با این کار اطلاعات بخشی از انگشت که از روی ردیف خازن‌ها عبور کرده به سرعت به سنسور تشخیص دهنده فرستاده می شود و در پایان عملیات تطابق انجام می‌شود. این ایده جالب به نظر می‌رسید، اما هنگامی که عملیاتی شد، شکایت کاربران را به دنبال داشت. آنها اعتراض داشتند، چون برای اینکه حسگر بتواند اثر انگشتشان را تشخیص دهد، معمولا باید چندین بار انگشت خود را روی آن می کشیدند. خوشبختانه امروز این شیوه منسوخ شده است.

حسگرهای فراصوت (اولتراسونیک)

جدیدترین تکنولوژی برای تشخیص اثر انگشت که به دنیای گوشی‌های هوشمند راه پیدا کرده حسگرهای فراصوت است که اولین بار در گوشی Le Max Pro استفاده شد. کوالکام و تکنولوژی Sense ID آن نقش به‌سزایی در طراحی این شیوه در این گوشی داشته است.

برای دریافت اطلاعات روی اثر انگشت از تعدادی فرستنده و گیرنده 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 می شوند و برخی دوباره بازمی‌گردند.

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

کوالکام و تکنولوژی سنس آی‌دی آن تنها برای گوشی‎‌هایی قابل استفاده است که پردازنده اسنپدراگون 820 دارند.

الگوریتم و رمزنگاری

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

علاوه بر حسگر فیزیکی موجود، که به ثبت اثر انگشت و اطلاعاتش می‌پردازد، یک مدار مجتمع یا همان IC نیز وجود دارد که با اطلاعات به دست آمده سر و کار دارد و آنها را به فرمتی مفید تبدیل می کند و به پردازنده اصلی می‌فرستد. در این بخش شرکت‌های مختلف از الگوریتم‌های مختلفی استفاده می‌کنند که ممکن است از نظر سرعت و دقت متفاوت باشند.

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 تطابق اثر انگشت با آنچه در بانک اطلاعات است، به جای اینکه تمام اثر انگشت تجزیه و تحلیل شود، تنها تعدادی از این اطلاعات مقایسه می شوند و اگر با اطلاعات پیشین تطبیق داشتند، به عنوان اثر انگشت صحیح پذیرفته می‌شوند. این کار باعث می‌شود برای تشخیص 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 روی چیپ فیزیکی و در محیط اجرایی ایمن (Trusted Execution Enviroment) ذخیره می‌شود که بر پایه تکنولوژی TrustZone توسعه یافته است. این محیط امن برای سایر پردازش‌های رمزنگاری شده استفاده می‌شود و برای جلوگیری از جاسوسی نرم‌افزاری مستقیما با سخت‌افزارهای 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.

کوالکام از این روش با نام Secure MSM استفاده می‌کند و اپل آن را Secure Enclave می‌خواند. با این حال تمام روش‌ها بر همین اصل استوار است که اطلاعات شما در بخشی 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 سایت یا خرید آنلاین را انجام دهید، بدون اینکه اطلاعات منحصر به فرد اثر انگشت شما از گوشی هوشمندتان خارج شود.

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