نگاهی بر تکنولوژی های گوناگون حسگر اثر انگشت و نحوه عملکرد آنها

این روزها دیگر سنسورهای تشخیص خطوط روی انگشان ما، صرفا مختص موبایل های پرچمدار نیستند و تجربه سال گذشته نشان داد که میان رده ها نیز به چنین حسگرهایی مجهز شده اند. امسال حتی می توان انتظار داشت که شاهد مجهز شدن موبایل هایش بیشتری به این گونه حسگرها باشیم.

از سوی دیگر این تکنولوژی از روزهای اولیه اش دور شده و اکنون با ضریب اطمینان بسیار بیشتری کار می کند. در این میان چند نوع سنسور مختلف وجود دارد که از سوی شرکت ها مورد استفاده قرار می گیرد.

در ادامه تصمیم داریم به سه نمونه از حسگرهای تشخیص اثرانگشت پرداخته و نقاط قوت و ضعف هر یک را بررسی کنیم.

سنسورهای نوری (آپتیکال)

حسگر اثر انگشت از نوع نوری، قدیمی ترین نمونه از این نوع سنسورها به شمار می رود. همانگونه که از نامش مشخص است، این نوع از سنسورها تصویری آپتیکال را از اثر انگشت شما برداشت کرده که بیشتر شبیه یه یک عکس است.

در مواقع بعدی و هر زمان که نیاز به گشودن دستگاه خود داشته باشید، یک تصویر از انگشت شما ثبت می شود و توسط الگورتیم توسعه یافته از سوی سازنده، تصویر اول با تصویر کنونی مورد مقایسه قرار گرفته و در مورد آن تصمیم گیری می شود. البته لازم به ذکر است که همین الگورتیم هم به حدی پیشرفته هست که بتواند رگه های مختلف یا علائم خاص در انگشت شما را توسط آنالیز کردن بخش های سیاه و سفید هر تصویر را پیدا نموده و از آنها برای تشخیص های بعدی استفاده کند.

شاید برایتان جالب باشد بدانید که سنسورهای اثر انگشت نوری هم دقیقا مانند سنسورهای دوربین، از رزولوشن های مختلف بهره می برند و هرچقدر که رزولوشن سنسور بالاتر باشد، تصاویر (از خطوط روی انگشتان شما) با دقت بیشتری ثبت می شوند و سپس آنالیز آنها ساده تر شده و درجه امنیت سنسور اثر انگشت بالاتر می رود.

البته باید به خاطر داشت که ثبت تصویر توسط سنسورهای یاد شده با درجه کنتراست بسیار بالاتری از دوربین های عادی همراه است. این سنسورها معمولا تعداد دیود بالایی به ازای هر اینچ دارند تا بتوانند تصاویر را با دقت زیادی به ثبت برسانند. از سوی دیگر باید توجه داشت که چنین سنسوری، یک تصویر به ثبت می رساند و زمانی که انگشت شما روی آن قرار می گیرد، محیط ثبت عکس بیش از اندازه تاریک می شود.

برای حل این مشکل، یک ردیف کوچک از LED ها با سنسور اثر انگشت آپتیکال ترکیب می شود تا به عنوان فلاش ایفای نقش کند و در زمان ثبت اثر انگشت از خود نور اندکی ساطع نمایند. این نوع طراحی البته برای تلفن های هوشمند کمی بیش از اندازه بزرگ است چرا که این محصولات اکنون روز به روز در حال باریک تر شدن هستند.

مشکل سنسورهای اثر انگشت آپتیکال این است که به سادگی می توان آنها را فریب داد. این نوع تکنولوژی تصاویر را به شکل دو بعدی به ثبت می رساند و در نتیجه استفاده از یک عضو مصنوعی یا حتی یک تصویر با رزولوشن بالا از اثر انگشت یک شخص، می تواند آنها را مجاب کند که شخص حقیقی در حال گشودن دستگاه اش است. در نتیجه چنین سنسورهایی به اندازه کافی ایمن نیستند و نمی توانند نگهبانی برای داده های حساس قلمداد شوند.

اگر از اولین کاربران تلفن های هوشمند با صفحه های لمسی باشید، احتمالا خاطرات تلخ استفاده از تاچ مقاومتی (Resistive) را به خاطر دارید. این نوع از تکنولوژی تاچ به علت تجربه کاربری نامطلوبی که داشت، اکنون دیگر توسط هیچ شرکتی در تلفن های همراه مورد استفاده قرار نمی گیرد. سنسورهای اثر انگشت آپتیکال نیز دقیقا شرایط مشابهی دارند و این روزها صرفا زمانی در سخت افزارهای مختلف مورد استفاده قرار می گیرند که سازنده بخواهد بیش از اندازه هزینه ساخت را پایین بیاورد.

سنسورهای خازنی

بیشترین نوع سنسور مورد استفاده در تلفن های هوشمند امروزی از نوع خازنی است. دوباره در این نوع از سنسورها نیز نام آن، نشان دهنده نوع کارکرد و بهره گیری از خازن در آن است.

به جای ثبت یک تصویر سنتی، سنسورهای اثر انگشت خازنی از چندین خازن تشکیل شده اند که همانند یک مدار عمل کرده و اطلاعات مرتبط با خطوط روی انگشت کاربر را جمع آوری می کنند.

خازن ها این قابلیت را دارند که در خود بار الکتریکی ذخیره کنند و سپس به یک سطح رسانا متصل می شوند که در بالای خازن ها قرار گرفته و نقش تعامل کننده میان خطوط اثر انگشت و خود خازن ها را بر عهده می گیرد. زمانی که انگشت روی سنسور قرار می گیرد، بار الکتریکی ذخیره شده در خازن ها تغییر حالت می دهد در حالی که اگر تماس به صورت کامل برقرار نشود، این بار به شکل بدون تغییر باقی خواهد ماند.

در این میان یک تقویت کننده عملیاتی (op-amp) وظیفه پایش تغییر حالت بار الکتریکی در خازن ها را بر عهده دارد که سپس به یک مبدل آنالوگ به دیجیتال فرستاده می شود.

زمانی که انگشت خود را روی سنسور اثر انگشت قرار می دهید، همه اتفاقات فوق رخ داده و سپس مبدل آنالوگ به دیجیتال نیز کار خود را انجام داده و حالا نوبت به الگوریتم نرم افزاری است تا تشخیص دهد این اثر انگشت پیشتر در دستگاه به ثبت رسیده یا خیر.

دور زدن و فریب دادن این نوع از سنسورها تقریبا غیر ممکن بوده و تنها راه برای انجام این کار، هک کردن سخت افزار یا نرم افزار آن است. حتی اگر یک انگشت را به شکل پروتز شده بسازید باز هم به علت تفاوت های بسیار اندک میان انگشت حقیقی و نمونه مصنوعی، الگوریتم به لطف دقت بالای خازن ها می تواند تفاوت ها را تشخیص دهد.

در هر سنسور اثر انگشت خازنی، بیش از صدها خازن به کار رفته و همین موضوع باعث می شود تا نقشه به دست آمده از اثر انگشت شما بیش از اندازه دقیق و با جزییات کامل باشد؛ تصویری که البته از سیگنال های الکتریکی به دست آمده.

مانند سنسورهای آپتیکال، نمونه های خازنی هم رزولوشن های متفاوتی دارند و هر چقدر تعداد خازن های به کار رفته در هر سنسور بالاتر باشد، سرعت، دقت و ضریب اطمینان آن بالاتر می رود.

به علت به کار گرفته شدن تعداد زیادی از خازن ها در هر سنسور اثر انگشت، این نمونه ها معمولا قیمت بالایی دارند و به این دلیل بیشتر در پرچمدارها به کار گرفته می شوند.

سامسونگ در گلکسی اس ۵ و گلکسی نوت ۴ راهکاری دیگر برای ارزان تر کردن این سنسورها پیاده کرد. این شرکت تصمیم گرفت تعداد خازن ها را کاهش دهد و از کاربر بخواهد به جای قرار دادن انگشت خود روی سنسور، آن را از بالا به پایین روی کلید فیزیکی هوم بکشد. به علت تعداد اندک خازن ها و اینکه همین سنسور به سرعت محیط خود را رفرش می کرد تا بخش های دیگر از انگشت کاربر را اسکن کند، نتیجه به هیچ عنوان جالب نشد و موجب گشت تا صدای کاربران از عدم کارکرد صحیح سنسور اثر انگشت در این محصولات درآید.

خوشبختانه امروز دیگر چنین راهکارهایی مورد استفاده قرار نمی گیرد و کاربران می توانند به سادگی انگشت خود را روی سنسور قرار داده و دستگاه خود را باز کنند.

سنسورهای فراصوت

جدیدترین تکنولوژی در میان سنسورهای اثر انگشت، استفاده از فناوری فراصوت است (فراصوت، به امواج صوتی گفته می شود که دارای فرکانسی بیشتر از بازه فرکانسی شنوایی انسان هستند) که از سوی کوالکام معرفی شده. نام تجاری که از طرف شرکت مورد بحث برای این نوع از فناوری انتخاب شده «Sense ID» است و اکنون صرفا در موبایل هایی می تواند قابل استفاده باشد که از چیپست اسنپدراگون ۸۲۰ بهره گیرند.

در CES 2016 شاهد معرفی اولین موبایل مجهز به اسنپدراگون ۸۲۰ و سنسور Sense ID با نام «Le Max Pro» بودیم.

برای اینکه نقشه ای دقیق از انگشت شما تهیه شود، حسگر کوالکام به فرستنده و گیرنده های خاص اتکا نموده؛ ابتدا پالس های اولترا سونیک – یا همان فراصوت – از طریق ارسال کننده هایی که در زیر سنسور کار گذاشته شده اند فرستاده می شوند و سپس بر حسب طرح یکتای انگشت هر فرد برخی از این پالس ها جذب دست وی شده و برخی دیگر نیز به حسگر باز می گردند.

در زیر Sense ID میکروفونی برای گوش فرا دادن به سیگنال هایی که باز گشته اند تعبیه نشده، بلکه در این بخش حسگری وجود دارد که به صورت مکانیکی به فشار حساس بوده و می تواند شدت پالس های بازگشتی به نقاط مختلف اسکنر اثر انگشت را تشخیص دهد. با توجه به ساز و کاری که تفسیر شد، اگر انگشت قدری طولانی تر روی سنسور باقی بماند داده های عمیق تر و کامل تری در رابطه با آن جمع آوری شده و دقت این داده ها به قدری خواهند بود که می توان یک مدل یا نقشه سه بعدی از اثر انگشت فرد را پدید آورد.

یکی از مزایای دیگر سنسورهای اثر انگشت فراصوتی این است که آنها می توانند حتی در زیر لایه ی باریکی از مواد کار خود را به سرانجام برسانند و ضمناً کیفیت و امنیت شان را نیز حفظ نمایند. چنین مزیتی سبب می شود بتوانیم سنسورهای مذکور را در زیر بدنه ی پلاستیکی یا فلزی تلفن های هوشمند به کار بسته یا آنها را در زیر نمایشگر قرار دهیم.

الگوریتم و رمزنگاری

اگرچه امروز بیشتر موبایل و دستگاه های مجهز شده به سنسور اثر انگشت از سخت افزاری مشابه در این زمینه برخوردار هستند ولی الگورتیم شناسایی انگشت است که در این بین نقشی اساسی ایفا کرده و می توان عملکرد سنسور را بهبود بخشیده یا آن را از دید کاربر غیر کاربردی نماید.

در کنار سنسور فیزیکی اثر انگشت، یک مدار مجتمع (IC) وجود دارد که کارش تفسیر داده ها و انتقال آنها به پردازنده مرکزی دستگاه است. سازنده های مختلف موبایل های هوشمند، از الگورتیم های مختلفی برای انتقال همین اطلاعات به پردازنده دستگاه استفاده می کنند که گاهی می تواند منجر به بالا یا پایین رفتن سرعت یا دقت آن شود.

به طور معمول این الگوریتم ها به دنبال آن هستند تا نقطه انتهایی خط الراس ها را پیدا کنند یا ببینند کجا یک خط به دو بخش تقسیم می شود. اگر داده های آنالیز شده با نمونه ای که پیشتر به ثبت رسیده تناسب لازم را داشته باشد، الگوریتم آن را می پذیرد.

به جای اینکه کل بخش های اسکن شده از انگشت شما هر بار مورد بررسی قرار گیرد، همان چند موردی که گفتیم بازبینی می شوند تا در امر مصرف انرژی نیز صرفه جویی به عمل آید. در این حالت اگر بخشی از انگشت شما کاملا تمیز نباشد هم احتمال اینکه بتوانید موبایل خود را باز کنید بیشتر می شود.

اطلاعات مرتبط با اثرانگشت شما بیش از اندازه اهمیت دارد و به همین دلیل در خود سیستم عامل یا به شکل آنلاین و در فضای ابری شرکت سازنده ذخیره نمی شود.

پردازنده های مبتنی بر فناوری شرکت ARM می توانند این اطلاعات را به شکل ایمن در خود پردازنده نگهداری کنند. در این حالت اطلاعات یاد شده در چیپ فیزیکی قرار گرفته و بخشی به نام «محیط-اجرایی-امن» (TEE) برای آن در نظر گرفته می شود که بر پایه تکنولوژی TrustZone از همان شرکت توسعه یافته.

دسترسی به این اطلاعات تقریبا غیر ممکن بوده و صرفا با استفاده از اپلیکیشن هایی قابل بازیافت است که از API اختصاصی TEE استفاده کرده و آن را در اختیار داشته باشند.

کوالکام البته روش اختصاصی خود به نام «Secure MSM» را توسعه داده در حالی که اپل همین کار را با نام «Secure Enclave» انجام می دهد. در واقع اکنون انواع سیستم های رمزنگاری چنین هستند که اطلاعات حساس مرتبط با اثر انگشت شما در پردازنده و چیپ فیزیکی ذخیره می شود تا امکان دسترسی به آن از طریق سایر اپلیکیشن ها در سیستم عامل فراهم نگردد.

در این بین اتحاد FIDO یا FIDO Alliance پروتکل های رمزنگاری بسیار قدرتمندی توسعه داده که به دستگاه های ایمن اجازه می دهد بتوانند بدون وارد کردن نام کاربری و رمز عبور خود و صرفا توسط سنسورهای زیستی، از سرویس های مختلف بهره بگیرند.

در نتیجه شما می توانید توسط اثر انگشت خود در دستگاه های مختلف لاگین کرده و یا به خرید اینترنتی بپردازید.

سنسورهای اثر انگشت اکنون به انتخاب و جایگزینی ایمن برای نام های کاربری و گذرواژه ها بدل گشته اند. انتظار می رود در سال پیش رو استفاده از آن ها به وضوح بیشتر از قبل گردد و از طرفی انجام پرداخت های موبایلی و سایر امور مرتبط با شناسایی کاربر را نیز تسهیل بخشند.