حسگرهای اثر انگشت چگونه کار می‌کنند؟

اثر انگشت هر فردی مخصوص به خودش است 

اثر انگشت، یکی از طرح‌های پیچیده‌ و عجیب طبیعت است، به طوری که اثر انگشت هیچ دو انسانی در جهان با یک‌دیگر یکسان نیست. حتا دوقلوها نیز اثر انگشت مخصوص‌به‌خود را دارند. به همین دلیل است که کارشناسان حوزه امنیت، اثر انگشت را کارت شناسایی‌ داخلی‌ انسان‌ها توصیف می‌کنند که امکان استفاده از آن به‌سهولت وجود دارد. اثر انگشت به‌شکل برجستگی‌های کوچکی از پوست شناخته می‌شوند که روی انگشتان قرار دارند و هیچ‌گاه از ساختار بدن انسان‌ها حذف نشده است، زیرا الگوی برآمدگی‌ها و دره‌های روی انگشتان، قابلیت استفاده از اشیاء و گرفتن آن‌ها را در دست، آسان‌تر می‌کند. درست به همان شکلی که الگوی راه‌راه آج لاستیک به چسبیدن بهتر لاستیک به کف جاده کمک می‌کند.

شبیه به اندام‌های مختلف در بدن انسان، این برجستگی‌ها از طریق ترکیبی از عوامل ژنتیکی و محیطی ایجاد می‌شوند. کد ژنتیکی موجود در DNA دستورات کلی در مورد نحوه شکل‌گیری پوست را مشخص می‌کند، اما این برجستگی‌ها به‌شکل کاملا تصادفی شکل‌ می‌‌گیرند و به همین دلیل است که اثر انگشت افراد با یک‌دیگر متفاوت است. 

اگرچه کد ژنتیکی موجود در DNA، دستورات کلی‌ در مورد نحوه‌ شکل‌گیری پوست را در زمانی که جنین در حال رشد است به سلول‌ها نشان می‌دهد، اما همان‌گونه که اشاره کردیم، نحوه‌ شکل‌گیری این برجستگی‌ها بر مبنای رویدادهای تصادفی است. علاوه بر موارد بی‌شماری که در در شکل‌گیری اثر انگشتی منحصربه‌فرد مشارکت دارند، پارامترهای محیطی زیادی بر شکل‌گیری آن تاثیرگذار هستند. درست مانند شرایط آب‌وهوایی خاصی که ابرها را در ساختارهای مختلفی شکل می‌دهد، روند تشکیل و توسعه‌ اثر انگشت آن‌قدر غیرمنظم است که در کل طول تاریخ بشر، هیچ شانسی برای دوبار تشکیل یک الگوی دقیق وجود نداشته است.

در نتیجه، اثر انگشت یک المان منحصر‌به‌فرد برای هر یک از انسان‌ها است و حتا دوقلوهای همسان هم اثر انگشت یکسانی ندارند. در شرایطی که ممکن است نتیجه چاپ دو اثر انگشت در نگاه اول یکسان به‌نظر برسند، اما کارشناسان امنیتی خبره و افرادی که در زمینه جرم‌شناسی دیجیتالی به فعالیت اشتغال دارند، قادر هستند از طریق به کارگیری نرم‌افزارهای پیشرفته تفاوت‌های واضح و مشخص موجود در اثر انگشت را تشخیص دهند. این تجزیه‌و‌تحلیل اثر انگشت است که پایه و اساس تحقیقات جرم‌شناسی و امنیت اطلاعات را شکل داده است. به بیان دقیق‌تر، کاری که یک اسکنر اثر انگشت انجام می‌دهد این است که نمونه‌های چاپی را جمع‌آوری کرده و آن‌ها را با نمونه‌های ثبت‌شده، مقایسه می‌کند و درست کار یک تحلیل‌گر را برعهده می‌گیرد که اثر انگشت‌های مختلف را از یک‌دیگر تشخیص می‌دهد. 

حسگرهای نوری اثر انگشت بر مبنای چه تکنیکی کار می‌کنند؟ 

سامانه‌های پویش اثر انگشت بر مبنای دو تکنیک اساسی این فرآیند مهم را انجام می‌دهند. اول این‌که تصویری از انگشت شما می‌گیرند و تعیین می‌کنند که آیا الگوی برآمدگی‌ها و دره‌های اثر انگشت تصویر با الگوی اثر انگشت در تصاویر از قبل اسکن‌شده، مطابقت دارد یا خیر.

راهکارهای مختلفی برای گرفتن تصویر از انگشت دیگران وجود دارد. رایج‌ترین راهکارهایی که شرکت‌های فعال در زمینه امنیت و تولیدکنندگان گوشی‌های هوشمند از آن استفاده می‌کنند، اسکن نوری (Optical Scanning) و اسکن خازنی (Capacitance Scanning) است. هر دو فناوری نتیجه یکسانی را ارائه می‌کنند، اما به روش‌های مختلفی این کار را انجام می‌دهند. در قلب یک حس‌گر نوری، دستگاه شارژ همراه CCD سرنام Charge Coupled Device  قرار دارد که همان سامانه حس‌گر نوری است که در دوربین‌های دیجیتال و فیلم‌برداری از آن استفاده می‌شود. CCD می‌‌تواند آرایه‌ای از دیودهای حساس به نور باشد که فتوسیت (Photosites) نام دارند که در پاسخ به فوتون‌های نور، سیگنال الکتریکی تولید می‌کنند. طی این فرآیند هر فتوسیت  یک پیکسل، نقطه‌ای کوچک که نشان‌دهنده‌ نوری است که به آن نقطه برخورد کرده را ثبت می‌کند و در مجموع، پیکسل‌های روشن و تاریک تصویری از منطقه‌ اسکن‌شده (مثلا اثر انگشت) را شکل می‌دهند. به‌طور معمول، همواره یک مبدل آنالوگ به دیجیتال در سامانه اسکنر، سیگنال الکتریکی آنالوگ را پردازش می‌کند تا بتواند یک نمایش دیجیتالی از تصویر ایجاد کند. 

فرآیند اسکن زمانی آغاز می‌شود که انگشت خود را روی صفحه‌‌ای شیشه‌ای و مخصوص قرار می‌دهید تا یک دوربین CCD فرآیند تصویربرداری از اثر انگشت را انجام دهد. به‌طور کلی اسکنرها، منبع نور مخصوص به خود را دارند که معمولا مجموعه‌ای از دیودهای نوری ساطع‌کننده نور هستند که برآمدگی‌های روی انگشت را روشن می‌کند. سامانه CCD در واقع یک تصویر معکوس از انگشت ایجاد می‌کند، به این صورت که نواحی تیره‌تر نشان‌دهنده‌ نور منعکس‌شده‌ بیشتر (برآمدگی‌های انگشت) و مناطق روشن‌تر نشان‌دهنده نور کمتر منعکس‌شده (دره‌های بین برجستگی‌ها) هستند. با این‌حال، قبل از مقایسه‌ تصویر اسکن‌شده با داده‌های از قبل ذخیره‌شده، پردازنده‌ اسکنر باید اطمینان حاصل کند که CCD تصویر واضحی را گرفته است. در ادامه، پردازنده، میانگین پیکسل‌های تاریک یا مقادیر کلی در یک نمونه کوچک را بررسی می‌کند و اگر تصویر کلی خیلی تاریک یا خیلی روشن باشد آن‌را رد می‌کند. اگر تصویر رد شود، اسکنر زمان نوردهی را طوری تنظیم می‌کند که نور به‌شکل بهتری وارد شود. در ادامه، فرآیند ارزیابی را تکرار می‌کند تا تصویر مورد تایید فرد قرار بگیرد. 

اگر سطح تاریک باشد، سیستم اسکنر حد وضوح تصویر را برای واضح بودن اسکن اثر انگشت مشخص می‌کند و در ادامه پردازنده به‌شکل چند خط مستقیم به‌صورت افقی و عمودی فرآیند پویش تصویر را انجام می‌دهد. اگر تصویر اثر انگشت وضوح خوبی داشته باشد، خط‌های عمود بر برآمدگی‌های اثر انگشت، بخش‌های متناوبی از پیکسل‌های تاریک و روشن را نشان می‌دهد. تمام این فرآیندها در کمتر از یک دقیقه انجام می‌شود و در صورت تایید اثر انگشت (در سیستم ورود و خروج یا گوشی) همه‌‌چیز مطابق با خواسته‌ کاربر به پیش می‌رود.

مکانیزم کاری اسکنر‌های اثر انگشت خازنی به چه صورتی است؟ 

درست شبیه به اسکنرهای نوری، اسکنرهای خازنی اثر انگشت، تصویری از برآمدگی‌ها و دره‌هایی که اثر انگشت را شکل می‌دهند، ایجاد می‌کنند. با این‌حال، خازن‌ها به‌جای استفاده از نور از جریان الکتریکی استفاده می‌کنند. این حس‌گرها از یک یا چند تراشه‌ نیمه‌هادی تشکیل شده‌اند که دارای مجموعه‌ای از سلول‌های کوچک هستند. هر سلول در تراشه‌‌های نیمه‌هادی شامل دو صفحه است که با یک لایه‌ عایق پوشانده شده است. این سلول‌ها عرضی برابر با یک برآمدگی روی انگشت دارند. حس‌گر به یک مدار انتگرال‌گیر متصل است که مدار الکتریکی است که در اطراف یک تقویت‌کننده عملیاتی معکوس قرار می‌گیرد. تقویت‌کننده معکوس دستگاهی نیمه‌هادی و پیچیده است که از تعدادی ترانزیستور، مقاومت و خازن تشکیل شده است. جزئیات عملکردی این دستگاه خود به‌تنهایی یک مقاله مفصل و کامل است. اما در این‌جا برای آن‌که شناخت دقیقی از عملکرد حسگرهای اثر انگشت خازنی به‌دست آوریم توضیحات ساده‌ای ارائه می‌کنیم. 

مانند هر تقویت‌کننده‌ای، یک تقویت‌کننده عملیاتی معکوس، جریان را بر اساس نوسانات جریانی دیگر تغییر می‌دهد. به بیان دیگر، این تقویت‌کننده آمپلی‌فایر ولتاژ تغذیه‌ دستگاه را تغییر می‌دهد. این تغییر بر اساس ولتاژ نسبی دو ورودی است که ترمینال معکوس‌کننده و ترمینال غیرمعکوس‌کننده است. در این حالت، ترمینال غیرمعکوس‌کننده به زمین و ترمینال معکوس‌کننده به منبع ولتاژ اصلی و مدار بازخورد (فیدبک) متصل می‌شود. حلقه بازخورد که به خروجی تقویت‌کننده نیز متصل است، شامل دو صفحه‌ هادی است. 

همان‌طور که ممکن است متوجه شده باشید، دو صفحه‌ رسانا یک خازن اصلی را تشکیل می‌دهند که مولفه الکتریکی است که قادر به ذخیره‌سازی بارالکتریکی است. سطح انگشت به‌عنوان یک خازن صفحه‌ای سوم عمل می‌کند که توسط لایه‌های عایقی از ساختار سلول برای برآمدگی‌ها و توسط حفره‌‌های هوا برای فرورفتگی‌ها، از هم جدا شده‌اند. تغییر فاصله بین صفحات خازن (با نزدیک‌تر یا دورتر کردن انگشت از صفحات رسانا) ظرفیت کل خازن (توانایی ذخیره‌ شارژ) را تغییر می‌دهد. به همین دلیل، خازن زیر برآمدگی‌های انگشت ظرفیت بیشتری نسبت به خازن زیر فرورفتگی‌ها دارد.

برای اسکن اثر انگشت، پردازنده‌ ابتدا سوئیچ تنظیم مجدد را برای هر سلول می‌بندد تا ورودی و خروجی هر تقویت‌کننده را کوتاه و مدار انتگرال‌گیر را متعادل کند. هنگامی که سوئیچ دوباره باز می‌شود و پردازنده بار ثابتی را به مدار انتگرال‌گیر اعمال می‌کند، خازن‌ها شارژ می‌شوند. ظرفیت خازن مدار فیدبک بر ولتاژ ورودی تقویت‌کننده و خروجی تقویت‌کننده تاثیرگذار است. از آن‌جایی که فاصله‌ صفحه‌ حس‌گر تا انگشت، عاملی برای تغییر ظرفیت خازن است، برآمدگی‌های روی انگشت منجر به خروجی ولتاژ متفاوتی نسبت به فرورفتگی‌های آن می‌شود. 

در این حالت، پردازنده‌ اسکنر خازنی این خروجی ولتاژ را خوانده و ولتاژ برآمدگی یا فرورفتگی را مشخص می‌کند. با خواندن تمام ولتاژهای‌ آرایه‌ای از واحدهای حسگر، پردازنده می‌تواند یک تصویر کلی از اثر انگشت، مشابه تصویری که توسط اسکنر نوری گرفته را کنار هم قرار دهد. مزیت اصلی حسگر اثر انگشت خازنی این است که به‌جای الگوی نور و تاریکی و روشنی که به‌شکل بصری تصویری از اثر انگشت را ایجاد می‌کنند، به‌شکل واقعی اثر انگشت را تصویربرداری و ایجاد می‌کند. همین مسئله فرآیند فریب دادن اسکنر را سخت‌تر می‌کند. همچنین، از آن‌جایی که از یک تراشه نیمه‌هادی به‌جای واحد CCD استفاده می‌شود، اسکنرهای خازنی نسبت به حسگرهای اثر انگشت نوری فشرده‌تر و کوچک‌تر هستند. 

فرآیند تحلیل و بررسی مورد استفاده توسط اسکنر‌ها به چه صورتی است؟ 

به احتمال زیاد در فیلم‌ها و سریال‌های تلویزیونی مشاهده کرده‌اید که حس‌گرهای تحلیل‌گر خودکار اثر انگشت، معمولا تصاویر مختلفی از اثر انگشت‌ها را برای یافتن تطابق با اثر انگشتی خاص روی هم قرار می‌دهند. با این‌حال، روش فوق، مکانیزم دقیقی برای مقایسه اثر انگشت نیست، زیرا لکه‌ای کوچک می‌تواند کاری کند که دو تصویر یکسان به‌نظر برسند. به همین دلیل، به‌ندرت قادر هستید تصویری کاملا دقیق از اثر انگشت داشته باشید. 

علاوه بر این، استفاده از کل تصویر اثر انگشت، در تجزیه‌و‌تحلیل‌های مقایسه‌ای به توان پردازشی زیادی نیاز دارد که باعث می‌شود باتری دستگاه‌های همراه به‌سرعت تخلیه شود. 

در مقابل، بیشتر سامانه‌های اسکنر اثر انگشت، ویژگی‌های خاص اثر انگشت را که معمولا به‌عنوان جزئیات شناخته می‌شوند، با یک‌دیگر مقایسه می‌کنند. به‌طور کلی، پژوهشگران یا نرم‌افزارهای هوشمند روی نقاطی از اثر انگشت متمرکز می‌شوند که خطوط برآمدگی‌ها در آن نقاط به‌پایان می‌رسد یا یک برآمدگی به دو قسمت تقسیم می‌شود. به طور کلی، این مجموعه ویژگی‌های متمایز گاهی‌اوقات تایپیکا (Typica) نامیده می‌شوند. نرم‌افزارهای اسکنر از الگوریتم‌های بسیار پیچیده برای شناسایی، تجزیه‌و‌تحلیل این جزئیات استفاده می‌کنند. ایده اصلی این است که موقعیت‌های نسبی اثر با جزئیات داخل آن که به تحلیل‌و‌تجزیه‌ بهتر داده‌ها کمک می‌کنند، مورد استفاده قرار گیرد. ایده اصلی این است که موقعیت‌های نسبی و جزئیات را اندازه‌گیری کنیم، به همان روشی که برای موقعیت‌یابی از ستارگان آسمان استفاده می‌کنیم. 

برای به دست آوردن تطابق، سامانه اسکنر لازم نیست کل الگوی جزئیات را هم در نمونه دریافتی و هم در نمونه ثبت‌شده پیدا کند، بلکه باید تنها تعداد کافی الگوهای ریز را پیدا کند که در هر دو تصویر تکرار شده‌اند. 

حس‌گرهای اثر انگشت چه مزایا و معایبی دارند؟ 

راه‌های مختلفی وجود دارد که یک سامانه امنیتی می‌تواند هویت  فردی را که قصد ورود به سامانه‌ای دارد، بررسی کند. اکثر سامانه‌ها بر مبنای سه پرسش زیر، هویت افراد را تایید یا رد می‌کنند. 

•  چه چیزی دارید؟ 
•  چه چیزی می‌دانید؟ 
•  چه کسی هستید؟ 

برای عبور از سامانه «چه چیزی دارید»، به‌نوعی «نشانه» نیاز دارید که می‌تواند کارت شناسایی باشد که نوار مغناطیسی دارد. سامانه «چه چیزی می‌دانید» از شما می‌خواهد رمز عبور یا پین‌کند را وارد کنید. یک سامانه «چه کسی هستید» در واقع به دنبال شواهد فیزیکی است که مشخص کند همان فردی هستید که ادعا می‌کنید که این‌کار از طریق یک اثر انگشت، صدا یا الگوی عنبیه انجام می‌شود. 

سامانه‌های «چه کسی هستید»، مانند اسکنرهای اثر انگشت نسبت به سامانه‌های دیگر مزایای قابل توجهی دارند که از مهم‌ترین آن‌ها به موارد زیر باید اشاره کرد: 

•  جعل ویژگی‌های فیزیکی آن‌ها سخت‌تر از سامانه‌های مبتنی بر کارت‌های هویت است. 
•  شما نمی‌توانید الگوی اثر انگشت را حدس بزنید، در حالی که امکان حدس زدن رمز عبور وجود دارد. 
•  شما نمی‌توانید اثر انگشت خود را فراموش کنید، در حالی که این مسئله در مورد رمز عبور وجود دارد. 

در شرایطی که سامانه‌های فوق کارآمد هستند، اما خطاناپذیر نیستند و معایبی نیز دارند. اسکنرهای نوری همیشه نمی‌توانند بین اثر انگشت و خود انگشت تمایز قائل شوند و اسکنرهای خازنی گاهی‌اوقات می‌توانند توسط قالبی تهیه‌شده از یک اثر انگشت فرد فریب بخورند. اگر فردی به چاپگرهای سه‌بعدی دسترسی داشته باشد و اثر انگشت کاربری را به‌دست آورد، قادر به فریب اسکنر است. برخی از اسکنرها دارای حسگرهای پالسی و حرارتی اضافی هستند تا بررسی کنند که انگشت زنده است یا جعل شده است، اما چنین سامانه‌‌هایی را نیز می‌توان با قالب چاپ اثر انگشت روی ژلاتین فریب داد. 

برای قابل اعتمادتر کردن این سامانه‌های امنیتی، ایده خوبی است که تجزیه‌و‌تحلیل بیومتریک را با یک ابزار شناسایی معمولی مانند رمز عبور ترکیب کنید (به همان روشی که یک دستگاه خودپرداز به یک کارت بانکی و یک کد پین نیاز دارد).

مشکل اصلی سامانه‌های امنیتی بیومتریک زمانی است که شخصی موفق به سرقت اطلاعات هویتی شود. اگر کارت اعتباری خود را گم کنید یا به‌طور تصادفی شماره پین مخفی خود را به کسی بگویید، همیشه می‌توانید یک کارت جدید دریافت کنید یا کد خود را تغییر دهید. در نقطه مقابل، اگر کسی اثر انگشت شما را بدزدد، دیگر کاری از شما ساخته نیست. با وجود معایبی که به آن‌ها اشاره کردیم، اسکنرهای اثر انگشت و سامانه‌های بیومتریک ابزاری عالی برای شناسایی هستند. در آینده، آن‌ها به احتمال زیاد به بخش جدایی‌ناپذیر زندگی روزمره مردم تبدیل خواهند شد، درست مانند کلیدها، کارت‌های خودپرداز و رمزهای عبور امروزی.