Сучасні інформаційні технології/1. Комп’ютерна інженерія

д.т.н., професор Лукашенко В.М., аспірант Лукашенко Д.А.,
к.т.н. Уткіна Т.Ю., аспірант Вербицький О.С.,

магістр Лукашенко В.А., асистент Міценко С.А.

Черкаський державний технологічний університет, Україна

Класифікація сучасних біометричних датчиків відбитків пальця для лазерного технологічного комплексу

Загроза несанкціонованого доступу до мікропроцесорної системи (МПС) управління та людський фактор, можуть призвести до непередбачуваних наслідків при роботі лазерного технологічного комплексу (ЛТК). Тому створення захисних бар’єрів для несанкціонованого втручання в процес функціонування МПС керування ЛТК є першочерговою задачею.

Одним з основних елементів багаторівневих систем управління доступом є біометричні датчики відбитків пальця.

Сьогодні на ринку представлено безліч біометричних датчиків відбитків пальця, які відрізняються за фізичними принципами, що використовуються для отримання відбитку. Питанням розвитку біометричних технологій сканування та їх застосування в датчиках відбитків пальця присвячено ряд робіт Гаврилюка Д., Галелюки І.Б., Галькевича А.А., Гуреєва О., Задорожного В.В., Клочана П.С., Лукашова І., Мальцева А., Моржакова В., Мороза А.О., Мітіна В., Пантелейчука А., Романова В.О., Соскова А.Н., Щеглова А. Ю. та інших. В цих роботах розглянуті класифікації біометричних датчиків відбитків пальця, але вони розрізнені та недостатньо висвітлені застосування датчиків, що найбільше підходить для управління доступом до ЛТК.

Тому систематизація сучасних біометричних датчиків відбитків пальця для побудови розширеної класифікації з врахуванням основних ознак поділу та відображенням сучасних фізичних принципів дії, типів їх компонентів, способів апаратурної реалізації є задачею актуальною.

Метою даної роботи є створення класифікаційної схеми сучасних біометричних датчиків відбитків пальця, систематизація яких дозволить прискорити процес визначення сучасних біометричних датчиків відбитків пальця з високою експлуатаційною технологічністю в форматі критеріїв «якість, час, витрати» для управління доступом до МПС керування ЛТК.

Рішення проблемної задачі

В залежності від технології сканування відбитку всі біометричні датчики відбитків пальця поділяють на три групи: напівпровідникові, оптичні та ультразвукові. Напівпровідникові датчики для одержання зображення відбитку пальця використовують зміну властивостей напівпровідників в місцях контакту гребенів папілярного візерунка з поверхнею сканера. Оптичні датчики перетворюють освітлені зображення відбитка пальця в цифровий код. Ультразвукові датчики сканують поверхню пальця за допомогою ультразвукових хвиль, вимірюючи глибину гребенів папілярного візерунка відбитим сигналом [1-4].

Розроблена класифікаційна схема сучасних біометричних датчиків відбитків пальця, представлена на рис. 1 .

Рисунок 1 – Класифікація біометричних датчиків відбитків пальця

З рис. 1 видно, що найбільше розповсюдження серед напівпровідникових сканерів отримали ємнісні датчики. Ємнісні сканери відбитків пальця виготовляють на кремнієвій пластині, що містить область мікроконденсаторів. У зв’язку з необхідністю безпосередньої взаємодії пальця з поверхнею сканера кремнієву область вкривають спеціальним тонким захисним шаром, який здатний, з одного боку, захистити кремнієві схеми, а з іншого – відрізнити реальний відбиток від фальшивки або мертвого. Також ємнісні датчики при достатньо високій надійності мають ще й відносну низьку вартість. До недоліків відносять ймовірність пошкодження датчика електростатичним розрядом ESD (ElectroStatic Discharge,) та обмежене число дотиків. Тому, як правило, для відведення ESD застосовують додаткові заходи, наприклад заземлення. Сучасні сканери відбитка пальця за такою технологією здатні протистояти ESD > 15 кВ, але вони дорожчі.

За принципом дії ємнісні датчики поділяються на пасивні та активні.
В пасивних датчиках кожна комірка складається з двох частин: пластини конденсатора та поверхні пальця. Сканування виконується послідовно, ряд за рядом, що дозволяє мінімізувати потребу в схемах вибірки та збереження до двох для кожного ряду. Комірка активного датчика складається з двох пластин конденсатора. Має місце адресація пікселів методом довільного доступу, що дозволяє застосовувати такі функції обробки, як перегляд виділеної області, попередній перегляд – більш швидкий, але з меншою роздільною здатністю. Активний принцип сканування відрізняється більш високою стійкістю до зовнішніх впливів, має більш високе відношення сигнал-шум та не залежить від стану поверхні пальця [4].

Теплові датчики складаються з піроелектричних елементів, які фіксують різницю температур виступів папілярного візерунка й повітря, що знаходиться в западинах. Недоліком такої технології є зникнення образу через ~ 0,1 с. До переваг відносять: стійкість до ESD, працездатність в широкому діапазоні температури, неможливість імітації відбитка.

Радіочастотні датчики складаються з матриці чутливих до електрорушійної сили елементів, які, після збудження радіохвилею низької інтенсивності сканованої поверхні пальця, приймають відбитий від неї сигнал, виявляючи відмінності відстаней між гребенями і западинами папілярного візерунка. Ці датчики стійкі обману, але іноді викликають дискомфорт для поверхні пальця через підвищену температуру передавального кільця.

Датчики тиску містять масив чутливих до натиснення сенсорів, які складаються з матриці п’єзоелектричних елементів. Цей спосіб сканування має низьку чутливість, нестійкий до обману та схильний до ушкоджень при надмірних зусиллях користувачів.

Датчики на основі технології мікроелектромеханічних систем MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) містять мініатюрні об’ємні кремнієві структури, що можуть переміщуватися за рахунок гнучкого підвісу у декількох точках, при цьому відбувається зміна параметрів електричного поля. Таким чином, рельєф поверхні пальця перетворюється в цифрове зображення. MEMS-датчики нечутливі до ESD, оскільки складаються з полімерів й композитної кераміки, відрізняються високою швидкодією, малими розмірами і вагою. Але вони нестійкі до імітації і мають високу ймовірність помилки [5].

Протяжні датчики, особливість яких полягає у проведенні пальця по поверхні, що зчитує, поділяються на ємнісні, теплові та радіочастотні. До переваг такого способу відносять відсутність слідів після сканування через малий час життя відбитку і низьку вартість матриці в поєднанні з ефективним захистом від обману.

Ультразвукові датчики дозволяють отримати цифрове зображення, що в 10 разів краще відображає топографію боріздок. Оскільки такі датчики здатні розпізнавати структуру пальця під шкірним покривом і, відтак, ігнорувати поверхневі ушкодження, вони не залежать від імітації, але мають високу вартість та великі розміри [1-3].

Сучасні оптичні датчики поділяють на дві групи: на просвіт і на відбиття.

Для захоплення зображення відбитка пальця в оптичних датчиках на відбиття використовуються CCD (Charged Coupled Device) або ПЗЗ (Прилад із Зарядовим Зв’язком) та CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) або КМОН (Комплементарна Метал-Оксид Напівпровідник) матриці. CCD-матриці мають кращу чутливість, більшу роздільну здатність, але на відмінну від CMOS-матриці вимагають додаткових мікросхем для отримання зображення, що збільшує вартість, розміри датчиків на їх основі. Оптичні датчики на відбиття залежать від стану шкіри (суха, волога), не стійкі до обману і мають високу чутливість до забруднень [1-2].

Датчики, що використовують ефект порушеного повного внутрішнього відбиття FTIR (Frustrated Total Internal Reflection), фіксують за допомогою CMOS або CCD матриці пучки світла, що проходять через границю розділу більш щільного середовища (поверхні пальця) і менш щільного (поверхні призми) та потрапляють в точки повного внутрішнього відбиття, до яких був прикладений папілярний візерунок пальця [4].

В основі роботи оптичних сканерів поверхневого підсилення неправильного відбиття SEIR (Surface Enhantsement Irregular Reflection) лежить оптична технологія розроблена і запатентована компанією SecuGen. Технологія SEIR використовує розсіювання в більшій мірі, ніж повне внутрішнє віддзеркалення та інші оптичні/геометричні умови для формування зображення. Коли пучки світла потрапляють на гребені папілярного візерунка, вони відбивається та розсіюється. Велика частина розсіяного світла збирається, тому гребені виглядають як світлі плями зображення. Коли пучки світла потрапляють в западини, вони повністю проходять крізь поверхню призми, і не розсіюється. Отже, пучки світла не відбиваються, і западини відображаються темними плямами. SEIR-датчики відрізняє висока контрастність і низьке викривлення (нелінійність світла складає ~ 0,1 %) [6].

Оптоволоконні датчики представляють собою оптоволоконну матрицю, кожний елемент якої закінчується фотодатчиком. Зображення відбитка формується за даними фотодатчиків, чутливих до залишкового світла, яке проходить через палець в точці дотику пальця з поверхнею матриці.

Технологія електорооптичних датчиків базується на використанні спеціального електрооптичного полімеру, до складу якого входить світло випромінюючий шар. Завдяки неоднорідності електричного поля (різниці потенціалів між гребнями та западинами папілярного візерунка) світло випромінюючий шар висвічує відбиток пальця, відображення якого масив фотодіодів сканера перетворює в цифровий вигляд.

Протяжні оптичні датчики на відбиття поділяються на роликові та протяжні оптичні датчики. Роликові сканери є самими мініатюрними. Протяжні оптичні датчики є різновидом FTIR-датчиків, в яких для сканування відбитку пальця необхідно провести по вузькій смужці зчитувача. Під час руху пальця по поверхні виконується серія миттєвих знімків (кадрів), з яких за допомогою спеціалізованого програмного забезпечення формується цифрове зображення. Такі датчики використовують меншу за розміром призму, оскільки сусідні кадри знімаються з деяким перекриттям один одного, що, в свою чергу, дозволяє зменшити розмір і самого сканера.

Для захоплення зображення в оптичних датчиках на просвіт підсвічується кінчик пальця з боку нігтя [3]. Пучки світла, що пройшли через палець потрапляють на лінзу, а потім на оптичний сенсор, що аналізує характеристики поглинання світла живими тканинами. Такий метод має багато переваг: високу надійність зчитування, стійкість до імітації, необов’язкова умова наявності контакту зі сканером. Недоліком є складність реалізації.

В оптичних безконтактних датчиках для сканування відбитку необхідно лише прикласти палець до отвору, що підсвічується знизу декількома джерелами з різних сторін. В центрі сканера розташована лінза, через яку зібрана інформація передається на чутливу матрицю.

Отже, аналіз сучасних біометричних датчиків відбитків пальця, приведених на рис. 1, показав, що для управління доступом до МПС керування ЛТК за критеріями «якість, час, витрати», завдяки малим розмірам, високій надійності і відносно низькій вартості, доцільне використання оптичних датчиків на CCD- або СМОS-матриці.

Висновки:

1. Проведений системний аналіз сучасних біометричних датчиків відбитків пальця, що дозволив висвітлити нові сучасні способи їх апаратурної реалізації. Визначені переваги та недоліки сучасних біометричних датчиків відбитків пальця, що характерні для кожної технології сканування.

2. Розроблена класифікаційна схема сучасних біометричних датчиків відбитків пальця, яка систематизує головні ознаки поділу та відображає сучасні фізичні принципи дії, типи використовуваних в оптичних датчиках матриць, способи апаратурної реалізації тої чи іншої технології сканування.

3. Визначено, що для управління доступом до МПС керування ЛТК за критеріями «якість, час, витрати» доцільне використання оптичних датчиків відбитків пальця на CCD- або СМОS-матриці.

В подальшому для усунення впливу паразитних ємностей на якість результату сканування доцільно провести дослідження по схемотехнічному рішенню або на єдиному кристалі, або з використанням збірки на малогабаритній комутаційній підложці CCD-матриці та скануючих компонентів пристрою.

Література:

1. Сосков А.Н. Анализ существующих типов датчиков для распознавания отпечатков пальцев / А.Н. Сосков, А.А. Галькевич // Системи управління, навігації та зв’язку. – 2011. – Вип. 3 (19). – С. 105–109.

2. Гуреева О. Биометрическая идентификация по отпечаткам пальцев. Технология Finger Chip / О. Гуреева // Компоненты и технологии. – 2007. – № 4. – С. 176–180.

3. Гаврилюк Д. Датчики отпечатков пальцев фирм ATMEL и FUJITSU / Д. Гаврилюк // Компоненты и технологии. – 2004. – № 2.

4. Задорожный В. В. Идентификация по отпечаткам пальцев. Часть 1 / В. В. Задорожный // PC Magazine/Russian Edition. – 2004. – № 1.

5. Бородулин А. MEMS–технология на страже безопасности. Новые микросхемы датчиков STMicroelectronics / А. Бородулин // Вестник электроники. – 2010. – № 4 (28). – С. 18–21.

6. SEIR оптическая технология распознавания отпечатков пальца. – Режим доступа : http://fingerprint.com.ua/fingerprint/seir.htm.