Poznaj swojego smartfona: czytnik linii papilarnych

Skanery odcisków palców jeszcze kilka lat temu kojarzyliśmy z filmami szpiegowskimi. Dzisiaj ta kosmiczna niegdyś technologia znajduje się w smartfonach, tabletach oraz laptopach. Przyłożyć palec do czytnika potrafi każdy, ale czy każdy zdaje sobie sprawę jak on właściwie działa?

Najpierw w kinie na filmach akcji, potem w instytucjach takich jak banki czy laboratoria - taką drogę przeszły czytniki, których dzisiaj duża część społeczeństwa używa wielokrotnie każdego dnia. Co ciekawe, dotarliśmy do etapu, w którym znajdziemy je również w stosunkowo tanich urządzeniach.

Rolą czytnika linii papilarnych jest identyfikacja użytkownika po unikalnym układzie bruzd i grzbietów na opuszce palca. Każdy człowiek na świecie ma swój własny unikalny układ linii - nawet bliźnięta jednojajowe. Pozwala to m.in. na skuteczną identyfikację przestępców przez policję oraz… użytkowników przez smartfona. Jak to wszystko działa?

Istnieje wiele różnych rodzajów czytników, które pokrótce omówię. Najpierw jednak wyjaśnijmy, jaki jest ogólny mechanizm działania skanera. Większość skanerów (szczególnie optycznych) działa na bardzo podobnej zasadzie co aparaty fotograficzne. Czytnik zapisuje obraz odcisku palca właściciela, aby przy próbie odblokowania smartfona móc go porównać z przyłożonym palcem.

Istotne jest to, że czytniki nie analizują całościowego układu linii papilarnych, a tylko kilka jego charakterystycznych elementów zwanych minucjami. Są to na przykład rozgałęzienia linii papilarnych lub ich zakończenia. Skaner “fotografuje” ich względny układ i odległości między nimi. Gdyby odcisk miał być za każdym razem weryfikowany całościowo, proces trwałby nieporównywalnie dłużej - taka analiza wymaga wbrew pozorom bardzo dużej mocy obliczeniowej.

Co ciekawe, pozornie czytniki linii papilarnych są bardzo niedokładne. Zazwyczaj zatwierdzają odcisk, gdy liczba minucji zgodnych z tymi zapisanymi pierwotnie zgadza się w około 40 proc. W praktyce okazuje się, że jest to wartość optymalna. Gdyby wymagania były większe, częściej musielibyśmy powtarzać odczyt odcisku. 40 proc. równocześnie wystarcza do zidentyfikowania danego użytkownika i czyni skaner odpornym na błędy.

Optyczny skaner linii papilarnych “fotografuje” palec. Jego sercem jest matryca CCD (taka sama jak w większości aparatów czy kamer). Składa się ona z bardzo gęsto upakowanych światłoczułych elementów, które zamieniają dane o ilości padającego na nie światła na impulsy elektryczne.

W tych miejscach do których światło nie dochodzi (grzbiety) matryca zarejestruje “czarne” piksele, tworząc dokładnie odwzorowany obraz palca. Często czytniki optyczne mają wbudowane własne źródło światła (zazwyczaj LED) - aby obraz był jak najwyraźniejszy. Z oczywistych względów taki czytnik stosunkowo łatwo jest oszukać.

Zasada działania czytnika pojemnościowego jest z grubsza podobna. Zamiast matrycy CDC użyte w nich są układy miniaturowych kondensatorów. Gdy przyłożymy palec do takiego czytnika, zmieniamy na moment pojemność poszczególnych kondensatorów, zaburzamy ich równowagę elektryczną.

Jest to system na tyle precyzyjny, że pozwala zinterpretować te zaburzenia w pojemności elektrycznej mikroelementów jako pełny odcisk ludzkiego palca. Skanery pojemnościowe są znacznie dokładniejsze i skuteczniejsze od skanerów optycznych, gdyż ciężej je oszukać. W teorii do odblokowania urządzenia z zabezpieczeniami optycznymi wystarcz przyłożyć odpowiedni wydruk palca (wykonany na specjalnym papierze, specjalnym atramentem).

Skanery pojemnościowe mogą wykrywać zarówno dotyk (iPhone 6s), jak i na przesunięcie palca (Galaxy S5). Drugi typ czytników zbudowany jest po prostu z mniejszej liczby kondensatorów, co przekłada się na niższe koszty produkcji oraz - niestety - niższą skuteczność.

Trzecim typem czytnika linii papilarnych jest skaner termiczny. Działa on na podobnej zasadzie, ale zamiast mikro-kondensatorów mamy mikroskopijne skanery termiczne, które wykrywają różnice temperatury między grzbietami, a dolinami opuszki palca.

Ostatnim typem są skanery ultradźwiękowe. Ich zasada działania opiera się na zjawisku dyfrakcji, odbicia oraz rozproszenia fali dźwiękowej. Gdy przykładamy do takiego czytnika palec, zaczyna on generować niesłyszalne dla naszych uszu dźwięki. Sposób zachowania się fal dźwiękowych w miejscach styku grzbietów opuszki z czytnikiem jest zupełnie inny niż w dolinach (w których jest powietrze). Pozwala to wygenerować dokładny obraz linii papilarnych palca.

Obecnie w smartfonach najpopularniejsze są czytniki pojemnościowe. Warto jednak zaznaczyć, że najskuteczniejsze są czytniki ultradźwiękowe i prawdopodobnie właśnie do tej technologii będzie należeć przyszłość. Najlepiej wykrywają one, bądź co bądź, trójwymiarową powierzchnia opuszki palca oraz, co istotne z praktycznego punktu widzenia - znacznie lepiej radzą sobie z zabrudzonymi lub też tłustymi palcami.

Na koniec warto jeszcze zaznaczyć, że czytniki linii papilarnych, mimo iż bardzo bezpieczne, nie gwarantują 100 proc. bezpieczeństwa. Takiego bezpieczeństwa nie gwarantują zresztą żadne zabezpieczenia. Przy odpowiedniej technice i narzędziach, można zrobić odlew palca, który ma szanse zmylić czytnik. Jeśli na telefonie przechowujecie ważne dane, warto zastanowić się nad podwójnymi zabezpieczeniami oraz ograniczeniem ilości możliwych nieudanych prób odblokowania.