Биометрия. Как работают сканеры отпечатков пальцев в смартфоне и почему Face ID никто не повторил

15 921
04 марта 2022 в 8:00
Автор: Антон Мерзляков

Биометрия. Как работают сканеры отпечатков пальцев в смартфоне и почему Face ID никто не повторил

Несмотря на высокую стоимость даже обычных, а тем более флагманских смартфонов, основную ценность в любом аппарате представляет хранящаяся на нем информация. Производители это осознают и постоянно совершенствуют системы аутентификации — от код-паролей до сканеров радужной оболочки глаз. Впрочем, не все способы прижились. Разбираемся, как работают сканеры отпечатков пальцев в экранах, почему никто так и не повторил Face ID от Apple и какие есть перспективы.

Способов «биометрической аутентификации» много, но применяются лишь несколько

То, что мы называем системой разблокировки устройства, на самом деле имеет чуть более сложное определение — биометрическая система аутентификации. В сети понятие объясняют так: «Биометрическая аутентификация — процесс доказательства и проверки подлинности заявленного пользователем имени через предъявление пользователем своего биометрического образа и путем преобразования этого образа в соответствии с заранее определенным протоколом аутентификации».

Причем есть разница между системами идентификации и аутентификации. Первые, как правило, работают в пассивном режиме — например, для учета рабочего времени (то есть включаются сами). А система биометрической аутентификации, напротив, используется в активном режиме и подразумевает авторизацию пользователя в системе — наш вариант, при котором считывание показателей владельца гаджета используется только по его запросу для входа в систему.

Если еще немного углубиться, то различают статические и динамические методы биометрической аутентификации. Первые можно назвать «классическими» — к ним мы привыкли по смартфонам, планшетам и другой технике. Такие методы отличаются тем, что основываются на физиологических характеристиках человека, присутствующих от рождения до смерти, и не могут быть потеряны, украдены и скопированы. К ним относят аутентификацию:

  • по отпечатку пальца;
  • по радужной оболочке глаза;
  • по сетчатке глаза;
  • по геометрии руки;
  • по геометрии лица;
  • по термограмме лица.

К динамическим методам относят, например, аутентификацию по голосу и рукописному почерку. В обычной потребительской технике такие встречаются сейчас редко.

В телефонах чаще всего применяются сканеры отпечатков пальцев. Каких типов они бывают?

Различают два типа признаков отпечатков пальцев человека: глобальные и локальные. Глобальные — это те, которые различимы невооруженным взглядом, то есть папиллярный узор, направление линий, их форма. Локальные признаки называются минуциями. Это маленькие уникальные точки для каждого отпечатка пальца, которые не повторяются.

Проще говоря, глобальные признаки отпечатков пальцев могут быть схожими, но локальные — нет. Считается, что они полностью неповторимы. При этом процесс выявления таких локальных признаков долгий и затратный. В сканерах, применяющихся в обычной технике, он не задействован. Как правило, дактилоскопические сенсоры смартфона ориентируются на глобальные признаки. Судя по материалу известного ресурса Android Authority, в телефонах, планшетах и ноутбуках в основном применяются сканеры отпечатков трех типов:

  • оптические;
  • ультразвуковые;
  • емкостные.

1. Оптические сканеры являются старейшими, но вместе с тем и самыми популярными — они применяются не только в телефонах, но и, например, в пунктах прилета в аэропортах. Метод их работы основывается на захвате оптического изображения — по сути, фотографировании. Далее начинают использоваться алгоритмы обнаружения узоров пальцев через анализ самых светлых и темных областей полученного изображения.

Пример оптического сканера с подсветкой

Важно отметить: такой способ аутентификации нельзя назвать самым безопасным. По сути, сканер получает двухмерную картинку и сравнивает ее с той, что занесена в базу данных. Теоретически из-за этого подобный оптический сенсор, подсвечивающий палец юзера через диоды OLED-дисплея в случае со смартфоном, легче обмануть.

Однако оптические подэкранные сканеры сейчас являются самыми распространенными. Они используются в большинстве смартфонов с такой функцией — что от китайских, что от корейских производителей, причем как флагманского, так и среднего сегмента.

2. Ультразвуковые датчики считаются более безопасными с точки зрения возможностей взлома. Их, как правило, можно встретить в дорогих флагманских моделях (например, от Samsung), которые используют дактилоскопические сенсоры под OLED-экранами.

Изображение от Qualcomm, описывающее преимущества второго поколения их ультразвукового сканера отпечатков

Принцип работы такой: ультразвуковой импульс передается на палец, находящийся над сканером. Часть этого импульса поглощается, а часть отражается обратно к датчику. После этого система рассчитывает интенсивность импульса в разных точках сканера, создавая «глубину». В общем, ультразвуковой способ позволяет получить трехмерный, объемный скан пальца пользователя — это делает его более безопасной альтернативой оптическим вариантам.

Правда, есть и минусы. Первый — более высокая цена, из-за чего ультразвуковые сканеры пока практически не применяются в смартфонах среднего уровня. Второй — пониженная скорость срабатывания в сравнении с оптическими сенсорами. Впрочем, последние поколения таких сенсоров от Qualcomm почти сравнялись в этом аспекте с «оптикой». Еще один недостаток — сложности работы со многими пленками, которые пользователи самостоятельно клеят на экраны. Часто они слишком толстые, и импульс просто не проходит — приходится выбирать варианты, специально одобренные для таких сканеров.

3. Емкостные сканеры отпечатков в смартфонах применяются, наверное, дольше всего. Но и речи про двухмерное или тем более трехмерное сканирование пальца тут не идет. Емкостные сенсоры используются в сканерах в кнопках — на задней стороне корпуса или в клавише питания. В общем, Touch ID в iPhone — сканер именно емкостного типа.

В подобном емкостном сканере расположено множество пластин, подключенных к микросхемам. Последние рассчитывают емкость, возникающую между пальцем и самим сенсором, — отсюда и название. Чем больше используется пластин (речь идет о сотнях, а иногда и тысячах), тем выше точность и скорость распознавания. «Кроме того, емкостные сканеры отпечатков невероятно сложно обмануть, если речь не идет про прямой взлом аппаратного или программного обеспечения», — пишут в Android Authority. По нашему опыту, проблем со скоростью считывания в последние годы также нет — даже в смартфонах начального уровня срабатывание происходит быстро. Короче говоря, технология обкатанная и хорошо себя зарекомендовавшая.

Резюме

Емкостные сканеры отпечатков пальцев в смартфонах наиболее распространены и хорошо себя зарекомендовали. Срабатывание происходит достаточно быстро (как правило, менее чем за секунду), последние год-полтора хватает даже площади клавиши питания.

Подэкранные сканеры оптического типа — не самые защищенные из-за особенностей работы с построением двухмерной копии отпечатка пальца юзера. По сути, они особым способом фотографируют палец и сравнивают изображение с тем, что есть в базе. Особо волноваться о безопасности не стоит, но ультразвуковые решения — более технологичные. Они строят уже трехмерный скан пальца, что повышает уровень безопасности. Правда, ультразвуковые сенсоры дорогие, так что пока они встречаются преимущественно в флагманских смартфонах.

Распознавание по лицу

Распознавание лиц — технология, альтернативная аутентификации пользователя по отпечатку пальцев. Но сегодня только Apple продолжает упорно использовать ее в своих смартфонах, почти уйдя от считывания отпечатков. Другие компании также позволяют разблокировать устройство через считывание лиц, но только с использованием фронтальной камеры. Безопасным такой способ не назвать: можно провести аналогию с оптическими сканерами отпечатков, которые создают двухмерную копию пальца пользователя, а не объемный скан.

Большинство производителей смартфонов на Android поступают с аутентификацией по лицу похожим образом: фронтальные камеры, не обладающие дополнительными модулями для измерения глубины кадра, при разблокировке сравнивают двухмерное изображение с тем, что уже занесено в память. Несколько лет назад некоторые компании — например, Samsung — позволяли пройти аутентификацию через распознавание радужной оболочки глаза, но и от такого сейчас отказались. Способ хоть и очень надежный, но слишком долгий и сложный, на ходу пользоваться им было не очень удобно. В общем, метод не прижился.

Визуализация функции сканирования радужной оболочки глаз для Samsung Galaxy S8, выпущенного в 2017 году

Face ID действует немного иначе: есть несколько датчиков, которые проецируют 30 тыс. ИК-точек на лицо юзера, и блок, считывающий такой рисунок. Так получается объемный скан, который сравнивается с «отпечатком», сделанным при настройке аппарата. Важно, что со временем система улучшается — распознавание начинает происходить быстрее, причем в автоматическом режиме. Это происходит за счет нейронных сетей, которые лучше запоминают лицо юзера и начинают срабатывать в более сложных условиях.

Из бытовых преимуществ технологии в сравнении с двухмерным распознаванием лица только по «фронталке» у Face ID выделяется возможность распознавания, даже когда пользователь надевает шапку, очки или другие предметы гардероба, а также настолько же быстрое срабатывание при полном недостатке света, как и днем, благодаря ИК-излучателю.

Но есть и минусы, причем некоторые обнаружились еще в 2017 году. Угол обзора системы датчиков TrueDepth недостаточно широк. Условно говоря, вы не сможете разблокировать лежащее на столе устройство, просто взглянув на него, — гаджет придется приподнять. В горизонтальном положении снять блокировку также не выйдет: Face ID именно в смартфонах срабатывает только в вертикальном положении. Почему, не ясно. В тех же iPad Pro, в которых используется та же система датчиков, проблем с горизонтальным распознаванием нет.

Примерно так выглядит объемная карта лица, которую создают датчики TrueDepth

Кроме того, Face ID на момент публикации материала не срабатывает, когда пользователь находится в маске, — во время пандемийных ограничений такое сказывается как минимум на удобстве использования. Впрочем, ситуация вскоре может измениться: в версии iOS 15.4 компания добавит опцию, которая позволит распознавать юзера, когда на его лице есть маска.

Если 3D-распознавание лиц настолько хорошо, почему его использует преимущественно только Apple?

Точный ответ дать сложно, но есть предположения: рынок смартфонов на ОС Android неоднороден, большинству производителей легче и, что важнее, дешевле использовать наработки сторонних компаний в части аутентификации посредством сканера отпечатков пальцев вместе с более дешевой, пускай и не такой безопасной системой двухмерного распознавания лиц, чем разрабатывать собственную систему трехмерной аутентификации наподобие Face ID.

Apple iOS, экран 6.1" OLED (1170x2532), Apple A15 Bionic, ОЗУ 6 ГБ, флэш-память 128 ГБ, камера 12 Мп, аккумулятор 3095 мАч, 1 SIM, влагозащита IP68
Android, экран 6.4" AMOLED (1080x2340), Qualcomm Snapdragon 888, ОЗУ 6 ГБ, флэш-память 128 ГБ, камера 12 Мп, аккумулятор 4500 мАч, 2 SIM, влагозащита IP68
Android, экран 6.67" AMOLED (1080x2400), Mediatek MT6893 Dimensity 1200, ОЗУ 8 ГБ, флэш-память 256 ГБ, камера 108 Мп, аккумулятор 5000 мАч, 2 SIM, влагозащита IP53
Android, экран 6.7" AMOLED (1440x3216), Qualcomm Snapdragon 8 Gen1 SM8450, ОЗУ 8 ГБ, флэш-память 256 ГБ, камера 48 Мп, аккумулятор 5000 мАч, 2 SIM

Наш канал в Telegram. Присоединяйтесь!

Есть о чем рассказать? Пишите в наш телеграм-бот. Это анонимно и быстро

Перепечатка текста и фотографий Onlíner без разрешения редакции запрещена. ng@onliner.by