حسگر اثرانگشت چگونه کار می‌کند؟
اسکنرهای اثرانگشت رایانه‌ای برای دهه‌ها به عنوان یکی از تکنولوژی‌های عجیب در فیلم‌های هیجان‌انگیز جاسوسی برشمرده می‌شدند، و تا همین اواخر هم به شکل وسیله‌های واقعی و رایجی استفاده نمی‌شدند تا اینکه طی چند سال گذشته این مدل اسکنرها به هر جایی از ایستگاه‌های پلیس و ساختمان‌هایی با امنیت بالا گرفته تا روی صفحه کلیدهای لپ‌تاپ یا گوشی راه پیدا کردند. بنابراین در این مقاله، اسرار این پیشرفت هیجان‌انگیز در حفظ بهتر امنیت و هویت افراد را بررسی خواهیم کرد و به زبانی ساده در مورد اینکه حسگر اثرانگشت چگونه کار می‌کند؟ صحبتی خواهیم داشت.
حتی اثرانگشت دوقلوهای همسان هم، متفاوت است!
اثر انگشت یکی از طرح‌های پرپیچش و عجیب و غریب طبیعت است، به این معنی که ما انسان‌ها کارت شناسایی‌های داخلی‌ای داریم که به راحتی در دسترس است. اثر انگشت به عنوان برجستگی‌های کوچکی از پوست شناخته می‌شود که روی انگشتان قرار دارد و طی فرآیند تکامل هیچ‌گاه از ساختار بدن ما حذف نشده است، چراکه الگوی برآمدگی‌ها و دره‌های روی انگشتان، قابلیت استفاده از اشیا و گرفتن آن‌ها را در دست، آسان‌تر می‌کند. دقیقا به همان شکلی که الگوی راه‌راه آج لاستیک به چسبیدن بهتر لاستیک به کف جاده کمک می‌کند.
اثر انگشت طی فرآیند تکامل هیچ‌گاه از ساختار بدن ما حذف نشده است، چراکه الگوی برآمدگی‌ها و دره‌های روی انگشتان، قابلیت استفاده از اشیا و گرفتن آن‌ها را در دست آسان‌تر می‌کند.
مانند هر چیز دیگری در بدن انسان، این برجستگی‌ها از طریق ترکیبی از عوامل ژنتیکی و محیطی به شکل کاملا تصادفی در جنین ایجاد می‌شوند. به‌طور کلی می‌توان اذعان داشت که اگرچه کد ژنتیکی موجود در DNA، دستورات کلی‌ای در مورد نحوه‌ی شکل‌گیری پوست در زمانی که جنین در حال رشد است را به سلول‌ها می‌دهد، اما نحوه‌ی شکل گیری خاص این اثرات نتیجه‌ی یکسری رویدادهای تصادفی است. به این معنی که موقعیت دقیق جنین در رحم در یک لحظه خاص و ترکیب و تراکم دقیق مایع آمونیوتیک «amniotic fluid» در اطراف آن تعیین‌کننده‌ی هر برآمدگی و فرورفتگی فردی در تشکیل اثرانگشت است. علاوه بر موارد بی‌شماری که در وهله اول و از دیدگاه ژنتیکی در شکل‌گیری اثرانگشتی منحصربه‌فرد نقش دارد، عوامل محیطی زیادی هم بر شکل‌گیری آن تأثیر می‌گذارد. درست مانند شرایط آب و هوایی خاصی که ابرها را در ساختارهای مختلفی شکل می‌دهد، کل روند تشکیل و توسعه‌ی اثرانگشت آن‌قدر آشفته است که در کل طول تاریخ بشر، عملاً هیچ شانسی برای دوبار تشکیل یک الگوی دقیق وجود ندارد.
در نتیجه، اثر انگشت یک المان منحصر به فرد برای هر یک از ماست، به‌طوری که حتی دوقلوهای همسان هم اثرانگشت یکسانی ندارند. در حالی که دو اثر انگشت جوهری ممکن است اساساً در یک نگاه یکسان به نظر برسند، اما یک محقق آموزش دیده یا یک نرم‌افزار پیشرفته می‌تواند تفاوت‌های واضح و مشخصی را در آن تشخیص دهد. همین تجزیه و تحلیل اثر انگشت، هم ایده‌ی اصلی در زمینه‌ی تحقیقات جرم و بحث امنیت اطلاعات است. درواقع وظیفه‌ی یک اسکنر اثر انگشت این است که با جمع آوری نمونه‌های چاپی و مقایسه آن با سایر نمونه‌های ثبت شده، جای یک تحلیلگر انسانی را بگیرد و بتواند بین اثرانگشت‌های مختلف تمایز قائل شود.
حسگرهای نوری یا اپتیکی اثرانگشت چطور کار می‌کنند؟
سیستم‌های اسکن اثرانگشت باید دو تسک مهم را انجام دهند. اول اینکه تصویری از انگشت شما بگیرند و سپس باید بتوانند تعیین کند که آیا الگوی برآمدگی‌ها و دره‌های اثرانگشت تصویر با الگوی اثرانگشت در تصاویر از پیش اسکن شده، مطابقت دارد یا خیر. در همین راستا با توجه به پیشرفت تکنولوژی راه‌های متنوعی برای گرفتن تصویر از اثرانگشت وجود دارد که رایج‌ترین رویه‌ها شامل اسکن نوری «optical scanning» و اسکن خازنی «capacitance scanning» می‌شود. مسلما هر دوی این اسکنرها یک نتیجه را ارائه می‌کنند، اما روش‌های انجام این کار در هر یک کاملا متفاوت است.
قلب یک اسکنر نوری یک دستگاه شارژ همراه «charge coupled device» یا (CCD) است. به طور کلی CCD را می‌تواند آرایهای از دیودهای حساس به نور به نام فتوسل «photosites» در نظر گرفت که در پاسخ به فوتون‌های نور سیگنال الکتریکی تولید می‌کنند. طی این روند هر فتوسل در CCD یک پیکسل (نقطه‌ای کوچک که نشان‌دهنده‌ی نوری است که به آن نقطه برخورد کرده است) را ثبت می‌کند و در مجموع، پیکسل‌های روشن و تاریک تصویری از منطقه‌ی اسکن شده (مثلاً اثرانگشت اشاره) را تشکیل می دهند. به طور معمول، همواره یک مبدل آنالوگ به دیجیتال در سیستم اسکنر، سیگنال الکتریکی آنالوگ را مورد پردازش قرار می‌دهد تا یک نمایش دیجیتالی از تصویر ایجاد شود.
CCD را می‌تواند آرایهای از دیودهای حساس به نور به نام فتوسل در نظر گرفت که در پاسخ به فوتون‌های نور سیگنال الکتریکی تولید می‌کنند.
فرآیند اسکن زمانی شروع می‌شود که انگشت خود را روی صفحهای شیشه‌ای و مخصوص قرار می‌دهید، پس از این کار یک دوربین CCD شروع به تصویربرداری از اثرانگشت می‌کند. به طور کلی اسکنرها منبع نور مخصوص به خود را دارند که در اغلب موارد، مجموعه‌ای از دیودهای نوری است که برآمدگی‌های روی انگشت را روشن می‌کند. سیستم CCD در واقع یک تصویر معکوس از انگشت می‌گیرد، به این معنی که نواحی تیره‌تر نشان‌دهنده‌ی نور منعکس شده‌ی بیشتر (برآمدگی‌های انگشت) و مناطق روشن‌تر نشان‌دهنده نور کمتر منعکس شده (فرورفتگی‌های انگشت) است. البته قبل از مقایسه‌ی تصویر اسکن شده با داده‌های از قبل ذخیره شده، پردازنده‌ی اسکنر مطمئن می‌شود که CCD تصویر را به شکلی واضح ثبت کرده است. به این ترتیب که پردازنده، میانگین پیکسل‌های تاریک یا مقادیر کلی این دسته از نقاط را در بخش کوچکی از تصویر بررسی می‌کند و اگر تصویر کلی بسیار تاریک یا بسیار روشن باشد آن را رد می‌کند. با رد شدن تصویر اسکن شده، دستگاه زمان نوردهی را طوری تنظیم می‌کند که نور کم و بیش و به شکلی متناسب وارد شود. سپس هر آنچه مطرح شد دوباره تکرار می‌شود تا تصویر مورد تایید پردازش‌گر قرار گیرد.
نمایشی از کارکرد حسگرهای اپتیکی زمانی که انگشت را روی صفحهی شیشه‌ای اسنکر قرار می‌دهیم.
در صورتی که سطوح تاریک تصویر اسکن‌شده به‌‌اندازه‌ی کافی باشد، سیستم اسکنر حد وضوح تصویر را بررسی می‌کند و پردازنده به شکل چندین خط مستقیم به صورت افقی و عمودی در سراسر تصویر پایش می‌کند. اگر تصویر اثر انگشت وضوح خوبی داشته باشد، خطی که عمود بر برآمدگی‌های اثرانگشت است شامل بخش‌های متناوبی از پیکسل‌های تاریک و روشن می‌شود. تمام این فرآیند مطرح شده در عرض کمتر از یک دقیقه پیش روی ما انجام می‌شود و در صورت تایید اثرانگشت (در سیستم ورود و خروج یا گوشی) همه‌چیز طبق خواسته‌ی کاربر پیش می‌رود.
اسکنر اثرانگشت خازنی چطور عمل می‌کند؟
همانند اسکنرهای نوری، اسکنرهای اثرانگشت خازنی هم تصویری از برآمدگی‌ها و فرورفتگی‌های انگشت تولید می‌کنند. اما رهیافت این دسته از سنسورها به این شکل است که به جای عملکردی مبنی بر استفاده از نور، از جریان الکتریکی استفاده می‌کنند. نمودار زیر یک حسگر خازنی ساده را نشان می‌دهد که از یک یا چند تراشه‌ی نیمه‌هادی تشکیل شده که از آرایهای از واحدهای کوچک ساخته شده است. به طور کلی هر واحد در تراشه‌‌های نیمه‌هادی شامل دو صفحهی هادی است که با یک لایه‌ی عایق پوشانده شده است. جالب است بدانید که هر یک از این واحدها عرضی برابر با یک برآمدگی روی انگشت دارند.
سنسور خازنی به یک مدار انتگرال‌گیر RC متصل است، چنین مدار الکتریکی‌ای که در اطراف یک آمپلی‌فایر عملیاتی معکوس «inverting operational amplifier» ساخته می‌شود. آمپلی‌فایر عملیاتی معکوس دستگاهی نیمه هادی و پیچیده است که از تعدادی ترانزیستور، مقاومت و خازن تشکیل شده است که جزئیات عملکرد این دستگاه از حوصله‌ی این مقاله خارج است؛ اما به منظور ایجاد درک مناسبی از از حسگرهای اثرانگشت خازنی سعی می‌کنیم توضیحات را تا حد امکان ساده کنیم.
مانند هر آمپلی‌فایر یا تقویت‌کننده‌ای، یک آمپلی‌فایر عملیاتی معکوس، جریان‌الکتریکی را بر اساس نوسانات جریانی دیگر تغییر می‌دهد. به طور دقیق‌تر این آمپلی‌فایر ولتاژ تغذیه‌ی دستگاه را تغییر می‌دهد. این تغییر بر اساس ولتاژ نسبی دو ورودی دستگاه به‌نام‌های ترمینال معکوس‌کننده «inverting terminal» و ترمینال غیر معکوس‌کننده «non-inverting terminal» است. در این حالت ترمینال غیر معکوس‌کننده به زمین و ترمینال معکوس‌کننده به منبع ولتاژ اصلی و مدار فیدبک متصل می‌شود. لازم به ذکر است که مدار فیدبک خود به خروجی آمپلی‌فایر که شامل دو صفحهی هادی می‌شود، متصل است.
حسگر خازنی ساده
همانطور که ممکن است متوجه شده باشید، دو صفحهی رسانا یک خازن اصلی را تشکیل می‌دهند، که کار ذخیره‌ی بارالکتریکی را بر عهده دارد. سطح انگشت به عنوان یک خازن صفحهای سوم عمل می‌کند که توسط لایه‌های عایقی از ساختار سلول برای برآمدگی‌ها و توسط حفره‌‌های هوا برای فرورفتگی‌ها، از هم جدا شده است. تغییر فاصله بین صفحات خازن (با نزدیکتر یا دورتر کردن انگشت از صفحات رسانا) ظرفیت کل خازن (توانایی ذخیره‌سازی بارالکتریکی یا شارژ) را تغییر می‌دهد. به همین علت هم خازن زیرِ برآمدگی‌های انگشت ظرفیت بیشتری نسبت به خازن زیر فرورفتگی‌ها دارد.
تغییر فاصله‌ی بین صفحات خازن (با نزدیکتر یا دورتر کردن انگشت از صفحات رسانا) ظرفیت کل خازن را تغییر می‌دهد. به همین علت هم خازن زیرِ برآمدگی‌های انگشت ظرفیت بیشتری نسبت به خازن زیر فرورفتگی‌ها دارد.
به‌منظور اسکن اثر انگشت، پردازنده‌ی دستگاه در ابتدا سوئیچ تنظیم مجدد را برای هر واحد می‌بندد، تا ورودی و خروجی هر آمپلی‌فایر را کوتاه و مدار انتگرال‌گیر RC را متعادل کند. هنگامی که سوئیچ دوباره باز می‌شود، پردازنده مقدار باری ثابت را به مدار انتگرال‌گیر اعمال می‌کند، خازن‌ها شارژ می‌شوند. ظرفیت خازن مدار فیدبک بر ولتاژ ورودی آمپلی‌فایر تأثیر می‌گذارد که طبیعتا بر خروجی آمپلی‌فایر هم تأثیرگذار است. از آنجایی که فاصله‌ی صفحهی سنسور تا انگشت عاملی برای تغییر ظرفیت خازن است، برآمدگی‌های روی انگشت منجر به خروج ولتاژ متفاوتی نسبت به فرورفتگی‌های آن می‌شود. در چنین حالتی پردازنده‌ی اسکنر خازنی این خروجی ولتاژ را می‌خواند 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 می‌شود را در کنار هم قرار دهد.
برآمدگی‌های روی انگشت خروجی ولتاژ متفاوتی نسبت به فرورفتگی‌های انگشت دارند. پردازنده‌ی اسکنر خازنی این خروجی ولتاژ را می‌خواند و بر اساس تفاوت‌هایی که در ولتاژهای برآمدگی‌ها و فرورفتگی‌ها دریافت می‌کند، آرایه‌هایی از واحدهای پردازنده می‌تواند یک تصویر کلی از اثر انگشت، را ایجاد کنند.
جالب است بدانید که مزیت اصلی حسگر اثرانگشت خازنی در این است که به جای الگوی تاریک و روشنی که به شکل بصری تصویری از اثرانگشت به دست می‌آورد، سیستم خازنی به شکلی واقعی از اثر انگشت تصویربرداری می‌کند. طبیعتا این امر فریب دادن سیستم را برای افرادی که قصد نفوذ به سیستمی خاص را دارند سخت‌تر می‌کند. علاوه بر این، از آنجایی که در این نوع حسگرها از یک تراشه‌ی نیمه هادی به جای واحد CCD استفاده می‌شود، اسکنرهای خازنی نسبت به حسگرهای اثرانگشت نوری فشرده‌تر و کوچکتر هستند.
چگونه اثرانگشت را بررسی و تحلیل می‌کنند؟
حتما در فیلم‌ها و سریال‌های تلویزیونی دیده‌اید که آنالیزگرهای خودکار اثرانگشت، معمولاً تصاویر مختلفی از اثر انگشت‌ها را برای یافتن تطابق با اثرانگشتی خاص روی هم قرار می‌دهند. در همین راستا لازم است بدانید که چنین روشی، رهیافتی کاربردی برای مقایسه‌ی اثر انگشتی شاخص با سایر داده‌ها نیست، چراکه لکه‌ای کوچک می‌تواند کاری کند که دو تصویر مشابه یکسان به نظر برسند. علاوه بر این، استفاده از کل تصویر اثر انگشت، در تجزیه و تحلیل‌های مقایسه‌ای، قدرت پردازش زیادی را می‌طلبد.
در عوض، طی روش‌های جدیدی اکثر سیستم‌های اسکنر اثر انگشت، ویژگی‌های خاص از اثر انگشت را که معمولاً به عنوان جزئیات شناخته می‌شوند، با یکدیگر مقایسه می‌کنند. به طور کلی محققان یا سیستم‌های آنالیز کامپیوتری معمولا بر روی نقاطی از اثرانگشت متمرکز می‌شوند که خطوط برآمدگی‌ها در آن به پایان می‌رسد یا یک برآمدگی (برآمدگی‌های انشعاب‌دار) به دو قسمت تقسیم می‌شود. در همین راستا، نرم‌افزارهای اسکنر از الگوریتم‌های بسیار پیچیده برای شناسایی، تجزیه و تحلیل این جزئیات استفاده می‌کنند. درواقع ایده‌ی اصلی در این دسته از الگوریتم‌ها بر اساس بررسی موقعیت‌های نسبی اثر با جزئیات داخل آن است که به تحلیل و تجزیه‌ی بهتر داده‌ها کمک می‌کند.
منبع: howstuffworks
