Czujniki ultradźwiękowe wchodzą na rynek konsumencki

Linie papilarne są unikatowe i niezmienne w czasie, dzięki czemu na podstawie skanu opuszka palca można niemal ze stuprocentową pewnością zidentyfikować użytkownika. Wzór ten jest łatwo mierzalny, a oparcie algorytmu na punktach charakterystycznych pozwala na szybką decyzję bez potrzeby intensywnych obliczeń. Nie bez znaczenia jest fakt, że technologia ta jest już od dawna wykorzystywana w specjalistycznych aplikacjach. Oznacza to dostęp do bogatej biblioteki gotowych technologii sprzętowych, algorytmów i standardów. Istnieje kilka technologii skanowania linii papilarnych, jednak w komercyjnych zastosowaniach wykorzystywane są przede wszystkim rozwiązania oparte na czujnikach pojemnościowych i optycznych. Nowością w urządzeniach są czujniki oparte na ultradźwiękach, które z racji ceny i wymiarów dotychczas były przede wszystkim domeną aplikacji specjalistycznych.

Przełomem dla czujników ultradźwiękowych na polu elektroniki konsumenckiej był wprowadzony na rynek w 2019 model Galaxy S10 firmy Samsung, w którym koreański gigant jako pierwszy na tak dużą skalę zastosował tego typu rozwiązanie. System o nazwie 3D Sonic Sensor dostarczył Qualcomm. Poza deklarowaną wysoką dokładnością i bezpieczeństwem, sprostanie wymaganiom branży konsumenckiej oznaczało, że skaner musi mieć małe wymiary. Czujnik ma wysokość poniżej 0,2 mm, przez co bez problemu może być umieszczony pod ekranem.

Dlaczego ultradźwięki?

Czujniki ultradźwiękowe wykorzystują fale dźwiękową emitowaną za pomocą piezoelektrycznego przetwornika ultradźwiękowego typu MEMS. Na podstawie zarejestrowanego echa obliczany jest kształt linii papilarnych. W odróżnieniu od konkurencyjnych technologii, fale dźwiękowe wnikają na pewną odległość pod naskórek rejestrowany obraz zbudowany jest na podstawie pomiaru skóry właściwej. Dodatkowo, przez niektóre materiały ultradźwięki przenikają całkowicie. Przykładowo, czujnik Qualcomm może wykonać pomiar przez warstwę szkła o grubości do 800 μm i aluminium do 650 μm. Dlatego też metoda ta jest odporna na zabrudzenia lub uszkodzenia skóry i pozwala na identyfikację osoby w rękawiczkach. W porównaniu z czujnikiem optycznym, atutem jest wysoka jakość obrazu i możliwość skutecznej identyfikacji nawet w przypadku wilgotnego lub brudnego palca. O ile standardem dla czujników pojemnościowych jest rozdzielczość rzędu kilkuset DPI, o tyle w przypadku ultradźwiękowych ta wartość wynosi ponad dwa tysiące.

Wyzwania na przyszłość

Czujniki ultradźwiękowe debiutowały na masowym rynku, ale dalsza ekspansja zależy od tego, jak dostawcy poradzą sobie z ograniczeniami tej technologii. Czynniki, które hamowały szerokie użycie czujników ultradźwiękowych w aplikacjach mobilnych, to stosunkowo długi czas pomiaru i przetwarzania danych, duże rozmiary i wysoki pobór energii. Dlatego pod względem technologicznym prace rozwojowe koncentrowały się głównie na optymalizacji algorytmów, zmniejszeniu wymiarów elementu i zwiększeniu obszaru skanowania bez straty wydajności. Według Qualcomma, czujnik ultradźwiękowy tej firmy potrzebuje 250 ms na rozpoznanie użytkownika, co jest wynikiem podobnym do technologii pojemnościowej. Jego procent błędnych odczytów, na poziomie jednego procenta, jest porównywalny z tradycyjnymi technologiami.

Wyzwaniem jest też wdrożenie rozwiązań ultradźwiękowych do masowej produkcji. Skomplikowany i czasochłonny proces produkcyjny przekłada się na niską wydajność i duży poziom odrzutów. Nie dziwi więc, że poza czynnikami inżynierskimi na przeszkodzie do szerszego komercyjnego użycia tych czujników w urządzeniach masowych stała stosunkowo wysoka cena. Co prawda producentom udało się zmniejszyć dystans w tym zakresie do alternatywnych technologii optycznych i pojemnościowych, ale w najbliższej przyszłości czujniki ultradźwiękowe będą domeną przede wszystkim modeli telefonów z wyższej półki. Koszt takiego czujnika obecnie jest około trzech razy większy niż czujnika optycznego.

Bezpieczeństwo

Wyższy niż w przypadku rozwiązań pojemnościowych i optycznych poziom bezpieczeństwa wynika z faktu, że czujnik ultradźwiękowy tworzy w pełni trójwymiarowy model opuszka palca, a nie tylko obraz miejsc styku z monitorem. Taki obraz jest dużo trudniejszy do podrobienia. Przy okazji telefonu Samsung S10 nie obyło się jednak bez kontrowersji. Odporność na próby oszukania czujnika za pomocą modelu opuszka palca, np. z drukarki 3D, zapewnia mechanizm wykrycia tętna krwi. Stanowi to dodatkowe zabezpieczenie, jednak w praktyce spowalniało proces identyfikacji. Klienci skarżyli się na powolne lub nieprawidłowe działanie czytnika, szczególnie w przypadku suchej skóry lub zadrapania nasadki palca. Zaledwie tydzień po wprowadzeniu modelu S10 na rynek firma zmuszona była udostępnić aktualizację oprogramowania biometrycznego która przyspieszyła działanie czytnika linii papilarnych. Prawdopodobnie wiązało się to z uproszczeniem mechanizmu wykrywania tętna w aktualizacji, co z kolei umożliwiło jednemu z użytkowników włamanie się do swojego telefonu za pomocą wydruku palca z drukarki 3D. Jest to dowód, że nie ma zabezpieczenia idealnego, jednak należy pamiętać, że dotyczy to także innych metod identyfikacji użytkownika.

Wykorzystanie ultradźwięków w telefonie nie kończy się na odczycie linii papilarnych. Ponieważ technologia odznacza się dużą precyzją i nie wymaga fizycznego kontaktu z ekranem, otwiera całkiem nowe możliwości obsługi telefonu. Stosowanie takich czujników w parach pozwala na w pełni trójwymiarowe rozpoznawanie gestów czy monitorowanie stanu zdrowia użytkownika.

Jacek Dębowski