Skanery linii papilarnych - technologie i rynek

Linie papilarne to charakterystyczne układy wybrzuszeń naskórka na opuszkach palców (poza tym też na dłoniach i stopach), między którymi występują bruzdy. Są uznawane za cechę biometryczną pozwalającą na bezbłędne rozróżnianie ludzi ze względu na trzy wyróżniające je właściwości. Są to: niepowtarzalność, niezmienność oraz nieusuwalność. Dzięki pierwszej z wymienionych cech można jednoznacznie powiązać odcisk linii papilarnych z konkretną osobą, jest bowiem pewne, że pozą nią u nikogo innego nie układają się one w identyczny wzór. Ta właściwość jest związana z kolejną - niezmienność gwarantuje, że przez całe życie układ oraz cechy charakterystyczne linii papilarnych pozostają takie same. Są także niezniszczalne dzięki zdolności regeneracji bowiem odnawiają się w razie uszkodzenia.

Etapy identyfikacji biometrycznej

Wszystkie techniki biometryczne wymagają użycia czujnika w celu uzyskania surowych danych biometrycznych od osoby, która na ich podstawie będzie poddawana weryfikacji. Kolejne etapy przetwarzania informacji zebranych w taki sposób to: ekstrakcja polegająca na przetworzeniu danych pomiarowych w celu określenia zestawu właściwości, które reprezentują daną cechę biometryczną, dopasowanie wzorca, tj. porównanie wyodrębnionych właściwości do wzoru zapisanego w bazie danych, a na koniec podjęcie decyzji o tym, czy deklarowana tożsamość użytkownika może zostać potwierdzona, czy nie.

Jeżeli chodzi o czujniki linii papilarnych, to wyróżnić można kilka ich typów. We wszystkich metodach analizy odcisków, kiedy palec dotyka powierzchni sensora, wybrzuszenia naskórka (grzbiety) stykają się z nią, natomiast bruzdy (doliny) pozostają w pewnym od niej oddaleniu. Zadaniem czujnika jest rozpoznanie różnicy między dolinami i grzbietami opuszki.

Optyczne czujniki linii papilarnych

Najstarszą grupą sensorów linii papilarnych są czujniki optyczne. Ich zadaniem jest zarejestrowanie obrazu odcisku palca, który potem jest analizowany pod kątem obecności unikalnych wzorów przez rozróżnienie na obrazie obszarów najciemniejszych i najjaśniejszych.

Ponieważ przyłożenie palca do czujnika zaciemnia obraz, jego częścią jest matryca diod LED, które oświetlają opuszkę - optyczne skanery linii papilarnych są przez to przeważnie bardziej masywne niż inne typy czujników. Sensory optyczne wykorzystują dwa typy przetworników obrazu - CMOS albo CCD - które są droższe.

 

Rys. 1. Sensor optyczny

Zanim zostanie przeprowadzone porównanie zeskanowanego odcisku palca z zapisanym wzorcem, jednostka przetwarzająca skanera sprawdza, czy zarejestrowany obraz ma odpowiednią jakość. W tym celu kontrolowany jest m.in. średni poziom jasności pikseli. Obraz zostanie odrzucony, jeżeli zostanie uznany za zbyt ciemny albo za jasny. W takim przypadku skorygowania wymaga czas i poziom naświetlenia. Następnie skanowanie jest ponawiane. Jeżeli poziom jasności obrazu jest odpowiedni, weryfikowana jest jego ostrość. Dopiero gdy ten warunek zostanie potwierdzony przeprowadzane jest porównanie ze wzorcem odcisku.

Ograniczenia czujników optycznych

Na jakość obrazu odcisku palca zarejestrowanego przez czujniki optyczne może mieć wpływ wiele czynników. Są to przede wszystkim rozproszone światło z zewnętrznego źródła i zanieczyszczenia powierzchni, do której przykładany jest palce, jak odciski palców pozostawione przez osobę, która wcześniej była poddawana weryfikacji, smugi brudu, kondensacja, rysy na powierzchni.

Rozdzielczość optycznych sensorów linii papilarnych jest zwykle wyższa w porównaniu do innych typów skanerów, co oznacza, że można na obrazie z większą dokładnością rozpoznać mniejsze cechy charakterystyczne. To z kolei teoretycznie zwiększa poziom bezpieczeństwa. Niestety bowiem równocześnie największą wadą czujników optycznych jest łatwość ich oszukania - ponieważ źródłem danych jest obraz 2D, bez weryfikacji, czy jego źródłem jest żywa osoba, wystarczy podać do zeskanowania wysokiej jakości zdjęcie opuszki albo imitację palca. W związku z tym do ochrony szczególnie cennych zasobów nie jest zalecane opieranie się tylko na tym typie skanerów. Alternatywą są rozwiązania hybrydowe optyczno-pojemnościowe, które łączą w sobie dokładność tych pierwszych z możliwością weryfikacji, czy odcisk pozostawiła żywa osoba, wyróżniającą drugi typ sensorów.

Czujniki pojemnościowe i ultradźwiękowe

W sensorach pojemnościowych wykorzystuje się matrycę mikrokondensatorów, w których jedną z okładek stanowi opuszka palca przyłożonego do skanera. Pojemność utworzonych w taki sposób elementów pojemnościowych zależy od tego, czy elektrodę stanowi grzbiet, czy dolina linii papilarnych weryfikowanej osoby - ponieważ wypukłości będą bliżej drugiej okładki, taki kondensator będzie miał większą pojemność niż ten domknięty przez doliny.

 

Rys. 2. Sensor ultradźwiękowy

Mierząc pojemności mikrokondensatorów, których w obrębie matrycy są setki, a nawet tysiące, można rozróżnić grzbiety i doliny, odtwarzając z dużą precyzją wzór odcisku palca. Im więcej kondensatorów w matrycy, tym większa rozdzielczość skanowania, a zatem większy poziom bezpieczeństwa. Ponadto, ponieważ sensory tego typu można skalibrować w taki sposób, by rozpoznawały tylko palec żywej osoby, trudniej jest je oszukać niż czujniki optyczne.

W sensorach drugiego typu wykorzystuje się fale ultradźwiękowe, czyli w zakresie częstotliwości poza progiem słyszalności człowieka (powyżej 20 kHz), do wykrywania odległości pomiędzy czujnikiem a innymi obiektami. Popularyzują się w ostatnim czasie, wcześniej ich upowszechnianie było bowiem hamowane przez fakt, że pod względem rozmiarów, zużycia energii i ceny ustępowały innym typom czujnikom. Obecnie w wersji zminiaturyzowanej i energooszczędnej są m.in. częścią smartfonów, w których są wykorzystywane m.in. jako element pomiarowy w skanerach linii papilarnych.

Skanery ultradźwiękowe

Czujnik ultradźwiękowy zazwyczaj składa się z następujących komponentów: generatora sygnału pobudzającego i przetwornika piezoelektrycznego. Drugi wzbudzony przez pierwszy rozszerza się oraz kurczy, emitując falę ultradźwiękową albo reagując na falę odbitą od obiektu pomiaru, wytwarza sygnał elektryczny. Jest to możliwe dzięki efektowi piezoelektrycznemu i zjawisku do niego odwrotnemu.

Fala odbita pojawia się z kolei na skutek niedopasowania impedancji akustycznej ośrodków, przez które przechodzi sygnał z nadajnika. Im różnica ta jest większa, tym większy jest współczynnik odbicia. W ultradźwiękowych skanerach linii papilarnych, podobnie jak w optycznych i pojemnościowych, celem jest rozróżnienie grzbietów i dolin wierzchniej warstwy naskórka, w tym przypadku na podstawie różnic w falach odbitych na granicy szkło-skóra (grzbiet) i szkło-powietrze (dolina), przekształconych w przetworniku w sygnał elektryczny.

Skanery ultradźwiękowe realizowane są w różnych konfiguracjach w zależności od rozmiaru czujnika, wymaganej rozdzielczości skanowania, dopuszczalnego zużycia energii. Zwykle sensor stanowi matryca przetworników, której każdy element może być nadajnikiem lub odbiornikiem albo jednocześnie obydwoma, w zależności od projektu i wymagań.

Wyzwania i...

Przez lata dominowały pojemnościowe skanery linii papilarnych, szczególnie w telefonach komórkowych. Zwykle miały formę przycisku na przodzie lub z tyłu telefonu z czujnikiem pojemnościowym wykonanym w technologii krzemowej. Sensory optyczne zwykle nie były montowane w telefonach komórkowych, ponieważ wymagały złożonej i nieporęcznej optyki, co utrudniało ich integrowanie z cienkimi, kompaktowymi urządzeniami. W zamian były za to powszechniejsze w urządzeniach kontroli dostępu, w których dopuszczalna była masywniejsza konstrukcja, na przykład czytnikach, z których korzystały służby w kontroli granicznej.

Nie oznacza to jednak, że ten typ sensorów linii papilarnych był poza kręgiem zainteresowań projektantów telefonów komórkowych i smartfonów - przeciwnie, dlatego przez lata ich producenci pracowali nad rozwiązaniami problemów z ich wbudowywaniem w urządzenia przenośne. Koncentrowano się przede wszystkim na dwóch wyzwaniach: uczynieniu modułów optycznych czytników linii papilarnych kompaktowymi, cienkimi i łatwymi do zintegrowania oraz możliwości umieszczenia ich pod wyświetlaczami, na przykład w smartfonach, aby zwiększyć wygodę użytkownika.

…rozwiązania

Początkowo odpowiedzią na te wyzwania było ulepszanie konwencjonalnych optycznych czujników odcisków palców w technologii CMOS. Z czasem rozwinięto nową technologię tranzystorów cienkowarstwowych. Umożliwia ona wytwarzanie wielkopowierzchniowych czujników, które mogą być zbliżone rozmiarem do wyświetlacza bez znaczącego wzrostu kosztów, jak ma to miejsce w przypadku czujników w technologii CMOS.

Wraz z rozwojem Internetu Rzeczy pojawia się nowe wyzwanie, w związku z tym, że urządzenia IoT i elektroniki użytkowej, w tym noszonej, mają coraz nowocześniejsze wzornictwo. To oznacza w praktyce, że częściej mają one zakrzywione powierzchnie oraz niestandardowe kształty. Stwarza to zapotrzebowanie na moduły biometryczne, które będą cienkie oraz elastyczne.

Spełnienie tych wymogów umożliwiają technologie organiczne, na przykład OTFT (Organic Thin Film Transistors) w połączeniu z technologią OPD (Organic Photodiodes) na podłożu z tworzyw sztucznych. Umożliwiają one wykonywanie optycznych czujników linii papilarnych o grubości rzędu mikrometrów - tak cienkie, elastyczne sensory można bez problemu wyginać i owijać, przykładowo wokół kierownicy samochodu, dookoła krawędzi telefonu lub tabletu, albo też umieścić je pod wyświetlaczem.

Przyszłość rynku skanerów linii papilarnych

Wraz z rozwojem pandemii COVID- 19 niestety dostawcy skanerów linii papilarnych stanęli przed kolejnym wyzwaniem - w związku z obawami o bezpieczeństwo użytkowników masowo rezygnowano bowiem z wszelkich urządzeń kontaktowych, z których korzysta wiele osób. Sprawiło to, że placówki i instytucje takie jak m.in. lotniska, służby celne, organy ścigania, banki czy firmy, w których wdrożono systemy kontroli dostępu w oparciu o czytniki linii papilarnych, stanęły przed koniecznością szybkiej wymiany lub modyfikacji tych urządzeń. Jednym z rozwiązań, jakie się dzięki temu z konieczności upowszechniło, było czyszczenie powierzchni dotykowej przez naświetlanie jej promieniowanie ultrafioletowym.

Mimo że pandemia chwilowo zachwiała tytułowym rynkiem, prognoza na przyszłość jest dla niego pozytywna. Przykładowo Markets and Markets prognozuje, że wartość rynku czujników linii papilarnych zwiększy się z 3,5 mld dolarów w 2019 roku do ponad 7 mld dolarów w 2024 roku, co oznaczać będzie znaczący uśredniony coroczny wzrost o ponad 15%. Przyczyni się do tego przede wszystkim ich upowszechnianie się w elektronice użytkowej i bankowości oraz postęp w zakresie cyfryzacji w dziedzinie rejestrowania czasu pracy i obecności.

Monika Jaworowska