سنسور اثر انگشت (معرفی)

اثر انگشت انسان یکی از عجایب خلقت است. اگر بخواهیم به زبان امنیت اطلاعات بگوییم، هر انسانی که متولد می شود همراه خود یک کارت شناسایی همیشه در دسترس دارد. همه ما روی انگشتان خود یک طراحی منحصر به فرد داریم، که به تنهایی و به معنای واقعی کلمه معرف هویت شما است و در نوک انگشتان تان جای گرفته، پس همیشه همراهتان است.

انسان ها برجستگی های کوچکی روی پوست انگشتان دارند و این سازگاری خاص بسیار به نفع اجداد گونه بشر بوده است. الگوی برجستگی ها و فرورفتگی ها روی انگشتان دست، گرفتن اشیا را به وسیله انگشتان به دلیل اصطکاک آسان تر می کند. به دلیلی مشابه، آج لاستیک به چسبندگی خودرو روی جاده کمک می کند و مانع از سر خوردن خودرو می شود.

علاوه بر فاکتورهای زیادی که منجر به تعیین آرایش ژنتیکی اثر انگشت شما در وهله اول می شود، تعداد عوامل محیطی بی شماری موثر بر شکل گیری خطوط سر انگشتان نیز وجود دارد. درست مانند شرایط آب و هوایی که ابرها را شکل داده یا خط ساحلی سواحل را به وجود آورده اند، تمام روند توسعه به قدری تصادفی و آشفته است، که در تمام دوره تاریخ بشری، تقریبا هیچ شانسی برای تشکیل دو الگوی یکسان و دقیقا مانند هم نمی توان متصور بود.

در نتیجه، اثر انگشت هر انسانی نشانگری منحصر به فرد برای او محسوب می شود، و این امر حتی برای دو قلوهای یکسان نیز صدق می کند. و در حالی که دو اثر انگشت در نگاه اول در واقع ممکن است مثل هم به نظر برسند، یک پژوهش گر مجرب یا یک نرم افزار تحلیلی پیشرفته می توانید پی به تفاوت های روشن و از پیش تعریف شده ببرد. در بخش های بعد ، خواهیم فهمید که اسکنرهای اثر انگشت چگونه این کار را انجام می دهند.

۱) سنسور نوری (اپتیکال optical):

در این نوع سنسورها، از نور مرئی برای تهیه اثر انگشت استفاده می شود. در حقیقت این سنسورها همان سنسورهای موجود در دوربین دیجیتال که عمدتاً CCD یا CMOS  هستند، می باشند. سطح این نوع سنسورها از تعداد زیادی المان حساس به نور تشکیل شده است که این المان ها نور برگشتی از انگشت را به جریان الکتریسیته تبدیل می کنند. طرز کار این سنسور به این صورت است که در ابتدا نوری به انگشت تابیده می شود و بازتاب آن روی سطح سنسور های حساس به نور تشکل تصویر می دهند.

۲) سنسور خازنی (capacitance):

در این نوع از سنسورها، از اصول کارکرد خازن ها استفاده می شود. سطح این سنسور، از المان های ( پیکسل های ) خازنی تشکیل شده است که هر المان، وظیفه ثبت یک پیکسل از تصویر نهایی را دارد. اندازه این المان خازنی، از اندازه عرض برآمدگی اثر انگشت نیز کمتر است. هر کدام از این المان ها به عنوان یک خازن به کار می رود. هر المان از دو قطعه فلزی تشکیل شده است که این دو قطعه فلزی با هم، به عنوان یک خازن به کار می روند. البته در ابتدا ظرفیت این خازن ثابت است. اما هنگامی که انگشت بر روی سنسور قرار می گیرد، به دلیل اینکه سطح انگشت هم به عنوان دی الکتریک و هم به عنوان صفحه سوم به کار می رود، ظرفیت این پیکسل خازنی نیز تغییر می کند.

۳) سنسور حساس به فشار:

این سنسور از دولایه تشکیل شده است که این لایه ها با نزدیک شدن به هم ( اعمال فشار بر لایه ها) مقدار جریان متفاوتی را به خروجی ارسال می کنند. با توجه به اینکه بر آمدگی های اثر انگشت ، فشار بیشتری را نسبت به فرورفتگی ها اعمال می کنند، پس جریان خروجی در برآمدگی های اثر انگشت، از فرورفتگی ها بیشتر است . به شکل فوق توجه نمایید.
این مقدار اختلاف جریان الکتریکی بین برآمدگی ها و فرو رفتگی ها کافی است، تا بتوانیم تصویری از اثر انگشت را بدست آوریم. جریان های دریافتی از این المان ها، به واحد پردازش مرکزی ارسال می شوند و سپس بر اساس هر جریان، مقداری بین ۰ تا ۲۵۵ از طیف خاکستری اختصاص داده می شود و در نهایت تصویری از اثر انگشت پدید می آید.

 تحلیل و آنالیز

این مرحله بسیار مهم است. چون بیشتر الگوریتم های تطابق دو اثر انگشت، بر اساس این نقاط مشخصه عمل می کنند و این نقاط باید به طور دقیق از تصویر اثر انگشت، استخراج شده و علامت گذاری شوند. اما چرا نقاط مشخصه؟ همانطور که می دانید عمده مصرف سیستم های تشخیص هویت، در سیستم های تعبیه شده است( مانند سیستم حضور و غیاب). سیستم های تعبیه شده از نظر پردازشگر مرکزی و میزان حافظه، دارای محدودیت هستند. ضمناً اگر الگوریتمی وجود داشته باشد که دو تصویر را تنها بر اساس شکل ظاهری مقایسه کند، قابل پیاده سازی در سیستم های Embedded نیست، چون در این حالت باید تک تک پیکسل های دو تصویر پردازش شوند و این مستلزم داشتن پردازشگر مرکزی قدرتمند و میزان زیادی حافظه است. اما توسط نقاط مشخصه، فقط ویژگی هایی مانند مکان این نقاط و … علامت گذاری شده و ذخیره می شوند. ضمن آنکه سرعت کار نیز در عین داشتن کیفیت بالا می رود.

بنا بر این اکثر سیستم های اسکنر اثر انگشت به مقایسه ویژگی های خاصی از اثر انگشت می پردازند، که به طور کلی به عنوان «جزئیات» (minutiae) شناخته می شوند. به طور معمول، محققان زیست شناسی و کامپیوتر بر روی مناطقی تمرکز می کنند که یک برجستگی به پایان رسیده یا جایی که یک خط برجستگی به دو خط تجزیه شده (bifurcations). در مجموع ، گروهی از ویژگی های متمایز گاهی اوقات به نام typica. نامیده می شوند.
سیستم نرم افزاری اسکنر از الگوریتم های بسیار پیچیده ای برای تشخیص و تجزیه و تحلیل این جزئیات استفاده می کند. ایده پایه ای این است که اندازه گیری موقعیت نسبی جزئیات، بر اساس همان شیوه ای که شما ممکن است در موردش بدانید یعنی انتخاب بخشی از آسمان و مشخص کردن موقعیت نسبی ستاره ها اندازه گیری شود. یک راه ساده برای توضیح آن، در نظر گرفتن اشکالی است که زمان شما خطوط مستقیم بین آنها رسم می کنید، جزئیات مختلفی تشکیل می دهند. اگر دو اثر، سه برجستگی و دو تقسیم خطوط یا bifurcations داشته باشند، احتمال این موضوع را که دو اثر مشابه و یکی باشند را بالا خواهد برد.
برای دریافت تطابق، سیستم اسکنر نیازی به یافتن تمام الگوهای جزئیات در هر دو نمونه اسکن شده و سابقه آرشیوی ندارد، بلکه باید به سادگی تعداد کافی از الگوها را پیدا کند که در دو نسخه اسکن شده و آرشیوی واضح تر است. تعداد دقیق این الگوها با توجه به برنامه نرم افزاری اسکنر متفاوت است و هر چه بیشتر باشد سیستم از دقت بالاتری برخوردار است.

نگران نباشید نیازی نیست که که تمام کار های مربوط به الگوریتم های شناسایی و تحیل اثر انگشت را پیاده سازی کنید ، چرا که شرکت های تولید کننده سنسور های اثر انگشت برای سهولت کار ، قبلا این الگوریتم ها را پیاده سازی کرده اند و ما فقط نیاز داریم که آنها را بشناسیم و بتوانیم از آنها استفاده کنیم.

در مقاله بعدی به نحوه راه اندازی برخی از این سنسور ها خواهیم پرداخت.