19.02.2009. Сканеры отпечатков пальцев

Оптические сканеры

Перед системой сканирования отпечатков пальцев стоит две задачи: получить отпечаток пальца и определить, совпадает ли узор выступов и впадин этого отпечатка с уже имеющимися.

Получить отпечаток пальца можно разными способами. Самые распространенные на сегодняшний день – оптическое и емкостное сканирование. Оба дают один и тот же отпечаток, но получают его разными способами.

Главный компонент оптического сканера – прибор с зарядовой связью (charge coupled device, CCD). Такие же сенсоры используются в цифровых фото- и видеокамерах. CCD представляет собой набор светочувствительных диодов-фотосайтов, которые реагируют на фотоны света электросигналами. Каждый фотосайт записывает один пиксель – крошечную точку света на своем участке. В совокупности темные и светлые пиксели образуют изображение сканированного объекта – в данном случае, пальца. Сканеры, как правило, оснащены аналогово-цифровыми конвертерами, преобразующими аналоговый электрический сигнал для цифрового представления изображения. Подробнее о CCD и преобразовании см. статью «Как работают цифровые камеры».

Процесс сканирования начинается с того, что человек кладет палец на стекло и камера CCD делает снимок. У сканера свой собственный источник света для подсвечивания пальца – как правило, светоизлучающие диоды. Система CCD обычно генерирует негатив пальца: более темные участки изображения представляют поверхности, отражающие больше света (выступы), а более светлые – поверхности, отражающие меньше света (впадины).

Прежде чем сверять полученные данные с имеющимися отпечатками, процессор сканера проверяет, насколько четкий получился отпечаток, анализируя среднюю темноту пикселей или соотношение светлых и темных участков на небольшом фрагменте изображения. Если изображение слишком светлое или слишком темное, процессор отвергает его, а сканер регулирует экспозицию и снова сканирует палец.

Если соотношение света и тени в полученном отпечатке оптимально, система проверяет разрешение (резкость) изображения с помощью прямых линий, пересекающих отпечаток по вертикали и горизонтали. При хорошем разрешении линия, расположенная перпендикулярно бороздкам, состоит из чередующихся темных и светлых участков.

Получив четкое изображение с правильной экспозицией, процессор сравнивает его с сохраненными отпечатками. О том, как это делается, мы расскажем чуть позже, а сейчас рассмотрим другой способ сканирования – емкостный.

Емкостный сканер

Как и оптические сканеры отпечатков пальцев, емкостные сканеры генерируют изображение выступов и впадин кожи, образующих отпечаток пальца, однако делают это с помощью электрического тока.

На рисунке ниже показан простой емкостный сенсор. Такие сенсоры состоят из одного или нескольких полупроводников, которые, в свою очередь, состоят из крошечных ячеек. Каждая ячейка образована двумя проводящими пластинками, покрытыми слоем изоляции. По ширине каждая из таких ячеек по даже меньше бороздки на пальце.

Сенсор соединен с интегратором – электрической цепью, которая окружает инвертирующий рабочий усилитель. Инвертирующий усилитель – это сложное полупроводниковое устройство, состоящее из нескольких транзисторов, резисторов и конденсаторов. Рассказ о принципах действия этого прибора – сам по сере прекрасная тема для большой статьи, но здесь мы ограничимся описанием механизма функционирования емкостного сканера.

Как и любой другой усилитель, инвертирующий усилитель изменяет силу одного тока в зависимости от колебаний другого (подробнее см. в статье «Как работают усилители»). В частности, он изменяет напряжение питания в зависимости от относительного напряжения двух входящих токов – с инвертирующего и с неинвертирующего терминала. Последний соединен с заземлением, а первый – с источником опорного напряжения и контуром обратной связи. Контур обратной связи, соединенный с выводом усилителя, состоит из двух проводящих пластинок.

Две проводящих пластинки, как вы уже могли догадаться, образуют простой конденсатор – электрический компонент, способный сохранять заряд (подробнее см. в статье «Как работают конденсаторы»). Поверхность пальца служит своего рода третьей пластинкой конденсатора, изолированной клеточной структурой и воздушной прослойкой во впадинах папиллярного узора. Изменение расстояния между пластинками конденсатора за счет удаления и приближения пальца изменяет общую емкость конденсатора (способность сохранять заряд). Благодаря этому емкость конденсатора под выступом кожи оказывается больше, чем емкость конденсатора под впадиной.

Чтобы начать сканирование пальца, процессор блокирует выключатель каждой ячейки, укорачивая силу входящего и выходящего тока каждого усилителя для балансировки цепи интегратора. Когда выключатель разблокируется и процессор подает на цепь интегратора заряд определенной силы, конденсаторы заряжаются. Емкость конденсатора контура обратной связи влияет на напряжение входящего тока усилителя, что, в свою очередь, влияет на напряжение выходящего. Поскольку расстояние до пальца изменяет емкость конденсатора, выступы кожи дают напряжение, отличное от напряжения на впадинах.

Процессор сканера анализирует выходящее напряжение и определяет, чем оно образовано – выступом или впадиной. Считывая данные каждой ячейки сенсора, процессор получает общее изображение отпечатка, аналогичное изображению, полученному с помощью оптического сканера.

Главное преимущество емкостного сканера в том, что для него требуется реальный палец, а не просто определенное соотношение света и тени, образующее отпечаток пальца. Такой сканер сложнее обмануть. К тому же, емкостные сканеры более компактны по сравнению с оптическими, поскольку работают на полупроводниках, а не на CCD.