Máy quét vân tay hoạt động như thế nào?

Hệ thống quét dấu vân tay có hai công việc cơ bản — nó cần lấy hình ảnh ngón tay của bạn và cần xác định xem kiểu đường gờ và rãnh trong hình ảnh này có khớp với kiểu đường gờ và rãnh trong hình ảnh được quét trước hay không.

Có một số cách khác nhau để có được hình ảnh ngón tay của ai đó. Các phương pháp phổ biến nhất hiện nay là quét quang học và quét điện dung . Cả hai loại đều đưa ra cùng một loại hình ảnh, nhưng chúng xử lý nó theo những cách hoàn toàn khác nhau.

Trái tim của máy quét quang học là một thiết bị ghép điện tích (CCD), cùng hệ thống cảm biến ánh sáng được sử dụng trong máy ảnh kỹ thuật số và máy quay phim . CCD đơn giản là một dãy điốt nhạy sáng gọi là photosites , tạo ra tín hiệu điện để phản ứng với các photon ánh sáng. Mỗi photosite ghi lại một pixel, một chấm nhỏ tượng trưng cho ánh sáng chiếu vào điểm đó. Nói chung, các pixel sáng và tối tạo thành hình ảnh của cảnh được quét (ví dụ: ngón tay). Thông thường, bộ chuyển đổi tương tự sang số trong hệ thống máy quét xử lý tín hiệu điện tương tự để tạo ra biểu diễn kỹ thuật số của hình ảnh này. Xem Cách Máy ảnh Kỹ thuật số Hoạt động để biết chi tiết về CCD và chuyển đổi kỹ thuật số.

Quá trình quét bắt đầu khi bạn đặt ngón tay lên tấm kính và camera CCD sẽ chụp ảnh. Máy quét có nguồn sáng riêng, thường là một dãy điốt phát sáng , để chiếu sáng các đường vân của ngón tay. Hệ thống CCD thực sự tạo ra một hình ảnh đảo ngược của ngón tay, với các vùng tối hơn biểu thị nhiều ánh sáng phản xạ hơn (các đường vân của ngón tay) và các vùng sáng hơn biểu thị ánh sáng phản xạ ít hơn (các thung lũng giữa các đường vân).

Trước khi so sánh bản in với dữ liệu được lưu trữ, bộ xử lý máy quét đảm bảo CCD đã chụp được hình ảnh rõ ràng. Nó kiểm tra độ tối trung bình của pixel hoặc các giá trị tổng thể trong một mẫu nhỏ và từ chối quá trình quét nếu hình ảnh tổng thể quá tối hoặc quá sáng. Nếu hình ảnh bị từ chối, máy quét sẽ điều chỉnh thời gian phơi sáng để cho ánh sáng vào nhiều hơn hoặc ít hơn, sau đó thử quét lại.

Nếu độ tối vừa đủ, hệ thống quét sẽ tiếp tục kiểm tra độ nét của hình ảnh (độ sắc nét của quá trình quét dấu vân tay). Bộ xử lý xem xét một số đường thẳng di chuyển theo chiều ngang và chiều dọc trên hình ảnh. Nếu hình ảnh dấu vân tay có độ phân giải tốt, một đường chạy vuông góc với các đường vân sẽ được tạo thành từ các phần xen kẽ của các pixel rất tối và các pixel rất sáng.

Nếu bộ xử lý nhận thấy hình ảnh sắc nét và có độ phơi sáng phù hợp, nó sẽ tiến hành so sánh dấu vân tay đã chụp với dấu vân tay trong hồ sơ. Chúng ta sẽ xem xét quá trình này sau một phút, nhưng trước tiên chúng ta sẽ xem xét công nghệ quét chính khác, máy quét điện dung .

Giống như máy quét quang học, máy quét dấu vân tay điện dung tạo ra hình ảnh của các đường gờ và rãnh tạo nên dấu vân tay. Nhưng thay vì cảm nhận bản in bằng ánh sáng, các tụ điện lại sử dụng dòng điện.

Sơ đồ dưới đây cho thấy một cảm biến điện dung đơn giản. Cảm biến được tạo thành từ một hoặc nhiều chip bán dẫn chứa một dãy các tế bào nhỏ . Mỗi ô bao gồm hai tấm dẫn điện , được phủ một lớp cách điện. Các tế bào rất nhỏ – nhỏ hơn chiều rộng của một đường vân trên ngón tay.

Cảm biến được kết nối với một bộ tích hợp , một mạch điện được xây dựng xung quanh một bộ khuếch đại hoạt động đảo ngược . Bộ khuếch đại đảo ngược là một thiết bị bán dẫn phức tạp, được tạo thành từ một số bóng bán dẫn, điện trở và tụ điện. Các chi tiết về hoạt động của nó sẽ lấp đầy toàn bộ bài viết, nhưng ở đây chúng ta có thể hiểu khái quát về chức năng của nó trong một máy quét điện dung. (Xem trang này về bộ khuếch đại hoạt động để biết tổng quan về kỹ thuật.)

Giống như bất kỳ bộ khuếch đại nào , bộ khuếch đại đảo ngược sẽ thay đổi một dòng điện dựa trên sự biến động của dòng điện khác (xem Cách hoạt động của Bộ khuếch đại để biết thêm thông tin). Cụ thể, bộ khuếch đại đảo ngược làm thay đổi điện áp cung cấp. Sự thay đổi dựa trên điện áp tương đối của hai đầu vào, được gọi là cực đảo ngược và cực không đảo. Trong trường hợp này, cực không đảo được nối đất và cực nghịch đảo được kết nối với nguồn điện áp tham chiếu và vòng phản hồi . Vòng phản hồi, cũng được kết nối với đầu ra bộ khuếch đại, bao gồm hai tấm dây dẫn.

Như bạn có thể đã nhận ra, hai tấm dây dẫn tạo thành một tụ điện cơ bản , một bộ phận điện có thể tích trữ điện tích (xem Cách hoạt động của tụ điện để biết chi tiết). Bề mặt của ngón tay đóng vai trò như một tấm tụ điện thứ ba, được ngăn cách bởi các lớp cách điện trong cấu trúc tế bào và trong trường hợp các rãnh vân tay là một túi khí. Thay đổi khoảng cách giữa các bản tụ điện (bằng cách di chuyển ngón tay đến gần hoặc ra xa các bản dẫn điện) sẽ làm thay đổi tổng điện dung (khả năng lưu trữ điện tích) của tụ điện. Vì chất lượng này, tụ điện trong ô dưới sườn núi sẽ có điện dung lớn hơn tụ điện trong ô dưới thung lũng.

Để quét ngón tay, trước tiên bộ xử lý sẽ đóng công tắc đặt lại cho từng ô, làm ngắn mạch đầu vào và đầu ra của từng bộ khuếch đại để “cân bằng” mạch tích hợp. Khi công tắc được mở lại và bộ xử lý áp dụng một điện tích cố định vào mạch tích hợp, các tụ điện sẽ được sạc. Điện dung của tụ điện của vòng phản hồi ảnh hưởng đến điện áp ở đầu vào của bộ khuếch đại, điều này ảnh hưởng đến đầu ra của bộ khuếch đại. Vì khoảng cách đến ngón tay làm thay đổi điện dung, nên rãnh ngón tay sẽ tạo ra điện áp đầu ra khác với rãnh ngón tay.

Bộ xử lý máy quét đọc đầu ra điện áp này và xác định xem nó là đặc trưng của sườn núi hay thung lũng. Bằng cách đọc từng ô trong mảng cảm biến, bộ xử lý có thể tập hợp một bức tranh tổng thể về dấu vân tay, tương tự như hình ảnh được chụp bởi máy quét quang học.

Ưu điểm chính của máy quét điện dung là nó yêu cầu hình dạng giống như dấu vân tay thực sự, thay vì kiểu sáng và tối tạo nên ấn tượng trực quan về dấu vân tay. Điều này làm cho hệ thống khó bị lừa hơn. Ngoài ra, vì chúng sử dụng chip bán dẫn thay vì bộ phận CCD nên máy quét điện dung có xu hướng nhỏ gọn hơn các thiết bị quang học.

Trong phim và chương trình truyền hình , máy phân tích dấu vân tay tự động thường phủ nhiều hình ảnh dấu vân tay khác nhau để tìm kết quả trùng khớp. Trên thực tế, đây không phải là cách đặc biệt thiết thực để so sánh dấu vân tay. Việc nhòe có thể làm cho hai hình ảnh của cùng một bản in trông khá khác nhau, vì vậy bạn hiếm khi có được lớp phủ hình ảnh hoàn hảo. Ngoài ra, việc sử dụng toàn bộ hình ảnh dấu vân tay trong phân tích so sánh tiêu tốn rất nhiều sức mạnh xử lý và cũng khiến ai đó dễ dàng lấy cắp dữ liệu in hơn.

Thay vào đó, hầu hết các hệ thống quét dấu vân tay đều so sánh các đặc điểm cụ thể của dấu vân tay, thường được gọi là chi tiết vụn vặt . Thông thường, các nhà điều tra con người và máy tính tập trung vào các điểm mà các đường sườn núi kết thúc hoặc nơi một sườn núi chia thành hai ( điểm phân nhánh ). Nói chung, những đặc điểm này và những đặc điểm khác biệt khác đôi khi được gọi là điển hình .

Phần mềm hệ thống máy quét sử dụng các thuật toán rất phức tạp để nhận dạng và phân tích những chi tiết vụn vặt này. Ý tưởng cơ bản là đo vị trí tương đối của các chi tiết vụn vặt, giống như cách bạn có thể nhận ra một phần bầu trời bằng vị trí tương đối của các ngôi sao. Một cách đơn giản để nghĩ về nó là xem xét các hình dạng mà các chi tiết vụn khác nhau tạo thành khi bạn vẽ các đường thẳng giữa chúng. Nếu hai bản in có ba đầu mép và hai phần phân nhánh, tạo thành cùng một hình dạng với cùng kích thước thì rất có thể chúng đến từ cùng một bản in.

Để có được kết quả trùng khớp, hệ thống máy quét không cần phải tìm toàn bộ mẫu chi tiết cả trong mẫu và bản in được ghi lại, nó chỉ cần tìm đủ số mẫu chi tiết mà hai bản in có điểm chung. Con số chính xác thay đổi tùy theo chương trình máy quét.

Có một số cách mà hệ thống bảo mật có thể xác minh rằng ai đó là người dùng được ủy quyền. Hầu hết các hệ thống đang tìm kiếm một hoặc nhiều điều sau đây:

Để vượt qua hệ thống “những gì bạn có”, bạn cần một số loại “mã thông báo”, chẳng hạn như chứng minh nhân dân có dải từ. Hệ thống “những gì bạn biết” yêu cầu bạn nhập mật khẩu hoặc số PIN. Hệ thống “bạn là ai” thực sự đang tìm kiếm bằng chứng vật lý cho thấy bạn là chính mình – một mẫu dấu vân tay, giọng nói hoặc mống mắt cụ thể.

Các hệ thống “Bạn là ai” như máy quét dấu vân tay có một số lợi thế so với các hệ thống khác. Để kể tên một vài:

Tuy nhiên, dù hiệu quả đến đâu, chúng chắc chắn không thể sai lầm và chúng cũng có những nhược điểm lớn. Máy quét quang học không phải lúc nào cũng có thể phân biệt được giữa hình ảnh của ngón tay và chính ngón tay đó, và máy quét điện dung đôi khi có thể bị đánh lừa bởi khuôn ngón tay của một người. Nếu ai đó có quyền truy cập vào bản in của người dùng được ủy quyền, người đó có thể đánh lừa máy quét. Trong trường hợp xấu nhất, tội phạm thậm chí có thể cắt ngón tay của ai đó để vượt qua hệ thống an ninh máy quét. Một số máy quét có thêm cảm biến xung và nhiệt để xác minh rằng ngón tay còn sống chứ không phải là một khuôn hoặc chữ số bị cắt rời, nhưng ngay cả những hệ thống này cũng có thể bị đánh lừa bởi khuôn in gelatin trên ngón tay thật. ( Trang web này giải thích nhiều cách khác nhau mà ai đó có thể đánh lừa máy quét.)

Để làm cho các hệ thống bảo mật này trở nên đáng tin cậy hơn, bạn nên kết hợp phân tích sinh trắc học với phương tiện nhận dạng thông thường, chẳng hạn như mật khẩu (giống như cách máy ATM yêu cầu thẻ ngân hàng và mã PIN).

Vấn đề thực sự với hệ thống bảo mật sinh trắc học là mức độ thiệt hại khi ai đó đánh cắp thông tin nhận dạng. Nếu bạn làm mất thẻ tín dụng hoặc vô tình tiết lộ cho ai đó số PIN bí mật của mình, bạn luôn có thể nhận được thẻ mới hoặc thay đổi mã của mình. Nhưng nếu ai đó đánh cắp dấu vân tay của bạn, bạn sẽ gặp xui xẻo suốt quãng đời còn lại. Bạn sẽ không thể sử dụng dấu vân tay của mình làm hình thức nhận dạng cho đến khi bạn hoàn toàn chắc chắn rằng tất cả các bản sao đã bị hủy. Không có cách nào để có được bản in mới.

Nhưng ngay cả với nhược điểm đáng kể này, máy quét dấu vân tay và hệ thống sinh trắc học vẫn là những phương tiện nhận dạng tuyệt vời. Trong tương lai, rất có thể chúng sẽ trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống hàng ngày của hầu hết mọi người, giống như chìa khóa, thẻ ATM và mật khẩu ngày nay.

Để biết thêm thông tin về máy quét dấu vân tay và các công nghệ sinh trắc học khác, hãy xem các liên kết trên trang tiếp theo.