Ekraanisisene sõrmejäljeluger

Sõrmejäljeluger on sisendseade, mis kasutab biomeetrilist tuvastamist. Sõrmejäljelugereid on peamiselt kolme tüüpi: optilised skannerid, pooljuhtskannerid ja ultraheliskannerid. Siin keskendutakse optilise skanneri alla kuuluvale ekraanisisesele optilisele lugerile ehk lugeritele, mis on peidetud seadme ekraani alla. Selliseid tüüpe sõrmejäljelugereid on kasutusel põhiliselt kahte tüüpi: optilised lugerid ja ultrahelilugerid.

Optiline luger

Optilised sõrmejäljelugerid on kasutusel olnud juba pikka aega. Neid on kasutatud paljudes eri tüüpi seadmetes, kuid alates aastast 2010 võeti see tehnoloogia kasutusele just nutitelefonites. 2018. aasta alguses tutvustati esimest telefoni Vivo X20 Plus(vaja allikat), millel oli ekraanisisene sõrmejäljeluger. See oli esimene seade mis kasutas Synaptics CLEAR ID 9500 tehnoloogiat, mis lubas paigutada optilise sensori ekraani alla.

Põhiline kasutusala ekraanisisestel sõrmejäljelugeritel on tänapäeval nutitelefonites. Sellegipoolest leidub ka tootjaid, kes kasutavad sellist tehnoloogiat ka teistes seadmetes, näiteks on leiutatud erinevaid nutilukke. See tähendab seda, et näiteks on võimalus avada koduust vaid sõrmejälje vajutusega. Pole tarvis enam võtmeid kaasas kanda. Sellised lukud on näiteks LineMak, iTouchless ja Aegis Electronic. Selliste lukkude hinnad võivad küündida tuhandete eurodeni, kuid on olemas ka paarisajaeuroseid variante.

Tööpõhimõte

Optilise sõrmejäljelugeri tööpõhimõte on oma olemuselt üsna lihtne: salvestada esialgu tahetud sõrmejälg andmebaasi, tehes sellest mitu pilti ning hiljem võrrelda uut sõrmejälge andmebaasis oleva infoga. Optilise skanneri tuum sarnaneb valgussensoriga, mida kasutatakse digitaalsetes kaamerates ja videokaamerates. Selle tuuma kohta öeldakse laengsidestusseadis (charge coupled device – CCD). CCD on valgustundlike dioodide massiiv, mida nimetatakse fotoelementideks, mis genereerivad elektrilise signaali vastavalt valgus-footonitele. Iga fotoelement salvestab ühe piksli, mis esindab seda kohta kuhu valgus jõudis. Kogu tulemusena saame suures koguses tumedaid ja heledaid piksleid pildist, mida skaneeriti (antud juhul on selleks sõrmejälg). Seejärel protsessib skanneri süsteem analoogsignaale, ning genereerib nendest digitaalse representatsiooni antud pildist.

Skaneerimise protsess

Skaneerimise protsess algab sellest, kui kasutaja paneb oma sõrme ekraanile. Tavaliselt on telefonidel kasutajaliides, mis juhendab kasutajale, kuhu sõrm täpselt panna tuleks. Seejärel teeb CCD kaamera pildi sõrmejäljest. Üldiselt on lugeritel oma valgustus, selleks kasutatakse valgusdioodide massiivi ning seda selle jaoks, et valgustada sõrmejälge eri nurkade alt. Telefonid kasutavad eraldi valgusdioodide asemel ka oma LCD paneeli, et valgust tekitada või ka OLED ekraani. Enne, kui tehtud pilti hakatakse võrdlema andmebaasis oleva infoga, teeb skanneri süsteem kindlaks, et CCD on saanud korraliku pildi. Selle jaoks võrreldakse keskmist pikslitumeduse taset ning üleüldiseid väärtusi. Kui need väärtused ei klapi, siis ei saanud CCD head pilti. Üldiselt on see tingitud sellest, et tehtud pilt oli kas liiga tume või hele. Enne uue pildi tegemist muudab skanner särivõtte aega, et lasta siis vastavalt sensorisse kas rohkem või vähem valgust ning siis proovib sõrmejäljeluger uuesti sama protsessi algusest peale teha. Kui tehtud pilt vastab kõikidele standarditele, siis hakatakse võrdlema skaneeritud sõrmejälge andmebaasis oleva sõrmejäljega. Nende kattumisel avatakse telefonis kas mingi rakendus või lukustatakse lahti avaekraan, ning kui sõrmejäljed ei kattu, siis informeeritakse sellest kasutajat.

Ultraheliluger

Esimene seade, mis kasutab ultrahelilugerit, tuli välja 2018. aasta detsembris Qualcommi poolt. Selleks on praegune Samsungi tippmudel Samsung Galaxy S10 ja S10+. Ultrahelilugerit kasutatakse põhiliselt ainult nutitelefonides.

Tööpõhimõte

Ultraheli-sõrmejäljeluger

Ultrahelilugeril on samuti lihtne tööpõhimõte: tehakse esialgu sõrmest 3D-mudel ning salvestatakse see andmebaasi ning hiljem võrreldakse teisi sõrmejälgi andmebaasis olevate andmetega. Ultraheliluger kasutab pildi või mudeli loomiseks ultraheli. Ultraheli, mis pole inimese kõrvale kuuldav, tekitatakse sensori poolt ning selletõttu väljuvad sensorist helilained, mis põrkuvad kokku kasutaja sõrmega. Sõrme pealt põrkavad helilained tagasi ning uuesti sensorisse. Sensori poolt tekitavad helilained on võimelised penetreerima 800 µm läbi klaasi ning kuni 400 µm läbi metalli. Reaalne 3D-mudel luuakse nende andmete põhjal, kui kaua levis ultraheli laine sensori ning sõrmejälje erinevate osade vahel. Selle tulemusena saame sõrmejälje kuju, mille kvaliteet on kordades parem teiste biomeetriliste tuvastussüsteemidega võrreldes. Lisaks sellele on võimalik helilainete järgi tuvastada vere voolavuse taset, mille tõttu on sellise lugeri kasutamine palju turvalisem.

Skaneerimise protsess

Sellel on üldiselt sarnane protsess nagu optilise lugeri puhul, kus esialgu paigutab kasutaja näpu teatud ekraaniossa (sinna, kus paikneb luger). Ultrahelilugeri puhul ei ole vaja, et ekraan aktiveeruks või et oleks lisa valgusdioodide olemasolu ekraani all, kuna kasutatakse ainult ultrahelilaineid. Pärast kasutaja näpu tuvastamist, käivitub sensor ning tekitatakse ultraheli, mis tekitab helilainete põrkumise näpu ning sensori vahel. Nende põrgete omavahelise kauguse järgi konstrueeritakse 3D-mudel sõrmejäljest ning seejärel võrreldakse seda andmebaasis olevate andmetega.

Omavaheline võrdlus

Tööpõhimõtte aspektist erinevad seda tüüpi lugerid suhteliselt palju. Optiline luger kasutab CCD-d, et teha sõrmejäljest 2D-pilt ning võrdleb seda andmebaasis sama tüüpi andmetega. Ultraheliluger kasutab helilaineid, et luua 3D-mudel sõrmejäljest ning võrdleb seda andmebaasis olevaga.

Võrreldes kahte tehnoloogiat omavahel, saab tuua välja mitmeid erinevusi.

• Alustades töökindlusest, saame öelda, et ultraheliluger on töökindlam kui optiline luger, kuna esimene ei vaja edukaks töötamiseks valgust. Valguse puudumisel väheneb optilise lugeri töökindlus. Ultrahelilugeri heaks küljeks on ka see, et skaneerimise ajal võib sõrme peal olla ka segavaid aineid (õlid, mustus vms), kuid see ei sega ultrahelilugeri tööd.
• Võrreldes kahte tehnoloogiat kiiruse aspektis, võime öelda, et kiirus on suhteliselt sarnane. Ideaaltingimustes töötaksid need tehnoloogiad sama kiirelt.
• Üks suurematest erinevustest nende kahe tehnoloogia vahel on turvalisus. Kuna optiline luger teeb sõrmest 2D-pildi, siis on ka seda lihtsam petta ning ära kasutada. Kuna optilise lugeri puhul mängib rolli ka valgus, siis selle puudumisel või halva valguse korral võib tehtav pilt olla ebatäpne ning oluliselt vähem turvalisem kui ultrahelilugeri puhul. Kuna ultraheliluger moodustab sõrmejäljest 3D-mudeli, siis on seda ka märgatavamalt raskem jäljendada ning petta. Ultrahelilainete abil on võimalik mõõta ka muid parameetreid (näiteks pulss ja kapillaaride kolmemõõtmeline kuju), mida võidakse tulevikus interpreteerida turvalisuse suurendamiseks.
• Mõlema tehnoloogia eeliseks tavapärase sõrmejäljelugeri suhtes on kindlasti see, et need tehnoloogiad peituvad ekraani sees. See annab kasutajale mugavuse, näiteks ei pea kasutaja seadet kätte võtma, et seda avada ning see annab tootjale võimaluse kasutada seadme ruumi paremini ära(näiteks nutitelefonide suurendada ekraani ja telefoni suhet).

Uued tehnoloogiad

Uusi sõrmejäljelugemise tehnoloogiaid uuritakse ja arendatakse pidevalt. Näiteks on olemas selline tehnoloogia nagu Multispectral Fingerprint Imaging (MSI). Sarnase tööpõhimõttega nagu optiline luger, kasutab seda tüüpi skanner sõrmejälje uurimiseks erinevaid lainepikkusi (näiteks 470 nm – sinine, 535 nm – roheline jne). Põhiline idee on selles, et erinevad sõrmejälje osad reageerivad eri lainepikkustele erinevalt. Tänu sellele on tulemuseks ka parema kvaliteediga pilt.

Allikad

• Dan Grabham,(28 February 2019),In-display fingerprint readers: How do they work and what phones will we see them in?, https://www.pocket-lint.com
• Jason England,(March 4, 2019), Optical versus ultrasonic: The difference between in-display fingerprint scanners, https://www.androidguys.com
• Imran Aftab,(January 20, 2018), Best Fingerprint Door Locks 2018 – Buyer’s Guide, https://www.progeeksblog.com/best-fingerprint-door-locks/
• Parth Shah, (11 Mar 2019), Ultrasonic Fingerprint Scanner vs Optical Fingerprint Scanner: How Do They Differ, https://www.guidingtech.com/ultrasonic-fingerprint-scanner-vs-optical-fingerprint-scanner-how-do-they-differ/
• Tom Harris, (24 September 2012), How Fingerprint Scanners Work, https://computer.howstuffworks.com/fingerprint-scanner.htm#