Считыватель отпечатков пальцев FingerChip корпорации ATMEL

В данной статье описываются считыватели отпечатков пальцев FingerChip корпорации Atmel, в которых используется тепловой метод получения отпечатков. Считыватели FingerChip применяются в широком диапазоне стационарных и портативных систем безопасности, включая системы контроля доступа, кассовые терминалы, компьютеры, карманные компьютеры, мобильные телефоны, считыватели смарт-карт и т.д. Эти считыватели предназначены для использования в приложениях, требующих быстрой, надежной и точной идентификации или аутентификации личности.

Метод считывания отпечатка

Считыватели отпечатков пальцев FingerChip были разработаны Atmel Grenoble, французским подразделением компании Atmel. В них реализован тепловой метод считывания отпечатков пальцев, основанный на свойстве пироэлектрических материалов преобразовывать разность температур в напряжение. Разность температур создается между ячейками чувствительного элемента под папиллярными гребешками и бороздками. Бороздки не контактируют с чувствительным элементом, поэтому температура чувствительного элемента под бороздками остается равной температуре окружающей среды. Особенностью температурного метода является то, что через некоторое время (около 0,1 с) изображение исчезает, поскольку палец и датчик приходят в температурное равновесие.

Быстрое исчезновение температурной картины является одной из причин применения технологии сканирования. Чтобы получить отпечаток, нужно провести пальцем поперек чувствительного элемента прямоугольной формы (0,4 х 14 мм или 0,4 х 11,6 мм). Во время движения пальца скорость сканирования должна превышать 500 кадров/с (задается тактовой частотой). В результате получается последовательность кадров, каждый из которых содержит часть общей картины. Далее отпечаток пальца реконструируют программным способом: в каждом кадре выбирают несколько линий пикселей и ищут идентичные линии в других кадрах, полный образ отпечатка пальца получают совмещением кадров на основе этих линий (см. рис. 1).

Метод покадрового считывания не требует расчета скорости движения пальца по считывателю и позволяет уменьшить площадь кремниевой подложки матрицы более чем в 5 раз, что во столько же раз снижает ее стоимость. Полученное изображение, тем не менее, имеет высокое разрешение. Дополнительным преимуществом сканирования является то, что окно считывания самоочищается, и после считывания на нем не остается отпечатков пальцев.

Обычно реконструированное изображение имеет размеры 25 х 14 мм, что соответствует 500 х 280 точкам. При 8 битах на точку для хранения в формате bmp требуется 140 Кбайт памяти на одно изображение. По соображениям безопасности, а также для уменьшения занимаемого объема памяти в системе распознавания хранят не изображение отпечатка пальца, а эталон, который получают из отпечатка путем выделения характерных деталей.

Отпечаток пальца характеризуется как крупными фрагментами, такими как дуги, спирали, завитки, так и мелкими деталями: разветвлениями, дельтами (Y-образными соединениями) и окончаниями бороздок (см. рис. 2). Обычно в отпечатке пальца присутствует 30 — 40 мелких деталей.

Каждая из них характеризуется своим положением (координатами), типом (разветвление, дельта или окончание) и ориентацией. Набор мелких деталей и служит эталоном отпечатка пальца. Вероятность того, что эталоны, полученные из разных отпечатков, будут одинаковы, ничтожно мала.

Использование набора характерных деталей в качестве эталона вместо полной картины отпечатка позволяет значительно уменьшить объем требуемой для хранения памяти: типичный набор из 36 мелких деталей, каждая из которых описывается 4 байтами, занимает всего 144 байта. И что немаловажно, отпечаток пальца не может быть реконструирован из такого эталона.

Алгоритмы идентификации, используемые компанией Atmel в своих считывателях, основаны на сравнении предъявляемых образцов с эталонами. При первоначальной регистрации пользователя считывается отпечаток пальца, и выделяется эталон, который сохраняется в памяти системы (можно хранить множество эталонов). В дальнейшем при идентификации из считываемых отпечатков пальцев так же извлекаются наборы деталей, которые в этом случае называются образцами. Образцы сравниваются с множеством хранимых эталонов, и если обнаруживается совпадение, то человек считается идентифицированным. Если образец сравнивается с одним-единственным эталоном, например, чтобы подтвердить личность владельца смарт-карты, такой процесс называется аутентификацией или проверкой достоверности. Процесс сравнения образца и эталона (идентификация или аутентификация) выполняется программно и не зависит от технологии, с помощью которой было получено изображение отпечатка.

Компания Atmel поставляет программное обеспечение для реконструкции отпечатка пальца по последовательности кадров (см. рис. 3). Выделение эталона, верификация и идентификация осуществляются с помощью программного обеспечения третьих фирм (см. табл. 1), либо с помощью самостоятельно разработанных программ.

Тепловая методика считывания обеспечивает высокое качество изображения отпечатка при различном состоянии поверхности пальца: неважно, сухой ли он, истертый, с небольшой разницей уровней между гребешками и бороздками и т.п. Считыватель FingerChip успешно функционирует в жестких условиях, при больших колебаниях температуры, высокой влажности, при различных загрязнениях (в том числе масляных).

В рабочем режиме датчик полностью пассивен. Если разница температур между пальцем и датчиком становится незначительной (менее одного градуса), включается схема температурной стабилизации, которая изменяет температуру считывателя и восстанавливает температурный контраст.

Еще одним достоинством тепловой методики по сравнению с другими методами, особенно емкостными, является отсутствие необходимости плотного контакта между пальцем и считывателем, что позволило использовать специальное покрытие, обеспечивающее защиту от ударов, истирания, влаги и других факторов окружающей среды.

Считыватели FINGERCHIP

Считыватель FingerChip содержит матрицу из 8 строк по 280 столбцов, дающих в сумме 2240 термочувствительных элементов. Дополнительный столбец содержит информацию для температурной калибровки и определения первого пикселя кадра. Шаг матрицы 50 х 50 мкм обеспечивает разрешение 500 точек/дюйм.

Датчик и схемы преобразования данных FingerChip выполнены на единой монолитной подложке размером 1,7 х 17,3 мм. Функциональные блоки устройства показаны на рисунке 4.

На данный момент компания Atmel выпускает 3 модели считывателей (см. табл. 2). Первым был выпущен считыватель АТ77С101В по проектным нормам 0,8 мкм с параллельным интерфейсом передачи данных. Следующие устройства выпущены уже по технологии 0,35 мкм, что позволило существенно снизить цену. В новых считывателях реализован последовательный интерфейс передачи данных (SPI), напряжение питания уменьшено до 3 В. Они имеют высокую износоустойчивость.

Помимо функции считывания модели АТ77С104В и АТ77С105А имеют функции навигации (аналогично сенсорной панели touchpad) и эмуляции нажатия клавиши, что позволяет считывателю FingerChip помимо функции считывания отпечатка пальца выполнять функции управления меню в системе. Пример перемещения курсора в некотором окне путем движения пальца по считывателю FingerChip в различных направлениях (аналогично touchpad с миниатюрной чувствительной областью) показан на рисунке 5.

Наличие различных корпусов (см. рис. 6) позволяет выбрать оптимальный способ установки датчика в систему.

Средства разработки и отладки для считывателей FINGERCHIP

Компания Atmel предпочитает отдельно продавать сами считыватели FingerChip. Однако, несмотря на невысокую стоимость, эти датчики не нашли широкого применения у разработчиков мелкосерийной продукции. Как уже говорилось, для извлечения эталона и сравнения образца с эталоном требуется специальное программное обеспечение, которое необходимо либо покупать у третьих фирм, либо создавать самим. В результате использование отдельных датчиков становится экономически целесообразным только при крупносерийном производстве, например, для сотовых телефонов. Для применения считывателей отпечатков пальцев в мелкосерийной и среднесерийной продукции корпорация Atmel рекомендует использовать модуль биометрии AT77SM0101BCB02VKE (см. рис. 7), построенный на базе 32-разрядного микроконтроллера Atmel AT91RM9200.

Модуль AT77SM0101BCB02VKE позволяет реализовать следующие функции:

• покадровое считывание отпечатка пальца;
• восстановление картины отпечатка пальца;
• идентификацию и аутентификацию по алгоритму IKENDI;
• работу с базой данных отпечатков пальцев;
• передачу данных по интерфейсам RS-232/485, USB, EBI (для CompactFlash, SmartMedia, NANDFlash), Ethernet, на смарт-карты стандарта ISO7816.

В состав набора биометрии входит считыватель AT77C101B-CB02V, модуль биометрии, гибкий кабель для соединения считывателя и модуля, программное обеспечение. В стоимость набора уже включена стоимость одной лицензии на алгоритм извлечения эталона и сопоставления образов и эталонов фирмы IKENDI.

Задача создания программного обеспечения со стороны разработчика при использовании набора биометрии заключается в написании программы уровня приложений, приведенном на функциональной схеме программной части (см. рис. 8).

Для оценки возможности модуля AT77SM0101BCB02VKE и разработки программного обеспечения нижнего уровня выпускается набор разработчика AT77SM0101BCB02VEK (см. рис. 9), который состоит из модуля биометрии AT77SM0101BCB02VKE, базовой платы с блоком питания и разъемами (Ethernet, USB, RS232, внешней Flash-памяти CompactFlash, SmartMedia, NAND Flash, смарт-карты ISO7816), коммутационных кабелей, документации, демонстрационного ПО для Windows и Linux, SDK для Linux. Такой отладочный набор позволяет осуществить демонстрацию возможностей модуля биометрии, а также разработку программного обеспечения верхнего и нижнего уровня.

Еще один комплект программного обеспечения FingerChip Software Development KIT (SDK), предназначенный для разработки приложений верхнего уровня для считывателя FingerChip, доступен на сайте компании Atmel www.atmel.com/products/ Biometrics. Этот SDK поддерживает комплекты АТ77С104В-ЕК2, BIOKI01 и FCSWEEP06. Он содержит документацию, демонстрационные программы (FC_Demo.exe, FC_Mouse.exe, FC_Parameters.exe, FC_Training.exe), драйвер, библиотеку DLL и примеры использования.

На рисунке 10 приведена функциональная схема программного обеспечения считывателя. Программа FC_Parameters позволяет устанавливать параметры считывателя по умолчанию, а также задавать редко изменяемые основные параметры, например, управляющие вращением изображения и подстройкой температуры. Утилита FC_Training — пример программы, которая позволяет считывать отпечаток пальца неограниченное число раз. Эта программа полезна для проверки работы устройства, а также для обучения пользователей.

Утилита FC_Mouse позволяет использовать FingerChip в качестве сенсорной панели (touchpad). На рисунке 11 показано окно FC_Demo, наиболее полной из демонстрационных программ для получения отпечатка пальца. Программное обеспечение по аутентификации не входит в этот комплект, его можно получить по запросу под конкретный проект.

Для оценки возможностей считывателя и разработки приложений существуют готовые решения различных производителей, например, демонстрационный набор BIOKI01 (см. рис. 12) производства фирмы ID3. Модуль BIOKI01 имеет форму компьютерной мыши, несколько меньше обычного размера. Он позволяет считывать отпечатки пальцев с помощью датчика FingerChip. В комплекте поставляется библиотека для разработки ПО верхнего уровня.

Литература

1. www.atmel.com
2. Бишоп П. Технология биометри ческой защиты Atmel FingerChip. «Электронные компоненты», 2004, №4.