Trong bài báo này chúng ta sẽ khám phá những bí ẩn đằng sau sự phát triển đầy thú vị của công nghệ quét vân tay trong ngành tư pháp và cả bảo mật danh tính, đồng thời nghiên cứu những ưu điểm của hệ thống máy quét so với password và thẻ tín dụng, cũng như những nhược điểm của chúng.     

Chuột máy tính có tích hợp hệ thống quét vân tay

Những điều cơ bản về vân tay

Vân tay là một trong những đặc điểm đặc trưng của từng người. Mỗi người đều có một dấu vân tay đặc trưng của riêng mình. Điều này diễn ra như thế nào?   

Trên đầu ngón tay mỗi người dều có những đường vằn nhỏ bởi đặc điểm này rất có lợi cho tổ tiên loài người, giúp họ dễ cầm nắm các vật dụng. 

Những vân tay hoàn toàn ngẫu nhiên . Như mọi thứ trong cơ thể con người , những đường vân tay là sự kết hợp của sự di truyền và những nhân tố môi trường .

 Ngoài ra cũng như mọi bộ phận khác trên cơ thể, các đường vằn này tạo thành một nhân tố tự nhiên đặc trưng của mỗi người, kể cả đối với những cặp song sinh giống hệt nhau. Tuy mới nhìn qua, hai vân tay trông có vẻ giống nhau nhưng một điều tra viên chuyên nghiệp hoặc một phần mềm cao cấp có thể nhìn thấu sự khác nhau rõ ràng giữa chúng.  Tóm lại những vân tay của những người khác nhau là hoàn toàn khác nhau kể cả sinh đôi .

Đây là ý tưởng cơ bản của hệ thống phân tích vân tay, cả trong việc điều tra tội phạm và bảo vệ an ninh. Máy quét vân tay có nhiệm vụ thay thế con người trong việc thu thập mẫu vân tay và so sánh nó với các mẫu khác trong hồ sơ. Trong phần tiếp theo chúng ta sẽ tìm hiểu cách máy quét thực hiện việc này. 

Máy quét quang học

Một hệ thống máy quét quang học có hai nhiệm vụ cơ bản – lấy hình ảnh ngón tay, và quyết định xem liệu dấu vân tay trong ảnh có khớp với mẫu có sẵn hay không. 

Có nhiều cách khác nhau để lấy hình ảnh ngón tay, trong đó cách phổ biến nhất là quét quang học và quét điện dung. Cả hai đều đưa ra cùng một hình ảnh, nhưng bằng hai phương pháp khác nhau hoàn toàn.  

Trung tâm của máy quét quang học là CCD ( Charge Coupled Device ) – hệ thống cảm biến ánh sáng sử dụng trong camera kỹ thuật số. CCD là một mảng diode nhạy cảm với ánh sáng gọi là photosite, có nhiệm vụ tạo tín hiệu điện tương ứng với những photon ánh sáng. Mỗi photosite ghi lại một pixel, tức một chấm nhỏ thể hiện rằng ánh sáng đã chạm đến điểm đó. Các pixel sáng và tối sẽ tổng hợp thành một hình ảnh của vật thể được quét (như ngón tay). Thường thì Bộ chuyển đối ADC ( từ analog sang digital ) trong hệ thống quét sẽ xử lý tín hiệu điện analog để tạo ra bức ảnh dạng số hóa . 

Quy trình quét bắt đầu khi bạn đặt ngón tay lên một đĩa thủy tinh, và để CCD chụp ảnh. Máy quét có nguồn điện riêng, thường là một mảng diode phát sáng để tỏa sáng các đường vân trên ngón tay. Cuối cùng hệ thống CCD sẽ tạo ra hình ảnh đảo ngược của ngón tay.

Trước khi so sánh hình ảnh nhận được với dữ liệu có sẵn, bộ xử lý quét sẽ đảm bảo rằng hình ảnh thu được đủ rõ bằng cách kiểm tra độ tối pixel trung bình, hay tổng giá trị của một mẫu nhỏ, và sẽ từ chối quét hình nếu nó quá sáng hoặc quá tối. Nếu ảnh bị từ chối, máy quét sẽ điều chỉnh thời gian phơi sáng, rồi quét lại lần nữa. 

Còn nếu độ tối đã đủ thì hệ thống sẽ tiếp tục kiểm tra độ phân giải ảnh. Bộ xử lý sẽ quan sát một số đường thẳng di chuyển ngang dọc trên ảnh. Nếu ảnh có độ phân giải tốt, đường thẳng chạy vuông góc với vân tay sẽ gồm các phần xen kẽ gồm các pixel rất tối và rất sáng.  

Nếu bộ xử lý cảm thấy hình ảnh đã đủ sắc nét và độ sáng, nó sẽ tiếp tục so sánh hình ảnh đó với vân tay trong hồ sơ. 

Máy quét điện dung

Cũng như máy quét quang học, máy quét điện dung tạo ra hình ảnh vân tay, nhưng không phải bằng ánh sáng mà bằng dòng điện.  

Biểu đồ dưới đây minh họa một cảm biến điện dung đơn giản, gồm môt hoặc vài chip bán dẫn chứa một mảng gồm nhiều ngăn nhỏ. Mỗi ngăn có hai đĩa dẫn điện ( Comductor Plate ) , được phủ một lớp cách điện. Mỗi ngăn này nhỏ hơn chiều rộng của một đường vân trên ngón tay.    

Cảm biến được nối với một mạch điện nối xung quanh một bộ khuếch đại toán học đảo ngược ( Inverting Amplifier ) – một thiết bị bán dẫn phức tạp gồm nhiều transistor, điện trở và tụ điện. 

Cũng như các bộ khuếch đại khác, một bộ khuếch đại ngược sẽ thay đổi dòng điện dựa trên dao động của một dòng điện khác. Trong trường hợp này, bộ khuếch đại ngược sẽ thay đổi điện áp nguồn dựa trên điện áp tương đối của hai đầu vào, gọi là đầu đảo ngược và đầu không đảo ngược. Ở đây, đầu không đảo ngược được nối đất ( Non-Inverting Terminal ) , còn đầu đảo ngược được nối với nguồn điện áp tham chiếu và một vòng lặp phản hồi. Vòng lặp này cũng được nối với đầu ra của bộ khuếch đại, bao gồm hai đĩa dẫn điện.   

Hai đĩa dẫn điện này hợp thành một tụ điện, có khả năng lưu trữ điện năng. Bề mặt của ngón tay có vai trò như một tụ điện thứ ba, được ngăn cách bởi lớp cách điện trong hệ thống ngăn – tức các túi khí trong đường rãnh trên đầu ngón tay. Khi thay đổi khoảng cách giữa các đĩa tụ điện (bằng cách di chuyển ngón tay ra xa hoặc gần đĩa dẫn điện) thì khả năng trữ điện của tụ điện cũng thay đổi theo. Chính vì tính chất này nên tụ điện trong một ngăn nằm trong đường vân nổi sẽ có điện dung lớn hơn so với tụ điện trong ngăn nằm ở đường rãnh.

Để quét ngón tay, đầu tiên bộ xử lý sẽ đóng công tắc của mỗi ngăn, làm đoản mạch từng Đầu Vào ( input ) và Đầu Ra ( output ) để “cân bằng” mạch điện. Khi mở lại công tắc, bộ xử lý sẽ đưa một dòng điện cố định vào mạch điện để truyền điện cho tụ. Điện dung của tụ điện trong vòng lặp phản hồi sẽ ảnh hưởng đến điện áp tại input, rồi ảnh hưởng đến output. Do khoảng cách đến ngón tay sẽ làm thay đổi điện dung nên đường vân sẽ có điện áp cao hơn đường rãnh.   

Bộ xử lý quét sẽ đọc output điện áp và quyết định xem đây là đường rãnh hay đường vân. Bằng cách đọc từng ngăn trong mảng cảm biến, bộ xử lý có thể tổng hợp thành một hình ảnh vân tay chung, tương tự như hình ảnh do máy quét quang thu được.  

Ưu điểm chính của máy quét điện dung là nó cần có hình ảnh vân tay thực chứ không chỉ là một tấm ảnh 2 màu, vì thế khó qua mặt hơn. Ngoài ra do chúng sử dụng chip bán dẫn thay vì CCD nên máy quét điện dung cũng gọn nhẹ hơn máy quét quang. 

Phân tích

Trên phim ảnh, máy phân tích vân tay tự động thường chồng các lớp vân tay lên nhau để tìm vân tay khớp. Nhưng trong thực tế thì đây không phải là cách so sánh vân tay thường dùng. Nếu hình bị nhòe, cùng một mẫu vân tay có thể trông rất khác nhau nên bạn hiếm khi có được hình ảnh trùng khớp hoàn hảo. Ngoài ra, nếu so sánh toàn bộ hình ảnh vân thì sẽ mất rất nhiều năng lượng xử lý, và ai đó có thể dễ dàng đánh cắp dữ liệu vân tay.   

Thay vào đó, hầu hết các máy quét vân tay chỉ so sánh các đặc điểm đặc trưng của vân tay, ví dụ như điểm bắt đầu của đường vân nổi, hay điểm mà đường vân chia tách làm 2 (điểm rẽ nhánh)  ….

Phần mềm quét thường sử dụng các thuật toán đặc biệt phức tạp để nhận diện và phân tích . Nhiệm vụ cơ bản của chúng là đo đạc vị trí tương đối của các điểm, cũng như bạn nhận diện bầu trời đêm bằng vị trí của các chòm sao vậy. Một cách đơn giản là xem xét hình dạng tạo thành khi nối các điểm lại với nhau. Nếu 2 vân tay có 3 điểm nhỏ và 2 điểm rẽ nhánh, tạo thành một hình giống hệt nhau với cùng kích thước thì nhiều khả năng chúng là một. 

Để khớp 2 dấu vân tay, hệ thống không cần tìm toàn bộ tất cả các điểm nối của cả 2 dấu vân tay, mà chỉ cần tìm một số lượng đủ lớn các điểm chung như vậy. Con số này còn tùy thuộc vào từng chương trình quét. 

 

Ưu và nhược điểm

Có nhiều cách để hệ thống biết được người dùng có phải là người dùng hợp pháp hay không. Thường thì chúng dùng một trong những cách sau: 

• Bạn có những gì
• Bạn biết những gì
• Bạn là ai

Để vượt qua câu hỏi “Bạn có những gì,” bạn cần có một dấu hiệu gì đó, như một tấm thẻ tín dụng có dải từ chẳng hạn. Còn hệ thống “Bạn biết những gì” thường bắt bạn gõ password hoặc số PIN. Trong khi đó, hệ thống “Bạn là ai” lại dựa vào các dấu hiệu thực tế trên cơ thể bạn -- như dấu vân tay, giọng nói hoặc mống mắt. 

Hệ thống “Bạn là ai”, trong đó có máy quét vân tay, có nhiều ưu điểm so với những hệ thống khác như:  

• Đặc điểm sinh học khó làm giả hơn nhiều thẻ tín dụng.  
• Bạn không thể đoán được hình vân tay như vẫn đoán password. 
• Bạn không thể đặt sai vân tay, mống mắt hay giọng nói như bạn vẫn đặt sai với thẻ tín dụng 
• Bạn không thể quên mất vân tay của mình như quên password 

Nhưng cho dù có ưu việt đến đâu thì chúng cũng không phải là hoàn hảo. Và thực tế thì máy quét vân tay vẫn có những nhược điểm nhất định: máy quét quang thường không phân biệt được tấm ảnh dấu vân tay với một dấu vân tay thực, còn máy quét điện dung thì nhiều khi bị lừa bởi ngón tay giả tạo ra bởi khuôn đúc. Nếu ai đó có được dấu tay của người dùng thực, hắn có thể lừa máy quét. Trong trường hợp tệ nhất, tên tội phạm còn có thể cắt ngón tay nạn nhân và vượt qua máy quét một cách dễ dàng. Do đó một số máy quét có thêm tính năng cảm nhận thân nhiệt để xem ngón tay còn “sống” hay chỉ là một khuôn mẫu hoặc bị cắt ra từ cơ thể người, nhưng ngay cả loại máy này cũng bị lừa bằng cách tạo khuôn bằng gelatin bao quanh ngón tay thật. 

Vì thế để nâng cao hiệu quả của hệ thống an ninh, tốt nhất là kết hợp việc phân tích sinh trắc học với các phương pháp nhận diện thông thường như password (hay thẻ tín dụng và mã PIN). 

Nhưng vấn đề lớn nhất với việc bảo mật bằng sinh trắc học là mối nguy hiểm có thể xảy ra khi ai đó thành công trong việc đánh cắp nhân dạng của nạn nhân. Nếu bạn đánh mất thẻ tín dụng hoặc lỡ nói cho ai biết số PIN của mình, bạn có thể lấy thẻ mới hoặc đổi mã. Nhưng nếu ai đó đánh cắp vân tay của bạn thì có thể bạn sẽ phải khổ sở đến hết đời. Bạn không thể dùng vân tay của mình như một dấu hiện nhận diện cho đến khi đảm bảo tất cả các bản copy đã bị hủy bỏ. Bởi bạn không thể làm lại dấu vân tay mới. 

Nhưng bất chấp nhược điểm lớn này, máy quét vân tay và hệ thống sinh trắc học vẫn là phương tiện nhận diện tuyệt vời. Trong tương lai có thể chúng sẽ trở thành một phần tất yếu của cuộc sống mỗi người, cũng như chìa khóa, thẻ ATM và password vậy.