Cảm biến vân tay của iPhone 5s (và nhiều máy tính xách tay) hoạt động như thế nào?

Một trong những tính năng đáng chú ý nhất của iPhone 5s đó chính là cảm biến vân tay tích hợp thẳng vào nút Home. Nó sẽ cho phép chúng ta mở khóa máy mà không cần nhập mật khẩu như những gì chúng ta vẫn làm từ trước đến nay. Apple cũng cho phép thực hiện giao dịch mua bán trên App Store, iTunes Store mà không cần đến password, chỉ việc quét ngón tay của bạn qua nút home là xong, đơn giản và nhanh gọn lẹ. Vậy cảm biến vân tay hoạt này hoạt động như thế nào?

Cảm biến vân tay có hai nhiệm vụ chính: ghi nhận hình ảnh của ngón tay người dùng, và xác định xem hình ảnh đó có khớp với vân tay của người đã đăng kí hay không. Có rất nhiều cách để một cảm biến vân tay thực hiện hai nhiệm vụ nói trên, nhưng hiện nay trên thế giới có hai loại phổ biến: quét vân tay quang học (optical scanner) và quét điện dung (capacitance scanner).

Loại 1: Quét quang học

Trái tim của cảm biến vân tay quang học là một CCD, cùng loại với cảm biến được dùng trong một số máy ảnh, máy quay phim. CCD đơn giản là một mảng các đi-ốt nhạy sáng gọi là photosite, và chúng sẽ tạo ra tín hiệu điện khi gặp photon ánh sáng. Mỗi photosite sẽ ghi nhận một điểm ảnh, từ đó cấu thành một tấm hình hoàn chỉnh.

Quá trình quét bắt đầu khi bạn đặt ngón tay của bạn lên một bề mặt kính, khi đó cảm biến CCD bắt đầu chụp ảnh. Bản thân bộ quét sẽ có một nguồn sáng riêng, thường là bóng đèn LED, để thắp sáng viền của những đường vân tay. Sau khi chụp, CCD sẽ tạo ra một ảnh ngược với ảnh thực tế, tức là vùng tối trên ảnh (đại diện cho khu vực được chiếu sáng) sẽ là phần nổi của vân tay, còn vùng sáng chính là chỗ lõm vân tay (được chiếu sáng ít).

Trước khi so sánh hình ảnh thu được với dữ liệu có sẵn trong máy, bộ xử lí của máy quét sẽ đảm bảo rằng CCD đã chụp lại một tấm ảnh rõ ràng. Nó sẽ kiểm tra độ tối trung bình của các pixel, hoặc độ tối của một khu vực trên ảnh. Nếu tổng thể ảnh quá tối hoặc quá sáng thì nó sẽ từ chối bức ảnh và yêu cầu người dùng quét lại ngón tay bởi kết quả so sánh có thể không chính xác. Và trong lúc quét lại này, hệ thống quét sẽ tự chỉnh lại độ sáng từ nguồn sáng của mình, hoặc chỉnh cho bóng LED sáng hơn, hoặc tối lại.

Còn nếu độ sáng đã đạt yêu cầu, hệ thống tiếp tục kiểm tra xem độ nét ảnh của ảnh đến mức nào. Bộ xử lí của scanner sẽ nhìn vào những đường ngang dọc xuyên suốt bức ảnh. Nếu ảnh rõ, các đường vuông góc với lồi của vân tay sẽ là những vùng pixel rất tối hoặc rất sáng. Khi đã đủ chuẩn về độ sáng cũng như độ nét, bộ xử lí sẽ tiếp tục so sánh ảnh chụp được với file lưu trong máy.

Loại 2: Quét điện dung - loại dùng trên iPhone 5s và các máy tính xách tay

Cũng giống với loại quét quang học, cảm biến vân tay điện dung cũng tạo ra hình ảnh phần lồi và lõm của vân tay, nhưng thay vì sử dụng nguồn sáng, cảm biến này xài dòng điện. Trong cảm biến vân tay điện dung sẽ có một hoặc nhiều con chip bán dẫn chứa các "cell" nhỏ xíu. Mội cell bao gồm hai bảng được bọc lớp cách điện và chúng cấu thành một tụ điện cơ bản. Những cell này rất nhỏ, nhỏ hơn cả chiều rộng của khu vực lõm trên vân tay nữa. Cảm biến này sẽ được kết nối với một bộ lấy tích phân dòng (integrator) - thực chất là một bộ khuếch đại có tác dụng.

Bề mặt ngón tay của chúng ta sẽ đóng vai trò như một bảng tụ thứ ba, và nó sẽ đứng tách biệt với hai bảng tụ nói trên nhờ một lớp không khí. Khi khoảng cách giữa các bảng tụ thay đổi (tức là lúc chúng ta di chuyển ngón tay lại gần hoặc ra xa hai bảng tụ có sẵn), điện dung của tụ sẽ thay đổi. Nhờ vào tính chất này mà điện dung của các cell nằm dưới phần lồi của vân tay sẽ lớn hơn các cell đang nằm ở phần lõm.

Để bắt đầu quét ngón tay, bộ xử lí của máy scan sẽ đóng mạch và reset các cell. Sau đó nó sẽ mở lại mạch, đồng thời áp một dòng điện cố định để giúp các tụ nạp điện. Lúc người dùng đưa ngón tay lên, phần lỗi và làm của vân tay sẽ tạo ra sự chênh lệch điện thế như đã nói, và bộ xử lí sẽ đọc điện thế này để xác định các tố chất của một đường lồi hoặc chỗ lõm. Khi kết hợp dữ liệu của tất cả các cell thì nó sẽ tạo ra được hình ảnh tổng thể của vân tay, tương tự như ảnh được ghi lại bởi cảm biến vân tay quang học.

Lợi ích chính của cảm biến vân tay điện dung đó là nó tạo hình ảnh dựa vào hình dạng thật của vân tay chứ không phải là các đường nét sáng tối, do đó việc giả mạo vân tay của hệ thống cảm biến điện dung sẽ khó hơn nhiều so với cảm biến quang học. Ngoài ra, vì cảm biến điện dung dùng các bóng bán dẫn thay vì một chip CCD lớn, cảm biến điện dung có kích thước nhỏ gọn hơn nhiều nên mới được tích hợp vào các thiết bị di động. Cảm biến vân tay điện dung cũng chính là loại xài trên iPhone 5s và rất nhiều máy tính xách tay từ trước đến nay.

Cách lưu trữ dữ liệu vân tay và so sánh

Ở trên chúng ta thấy rằng cảm biến sẽ ghi lại hình ảnh của vân tay, lưu vào đó rồi khi cần thì đem ra so sánh. Tuy nhiên, thực chất thì không có tập tin ảnh nào được lưu lại cả, bộ xử lí của cảm biến sẽ đọc những đường nét, tính chất riêng biệt của vân tay từ bức ảnh (gọi là "minutiae") rồi số hóa chúng thành một loạt dữ liệu 010101 và đem đi lưu trữ. Dữ liệu nhị phân này không thể dùng để chuyển ngược thành tấm ảnh nên sẽ tránh tình trạng bị hack.

Thông thường, người ta sẽ xác định các minutiae bằng cách tập trung vào những điểm mà phần lồi của vân tay chấm dứt hoặc nơi phần lồi bị tách làm hai. Tất cả những minutiae sẽ được thu thập lại, tạo thành một dữ liệu riêng cho từng ngón tay.

Khi đã có trong tay mẫu được đăng kí và mẫu cần so sánh, phần mềm của cảm biến vân tay sẽ sử dụng các thuật toán phức tạp để nhận biết vị trí của các minutiae. Ví dụ, nếu hai dấu tay có cùng nơi kết thúc của ba điểm lồi và có cùng hai điểm tách, các điểm này tạo ra cùng hình dạng và kích thước thì nhiều khả năng hai dấu tay này là từ một người.

Để xác định là hai dấu tay có khớp nhau hay không, cảm biến vân tay không cần phải tìm hết tất cả các minutiae, chỉ cần một lượng mẫu vừa đủ là được. Số lượng mẫu thì tùy vào phần mềm của bộ quét và nhà sản xuất.

Nói thêm về cảm biến vân tay TouchID của iPhone 5s

Apple gọi cảm biến vân tay của iPhone 5s là Touch ID, tính năng này là một lớp phần cứng được tích hợp ngay bên dưới nút Home với độ mỏng chỉ có 170 micron (0,17 mm), độ nhạy 500 ppi và có thể quét được tới các lớp bên dưới lớp biểu bì của ngón tay chúng ta. Được biết cảm biến này do AuthenTec phát triển, công ty mà Apple đã mua lại hồi tháng 7 năm ngoái với giá 356 triệu USD. Cảm biến của hãng này được cho là một trong những sản phẩm nhận biết vân tay tốt và có độ chính xác cao trên thị trường thiết bị sinh trắc. Trong ảnh trên là cấu tạo của Touch ID. Các thành phần từ phải sang trái bao gồm:

• Tấm kính sapphire: có tác dụng bảo vệ và chống trầy cho nút home, vừa giúp lớp cảm biến tập trung để ghi nhận đường nét của vân tay
• Vòng thép bọc xung quang tấm sapphire: vừa để trang trí, vừa là "công tắc" giúp nhận biết ngón tay và bảo cảm biến bắt đầu đọc vân tay.
• Cảm biến giúp xác định vân tay
• Bộ chuyển mạch xúc giác

Touch ID sẽ ghi nhận và phân loại ngón tay của người dùng theo ba loại: cong (Arch), vòng lặp (Loop) và vòng xoắn (Whorl). Dựa vào đó máy sẽ đưa ra kết quả là vân tay của người dùng có khớp với mẫu được lưu trong máy hay không một cách nhanh chóng, hạn chế thời gian chờ, hạn chế phải quét lại ngón tay.

Sự có mặt của Touch ID đã giúp mức độ bảo mật của iOS đã tăng thêm một bậc, giờ đây bạn không còn sợ người khác có thể dùng máy mà không được sự đồng ý của mình nữa. Nút Home mới có thể đọc được dấu vân tay của chúng ta theo bất kỳ hướng nào và bề mặt của phím thì được làm bằng Sapphire để chống trầy. Apple nói Touch ID có thể nhận dạng nhiều dấu vân tay khác nhau, tối đa là 5 ngón, tương ứng với 5 người dùng hoặc 5 ngón của một người.

Apple cho biết các mẫu vân tay này được mã hóa và cất giữ bên trong một khu vực riêng được bảo mật trên con chip A7, máy sẽ không chia sẻ vân tay đó cho các ứng dụng khác ngoài hệ thống, không upload lên máy chủ Apple cũng như không đưa nó lên iCloud. Tất nhiên, như đã nói ở trên, vân tay được lưu dưới dạng dữ liệu nhị phân và không phải là dạng hình ảnh.

Ngoài biện pháp bảo mật này ra, Apple nói rằng sau 48 giờ nếu người dùng không mở khóa iPhone 5s hoặc trong trường hợp máy bị khởi động lại, thì để dùng được iPhone, người dùng sẽ phải nhập mật khẩu (passcode) chứ không thể xài ngón tay nữa. Theo Apple, giới hạn này là nhằm tránh tình trạng hacker có đủ thời gian để bẻ khóa hoặc làm cách nào đó nhại lại dấu vân tay của chủ sở hữu thiết bị. Thời gian 48 giờ này cũng là đủ dài để không làm cho người dùng cảm thấy phiền hà.

Tất nhiên, cảm biến vân tay điện trở cũng có những giới hạn của nó. Apple nói rằng trong hầu hết trường hợp thì Touch ID đều nhận diện chính xác đường vân, nhưng nếu ngón tay bị ướt, dính kem hoặc các loại chất nhờn khác thì có khả năng Touch ID không thể quét chính xác. Những người thường hay đổ mồ hôi cũng sẽ gặp khó khăn khi unlock bằng Touch ID nếu tay quá ướt. Chính vì thế, Apple buộc người dùng phải thiết lập passcode để khi Touch ID không chạy, hoặc bị hỏng, thì chúng ta vẫn có thể sử dụng iPhone 5s một cách bình thường.