เซ็นเซอร์ เครื่องสแกนลายนิ้วมือ บนชิปเดี่ยว

สถาปัตยกรรมไมโครชิปที่รวมเอาเซ็นเซอร์ เครื่องสแกนนิ้วมือ และเครื่องตรวจสอบมาอยู่บนชิปเดี่ยว เครื่องตรวจสอบลายนิ้วมือสร้างจากการเรียงแถวของพิกเซล แต่ละพิกเซลประกอบด้วย อุปกรณ์ตรวจจับและอุปกรณ์ประมวลผล โดยอุปกรณ์ตรวจจับนั้นจะตรวจจับปริมาณประจุไฟฟ้าบนผิวของนิ้วมือเพื่อจะจับภาพ การระบุตัวตน

ทำโดยวิธีประมวลผลแบบขนาน(pixel-parallel processing) อุปกรณ์ตรวจจับสร้างอุปกรณ์ประมวลผลข้างต้นในแต่ละพิกเซล สถาปัตยกรรมไมโครชิป ทำให้ใช้งานเซ็นเซอร์ได้บริเวณกว้างโดยไม่ต้องเพิ่มขนาดชิปและเซ็นเซอร์ไว้ต่อสิ่งกระตุ้นเมื่อเก็บภาพทึบแสงสูง อุปกรณ์ตรวจจับคลุมด้วยฟิล์มแข็งเพื่อป้องกันการทำลายทางกายภาพและทางเคมี และป้องกันบริเวณล้อมรอบ และยังป้องกันพื้นผิวของชิปจากการปล่อยกระแสไฟฟ้าจากการสัมผัสนิ้วมือกับชิป เซ็นเซอร์/เครื่องตรวจลายนิ้วมือบนชิปเดี่ยว LSI ขนาด 15?15 mm2 ใช้ CMOS มาตรฐานขนาด 0.5 -?m ในการประมวลผลเซ็นเซอร์ พื้นที่เซ็นเซอร์ขนาด 10.1?13.5 mm2 ใช้เวลาในการระบุตัวตน 102 ms ใช้พลังงาน8.8 mw ที่ 3.3 V การทดสอบห้ารอยครั้งยืนยันว่าอัตราการปฏิเสธคนแปลกหน้าของชิปมากกว่า 99% และอัตราการปฏิเสธผู้ใช้งานน้อยกว่า 1%

 บทนำ

อุปกรณ์เคลื่อนที่ชนิดต่างๆเช่น IC card คอมพิวเตอร์โน้ตบุ๊ก หรือโทรศัพท์เคลื่อนที่กำลังกลายเป็นที่นิยมมากขึ้น ดังนั้นการยืนยันตัวตนเพื่อป้องกันคนที่ไม่มีสิทธิจึงเป็นส่วนสำคัญ สำหรับผลิตภัณฑ์ควรมีวิธีการยืนยันตัวตนที่ใช้ง่ายและมีความน่าเชื่อถือ วิธีวิธีการยืนยันตัวตนรวมถึงการใช้งานพาสเวิร์ด หรือ PIN’s หรือการพิสูจน์โดยใช้ม่านตา หนึ่งในวิธีวิธีการยืนยันตัวตนที่ง่ายและน่าเชื่อถือมากที่สุด คือ การตรวจสอบด้วย เครื่องสแกนลายนิ้วมือ สำหรับการใช้อุปกรณ์เคลื่อนที่นั้น ชุดการระบุตัวตนด้วยลายนิ้วมือนั้นควรจะกระชับพกพาสะดวกและราคาไม่แพง และต้องการันตีถึงความปลอดภัยของข้อมูลและความเป็นส่วนตัวของผู้ใช้งาน

ชุดการระบุตัวตนด้วยลายนิ้วมือประกอบด้วยเซ็นเซอร์ลายนิ้วมือ อุปกรณ์ระบุตัวตนด้วยลายนิ้วมือและหน่วยความจำที่ใช้เก็บแม่แบบลายนิ้วมือของผู้ใช้งาน  optical fingerprint sensor แบบธรรมดาประกอบขึ้นจากปริซึม และเซ็นเซอร์ CCD (charge-coupled-device) เพื่อตรวจหาภาพและ LED (light emitting diode) เพื่อสร้างแสง การตรวจสอบลายนิ้วมือต้องการการประมวลผลภาพอย่างกว้าง โดยใช้ microprocessor ประสิทธิภาพสูง และหน่วยความจำขนาดใหญ่ แม่แบบก็ยังถูกเก็บไว้ในหน่วยความจำนี้ด ขณะนี้เซ็นเซอร์ลายนิ้วมือกึ่งตัวนำที่สัมผัสโดยตรงมีขนาดเล็กและราคาไม่แพง อุปกรณ์นี้ไวต่อการนำไฟฟ้าบนนิ้วมือเมื่อเราสัมผัสโดยตรงไปที่ชิป อย่างไรก็ตามการตรวจสอบลายนิ้วมือต้องการชิปที่คุณสมบัติหลากหลาย เช่น microprocessor ประสิทธิภาพสูง หน่วยความจำขนาดใหญ่ทำให้ชุดการตรวจสอบมีขนาดใหญ่และราคาแพง ยิ่งกว่านั้นข้อมูลส่วนตัวที่อยู่ในชิปนี้สามารถเปลี่ยนและทำลายได้ง่ายเพราะชิปที่แบ่งแยกภายในระบบ และส่งข้อมูลระหว่างกันเพื่อตรวจสอบ ด้วยเหตุนี้การฝังชุดตรวจสอบลายนิ้วมือลงในโทรศัพท์หรืออุปกรณ์เคลื่อนที่จึงยากเรานำเสนอสถาปัตยกรรมไมโครชิปแบบใหม่ที่รวมเซ็นเซอร์และเครื่องตรวจจับไว้ในชิปเดียวซึ่งเป็นวิธีการที่ได้ผลที่สุดในการแก้ปัญหาข้างต้น

ประเด็นสำคัญของสถาปัตยกรรมนี้คือ พิกเซลที่ใช้ตรวจสอบในอุปกรณ์ตรวจจับและอุปกรณ์ประมวลผลเป็นการรวมกันในแนวดิ่ง อุปกรณ์ตรวจจับตรวจจับความสามารถในการประจุไฟฟ้าบนพื้นผิวนิ้วและแผ่นเหล็กภายในเซ็นเซอร์ การตรวจสอบทำโดยการทำงานแบบคู่ขนานของพิกเซล โครงสร้างเซ็นเซอร์แบบใหม่นี้ยังทนต่อสารเคมี ทนต่อแรงกายภาพ และต้านทานไฟฟ้าในรายงานนี้ เราอธิบายสถาปัตยกรรมไมโครชิปและวิธีการตรวจสอบลายนิ้วมือในส่วนที่ 2  หลักการของพิกเซล(identifying pixel)จะอธิบายในส่วนที่ 3 และโครงสร้างอุปกรณ์ตรวจจับอยู่ในส่วนที่ 4 ผลสำเร็จของชิปและผลการทดลองอยู่ในส่วนที่ 5 และ 6

ชิปเซ็นเซอร์ เครื่องสแกนลายนิ้วมือ

ความต้องการสำหรับสถาปัตยกรรมไมโครชิปลายนิ้วมือ

สถาปัตยกรรมนี้ใช้สำหรับชิปตรวจจับภาพถ่าย โดยภาพที่1 แสดงสถาปัตยกรรมชิปในการจับภาพถ่ายทั่วไป

fingerprint-sensor-chip-1

 สำหรับสถาปัตยกรรมที่ฝังเซ็นเซอร์ในชิป ตัวเซ็นเซอร์และชุดประมวลผลที่ถูกรวมในชิปเดียวโดยวางข้างกัน ดังที่แสดงในภาพที่ 1(a) ตัวเซ็นเซอร์ใช้พื้นที่ไม่มากแต่ต้องการพิกเซลจำนวนมากเพื่อจับภาพเป็นภาพความละเอียดสูง อีกแง่หนึ่งพื้นที่ที่สัมผัสโดยตรงกับเซ็นเซอร์ ควรจะมีขนาดใหญ่พอๆกับนิ้วมือ (มากกว่า 10?10mm) เพราะเซ็นเซอร์สัมผัสลายนิ้วมือจากการที่นิ้วสัมผัสกับชิป ขณะนี้เซ็นเซอร์ลายนิ้วมือที่มีพื้นที่ขนาดเล็ก สัมผัสภาพบางส่วนของลายนิ้วมือ หลังจากสัมผัสภาพลายนิ้วมือจะถูกรวมเข้าด้วยกันเป็นภาพที่สมบูรณ์ถ้าสถาปัตยกรรมนี้จะใช้เพื่อเซ็นเซอร์ลายนิ้วมือบนชิปเดี่ยว พื้นที่ชิปควรจะเพิ่มหน่วยความจำเพื่อสร้างภาพเต็มและเก็บเศษส่วนภาพจำนวนมาก สถาปัตยกรรมสำหรับการจัดเรียง sensor-embedded-pixel ใช้การจัดเรียงพิกเซล โดยอุปกรณ์ตรวจจับและอุปกรณ์ประมวลผลจะอยู่ข้างกันในแต่ละพิเกเซล ดังที่แสดงในภาพ 1(b) สถาปัตยกรรมนี้การจัดเรียงของพิกเซลทำให้เกิดหน่วยเซ็นเซอร์และประมวลผล ภาพประมวลผลถูกวางขนานกับอุปกรณ์ประมวลผลอื่นๆ ตัวเซ็นเซอร์ภาพไม่ต้องการพื้นที่ขนาดใหญ่สำหรับอุปกรณ์ตรวจจับเพื่อทำให้การรับรู้ชัดเขนขึ้น และดังนั้นอุปกรณ์ตรวจจับจะอยู่ที่ส่วนหนึ่งของพิกเซลเท่านั้น ในทางกลับกันเซ็นเซอร์ลายนิ้วมือที่ต้องสัมผัสโดยตรงต้องการอุปกรณ์ตรวจจับขนาดใหญ่ ตัวอย่างเช่น ใหญ่กว่า 30?30 ?m2 เพราะเซ็นเซอร์สัมผัสกับความสามารถในการประจุไฟฟ้าของนิ้วมือบนอุปกรณ์ตรวจจับ และการตอบสนองทีรวดเร็วขึ้นอยู่กับขนาดแผ่นตรวจหาที่อยู่ภายในอุปกรณ์ตรวจจับ ถ้าสถาปัตยกรรมใช้สำหรับการสัมผัสลายนิ้วมือ แต่ละพิกเซลควรเพิ่มพื้นที่จนกระทั่งอุปกรณ์ตรวจจับในแต่ลิเซลจะใหญ่ขึ้น และนี่อาจเป็นสาเหตุให้เกิดการลดความหนาแน่นพิกเซลของ sensed image

ถ้าสถาปัตยกรรมนี้ใช้เซ็นเซอร์ลายนิ้วมือบนชิปเดี่ยว ลักษณะพิเศษสรุปไว้ในตารางที่ 1

table-1-1

สถาปัตยกรรมชิปของ เครื่องสแกนลายนิ้วมือไม่ต้องการแต่เซ็นเซอร์พื้นที่ขนาดใหญ่ในชิปขนาดเล็ก แต่ยังต้องการอุปกรณ์ตรวจจับที่มีขนาดใหญ่ขึ้นด้วยความหนาแน่นของภาพที่สูงกว่า ชิปที่ฝังเซ็นเซอร์ทำให้อุปกรณ์ตรวจมีขนาดใหญ่และไวต่อการกระตุ้นสูง ยังทำให้ความหนาแน่นพิกเซลของภาพลายนิ้วมือที่สัมผัสชัดเจนขึ้น  อย่างไรก็ตามการขยายพื้นที่เซ็นเซอร์อาจจะเพิ่มขนาดของชิปด้วย การจัดเรียง sensor-embedded-pixel สามารถเก็บไว้ทั้งพื้นที่เซ็นเซอร์ขนาดใหญ่และชิปขนาดเล็ก แต่การทำให้การรับรู้ชัดเจนขึ้นนั้นจากการขยายขนาดอุปกรณ์ตรวจจับ อาจจะทำให้ความหนาแน่นพิกเซลของภาพลดลง ดังนั้นสถาปัตยกรรมธรรมดานี้ไม่เหมาะสมสำหรับการรวมเซ็นเซอร์ลายนิ้วมือในชิปเดี่ยว

สถาปัตยกรรมชิปลายนิ้วมือ

สถาปัตยกรรมชิปลายนิ้วมือในปัจจุบันเสนอทุกความต้องการที่พอใจของการรวมสถาปัตยกรรมชิปเซ็นเซอร์ลายนิ้วมือในชิปเดี่ยว

fingerprint-sensor-chip-2

ใน ภาพที่ 2 แสดงแผนภาพของสถาปัตยกรรมชิป  ลักษณะนวัตกรรมการจับภาพของ เครื่องสแกนนิ้วมือ คือลายนิ้วมือได้รับการสัมผัสและตรวจสอบจากการจัดเรียงของพิเซลและเซ็นเซอร์ที่ซ้อนกันบนเครื่องตรวจสอบ(identifier) เพื่อรวมไว้ในแต่ละพิกเซล ตัวชิปประกอบขึ้นจากการจัดเรียงที่ได้รับการระบุและ embedded controller ขนาดเล็ก การจัดเรียงแถวประกอบขึ้นจากหลายๆพิกเซล แต่ละพิกเซลมีอุปกรณ์ตรวจจับและอุปกรณ์ประมวลผลและจัดการหนึ่งพิกเซลของข้อมูลภาพลายนิ้วมือ เครื่องตรวจสอบนี้ตั้งอยู่บนโครงสร้างขนานพิกเซล และตรวจสอบลายนิ้วมือจากการประมวลผลภาพของพิกเซล เซ็นเซอร์ที่ซ้อนกันเหนืออุปกรณ์ประมวลผลในแต่ละพิกเซลทำให้เกิดอุปกรณ์ตรวจจับขนาดใหญ่ในขณะที่ยังคงที่ความหนาแน่นพิกเซลของภาพที่สูงกว่า โครงสร้างขนานของพิกเซลของเครื่องพิสูจน์ทำให้เกิดพื้นที่เซ็นเซอร์ขนาดใหญ่ในชิปขนาดเล็ก ดังนั้น เหมาะกับทุกความต้องการสำหรับสถาปัตยกรรมชิปลายนิ้วมือในสถาปัตยกรรม ขนาดพิกเซลขึ้นอยู่กับขนาดอุปกรณ์ประมวลผล สำหรับเซ็นเซอร์ความหนาแน่นพิกเซลสูง อุปกรณ์ประมวลผลต้องมีขนาดเล็กและการตรวจสอบใช้พิกเซลจำนวนมาก สถาปัตยกรรมอัลกอลิทึมการพิสูจน์ลายนิ้วมือที่เหมาะสม ซึ่งใช้การรวมกันของการประมวลผลภาพธรรมดาเพื่อพิสูจน์ลายนิ้วมือ ในอีกแง่หนึ่ง การซ้อนกันของอุปกรณ์ตรวจจับเหนือวงจร ทำให้อำนาจของประจุแฝงลดลงในสถาปัตยกรรมชิปนี้ ข้อมูลลายนิ้วมือแม่แบบของผู้ใช้งานถูกเก็บไว้ในชิป การสัมผัสและการพิสูจน์มีประสิทธิภาพสมบูรณ์โดยไม่มีชิปอื่นๆ เฉพาะข้อมูลขาออกจากชิปเท่านั้นเป็นผลการพิสูจน์ ไม่มีการส่งข้อมูลลายนิ้วมือผู้ใช้งานระหว่างชิปและอุปกรณ์ภายนอกดังนั้นแม่แบบของผู้ใช้ไม่สามารถถูกแทนที่ได้ด้วยอีกอันที่แตกต่าง และภาพลายนิ้วมือของผู้ใช้งานถูกขโมยไม่ได้ ยิ่งกว่านั้น ด้วยความเร็วสูงและใช้พลังงานต่ำ การพิสูจน์ลายนิ้วมือสามารถทำสำเร็จได้

การพิสูจน์ลายนิ้วมือ

การพิสูจน์ลายนิ้วมือของ เครื่องสแกนลายนิ้วมือ ได้รับการพิสูจน์จากการประมวลผลคู่ขนานของพิกเซล เพื่อทำให้ความหนาแน่นพิกเซลของเซ็นเซอร์ชัดเจนขึ้น ขนาดของวงจรประมวลผลต้องถูกจำกัด และอัลกอลิทึมที่เหมาะสมสำหรับวงจรการประมวลขนาดใหญ่ที่ต้องการ การจัดเรียงพิกเซลนั้น เราได้รับวิธีการพิสูจน์ลายนิ้วมือที่ตั้งอยู่บนการจับคู่รูปแบบภาพที่ซีด อัลกอลิทึมนี้ใช้การประมวลผลภาพธรรมดาอย่างมาก เช่น การจับคู่รูปแบบภาพ เพื่อการพิสูจน์ลายนิ้วมือ ดังนั้นการจัดเรียงพิกเซลค่อนข้างเหมาะสม ซึ่งสามารถเก็บการประมวลผลภาพธรรมดาที่ความเร็วสูงและใช้พลังงานน้อยในอัลกอลิทึมนี้ ภาพลายนิ้วมือดั้งเดิมของผู้ใช้งานที่ถูกทำให้เบาบางลง เพื่อทำเป็นแม่แบบของผู้ใช้งาน สำหรับการพิสูจน์นั้น ลายนิ้วมือที่สัมผัสถูกเปลี่ยนเป็นภาพฐานสองเพื่อเป็นภาพขาวดำ การพิสูจน์ถูกทำให้สำเร็จโดยการจับคู่รูปแบบภาพระหว่างแบบที่ทำให้เบาบางลง และภาพลายนิ้วมือขาวดำ ถ้าอัตราส่วนการจับคู่สูงสุดของสองภาพสูงกว่าค่าเริ่มต้น แสดงว่าการพิสูจน์สำเร็จและเป็นลายนิ้วมือที่แท้จริง การใช้ภาพที่ทำให้เบาบางเป็นแม่แบบพิจารณาความผันผวนและการหมุน (สูงสุด 10 ภาพลายนิ้วมือ)

fingerprint-sensor-chip-3

ภาพที่ 3 แสดงกระบวนการสำหรับการสมัครและการพิสูจน์ลายนิ้วมือ สำหรับการสมัครนั้น เซ็นเซอร์จะสร้างภาพลายนิ้วมือผู้ใช้ และภาพถูกส่งไปยัง PC ภายนอก  โดย PC นี้ทำให้เส้นบางลง ความกว้างอยู่ที่ 1 พิกเซล และเขียนภาพที่ถูกทำให้จางลงนี้ในหน่วยความจำของเครื่องพิสูจน์เป็นแม่แบบของผู้ใช้งาน หลังจากนั้น วงจรต่อประสาน(interface circuit) ซึ่งสื่อสารกับ PC ภายนอกถูกปิดลง เครื่องพิสูจน์ไม่สามารถสร้างแม่แบบได้ เพื่อป้องกันการสมัครที่ไม่ได้รับอนุญาตของแม่แบบที่แตกต่าง และขโมยแม่แบบและ sensed image ของผู้ใช้งานไปหลังจากสมัครชิปสัมผัสและตรวจสอบลายนิ้วมือโดยลำพัง หรับการพิสูจน์ เซ็นเซอร์สร้างภาพลายนิ้วมือของผู้ใช้งานอีกครั้งเมื่อนิ้วมือสัมผัสกับชิป เครื่องพิสูจน์เปรียบภาพนั้นด้วยแม่แบบโดยใช้วิธีประมวลผลแบบขนาน(pixel-parallel processing) และการสร้างสารบัญบ่งชี้ ความใกล้ชิดของการจับคู่ถ้าสารบัญดังกล่าวเหนือกว่าระดับเริ่มต้น หรือเป็นผลบวกที่ออกมา แสดงว่าลายนิ้วมือเป็นของแท้ รายละเอียดของชิปที่ทำให้การพิสูจน์ลายนิ้วมือสำเร็จจะกล่าวต่อไปอย่างแรก sensing circuit ในแต่ละพิกเซลสัมผัสรูปร่างลายนิ้วมือและถูกทำให้เป็นข้อมูลตัวเลขฐานสอง(1-bit) สำหรับการประมวลผลดิจิตอล หลังจากนั้นวงจรประเมินผล(processing circuit) ในพิกเซลจะเปรียบเทียบข้อมูลตัวเลขฐานสองกับข้อมูลตัวเลขแม่แบบของผู้ใช้งาน embedded controller จะเก็บผลของการเปรียบเทียบจากพิกเซลทั้งหมดและประเมินอัตราส่วนการจับคู่ ซึ่งบ่งบอกจำนวนพิกเซลที่สอดคล้องกัน ในการใช้งานจริง ไม่สามารถการันตีได้ว่านิ้วมือที่กดลงไปนั้นจะอยู่ในตำแหน่งเดียวกันบนเซ็นเซอร์ทุกครั้ง ดังนั้นการจัดเรียงพิกเซล ซึ่งใช้การสื่อสารระหว่างพิกเซลข้างเคียง ย้ายภาพสัมผัส(sensed image) เพื่อยอมรับความคลาดเคลื่อนของการวางนิ้วมือ ภาพสัมผัส(sensed image) ที่ถูกย้ายทั้งหมดจากตำแหน่งที่ระบุ(เช่น แกนตามแนวนอนและแนวตั้ง จาก 20 สู่ 20 พิกเซล) และเปรียบเทียบแม่แบบที่ย้ายแต่ละอันเพื่อสร้างอันตราส่วนการจับคู่สูงสุด ตัวคบคุมแสดงผลลัพธ์การพิสูจน์ให้กับอุปกรณ์ภายนอก

Sensor เครื่องสแกนลายนิ้วมือแบบ ชิปเดี่ยว ตอนที่ 2

ที่มา :http://ai.pku.cn/aiwebsite/research.files/collected%20papers%20-%20fingerprint/A%20single-chip%20fingerprint%20sensor%20and%

20identifier.pdf

Tags: finger scan, เครื่องสแกนลายนิ้วมือ, เครื่องสแกนนิ้ว, fingerscan, Biometrics, เครื่องสแกนนิ้วมือ

 Print  Email