Article introductif 1/2, un lecteur d’empreinte digitale, comment ça marche ?

Mis à jour le 9 décembre 2022 - 0 Commentaires - , , ,

Ces derniers temps, nous avons eu l’occasion de travailler un peu sur la reconnaissance d’empreinte digitale, et nous allons publier, dans les semaines qui viennent, un article sur l’utilisation d’un lecteur d’empreinte digitale avec le Raspberry Pi.

Lors de la rédaction de cet article plus technique, il nous est apparu intéressant de rédiger deux premiers articles introductifs et plus théoriques, ceci afin de présenter à nos lecteurs les plus curieux le fonctionnement d’un lecteur d’empreinte digitale, et plus particulièrement de répondre à deux questions : comment le lecteur peut-il lire l’empreinte digitale, et comment fait-il pour savoir si deux empreintes sont similaires ?

Cet article est donc le premier de cette introduction théorique au fonctionnement d’un lecteur d’empreintes digitales et sera suivi en temps voulu par un second article traitant de la reconnaissance des empreintes, avant de faire place à un troisième et, à priori, dernier article plus technique, sur l’utilisation concrète d’un tel lecteur avec un Raspberry Pi.

Pour commencer, c’est quoi une empreinte digitale ?

Bon, à priori j’imagine que vous savez globalement ce qu’est une empreinte digitale… Mais prenons tout de même un moment pour définir quelques points.

Une empreinte digitale c’est ce motif que tous les êtres humains, sauf la reine d’Angleterre, qui comme chacun le sait est en fait un lézard reptilien mangeur d’enfant, et maladies ou mutations génétiques rares, ont au bout des doigts.

Évidemment tout le monde sait aujourd’hui que les empreintes digitales sont uniques à chaque individu (oui, même pour des jumeaux), et la chose est en fait connue depuis l’antiquité, puisqu’on retrouve des traces d’utilisation de l’empreinte digitale comme moyen de signature chez les scribes de Babylonien aux alentours de -5000 av. J.-C, et que la pratique s’est retrouvée tout au long des siècles.

Ancien sceau chinois en argile avec empreinte digitale.
Un sceau chinois avec une empreinte digitale.

Bien sûr aujourd’hui la notion d’empreinte digitale nous renvoie immédiatement à son utilisation dans le cadre de la police scientifique. En effet, depuis la fin du XIXème siècle les empreintes digitales ont été un moyen d’identification des individus dans le cadre des enquêtes de police, et ont longtemps été considérées, jusqu’à l’apparition des technologies de prélèvement, d’extraction et de séquençage de l’ADN, comme la preuve scientifique ultime de l’identité d’une personne, et potentiellement donc de son implication dans un crime ou délit.

Pour aller un peu plus loin et afin de pouvoir nous servir de ces termes par la suite, prenons encore un peu de temps pour décrire une empreinte digitale.

Une empreinte digitale est constituée de sillons, avec un partie creuse, la vallée, et une partie haute, la crête. Ces sillons sont généralement (95% des cas), arrangés selon 3 motifs distincts, la boucle (~60% des cas), la spirale (~30% des cas) et l’arche (~5% des cas). Un individu peut avoir 1, 2, 3, et parfois plus motifs répartis entre ses (normalement) 10 doigts.

3 exemples d'empreintes digitales, une de chaque type.
Les différents types d’empreintes.

Ces premiers points sur les empreintes digitales étant définis (nous aborderons certains points plus poussés quand nous nous intéresserons à la reconnaissance des empreintes), nous pouvons passer à la première question technique qui nous intéresse, le fonctionnement d’un lecteur d’empreinte digitale !

C’est quoi un lecteur d’empreinte digitale ?

Pour commencer, prenons quelques paragraphes pour expliquer ce qu’est un lecteur d’empreinte digitale et comment ça fonctionne.

Vision hollywoodienne du lecteur d'empreintes.
Hollywood est formel, un lecteur d’empreinte ça lis toujours toute la main, c’est toujours bleu, sauf quand c’est rouge, ça laisse l’image de la main après, et si possible ça fait des bruits de type rigolos et appartenant à la sous-catégorie dite du bip bip.

Un lecteur d’empreinte digitale, comme son nom l’indique, est un appareil électronique visant à lire, à capturer, une empreinte digitale. Concrètement, le rôle minimum de cet appareil est donc de retranscrire dans un format numérique lisible par un ordinateur, une empreinte digitale physique, c’est-à-dire de reproduire les crêtes et les vallées d’une empreinte.

Généralement ces modules proposent, en plus de la fonction d’acquisition décrite précédemment, d’autres fonctions telles que le traitement de l’image, le stockage des empreintes et, bien sûr, la comparaison d’empreintes digitales. Nous reviendrons sur ces différentes fonctions plus en détails plus tard.

Comment un lecteur d’empreinte digitale fonctionne-t-il et quelles sont les différentes technologies employées ?

Du point de vue technique, les lecteurs d’empreintes digitales visent tous, dans un premier temps, à générer une image (généralement en noir et blanc ou en nuances de gris) d’une empreinte digitale.

Si tous les lecteurs d’empreintes cherchent à générer une image, ils emploient en revanche pour cela des techniques différentes, qui ont toutes pour point commun de chercher à détecter les crêtes et les vallées de l’empreinte digitale afin de transformer le résultat final en une image.

Pour obtenir ce résultat, on peut distinguer au moins 5 grandes catégories de lecteurs.

Les lecteurs optiques

Les lecteurs optiques utilisent un système de caméra et d’éclairage pour prendre une photo de l’empreinte. La technique est finalement très semblable à ce que vous pouvez faire quand vous regardez vous-même vos empreintes.

Lecteur optique d'empreintes digitales.
Émission de lumière, vitre sur laquelle poser le doigt, ici on a typiquement affaire à un lecteur optique.

Grâce aux ombres et aux différences de couleurs entre les crêtes et les vallées de votre empreinte, particulièrement mises en contraste par un éclairage généralement à 45°, l’image capturée peut ensuite être analysée pour en extraire les motifs de votre empreinte.

C’est une technologie relativement historique et c’est probablement l’image que la plupart d’entre nous se faisait du lecteur d’empreinte (en dehors du cliché hollywoodien de la main bleu ou rouge sur un écran de contrôle holographique), avant que la technologie ne débarque dans nos smartphones.

C’est ce type de lecteur que nous utiliserons avec le Raspberry Pi, et plus précisément ce lecteur ci.

Les lecteurs capacitifs passifs

Les lecteurs capacitifs (passifs) utilisent la différence de capacité électrique entre la peau et l’air. La surface de ces lecteurs et composée de centaines ou de milliers de petites cellules électroniques capables de détecter la différence de capacité électrique des matériaux à leur contact. Quand vous pressez votre doigt contre la surface votre peau est en contact direct avec celle-ci sur les crêtes de votre empreinte, mais dans les vallées une fine couche d’air isole votre peau de la surface. En détectant la capacité de chaque cellule, le capteur peur alors reformer une image des sillons de votre empreinte !

Lecteur d'empreinte capacitif sur un téléphone.
Les lecteurs à l’arrière des téléphones sont typiquement des lecteurs capacitifs passifs.

C’est cette technologie qui est aujourd’hui massivement employée dans nos portables, ou sur les lecteurs de nos ordinateurs, tablettes, ou les systèmes de double authentification, car c’est la technologie qui offre la meilleure capacité de miniaturisation (au passage, n’hésitez pas à lire notre article sur les limites de la miniaturisation).

Les lecteurs à champs électriques, aussi appelés capacitifs actifs.

Ces lecteurs sont relativement comparables aux lecteurs capacitifs passifs, mais utilisent à la place un champs électrique qui parcours les couches internes de la peau, lesquelles présentent des conductances électriques variables, entraînant des variations dans le champs électrique des crêtes et des vallées de l’empreinte. Là encore des cellules capables de mesurer ces différences de champs forment la surface du capteur et permettent de retranscrire l’emprunte.

Ici on a visiblement affaire à un lecteur capacitif actif, avec la barre conductrice métallique en bas du capteur.

Cette technologie est aujourd’hui moins utilisée, car plus complexe et contraignante à mettre en œuvre que les lecteurs capacitifs passifs pour un résultat finalement assez proche. Même s’ils peuvent sembler assez semblables aux lecteurs passifs, il est possible de reconnaître ces lecteurs car il est nécessaire lors de leur utilisation de toucher un point conducteur (le plus souvent une barre en métal en bas du lecteur) qui est chargée de transmettre le champs électriques dans le doigt.

Globalement les lecteurs capacitifs passifs semblent donc être une bien meilleure alternative.

Les lecteurs thermiques

Probablement mes lecteurs préférés, sur le papier, parce que je trouve leur fonctionnement drôle et improbable. Bonus, j’ai découvert en écrivant cet article que cette technologie a été inventée par un français, Jean-François Mainguet, lequel a un super site sur le sujet !

Ces lecteurs utilisent des matériaux pyroélectriques, c’est à dire qui ont la capacité d’émettre un faible courant lorsque leur température varie, pour détecter des changements de température. Comme pour les lecteurs capacitifs passifs, une fine couche d’air est piégée entre votre peau et la surface du lecteur quand vous pressez votre doigt à sa surface. L’air étant un très bon isolant thermique, la température à surface du lecteur va donc changer beaucoup plus rapidement là ou votre peau touche directement le lecteur (les crêtes de l’empreinte), et plus lentement là ou ils ne sont pas en contact (les vallées). Grâce aux nombreuses cellules pyroélectriques, le capteur peur alors reformer votre empreinte !

Lecteur d'empreinte thermique du thinkpad.
Le lecteur d’empreinte par balaiement des Thinkpad était probablement un capteur thermique.

Même si je trouve leur fonctionnement très amusant, ces lecteurs tendent aujourd’hui fortement à disparaître car jugés peu pratiques. En premier lieu le temps de détection de l’empreinte est assez court, car la température à la surface du lecteur va rapidement atteindre un équilibre, ne permettant plus de détecter l’empreinte. Ensuite, parce qu’en raison des coûts de fabrication ces lecteurs ont souvent été construits sous forme de barres nécessitant de faire glisser le doigt pour lire l’empreinte, ce qui est considéré comme moins pratique.

À noter quand même que ces lecteurs offrent l’avantage d’être relativement petits tout en étant très simples à intégrer dans un produit à la construction moins millimétrée que celle d’un smartphone.

Les lecteurs à ultra-sons

Dernière technologie à présenter, les lecteurs à ultra-sons, qui utilisent la différence de résistance au passage des sons (impédance acoustique) entre les crêtes de l’empreinte, qui touchent directement le capteur, et les vallées qui sont séparées par notre éternelle couche d’air.

Là encore, la surface du capteur est constituée de nombreuses cellules qui vont à la fois jouer le rôle d’émetteur et de capteurs des ultrasons, permettant pour chaque cellule de détecter la distance entre sa surface et l’objet le plus proche, ce qui lui permet donc de détecter les vallées et les crêtes de notre empreinte.

Capteur d'empreinte à ultrasons
L’arrivée des lecteurs d’empreintes digitales sous les écrans des appareils donne un élan nouveau aux lecteurs à ultrasons.

Si ces capteurs sont historiquement beaucoup plus chers à produire, les avancées récentes dans le domaine de la micro-électronique des ultra-sons, notamment portées par les recherches médicales, a largement réduit les coûts de ces technologies. Aujourd’hui cette technologie qui a longtemps été considérée comme trop chère et moins intéressante que les capteurs capacitifs passifs revient en force, notamment avec l’apparition de capteurs d’empreintes situés sous les écrans des téléphones.

Les techniques varient, mais tout fini en images !

Après ce petit tour d’horizon des différentes technologies disponibles, vous pouvez constater que si les techniques varient, le résultat final est lui toujours le même, une image, généralement en nuances de gris, de l’empreinte digitale d’origine. Mais maintenant il s’agit de savoir quoi en faire…

Cela tombe bien, ce sera justement le sujet du prochain article de cette série qui sortira dans quelques semaines et qui traitera de l’analyse, de la comparaison et de la recherche des empreintes digitales ! Alors abonnez-vous à la newsletter pour ne pas rater la suite, et à dans quelques semaines !

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