Биометрическая идентификация по отпечатку пальца. Дактилоскопия - это способ идентификации человека по отпечаткам пальцев
Поиск преступников и установление их причастности к тем или иным криминальным деяниям является первоочередной задачей полицейских отделений всех стран мира. В качестве неоспоримого доказательства вины подозреваемого используются отпечатки пальцев, так называемый папиллярный узор. Как известно, вероятность встретить людей с одинаковыми линиями просто ничтожна. Но откуда мы это знаем? В этом нам помогает специальная научная дисциплина - дактилоскопия. Это тот самый раздел криминалистики, который в наше время считается основным и наиболее важным для изучения. Именно о нем и пойдет сегодня наш разговор.
Что такое дактилоскопия?
Современную криминалистику довольно сложно представить без данной науки, а еще сложнее понять, каким образом вели расследование преступлений полицейские восемнадцатых-девятнадцатых веков, не имея базы отпечатков пальцев. Ведь дактилоскопия - это методика опознавания личности человека, при которой используется индивидуальность оттисков его пальцев и ладоней.
В настоящий момент именно на этом методе базируется криминалистика, все дактилоскопические лаборатории мира работают по идентичной технологии. Хотя можно сказать, что данная наука - одна из самых молодых и малоизученных. Да-да, метод, на который ссылаются во всех судах, относится к научно не проверенным. Как такое могло получиться? Сейчас мы вам все подробно расскажем.
История возникновения дактилоскопии
На самом деле люди всегда имели представление о том, что узоры на подушечках пальцев являются разными у каждого человека. Этому придавали мистическое значение и использовали в своих целях в Вавилоне и Китае. Считалось, что если человек поставит отпечаток пальца под каким-либо документом, то он просто обязан выполнить условия договора. Хотя классифицировать папиллярный узор тогда никому еще не приходило в голову.
Многие считают основателем дактилоскопии англичанина Уильяма Гершеля. В конце девятнадцатого века он работал в Индии и постоянно сталкивался со случаями мошенничества при оформлении финансовых бумаг. Дело в том, что индийцы в своем большинстве были безграмотными людьми и ставили под договорами просто закорючку. При этом они не считали себя обязанными выполнять свои обязательства. Поэтому Гершель, вспомнив про мистическое значение оттисков рук для индийцев, ввел условие оставления отпечатка под договором. Удивительно, но метод сработал, и Гершель получил стопроцентное соблюдение правил и условий, указанных в документе. За время своей работы англичанин заметил, что каждый отпечаток отличается от другого и нет двух одинаковых.
С помощью тех же отпечатков Уильям избавил себя от постоянных недостач при выплате заработной платы солдатам, которые отправляли за деньгами еще и своих родственников и таким образом получали двойную, а то и тройную заработную плату. После того как Гершель приказал им оставлять в ведомости отпечатки пальцев, ситуация вошла в нормальное русло. Все это очень заинтересовало англичанина, который начал серьезно изучать различные оттиски рук. Чем большая база у него накапливалась, тем более он убеждался, насколько индивидуальны узоры на руках человека.
Пытливый англичанин даже снял отпечатки у преступников в местной тюрьме и навел там порядок. Ведь ранее многие правонарушения оставались безнаказанными из-за неумения европейцев различать индийцев по лицам. Как только в процессе расследования стали обращать внимание на отпечатки пальцев, проблема решилась сама собой. Можно сказать, что дактилоскопия родилась именно в этот момент.
Развитие дактилоскопии
Справедливости ради стоит сказать, что не только Гершель взялся изучать отпечатки пальцев различных людей. Параллельно ему над этим новым методом работало еще несколько человек. Например, один из талантливых шотландских врачей Г. Фолдс совершенно случайно заметил отпечатки пальцев на глиняных изделиях японских мастеров. Он заинтересовался этими рисунками и задался целью узнать, насколько они разнообразны и могут ли меняться в течение жизни. Он брал отпечатки у своих пациентов, слуг и просто знакомых. К его огромному удивлению, они никогда не повторялись. К тому же идеально совпадали со следами, оставленными на стекле или любой другой полированной поверхности. Данные наблюдения даже вдохновили его на научную статью, которая, впрочем, не привлекла внимание общественности.
Не последняя роль в развитии дактилоскопии принадлежит полисмену Бертильону. Он приказал своим сотрудникам снимать отпечатки пальцев у всех задержанных и подозреваемых лиц. В итоге у него собралась обширная картотека, которая помогла в раскрытии многих преступлений. Это был первый случай в истории, когда дактилоскопия в криминалистике показала себя как оправданный и полезный метод идентификации личности.
Классификация папиллярных узоров
Со временем базы отпечатков пальцев, взятых в качестве эксперимента, накопились во многих полицейских участках, но вот как их классифицировать, не знал никто. В девяностых годах девятнадцатого века брат Чарлза Дарвина попробовал объединить все известные разработки различных людей и классифицировать узоры на пальцах. Фрэнсис Гальтон применил в своих исследованиях основы высшей математики и сумел вывести, что вероятность совпадения папиллярных узоров составляет один шанс на шестьдесят четыре миллиарда. Это была просто невероятная цифра по тем временам.
Классификация Гальтона имела некоторые недостатки, но все же явилась первой серьезной научной работой на данную тему. Исследователь выделил четыре вида папиллярных линий:
- с треугольниками;
- без треугольника;
- треугольник справа;
- треугольник слева.
Картотека, собранная в результате этой классификации, наполнялась неравномерно. Поэтому требовался новый, более эффективный способ, который мог бы использоваться в полиции. На основе своих трудов Гальтон выпустил целую книгу, где честно указал всех людей, наработки которых он использовал.
Эдвард Генри, служащий в индийской полиции, воспользовавшись книгой Гальтона, создал свою собственную систему классификации отпечатков пальцев, которую и использует современная дактилоскопия. Это было огромным прорывом в науке и криминалистике. Разработки Генри послужили основой для работы полисменов в Британской Индии и сразу же в несколько раз повысили эффективность и результативность столь нелегкого дела, как расследование преступлений.
Генри разделил узоры на следующие типы:
- дуги (простые и пихтообразные);
- петли (радиальные и ульнарные);
- завихрения.
К тому же Генри выделил дельту, названную Гальтоном треугольником, и разделил данный узор на несколько подвидов. Исследователь вывел ряд формул, благодаря которым можно было эффективно и максимально точно опознавать человека по отпечаткам пальцев.
Первое применение новой методики в криминалистике
Впервые дактилоскопия была применена в судебном процессе над братьями Стрэттонами. Их обвиняли в двойном убийстве, и основным доказательством служил кровавый отпечаток одного пальца. Проверив совпадения, полицейские вывели схожесть по одиннадцати пунктам. Этого оказалось вполне достаточно, чтобы осужденных приговорить к повешению. Удивительно, но судья был категорически не согласен с данным решением, хотя и вынужден был согласиться с присяжными заседателями.
Применение данной методики в судебных процессах в качестве доказательной базы вызвало шквал общественной критики. В первую очередь разоблачительную статью опубликовал Фолдс, тот самый врач, работавший над изучением отпечатков пальцев. Дело в том, что Фолдс ссылался на некоторую "сыроватость" метода. Он пытался объяснить, что у многих людей узоры на пальцах бывают довольно схожи, и различия выражаются всего лишь в нескольких папиллярных линиях. Эти различия можно увидеть, только сняв отпечатки в лабораторных условиях. В противном случае эксперты могут допустить ошибку.
К тому же Фолдса пугало, что достоверность метода не подвергалась абсолютно никаким сомнениям. Повсеместно судьи, присяжные, полицейские и адвокаты утверждали, что дактилоскопия - это единственная наука, гарантирующая стопроцентно верный результат. Никому не приходило в голову изучать науку, а технологией весьма неаккуратно пользовались довольно безграмотные на тот момент полицейские. Тем не менее криминалистика уже осознала удобство нового метода, и он стал использоваться во всем мире.
На чем же в реальности основывается дактилоскопия? Почему в этом методе так уверены абсолютно все люди на планете? Давайте попробуем разобраться в этом.
На самом деле серьезных научных работ по отпечаткам пальцев не так уж и много. Каково научное обоснование дактилоскопии? Специалисты насчитывают их всего два:
- ни в одной базе и картотеке пока еще не встретились одинаковые отпечатки пальцев, даже компьютерная программа не находит подобных совпадений;
- узоры на пальцах однояйцевых близнецов не являются идентичными.
Этих двух фактов оказалось достаточно, чтобы превратить дактилоскопию в точную науку. На самом деле с течением времени у специалистов возникает к ней все больше вопросов. К примеру, двадцать лет назад агент ФБР разослал во все американские лаборатории письма с отпечатками пальца с места преступления и оттиски рук подозреваемого. Каково же было его удивление, когда лаборатории дали абсолютно разные результаты. Это существенно пошатнуло веру в дактилоскопию.
Недавно были опубликованы сведения о том, что в течение жизни отпечатки пальцев могут измениться. Ранее таких фактов у криминалистов не было, поэтому в настоящий момент есть все предпосылки к тому, чтобы не принимать результаты дактилоскопии за стопроцентное доказательство вины подозреваемого.
Можно ли обмануть природу?
Как только дактилоскопия стала использоваться повсеместно, бандиты задумались о возможности обмануть природу, в частности изменить отпечатки пальцев. Первыми попытались сделать это в тридцатые годы прошлого века американские гангстеры. Члены одной из банд с помощью хирурга срезали кожу с пальцев и надеялись, что полностью избавились от прошлых отпечатков. Но спустя некоторое время раны затянулись, а прежние рисунки проявились вновь.
Дальше пошел Джон Диллинджер. Этот знаменитый во всех штатах гангстер сжег свою кожу кислотой, сделав подушечки пальцев абсолютно гладкими. Этот метод тоже оказался неэффективным - через пару месяцев на пальцах стали проступать папиллярные линии.
В тридцать четвертом году прошлого века агенты ФБР столкнулись с новой попыткой избежать возмездия за свои преступления. Полиция нашла труп известного гангстера, но проведенная дактилоскопия рук свидетельствовала, что перед ними совсем иная личность. Вызванные агенты осмотрели руки убитого и нашли на них многочисленные мелкие порезы. Как оказалось, шрамированием преступник пытался запутать следствие. Но даже такой радикальный метод не принес желаемого результата, в дальнейшем было доказано, что поверх порезов папиллярные линии вновь проступят через какое-то время.
После этих безрезультатных попыток обмануть природу преступники перестали проводить радикальные эксперименты над своими руками.
Что используется при выявлении отпечатков пальцев на месте преступления?
В современной криминалистике используется несколько методов определения отпечатков пальцев. Чаще всего эксперты применяют следующие вспомогательные средства:
- дактилоскопический порошок;
- флуоресцентный порошок;
- йодные пары.
Конечно, есть и другие, в настоящий момент известно более двенадцати средств, позволяющих снять отпечатки с разных поверхностей. Именно от них зависит выбор технологии экспертом.
Где хранятся отпечатки пальцев?
Криминалистам хорошо известен такой термин, как "дактилоскопическая карта". Именно эти карты составляют основу базы данных папиллярных узоров. Обычно в ней указываются личные данные подозреваемого и отпечатки каждого пальца вместе с ладонями. Каждый оттиск должен быть предельно ясным и понятным, на обратной стороне указывается уголовная статья, по которой выносится обвинение.
Дактилоскопическая карта должна также содержать дату проведения процедуры и данные лица, которое берет оттиски.
Дактилоскопическая экспертиза: подробности
Назначение дактилоскопической экспертизы находится в ведении следователей. Согласно законодательству, они могут брать у подозреваемых отпечатки пальцев и образцы почерка. Все эти действия проводятся в интересах следствия с целью выявления личности человека.
Прохождение дактилоскопии - процесс довольно простой и незатейливый. На чистые и сухие руки с помощью валика наносится типографская краска. Далее следователь будто прокатывает подушечки пальцев по дактилоскопической карте, после получения всех отпечатков краску можно смыть теплой водой с мылом. Сейчас в крупных городах становится довольно распространенным снимать отпечатки пальцев с помощью современных технических средств. Специальный прибор сканирует подушечки пальцев и сразу создает электронную дактилоскопическую карту в базе данных. При этом исключаются мелкие неточности и погрешности.
Всеобщая дактилоскопия: миф или реальность
В последние годы в СМИ то и дело встречается информация о всеобщей дактилоскопии. Эта идея периодически возникает в умах правительств разных стран. Причем впервые данная мысль возникла в девятнадцатом веке в Англии и до сих пор не осуществилась ни в одной стране мира. Ведь данное предложение вызывает много споров у простых граждан. С одной стороны, расследовать преступления станет легче, а с другой, это нарушает личные права человека. В конечном итоге всеобщая дактилоскопия остается всего лишь возможным методом из множества других, позволяющим в случае применения снизить уровень мировой преступности.
Сколько вам приходится держать в голове различных паролей - два, три, а может быть больше? А что будет, если вы забудете пароль? Использовать много паролей, как минимум, неудобно. А один во всех приложениях - небезопасно. Конечно, можно частично решить проблему, если использовать систему на картах (бесконтактных, смарт или iButton). Но ведь карту можно потерять, ее могут украсть, а код, набираемый на клавиатуре, могут подсмотреть или подобрать. Широко используемые сегодня методы лишь частично решают проблему защиты от несанкционированного доступа в помещение или к компьютерной информации. Единственным бесспорно надежным и удобным идентификатором может быть только сам пользователь, его уникальные биометрические признаки - форма конечностей, отпечатки пальцев, лицо, глаза, голос и т.д. За биометрией, безусловно, будущее. И при том, не такое уж и далекое.
Лидер среди биометрических систем идентификации
По оценкам западных экспертов 80% рынка биометрии сегодня занимают устройства идентификации по отпечаткам пальцев (рис. 1). Чем это вызвано?
Рис. 1.
Бесспорное
лидерство систем идентификации по отпечаткам
пальцев.
Во-первых, это один самых доступных и недорогих методов, получивший широкое применение еще до появления компьютеров и телевидения. Сегодня стоимость некоторых систем идентификации по отпечаткам пальцев уже перевалила планку в 100 долларов, притом, что стоимость устройств на основе других технологий колеблется в районе 1000 долларов.
Во-вторых, методика идентификации по отпечаткам пальцев проста в использовании, удобна и лишена психологических барьеров, которые есть, например, у систем, требующих воздействия на глаз световым пучком.
Кроме того, не последнюю роль сыграл тот факт, что многие более поздние методики идентификации защищены патентом. Например, фирма IriScan является владельцем эксклюзивных прав на технологию идентификации по радужной оболочке глаза. А методы дактилоскопии были известны человечеству с незапамятных времен и интенсивно использовались и используются в криминалистике.
Три подхода
На сегодняшний день известны три основных подхода к реализации систем идентификации по отпечаткам пальцев.
Опишем их в порядке появления. Самый ранний и самый распространенный на сегодня способ строится на использовании оптики - призмы и нескольких линз со встроенным источником света. Строение такой системы показано на рисунке 2.
Рис. 2.
Функциональная схема системы FIU фирмы
SONY.
Свет, падающий на призму, отражается от поверхности, соприкасаемой с пальцем пользователя, и выходит через другую сторону призмы, попадая на оптический сенсор (обычно, монохромная видеокамера на основе ПЗС-матрицы), где формируется изображение.
Кроме оптической системы в рассматриваемой модели фирмы SONY есть встроенный процессор (Hitachi H8 с флеш-памятью 4 Мбайта на 1000 пользователей), ОЗУ для внутренней обработки данных и система шифрования стандарта DES.
Недостатки подобной системы очевидны. Отражение сильно зависит от параметров кожи - сухости, присутствия масла, бензина, других химических элементов. Например, у людей с сухой кожей наблюдается эффект размытия изображения. Как результат - высокая доля ложных срабатываний.
Альтернативный способ использует методику измерения электрического поля пальца с использование полупроводниковой пластины. Когда пользователь устанавливает палец в сенсор, он выступает в качестве одной из пластин конденсатора (рис. 3). Другая пластина конденсатора - это поверхность сенсора, которая состоит из кремниевого чипа, содержащего 90 000 конденсаторных пластин с шагом считывания 500-dpi. В результате получается 8-битовое растровое изображение гребней и впадин пальца.
Рис. 3.
Система
идентификации на основе полупроводниковой
пластины.
Естественно, в данном случае жировой баланс кожи и степень чистоты рук пользователя не играет никакой роли. Кроме того, в этом случае получается гораздо более компактная система.
Если говорить о недостатках метода, то кремниевый чип требует эксплуатации в герметичной оболочке, а дополнительные покрытия уменьшают чувствительность системы. Кроме того, некоторое влияние на изображение может оказать сильное внешнее электромагнитное излучение.
Существует еще один метод реализации систем. Его разработала компания "Who? Vision Systems". В основе их системы TactileSense - электрооптический полимер. Этот материал чувствителен к разности электрического поля между гребнями и впадинами кожи. Градиент электрического поля конвертируется в оптическое изображение высокого разрешения, которое затем переводится в цифровой формат, который в свою очередь уже можно передавать в ПК по параллельному порту или USB интерфейсу. Метод также нечувствителен к состоянию кожу и степени ее загрязнения, в том числе и химического. Вместе с тем считывающее устройство имеет миниатюрные размеры и может быть встроено, например, в компьютерную клавиатуру. По утверждению производителей, система имеет колоссально низкую себестоимость (на уровне нескольких десятков долларов).
Таблица 1. Различных технологические реализации систем идентификации по отпечаткам пальцев
| Свойства | Оптическая система | Полупроводниковая технология | Электрооптический полимер |
| Небольшие размеры | нет | да | да |
| Восприимчивость к сухой коже | нет | да | да |
| Прочность поверхности | средняя | низкая | высокая |
| Энергопотребление | среднее | низкое | низкое |
| Цена | средняя | высокая | низкая |
В самом простом случае, при обработке изображения на нем выделяются характерные точки (например, координаты конца или раздвоения папиллярных линий, места соединения витков). Можно выделить до 70 таких точек и каждую из них охарактеризовать двумя, тремя или даже большим числом параметров. В результате можно получить от отпечатка до пятисот значений различных характеристик.
Более сложные алгоритмы обработки соединяют характерные точки изображения векторами и описывают их свойства и взаимоположение (см. рис. 4). Как правило, набор данных, получаемых с отпечатка, занимает до 1 Кбайта.
 |
 |
Алгоритм обработки позволяет хранить не само изображение, а его "образ" (набор характерных данных).
Интересный вопрос - почему в архиве хранятся не сами изображения отпечатков пальцев, а лишь некие параметры, полученные путем различных методов обработки изображения. Ответ - ограниченные ресурсы. Объем каждого снимка не такой уж маленький и когда речь идет о базе пользователей в несколько тысяч человек, время загрузки и сравнения только что полученного отпечатка с хранимыми в базе может занять слишком много времени. И вторая причина - конфиденциальность. Пользователям нравится анонимность, они не хотят, чтобы отпечатки пальцев были без их согласия переданы правоохранительным органам или просто похищены злоумышленниками. Поэтому производители зачастую специально используют нестандартные методы обработки и хранения полученных данных.
Из соображений безопасности ряд производителей (SONY, Digital Persona и др.) используют при передаче данных средства шифрования. Например, в системе U are U фирмы "Digital Persona" применяется 128 битный ключ, и, кроме того, все пересылаемые пакеты имеют временную отметку, что исключает возможность их повторной передачи.
Хранение данных и сравнение при идентификации, как правило, происходит в компьютере. Практически каждый производитель аппаратной части вместе с системой поставляет и уникальное программное обеспечение, адаптированное, чаще всего, под Windows NT. Т.к. большинство систем предназначено для контроля доступа к компьютерной информации и ориентировано в первую очередь на рядового пользователя, ПО отличается простотой и не требует специальной настройки.
Типовые решения для защиты ПК от НСД
Способы подключения считывателей папиллярного узора к ПК достаточно разнообразны. Многое зависит от подходов производителя и от стоимости систем. Например, система FIU (Fingerprint Identification Unit) фирмы SONY - это готовый комплекс. В выносном блоке расположен не только сканер, но и устройство первичной обработки информации и шифрования передаваемых данных. FIU подключается напрямую к последовательному порту ПК. Менее дорогие считыватели, как правило, требуют использования дополнительных аппаратных средств. Например, система SACcat фирмы "SAC technologes" подключается к ПК через карту видеозахвата с разъемом ISA. Модуль видеозахвата вставляется в корпус компьютера. Аналогичный прибор фирмы "Key Tronic" тоже использует плату видеозахвата, но помещенную в отдельный корпус, что позволяет использовать систему с ноутбуками.
Считыватели могут быть выполнены как в виде отдельного устройства, так и встроены в клавиатуру. Такие изделия выпускают компании "National Registry", "Who? Vision Systems", "Digital Persona" и т.д.
Практически все аппараты получают электропитание от внешнего источника переменного тока.
Фото 1.
Система
SACcat позволяет контролировать доступ к компьютерной
информации.
Таблица 2. Сравнительные характеристики ряда устройств защиты от НСД к компьютерной информации, использующих методы идентификации по отпечаткам пальцев
| Характеристика * | U.are.U фирмы "Digital Persona" | FIO фирмы SONY и I/O Software | BioMouse фирмы ABC |
| Ошибка первого рода ** | 3% | 1% | - |
| Ошибка второго рода *** | 0,01% | 0,1% | 0,2% |
| Время регистрации | - | <1 сек | 20 - 30 сек |
| Время идентификации | <1 сек | 0,3 сек | <1 сек |
| Наличие внешнего устройства захвата | нет | нет | нет |
| Шифрование | да | да | да |
| Способность хранить данные | нет | да | нет |
| Источник питания | USB | внешний | внешний |
| Подключение | USB | последовательный порт | параллельный порт |
| Цена вместе с программным обеспечением | 200 | 650 | 300 |
** Ошибка первого рода (false reject rate) - вероятность того, что зарегистрированному пользователю будет отказано в допуске.
*** Ошибка второго рода (false acceptance rate) - вероятность, с которой система разрешает допуск незарегистрированного пользователя.
Типовые решения для защиты помещений от НСД
Устройства для контроля доступа в помещения более громоздки, чем компьютерные считыватели. Во-первых, нет необходимости экономить место на рабочем столе. Во-вторых, считыватели должны быть автономны, поэтому кроме сканера в один корпус помещают устройство принятия решения и хранения информации, клавиатуру (для увеличения степени защищенности) и жидкокристаллический дисплей (для удобства настройки и эксплуатации). При необходимости к системе может быть подключен считыватель карт (смарт, магнитных и т.д.). Существуют и более экзотические модели. Например, фирма SONY поместила в корпус прибора динамик, а фирма "Mytec" считает, что будущее за интеграцией биометрии и таблеток iButton.
Кроме того, устройства для защиты помещений от НСД должны обеспечивать простое подключение электрозамков и датчиков сигнализации. Они должны легко объединяться в сеть (наличие интерфейсов RS-485). Например, если объект имеет несколько входов, то все устройства нужно объединить в сеть, чтобы была единая база. Число пользователей системы в этом случае резко возрастает (до 50 000 в системе Finger Scan).
Во всех присутствующих на этом сегменте рынка приборах используется только оптика. Новые технологии крайне медленно внедряются в охранные системы.
Все представленные аппараты предназначены для работы только внутри помещения. Поверхность сканера должна быть чистой, поэтому априори исключаются запыленные склады, бензоколонки и т.д. Наиболее частое применение - банковские системы (доступ к сейфам, хранилищам ценностей), контроль доступа в различные клубы и загородные резиденции, системы электронной коммерции.
Фото 2.
Система
Veriprint 2000 позволяет контролировать доступ в
помещения.
Таблица 3. Сравнительные характеристики ряда устройств защиты от НСД в помещения, использующих методы идентификации по отпечаткам пальцев.
| Характеристика | Finger Scan фирмы "Identix" | Veriprint 2100 фирмы "Biometric ID" |
| Ошибка первого рода | 1% | 0,01% |
| Ошибка второго рода | 0,0001% | 0,01% |
| Время регистрации | 25 сек | <5 сек |
| Время идентификации | 1 сек | 1 сек |
| Интерфейс | RS232, RS485, TTL, вх/вых сигнализации | RS232, RS485, TTL |
| Макс. число пользователей | 50 000 (сетевая версия) | 8 000 |
| Флэш-память | 512 кВ или 1,5 МВ | 2 МВ или 8 МВ |
| Дополнение | ЖК-дисплей, клавиатура | ЖК-дисплей, клавиатура |
В самое ближайшее время стоит ожидать удешевления систем идентификации по отпечаткам пальцев и, как следствие, их более широкое распространение. Скорее всего, именно благодаря своей уже сейчас относительно невысокой стоимости, доступности и простоте в эксплуатации подобные системы будут прилагаться в комплекте с компьютерным оборудованием.
Биометрические считыватели идеально подходят для построения быстрых и удобных систем разграничения доступа к информации, для систем электронной торговли и Интернет-сайтам. И хотя современное оборудование не полностью отвечает всем требованиям, цена еще достаточно велика, да и надежность не всегда соответствует декларируемой (это, например, показано в тестовом исследовании журнала Network Computing), ряд производителей компьютерного оборудования уже сейчас интегрирует биометрию в свои системы. Об этом, например, заявила на прошедшей выставке CeBIT-99 фирма Compaq.
Опыт показывает, что резкий всплеск интереса со стороны компьютерных компаний, как правило, приводит к увеличению инвестиций в научные исследования и, как следствие, к появлению новых более универсальных технических решений.
Никулин Олег Юрьевич
Ольга ГУРЕЕВА
Введение
В Древнем Вавилоне и Китае отпечатки пальцев использовались как способ аутентификации человека. Отпечатками пальцев «подписывали» различные государственные документы, их оттиски оставляли на глиняных табличках и печатях.
В конце XIX века отпечатки пальцев стали использоваться в криминалистике. Появились первые алгоритмы сравнения отпечатков пальцев по различным участкам папиллярного узора. Более чем за сто лет использования данной технологии в целях идентификации ни разу не возникло ситуации, когда нашлись бы два человека с абсолютно одинаковыми отпечатками пальцев. Тем не менее, следует заметить, что научного доказательства уникальности папиллярного узора пальца человека до сих пор нет. Уникальность отпечатков пальцев - это эмпирическое наблюдение, и недоказанность гипотезы в данном случае объясняется исключительной сложностью ее доказательства.
Сегодня, в связи с развитием электронных технологий, идентификация по отпечаткам пальцев стала использоваться не только в криминалистике, но и в самых различных областях, требующих эффективного обеспечения безопасности. В первую очередь, такими областями стали:
Системы управления доступом;
Информационная безопасность (доступ в сеть, к персональному компьютеру, мобильному телефону);
Учет рабочего времени и регистрация посетителей;
Биометрическая идентификация по отпечаткам пальцев.
Технология FingerChip
По данным американской консалтинговой компании International Biometric Group, объем рынка биометрических систем в период с 2006 по 2010 вырастет вдвое, а годовой оборот составит $5,74 млрд. Главным фактором здесь является стремительный рост продаж портативных электронных устройств, в которых для авторизации пользователей применяется идентификация по отпечаткам пальцев. Увеличение спроса на биометрические системы связано также с повышенным вниманием, которое уделяется сегодня государственными структурами и частными компаниями вопросам безопасности.
В данной статье рассматривается различные технологии электронного сканирования отпечатков пальцев, в том числе технология температурного сканирования FingerChip компании Atmel.
Проведение электронных платежей;
Различные социальные проекты, где требуется аутентификация;
Государственные проекты (пересечение государственных границ, выдача виз, контроль пассажиропотока при воздушных перевозках).
Основной целью удостоверения личности с целью обеспечения безопасности является уникальная идентификация личности, то есть подтверждение того, что человек является тем, за кого себя выдает. Аутентификация должна быть достоверной, недорогой, быстрой и ненасильственной. Перечисленным требованиям соответствует технология биометрической идентификации, основанная на сканировании отпечатков пальцев.
Сканирование отпечатков пальцев
Отпечатки пальцев представляют собой рельефные линии, так называемые папиллярные узоры, строение которых обусловлено рядами гребешковых выступов кожи, разделенных бороздками. Эти линии образуют сложные кожные узоры (дуговые, петлевые, завитковые), которые обладают следующими свойствами:
Индивидуальность (различная совокупность папиллярных линий, образующих рисунок узора по их местоположению, конфигурации, взаиморасположению, неповторимая в другом узоре);
Относительная устойчивость (неизменность внешнего строения узора, возникающего в период внутриутробного развития человека и сохраняющегося в течение всей его жизни);
Восстанавливаемость (при поверхностном нарушении кожного покрова папиллярные линии восстанавливаются в прежнем виде). Существует несколько алгоритмов распознавания отпечатков пальцев. Наиболее распространенным является алгоритм, основанный на выделении деталей. Обычно в отпечатке присутствует от 30 до 40 мелких деталей. Каждая из них характеризуется своим положением - координатами, типом (разветвление, окончание или дельта) и ориентацией (рис. 1).
Из набора данных характеристик формируется эталон отпечатка.
Физиологически отпечаток пальца - это рельефная поверхность кожи, содержащая поры.
Непосредственно под эпидермисом располагаются кровеносные сосуды. Морфология отпечатка пальца теснейшим образом связана с электрическими и температурными характеристиками кожи. Это значит, что для получения изображения отпечатков пальцев можно использовать не только краску, но и электромагнитную энергию в различных ее проявлениях. Заметим, что сканирование
Рис. 1. Распознавание отпечатка пальца по выделенным деталям
отпечатков пальцев с хорошо различимыми папиллярными линиями является непростой задачей. Поскольку отпечатки слишком малы, для получения качественного изображения приходится использовать достаточно сложные методы.
Все существующие электронные методы получения отпечатков пальцев, в зависимости от используемых ими физических принципов, делятся на следующие виды:
Оптические;
Емкостные;
Радиочастотные;
Давления;
Ультразвуковые;
Оптический метод
В настоящее время существует несколько разновидностей сканеров, предназначенных для получения отпечатков пальцев оптическим методом:
1. FTIR-сканеры - это устройства, в которых используется эффект нарушенного полного внутреннего отражения (Frusted Total Internal Reflection). Эффект заключается в том, что при падении света на границу раздела двух сред световая энергия делится на две части - одна отражается от границы, другая проникает через границу во вторую среду (рис. 2).
Доля отраженной энергии зависит от угла падения светового потока. Начиная с некоторой величины данного угла вся световая энергия отражается от границы раздела.
Это явление называется полным внутренним отражением. В случае контакта более плотной оптической среды (в нашем случае поверхности пальца) с менее плотной (например, с поверхностью призмы) в точке полного внутреннего отражения пучок света проходит через эту границу. Таким образом, от границы отразятся лишь пучки света, попавшие в определенные точки полного внутреннего отражения, к которым не был приложен папиллярный узор пальца. Для захвата полученной световой картинки поверхности пальца используется специальный дат-
Папиллярный узор пальца
Источник света Впадина Гребешковый кожи выступ кожи
Рис. 2. Принцип работы FTIR-сканеров
чик изображения (КМОП или ПЗС, в зависимости от реализации сканера). Ведущими производителями подобных сканеров являются компании BioLink, Digital Persona, Identix.
2. Оптоволоконные сканеры (Fiber Optic Scanners) представляют собой оптоволоконную матрицу, в которой все волноводы на выходе соединены с фотодатчиками. Чувствительность каждого датчика позволяет фиксировать остаточный свет, проходящий через палец, в точке соприкосновения пальца с поверхностью матрицы.
Изображение всего отпечатка формируется по данным, считываемым с каждого фотодатчика (рис. 3). Производителем оптоволоконных сканеров является консорциум Elsys.
3. Электрооптические сканеры (Electro-Optical Scanners) - технология основана на использовании специального электроопти-ческого полимера, в состав которого входит светоизлучающий слой. Когда палец прикладывается к сканеру, неоднородность электрического поля у его поверхности (разность потенциалов между бугорками и впадинами кожи) отражается на свечении слоя. Таким образом, формируется изображение отпечатка пальца. В дальнейшем датчик изображения преобразовывает полученную картинку в цифровой вид. Данный тип сканеров выпускается компанией Security First Corp.
4. Оптические протяжные сканеры (Sweep Optical Scanners) - почти во всем аналогичны FTIR-устройствам, за исключением того, что для получения изображения отпечатка палец не просто прикладывается
к сканеру, а проводится по узкой полоске - считывателю (рис. 4). По мере движения пальца делается серия мгновенных фотографий. При этом соседние кадры снимаются с некоторым наложением, что позволяет значительно уменьшить размеры используемой призмы и самого сканера. Для получения результирующего изображения отпечатка пальца применяется специализированное программное обеспечение. Ведущим производителем сканеров данного типа является компания Cogent Systems.
5. Роликовые сканеры (Roller Style Scanners) - данные устройства являются самыми миниатюрными сканерами. Отпечаток захватывается при прокатывании пальцем прозрачного тонкостенного ролика. Аналогично протяжному сканеру, по мере движения пальца делаются мгновенные снимки фрагментов папиллярного узора с некоторым наложением изображения. При сканировании используется простейшая оптическая технология: внутри прозрачного цилиндра находятся статический источник света, линза и датчик изображения. После полной «прокрутки» пальца программно собирается результирующее изображение его отпечатка (рис. 5).
Рис. S. а) Принцип работы роликового сканера; б) его реализация
Роликовые сканеры производятся компаниями Digital Persona, CASIO Computer, ALPS Electric.
6. Бесконтактные сканеры (Touchless Scanners) - в данных устройствах палец не контактирует непосредственно с поверхностью сканера. Палец всего лишь прикладывается к отверстию сканера и подсвечивается снизу с разных сторон несколькими
источниками света. По центру отверстия расположена линза, с помощью которой изображение отпечатка пальца проецируется на КМОП-камеру (рис. 6).
Сканеры данного типа выпускает компания Touchless Sensor Technology.
Отметим ряд недостатков, которые присущи оптическим сканерам, и укажем, какие из них уже исправлены:
Невозможность сделать их компактными. Эта проблема стояла до недавнего времени, но, как видно из приведенных рисунков, этот недостаток остался в прошлом.
Оптические модули достаточно дороги из-за большого числа компонентов и сложной оптической системы. Этот недостаток сегодня также нивелируется в связи с существенным уменьшением стоимости датчиков изображения.
Отсутствует эффективная защита от муляжей.
Последний недостаток является самым существенным, несмотря на то, что многие производители заявили о реализации механизмов защиты на том или ином этапе обработки сканируемого изображения.
Емкостный метод
Емкостные сканеры (Сapacitive Scanners) являются сегодня наиболее распространенными полупроводниковыми устройствами для получения изображения отпечатка пальца.
Их работа основана на эффекте изменения емкости р-п-перехода полупроводника при соприкосновении гребня папиллярного узора с элементом полупроводниковой матрицы. Существуют модификации емкостных сканеров, в которых каждый полупроводниковый элемент в матрице выступает в роли одной пластины конденсатора, а палец - в роли другой. При приложении пальца к датчику между каждым чувствительным элементом и выступом-впадиной папилляр-
ного узора образуется емкость, величина которой определяется расстоянием между рельефной поверхностью пальца и элементом. Матрица этих емкостей преобразуется в изображение отпечатка пальца. Ведущими производителями сканеров данного типа являются компании Infineon, STMicroelectronics, Veridicom.
Недостаток емкостного метода - та же неэффективная защита от муляжей.
Радиочастотный метод
Радиочастотные сканеры (RF-Field Scanners) - в таких сканерах используется матрица элементов, каждый из которых работает как миниатюрная антенна.
Радиочастотный модуль генерирует сигнал низкой интенсивности и направляет его на сканируемую поверхность пальца. Каждый из чувствительных элементов матрицы принимает отраженный от папиллярного узора сигнал. Величина наведенной в каждой миниатюрной антенне ЭДС зависит от наличия или отсутствия вблизи нее гребня папиллярного узора. Полученная таким образом матрица напряжений преобразуется в цифровое изображение отпечатка пальца. Поскольку метод основан на физиологических свойствах кожи, его трудно обмануть имитацией пальца. К недостаткам метода относится необходимость качественного контакта пальца и передатчика, который может быть весьма горячим. Известным производителем радиочастотных сканеров является компания Authentec.
Нажимной метод (давления)
Чувствительные к давлению сканеры (Pressure Scanners) в своей конструкции используют матрицу пьезоэлектрических элементов, чувствительных к нажатию.
При прикладывании пальца к сканирующей поверхности гребешковые выступы
папиллярного узора оказывают давление на некоторое подмножество элементов матрицы.
Впадины кожного узора никакого давления не оказывают. Таким образом, совокупность полученных с пьезоэлектрических элементов напряжений преобразуется в изображение отпечатка пальца. Данный метод имеет ряд недостатков:
Низкая чувствительность;
Неэффективная защита от муляжей;
Подверженность к повреждениям при чрезмерно прилагаемых усилиях.
Чувствительные к давлению сканеры выпускает компания BMF.
Ультразвуковой метод
Ультразвуковые сканеры (Ultrasonic Scanners) сканируют поверхность пальца ультразвуковыми волнами. Расстояния между источником волн и гребешковыми выступами и впадинами папиллярного узора измеряются по отраженному от них эху (рис. 7). Качество получаемого изображения в десятки раз лучше, чем у любого другого представленного на биометрическом рынке метода. Кроме того, данный способ практически полностью защищен от муляжей, поскольку позволяет помимо отпечатка папиллярного узора пальца получать информацию и о некоторых других характеристиках (например,
о пульсе).
Основным недостатком ультразвукового метода является высокая цена сканеров данного вида по сравнению с оптическими и полупроводниковыми сканерами.
Ведущим производителем сканеров данного типа является компания Ultra-Scan Corporation.
Рис. 7. Принцип работы ультразвукового сканера
Таблица. Технические характеристики датчиков FingerChip
Характеристика AT77C102B AT77C104B AT77C10SA
Размер чувствительного элемента, мм 0,4x14 0,4x11,6 0,4x11,6
Размер матрицы, пикселей 8x280 8x232 8x232
Разрешение, Ьр1 (точек на дюйм) 500 500 500
Скорость считывания, кадров/с 1780 2130 2130
Габаритные размеры, мм 1,64x17,46 1,5x15 1,5x15
Напряжение питания, В 3-3,6 2,3-3,6 2,3-3,6
Рабочая температура, °С -40...+85 -40...+85 -40...+85
Износоустойчивость поверхности, считываний 1 млн 4 млн 4 млн
Дополнительные функции нет есть есть
Температурный метод
Термосканеры (Thermal Scanners) - в таких устройствах используются датчики, которые состоят из пироэлектрических элементов, позволяющих фиксировать разницу температуры и преобразовывать ее в напряжение.
При прикладывании пальца к сканеру по температуре прикасающихся к пироэлектрическим элементам выступов папиллярного узора и температуре воздуха, находящегося во впадинах, строится температурная карта поверхности пальца, которая в дальнейшем преобразуется в цифровое изображение.
Температурный метод имеет множество преимуществ. К ним относятся:
Высокая устойчивость к электростатическому разряду;
Устойчивая работа в широком температурном диапазоне;
Эффективная защита от муляжей.
К недостаткам данного метода можно отнести то, что изображение быстро исчезает.
При прикладывании пальца в первый момент разница температур значительна и уровень сигнала, соответственно, высок. По истечении короткого времени (менее одной десятой доли секунды) изображение исчезает, поскольку палец и датчик приходят к температурному равновесию. Именно эта особенность была использована компанией Atmel в технологии температурного сканирования, которая нашла свое отражение в микросхемах Fingertip. Сегодня Atmel является ведущим производителем термосканеров.
Технология FingerChip
В технологии FingerChip используется температурный метод получения изображения в сочетании с протяжным сканированием, которое применяется в оптических протяжных сканерах, рассмотренных выше. Протяжной способ позволяет существенно уменьшить размер чувствительной матрицы и сделать ее по ширине равной получаемому отпечатку, а по длине - всего несколько долей миллиметра. Для получения изображения необходимо просто провести пальцем по узкой полоске считывателя. Заметим, что в сочетании с температурным методом такой способ получения отпечатков пальцев не оставляет следов после сканирования по причине малого времени жизни изображения.
Малый размер и низкая стоимость матрицы в сочетании с эффективной защитой от муляжей, а также надежное функционирование в широком диапазоне температур являются отличительными особенностями технологии температурного сканирования, применяемой компанией Atmel.
На данный момент Atmel выпускает три вида считывателей: AT77C102B, AT77C104B, AT77C105A. Основные их технические характеристики представлены в таблице.
Рис. S. Датчик FingerChip AT77C102B
Датчик FingerChip AT77C102B (рис. 8) выполнен по техпроцессу 35 мкм и объединяет на монолитной прямоугольной КМОП-под-ложке размером 1,64x17,46 мм схемы считывания и преобразования данных. Отпечаток пальца считывается при вертикальном движении пальца, приложенного к матрице.
Матрица FingerChip имеет размер 8x280, то есть содержит 2240 термочувствительных элементов. Также присутствует служебная нерабочая колонка, предназначенная для калибровки и идентификации кадров. Шаг матрицы 50x50 мкм, что соответствует разрешению 500 точек на дюйм при размере чувствительного элемента 0,4x14 мм. Это позволяет получить изображение центральной области отпечатка пальца, отвечающего требованиям спецификации качества изображения (IQS).
Тактовая частота может устанавливаться программно до значения 2 МГц, обеспечивая получение до 1780 кадров в секунду, что является достаточным даже при быстром движении пальца по датчику. Результирующий отпечаток собирается из последовательности серии кадров с помощью программного обеспечения Atmel.
Функциональная диаграмма данного устройства показана на рис. 9.
Цикл работы для каждого кадра следующий:
1. Выбирается колонка из 280+1 пикселей в матрице. Колонки выбираются последовательно слева направо с циклическим возвратом в начало. После сброса вывод начинается с крайней левой колонки.
2. Каждый пиксель в колонке посылает свое значение температуры в виде аналогового сигнала в линейку усилителей.
3. Две строки выбираются одновременно (четная и нечетная). Усиленные сигналы с них подаются на 4-битные аналого-цифровые преобразователи (АЦП). Полученные аналоговые величины могут быть также использованы в качестве выходных данных (на диаграмме не отражено).
4. Два 4-битных цифровых эквивалента сохраняются в сдвиговом регистре и отсылаются параллельно одним байтом через параллельные выходы Бе0-3 (четная строка) и Бо0-3 (нечетная строка).
На рис. 10 показана последовательность вывода одного кадра; на рис. 11 - последовательность кадров при активном режиме работы И^егСЫр.
Помимо функции считывания, присущей всем трем устройствам, модели АТ77С104В и АТ77С105А имеют дополнительные опции навигации (аналогично сенсорному экрану) и эмуляции нажатия клавиши, что позволяет с их помощью осуществлять управление.
Наличие различных корпусов (рис. 12) предоставляет возможность оптимального выбора способа установки датчика в разрабатываемое устройство.
Такты PCLK Точки Колонка 1 Колонка 2 Колонка 280 Колонка 281
12 3 4 1&2 3&4 5&6 7&8 5 6 1119 1120 1&2 3&4 5&6 7&8 1121 1122 1123 1124 1&2 3&4 5&6 7&8
Рис. 10. Вывод кадра FingerChip
Постоянное время интеграции
Кадр п Кадр п+1 Кадр п+2 Кадр п+3
1124 такта 1124 такта 1124 такта 1124 такта
Рис. 11. Последовательность кадров FingerChip
и " f Шддддцд И и
Рис. 12. Варианты корпусов датчика РтдегСЫр по способу крепления и соединения с базовой платой: а) СВ01 - крепление с помощью эластомера; б) СВ08 - приклеивание с эластомером; в) СВ02 - крепление через разъем для гибкого кабеля
Преимущества технологии FingerChip
Технология Рі^егСЬір имеет отличия, благодаря которым она может применяться в различных системах безопасности. Интегральная схема датчика надежно защищена от электростатических разрядов с напряжением до 16 кВ.
Полоса считывания устойчива к истиранию, выдерживает значительные приложенные усилия и позволяет получить более
1 миллиона отпечатков. Рабочее напряжение датчика АТ77С102В составляет от 3,0 до 3,6 В, энергопотребление - 16 мВт при 3,3 В с частотой 1 МГц. Предусмотрен «спящий» режим, в котором включена функция сброса, остановлен тактовый генератор, выключена температурная стабилизация и отключен выходной сигнал и все выходные линии переведены в состояние высокого импеданса. В спящем режиме ток потребления ограничивается лишь током утечки. В рабочем режиме датчик полностью пассивен. Для получения данных используется температура прикладываемого пальца. В случае, когда разница температур между пальцем и датчиком становится незначительной (менее одного градуса), то включается температурная стабилизация для повышения температуры микросхемы и увеличения разницы температур.
Основные преимущества датчиков К^егСЬір заключаются в одновременном использовании температурного метода получения изо-
бражения, метода покадрового восстановления изображения и интеграции схем считывания и преобразования изображения на одной КМОП-подложке. Интеграция двух схем на одной подложке снижает стоимость устройства, его энергопотребление и увеличивает скорость работы.
Независимые тесты показали, что если человека силой принуждают поставить свой отпечаток для получения доступа, то неровное проведение пальцем по датчику или обильное потоотделение помешают считать изображение отпечатка.
Комплект для разработки и отладки
Датчики К^егСЫр можно приобрести отдельно. Тем не менее, для извлечения эталона и сравнения образца с эталоном требуется специальное программное обеспечение, которое необходимо либо покупать у третьих фирм,
Рис. 13. Биометрический модуль AT77SM0101BCB02VKE
либо создавать самостоятельно. В связи с этим, использовать отдельные датчики становится экономически целесообразным только при крупносерийном производстве. Для применения считывателей отпечатков пальцев в мелкосерийном и среднесерийном производстве компания Atmel рекомендует использовать модуль биометрии AT77SM0101BCB02VKE (рис. 13), построенный на базе 32-разрядного микроконтроллера Atmel AT91RM9200.
Для оценки возможности модуля AT77S-M0101BCB02VKE и разработки программного обеспечения нижнего уровня выпускается набор разработчика AT77SM0101BCB02VEK (рис. 14). Набор состоит из модуля биометрии AT77SM0101BCB02VKE, базовой платы с блоком питания и разъемами (Ethernet, USB, RS-232, внешней Flash-памяти CompactFlash, SmartMedia, NAND Flash, смарт-карты ISO7816), коммутационных кабелей, документации, демонстрационного ПО для Windows и Linux, SDK для Linux.
Рис. 14. Набор разработчика AT77SM0101BCB02VEK
Отладочный набор позволяет продемонстрировать возможности модуля биометрии, а также разработку программного обеспечения верхнего и нижнего уровня.
Подводя итог всему вышесказанному, хотелось бы отметить, что сегодня мы наблюдаем за стремительным развитием биометрических технологий. В области получения изображений отпечатков пальцев еще недавно существовало только две технологии - оптическая FTIR и емкостная, со своими преимуществами и недостатками.
Сканеры, использующие технологию FingerChip, не только избавлены от недостатков, свойственных устройствам предыдущего поколения, но и приобрели ряд особо привлекательных черт, таких как крайне малый размер и небольшая цена. ■
Литература
1. Bishop P. Atmel FingerChip Technology for Biometric Security. Atmel White Paper. www.at-mel.com.
2. Maltoni D., Maio D., Jain A. K., Prabhakar S. Handbook of Fingerprint Recognition. Springer, New York, 2003.
3. Задорожный B. Идентификация по отпечаткам пальцев // PC Magazine/Russian Edition. 2004. № 1.
Для каких целей подходит эта технология?
Распознавание отпечатков пальцев является исключительно адаптивным способом идентификации и подходит для разностороннего применения и, в том числе, для объектов, где традиционно используются ключи, карты доступа и пароли. Эта технология уже используется в оборудовании контроля прохода, в автоматах выдачи инструментов, в складских помещениях, при оказании сетевых услуг и на многих других объектах. Даже новый смартфон Apple iPhone 5s оборудован сканером отпечатков пальцев. Технология идентификации по отпечаткам пальцев используется повсеместно уже сейчас.
В чем заключаются преимущества технологии идентификации по отпечаткам пальцев?
Отпечаток пальца - это уникальный идентификатор личности. Если сравнивать отпечаток пальца и ключ, то можно сказать, что у каждого человека есть десять ключей, поскольку все отпечатки пальцев отличны друг от друга. Даже если вы порезали палец или вся рука находится в гипсе, у вас остается достаточное количество пальцев для целей идентификации. Идентификация с помощью отпечатка – весьма надежный способ, так как отпечатки пальцев у всех людей уникальны. Даже у однояйцевых близнецов разные отпечатки пальцев.
По сравнению с другими методами идентификации, когда используется ключ, карта доступа, цифровой код или пароль, биометрический метод идентификации по отпечатку пальца обеспечивает высокую степень защиты. Отпечаток невозможно потерять, забыть или украсть. Этот способ также отличает высокая практичность, поскольку ничего не нужно носить с собой – в карманах ничего нет, больше не приходится рыться в сумке, да и брелок от ключа можно выбросить. Кроме того, это позволяет значительно сократить расходы, связанные с организацией контроля доступа. Для функционирования систем управления доступом в крупных организациях, например, на заводах, в офисах или фитнес-центрах, больше не нужны карты доступа или ключи, которые необходимо раздавать, собирать или удалять информацию о них из реестра в случае потери. Так, можно зарегистрировать отпечатки пальцев посетителей и предоставить им доступ лишь на один день.
Как отпечатки пальцев могут служить средством идентификации?
При распознавании происходит сравнение отпечатка пальца с ранее зарегистрированными данными. Данные могут храниться в базе данных системы идентификации, в чипе паспорта или в памяти карты доступа. Функцию идентификации может выполнять установленный на входе считыватель отпечатков пальцев, подключенный к компьютеру датчик или встроенный сканер смартфона.
Существуют два метода идентификации: идентифицируемый отпечаток пальца сравнивается с различными образами отпечатков, сохраненными в системе, либо с зарегистрированным отпечатком конкретного человека. Примером первого варианта может служить система контроля и управления доступом предприятия, где отпечаток пальца сопоставляется с зарегистрированными образами, чтобы подтвердить право доступа идентифицируемого лица. Примером второго варианта является система лучевой терапии, где цель проверки – удостовериться в том, что план лечения предназначен именно для этого пациента, пришедшего на сеанс.
Как происходит идентификация отпечатка пальца?
Идентификация по отпечаткам пальцев основана на распознавании образа, когда папиллярные узоры сравниваются с зарегистрированными данными. Процесс идентификации выполняется в три этапа.
1. Формируется изображение отпечатка пальца. Захват изображения может производиться с помощью встроенной камеры считывателя, либо с помощью регистрации разности потенциалов электрического поля между бугорками и впадинами папиллярного узора. Возможно применение комбинаций методов. В результате получается цифровой черно-белый снимок узоров отпечатка пальца.
2. Изображение отпечатка пальца преобразуется в математическую модель, в которой уникальные признаки, такие как дуги, завитки, петли и расстояния между ними, сохраняются в виде цифрового кода.
3. Производится сравнение идентифицируемой цифровой модели с шаблонами в базе данных и выполняется поиск соответствий.
Что происходит после идентификации?
В преобладающем большинстве случаев система идентификации по отпечаткам пальцев является частью какой-либо другой системы контроля, например, системы запирания. В результате идентификации устанавливается личность человека, после чего система может выполнить нужные мероприятия, например, открыть замок, разрешить доступ пользователю к программе или разрешить загрузку компьютера.
Что влияет на эффективность идентификации по отпечаткам пальцев?
Кожа – податливый и гибкий материал, и эти характеристики привносят определенные сложности в процесс идентификации. Так, например, сухость и температура кожи, а также сила прижима пальца, влияют на качество изображения отпечатка. Если палец прижат слишком сильно, рисунок отпечатка меняется и распознавание папиллярных линий затрудняется. Сухость и температура поверхности влияют на эластичность кожи, что, в свою очередь, определяет качество изображения. За последние годы технологии идентификации по отпечаткам пальцев и распознавания образа сильно шагнули вперед, поэтому даже в большинство проблемных случаев идентификация производится с высокой степенью надежности.
Точность регистрации данных об отпечатке оказывает значительное влияние на качество последующей идентификации. Поэтому регистрацию следует производить тщательно, а в случае возникновения каких-либо затруднений ее рекомендуется выполнить повторно.
Сканеры существенно отличаются друг от друга по воздействию загрязнений на точность сканирования. На объектах, где нет возможности регулярно выполнять очистку биометрических считывателей, стоит отдать предпочтение технологии, для которой не страшны пыль и грязь.
Можно ли украсть отпечаток пальца?
В соответствии со стандартами защиты информации в базах данных современных коммерческих системах распознавании личности по отпечаткам пальцев хранится не изображение отпечатка пальца, а его цифровая модель, которая содержит лишь несколько процентов из всего объема информации об отпечатке. Поэтому на основе сохраненной цифровой модели нельзя восстановить изображение отпечатка пальца. Исключение составляют системы государственного контроля, например, реестр отпечатков пальцев в полиции или паспорта, в которых отпечаток пальца приводится в виде изображения.
Насколько быстро и надежно выполняется идентификация по отпечаткам пальцев?
В настоящее время распознавание по отпечаткам пальцев выполняется очень быстро. Технология настолько усовершенствовалась, что время идентификации измеряется в долях секунды. Особенно эффективны электронные считыватели, которые идентифицируют отпечатки удивительно быстро.
Надежность технологии находится на высоком уровне - практически любые отпечатки могут быть распознаны. Тем не менее, несмотря на то, что уровень надежности почти достиг 100 %, в ближайшие годы не ожидается, что станет возможным распознать абсолютно любой отпечаток пальца. Так, у людей, занятых в определенных отраслях, например, там, где кожа на кончиках пальцев разъедается или многократно подвергается воздействию вредных химических веществ, степень повреждения может препятствовать считыванию достаточного количества точек для идентификации. После разовых повреждений отпечаток пальца восстанавливается, так что однократные повреждения или малое их количество не влияют на точность идентификации.
Подходит ли технология идентификации по отпечаткам пальцев для моей деятельности?
Пользователи систем идентификации по отпечаткам пальцев обычно уже не хотят возвращаться к традиционным системам контроля. Главными факторами удовлетворенности пользователей являются легкость и простота использования. Поэтому мы настоятельно рекомендуем воспользоваться технологией идентификации по отпечаткам пальцев. Продукция компании Deltabit позволяет использовать отпечатки пальцев для открытия дверей. Система Deltabit Gatekeeper Lite представляет собой продукт, с помощью которого можно заменить ключ от вашего дома отпечатком пальца. Deltabit Gatekeeper Pro – это система контроля и управления доступом на основе биометрической идентификации для предприятий. Оба продукта получили самые положительные оценки потребителей.
Все базовые алгоритмы сравнения отпечатков пальцев можно разделить на две основные группы :
- 1. Классические алгоритмы.
- 2. Корреляционные алгоритмы.
Классические алгоритмы предполагают сравнение взаимного расположения особых точек (минюций) отпечатков пальцев, полей направлений папиллярных линий и прочих топологических характеристик отпечатков. Считается, что взаимное расположение минюций, хотя и не полностью описывает отпечаток, является уникальной характеристикой человека и не повторяется . Такой подход к сравнению отпечатков позволяет сжимать полученный со сканера отпечаток в шаблон, по которому невозможно восстановить исходный отпечаток. Примеры классических алгоритмов распознавания приведены в . Некоторые алгоритмы сравнения графов могут быть адоптированы к задачам распознавания по отпечаткам пальцев .
Корреляционные алгоритмы сравнивают отпечатки как изображения.
Существуют разные подходы к разработке корреляционных алгоритмов.
Однако большинство из них требует хранения в базе биометрических записей части изображения, что из соображений безопасности делает применение таких алгоритмов в некоторых системах, либо нежелательными, либо невозможным (злоумышленник может воспользоваться изображением отпечатка для создания муляжа отпечатка для последующего использования его в преступных целях).
Типовая схема корреляционного алгоритма предполагает вычисление прямого наложения участков изображения. Однако прямая корреляция всего изображения с целью выделить совпадающие участки является слишком трудоемкой процедурой, особенно, если дополнительно осуществлять перебор по поворотам, поэтому не используется в реальных системах.
В этой связи в работе предлагается усовершенствованная схема более быстрого корреляционного алгоритма.
На этапе создания шаблона регистрации выполняются следующие процедуры:
- 1. Бинаризация изображения.
- 2. Выделение на изображении участков высокой кривизны (такие участки как элементы текстуры несут наибольшую информацию). На рисунке 2.1 приведен пример выделенной информативной зоны изображения.
- 3. Вычисление на участках высокой кривизны локальной спектральной картины, инвариантной к сдвигам. А именно выделяются доминирующие частоты энергетического спектра Фурье.
Получаемый шаблон регистрации содержит бинарное изображение и набор сжатых энергетических спектров вокруг TS точек высокой кривизны.
Рисунок 2.1 - Пример информативной зоны отпечатка
Сравнение осуществляется следующим образом:
- 1. Для всех возможных соответствующих пар точек изображений вычисляется расстояние между спектральными картинами. По этому расстоянию все пары сортируются. Данная процедура позволяет очень точно определить оптимальные параметры относительного сдвига и поворота изображений, что существенно сокращает число переборов по поворотам при последующем прямом наложении участков изображений.
- 2. Для CR пар (CR варьируется от 3 до 35), давших наименьшее спектральное расстояние, вычисляется прямая свертка двух окрестностей на изображениях.
Использование такого алгоритма в основном целесообразно для полупроводниковых сканеров малой площади, дающие изображения плохого качества. В таких случаях зачастую классические алгоритмы не работают из-за малых площадей пересечения отпечатков и недостаточного числа выделяемых минюций.
В таблицах 2.1-2.3 приведены скорости создания шаблона и сравнения.
Таблица 2.1. Средняя скорость вычисления шаблона регистрации, сек
|
PentiumIII,733MHz Pentiumll, 450MHz |
Таблица 2.2. Скорость сравнения, сек (Pentium III, 733 Mhz)
Таблица 2.3. Скорость сравнения, сек (Pentium II, 450 Mhz)
Сравнительно низкая скорость сравнения ограничивает применение данного алгоритма только режимом верификации.
Реализация данного корреляционного алгоритма используется:
- 1)в подразделе 2.3 при анализе эффективности интеграции алгоритма компенсации деформаций отпечатков пальцев в алгоритмы распознавания;
- 2)в подразделе 4.3 при статистическом анализе интеграции классических и корреляционных алгоритмов распознавания по отпечатку пальца.
Рекомендуем также
Loading...