Современные биометрические методы идентификации. Некоторые вопросы применения методов сравнения отпечатков пальцев для биометрических систем идентификации личности

Правительственные и гражданские организации всего мира уже давно используют отпечатки пальцев в качестве основного метода установления личности. Кроме того, отпечатки являются наиболее точной, дружественной к пользователю и экономичной биометрической характеристикой для применения в компьютерной системе идентификации. В частности, данной технологией в США пользуются отделы транспортных средств администраций ряда штатов, ФБР, MasterCard, Секретная служба, Министерство финансов, Агентство национальной безопасности, Министерство обороны и т. д. Устраняя потребность в паролях для конечных пользователей, технология распознавания отпечатков пальцев сокращает число обращений в службу поддержки и снижает расходы на сетевое администрирование.

Обычно системы для распознавания отпечатков пальцев разделяют на два типа: для идентификации AFIS (Automatic Fingerprint Identification Systems) и для верификации. В первом случае используются отпечатки всех десяти пальцев. Подобные системы находят широкое применение в судебных органах. Устройства верификации обычно оперируют с информацией об отпечатках одного, реже нескольких пальцев. Сканирующие устройства бывают, как правило, трех типов: оптические, ультразвуковые и на основе микрочипа.

Единовременная регистрация отпечатка пальца человека на оптическом сканере занимает всего несколько минут. Крошечная CCD-камера, выполненная в виде отдельного устройства или встроенная в клавиатуру, делает снимок отпечатка пальца. Затем, с помощью специальных алгоритмов полученное изображение преобразуется в уникальный "шаблон" - карту микроточек этого отпечатка, которые определяются имеющимися в нем разрывами и пересечениями линий. Этот шаблон (а не сам отпечаток) затем шифруется и записывается в базу данных для аутентификации сетевых пользователей. В одном шаблоне хранится до 40 - 50 микроточек. При этом пользователи могут не беспокоиться о неприкосновенности своей частной жизни, поскольку сам отпечаток пальца не сохраняется и не может быть воссоздан по микроточкам.

Преимуществом ультразвукового сканирования является возможность определить требуемые характеристики на грязных пальцах и даже через тонкие резиновые перчатки. Стоит отметить, что современные системы распознавания нельзя обмануть, даже подсунув им свежеотрубленные пальцы (микрочип измеряет физические параметры кожи), что, согласитесь, весьма актуально для России.

Разработкой подобных систем занимается более 50 различных фирм-производителей. Что же касается стоимости оборудования, то построение комплексов для верификации обычно требует от нескольких сотен до нескольких тысяч долларов. Существенно дороже стоят системы AFIS. Например, программно-аппаратный комплекс, используемый правоохранительными органами, предназначенный для хранения информации о 5 млн. человек и выполняющий около 5 тыс. поисков в день, обойдется в несколько миллионов долларов.

Идентификация по Сетчатке и радужной оболочке глаза

Довольно надежное распознавание обеспечивают системы, анализирующие рисунок радужной оболочки человеческого глаза. Дело в том, что эта характеристика довольно стабильна и не меняется практически в течение всей жизни. Заметим также, что радужки правого и левого глаза имеют разный рисунок.

Сканеры радужной оболочки не требуют от пользователя сконцентрировать взгляд на определенной цели, при этом видеоизображение глаза может быть отсканировано с расстояния до 1,5 м, что делает возможным использование таких сканеров, например, в банкоматах. Ослабленное зрение не препятствует сканированию и кодированию идентифицирующих параметров, главное, чтобы радужка была не повреждена. Даже катаракта - помутнение хрусталика, поскольку он находится позади радужной оболочки, - никоим образом не мешает сканированию.

Обычно различают активные и пассивные системы. В системах первого типа пользователь должен сам настроить камеру, передвигая ее для более точной наводки. Пассивные системы более просты в использовании, поскольку настройка камеры в них осуществляется автоматически, и обладают весьма высокой надежностью.

Отметим, что оборудование подобного класса до сих пор производили только две фирмы: наиболее известная из них IriScan (http://www.iriscan.com/ ). Стоимость биометрических комплексов этой компании составляет от десятков до нескольких тысяч долларов.

В биометрических системах контроля, использующих в качестве идентификационного признака узор сетчатки глаза, глазное дно сканируется оптической системой с использованием инфракрасного света. При этом определяется рисунок расположения кровеносных сосудов глазного дна либо измеряются отражающие и поглощающие характеристики сетчатки. Для регистрации контрольного образа требуется около 40 байт. Полученная информация хранится в памяти системы и используется для сравнения. У сканеров сетчатки - отказа в доступе зарегистрированным пользователям, и практически не бывает случаев ошибочного доступа. Однако изображение должно быть четким, а катаракта может отрицательно воздействовать на качество рисунка. Типичное время авторизации составляет менее 60 с, анализа - 3 - 5 с. Несмотря на большие преимущества этого метода (высокая надежность, невозможность подделки), он обладает рядом недостатков, которые ограничивают область его применения (относительно большое время анализа, высокая стоимость, крупные габариты устройства сканирования, не очень приятная процедура авторизации).

Идентификация образа по отпечатку пальца

Считается, что вероятность совпадения отпечатков пальцев у двух разных людей равна 1:64 000 000 000. Дактилоскопические БСКД снимают папиллярный узор с одного или нескольких пальцев с помощью специального сканера отпечатка и сравнивают его с зарегистрированным эталоном. Хранимая в эталоне информация представляет собой лишь некий препарат исходного папиллярного узора, по которому можно провести идентификацию личности, но невозможно восстановить полный дактилоскопический узор. Сканеры отпечатков пальцев, используемые в дактилоскопических ДСКД по используемым в них физическим принципам можно разделить на три группы: оптические, кремниевые, ультразвуковые.

Выделяют три типа паппилярных узоров: 1 - 4 - узоры типа «петля» (левая, правая, центральная, двойная), 5 и 6 - узоры типа «дельта» или «дуга» (простая и острая), 7 и 8 - узоры типа «спираль» (центральная и смешанная))

Стандарты на отпечатки пальцев для дактилоскопии:

· образ должен иметь разрешение не ниже 500 dpi;

· образ должен быть полутоновым с 256 уровнями яркости;

· максимальный угол поворота отпечатка от вертикали не более 15 градусов;

· каждый образ представляется в формате несжатого TIF;

· типы минуций - окончание и раздвоение.

Сравнения отпечатков по локальным признакам:

1) Улучшение качества исходного изображения отпечатка. Увеличивается резкость границ папиллярных линий.

2) Вычисление поля ориентации папиллярных линий отпечатка. Изображение разбивается на квадратные блоки, со стороной больше 4 пикселей и по градиентам яркости вычисляется угол ориентации линий для фрагмента отпечатка

3) Бинаризация изображения отпечатка. Приведение к чёрно-белому изображению (1 bit) пороговой обработкой.

4) Утончение линий изображения отпечатка. Утончение производится до тех пор, пока линии не будут шириной 1 пиксель.

5) Сопоставление минуций. Два отпечатка одного пальца будут отличаться друг от друга поворотом, смещением, изменением масштаба и/или площадью соприкосновения в зависимости от того, как пользователь прикладывает палец к сканеру. Поэтому нельзя сказать, принадлежит ли отпечаток человеку или нет на основании простого их сравнения (векторы эталона и текущего отпечатка могут отличаться по длине, содержать несоответствующие минуции и т.д.). Из-за этого процесс сопоставления должен быть реализован для каждой минуции отдельно.

Метод на основе глобальных признаков. Выполняется обнаружение глобальных признаков (ядро, дельта). Количество этих признаков и их взаимное расположение позволяет классифицировать тип узора. Окончательное распознавание выполняется на основе локальных признаков (число сравнений получается на несколько порядков ниже для большой базы данных).

СРАВНЕНИЕ ПО УЗОРУ:

Метод на основе графов

Исходное изображение отпечатка (1) преобразуется в изображение поля ориентации папиллярных линий (2). На нём (2) заметны области с одинаковой ориентацией линий, поэтому можно провести границы между этими областями (3). Затем определяются центры этих областей и получается граф (4). Стрелкой "d" отмечена запись в базу данных при регистрации пользователя.

В цифровой модели отпечатка пальца находится не всё изображение, а только информация о минуциях, поэтому восстановление отпечатка пальца из его цифровой модели невозможно.

Дактилоскопические БСКД (Биометрические системы Контроля Доступа)

В компьютерных дактилоскопических БСКД сканеры отпечатков встраиваются в мышь или клавиатуру.

Качество распознавания сильно зависит от состояния поверхности пальца и его позиции относительно сканирующего элемента. Различные системы предъявляют различные требования к этим двум параметрам. Например, распознавание по характерным точкам дает высокий уровень шума при плохом состоянии поверхности пальца. Распознавание по всей поверхности требует очень аккуратное размещение пальца на сканирующем элементе.

Дактилоскопические БСКД используются для контроля доступа, как к компьютерам, так и в помещения. Ошибки 1-го рода: 10 -3 - 10 -6 , ошибки 2-го рода: 10 -4 ? 10 -9 .

В настоящее время среди других биометрических систем дактилоскопические БСКД получили наибольшее распространение и выпускаются большим числом зарубежных и Российских компаний.

Традиционно американские компании занимают лидирующие позиции в разработке дактилоскопических БСКД. В этом направлении успешно работают такие фирмы, как Identix, T-Netix, American Biometric Company, National Registry, Sagem, Morpho, Verditicom, Infenion.

Из российских компаний на рынке дактилоскопических БСКД наиболее известными являются: «Элсис», «Элвис», «Биометрические технологии».

Защита дактилоскопических БСКД от муляжей

Одной из самых сложных проблем дактилоскопических систем является защита от муляжей.

Основные методы и подходы к защите от муляжей можно разделить на две группы:

1. Технические - это методы защиты, реализованные либо на уровне программного обеспечения, работающего с изображением, либо на уровне считывающего устройства;

2. Организационные? это методы, суть которых заключается в организации процессов аутентификации таким образом, чтобы затруднить или исключить возможность использования муляжа.

Техническая защита на уровне считывающего устройства

Техническая защита на уровне считывающего устройства заключается в том, что в самом сканере используется алгоритм синтеза изображения, который позволяет получить дактилоскопический узор только с живого пальца, а не с муляжа.

Так, например, работают оптоволоконные сканеры. В них изображение дактилоскопического узора получается в результате освещения поверхности пальца источником, расположенным с обратной стороны пальца. В результате получается зависимость папиллярного узора от особенностей прохождения света сквозь ткани живого пальца.

Техническая защита по дополнительной характеристике

Техническая защита по дополнительной характеристике заключается в получении с помощью сканирующего устройства некоторой дополнительной характеристики, по которой можно принять решение является ли предоставленный идентификатор муляжом. Например, с помощью ультразвуковых сканеров можно получать информацию о наличии пульса в пальце, в некоторых оптических сканерах с высоким разрешением можно определить наличие на изображении частиц пота и т.п. Практически у каждого производителя есть своя «фирменная» характеристика, которая, по понятным причинам, не афишируется.

Техническая защита по предыдущим данным

На некоторых сканерах отпечаток последнего прикасавшегося к нему пальца остается на его поверхности, чем можно воспользоваться при изготовлении муляжа. Способ защиты? хранение нескольких последних изображений со сканера (для каждого производителя это число разное). С последними изображениями в первую очередь и сравнивается любое новое изображение. А так как дважды приложить абсолютно одинаково палец к сканеру нельзя, при абсолютном совпадении принимается решение о применении муляжа.

Усложнение процесса идентификации. Метод заключается в том, что в процессе регистрации отпечатков пальцев в системе на каждого пользователя регистрируется несколько пальцев (в идеале все 10). После этого непосредственно в процессе аутентификации у пользователя запрашиваются для проверки несколько пальцев в произвольной последовательности, что значительно затрудняет вход в систему по муляжу. Недостаток такого метода при контроле доступа в компьютерные системы заключается в том, что исполнение сканера отпечатков должно быть ориентировано на произвольные пальцы рук. Использование мыши со встроенным сканером для большого пальца в этом случае становится невозможным.

Организационные методы защиты

Мультибиометрия или многофакторная биометрия. В процессе аутентификации пользователя используется сразу несколько различных биометрических технологий, например изображение отпечатка пальца и 3D-технология кисти руки. Недостаток такого подхода состоит в существенном удорожании необходимого комплекса специальных аппаратно-программных средств.

Многофакторная аутентификация. В процессе аутентификации пользователя используется некоторая совокупность разнотипных методов аутентификации, например, отпечатки пальцев (биометрическая) и смарт-карты (персональные средства аутентификации).

Сканеры отпечатков пальцев

1)Оптические

1. 1) FTIR-сканеры - представляют собой устройства, в которых используется эффект нарушенного полного внутреннего отражения (Frustrated Total Internal Reflection, FTIR). Для фиксации картинки поверхности пальца в них используется специальная камера (ПЗС или КМОП).

1.2) Оптоволоконные сканеры (fiber optic scanners) - представляют собой оптоволоконную матрицу, каждое из волокон которой заканчивается фотоэлементом, который позволяет фиксировать остаточный свет, проходящий через палец, в точке прикосновения рельефа пальца к поверхности сканера. Изображение отпечатка пальца формируется по данным всех элементов.

1.3) Электрооптические сканеры (electro-optical scanners) ? в основе данной технологии лежит использование специального электрооптического полимера, в состав которого входит светоизлучающий слой. При прикладывании пальца к сканеру неоднородность электрического поля у его поверхности отражается на свечении этого слоя так, что он высвечивает отпечаток пальца. Затем массив фотодиодов сканера преобразует это свечение в цифровой вид.

1.4) Оптические протяжные сканеры (sweep optical scanners) Их особенность в том, что палец нужно не просто прикладывать к сканеру, а проводить им по узкой полоске? считывателю. При этом делается серия мгновенных снимков (кадров), причем соседние кадры, снимаются с некоторым наложением, что позволяет значительно уменьшить размеры сканера. Для сборки изображения отпечатка пальца используется специализированное ПО.

1 .5) Роликовые сканеры (roller-style scanners) - сканирование происходит при прокатывании пальцем прозрачного вращающегося ролика. Во время движения пальца делается серия мгновенных снимков (кадров) фрагментов папиллярного узора. Соседние кадры снимаются с наложением, что позволяет без искажений собрать полное изображение отпечатка пальца.

Внутри ролика находятся источник света, линза и миниатюрная камера. Изображение освещаемого участка пальца фокусируется линзой на чувствительный элемент камеры.

1.6) Бесконтактные сканеры (touchless scanners) ? в них не требуется непосредственного контакта пальца с поверхностью сканирующего устройства. Палец прикладывается к отверстию в сканере, несколько источников света подсвечивают его снизу с разных сторон, в центре сканера находится линза, через которую, собранная информация проецируется на КМОП-камеру, преобразующую полученные данные в изображение отпечатка пальца.

2)Полупроводниковые сканеры

В полупроводниковых сканерах используются матрица чувствительных микроэлементов и преобразователь сигналов этих микроэлементов в цифровую форму.

2.1) Емкостные сканеры (capacitive scanners) - наиболее широко распространенный тип полупроводниковых (ПП) сканеров, в которых для получения изображения отпечатка пальца используется эффект изменения емкости pn-перехода ПП-прибора при соприкосновении рельефа папиллярного узора с элементом ПП-матрицы. При приложении пальца к сенсору между каждым чувствительным элементом и элементом рельефа папиллярного узора образуется некая емкость, величина которой определяется расстоянием между поверхностью пальца и элементом. Матрица емкостей преобразуется затем в изображение отпечатка пальца.

2.2) Чувствительные к давлению сканеры (pressure scanners) ? в этих устройствах используются сенсоры, состоящие из матрицы пьезоэлементов. При прикладывании пальца к сканирующей поверхности выступы папиллярного узора оказывают давление на некоторое подмножество элементов поверхности, соответственно впадины никакого давления не оказывают. Матрица полученных с пьезоэлементов напряжений преобразуется в изображение поверхности пальца.

2.3). Термо-сканеры (thermal scanners) ? в них используются сенсоры, которые состоят из пироэлектрических элементов, позволяющих фиксировать разницу температуры и преобразовывать ее в напряжение (этот эффект также используется в инфракрасных камерах). При прикладывании пальца к сенсору по температуре прикасающихся к пироэлектрическим элементам выступов папиллярного узора и температуре воздуха, находящегося во впадинах, строится температурная карта поверхности пальца и преобразуется в цифровое изображение.

2.4) Радиочастотные сканеры (RF-Field scanners) ? в таких сканерах используется матрица элементов, каждый из которых работает как маленькая антенна. Сенсор генерирует слабый радиосигнал и направляет его на сканируемую поверхность пальца, каждый из чувствительных элементов принимает отраженный от папиллярного узора сигнал. Величина наведенной в каждой микроантенне ЭДС зависит от наличия или отсутствия вблизи нее гребня папиллярного узора. Полученная таким образом матрица напряжений преобразуется в цифровое изображение отпечатка пальца.

2.5) Протяжные термо-сканеры (thermal sweep scanners) ? разновидность термо-сканеров, в которых используется, как и в оптических протяжных сканерах, проведение пальца по поверхности сканера, а не просто прикладывание.

2.6) Емкостные протяжные сканеры (capacitive sweep scanners) ? используют аналогичный способ покадровой сборки изображения отпечатка пальца, но каждый кадр изображения получается с помощью емкостного полупроводникового сенсора.

Ведущий производитель? компания Fujitsu.

2.7) Радиочастотные протяжные сканеры (RF-Field sweep scanners) ? аналогичны емкостным, но используют радиочастотную технологию.

Производитель? компания Authentec.

3) Ультразвуковые сканеры

Основные недостатки ультразвуковых сканеров: высокая цена по сравнению с оптическими и полупроводниковыми сканерами; большие размеры самого сканера.

В остальном ультразвуковое сканирование сочетает в себе лучшие характеристики оптической и полупроводниковой технологий.

Фам Зуй Тхай

Аспирант, кафедра МОСИТ, Московский государственный университет информационных технологий, радиотехники и электроники (МИРЭА)

НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ ПРИМЕНЕНИЯ МЕТОДОВ СРАВНЕНИЯ ОТПЕЧАТКОВ ПАЛЬЦЕВ ДЛЯ БИОМЕТРИЧЕСКИХ СИСТЕМ ИДЕНТИФИКАЦИИ ЛИЧНОСТИ

Аннотация

Проведен анализ характеристик отпечатков пальцев и их преимущества при использовании в биометрических системах идентификации личности. На основе классификации отпечатков пальцев рассмотрены процессы распознавания и методов сравнения отпечатков пальцев.

Ключевые слова : Биометрия, отпечаток пальцев, система идентификации, сравнение отпечатков пальцев.

Pham Duy Thai

PhD student, Department of MOSIT, Moscow State University of Information Technologies, Radio Engineering and Electronics

Abstract

The analysis of fingerprints and their benefits when used in biometric identification systems. On the basis of the classification of the processes of fingerprint recognition methods and comparison of fingerprints.

Keywords: Biometrics, fingerprint, identification system, the comparison of fingerprints.

Биометрические системы, базирующиеся на физиологических параметрах, значительно надежнее систем, основывающихся на характерных чертах поведения - благодаря тому, что физиологические характеристики человека уникальные постоянны, в то время как черты поведения уникальны, но непостоянны во времени. Развитие биометрических технологий, простота и удобство их использования, снижение стоимости и увеличение надёжности, позволяют с успехом применять проверку подлинности отпечатков пальцев для аутентификации пользователей.

В данной статье обсуждается основные элементы биометрической системы идентификации личности по отпечаткам пальцев и алгоритмы, использующиеся для сравнения отпечатков пальцев в биометрических системах идентификации личности человека.

Биометрические системы контроля доступа по отпечаткам пальцев основаны на уникальности и постоянстве (у взрослого человека) рисунка папиллярных линий пальцев рук. Если принять эти цифры, то в случае аутентификации вероятность того, что у двух людей будут одинаковые отпечатки пальцев, составит: 2*10 -12

Для сравнения: PIN-код банковской карты состоит всего из четырёх цифр, поэтому среди десяти тысяч карт обязательно найдутся две с одинаковыми PIN-кодами.

К биометрическим характеристикам надёжной и стабильной биометрической системы предъявляют следующие требования:

уникальность - биометрические характеристики должны быть уникальны у каждого человека;
перманентность - биометрические характеристики должны оставаться неизменными в течение длительного срока.

Биометрическое распознавание - это процесс определения личности пользователя, состоящий из одного шага. В режиме распознавания система определяет личность пользователя, осуществляя сравнение контрольного шаблона со многими эталонными шаблонами (1:N - сравнение одного cо многими). В случае нахождения совпадения одновременно определяется и удостоверяется личность пользователя. Данная биометрическая идентификация широко распространена и нашла применение в судебной медицине и в правоохранительных органах.

В биометрических системах, работающих только в режиме аутентификации, возможно использование негативной идентификации в процессе регистрации пользователя в биометрической системе, при которой один контрольный шаблон сравнивается со многими для того, чтобы проверить, что данное лицо не зарегистрировано в базе данных, и таким образом предотвратить двойную регистрацию в системе. Этот режим часто используется в крупных программах по предоставлению социальных пособий, в которых пользователи пытаются регистрироваться несколько раз для получения пособий под разными именами. Существует нечто среднее между аутентификацией и распознаванием - сравнение одного с несколькими, предполагающее идентификацию пользователя по очень маленькой базе зарегистрированных пользователей. Чёткого количественного разграничения между системами 1:N и 1:few нет, но любую систему, в которой поиск осуществляется среди более чем 500 записей, следует относить к типу 1:N.

Уникальность отпечатков пальцев обеспечивается на множествах пользователей, число которых статистически меньше одного миллиона. Перманентность отпечатков пальцев обеспечивается среди взрослых пользователей, у которых, в отличие от детей, отпечатки пальцев неизменны.

Вероятность ошибочной идентификации у современных сканеров и цифровых технологий составляет 0,000000001%, а время, необходимое для сканирования отпечатка, не превышает доли секунды.

Новейшие сканеры успешно противостоят различным муляжам. По сравнению с другими распространёнными биометрическими системами, биометрия по отпечаткам пальцев имеет ряд преимуществ:

проверка отпечатка пальца гораздо удобнее для пользователя, чем сканирование формы кисти руки;
технология проверки отпечатка пальца проста по сравнению с технологией сканирования формы лица;
проверка отпечатка пальца надёжнее некоторых других технологий, например, сканирования рисунка вен на руках;
технология проверки отпечатка пальца доступна по сравнению с новыми сложными системами, такими как проверка ДНК пользователя.

Несмотря на то, что аутентификация по отпечаткам пальцев предлагает удобство и комфорт для конечного пользователя, существует предубеждение, что любое сканирование отпечатков связанно с работой правоохранительных структур по поиску и опознанию преступников. В действительности технологии информационной безопасности существенно отличаются от методов традиционной дактилоскопии. При биометрической аутентификации сравниваются цифровые шаблоны (цифровые преобразования) отпечатка, которые несут информацию только о ключевых признаках отпечатка, достаточных для идентификации с приемлемой вероятностью. Восстановить отпечаток из такого шаблона невозможно.

Основные элементы биометрической системы идентификации личности по отпечаткам пальцев

Любая биометрическая система идентификации личности по отпечаткам пальцев имеет следующие компоненты:

подсистема для первичной регистрации и подготовки эталонного шаблона нового пользователя;
хранилище эталонных шаблонов;
подсистема контрольного сканирования и создания контрольного цифрового шаблона отпечатка пальцев;
вычислительный модуль сравнения эталонного и контрольных шаблонов;
аналитический модуль принятия решения о совпадении шаблонов;
интерфейс сопряжения с внешней инфраструктурой.

Классификация отпечатков пальцев

У каждого отпечатка пальцев есть два типа признаков – глобальные и локальные. Глобальные признаки отпечатков пальцев – область образа, ядро, пункт дельта, папиллярный узор.

Область образа это фрагмент отпечатка пальца, в котором расположены все глобальные признаки .
Ядро является точкой, находятся близко с центром отпечатка пальца.
Пункт Дельта – это начальная точка, где происходит разделение или соединение бороздок папиллярных линий.
Папиллярные линии на поверхности пальцев рук образуют различные узоры, называемые папиллярными узорами. Папиллярный узоры имеет три вид: Дуги, петли и завитки.

Рис. 1 – (a) – дуга (b) – треугольная дуга; (c) – завиток; (d) – правая петля;(e) – левая петля; (f) – двойная петля;

Классификации отпечатков пальцев по-прежнему остается очень сложной проблемой для обоих человеческих экспертов и автоматизированных систем. С одной стороны, только ограниченное число основных категорий отпечатков пальцев были идентифицированы и распределение отпечатков пальцев в этих категорий не является равномерным. С другой стороны, как уже упоминалось выше, существует большой изменения в конфигурациях отпечатков пальцев. Определение каждой категории отпечатков пальцев является сложной и неопределённой. Рисунок 1 показывает некоторые примеры возможных определяемых классов.

Процесс распознавания отпечатка пальца зависит от сравнения локальных характеристик хребта и их отношений, чтобы определить уникальность отпечатков пальцев. На изображении поверхности пальца можно определить достаточно большое количество мелких деталей (минуций), по которым можно их классифицировать. Два наиболее известных характеристики типа деталей узора, называемые особыми точками, являются.

конечные точки папиллярных линий;
точки ветвления –точки, в которых папиллярные линии раздваиваются.

Рис. 2 – Примеры минуции

Минуции отпечатками пальцев стабильны и устойчивы они могут быть легко идентифицированы. Примеры минуции показаны на рисунке 2 . Для данного отпечатка пальца, минуции можно охарактеризовать по его типу, его координаты х и у, и его направление.

Процесс распознавания отпечатков пальцев можно разделить на 5 основных шагов:

Приобретениеотпечатков пальцев. Качествополучаемогоотпечаткаявляется важным дляраспознавания отпечатков пальцев
Улучшение отпечатков пальцев. Этот шаг долженповыситьструктурыпапиллярныхлиний вповрежденныхизображений.
Классификация отпечатков пальцев. Это относится к назначению любого пальца к соответствующему классу .
Выделение минуций – На этом этапе структуры папиллярных линий рассмотрены и обнаружены и извлечены как черты.
Сравнение отпечатков пальцев. Процесс основан на сравнении между контрольным и сохраненным шаблоном отпечатков пальцев.

Классы алгоритмов сравнения отпечатков пальца

В настоящее время выделяют три класса алгоритмов сравнения отпечатков пальцев:

Корреляционное сравнение.

Два изображения отпечатка пальца накладываются друг на друга, и подсчитывается корреляция между соответствующими пикселями, вычисленная для различных выравниваний изображений друг относительно друга. Преимущества метода – низкие требования к качеству изображения отпечатка пальца.

Недостатки метод – большой объем памяти системы для сохранения изображений каждого отпечатка, и время процесса сравнения не быстро из-за больших множеств итераций и длительностей процедуры сравнения включать в себя, поэтому метод редко используется в биометрических системах идентификации личности человека.

Сравнение по особым точкам

На основе изображений отпечатков пальцев, полученные со сканера функции обработки электронного шаблона, представляющего собой двухмерную поверхность, на которой выделены конечные точки и точки ветвления.

Рис. 3 – Блок-схема алгоритма сравнения отпечатков пальцев с использование особых точек.

При идентификации изображение отпечатков пальцев выделяются конечные точки и точки ветвления, полученных точек сравниваются. По числам совпадений точек принимается решение процесса идентификации. Схема метода представлена на рисунке 3. Этап аутентификации по отпечатку пальца является сравнением исходных шаблонов с эталоном из базы данных по особым точкам. На основе результатов сравнений мы получим решение пропуска или отказа доступа.

Преимущества метода – быстрота работы и простота реализации метода. Недостатки данного – это высокие требования к качеству изображения отпечатков пальцев. Для их удовлетворения разрешения не меньше 300 dpi, а лучше – около 500 dpi.

Сравнение по узору.

Изображение отпечатка пальца разбивается на множество мелких ячеек. Расположение линий в каждой ячейке описывается параметрами некоторой синусоидальной волны. Данные волн (длина волны, направление волны) используются для идентификации.

Преимущества метода – низкие требования к качеству изображения и высокая скорость работы. Но из-за сложно реализации и высоких требований к солидной математической базе метод сравнения по узору не широкого используется.

Заключение

В статье рассмотрены преимущества и недостатки методов сравнения отпечатков пальцев для электронной идентификации. Чистые методы сравнения шаблонов и алгоритмы, полагающиеся только на сравнения ключевых точек, не могут удовлетворить всем требованиям, а чистый метод сравнения шаблонов не может работать со стандартизированными ключевыми точками. Проблем объедини преимущества методов обеспечивает высокофункциональное и гибкое решение среди разнообразия требований к точности и надёжности при идентификации личности человека.

Литература

Технология биометрической аутентификации Precise BioMatch. [Электронный ресурс]. – Режим доступа к ресурсу: www.morepc.ru.
Кухарев Г.А. Биометрические системы: Методы и средства идентификации личности человека. СПб.: Политехника. – 2001. – 240 с.
Задорожный В., “Идентификация по отпечаткам пальцев”, Часть 1, 2004;
Griffin P. Topics for multi-biometric research // MMUA. – 2003 [Электронный реcурс]. – Режим доступа: http://mmuaxs.ucsb.edu/, свободный(дата обращения: 20.01.2012).
Дуда З., Харт П. Распознавание образов и анализ сцен. – М.: Мир, 1976.
Патрик Э. Основы теории распознавания образов. – М.: Советское радио, 1980.

References

Tehnologija biometricheskoj autentifikacii Precise BioMatch. . – Rezhim dostupa k resursu: www.morepc.ru.
Kuharev G.A. Biometricheskie sistemy: Metody i sredstva identifikacii lichnosti cheloveka. SPb.: Politehnika. – 2001. – 240 s.
Zadorozhnyj V., “Identifikacija po otpechatkam pal’cev”, Chast’ 1, 2004;
Hong, L.: Automatic Personal Identification Using Fingerprints, Michigan State University, Department of Computer Science, 1998.
Griffin P. Topics for multi-biometric research // MMUA. – 2003 . – Rezhim dostupa: http://mmuaxs.ucsb.edu/, svobodnyj(data obrashhenija: 20.01.2012).
Duda Z., Hart P. Raspoznavanie obrazov i analiz scen. – M.: Mir, 1976.
Patrik Je. Osnovy teorii raspoznavanija obrazov. – M.: Sovetskoe radio, 1980.

Виталий Задорожный

PC Magazine/Russian Edition №1, 2004

Введение

Идентификация по отпечаткам пальцев - на сегодня самая распространенная биометрическая технология. По данным International Biometric Group, доля систем распознавания по отпечаткам пальцев составляет 52% от всех используемых в мире биометрических систем, и по прогнозам объем продаж таких систем только в 2003 г. составит примерно 500 млн. долл. с тенденцией удвоения этой суммы каждый год.

Определенно сказать, когда начали использовать отпечатки пальцев для опознания, сложно. Археологи в ходе раскопок достаточно часто сталкиваются с теми или иными изображениями отпечатков пальцев на камне, однако нельзя утверждать, что они использовались для идентификации. Кроме того, с другой стороны доподлинно известно, что в Древнем Вавилоне и Китае оттиски пальцев делали на глиняных табличках и печатях, а в XIV веке в Персии отпечатками пальцев «подписывали» различные государственные документы. Это говорит о том, что уже в то время было отмечено: отпечаток пальца - уникальная характеристика человека, по которой его можно идентифицировать.

Следующий этап развития технологии - начало ее использования в криминалистике, к середине XIX века были сделаны первые предположения об уникальности отпечатков пальцев каждого человека и попытки классификации их по различным участкам папиллярного узора. Все это привело к появлению в 1897 г. (по некоторым сведениям 1899 г.) «системы Генри», первой получившей широкое распространение классификации отпечатков пальцев, разработанной англичанином Эдвардом Генри во время его пребывания в Индии. К концу XIX века появились первые алгоритмы сравнения отпечатков пальцев. В последующие 25 лет «система Генри» прошла адаптацию для использования на государственном уровне в различных странах и примерно с 1925 г. начала широко применяться в криминалистике по всему миру.

Однако, несмотря на широкое распространение методики распознавания отпечатков пальцев для идентификации человека, в первую очередь в криминалистике, до сих пор научно не доказано, что рисунок папиллярного узора пальца человека - абсолютно уникальная характеристика. И хотя за всю более чем столетнюю историю использования этой технологии в криминалистике и других областях не возникло ситуации, когда нашлось бы два человека с абсолютно одинаковыми отпечатками пальцев (ошибки программно-аппаратных реализаций алгоритмов распознавания в расчет не берем), уникальность отпечатков - это все же эмпирическое наблюдение.

Хотя, возможно, это тот самый случай, когда недоказанность гипотезы свидетельствует не о том, что она неверна, а о том, что она крайне сложно доказуема.

Во второй половине ХХ века в связи с появлением новых технических возможностей распознавание по отпечаткам пальцев начало выходить за рамки использования только в криминалистике и нашло свое применение в самых различных областях информационных технологий; в первую очередь такими областями стали:

системы управления доступом;
информационная безопасность (доступ в сеть, вход на ПК);
учет рабочего времени и регистрация посетителей;
системы голосования;
проведение электронных платежей;
аутентификация на Web-ресурсах;
различные социальные проекты, где требуется идентификация людей (благотворительные акции и т. д.);
проекты гражданской идентификации (пересечение государственных границ, выдача виз на посещение страны и т.п.).

Остановимся подробнее на внутренних аспектах работы современных биометрических систем распознавания по отпечаткам пальцев, на том, с чего начинается их работа и что является ядром любой такой системы.

В первой части статьи будут рассмотрены методы получения отпечатка пальца в электронном виде, проще говоря, типы сканеров и методы сканирования пальцев.

Во второй части статьи будут раскрыты основные методы распознавания отпечатков пальцев, алгоритмы построения систем распознавания и некоторые методы защиты от муляжей.

Сканирование отпечатков пальцев

Получение электронного представления отпечатков пальцев с хорошо различимым папиллярным узором - достаточно сложная задача. Поскольку отпечаток пальца слишком мал, для получения его качественного изображения приходится использовать достаточно изощренные методы.

Все существующие сканеры отпечатков пальцев по используемым ими физическим принципам можно разделить на три группы:

оптические;
кремниевые;
ультразвуковые.

Рассмотрим каждую из них, укажем их достоинства и недостатки, а также ведущих производителей (иногда единственных), занимающихся реализацией каждого из методов.

Оптические сканеры - основаны на использовании оптических методов получения изображения. В настоящее время существуют следующие технологии реализации оптических сканеров:

1. FTIR-сканеры - представляют собой устройства, в которых используется эффект нарушенного полного внутреннего отражения (Frustrated Total Internal Reflection, FTIR). Рассмотрим данный эффект подробнее, чтобы пояснить полный алгоритм работы таких сканеров.

При падении света на границу раздела двух сред световая энергия делится на две части: одна отражается от границы, другая - проникает через границу раздела во вторую среду. Доля отраженной энергии зависит от угла падения. Начиная с некоторой его величины, вся световая энергия отражается от границы раздела. Это явление называется полным внутренним отражением . Однако при контакте более плотной оптической среды (в нашем случае поверхность пальца) с менее плотной (в практической реализации, как правило, поверхность призмы) в точке полного внутреннего отражения пучок света проходит через эту границу. Таким образом, от границы отразятся только пучки света, попавшие в такие точки полного внутреннего отражения, к которым не были приложены бороздки папиллярного узора поверхности пальца. Для фиксации получившийся таким образом световой картинки поверхности пальца используется специальная камера (ПЗС или КМОП в зависимости от реализации сканера).

Ведущие производители сканеров данного типа: BioLink, Digital Persona, Identix.

2. Оптоволоконные сканеры (fiber optic scanners) - представляют собой оптоволоконную матрицу, каждое из волокон которой заканчивается фотоэлементом. Чувствительность каждого фотоэлемента позволяет фиксировать остаточный свет, проходящий через палец, в точке прикосновения рельефа пальца к поверхности сканера. Изображение отпечатка пальца формируется по данным каждого из элементов.

Ведущий производитель сканеров данного типа Delsy.

3. Электрооптические сканеры (electro-optical scanners) - в основе данной технологии лежит использование специального электрооптического полимера, в состав которого входит светоизлучающий слой. При прикладывании пальца к сканеру неоднородность электрического поля у его поверхности (разность потенциалов между бугорками и впадинами) отражается на свечении этого слоя так, что он высвечивает отпечаток пальца. Затем массив фотодиодов сканера преобразует это свечение в цифровой вид.

Ведущий производитель сканеров данного типа Security First Corp (Ethentica).

4. Оптические протяжные сканеры (sweep optical scanners) -в целом аналогичны FTIR-устройствам. Их особенность в том, что палец нужно не просто прикладывать к сканеру, а проводить им по узкой полоске - считывателю. При движении пальца по поверхности сканера делается серия мгновенных снимков (кадров). При этом соседние кадры, снимаются с некоторым наложением, т. е. перекрывают друг друга, что позволяет значительно уменьшить размеры используемой призмы и самого сканера. Для формирования (точнее сборки) изображения отпечатка пальца во время его движения по сканирующей поверхности кадрам используется специализированное программное обеспечение.

Ведущий производитель сканеров данного типа Kinetic Sciences.

5. Роликовые сканеры (roller-style scanners) - в этих миниатюрных устройствах сканирование пальца происходит при прокатывании пальцем прозрачного тонкостенного вращающегося цилиндра (ролика). Во время движения пальца по поверхности ролика делается серия мгновенных снимков (кадров) фрагмента папиллярного узора, соприкасающегося с поверхностью. Аналогично протяжному сканеру соседние кадры снимаются с наложением, что позволяет без искажений собрать полное изображение отпечатка пальца. При сканировании используется простейшая оптическая технология: внутри прозрачного цилиндрического ролика находятся статический источник света, линза и миниатюрная камера. Изображение освещаемого участка пальца фокусируется линзой на чувствительный элемент камеры. После полной «прокрутки» пальца, «собирается картинка» его отпечатка.

Ведущие производители сканеров данного типа: Digital Persona, CASIO Computer, ALPS Electric.

6. Бесконтактные сканеры (touchless scanners)- в них не требуется непосредственного контакта пальца с поверхностью сканирующего устройства. Палец прикладывается к отверстию в сканере, несколько источников света подсвечивают его снизу с разных сторон, в центре сканера находится линза, через которую, собранная информация проецируется на КМОП-камеру, преобразующую полученные данные в изображение отпечатка пальца.

Ведущий производитель сканеров данного типа Touchless Sensor Technology.

Отметим несколько исторически сложившихся недостатков оптических сканеров и укажем, какие из них уже исправлены:

невозможность сделать их компактными, однако, как это видно из приведенных выше четырех из шести рисунков, в настоящее время это возможно;
оптические модули достаточно дороги из-за большого числа компонентов и сложной оптической системы. И эта проблема на сегодня решена: цена оптических сенсоров некоторых производителей сейчас 10 -- 15 долл. (не путать с ценой сенсора в корпусе для конечного пользователя в комплекте с ПО);
оптические сканеры не устойчивы к муляжам и мертвым пальцам. Этому вопросу будет посвящена следующая часть статьи, однако уже сейчас стоит отметить, что практически все производители реализовали механизмы защиты от муляжей на том или ином этапе обработки сканируемого изображения.

Полупроводниковые сканеры - в их основе лежит использование для получения изображения поверхности пальца свойств полупроводников, изменяющихся в местах контакта гребней папиллярного узора с поверхностью сканера. В настоящее время существует несколько технологий реализации полупроводниковых сканеров.

1. Емкостные сканеры (capacitive scanners) - наиболее широко распространенный тип полупроводниковых сканеров, в которых для получения изображения отпечатка пальца используется эффект изменения емкости pn-перехода полупроводникового прибора при соприкосновении гребня папиллярного узора с элементом полупроводниковой матрицы. Существуют модификации описанного сканера, в которых каждый полупроводниковый элемент в матрице сканера выступает в роли одной пластины конденсатора, а палец - в роли другой. При приложении пальца к сенсору между каждым чувствительным элементом и выступом-впадиной папиллярного узора образуется некая емкость, величина которой определяется расстоянием между поверхностью пальца и элементом. Матрица этих емкостей преобразуется в изображение отпечатка пальца.

Ведущие производители сканеров данного типа: Infineon, ST-Microelectronics, Veridicom.

2. Чувствительные к давлению сканеры (pressure scanners) - в этих устройствах используются сенсоры, состоящие из матрицы пьезоэлементов. При прикладывании пальца к сканирующей поверхности выступы папиллярного узора оказывают давление на некоторое подмножество элементов поверхности, соответственно впадины никакого давления не оказывают. Матрица полученных с пьезоэлементов напряжений преобразуется в изображение поверхности пальца.

Ведущий производитель сканеров данного типа: BMF.

3. Термо-сканеры (thermal scanners) - в них используются сенсоры, которые состоят из пироэлектрических элементов, позволяющих фиксировать разницу температуры и преобразовывать ее в напряжение (этот эффект также используется в инфракрасных камерах). При прикладывании пальца к сенсору по температуре прикасающихся к пироэлектрическим элементам выступов папиллярного узора и температуре воздуха, находящегося во впадинах, строится температурная карта поверхности пальца и преобразуется в цифровое изображение.

Обобщенно говоря, во всех приведенных полупроводниковых сканерах используются матрица чувствительных микроэлементов (тип которых определяется способом реализации) и преобразователь их сигналов в цифровую форму. Таким образом, обобщенно схему работы приведенных полупроводниковых сканеров можно продемонстрировать следующим образом. (См. рисунок.)

Выше были описаны наиболее распространенные («классические») типы полупроводниковых сканеров, далее мы рассмотрим другие, менее распространенные типы.

4. Радиочастотные сканеры (RF-Field scanners) - в таких сканерах используется матрица элементов, каждый из которых работает как маленькая антенна. Сенсор генерирует слабый радиосигнал и направляет его на сканируемую поверхность пальца, каждый из чувствительных элементов принимает отраженный от папиллярного узора сигнал. Величина наведенной в каждой микроантенне ЭДС зависит от наличия или отсутствия в близи нее гребня папиллярного узора. Полученная таким образом матрица напряжений преобразуется в цифровое изображение отпечатка пальца.

Ведущий производитель сканеров данного типа: Authentec.

5. Протяжные термо-сканеры (thermal sweep scanners) - разновидность термо-сканеров, в которых используется, как и в оптических протяжных сканерах, проведение пальца по поверхности сканера, а не просто прикладывание.

Ведущий производитель сканеров данного типа: Atmel.

6. Емкостные протяжные сканеры (capacitive sweep scanners) - используют аналогичный способ покадровой сборки изображения отпечатка пальца, но каждый кадр изображения получается с помощью емкостного полупроводникового сенсора.

Ведущий производители сканеров данного типа: Fujitsu.

7. Радиочастотные протяжные сканеры (RF-Field sweep scanners)- аналогичны емкостным, но используют радиочастотную технологию.

Производит сканеры данного типа: Authentec.

Отметим основные недостатки полупроводниковых сканеров, хотя они характерны не для всех описанных методов:

сканеры, в частности, чувствительные к давлению, дают изображение низкого разрешения и маленького размера;
необходимость прикладывания пальца непосредственно к полупроводниковой поверхности (так как любой промежуточный слой влияет на результаты сканирования) ведет к ее быстрому изнашиванию;
чувствительность к сильным внешним электрическим полям, которые могут вызвать электростатические разряды, способные вывести сенсор из строя (относится в первую очередь к емкостным сканерам);
большая зависимость качества изображения от скорости движения пальца по сканирующей поверхности присуща прокаточным сканерам.

Ультразвуковые сканеры - данная группа в настоящее время представлена всего одним методом сканирования, который так и называется.

Ультразвуковое сканирование - это сканирование поверхности пальца ультразвуковыми волнами и измерение расстояния между источником волн и впадинами и выступами на поверхности пальца по отраженному от них эху. Качество получаемого таким способом изображения в 10 раз лучше, чем полученного любым другим представленным на биометрическом рынке методом. Кроме этого стоит отметить, что данный способ практически полностью защищен от муляжей, поскольку позволяет кроме отпечатка пальца получать и некоторые дополнительные характеристики о его состоянии (например, пульс внутри пальца).

Ведущий производитель сканеров данного типа Ultra-Scan Corporation (UCS).

Основные недостатки ультразвуковых сканеров - это:

высокая цена по сравнению с оптическими и полупроводниковыми сканерами;
большие размеры самого сканера.

В остальном, можно смело сказать, что ультразвуковое сканирование сочетает в себе лучшие характеристики оптической и полупроводниковой технологий.

Подводя итог написанному выше, хотелось бы отметить бурный рост числа методов сканирования отпечатков пальцев. Еще недавно существовало всего две технологии: оптическая FTIR и полупроводниковая емкостная со своими устойчивыми преимуществами и недостатками. Однако за последние десять лет технология распознавания настолько развилась, что сканеры последнего поколения не только преодолели практически все свои старые недостатки, но и приобрели ряд особо привлекательных черт, таких, как крайне малый размер и небольшая цена. Кроме этого, появилась принципиально новая ультразвуковая технология сканирования, которой еще только предстоит пройти все этапы становления. Но уже сейчас можно говорить о ее громадном потенциале.