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.

Организационные методы защиты

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.