→ → Дактилоскопия - это способ идентификации человека по отпечаткам пальцев. Папиллярный узор. Современные технологии идентификации личности по отпечатку пальца с использованием емкостных датчиков Технологии сканирования отпечатка пальца

Дактилоскопия - это способ идентификации человека по отпечаткам пальцев. Папиллярный узор. Современные технологии идентификации личности по отпечатку пальца с использованием емкостных датчиков Технологии сканирования отпечатка пальца

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.

Для обеспечения конфиденциальности информации предлагались различные средства авторизации и аутентификации пользователя для предоставления ему необходимого физического доступа к данным, финансовым средствам и т.п. В основе большинства современных систем аутентификации лежит принцип получения, сбора и измерения биометрической информации, то есть информации об определенных физиологических характеристиках человека.

реимущество биометрических систем идентификации по сравнению с традиционными (например, PIN-кодовыми системами или системами доступа по паролю) заключается в том, что идентифицируется собственно человек. Используемая в этих системах характеристика является неотъемлемой частью личности, ее невозможно потерять, передать, забыть. Поскольку биометрические характеристики каждого индивидуума уникальны, они могут использоваться для предотвращения воровства или мошенничества. Сегодня существует большое число компьютеризированных помещений, хранилищ, исследовательских лабораторий, банков крови, банкоматов, военных сооружений и т.д., доступ к которым контролируется устройствами, сканирующими уникальные физиологические характеристики человека.

В последние годы к вопросам безопасности информационных сетей, а в частности биометрических систем безопасности, было приковано самое пристальное внимание. Свидетельство тому - огромное количество статей, посвященных обзору ставших уже традиционными и известными широкому кругу читателей методов идентификации человека: по отпечаткам пальцев, по сетчатке и радужной оболочке глаза, по особенностям и структуре лица, по геометрии кисти руки, по речи и почерку.

Анализ научно-технической и периодической научно-популярной литературы позволяет систематизировать такие системы в плане трудоемкости их разработки и обеспечиваемой точности и надежности результатов измерений (рис. 1). Некоторые технологии уже сегодня получили широкое внедрение, другие еще только разрабатываются. В данной статье мы приведем примеры систем как первой, так и второй группы.

Пароли сегодняшнего дня

Идентификация по отпечаткам пальцев

На сегодняшний день одной из самых распространенных биометрических технологий является технология идентификации по отпечаткам пальцев. Системы, использующие такие технологии, берут свое начало от криминалистических систем, когда отпечаток пальца преступника заносился в картотеку, а затем сравнивался с предъявленным отпечатком. С тех пор появилось большое количество усовершенствованных устройств, сканирующих отпечатки пальцев. Исследования в данной области показали, что отпечаток пальца человека не изменяется со временем, а при повреждении кожного покрова идентичный папиллярный узор полностью восстанавливается. Очевидно, в силу указанных причин, а также вследствие того, что сканирование отпечатка пальца, в отличие от многих других способов идентификации, не вызывает дискомфорта у человека, данный способ стал самым распространенным способом идентификации. Еще одним плюсом использования данной методики является достаточно высокая точность распознавания. Компании, занимающиеся разработкой устройств сканирования отпечатков пальцев, постоянно совершенствуют свои алгоритмы и значительно преуспели в этом. Например, компания BioLink Technologies выпустила BioLink U-Match Mouse (рис. 2), cтандартную компьютерную мышь с колесом прокрутки со встроенным оптическим сканером отпечатков пальцев: интерфейс - USB или COM+PS/2; защита от муляжей и «неживых» пальцев; использование передовых оптических элементов обеспечивает высокое качество сканирования и точность распознавания. Биометрический сканер BioLink U-Match MatchBook выполнен в виде отдельного устройства (рис. 3), время сканирования - 0,13 с, время распознавания - 0,2 с, USB-интерфейс, реализована защита от муляжей. Эти устройства демонстрируют такой показатель точности распознавания, при котором вероятность того, что доступ к защищенной информации получит неавторизованный пользователь, равна 1 на 1 млрд. предъявлений отпечатка пальца.

На отечественном рынке популярность приобретают мыши со сканером от компании Siemens, клавиатуры со встроенным сканером от компании Cherry, а также ноутбуки со сканером отпечатков пальцев; представлены и устройства от других производителей. Поэтому если руководитель предприятия решится заменить устаревшую систему безопасности на более совершенные средства защиты информации, ему будет из чего выбирать.

Анализ мирового биометрического рынка показывает, что технологии распознавания по отпечаткам пальцев представляют 50% биометрического рынка, а вместе с криминалистическими системами - и все 80%. По итогам 2001 года компания International Biometric Group констатировала, что технологии идентификации по отпечаткам пальцев все так же занимают лидирующее положение среди всех биометрических технологий, представленных на рынке.

Для использования стандартной биометрической системы распознавания по отпечаткам пальцев пользователю необходимо сначала зарегистрироваться в системе. При этом нет основания опасаться, что отпечаток вашего пальца будет храниться в памяти устройства - большинство систем хранят в памяти не реальную картинку отпечатка, а лишь цифровой шаблон, по которому невозможно восстановить реальный образ, поэтому права пользователя никоим образом не нарушаются. Так, при использовании устройств компании BioLink Technologies изображение отпечатка моментально преобразуется в небольшой цифровой код (размером всего 512 байт).

Внедрение биометрической защиты отнюдь не всегда требует замены существующей системы безопасности. Часто можно произвести замену паролей на биометрический паспорт пользователя с минимальными затратами. Например, решения компании BioLink Technologies позволяют установить систему биометрической защиты поверх стандартной парольной системы безопасности. При этом происходит совершенно безболезненная замена паролей на отпечатки пальцев. Таким образом, можно надежно защитить вход в операционную систему (Windows NT/2000, Windows 95/98, Novell NetWare) и режимы принудительной блокировки, экранной заставки и спящего режима, а также заменить стандартные средства защиты прикладных программ защитой по отпечатку пальца. Все эти базовые функции, а также многие другие возможности реализуются программным обеспечением BioLink Authentication Center версии 4.2 - единственной на сегодняшний день полностью русифицированной системой такого класса. При этом модели отпечатков пальцев хранятся централизованно - на программно-аппаратном комплексе аутентификации Authenteon (рис. 4). Сервер обеспечивает безопасное хранение до 5 тыс. моделей отпечатков пальцев, по которым невозможно воспроизвести реальный образ отпечатка, и другой секретной информации. Кроме того, сервер Authenteon - это централизованное администрирование пользователей, а также возможность для администратора легко раздавать зарегистрированным пользователям различные привилегии доступа к разным ресурсам без повторной регистрации. Отказоустойчивость сервера реализована следующим образом: сервер представляет собой корпус, в который помещены два независимых физических сервера, что делает возможными замену в горячем режиме и репликацию базы данных на работающий сервер.

Поскольку в настоящее время все большую популярность приобретают Интернет-приложения (Интернет-банкинг, электронная коммерция, корпоративные порталы), разработчики BioLink позаботились о возможности внедрения биометрической идентификации по отпечаткам пальцев в Интернет-приложения. Таким образом, любая компания, предприятие или учреждение может надежно защитить секретную информацию.

Решения компании BioLink Technologies прежде всего рассчитаны на средние и крупные предприятия. При этом комплексное русифицированное решение (ПО + устройства ввода + аппаратный сервер) наилучшим образом может быть интегрировано с информационными и ERP-системами, используемыми на предприятии, что позволяет, с одной стороны, значительно сократить расходы на администрирование парольных систем, а с другой - надежно обезопасить конфиденциальную информацию от несанкционированного доступа как извне, так и внутри предприятия.

Кроме того, появляется возможность решить еще одну актуальную проблему - значительно уменьшить риски при передаче данных в финансовые, банковские и другие системы, осуществляющие важные транзакции с использованием сети Интернет.

Системы идентификации по радужной оболочке глаза

Как следует из рис. 1, наибольшую точность и надежность на современном этапе обеспечивают биометрические системы идентификации на основе анализа и сопоставления радужной оболочки глаза. Ведь глаз с одинаковой радужной оболочкой, даже у полностью идентичных близнецов, не существует. Формируясь в первый год жизни, этот параметр остается для человека уникальным в течение всего времени его существования. Этот метод идентификации отличается от первого большей сложностью в использовании, более высокой стоимостью аппаратуры и жесткими условиями регистрации.

В качестве примера современной системы идентификации на основе анализа радужной оболочки глаза уместно привести решение от компании LG.

Система IrisAccess позволяет менее чем за секунду отсканировать рисунок радужной оболочки глаза, обработать и сравнить с 4 тыс. других записей, которые она хранит в своей памяти, а затем послать соответствующий сигнал в охранную систему. Технология - полностью бесконтактная (рис. 5). На основе изображения радужной оболочки глаза строится компактный цифровой код размером 512 байт. Устройство имеет высокую надежность по сравнению с большинством известных систем биометрического контроля (рис. 6), поддерживает объемную базу данных, выдает звуковые инструкции на русском языке, позволяет интегрировать в систему карты доступа и PIN-клавиатуры. Один контроллер поддерживает четыре считывателя. Система может быть интегрирована в LAN.

IrisAccess 3000 состоит из оптического устройства внесения в реестр EOU3000, удаленного оптического устройства ROU3000, контрольного устройства опознавания ICU3000, платы захвата изображения, дверной интерфейсной платы и PC-сервера.

Если требуется осуществлять контроль за несколькими входами, то ряд удаленных устройств, включая ICU3000 и ROU3000, может быть подключен к PC-серверу через локальную сеть (LAN). Описания основных компонентов системы представлены на врезке.

Организация контроля доступа и принципиальная схема развертывания охранной системы на базе IrisAccess от компании LG представлены на рис. 7 , .

Системы распознавания речи

Самую нижнюю позицию на рис. 1 - как в плане трудоемкости, так и в плане точности - занимают системы идентификации на основе распознавания речи. Причинами внедрения этих систем являются повсеместное распространение телефонных сетей и практика встраивания микрофонов в компьютеры и периферийные устройства, например в камеры. В качестве недостатков таких систем можно назвать факторы, влияющие на результаты распознавания: помехи в микрофонах, влияние окружающей обстановки на результаты распознавания (шум), ошибки при произнесении, различное эмоциональное состояние проверяемого в момент регистрации эталона и при каждой идентификации, использование разных устройств регистрации при записи эталонов и идентификации, помехи в низкокачественных каналах передачи данных и т.п.

Пароли будущего

Мы привели примеры биометрических устройств, которые уже достаточно широко применяются для контроля доступа, однако научно-технический прогресс не стоит на месте, и поэтому спектр технологий, которые могут использоваться в системах безопасности, постоянно расширяется. В настоящее время ряд биометрических технологий находится в стадии разработки, причем некоторые из них считаются весьма перспективными. Поэтому поговорим о технологиях, которые пока не нашли массового внедрения, но через некоторое время вполне могут встать в один ряд с наиболее надежными технологиями, используемыми сегодня. К этому списку мы отнесли следующие технологии:

  1. построение термограммы лица на основе информации от датчика инфракрасного излучения;
  2. анализ характеристик ДНК;
  3. анализ динамики ударов по клавиатуре компьютера при печатании текста;
  4. анализ структуры кожи и эпителия на пальцах на основе цифровой ультразвуковой информации;
  5. анализ отпечатков ладоней;
  6. анализ формы ушной раковины;
  7. анализ характеристик походки человека;
  8. анализ индивидуальных запахов человека.

Рассмотрим суть этих методов подробнее. Технология построения и анализа термограммы (рис. 9) является одним из последних достижений в области биометрии. Как обнаружили ученые, использование инфракрасных камер дает уникальную картину объектов, находящихся под кожей лица. Разные плотности кости, жира и кровеносных сосудов строго индивидуальны и определяют термографическую картину лица пользователя. Согласно научным заключениям, термограмма лица является уникальной, вследствие чего можно уверенно различать даже абсолютно похожих близнецов. Из дополнительных свойств этого подхода можно отметить его инвариантность по отношению к любым косметическим или косметологическим изменениям, включая пластическую хирургию, изменения макияжа и т.п., а также скрытность процедуры регистрации.

Технология, построенная на анализе характеристик ДНК, или, как ее называют ученые, метод геномной идентификации (рис. 10) является, по всей видимости, хотя и самой долгосрочной, но и наиболее перспективной из систем идентификации. В настоящее время данный метод контроля является слишком медленным и сложным для автоматизации. Метод основан на том, что в ДНК человека имеются полиморфные локусы (локус - положение хромосомы (в гене или аллели), часто имеющие 8-10 аллелей. Определение набора этих аллелей для нескольких полиморфных локусов у конкретного индивида позволяет получить своего рода геномную карту, характерную только для этого человека. Точность данного метода определяется характером и количеством анализируемых полиморфных локусов и на сегодняшний день позволяет достичь уровня ошибки 1 на 1 млн. человек.

Динамика ударов по клавиатуре компьютера при печатании текста, или клавиатурный почерк, анализирует способ (ритм) печатания пользователем той или иной фразы. Существуют два типа систем распознавания клавиатурного почерка. Первые предназначены для аутентификации пользователя при попытке получения доступа к вычислительным ресурсам. Вторые осуществляют мониторинговый контроль уже после предоставления доступа и блокируют систему, если за компьютером начал работать не тот человек, которому доступ был предоставлен первоначально. Ритм работы на клавиатуре, как показали исследования ряда фирм и организаций, является достаточно индивидуальной характеристикой пользователя и вполне пригоден для его идентификации и аутентификации . Для его измерения оцениваются промежутки времени либо между ударами при печатании символов, расположенных в определенной последовательности, либо между моментом удара по клавише и моментом ее отпускания при печатании каждого символа в этой последовательности. Хотя второй способ считается более эффективным, наилучший результат достигается совместным использованием обоих способов. Отличительной особенностью этого метода является его дешевизна, так как для анализа информации не требуется никакого оборудования, кроме клавиатуры. Следует отметить, что на настоящий момент данная технология находится в стадии разработки, и поэтому сложно оценить степень ее надежности, особенно с учетом высоких требований, предъявляемых к системам безопасности.

Для идентификации человека по руке используют несколько биометрических параметров - это геометрическая форма кисти руки или пальцев, расположение подкожных кровеносных сосудов ладони, узор линий на ладони.

Технология анализа отпечатков ладоней стала развиваться сравнительно недавно, но уже имеет определенные достижения. Причиной развития этой технологии послужил тот факт, что устройства для распознавания отпечатков пальцев имеют недостаток - им нужны только чистые руки, а отпечаток грязного пальца система может и не распознать. Поэтому ряд компаний-разработчиков сосредоточились на технологии, анализирующей не рисунок линий на коже, а очертание ладони, которое также имеет индивидуальный характер. Так, в середине прошлого года в Великобритании началась разработка новой компьютерной системы, которая позволит устанавливать личность подозреваемых по отпечаткам ладоней. Аналогичная система, работающая с отпечатками пальцев, успешно используется британскими полицейскими уже три года. Но одних лишь отпечатков пальцев, как утверждают криминалисты, часто оказывается недостаточно. До 20% следов, оставляемых на месте преступления, - это отпечатки ладоней. Однако их анализ традиционными средствами достаточно трудоемок. Компьютеризация этого процесса позволит использовать отпечатки ладоней более широко и приведет к существенному увеличению раскрываемости преступлений. Ожидается, что система будет внедрена к началу 2004 года, а ее создание обойдется Министерству внутренних дел в 17 млн. фунтов стерлингов. Следует отметить, что устройства сканирования ладони, как правило, имеют высокую стоимость, и поэтому оснастить ими большое количество рабочих мест не так уж и просто.

Технология анализа формы ушной раковины является одной из самых последних подходов в биометрической идентификации человека. С помощью даже недорогой Web-камеры можно получать довольно надежные образцы для сравнения и идентификации. Нужно отметить, что, поскольку этот способ недостаточно изучен, нам не удалось найти в научно-технической литературе достоверной информации о текущем состоянии дел.

Способность собак различать людей по запаху и наличие генетического влияния на запах тела позволяют считать эту характеристику, несмотря на ее зависимость от обычаев и индивидуальных привычек (пользование парфюмерией, диета, употребление лекарств и пр.), перспективной в плане использования в целях биометрической аутентификации личности. В настоящее время уже ведутся разработки систем «электронного носа» (рис. 11). Как правило, «электронный нос» представляет собой комплексную систему, состоящую из трех функциональных узлов, работающих в режиме периодического восприятия пахучих веществ: системы пробоотбора и пробоподготовки, линейки или матрицы сенсоров с заданными свойствами и блока процессорной обработки сигналов матрицы сенсоров. Этой технологии, как и технологии анализа формы ушной раковины, еще предстоит пройти долгий путь развития, прежде чем она станет удовлетворять биометрическим требованиям.

В заключение хочется отметить, что пока еще рано предсказывать, где, как и в каком виде будут в конечном итоге представлены надежные биометрические службы. Но совершенно ясно, что невозможно обойтись без биометрической идентификации, если необходимо получить позитивные, надежные и неопровержимые результаты проверки. Поэтому не исключено, что в самом ближайшем будущем пароли и PIN-коды уступят место новым, более надежным средствам авторизации и аутентификации.

КомпьютерПресс 3"2002


"Научно-технические статьи" - подборка научно-технических статей радиоэлектронной тематики: новинки электронных компонентов , научные разработки в области радиотехники и электроники , статьи по истории развития радиотехники и электроники , новые технологии и методы построения и разработки радиоэлектронных устройств, перспективные технологии будущего, аспекты и динамика развития всех направлений радиотехники и электроники , обзоры выставок радиоэлектронной тематики.

Стремление защитить от посягательств собственную жизнь, жилище, имущество и финансы свойственно каждому человеку. Но привычные методы удостоверения личности - предъявление паспорта или собственноручная подпись - оказываются недостаточно надежными, поскольку документы могут быть потеряны, украдены или подделаны с использованием современных технологий, а подписи - сфальсифицированы. Жизнь заставляет искать новые, более надежные методы.

Введение

В свете последних событий, происходящих в мире, особенно в связи с ростом активности международного терроризма, вопросам безопасности уделяется все более пристальное внимание. Один из важнейших разделов безопасности - установление подлинности личности. Задача идентификации человека становится критической даже во многих повседневных ситуациях. Все чаще приходится сталкиваться со случаями мошенничества лиц, выдающих себя за других при попытке входа в гостиничные номера, получении доступа в сети ЭВМ или совершении интерактивной покупки.

Биометрическое опознание

Один из возможных способов идентификации - биометрическое установление подлинности субъекта, основанное на измерении уникальных и постоянных личностных параметров. Основные характеристики человека могут быть разделены на две группы - поведенческие и физиологические. К поведенческим характеристикам относятся, например, манера разговора, стиль работы на клавиатуре компьютера или почерк, а в группу уникальных физиологических параметров входят отпечатки пальцев, геометрия ладони, радужная или сетчатая оболочка глаза, внешний вид лица. Практические методы биометрии опираются больше на физиологические характеристики, поскольку поведенческие все-таки подвержены изменениям в зависимости от состояния человека. К примеру, простуда может изменить не только тембр голоса, но и манеру речи: даже словоохотливые люди избегают при этом излишних разговоров.

В то же время, многие части тела человека достаточно уникальны и могут использоваться для идентификации. Так, при поиске приятеля в толпе мы используем некий общий алгоритм узнавания лица, реализуемый нашим интеллектом. Более конкретный упрощенный алгоритм вполне осуществим с помощью компьютера. Лицо человека снимается камерой, и определенные лицевые формы сопоставляются с информацией, имеющейся в базе данных.

Человеческий глаз также является собранием множества уникальных данных. Соответственно фокусируя камеру, можно "срисовать" глаз для сопоставления с изображением образца радужной оболочки. А можно с использованием подсвечивающего сканера сличать отраженный от глазного дна свет со "слепком" сетчатки. Не менее уникальна рука. Биометрическими характеристиками являются геометрия и топология ее поверхности. Особую роль играют отпечатки пальцев.

Отпечатки пальцев были юридически приняты для идентификации личности более столетия назад, а опознание по отпечатку активно используется в криминологии уже с двадцатых годов прошлого века. Они уникальны для каждого индивидуума, не могут быть изменены и используются там, где недопустимы ошибки идентификации личности, например, в уголовном праве или при организации доступа с высшим уровнем защиты.

Исторически для снятия отпечатка пальца используются системы с оптическими датчиками, но долгое время они оставались весьма дорогостоящими, крупногабаритными и недостаточно надежными. В конце 90-х годов появление недорогих, основанных на иных принципах устройств для сбора данных об отпечатке пальца привело к прогрессу технологий идентификации личности по отпечатку - от ограниченного использования до широкого применения в ряде новых областей.

Технологии сканирования отпечатка пальца

Как уже было упомянуто, старейшей технологией является оптическая. Сканирование отпечатка пальца мини-камерами на ПЗС или КМОП-чипе позволило существенно уменьшить стоимость систем идентификации. Но этот способ снятия отпечатка сталкивается с некоторыми трудноразрешимыми проблемами: получаемый образ зависит от окружающего освещения, на границах образа возможны искажения, датчик может быть относительно легко "обманут" (некоторые дешевые датчики можно "дурачить" печатной копией, сделанной на обычном копире). Остаются проблемы и с размерами сканера. Датчик не может быть меньше, чем фокусное расстояние камеры. Среди главных преимуществ оптических систем можно еще раз упомянуть относительно низкую цену и практическую неуязвимость к воздействию электростатического разряда.

Абсолютно новой является технология использования электромагнитного поля. Датчик излучает слабый электромагнитный сигнал, который следует по гребням и впадинам отпечатка пальца и учитывает изменения этого сигнала для составления образа отпечатка. Такой принцип сканирования позволяет просматривать рисунок кожи под слоем омертвевших клеток, что приводит к хорошим результатам при распознавании бледных или стершихся отпечатков. Остается проблема отсутствия приемлемого соотношения между размером датчика и его разрешающей способностью.

Еще одна перспективная технология, которую следует упомянуть, - ультразвуковая. Трехмерный ультразвуковой сканер измеряет пересеченную поверхность пальца своего рода радаром. Этот метод сканирования может быть особенно удобен, например, в здравоохранении. Он не требует касания каких-либо считывающих устройств датчика стерильными руками, а отпечаток легко считы-вается даже через резиновые или пластиковые перчатки хирурга. Главное неудобство ультразвуковой технологии - ее высокая стоимость и длительное время сканирования.

Существуют и другие методы, либо использовавшиеся в прошлом, либо только разрабатываемые, однако объем журнальной статьи не позволяет рассмотреть их подробнее. Остановимся на одном из наиболее перспективных методов.

Емкостное сканирование отпечатка пальца

Емкостные сканеры отпечатка пальца изготавливают на кремниевой пластине, которая содержит область микроконденсаторов. Они расположены равномерно в квадратной или прямоугольной матрице. Прямоугольные датчики считаются более подходящими, поскольку больше соответствуют форме отпечатка. К тому же расширяется область, на которой читается образ отпечатка пальца, следовательно, увеличивается количество получаемой информации. Среди датчиков, доступных сегодня на рынке, самой большой областью чтения обладают датчики TouchChip компании STMicroelectro-nics. Поле чипа имеет размер 256 х 360 конденсаторов, то есть объем информации об отпечатке превышает 92 Кб. Один конденсатор занимает квадратную область размером 50 х 50 мкм. Из таких конденсаторов и формируется датчик, фиксирующий образ отпечатка с разрешением около 500 dpi.

Обычно всю кремниевую область защищает специально разработанное и запатентованное изготовителем датчика покрытие. Это очень твердый и стойкий слой, способный уберечь кремниевые схемы, но при этом настолько тонкий, что позволяет пальцу приближаться к ним максимально. Некоторые продавцы доказывают качество покрытия, публикуя результаты тестов, где утверждается, что защитный слой выдерживал более миллиона контактов.

Прежде чем приступить к детальному описанию емкостной технологии, выясним, какие преимущества и недостатки следуют из того, что палец находится в непосредственной близости к кристаллу ИС.

Недостатком может быть вероятность повреждения датчика электростатическим разрядом. В обычных микросхемах эту опасность устраняет корпус, но датчик отпечатка пальца может быть закрыт лишь чрезвычайно тонким покрытием. Чтобы отвести разряд, применяются дополнительные меры, например заземление. В современных датчиках эта технология настолько совершенна, что сканеры отпечатка пальца способны противостоять разрядам свыше 15 кВ (разряд такой величины, к примеру, от наэлектризованной одежды, весьма маловероятен).

Но почти непосредственное касание кристалла дает и некоторые преимущества. Например, становится легче отличить реальный отпечаток живого пальца от фальшивки или мертвого. Существует большое количество характеристик отпечатка живого пальца, которые могут быть измерены (например, температура, давление крови, пульс). Комбинируя подобные измерения и внедряя их в практику, можно получить более устойчивый к обману сканер отпечатка пальца. Использование соответствующего программного обеспечения дополнительно повышает способность сканера противостоять попыткам обмана.

Существует два основных способа емкостного сканирования - пассивный и активный. Оба основаны на заряде и разряде конденсаторов в зависимости от расстояния до кожи пальца в каждой отдельной точке поля и считывании соответствующего значения. Это возможно, поскольку размеры гребней и впадин на коже достаточно велики. Средняя ширина гребня - около 450 мкм. Сравнительно небольшой размер конденсаторных модулей (50 х 50 мкм) позволяет замечать и фиксировать различия емкости даже на близких точках кожи.

Пассивный принцип сканирования

В пассивных кремниевых сканерах каждая ячейка имеет лишь одну из пластин конденсатора. Другую пластину образует поверхность пальца. Сканирование состоит из двух этапов. На первой стадии, когда палец касается поверхности чипа, пластины датчика заряжаются (обычно целый ряд одновременно) и на так называемых схемах выборки и хранения запоминаются значения напряжения на каждой из них. На втором этапе, когда палец убирается, ряды пластин датчика разряжаются и в другом комплекте схем выборки и хранения запоминаются остаточные значения напряжения на пластинах. Разница между зарядным и остаточным напряжениями пластины пропорциональна емкости ячейки датчика. Последовательно, ряд за рядом сосканированные и оцифрованные ячейки создают образ отпечатка пальца. Такой способ доступа к пластинам минимизирует потребность в схемах выборки и хранения до двух для каждого ряда.

Подобный сканер допускает варьирование в определенных пределах величин зарядного и разрядного потенциалов, а также времени задержки между этапами сканирования, чтобы обеспечивать возможность считывания отпечатка пальца в различных состояниях (влажные, сухие). Но даже с использованием такого регулирования контроль образа не может быть столь же полным, как при активной технологии, где управляются обе пластины конденсаторов.

Активный принцип сканирования

Ячейка датчика содержит обе пластины конденсатора, соединенные в активную емкостную схему обратного питания через инвертор (инвертирующий усилитель), который играет роль накопителя заряда: одна пластина связана с входом инвертора, а другая - с выходом (см. рис. 1). Функция накопителя заключается в преобразовании емкости обратного питания в напряжение на выходе, которое можно оцифровывать.

Рис. 1. Активное емкостное сканирование

Активный датчик, так же как и пассивный, работает в два этапа. На первом этапе ключом "Сброс" замыкаются вход и выход инвертора, сбрасывая схему в начальное состояние. Во второй стадии на пластину конденсатора, связанную с входом накопителя, подается калиброванный заряд, создавая между пластинами электромагнитное поле. Кожа пальца взаимодействует с полем, изменяя действующую емкость. В зависимости от наличия гребня или впадины отпечатка емкость конденсатора соответственно уменьшается или увеличивается. Значение этой результирующей емкости оцифровывается.

Поскольку каждая из ячеек датчика имеет собственный накопитель заряда, пикселы "картинки" адресуются методом произвольного доступа. Это позволяет использовать дополнительные функции обработки образа отпечатка (например, просмотр только выделенной области или предварительный просмотр - более быстрый, но с меньшим разрешением).

Активная технология сканирования обеспечивает намного более высокую устойчивость к внешним воздействиям, имеет более высокое отношение сигнал-шум, и поэтому датчики способны воспринимать более широкий диапазон параметров отпечатка вне зависимости от состояния пальца.

Обработка образа и распознавание отпечатков

Образ отпечатка пальца, как правило, сохраняется в двоичном коде, где каждый пиксел рисунка описывается 8 битами, то есть 256 оттенками серого цвета. В передовых системах сканирования цифровой образ отпечатка обрабатывается с помощью специального алгоритма улучшения изображения. Этот алгоритм обеспечивает обратную связь с датчиком для регулирования параметров сканирования. Когда датчик фиксирует окончательный образ, алгоритм настраивает контрастность и четкость изображения отпечатка для получения наилучшего качества.

Итак, после оцифровки имеется четкая увеличенная "картинка" отпечатка пальца. Такой образ не слишком подходит для сопоставления отпечатков, потому что занимает слишком много памяти (около 90 Кб) и его обработка при сравнении требовала бы повышенной вычислительной мощности. Поэтому из этой информации необходимо делать выборку лишь тех сведений, которые необходимы для сопоставления отпечатков. Результат такой операции называется шаблоном отпечатка пальца и имеет объем 250... 1200 байт, в зависимости от метода опознания.

Методы опознания отпечатка пальца основаны на сравнении с образцами или на использовании характерных деталей. Некоторые системы успешно комбинируют оба метода. При опознании по образцу в базе хранятся отобранные части образа отпечатка пальца. Распознающий алгоритм выбирает те же самые области только что введенного отпечатка и сравнивает с имеющимися данными для установления подлинности. Размер шаблона - около 1 Кб.

При опознании по деталям из образа извлекаются только специфические места, где найдена особенность (деталь). Обычно это либо окончание гребня, либо его раздвоение (см. рис. 2). Содержание шаблона в этом случае составляют относительные координаты и сведения об ориентации детали. Распознающий алгоритм отыскивает и сравнивает между собой соответствующие детали. Ни поворот отпечатка пальца, ни его параллельный перенос (сдвиг) не влияют на функционирование системы, поскольку алгоритм работает с относительными величинами. Размер шаблона в этом случае уменьшается примерно до 300 байт. Обработка такого небольшого количества данных возможна даже в системах с невысокой скоростью процессора и ограниченной памятью.

Распознающие алгоритмы и их разметка

На рынке есть достаточно большое количество алгоритмов, опознающих образ по деталям. Необходимо выяснить, что же является критериями их качества.

Если выражать соответствие двух сравниваемых шаблонов отпечатков пальцев в процентах, то идеальному совпадению (два шаблона одного пальца) можно присвоить значение 100%, а абсолютное несовпадение (два шаблона разных пальцев) следует обозначить нулем (0%). К сожалению, не все совпадения идеальны, а несовпадения абсолютны. Обычно степень совпадения не приходится на крайние точки шкалы. Возникает проблема с неточными и неполными совпадениями. Наиболее сложно сопоставлять похожие шаблоны, поскольку значения групп оценочных величин для совпадений и несовпадений перекрываются, накладываются друг на друга в районе середины шкалы. Это - критическая область, поскольку в подобном случае невозможно решить точно: совпали шаблоны или нет. Выходом из такой "шизофренической" ситуации является установление так называемого "порога", который однозначно определяет значение оценки, отделяющей совпадение шаблонов от несовпадения. Это облегчает принятие решения, но, с другой стороны, может приводить к ошибкам в системе, поскольку обе группы оценочных величин могут оказаться ниже установленной границы.

Рис. 2. Детали отпечатка

Подобные ошибки называются ошибочным опознанием и ошибочным неопознанием соответственно. Степень таких ошибок специфична для каждого распознающего алгоритма и обычно учитывается как FMR (False Match Rate) - вероятность ошибочного опознания и FNMR (False Non-Match Rate) - вероятность ошибочного неопознания. В системах безопасности их также принято называть FAR (False Accept Rate) - вероятность ошибочного допуска и FRR (False Reject Rate) - вероятность ошибочного отказа. FMR и FNMR взаимно противоположны: когда одно значение уменьшается, другое увеличивает ся (что равносильно перемещению "порога" вверх и вниз по шкале соответствия). Качество распознающих алгоритмов может оцениваться сравнением значения FMR при фиксированной FNMR или наоборот. Иногда для оценки приводятся дополнительные параметры, например, уровень равновероятной ошибки - точка на шкале соответствия, где значения FMR и FNMR равны.

Таблица 1. Сенсоры и их технические характеристики
Характеристики Сенсоры
TCS1AD TCS2AF
Активная зона сенсора, мм 18,0x12,8 10,4 х 14,4
Общая площадь, пикселов 256 х 360 208 х 288
Площадь пиксела, мкм 50
Разрешение, dpi 508
Частота съема информации, кадр/с 15 20
Максимальный статический потенциал, кВ ±8 ±15
Потребление тока Номинал, мА 20
Stand-by, мА 7
Sleep, мА 1
Размеры корпуса Full, мм 27 х 27 х 4,5 27 х 20,4 х 3,5
Compact, мм 27x18,4x4,5
Соединитель Гибкий кабель 20-выводной гибкий соединитель/Гибкий кабель
Интерфейс ввода/вывода 8-бит RAM-интерфейс
Характеристики окружающей среды Рабочая температура, °С 0...40
Температура хранения, °С -4...85
Влажность 5...95%RH @ 30 °С

Значения вышеупомянутых характеристик находятся в сильной зависимости от базы данных отпечатков пальцев, используемой при тестировании распознающего алгоритма для оценки его качества. Можно получить очень хорошие результаты даже при слабом алгоритме, если для тестирования отобраны только высококачественные отпечатки. Естественно и то, что даже удачный алгоритм может давать плохие результаты на базе данных, содержащей отпечатки пальцев лишь низкого качества. Поэтому сравнение распознающих алгоритмов может осуществляться лишь при условии, что для их тестирования используется одна и та же база. Тестирование алгоритма, определение его контрольных точек - порога, FMR, FNMR и др. - называют разметкой. Для получения полезных и реалистичных результатов разметки необходимо использовать как можно большую базу данных отпечатков пальцев (по крайней мере, тысяч людей), которая была бы собрана в различных регионах мира у представителей разных рас, возрастов и занятий в различных условиях (влажность, температура и др.).

Будущее - объединенный модуль

Технология опознания по отпечатку пальца имеет множество преимуществ, что объясняет все большее расширение области ее применения. Уже сегодня есть ноутбуки, карманные компьютеры, дверные замки, торговые автоматы и различная компьютерная периферия со встроенными датчиками отпечатка пальца. Развитие технологии ведет к уменьшению размера и стоимости датчиков, что открывает им путь во многие другие сферы использования - например, в мобильных телефонах, кассовых терминалах или автомобильных замках зажигания.


Рис. 3. Биометрическая система защиты STTouchChip

Компания STMicroelectronics предлагает ST TouchChip - биометрическую подсистему защиты "под ключ", которую можно легко внедрить в изделия общего и частного применения (см. рис. 3). TouchChip, PerfectPrint и PerfectMatch - это современные технологии, обеспечивающие полный диапазон типичных биометрических системных функций: снятие отпечатка пальца, оптимизацию образа и принятие решения о доступе. TouchChip - кремниевый датчик отпечатка пальца - фиксирует изображения отпечатка пальца. Он основан на патентованной технологии компании - активном емкостном пиксел-датчике, обеспечивающем высокое отношение сигнал/шум. Комплекс программ PerfectPrint управляет датчиком с целью оптимизации образа отпечатка пальца в зависимости от условий окружающей среды или типа кожи. PerfectMatch - набор программных алгоритмов, которые решают две существенные биометрические задачи: выделение шаблонов из образа отпечатка пальца и распознавание соответствия отпечатков живых пальцев предварительно сохраненным образам.

PerfectMatch поставляется с прикладным программным интерфейсом (API), что позволяет интегрировать биометрические подсистемы TouchChip в разработки заказчика без детального знания всех компонентов системы. Эта открытая архитектура значительно упрощает интеграцию системы биометрии в существующие приложения и сокращает срок внедрения.

Цель дальнейшего развития - объединение датчика отпечатка пальца с мощным микропроцессором и памятью. Это позволит создать распознающий модуль допуска, способный к выполнению всей задачи целиком: от считывания отпечатка до опознания объекта - без компьютера. Подобные проекты уже разрабатываются. Компания STMicroelectronics недавно анонсировала устройство, именуемое TouchChip Trusted Fingerprint Module Biometric Subsystem, которое должно появиться к концу 2002 г. Подобный интегрированный модуль исключит усилия, затрачиваемые ныне на интеграцию отдельных компонентов, что даст еще более существенный толчок всему рынку систем биометрического опознания по отпечатку пальца.

Идентификация по отпечатку пальца скоро станет частью нашей повседневной жизни. Давайте же надеяться на увеличение безопасности и удобства, которые она принесет.


Дата публикации: 01.09.2004

Мнения читателей
  • vlab / 04.08.2013 - 00:41
    по не полному отпечатку пальца можно узнать человека
  • Олега) / 21.11.2012 - 10:59
    Интересная статья)Последовательно спланирована, и довольно легка в чтении.Приятно было прочесть.
  • Анатолий / 18.12.2008 - 14:31
    Нужна схема!
  • Максим / 08.07.2007 - 19:17
    В целом, статья выглядит неплохо. С точки зрения интересующегося пользователя весьма внятное толкование темы. Если ограничится более профессиональными познаниями, то отсутствие конкретики в самой сути проблемы, например, алгоритма распознавания. Очень интересен подход, применяемый в таких системах. Я бы был очень рад, если бы такой материал также выложили на обном из сайтов. Удачи!

Ольга ГУРЕЕВА

[email protected]

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.

Сафин И.Т, Старухин Г.А., студенты Уфимского государственного колледжа радиоэлектроники

Туктаров Р.Ф., научный руководитель, научный сотрудник ИФМК УНЦ РАН

Студентами колледжа радиоэлектроники Сафиным И.Т. и Старухиным Г.А. было разработано устройство, позволяющее определять личность человека по отпечатку его большого пальца. В основу разработки положены методы дактилоскопии, которая в свою очередь является частью более общей методологии, называемой биометрией.

Биометрия – наука о характерных особенностях человеческого тела. К таковым относят отпечатки пальцев, радужная оболочка глаза, тембр голоса, запах и др. Многие из таких параметров уникальны для каждого человека, а, следовательно, имея возможность определить их, возможно практически безошибочно определить человека, проходящего идентификацию.

Отпечатки пальцев, как наиболее популярные биометрические характеристики человека, стали применяться еще в XIX веке. Первыми работами на эту тему были работы профессора Бронеславского университета Я.Э. Пуркинье и английского антрополога Френсиса Гальтона. Пуркинье первым описал папиллярные узоры поверхности пальцев человека, а Гальтон разработал первую систему классификации признаков.

Состав устройства.

Устройство идентификации личности по отпечаткам пальцев состоит из

1) сканера отпечатков пальцев,

2) программы-обработчика, позволяющей производить анализ и идентификацию отпечатков.

Разработкой сканера устройства занимался студент колледжа радиоэлектроники Сафин И.Т.

Структурная схема устройства идентификации личности по отпечаткам пальцев:

На схеме показаны ПК, Веб-камера, схема задержки, рабочая поверхность, подсветка и блок питания.

Структурная схема устройства идентификации личности по отпечаткам пальцев включает в себя блоки:

ПК – в нем происходит обработка полученного с устройства изображения;

Веб-камера – снимает отпечаток пальца;

Схема задержки – задерживает сигнал нажатия при прикладывании пальца к рабочей поверхности, что необходимо для автоматической настройки светочувствительности камеры и для того чтобы палец успел «растечься» по рабочей поверхности;

Исполнительное устройство – служит для прикладывания пальца и для нажатия на кнопку веб-камеры которая делает снимок;

Подсветка – служит для подсветки рабочей области -внутри корпуса устройства, чтобы выделить дорожки и впадины на отпечатке прикладываемом на рабочую поверхность;



Блок питания – служит для питания цепи подсветки и схемы задержки.

В данном устройстве используется эффект нарушенного полного внутреннего отражения, что позволяет получать снимки поверхности пальца в которых четко видны границы между дорожкой и бороздкой. Этот эффект получается при расположении камеры и источника освещения так как показано на рисунке ниже.

Данное устройство представляет собой «коробочку» размерами 70*100*100 мм. Графически размеры и вид устройства показаны ниже на рисунке.

Описание работы устройства.

При прикладывании пальца к стеклу и нажатии на него, происходит замыкание кнопок, в результате чего «запускается» схема задержки. Схема задержки задерживает сигнал нажатия на кнопки примерно на 0,5 секунд, после чего срабатывает реле которое и замыкает кнопку «затвора» веб-камеры. Происходит снимок отпечатка пальца и на экране монитора ПК оно показывается.

Разработкой программы анализа и идентификации занимался студент колледжа радиоэлектроники Старухин А.Г.

Программа реализована на платформе PC, т.е. для работы ей необходим персональный компьютер, взаимодействующий со сканером по кабелю USB. Минимальные системные требования: процессор Pentium 4 1.8 ГГц, ОЗУ 256 МБ, наличие порта USB, ОС Windows XP или более поздние версии.

Описание программы.

Анализ образа отпечатка подразумевает выделение из него некоторых существенных признаков, свойственных отпечаткам пальца человека. Отпечаток состоит из папиллярных линий, образующих папиллярный узор, уникальный для каждого человека. К существенным признакам отпечатка относятся, например, направление этих линий, их окончание или разрывы. Все признаки делятся на две группы: глобальные и локальные.

Глобальные признаки - те, которые можно увидеть невооружённым глазом:

Папиллярный узор.

Область образа - выделенный фрагмент отпечатка, в котором локализованы все признаки.



Ядро - пункт, локализованный в середине отпечатка или некоторой выделенной области.

Пункт "дельта" - начальная точка. Место, в котором происходит разделение или соединение бороздок папиллярных линий, либо очень короткая бороздка (может доходить до точки).

Тип линии - две наибольшие линии, которые начинаются как параллельные, а затем расходятся и огибают всю область образа.

Счётчик линий - число линий на области образа, либо между ядром и пунктом "дельта".

Локальные признаки, они же минуции, определяют пункты изменения структуры папиллярных линий (окончание, раздвоение, разрыв и т.д.), ориентацию папиллярных линий и координаты в этих пунктах. Каждый отпечаток содержит до 70 минуций.

После определения существенных признаков отпечатка производят его сравнение с другими отпечатками. В этом и заключатся процесс идентификации.

Поэтапно процесс работы программы можно описать следующим образом. Управляющий сигнал инициирует процесс. Сканер отпечатка создает изображение – образ отпечатка, и передает его на ПК. На стороне ПК программа производит нормализацию образа, до приведения его к стандартному виду, после чего образ передается на обработку. В процессе обработки происходит чтение образа, выделение локальных и глобальных признаков отпечатка. Такие признаки записываются в вектор отпечатка. Далее, в зависимости от управляющего сигнала, происходит либо добавление пользователя в базу данных, либо его идентификация. При добавлении все данные о пользователе, включая вектор отпечатка, формируют в представление базы данных и через элемент обращения к БД, записываются в базу. При идентификации производится запрос на выборку из БД. Из выборки извлекаются векторы отпечатков, которые и сравниваются с входным вектором. Если идентичность двух сравниваемых векторов выше определенного порогового значение, то векторы считаются идентичными, и пользователь идентифицируется согласно текущей записи. Если ни один вектор из выборки не соответствует входному вектору, то пользователь считается не прошедшим идентификацию.

 

 
Это интересно: