Кожа человека состоит из двух слоев, при этом нижний слой образует множество выступов. На основной части кожи выступы располагаются хаотично и поэтому трудно наблюдаемы. На отдельных участках кожи конечностей выступы строго упорядочены в линии, образующие уникальные папиллярные узоры. Идентификация личности на основе папиллярных рисунков пальцев рук впервые была предложена Г. Фулдсом и В. Гершелем в статье английского журнала «Nature» в 1880 г. В настоящее время этот метод идентификации широко известен и распространен в первую очередь в криминалистике.
Элементы идентификации
Системы идентификации по отпечаткам пальцев получили наибольшее распространение среди биометрических систем благодаря удобству пользования, небольшим габаритам считывающих устройств, быстроте идентификации и сравнительно невысокой стоимости. Они широко используются в системах разграничения доступа к компьютеру, банковских приложениях и других. Развитие микроэлектроники позволило существенно уменьшить размеры считывающих элементов.
С помощью чувствительного элемента считыватель снимает папиллярный рисунок с пальца человека. Типичная разрешающая способность, которую имеют современные считывающие элементы, составляет порядка 500 точек на дюйм, что соответствует размерам элементарного чувствительного элемента 50х50 мкм. Это значение рекомендовано для интегрированных автоматизированных систем идентификации по отпечаткам пальцев. Ширина папиллярных выступов составляет примерно 450 мкм, поэтому теоретически достаточно было бы иметь разрешающую способность чувствительного элемента порядка 112 точек на дюйм, однако для полной реализации всех возможностей алгоритмов сравнения этой разрешающей способности недостаточно. Спецификации ведущих структур также рекомендуют сканирование папиллярного рисунка с 256 градациями серого на каждый элемент. Однако в реальных условиях обычно достаточно 64 градаций серого. Существуют системы, использующие бинарное квантование изображений отпечатков.
Исходный отпечаток, полученный со считывающего элемента с разрешением 500 точек/дюйм и 256 градациями серого, занимает сравнительно большой объем памяти. Например, изображение размером 2х3 см содержит около 400×600 элементов, что требует для хранения в памяти 240 кбайт. Для 10 отпечатков пальцев потребуется более 2 Мбайт. Очевидно, что хранение таких больших объемов информации приведет к значительному удорожанию устройства, а поиск и сравнение изображений такого размера будут занимать много времени и требовать больших вычислительных ресурсов. Кроме того, крайне нежелательно хранить отпечатки в исходном виде из соображений конфиденциальности. Обычно пользователям нравится анонимность, они не хотят, чтобы отпечатки пальцев были без их согласия переданы правоохранительным органам или просто похищены злоумышленниками. Поэтому производители используют специальные методы обработки и хранения полученных данных, которые не позволяют восстановить исходный отпечаток.
Для сжатия исходного изображения обычно используется Вейвлет-преобразование. Коэффициент сжатия выбирается таким образом, чтобы избежать потерь информации, необходимой для успешной идентификации. Обычно его максимальное значение составляет порядка 10. После сжатия размер изображения составляет десятки килобайт. Объем хранимой информации об отпечатке пальца может быть еще существенно уменьшен, если осуществить классификацию на характерные типы папиллярных рисунков и выделить на отпечатке характерные особенности, представляющие собой начала папиллярных линий или их слияния. На папиллярных рисунках выделяют несколько типов характерных элементов: пересечение, соединение и разветвление линий, окончания линий, островки и дельты. Современные алгоритмы обработки соединяют характерные точки изображения векторами и описывают их свойства и взаиморасположение. При этом используются относительные расстояния между характерными точками изображения, что позволяет сделать процесс сравнения отпечатков инвариантным к повороту пальца относительно считывающего элемента. Обычно в отпечатке выделяется порядка 30 — 40 характерных точек, что позволяет создать образец отпечатка размером от 40 байт до 1 кбайта. По такому образцу невозможно восстановить исходный отпечаток, однако можно сравнивать отпечатки друг с другом.
Метод идентификации
Идентификация пользователей осуществляется путем сравнения образа предъявленного отпечатка пользователя с эталонными образцами, хранящимися в памяти считывателя. При этом возможны два алгоритма работы:
1. Сравнение образа считанного отпечатка со всеми образцами, хранящимися в памяти. Если такой образец не найден, принимается решение об отказе в доступе. Достоинством такого алгоритма является возможность работы только по отпечатку пальца без использования дополнительных идентификаторов.
2. Сравнение образа считанного отпечатка с одним конкретным образцом из памяти. В этом случае биометрический считыватель до анализа образа отпечатка пальца должен иметь информацию о том, какой пользователь будет предъявлять палец для идентификации. Обычно это достигается за счет совмещения считывателя отпечатка пальца с кодонаборным устройством или считывателем, например, проксимити-карт. Каждому пользователю назначается уникальный пароль или присваивается номер карты, пользователь вводит пароль или предъявляет карту, после чего прикладывает палец к считывающему элементу. Считыватель на основе введенного пароля или номера карты выбирает из памяти образец отпечатка, соответствующий данному пользователю, и осуществляет сравнение.
Такой алгоритм имеет следующие достоинства:
• возможность использования одновременно двух различных методов идентификации;
• более высокое быстродействие по сравнению с предыдущим алгоритмом, поскольку осуществляется сравнение считанного образа только с одним эталонным, а не перебор всех образцов;
• возможность хранения в базе данных информации о большом количестве пользователей;
• меньшая стоимость считывателя.
Технологии считывания
На сегодняшний день известны несколько основных технологий считывания отпечатков пальцев. Опишем их в порядке появления. Самый первый и один из самых распространенных сегодня способов основан на использовании оптической системы — призмы и нескольких линз со встроенным источником света. Свет, падающий на призму, отражается от поверхности соприкасающейся с пальцем пользователя, и выходит через другую сторону призмы, попадая на оптический датчик, где формируется изображение.
Преимуществом такого способа считывания является сравнительно невысокая стоимость реализации по сравнению с другими. Недостатки подобной системы следующие. Коэффициент отражения значительно зависит от параметров кожи: сухости, присутствия масла, бензина, других химических элементов. Кроме того, место контакта пальца с призмой со временем загрязняется, что приводит к ухудшению качества получаемых изображений.
Другой способ основан на измерении разности электрических потенциалов между гребнями и впадинами на коже пальца с использованием полупроводниковой пластины. Палец в считывателе выступает в качестве одной из пластин конденсатора.
Другая пластина конденсатора — это полупроводниковая поверхность чувствительного элемента, содержащая несколько десятков тысяч конденсаторных пластин с плотностью считывания порядка 500 элементов/дюйм. В результате получается изображение гребней и впадин кожи на пальце.
В данном случае жировой баланс кожи и степень чистоты рук пользователя не играют столь существенной роли, как в предыдущем случае. Кроме того, можно реализовать более компактную систему. Если говорить о недостатках метода, то полупроводниковый чувствительный элемент требует эксплуатации в герметичной оболочке, а дополнительные покрытия уменьшают чувствительность системы. На изображение могут оказать влияние сильное внешнее электромагнитное поле и повышенная влажность.
Существуют полупроводниковые чувствительные элементы, позволяющие фиксировать разницу температур между гребнями и впадинами кожи на пальце. Преимуществом этой технологии является высокая устойчивость к электромагнитным помехам, загрязнениям, влажности.
Существует еще один метод реализации считывающих систем. В качестве считывающего элемента используется электрооптический полимер. Этот материал позволяет получать оптическое изображение отпечатка пальца с высоким разрешением, которое затем переводится в цифровой формат и обрабатывается. Метод также нечувствителен к состоянию кожи и степени ее загрязнения, в том числе и химического. Вместе с тем считывающее устройство имеет миниатюрные размеры и может быть встроено, например, в компьютерную клавиатуру.
Дополнительная задача, которая решается в считывателях отпечатка пальца — определение принадлежности пальца живому человеку. Это достигается за счет анализа электропроводности кожи, ее температуры.
Чтобы уменьшить время анализа, считыватели отпечатка пальца оснащаются дополнительно клавиатурой, на которой пользователь набирает свой личный пароль, или считывателем карты. В этом случае время анализа существенно снижается, так как происходит только сравнение считанного образа с одним образцом, извлеченным из базы данных, а не перебор всех возможных образов. Использование комбинации «пароль + биометрический признак» или «карта + биометрический признак» позволяет также снизить стоимость считывателя, поскольку существенно снижаются требования к быстродействию аппаратного обеспечения считывателя. Примером устройства, использующего комбинацию «карта + отпечаток пальца», является устройство VeriProx VP 1000. Оно представляет собой считыватель отпечатка пальца, комбинированный со считывателем бесконтактных карт. Совмещение двух технологий позволило получить низкую вероятность ошибки, малое время идентификации и большое количество отпечатков, хранимых в памяти считывателя, по сравнению со считывателями, использующими только отпечаток пальца.
Особенности считывателей VeriPass, VeriProx, VeriFlex и VeriSmart:
• достаточно надежное считывание отпечатка пальца, в том числе при наличии на пальцах загрязнений, влаги, порезов;
• защищенность от попыток имитации пальца искусственными материалами;
• светодиодная и звуковая индикация считывания;
• возможность использования для расширения существующей системы контроля доступа;
• добавление пользователей в систему с помощью мастеркарт или программного обеспечения VeriAdmin;
• возможность объединения нескольких считывателей в сеть по интерфейсу RS 485 для ведения общей базы данных отпечатков пальцев — до 31 считывателя в сети с максимальной длиной 1200 м.
Последнее время получает распространение технология хранения отпечатка пальца непосредственно на бесконтактной смарт-карте. Для идентификации пользователь предъявляет карту, считыватель считывает с нее данные отпечатка пальца, а затем прикладывает палец к чувствительному элементу. Считыватель осуществляет сравнение предъявленного отпечатка пальца с его эталонными данными, полученными с карты, и принимает решение о правомочности владения пользователем карты.
Такой способ имеет два основных преимущества. Во-первых, снимается ограничение на количество пользователей в системе, поскольку вся информация об отпечатках пальцев хранится на картах пользователей. Во-вторых, при работе нескольких считывателей исключается необходимость прокладки специализированного кабеля между считывателями в системе для пересылки отпечатков. В качестве примера таких устройств можно привести считыватели VeriSmart и BioAccess. В обоих устройствах используются карты Mifare Standard, имеющие память на 1 кбайт.
Недостатками подобных считывателей являются более высокая стоимость карт Mifare по сравнению с обычными проксимити-картами, а также необходимость иметь в системе устройство записи на бесконтактные смарт-карты.