Распознавание отпечатков пальцев

Материал из Национальной библиотеки им. Н. Э. Баумана
Последнее изменение этой страницы: 21:35, 2 октября 2017.

Идентификация по отпечаткам пальцев — самая распространенная биометрическая технология аутентификации пользователей. Метод использует уникальность рисунка папиллярных узоров на пальцах людей. Отпечаток, полученный с помощью сканера, преобразовывается в цифровой код, а затем сравнивается с ранее введенными наборами эталонов. Получение электронного представления отпечатков пальцев с хорошо различимым папиллярным узором — достаточно сложная задача. Поскольку отпечаток пальца слишком мал, для получения его качественного изображения приходится использовать достаточно изощренные методы[1].

Методы получения отпечатка пальца в электронном виде (типы сканеров и методы сканирования пальцев)

Все существующие сканеры отпечатков пальцев[Источник 1] по используемым ими физическим принципам можно разделить на три группы:

  • оптические;
  • кремниевые (полупроводниковые);
  • ультразвуковые.

Оптические сканеры

Основаны на использовании оптических методов получения изображения. В настоящее время существуют следующие технологии реализации оптических сканеров:
  • FTIR-сканеры
  • Оптоволоконные сканеры
  • Электрооптические сканеры
  • Оптические протяжные сканеры
  • Роликовые сканеры
  • Бесконтактные сканеры
FTIR-сканеры — представляют собой устройства, в которых используется эффект нарушенного полного внутреннего отражения (Frustrated Total Internal Reflection, FTIR).
При падении света на границу раздела двух сред световая энергия делится на две части: одна отражается от границы, другая — проникает через границу раздела во вторую среду (Рис.1). Доля отраженной энергии зависит от угла падения. Начиная с некоторой его величины, вся световая энергия отражается от границы раздела. Это явление называется полным внутренним отражением. Однако при контакте более плотной оптической среды (в нашем случае поверхность пальца) с менее плотной (в практической реализации, как правило, поверхность призмы) в точке полного внутреннего отражения пучок света проходит через эту границу. Таким образом, от границы отразятся только пучки света, попавшие в такие точки полного внутреннего отражения, к которым не были приложены бороздки папиллярного узора поверхности пальца. Для фиксации получившийся таким образом световой картинки поверхности пальца используется специальная камера (ПЗС или КМОП в зависимости от реализации сканера).
Рис.1. Принцип работы FTIR-сканеров
Рис.2. Механизм работы оптоволоконных сканеров
Оптоволоконные сканеры (fiber optic scanners) — представляют собой оптоволоконную матрицу, каждое из волокон которой заканчивается фотоэлементом (Рис.2). Чувствительность каждого фотоэлемента позволяет фиксировать остаточный свет, проходящий через палец, в точке прикосновения рельефа пальца к поверхности сканера. Изображение отпечатка пальца формируется по данным каждого из элементов.


Электрооптические сканеры(electro-optical scanners) — в основе данной технологии лежит использование специального электрооптического полимера, в состав которого входит светоизлучающий слой. При прикладывании пальца к сканеру неоднородность электрического поля у его поверхности (разность потенциалов между бугорками и впадинами) отражается на свечении этого слоя так, что он высвечивает отпечаток пальца. Затем массив фотодиодов сканера преобразует это свечение в цифровой вид.
Оптические протяжные сканеры (sweep optical scanners) —в целом аналогичны FTIR-устройствам. Их особенность в том, что палец нужно не просто прикладывать к сканеру, а проводить им по узкой полоске — считывателю(Рис.3). При движении пальца по поверхности сканера делается серия мгновенных снимков (кадров). При этом соседние кадры, снимаются с некоторым наложением, т. е. перекрывают друг друга, что позволяет значительно уменьшить размеры используемой призмы и самого сканера. Для формирования (точнее сборки) изображения отпечатка пальца во время его движения по сканирующей поверхности кадрам используется специализированное программное обеспечение.
Рис.3. Практическая реализация оптического протяжного сканера
Роликовые сканеры (roller-style scanners) — в этих миниатюрных устройствах сканирование пальца происходит при прокатывании пальцем прозрачного тонкостенного вращающегося цилиндра (ролика). Во время движения пальца по поверхности ролика делается серия мгновенных снимков (кадров) фрагмента папиллярного узора, соприкасающегося с поверхностью(Рис.4). Аналогично протяжному сканеру соседние кадры снимаются с наложением, что позволяет без искажений собрать полное изображение отпечатка пальца. При сканировании используется простейшая оптическая технология: внутри прозрачного цилиндрического ролика находятся статический источник света, линза и миниатюрная камера. Изображение освещаемого участка пальца фокусируется линзой на чувствительный элемент камеры. После полной «прокрутки» пальца, «собирается картинка» его отпечатка.
Рис.4. Схема роликового сканера (слева) и его реализация
Бесконтактные сканеры (touchless scanners)— в них не требуется непосредственного контакта пальца с поверхностью сканирующего устройства(Рис.5). 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.
Рис.5. Обобщенная схема работы бесконтактного сканера
Некоторые недостатки оптических сканеров:
  • оптические модули достаточно дороги из-за большого числа компонентов и сложной оптической системы;
  • оптические сканеры слабо устойчивы к муляжам и мертвым пальцам.

Полупроводниковые сканеры

В их основе лежит использование для получения изображения поверхности пальца свойств полупроводников, изменяющихся в местах контакта гребней папиллярного узора с поверхностью сканера. В настоящее время существует несколько технологий реализации полупроводниковых сканеров:
  • Емкостные сканеры
  • Чувствительные к давлению сканеры
  • Термо-сканеры
  • Радиочастотные сканеры
  • Протяжные термо-сканеры
  • Емкостные протяжные сканеры
  • Радиочастотные протяжные сканеры
Емкостные сканеры (capacitive scanners) — наиболее широко распространенный тип полупроводниковых сканеров, в которых для получения изображения отпечатка пальца используется эффект изменения емкости pn-перехода полупроводникового прибора при соприкосновении гребня папиллярного узора с элементом полупроводниковой матрицы. Существуют модификации описанного сканера, в которых каждый полупроводниковый элемент в матрице сканера выступает в роли одной пластины конденсатора, а палец — в роли другой. При приложении пальца к сенсору между каждым чувствительным элементом и выступом-впадиной папиллярного узора образуется некая емкость, величина которой определяется расстоянием между поверхностью пальца и элементом. Матрица этих емкостей преобразуется в изображение отпечатка пальца.
Рис.6. Обобщенная схема работы полупроводниковых сканеров
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.
Термо-сканеры (thermal scanners) — в них используются сенсоры, которые состоят из пироэлектрических элементов, позволяющих фиксировать разницу температуры и преобразовывать ее в напряжение (этот эффект также используется в инфракрасных камерах). При прикладывании пальца к сенсору по температуре прикасающихся к пироэлектрическим элементам выступов папиллярного узора и температуре воздуха, находящегося во впадинах, строится температурная карта поверхности пальца и преобразуется в цифровое изображение.
Обобщенно говоря, во всех приведенных полупроводниковых сканерах используются матрица чувствительных микроэлементов (тип которых определяется способом реализации) и преобразователь их сигналов в цифровую форму. Таким образом, обобщенно схему работы приведенных полупроводниковых сканеров можно продемонстрировать следующим образом. (Рис. 6)


Менее распространенные типы:
Рис.7. Формирование изображения при сканировании протяжным термосканером
Радиочастотные сканеры (RF-Field scanners) — в таких сканерах используется матрица элементов, каждый из которых работает как маленькая антенна. Сенсор генерирует слабый радиосигнал и направляет его на сканируемую поверхность пальца, каждый из чувствительных элементов принимает отраженный от папиллярного узора сигнал. Величина наведенной в каждой микроантенне ЭДС зависит от наличия или отсутствия в близи нее гребня папиллярного узора. Полученная таким образом матрица напряжений преобразуется в цифровое изображение отпечатка пальца.
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(Рис. 7).


Емкостные протяжные сканеры (capacitive sweep scanners) — используют аналогичный способ покадровой сборки изображения отпечатка пальца, но каждый кадр изображения получается с помощью емкостного полупроводникового сенсора.
Основные недостатки полупроводниковых сканеров, хотя они характерны не для всех описанных методов:
  • сканеры, в частности, чувствительные к давлению, дают изображение низкого разрешения и маленького размера;
  • необходимость прикладывания пальца непосредственно к полупроводниковой поверхности (так как любой промежуточный слой влияет на результаты сканирования) ведет к ее быстрому изнашиванию;
  • чувствительность к сильным внешним электрическим полям, которые могут вызвать электростатические разряды, способные вывести сенсор из строя (относится в первую очередь к емкостным сканерам);
  • большая зависимость качества изображения от скорости движения пальца по сканирующей поверхности присуща прокаточным сканерам.

Ультразвуковые сканеры

Данная группа в настоящее время представлена всего одним методом сканирования, который так и называется.
Рис.8. Схема работы ультразвукового сканера
Ультразвуковое сканирование — это сканирование поверхности пальца ультразвуковыми волнами и измерение расстояния между источником волн и впадинами и выступами на поверхности пальца по отраженному от них эху(Рис. 8). Качество получаемого таким способом изображения в 10 раз лучше, чем полученного любым другим представленным на биометрическом рынке методом. Кроме этого стоит отметить, что данный способ практически полностью защищен от муляжей, поскольку позволяет кроме отпечатка пальца получать и некоторые дополнительные характеристики о его состоянии (например, пульс внутри пальца).
Основные недостатки ультразвуковых сканеров — это:
  • высокая цена по сравнению с оптическими и полупроводниковыми сканерами;
  • большие размеры самого сканера.
В остальном, можно смело сказать, что ультразвуковое сканирование сочетает в себе лучшие характеристики оптической и полупроводниковой технологий.

Основные методы распознавания отпечатков пальцев, алгоритмы построения систем распознавания и некоторые методы защиты от муляжей

Методы распознавания

В зависимости от качества полученного со сканера изображения отпечатков пальцев, на нем можно выделить некоторые характерные признаки поверхности пальцев, которые в дальнейшем можно использовать в целях идентификации[Источник 2].

Рис. 9. Конечные точки и точки ветвления

На самом простом техническом уровне, например, если разрешение полученного со сканера изображения составляет 300-500 dpi, на изображении поверхности пальца можно выделить достаточно большое количество мелких деталей (minutiae), по которым можно их классифицировать, но, как правило, в автоматизированных системах используют всего два типа деталей узора (особых точек):

  • конечные точки – точки, в которых «отчетливо» заканчиваются папиллярные линии;
  • точки ветвления – определяются как точки, в которых папиллярные линии раздваиваются.
На рисунке 9 представлен пример, на котором явно видно, что из себя представляют конечные точки и точки ветвления.
В автоматизированном распознавании отпечатков пальцев, в отличие от традиционной дактилоскопии, возникает гораздо меньше проблем, связанных с различными внешними факторами, влияющими на сам процесс распознавания. При получении отпечатков пальцев красковым способом (с помощью откатки) важно исключить или, по крайней мере, максимально уменьшить смещение или поворот пальца, изменение давления, изменение качества поверхности кожи и т.д. С электронных бескрасковых сканеров получить изображение отпечатка пальца с достаточным для обработки качеством существенно проще. Качество получаемого со сканера изображения папиллярного узора пальца является одним из основных критериев, от которого зависит избираемый алгоритм формирования свертки отпечатка пальца и в конечном итоге идентификации человека.
В настоящее время выделяют три класса алгоритмов сравнения отпечатков пальцев:
Рис.10. Сравнение двух отпечатков пальцев по особым точкам
  1. Корреляционное сравнение — два изображения отпечатка пальца накладываются друг на друга, и подсчитывается корреляция (по уровню интенсивности) между соответствующими пикселями вычисленная для различных выравниваний изображений друг относительно друга (например, путем различных смещений и вращений); По соответствующему коэффициенту принимается решение об идентичности отпечатков. Вследствие сложности и длительности работы данного алгоритма, особенно при решении задач идентификации (сравнение «один-ко-многим») – системы, построенные с его использованием, сейчас практически не используются.
  2. Сравнение по особым точкам – по одному или нескольким изображениям отпечатков пальцев со сканера формируется шаблон, представляющий собой двухмерную поверхность, на которой выделены конечные точки и точки ветвления. При сравнении – на отсканированном изображении отпечатка также выделяются эти точки, карта этих точек сравнивается с шаблоном и по количеству совпавших точек принимается решение по идентичности отпечатков (Рис. 10). В работе алгоритмов данного класса также используются механизмы корреляционного сравнения, но при сравнении положения каждой из предположительно соответствующих друг другу точек. В силу простоты реализации и скорости работы – алгоритмы данного класса являются наиболее распространенными. Единственным существенным недостатком данного метода сравнения является – достаточно высокие требования к качеству получаемого изображения (около 500 dpi).
  3. Сравнение по узору – в данном алгоритме сравнения используется непосредственно особенности строения папиллярного узора на поверхности пальцев. Полученное со сканера изображение отпечатка пальца, разбивается на множество мелких ячеек как показано рис.11. Разбиение папилярного узора на ячейки (размер ячеек зависит от требуемой точности).
Расположение линий в каждой ячейке описывается параметрами некоторой синусоидальной волны (мини|рис.12. Волновое представление линий в ячейке), то есть, задается начальный сдвиг фазы (δ), длина волны (λ) и направление ее распространения (θ).
Соответственно при получении отпечатка для сравнения – он выравнивается и приводится к такому же виду, что и шаблон. Затем сравниваются параметры волновых представлений соответствующих ячеек.
Преимуществом алгоритмов этого класса является то, что данные алгоритмы сравнения не требуеют получения изображения высокого качества.
Отдельно стоит заметить, что в автоматизированной идентификации существует несколько проблем связанных со сложностью сканирования и распознавания некоторых типов отпечатков пальцев, в первую очередь это касается маленьких детей, так как их пальцы очень маленькие, для того, чтобы даже на хорошем оборудовании получить их отпечатки пальцев с детализацией, приемлемой для распознавания. Кроме этого, около 1% взрослых людей, являются обладателями настолько уникальных отпечатков пальцев, что работы с ними приходится или разрабатывать специализированные алгоритмы обработки или делать исключение в виде персонального для них отказа от биометрии.

Подходы к защите от муляжей

Проблема защиты самых различных биометрических систем от муляжей биометрических идентификаторов является одной из самых сложных как для всей области, так и в первую очередь для технологии распознавания отпечатков пальцев. Связано это с тем, что отпечатки пальцев относительно легко получить по сравнению, например с радужной оболочкой глаза или 3D-формой руки, и изготовление муляжа отпечатка пальца выглядит также сравнительно более простой задачей. Мы не будем касаться технологий изготовления муляжей отпечатков пальцев, эта информация и так в последнее время появилась в достаточном объеме во многих источниках. Остановимся на рассмотрении основных методов и подходов к защите от них.
Обобщенно все методы можно разделить на две группы:
1. Технические – методы защиты, реализованные либо на уровне программного обеспечения, работающего с изображением, либо на уровне считывающего устройства. Рассмотрим их подробнее:
  • защита на уровне считывающего устройства: заключается в том, что в самом сканере реализован алгоритм получения изображения, который позволяет получить отпечаток пальца только с живого пальца, а не с муляжа, например, так работают оптоволоконные сканеры;
  • защита по дополнительной характеристике: суть данного метода 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.д. Практически у каждого производителя есть такая «фирменная» характеристика, но они, как правило, не афишируются, так как, зная эти характеристики гораздо легче найти способ обхода этой защиты;
  • защита по предыдущим данным: на некоторых сканерах – отпечаток последнего прикасавшегося к нему пальца остается на его поверхности, чем можно воспользоваться при изготовлении муляжа. На этот случай защищаются с помощью хранения нескольких последних изображений со сканера (для каждого производителя это число разное) с которыми в первую очередь сравнивается любое новое изображение. А так как дважды приложить абсолютно одинаково палец к сканеру нельзя, при любом совпадении принимается решение о применения муляжа.
2. Организационные – суть эти методов заключается в организации процессов аутентификации, таким образом, чтобы затруднить или исключить возможность использования муляжа. Рассмотрим эти методы:
  • 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;
  • Мультибиометрия или многофакторная биометрия: для аутентификации используется несколько биометрических технологий, например отпечаток пальца и форма лица или сетчатка глаза и т.д.
  • Многофакторная аутентификация: суть метода проста – использовать для усиления защиты совокупность методов аутентификации, например биометрию и смарт-карты или e-token.

Источники

  1. Идентификация по отпечаткам пальцев. Часть 1. 2004г. // BRE URL:http://www.bre.ru/security/20994.html (Дата обращения: 20.05.2017)
  2. Идентификация по отпечаткам пальцев. Часть 2 2004г. // BRE. URL: http://www.bre.ru/security/20994.html (Дата обращения: 20.05.2017)