Отпечаток пальца из чего состоит
Перейти к содержимому

Отпечаток пальца из чего состоит

  • автор:

Подделка отпечатков пальцев

Биометрические системы идентификации по отпечатку пальца занимают самый большой сегмент на рынке биометрических технологий и, как следствие, вызывают наибольший интерес с точки зрения защиты от проникновения.

В Медиа периодически публикуют информацию об успешном обмане того или иного биометрического считывателя. Некоторые даже делают смелые заявления о несостоятельности биометрических технологий аутентификации по отпечатку пальца в качестве средств защиты от несанкционированного доступа. Что звучит несколько странно, ведь вероятность, что ключи могут украсть или сделать с них слепки, не означает, что дверь не нужно запирать. Тем не менее, вопрос эффективности биометрических систем игнорировать нельзя.

Как обмануть биометрический считыватель?

Пожалуй, не стоит всерьез рассматривать вариант из кровавых триллеров, когда в качестве идентификатора для биометрической системы используется палец мертвеца. Хотя разработчики алгоритмов защиты не исключают такой возможности, но, все-таки, вероятность применения для несанкционированного доступа пальца трупа – крайне мала.

Самые примитивные способы обмана – тоже вряд ли сработают. В частности, широко известный в отрасли тест биометрических считывателей от Лайзы Тэлхейм и Яна Крисслера, которые умудрились обмануть ряд с устройств, активировав последний оставленный отпечаток при помощи графитового порошка, встречной засветки, мешка с водой и даже просто подышав на поверхность чувствительного элемента, – уже явно утратил актуальность. Хотя бы потому, что на сегодняшний день, каждый уважающий себя производитель включает в систему контроля доступа защиту от повторного прохода. Совершенствуются также технологии, повышая класс самих считывателей. Поэтому, пожалуй, единственный эффективный способ обмануть биометрическую систему аутентификации по отпечатку пальца – создать подделку.

Поддельный отпечаток пальца или же поддельный палец – в современном мире совсем не редкость. В англоязычных странах для обозначения процесса идентификации по муляжу пальца существует даже специальный термин: Спуфинг (Spoofing). Однако, прежде чем создать имитацию отпечатка пальца пользователя, зарегистрированного в системе, — нужно этот отпечаток получить.

Захват образца отпечатка пальца

Захват образца отпечатка пальца зарегистрированного пользователя для создания муляжа – технология достаточно известная. По сути, существует два метода получения образца отпечатка.

Первый метод — контактный: образец отпечатка получают с поверхности, с которой контактировал пользователь. Интернет пестрит сообщениями, что для снятия образца отпечатка с идеальной поверхности (корпуса смартфона, например) достаточно 30 секунд. В этот момент потенциальный пользователь полностью разочаровывается в биометрической системе, представив мысленно, скольких поверхностей касаются его пальцы за день.

При этом, почему-то никто особо не задумывается о том, как кража отпечатка выглядит на практике. Что 30 секунд – то время, за которое отпечаток снимет эксперт- криминалист с большим опытом работ и полными карманами графитного порошка. Что прежде чем дактилоскопировать поверхность, с которой контактировал пользователь, нужно получить к ней доступ. Желательно дважды: прежде чем человек её коснется (чтобы протереть) и после. И даже если доступ к поверхности получен (к примеру, вор, в лучших традициях шпионского детектива, выкупил стакан пользователя у официанта в кафе) – вероятность того, что на поверхности окажется отпечаток, подходящий для создания муляжа (именно того пальца, хорошего качества, не смазанный), далеко не 100%.

Таким образом, кража отпечатка пальца путем получения образца с поверхности, которой касался зарегистрированный пользователь СКУД, из 30-секундной акции превращается в долгий и крайне трудоемкий процесс, требующий недюжинной изобретательности.

Второй метод кражи образца отпечатка пальца для последующего создания имитации – цифровая фотография. Еще в 2014 году участники Chaos Computer Club заявили, что научились воспроизводить отпечатки, используя несколько фотографий одного и того же пальца. Однако этот метод также требует соблюдения ряда условий. Во-первых, хорошая аппаратная база: фотографии должны получаться хорошего качества даже с достаточного расстояния. Во-вторых, достаточная техническая грамотность: полученное фото еще потребуется почистить и обработать для получения качественного папиллярного рисунка. В-третьих, возможность доступа в качестве фотографа на публичное мероприятие, где просьба «помахать ручкой» в камеру – не вызовет настороженности. И в-четвертых, долгая и кропотливая «фотоохота» за нужными ракурсами, поскольку даже попадание в кадр внутренней поверхности ладони – не гарантирует получения фотографии пригодной в качестве образца для создания поддельного пальца.

Таким образом, захват образца отпечатка пальца технологически вполне осуществим. Однако на практике, кража отпечатка пальца, зачастую, требует значительно больших трудозатрат, чем кража обычного ключа или карты доступа. Тем более, образец недостаточно получить. Нужно еще и создать по нему поддельный отпечаток пальца.

Технологии создания поддельного отпечатка пальца

Как правило, различия между поддельными отпечатками пальцев заключаются в материалах, используемых для создания муляжа. Чаще всего применяется, технический желатин, глина, пластилин, стоматологический гипс. После получения образца отпечатка пальца пользователя, имеющего доступ в атакуемую биометрическую систему, — создается форма, в которой и отливается поддельный палец.

В современном мире, возможна также печать муляжа на 3D принтере. Особенно такой способ удобен в случае, когда захват образца отпечатка изначально осуществлялся в виде цифровой фотографии.

В случае, если биометрическая система имеет какую-либо защиту от спуфинга, взломщику требуется с большим вниманием относиться к выбору материала. Так для обхода алгоритма защиты, базирующегося на анализе кожных выделений, специалисты NIST предложили технологию, предусматривающую растворение кожного секрета в жидком гептане с добавлением полиизобутилена. А чтобы наносить отпечатки из этой смеси на поддельный палец, сконструировали пневматический пистолет особой конструкции с шариком на конце, который работает по принципу шариковой ручки. Правда, такой уровень технологической подготовки недоступен среднестатистическому взломщику.

Тем не менее, технологии двигаются вперед, а компании, разрабатывающие алгоритмы защиты биометрических систем, стремятся находиться на шаг впереди взломщиков.

Например, при создании поддельного отпечатка пальца при помощи 3D принтера часто упускается из виду такая особенность живого человека, как влага, которая естественным образом выделяется через поры кожи.

«Мы говорим с парой 3D-печающих компании, призывая их прийти к поли-гидрогель материалам, которые могут поглощать и рассеивать жидкость. Представьте себе печать 3D пальца с свойствами, аналогичными свойствам реального пальца, который также обладает способностью диффундировать солевые или масляные растворы. NexID, рассматривает это как возможность для дальнейшего сдерживания атак. Если вы можете создать пародию такого калибра, а затем разработать меры противодействия — с программным обеспечением такого класса защиты, вам будет трудно найти плохого парня с более высоким уровнем способностей,» — говорит Марк Корнетт, операционный директор NexID.

В любом случае, прежде чем выбирать материал для поддельного пальца, необходимо выяснить, какой вид биометрических считывателей используется в системе, поскольку имитация, подходящая для обмана полупроводниковых считывателей может быть совершенно неэффективна в случае оптического сканера, и наоборот.

Таким образом, даже если взломщик уже имеет в наличии образец отпечатка пальца, и технологическое материальное обеспечение высокого уровня – взлом биометрической системы должен осуществляться в два подхода. Первый подход – разведывательный, для получения точной информации об установленном оборудовании. Второй подход – непосредственно атака с уже изготовленным муляжом. Время изготовления подделки при этом редко менее часа.

Таким образом, вопрос о целесообразности взлома биометрической системы возникает сам собой.

Целесообразность взлома биометрической системы

Парадоксально, что возможность взлома биометрической системы всех так удивляет. Никакая система физической безопасности не может быть защищена от обмана абсолютно.

Однако для биометрической аутентификации по отпечатку пальца взлом занятие трудоемкое и продолжительное, порой требующее высокого уровня технической подготовки. Поэтому злоумышленник будет взламывать подобную систему только в крайнем случае, когда «игра стоит свеч», т.е. когда речь идет о действительно ценных вещах или данных.

Следовательно, если вы используете логический доступ по отпечатку пальца, чтобы не вспоминать каждый раз пароль, этого в большинстве случаев вполне достаточно для защиты ПК. И если для обеспечения безопасности жилья используется биометрическая СКУД – взломщик с огромной долей вероятности предпочтет не связываться с ней, выбрав для преступления менее защищенный объект.

Тем не менее, каждый зафиксированный взлом биометрической системы заставляет производителей и инсталляторов принимать меры для увеличения защиты от спуфинга. Как правило, это влечет за собой увеличение стоимости проекта. Поэтому клиенту рекомендуется оценить степень возможных рисков и необходимость применения на объекте дополнительных мер по усилению безопасности.

Увеличение защищенности биометрической СКУД

Для увеличения защищенности биометрической системы аутентификации по отпечатку пальца чаще всего используются следующие методы:

  • наблюдение за процессом идентификации;
  • СКУД, использующая несколько биометрических образцов (т.е. регистрируется несколько отпечатков разных пальцев, и система просит, чтобы пользователь представил определенный образец в произвольном порядке);
  • использование систем многофакторной аутентификации (например, отпечаток пальца + пароль, или отпечаток пальца + карта доступа;
  • использование многомодальной биометрии (например, отпечаток пальца + радужная оболочка глаза, или отпечаток пальца + распознавание лица);
  • технологии обнаружения живого пальца.

Технологии «живого пальца»

Методы распознавания «живых» отпечатков

Для того чтобы отличить поддельный отпечаток пальца (муляж) от настоящего живого пальца пользователя используются программный или аппаратный метод, а также их комбинация.

Аппаратные методы распознавания «живого пальца» в первую очередь зависят от конструкции биометрического считывателя. Наиболее распространены:

  • Мультиспектральное отображение (фиксация отражения ИК-излучения: от кожи и от синтетического материала получаются совершенно разные значения). Как правило, используется в оптических считывателях.
  • Фиксация пульса. Оптический или ультразвуковой довольно дорогостоящий метод.
  • Измерение электрического сопротивления кожи. Один из самых бюджетных методов. Используется в полупроводниковых сканерах. Однако в условиях низкой температуры или повышенной влажности этот метод может давать большое количество ошибок: как в сторону идентификации по поддельному отпечатку, так и в запрете доступа живому пользователю.

Программный метод подразумевает сравнение отсканированного отпечатка пальца с характерными особенностями поддельных образцов. Например, слишком четкий или наоборот слишком рваный край отпечатка, слишком ровные линии папиллярного рисунка, большое количество слишком светлых или слишком темных областей в области сканирования – вот лишь самые распространенные отличия муляжа от «живого пальца».

Программный метод анализа отпечатков пальцев опирается на индивидуальные характеристики и возможности конкретного биометрического оборудования, а также на шаблоны и алгоритмы созданные и запатентованные производителем.

Lumidigm/HID Global использует в своих считывателях два первых аппаратных метода. Morpho – старается сочетать один из них с измерением электрического сопротивления кожи. Suprema – совмещает мультиспектральное отображение с программным анализом.

Технологии «живого пальца» на рынке систем безопасности

Fingerprint Cards (FPC) анонсировала FPCLiveTouch — технологию «живого пальца», совместимую со всеми сенсорными датчиками компании, которая не требует дополнительных аппаратных средств или увеличения времени проверки отпечатка.

Учитывая широкое распространение датчиков FPC на рынке смартфонов, антиспуфинговое решение не только позволяет компании занять лидирующую позицию, но и значительно увеличить уровень защищенности биометрического доступа для владельцев устройств.

«FPCLiveTouch (TM) позволит нашим клиентам еще больше расширить уровень безопасности своего смартфона без ущерба для удобства. Наша комплексная система, совмещающая отличное качество изображения с уникальным программным обеспечением, является причиной того, что мы можем претворить это решение в жизнь. Это дает нам уверенность, что мы сможем сохранить наше технологическое лидерство в будущем.» — говорит Йорген Лантто, президент и исполнительный директор Fingerprint Cards.

На рынке представлены и другие запатентованные технологии обнаружения поддельных отпечатков пальцев.

Материал спецпроекта «Без ключа»

Спецпроект «Без ключа» представляет собой аккумулятор информации о СКУД, конвергентном доступе и персонализации карт

RU2309672C2 — Способ распознавания принадлежности отпечатка пальца живому или неживому человеку — Google Patents

Publication number RU2309672C2 RU2309672C2 RU2005130867/14A RU2005130867A RU2309672C2 RU 2309672 C2 RU2309672 C2 RU 2309672C2 RU 2005130867/14 A RU2005130867/14 A RU 2005130867/14A RU 2005130867 A RU2005130867 A RU 2005130867A RU 2309672 C2 RU2309672 C2 RU 2309672C2 Authority RU Russia Prior art keywords fingerprint living person belonging living person Prior art date 2005-10-05 Application number RU2005130867/14A Other languages English ( en ) Other versions RU2005130867A ( ru Inventor Алексей Анатольевич Борейшо (RU) Алексей Анатольевич Борейшо Сергей Леонидович Дружинин (RU) Сергей Леонидович Дружинин Андрей Валерьевич Савин (RU) Андрей Валерьевич Савин Сергей Юрьевич Страхов (RU) Сергей Юрьевич Страхов Игорь Анатольевич Толмачев (RU) Игорь Анатольевич Толмачев Сергей Яковлевич Чакчир (RU) Сергей Яковлевич Чакчир Original Assignee Общество с ограниченной ответственностью «Научно-производственное предприятие «Лазерные системы» Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.) 2005-10-05 Filing date 2005-10-05 Publication date 2007-11-10 2005-10-05 Application filed by Общество с ограниченной ответственностью «Научно-производственное предприятие «Лазерные системы» filed Critical Общество с ограниченной ответственностью «Научно-производственное предприятие «Лазерные системы» 2005-10-05 Priority to RU2005130867/14A priority Critical patent/RU2309672C2/ru 2007-04-10 Publication of RU2005130867A publication Critical patent/RU2005130867A/ru 2007-11-10 Application granted granted Critical 2007-11-10 Publication of RU2309672C2 publication Critical patent/RU2309672C2/ru

Links

Images

Abstract

Изобретение предназначено для анализа и распознавания папиллярных узоров отпечатков пальцев в различных областях информационных технологий, в области судебной медицины и криминалистики. Способ позволяет установить, жив ли человек, отпечаток пальца которого предъявлен для идентификации. Пользователь должен быть зарегистрирован путем получения отпечатка пальца, формирования паспорта папиллярного узора, включающего оцифровывание и цифровое кодирование изображения отпечатка пальца, и сохранения данных папиллярного узора. Одновременно с формированием паспорта осуществляется дополнительное кодирование, заключающееся в математической обработке оцифрованного изображения отпечатка пальца для его представления в виде математической функции, вид которой является характерным и которая имеет характерные точки. Значения математической функции в характерных точках используют для определения критерия принадлежности отпечатка пальца живому или неживому человеку. В качестве математической функции может быть использована приведенная автокорреляционная функция (ПАФ), а для определения критерия вычисляют разницу между величиной второго локального максимума и минимума ПАФ. Изобретение позволяет упростить способ распознавания принадлежности отпечатка пальца живому или неживому человеку, повысить быстродействие и достоверность результатов распознавания, снизить затраты на технические средства. 6 ил.

Description

Предлагаемое изобретение относится к области биометрии и может быть использовано для анализа и распознавания папиллярных узоров отпечатков пальцев в различных областях информационных технологий, таких как системы управления доступом, информационная безопасность, а также в области судебной медицины и криминалистики.

Идентификация личности с помощью биометрических технологий является в настоящее время одним из перспективных, бурно развивающихся направлений, среди которых методы и средства, использующие отпечатки пальцев, занимают одно из ведущих мест.

Проблема отличия «живых» биометрических данных, полученных от их реального носителя, от «неживых» — муляжей или, в наихудшем случае, отрубленного (отчужденного) пальца, является одной из главных проблем современной биометрии. На сегодняшний день в технической и патентной литературе предлагается целый ряд способов решения указанной проблемы. Условно все эти способы можно разделить на две основные группы: технические и организационные.

1. Технические способы защиты реализуются либо на уровне программного обеспечения, работающего с изображением, либо на уровне считывающего устройства. Защита на уровне считывающих устройств связана с модификацией сканирующей системы, которая обеспечивает возможность определения дополнительных параметров, присущих только «живым» носителям.

К этой группе можно отнести способы, реализованные в системе персональной биометрической идентификации (см. патент US №5719950, МПК G06K 9/00, опубл. 1998.02.17, аналог — международная заявка WO 9526013, опубл. 1995.09.28.). Для защиты от фальсификаций, например для предотвращения возможности получения права доступа с использованием фальсифицированных или отрезанных пальцев, в патенте предлагается дополнительно к снятию отпечатка пальца удостовериться в том, что личность с данным отпечатком является живым человеком. Для идентификации в системе используется комбинация уникальных биометрических параметров, которые сравниваются с базой данных. В патенте описываются также различные способы электронной идентификации личности, с помощью которых можно установить, жив ли человек, отпечаток пальца которого предъявлен для идентификации. К этим способам относится снятие частоты пульса или прием электрокардиографических сигналов, измерение содержания кислорода в крови, температуры кожи, давления крови или механических свойств поверхности кожи.

В статье (S.Kurt, «Biometrics — what you need to know», Security Portal 10, Jan. 2001) описан способ распознавания изображения, в котором используется трехмерное лазерное сканирование папиллярной структуры пальца и пульса.

Известна также аппаратура, предназначенная для распознавания отпечатков пальцев, в которой реализован способ, основанный на диэлектрических свойствах пальца (см. патент US №6175641, МПК G06K 9/20, опубл. 2001.01.16, приоритет Венгрии 1996.10.04., аналоги: WO 9714111, ЕР 0853795, HU 214533). В патенте описан датчик для распознавания принадлежности пальца живому человеку. Датчик представляет собой сканер, на рабочей поверхности которого расположена система электродов, изготовленная из электропроводного материала. При приложении пальца к рабочей поверхности сканера он покрывает эти электроды. Вне области приложения пальца имеется электрический образец, соединенный с электродами. Он реагирует на изменения электрических свойств электродов при приложении к ним пальца.

Общим недостатком описанных выше способов является сложность и большие габариты устройств, с помощью которых реализуются способы. Это обусловлено необходимостью использования специальных технических средств для измерения физиологических или биометрических параметров, присущих только «живым» носителям, что повышает стоимость оборудования и усложняет проведение процедуры распознавания.

Известны также способы и системы, построенные на основе изменения электрических свойств пальца. В качестве примера можно привести способ распознавания свойств живого организма кожи человека (см. патент РФ на изобретение №2212842, кл. А61В 5/053, А61В 5/117, опубл. 2003.09.27, приоритет DE 1998.07.09). Способ предназначен для того, чтобы при проверке отпечатков пальцев удостовериться, что отпечатки принадлежат живому человеку. Способ может быть осуществлен с использованием датчика отпечатков пальцев с электрическими проводниками, размещенными в опорной плоскости, предназначенной для снятия отпечатков пальцев, или под ней. При приложении кончика пальца к опорной плоскости проводники приводятся в непосредственное касание с поверхностью кожи (гальваническая связь) или устанавливаются на определенном расстоянии от поверхности кожи (емкостная связь). В способе используется то обстоятельство, что кожа живого человека имеет характерное строение слоев, которые обладают заметно различающейся электрической проводимостью. Особенно ярко выражена характеристика кривой омического сопротивления. Ход этой кривой весьма затруднительно имитировать с использованием искусственного пальца. В случае же отрезанного пальца ход кривой быстро изменяется вследствие отмирания тканей кожи. Эта характеристическая кривая импеданса может быть использована для верификации подлинности приложенного пальца. Характеристика импеданса поверхности кожи измеряется как функция частоты электрического переменного напряжения путем приложения напряжения к одному или нескольким электрическим проводникам, которые связаны с поверхностью кожи гальваническим или емкостным способом. Затем осуществляется сравнение полученной характеристики с опорной характеристикой, которая была предварительно сформирована. При существенном совпадении характеристической кривой импеданса и опорной характеристики принимается решение о том, что поверхность кожи является тканью живого организма. Предпочтительно, чтобы опорная характеристика снималась отдельно для каждого лица, подлежащего впоследствии идентификации. Однако, поскольку между характеристиками для различных персон имеются лишь незначительные отклонения, в необходимом случае можно применять одну единственную опорную характеристику для всех идентифицируемых персон. Эта особенность способа является его несомненным достоинством. Из недостатков, присущих описанному способу, следует отметить следующие. Рассмотренный способ является активным, так как он реализуется путем воздействия на палец сторонним напряжением для получения отклика. В связи с этим возможны помехи электрического сигнала, что снижает надежность метода. Недостатком способа является также то, что в его основе лежит различие в электрической проводимости слоев кожи живого человека. Это предусматривает при осуществлении способа наличие электрических проводников в датчике отпечатков пальца, что усложняет конструкцию, необходимую для реализации способа, увеличивает ее габариты и стоимость, усложняет алгоритм обработки данных.

Методы, реализуемые на уровне программного обеспечения (алгоритмические методы), связаны с поиском новых алгоритмов обработки биометрических данных, позволяющих учесть особенности, присущие только «живому» отпечатку. К этой группе относится, например, способ, основанный на биологической особенности «живого» пальца выделять испарину (см. S.Parthasaradhi, R.Derakhshani и др., «Improvement of an algorithm for recognition of liveness using perspiration in fingerprint devices», Proc. SPIE, Vol.5404, pp.270-277). Выделение «живым» пальцем испарины является результатом того, что на подушечках пальцев имеются потовые железы. Процесс выделения испарины происходит постоянно. При использовании, например, оптического сканера испарина оседает на приемном стекле и изменяет изображение отпечатка. При этом сама форма папиллярных линий не искажается, но вокруг них появляются бледные ореолы за счет изменения отражающих свойств приемного стекла при конденсации на них влаги от потения. Эти изменения (возникновение и трансформация ореолов) происходят в течение от 2 до 5 секунд после прикладывания пальцев к сканеру. На приемной цифровой матрице ореолы проявляются в тонах серого и, соответственно, фиксируются (оцифровываются). При обработке отпечатка берутся минимум два отпечатка через несколько секунд, чтобы отследить динамику изменения ореолов (в статье — через 2 и через 5 секунд). В качестве особенностей отпечатка для их сравнения и выявления временных изменений используются шесть специальных критериев. В «мертвом» пальце выделение испарины не происходит, и указанные ореолы не образуются. К недостаткам известного способа можно отнести следующие:

— необходимость длительного приложения пальца к сканеру (5 секунд), чтобы проследить изменения, связанные с выделением испарины;

— необходимость обработки минимум двух отпечатков (через 2 и через 5 секунд), что требует времени и дополнительных ресурсов процессора;

— изменение свойства пальца выделять испарину в зависимости от внешних условий (понижение температуры, индивидуальные особенности пальца);

— необходимость использования для реализации способа сканера и приемной матрицы с достаточно высокой чувствительностью. Это обусловлено тем, что ореолы, возникающие вокруг папиллярных линий, имеют недостаточно высокую яркость;

— слабая защита метода от помех изображения, что напрямую связано с «тонкостью» выявляемого эффекта.

2. Организационные методы, суть которых заключается в организации процессов по оптимизации системы допуска. К этой группе можно отнести:

— одновременное использование нескольких биометрических технологий, например отпечаток пальца и одновременно форма лица или сетчатка глаза и т.п. (мультибиометрия);

— одновременное использование нескольких методов аутентификации, например биометрических и смарт-карт и т.п. (многофакторная аутентификация).

Таким образом, несмотря на значительное количество существующих методов защиты от муляжей и использования отчужденных пальцев, каждый из которых имеет свои достоинства и недостатки, ни один из них не может считаться абсолютно надежным, универсальным и не приводящим к существенному удорожанию биометрической системы. Это обстоятельство усиливает актуальность упомянутой выше проблемы поиска новых эффективных и недорогих методов такой защиты.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ, который реализован в устройстве для измерения физиологических параметров, например кровяного давления, содержащем пульсовый детектор для одновременного получения данных отпечатка пальца и сигнала, поступающего из организма пользователя, например сигнала пульсовой волны. Данные отпечатка пальца используют для идентификации зарегистрированного пользователя, затем производят измерение физиологического параметра, например пульсовой волны, и полученный сигнал сравнивают с сигналом, полученным от пользователя на этапе регистрации для подтверждения того, что данный пользователь является тем же, отпечаток пальца которого был проверен (см. заявку ЕР 1358842, МПК 7 А61В 5/117, А61В 5/021, А63В 21/00, опубл. 05.11.2003, приоритет Японии 09.04.2002). Однако к недостаткам описанного выше технического решения следует отнести сложность его осуществления и длительность процесса идентификации, обусловленные дополнительными измерениями кровяного давления пользователя. Недостатками известного способа являются также большие габариты устройств, используемых для его осуществления, увеличенный объем памяти, необходимость использования высокочувствительных матриц, что требует больших материальных затрат для реализации способа.

Задачей предлагаемого изобретения является упрощение способа распознавания принадлежности отпечатка пальца живому или неживому человеку при одновременном повышении быстродействия и достоверности результатов распознавания, а также снижении затрат на технические средства.

Для достижения этого технического результата предлагается способ распознавания принадлежности отпечатка пальца живому или неживому человеку, который, как и наиболее близкий к нему способ, выбранный в качестве прототипа, заключается в регистрации пользователя путем получения отпечатка пальца, формирования паспорта папиллярного узора, включающего оцифровывание и цифровое кодирование изображения отпечатка пальца, и сохранения данных папиллярного узора для последующей идентификации. Одновременно с формированием паспорта папиллярного узора определяют параметр, свойственный только живому человеку, который в процессе распознавания используется для подтверждения принадлежности предъявленного отпечатка пальца живому человеку. Особенностью предлагаемого способа, отличающей его от известного способа, является то, что для определения параметра, свойственного живому человеку, осуществляют дополнительное кодирование, заключающееся в математической обработке оцифрованного изображения отпечатка пальца для его представления в виде математической функции, вид которой является характерным и которая имеет характерные точки. Значения математической функции в характерных точках используют для определения критерия принадлежности отпечатка пальца живому или неживому человеку. Для представления оцифрованного изображения отпечатка пальца в виде математической функции оцифрованное изображение отпечатка пальца может быть очищено от фоновой засветки и помех изображения, проведено геометрическое восстановление формы отпечатка, устранены нарушения, связанные с оптическими аберрациями изображения, и вычислена двумерная автокорреляционная функция изображения:

Figure 00000001

После этого проводят интегрирование автокорреляционной функции по азимутальной координате для различных расстояний R от центра отпечатка для вычисления приведенной автокорреляционной функции (ПАФ):

Figure 00000002

В качестве характерных точек, значения функции в которых используют для определения критерия при оценке принадлежности предъявляемого отпечатка пальца живому или неживому человеку, выбирают второй локальный максимум и минимум ПАФ. Величину критерия ΔM вычисляют как разницу между величиной второго локального максимума и минимума ПАФ и заносят ΔM в базу данных вместе с данными папиллярного узора, полученными на этапе регистрации пользователя. При оценке принадлежности предъявляемого отпечатка пальца живому человеку устанавливается коридор (диапазон) допустимых значений ΔM.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем.

При сравнении двух отпечатков пальцев, один из которых взят у живого человека, а другой — у того же самого человека, но после его смерти, кодирование, проведенное традиционными методами, не дает возможности определить, живому или мертвому человеку принадлежат предъявленные отпечатки. В результате отпечатки идентифицируются как принадлежащие одному и тому же человеку. Иными словами, известные методы распознавания, основанные, например, на анализе взаимного расположения мелких особенностей папиллярного узора (минуций), называемых в дактилоскопии дельтами, петлями, завитками, или на анализе потоков папиллярных линий, при котором отпечаток пальца представляется непрерывным полем касательных к потоку папиллярных линий, не обеспечивают возможности удостовериться в принадлежности отпечатка именно живому человеку. С помощью этих методик можно решить лишь одну задачу: осуществить распознавание «свой/чужой». Это обстоятельство привело к поиску и созданию всевозможных методов распознавания биометрических данных, полученных от «живых» и «неживых» носителей, классификация которых и описания некоторых из них представлены в разделе «Уровень техники» предлагаемой заявки. Способ, выбранный в качестве ближайшего аналога (см. заявку ЕР 1358842, МПК 7 А61В 5/117, опубл. 05.11.2003), основан на создании дополнительных средств, а именно — устройства для измерения такого физиологического параметра, как кровяное давление, позволяющего определить, принадлежит ли предъявленный отпечаток пальца «живому» объекту. В отличие от указанного технического решения заявляемый способ распознавания не требует для своего осуществления существенных дополнительных средств, а следовательно, и дополнительных материальных затрат. Это обеспечено за счет того, что в качестве параметра, определяющего принадлежность отпечатка пальца живому человеку, в отличительную часть формулы введен новый существенный признак — дополнительное кодирование, представляющее собой математическую обработку оцифрованного изображения папиллярного узора отпечатка пальца, полученного на этапе регистрации пользователя. Эта высокоскоростная процедура производится одновременно с основным кодированием, которое осуществляется в процессе формирования паспорта папиллярного узора и предназначено для распознавания «свой/чужой». Дополнительное кодирование реализовано на уровне программного обеспечения, что позволило существенно упростить способ, выбранный в качестве прототипа, повысить его быстродействие и достоверность, а также существенно снизить материальные затраты, необходимые для реализации способа. А самое главное — процедура дополнительного кодирования, в отличие от способа, выбранного в качестве прототипа, без дополнительного измерения физиологического параметра (кровяного давления) позволяет выявить особенности, отличающие «живые» отпечатки от «неживых».

Признаки способа, включенные в зависимые пункты формулы, характеризуют одну из конкретных возможностей реализации предлагаемого способа.

Таким образом, совокупность указанных выше признаков позволяет решить поставленные задачи.

В качестве объективных медицинских предпосылок, связанных с изменениями в биологических тканях после смерти и используемых при разработке предлагаемого способа, можно назвать следующие:

— изменение эластичности кожных покровов и, соответственно, папиллярного узора;
— прекращение деятельности потовых и сальных желез и связанное с этим усыхание кожных покровов;
— прекращение кровообращения в пальце и, следовательно, уменьшение его объема;
— появление изменений в папиллярном рисунке под действием консервирующих растворов.

В качестве математического критерия в заявляемом изобретении предлагается использовать приведенную автокорреляционную функцию (ПАФ), характеризующую масштаб и контрастность изображения, а также — наличие зон потери изображения папиллярных линий (см. формулу 1 ниже). Таким образом, функция ПАФ, отражая в математическом виде такие параметры изображения отпечатка пальца, как масштаб, контрастность, участки с потерянным изображением, отразит и те изменения, которые произойдут с этими параметрами в результате изменений в биологических тканях после смерти. Увидеть эти изменения мы сможем на кривых, изображающих эту функцию, а в численном виде — это будет выражено величиной ΔM.

На чертежах, иллюстрирующих предлагаемый способ, представлено:
на фиг.1a) — отпечаток пальца живого человека;
на фиг.1б) — отпечаток пальца через 14 часов после смерти человека;

на фиг.2 — приведен характерный вид ПАФ для отпечатка пальца живого человека (см. кривую 1) и отпечатка пальца через 14 часов после смерти человека (см. кривую 2).

Из рассмотрения фиг.1а) и 1б) отчетливо видно снижение контраста изображения и изменение толщины папиллярных линий, отображаемых на сканере. При этом попытки приложить палец к сканеру таким образом, чтобы изображение соответствовало отпечатку пальца живого человека, не удавались. Смачивание пальца также не изменяло ситуацию.

Из рассмотрения кривых 1 и 2 на фиг.2 видно, что для подавляющего большинства случаев ПАФ для «живого» пальца имеет характерные точки: два выраженных локальных максимума и один локальный минимум. Так как ПАФ представляет собой функцию (векторный критерий), использование ее для анализа не очень удобно. Поэтому в качестве критерия, характеризующего конкретную ПАФ, вычисляется разница ΔM между значениями функции в характерных точках (втором локальном максимуме и минимуме).

Как показали многочисленные эксперименты, проведенные авторами на базе кафедры судебно-медицинской экспертизы Российской военно-медицинской академии им. С.М.Кирова, вид ПАФ является характерным для данного отпечатка. При этом величина ΔM слабо изменяется в зависимости от силы прижатия пальца к сканеру, что делает ее универсальным критерием отпечатка.

На фиг.3 показаны характерные ПАФ для различной силы прижатия «живого» пальца. Несмотря на то, что сами кривые смещаются вдоль оси «у», величина ΔM практически не изменяется, сохраняются также положения локальных минимума и максимумов. На фиг.4 показан разброс величины ΔM для конкретного пользователя (по горизонтальной шкале откладывается номер «n» эксперимента). В экспериментах палец прикладывался с различной силой.

В процессе разработки предлагаемого способа были выполнены следующие серии экспериментов.
Первая серия. Эксперименты по изменению отпечатков пальцев без их отчуждения от тела после смерти.
Вторая серия. Эксперименты с отчужденными пальцами, помещенными в консервирующие растворы.

Третья серия. Эксперименты по изменению отпечатков пальцев без их отчуждения от тела после смерти, но после помещения их в консервирующие растворы.

Эксперименты первой серии показали, что через определенное время после смерти ПАФ качественно меняется, приобретая характер монотонно падающей функции (см. фиг.2, кривая 2), при этом величина ΔM уменьшается вплоть до отрицательных значений. На фиг.5 показана зависимость величины ΔM от времени, прошедшего после смерти, иллюстрирующая эту тенденцию.

Исследования второй серии показали, что консервирующие растворы, сохраняя ткани, вызывают при этом существенное изменение папиллярного узора пальца, фиксируемого оптическим устройством для регистрации отпечатков пальцев. А именно, снижается контрастность изображения, «разваливаются» папиллярные линии и, более того, на отпечатке проявляются зоны потери папиллярных линий, отчетливо видимые глазом. При этом попытки приложить палец таким образом, чтобы линии восстановились, не приводили к успеху. Изменения были необратимыми. Эксперименты показали, что выявить отличия возможно уже через 3. 10 часов после погружения в консервирующие растворы.

Исследование третей серии подтвердили вывод о разрушающем воздействии консервирующих растворов на папиллярный узор.

Таким образом, в результате анализа многочисленных экспериментов авторы заявляемого способа пришли к выводу о том, что распознать отпечатки пальцев живых носителей и неживых (отчужденных пальцев) возможно путем применения специальных математических алгоритмов обработки изображений отпечатков пальцев, полученных с помощью оптических устройств для регистрации отпечатков пальцев, основанных на использовании эффекта нарушенного внутреннего отражения. Указанные результаты исследований явились основой предлагаемого изобретения.

Предлагаемый способ распознавания принадлежности отпечатка пальца живому или неживому человеку иллюстрируется чертежом (см. фиг.6), на котором представлена функциональная схема конкретного примера выполнения устройства для осуществления способа.

Устройство состоит из следующих компонентов (фиг.6):
1 — устройство для регистрации отпечатков пальцев;
2 — цифровая видеосистема;
3 — устройство связи;
4 — процессор;
5 — программное обеспечение.
Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.

На первом этапе осуществления способа каждый пользователь должен быть зарегистрирован. Для этого на контактной поверхности устройства 1 для регистрации отпечатков пальцев, в качестве которого может быть использован один из вариантов устройства, запатентованного заявителем (см. патент РФ на полезную модель №46914, МПК 7 А61В 5/053, А61В 5/117, опубл. 10.08.2005), необходимо получить отпечаток пальца каждого пользователя. Изображение папиллярного узора отпечатка пальца формируется на фотоприемном устройстве цифровой видеосистемы 2 и передается в процессор 4 через устройство связи 3.

В процессоре 4 с помощью программного обеспечения 5 полученное изображение отпечатка пальца оцифровывается и преобразуется в уникальный цифровой код. В биометрии понятие «уникальность» означает, что не может быть двух человек, имеющих идентичные характеристики (см. Кухарев Г.А. Биометрические системы: Методы и средства идентификации личности человека. — СПб.: Политехника, 2001, стр.13). Цифровой код является эталонным паспортом регистрируемого пользователя и заносится в базу данных системы для его сохранения и последующего сравнения с предъявляемым папиллярным узором.

Вторым этапом осуществления метода является дополнительное кодирование, которое производится путем математической обработки оцифрованного изображения папиллярного узора регистрируемого отпечатка пальца. Этот этап осуществляется одновременно с цифровым кодированием, производимым на первом этапе при формировании паспорта папиллярного узора, и заключается в следующем:

— оцифрованное изображение отпечатка пальца очищается от фоновой засветки и помех изображения, связанных с запыленностью или загрязнениями на оптической поверхности устройства, для регистрации отпечатка пальца;

— проводится геометрическое восстановление формы отпечатка и устраняются нарушения, связанные с оптическими аберрациями изображения;

— вычисляется двумерная автокорреляционная функция изображения:

Figure 00000003

где х, у — текущие пространственные координаты в плоскости отпечатка пальца, Δх и Δу — сдвиги координат х, у;

— проводится интегрирование автокорреляционной функции по азимутальной координате для различных расстояний R от центра отпечатка для вычисления приведенной автокорреляционной функции (ПАФ):

Figure 00000004

где φ — угловая координата в плоскости отпечатка пальца;

— затем для определения величины критерия ΔM вычисляют разницу между величиной второго локального максимума и минимума и заносят ΔM в базу данных вместе с данными папиллярного узора пользователя, полученными на первом этапе.

Непосредственная проверка предъявленного на контроле отпечатка пальца для распознавания живому или мертвому человеку принадлежит отпечаток осуществляется следующим образом.

Сначала предъявленный отпечаток проверяется для решения задачи «свой/чужой». Для этого формируется паспорт предъявленного папиллярного узора, который сравнивается с эталонным паспортом (полученным на этапе регистрации). При положительном результате этого сравнения выполняется дальнейшее распознавание на предмет «живой/мертвый». Для этого заранее администратором системы управления доступом устанавливается диапазон допустимых изменений величины ΔМ относительно эталонного значения, полученного на этапе регистрации пользователя. Выполняется дополнительное кодирование предъявленного отпечатка с целью определения ПАФ и величины ΔМ. В том случае, если полученная величина ΔМ укладывается в допустимый диапазон, отпечаток пальца считается принадлежащим живому человеку. В противном случае человеку, предъявившему отпечаток пальца, будет отказано в доступе.

Таким образом, использование в предложенном способе дополнительного кодирования изображения отпечатка пальца, реализованного на уровне программного обеспечения, позволяет существенно упростить процесс распознавания принадлежности предъявленного отпечатка пальца живому или мертвому человеку, повысить быстродействие и достоверность, а также существенно снизить материальные затраты, необходимые для реализации способа.

Claims ( 1 )

Способ распознавания принадлежности отпечатка пальца живому или неживому человеку, заключающийся в регистрации пользователя путем получения отпечатка пальца, формировании паспорта папиллярного узора, включающего оцифровывание изображения отпечатка пальца и сохранение этих данных для последующей идентификации, определении параметра, свойственного живому человеку, который в процессе распознавания используют для подтверждения принадлежности предъявленного отпечатка пальца живому человеку, отличающийся тем, что для определения параметра, свойственного живому человеку, осуществляют математическую обработку оцифрованного изображения отпечатка пальца, для чего вычисляют двумерную автокорреляционную функцию изображения

Figure 00000005

затем осуществляют интегрирование автокорреляционной функции по азимутальной координате для различных расстояний R от центра отпечатка для вычисления приведенной автокорреляционной функции (ПАФ)

Figure 00000006

по которой определяют второй локальный максимум и минимум ПАФ, разницу между величинами которых ΔM используют как критерий принадлежности предъявляемого отпечатка пальца живому человеку, устанавливают диапазон допустимых значений ΔM и в случае, если полученная при распознавании величина ΔM укладывается в установленный диапазон, считают отпечаток пальца принадлежащим живому человеку, в противном случае он не принадлежит живому человеку.

RU2005130867/14A 2005-10-05 2005-10-05 Способ распознавания принадлежности отпечатка пальца живому или неживому человеку RU2309672C2 ( ru )

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2005130867/14A RU2309672C2 ( ru ) 2005-10-05 2005-10-05 Способ распознавания принадлежности отпечатка пальца живому или неживому человеку

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2005130867/14A RU2309672C2 ( ru ) 2005-10-05 2005-10-05 Способ распознавания принадлежности отпечатка пальца живому или неживому человеку

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2005130867A RU2005130867A ( ru ) 2007-04-10
RU2309672C2 true RU2309672C2 ( ru ) 2007-11-10

ТехнологииИдентификация по отпечаткам пальцев

Идентификация по отпечаткам пальцев — самая распространенная, надежная и эффективная биометрическая технология. Благодаря универсальности этой технологии она может применяться практически в любой сфере и для решения любой задачи, где необходима достоверная идентификация пользователей.

Характеристики идентификаторов

Отпечатки всех пальцев каждого человека уникальны по рисунку папиллярных линий и различаются даже у близнецов. Отпечатки пальцев не меняются в течение всей жизни взрослого человека, они легко и просто предъявляются при идентификации.

Если один из пальцев поврежден, для идентификации можно воспользоваться «резервным» отпечатком (отпечатками), сведения о которых, как правило, также вносятся в биометрическую систему при регистрации пользователя.

Обработка идентификаторов

Для получения сведений об отпечатках пальцев применяются специализированные сканеры. Известны три основных типа сканеров отпечатков пальцев: емкостные, прокатные, оптические.

Емкостные сканеры наиболее дешевы, однако не отличаются ни практичностью, ни долговечностью. Поскольку изображение отпечатка в этих сканерах формируется за счет разницы электрических потенциалов различных участков кожи, эти сканеры чрезвычайно чувствительны к остаточному статическому электричеству. Они выходят из строя сразу же после того, как их коснулся человек, чьи руки были наэлектризованы, например, из-за ношения одежды из шерстяной или шелковой ткани. Кроме того, качество изображения отпечатков, формируемого емкостными сканерами, крайне невелико.

Наиболее совершенную технологию идентификации по отпечаткам пальцев реализуют оптические сканеры. Они несколько дороже сканеров других типов, но лишены их многочисленных недостатков, долговечны и потому экономичны, удобны и просты в использовании. Изображение отпечатков характеризуется высоким качеством.

Прокатные сканеры занимают серединное положение. В них изображение отпечатка формируется при «прокатывании» отпечатка через узкое окошко сканера (отсюда и название), после чего целостное изображение идентификатора «сшивается» из отдельных кадров, полученных в ходе описанной процедуры. Поэтому от пользователя такого сканера требуется постоянно соблюдать единообразие в скорости и манере «прокатывания» отпечатков, что довольно сложно.

Новейшие исследования доказали, что оптические сканеры отпечатков пальцев совершенно безопасны в антибактериальном отношении.

Продукты и решения BioLink, реализующие технологии идентификации по отпечаткам пальцев:

  • сканеры отпечатков пальцев BioLink U-Match;
  • сервис биометрической идентификации пользователей корпоративных сетей и управления их доступом к информационным ресурсам BioLink IDenium;
  • система учета рабочего времени и контроля физического доступа BioTime;
  • терминалы контроля доступа BioLink FingerPass;
  • терминал мобильной идентификации BioLink U-Match Mobile;
  • информационная система автоматической мультибиометрической идентификации BioLink AMIS;
  • комплекты разработчиков прикладных биометрических решений BioLink SDK и BioLink WebSDK.

Биометрическая идентификация по отпечаткам пальцев. Технология FingerChip Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Гуреева Ольга

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.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Гуреева Ольга

Исследование и разработка алгоритма биометрической аутентификации по отпечаткам пальцев
Биометрические технологии идентификации в системах контроля и управления доступом

Существующие системы аутентификации и идентификации пользователей: основные проблемы и направления их модернизации

В человеческом измерении
Датчики отпечатков пальцев производства фирм Atmel и Fujitsu
i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Биометрическая идентификация по отпечаткам пальцев. Технология FingerChip»

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.

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:

Далее приведем обзор каждого из этих видов и поясним, почему компанией Atmel был выбран температурный метод, как наиболее перспективный для линейки продуктов FingerChip.

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.

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.

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:

• неэффективная защита от муляжей;

• подверженность к повреждениям при чрезмерно прилагаемых усилиях.

Чувствительные к давлению сканеры выпускает компания BMF.

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,

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 0,4×14 0,4×11,6 0,4×11,6

Размер матрицы, пикселей 8×280 8×232 8×232

Разрешение, Ьр1 (точек на дюйм) 500 500 500

Скорость считывания, кадров/с 1780 2130 2130

Габаритные размеры, мм 1,64×17,46 1,5×15 1,5×15

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

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;

i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

• 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.

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 1,64×17,46 мм схемы считывания и преобразования данных. Отпечаток пальца считывается при вертикальном движении пальца, приложенного к матрице.

Матрица FingerChip имеет размер 8×280, то есть содержит 2240 термочувствительных элементов. Также присутствует служебная нерабочая колонка, предназначенная для калибровки и идентификации кадров. Шаг матрицы 50×50 мкм, что соответствует разрешению 500 точек на дюйм при размере чувствительного элемента 0,4×14 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. ■

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.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *