Биометрические пароли. Как выполняется идентификация по отпечаткам пальцев? Для идентификации отпечатка пальца личности создаются

Во второй части статьи (первая опубликована в РС Мagazin/RE, 1/2004) раскрыты основные методы распознавания отпечатков пальцев, алгоритмы построения систем распознавания и некоторые методы защиты от муляжей. Но прежде чем перейти к этим вопросам, рассмотрим, что собой представляет и как появляется папиллярный узор на поверхности пальцев.

Кожа человека состоит из двух слоев: эпидермиса (ерidermis), наружного слоя, и дермы (derma), более глубокого слоя.

На пятом месяце внутриутробного развития человека дерма, до этого ровная, становится неровной и начинает приобретать вид множества чередующихся между собой дермальных бугорков (иногда их называют сосочками). На поверхности пальцев эти бугорки складываются в ряды. Эпидермис повторяет строение внешнего слоя дермы и образует небольшие складки, отображающие и повторяющие ход рядов дермальных бугорков.

Складки, которые мы видим на поверхности кожи невооруженным глазом, называются папиллярными линиями (от латинского рарillae - сосочки) и отделяются друг от друга неглубокими бороздками. На вершинах складок, гребнях папиллярных линий, находятся многочисленные мельчайшие поры - наружные отверстия выводных протоков потовых желез кожи. Папиллярные линии на поверхности пальцев рук образуют различные узоры, называемые папиллярными узорами.

Окончательно папиллярный узор на поверхности пальцев формируется к седьмому месяцу внутриутробного развития. С этого времени бороздки, сформировавшиеся на поверхности пальцев, остаются неизменными в течение всей жизни человека.

Строение верхнего слоя кожи пальцев рук человека, эпидермиса, таково, что оно предохраняет дерму, т. е. собственно кожу, от механических повреждений. После любых повреждений эпидермиса, не затрагивающих дермальных бугорков, папиллярный узор в процессе заживления восстанавливается в прежнем виде, что подтверждено многочисленными экспериментами. Если же дермальные бугорки повреждаются, то образуется рубец, в определенной мере деформирующий папиллярный узор, но принципиально не изменяющий первоначального общего рисунка, причем сам рубец может быть использован как вторичный признак при идентификации.

В российской традиционной дактилоскопии папиллярные узоры пальцев рук делятся на три основных типа: дуговые (около 5% всех отпечатков), петлевые (65%) и завитковые (30%); для каждого типа проводится более детальная классификация на подтипы. Однако в рамках этой статьи будут рассмотрены в первую очередь методы автоматизированной идентификации человека, а не дактилоскопии.

Методы распознавания

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

На самом простом техническом уровне, например при разрешении полученного со сканера изображения поверхности пальца 300-500 точка/дюйм, на нем видно 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, в которых отчетливо заканчиваются папиллярные линии, и точки ветвления, в которых папиллярные линии раздваиваются.

Если есть возможность получить изображение поверхности пальца с разрешением около 1000 точка/дюйм, то на нем можно обнаружить детали внутреннего строения самих папиллярных линий, в частности поры потовых желез, и соответственно использовать уже их расположение для идентификации. Однако из-за сложности получения в нелабораторных условиях изображений такого качества этот метод мало распространен.

При 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 либо, 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 значительно проще. Качество получаемого со сканера изображения папиллярного узора пальца - один из основных критериев, от которого зависит избираемый алгоритм формирования свертки отпечатка пальца и, следовательно, идентификации человека.

В настоящее время выделяют три класса алгоритмов сравнения отпечатков пальцев.

1. Корреляционное сравнение - два изображения отпечатка пальца накладываются друг на друга, и подсчитывается корреляция (по уровню интенсивности) между соответствующими пикселами, вычисленная для различных выравниваний изображений друг относительно друга (например, путем различных смещений и вращений); по соответствующему коэффициенту принимается решение об идентичности отпечатков. Из-за сложности и длительности работы данного алгоритма, особенно при решении задач идентификации (сравнение «один-ко-многим»), системы на его основе 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. На отсканированном изображении отпечатка также выделяются эти точки, их карта сравнивается с шаблоном, и по количеству совпавших точек принимается решение по идентичности отпечатков. В работе алгоритмов данного класса реализуются механизмы корреляционного сравнения, но при сравнении положения каждой из предположительно соответствующих друг другу точек. В силу простоты реализации и скорости работы алгоритмы данного класса наиболее широко распространены. Единственный существенный недостаток данного метода сравнения - достаточно высокие требования к качеству получаемого изображения (около 500 точка/дюйм).

3. Сравнение по узору - в данном алгоритме сравнения используются непосредственно особенности строения папиллярного узора на поверхности пальцев. Полученное со сканера изображение отпечатка пальца разбивается на множество мелких ячеек (размер ячеек зависит от требуемой точности). Расположение линий в каждой ячейке описывается параметрами некоторой синусоидальной волны, т. е. задается начальный сдвиг фазы, длина волны и направление ее распространения. Полученный для сравнения отпечаток выравнивается и приводится к тому же виду, что и шаблон. Затем сравниваются параметры волновых представлений соответствующих ячеек. Преимущество алгоритмов сравнения этого класса в том, что они не требуют изображения высокого качества.

В рамках статьи мы ограничимся обобщенным описанием работы каждого из классов алгоритмов, на практике это все выглядит намного сложнее с точки зрения как математического аппарата, так и работы с изображением. Отметим, 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 малы для того, чтобы даже на хорошем оборудовании получить их отпечатки с детализацией, приемлемой для распознавания. Кроме этого, около 1% взрослых людей обладают настолько уникальными отпечатками пальцев, что для работы с ними приходится разрабатывать специализированные алгоритмы обработки или делать исключение в виде персонального для них отказа от биометрии.

Подходы к защите от муляжей

Проблема зашиты самых различных биометрических систем от муляжей биометрических идентификаторов - одна 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 более простой задачей. Мы не будем касаться технологий изготовления муляжей отпечатков пальцев, об этом в последнее время появилось достаточно информации 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 зашиты, 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, описанные в первой части статьи;

Защита по дополнительной характеристике заключается в получении с помощью сканирующего устройства некоторой дополнительной характеристики, по которой можно принять решение, является ли предоставленный идентификатор муляжом. Например, с помощью ультразвуковых сканеров можно получать информацию о наличии пульса в пальце, в некоторых оптических сканерах с высоким разрешением можно определить наличие на изображении частиц пота и т. д. Практически у каждого производителя есть такая «фирменная» характеристика, о которой, как правило, не говорится, поскольку, зная ее, гораздо легче найти способ обхода этой защиты;

Защита по предыдущим данным, когда отпечаток последнего прикасавшегося к сканеру пальца остается на его поверхности, чем можно воспользоваться при изготовлении муляжа. В этом случае защищаются путем хранения нескольких последних изображений со сканера (для каждого производителя их 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 применении муляжа.

2. Организационные - суть этих методов в организации процессов аутентификации таким образом, чтобы затруднить или исключить возможность использования муляжа. Рассмотрим эти методы.

Усложнение процесса идентификации. В процессе регистрации отпечатков пальцев в системе на каждого пользователя регистрируется несколько пальцев (в идеале все 10). Затем непосредственно в процессе аутентификации у пользователя запрашиваются для проверки несколько пальцев в произвольной последовательности, что значительно затрудняет вход в систему по муляжу;

Мулътибиометрия или многофакторная биометрия. Здесь для аутентификации реализуется несколько биометрических технологий, например отпечаток пальца и форма лица или сетчатка глаза и т. д;

Многофакторная аутентификация. Для усиления защиты используется совокупность методов аутентификации, например биометрия и смарт-карты или е-token.

Заключение

В данной статье было представлено общее описание внутренних особенностей получившей наибольшее распространение биометрической технологии. Не рассмотрены еще очень многие аспекты построения систем, основанных на автоматизированном распознавании человека по отпечаткам пальцев, такие, как обработка и нормализация изображений, особенности построения корпоративных сетевых систем, серверы биометрической аутентификации, виды атак на биометрические системы и способы защиты от них и т.д., каждая из которых представляет собой отдельную тему для большого материала. Распознавание по отпечаткам пальцев становится все интереснее в свете планируемых в ближайшие несколько лет реформ российских заграничных и внутренних паспортов и уже внедряемых в некоторых странах правил въезда по визам, содержащим биометрические данные, и в первую очередь отпечатки пальцев.

PC Magazine/Russian Edition

Поиск преступников и установление их причастности к тем или иным криминальным деяниям является первоочередной задачей полицейских отделений всех стран мира. В качестве неоспоримого доказательства вины подозреваемого используются отпечатки пальцев, так называемый папиллярный узор. Как известно, вероятность встретить людей с одинаковыми линиями просто ничтожна. Но откуда мы это знаем? В этом нам помогает специальная научная дисциплина - дактилоскопия. Это тот самый раздел криминалистики, который в наше время считается основным и наиболее важным для изучения. Именно о нем и пойдет сегодня наш разговор.

Что такое дактилоскопия?

Современную криминалистику довольно сложно представить без данной науки, а еще сложнее понять, каким образом вели расследование преступлений полицейские восемнадцатых-девятнадцатых веков, не имея базы отпечатков пальцев. Ведь дактилоскопия - это методика опознавания личности человека, при которой используется индивидуальность оттисков его пальцев и ладоней.

В настоящий момент именно на этом методе базируется криминалистика, все дактилоскопические лаборатории мира работают по идентичной технологии. Хотя можно сказать, что данная наука - одна из самых молодых и малоизученных. Да-да, метод, на который ссылаются во всех судах, относится к научно не проверенным. Как такое могло получиться? Сейчас мы вам все подробно расскажем.

История возникновения дактилоскопии

На самом деле люди всегда имели представление о том, что узоры на подушечках пальцев являются разными у каждого человека. Этому придавали мистическое значение и использовали в своих целях в Вавилоне и Китае. Считалось, что если человек поставит отпечаток пальца под каким-либо документом, то он просто обязан выполнить условия договора. Хотя классифицировать папиллярный узор тогда никому еще не приходило в голову.

Многие считают основателем дактилоскопии англичанина Уильяма Гершеля. В конце девятнадцатого века он работал в Индии и постоянно сталкивался со случаями мошенничества при оформлении финансовых бумаг. Дело в том, что индийцы в своем большинстве были безграмотными людьми и ставили под договорами просто закорючку. При этом они не считали себя обязанными выполнять свои обязательства. Поэтому Гершель, вспомнив про мистическое значение оттисков рук для индийцев, ввел условие оставления отпечатка под договором. Удивительно, но метод сработал, и Гершель получил стопроцентное соблюдение правил и условий, указанных в документе. За время своей работы англичанин заметил, что каждый отпечаток отличается от другого и нет двух одинаковых.

С помощью тех же отпечатков Уильям избавил себя от постоянных недостач при выплате заработной платы солдатам, которые отправляли за деньгами еще и своих родственников и таким образом получали двойную, а то и тройную заработную плату. После того как Гершель приказал им оставлять в ведомости отпечатки пальцев, ситуация вошла в нормальное русло. Все это очень заинтересовало англичанина, который начал серьезно изучать различные оттиски рук. Чем большая база у него накапливалась, тем более он убеждался, насколько индивидуальны узоры на руках человека.

Пытливый англичанин даже снял отпечатки у преступников в местной тюрьме и навел там порядок. Ведь ранее многие правонарушения оставались безнаказанными из-за неумения европейцев различать индийцев по лицам. Как только в процессе расследования стали обращать внимание на отпечатки пальцев, проблема решилась сама собой. Можно сказать, что дактилоскопия родилась именно в этот момент.

Развитие дактилоскопии

Справедливости ради стоит сказать, что не только Гершель взялся изучать отпечатки пальцев различных людей. Параллельно ему над этим новым методом работало еще несколько человек. Например, один из талантливых шотландских врачей Г. Фолдс совершенно случайно заметил отпечатки пальцев на глиняных изделиях японских мастеров. Он заинтересовался этими рисунками и задался целью узнать, насколько они разнообразны и могут ли меняться в течение жизни. Он брал отпечатки у своих пациентов, слуг и просто знакомых. К его огромному удивлению, они никогда не повторялись. К тому же идеально совпадали со следами, оставленными на стекле или любой другой полированной поверхности. Данные наблюдения даже вдохновили его на научную статью, которая, впрочем, не привлекла внимание общественности.

Не последняя роль в развитии дактилоскопии принадлежит полисмену Бертильону. Он приказал своим сотрудникам снимать отпечатки пальцев у всех задержанных и подозреваемых лиц. В итоге у него собралась обширная картотека, которая помогла в раскрытии многих преступлений. Это был первый случай в истории, когда дактилоскопия в криминалистике показала себя как оправданный и полезный метод идентификации личности.

Классификация папиллярных узоров

Со временем базы отпечатков пальцев, взятых в качестве эксперимента, накопились во многих полицейских участках, но вот как их классифицировать, не знал никто. В девяностых годах девятнадцатого века брат Чарлза Дарвина попробовал объединить все известные разработки различных людей и классифицировать узоры на пальцах. Фрэнсис Гальтон применил в своих исследованиях основы высшей математики и сумел вывести, что вероятность совпадения папиллярных узоров составляет один шанс на шестьдесят четыре миллиарда. Это была просто невероятная цифра по тем временам.

Классификация Гальтона имела некоторые недостатки, но все же явилась первой серьезной научной работой на данную тему. Исследователь выделил четыре вида папиллярных линий:

• с треугольниками;
• без треугольника;
• треугольник справа;
• треугольник слева.

Картотека, собранная в результате этой классификации, наполнялась неравномерно. Поэтому требовался новый, более эффективный способ, который мог бы использоваться в полиции. На основе своих трудов Гальтон выпустил целую книгу, где честно указал всех людей, наработки которых он использовал.

Эдвард Генри, служащий в индийской полиции, воспользовавшись книгой Гальтона, создал свою собственную систему классификации отпечатков пальцев, которую и использует современная дактилоскопия. Это было огромным прорывом в науке и криминалистике. Разработки Генри послужили основой для работы полисменов в Британской Индии и сразу же в несколько раз повысили эффективность и результативность столь нелегкого дела, как расследование преступлений.

Генри разделил узоры на следующие типы:

• дуги (простые и пихтообразные);
• петли (радиальные и ульнарные);
• завихрения.

К тому же Генри выделил дельту, названную Гальтоном треугольником, и разделил данный узор на несколько подвидов. Исследователь вывел ряд формул, благодаря которым можно было эффективно и максимально точно опознавать человека по отпечаткам пальцев.

Первое применение новой методики в криминалистике

Впервые дактилоскопия была применена в судебном процессе над братьями Стрэттонами. Их обвиняли в двойном убийстве, и основным доказательством служил кровавый отпечаток одного пальца. Проверив совпадения, полицейские вывели схожесть по одиннадцати пунктам. Этого оказалось вполне достаточно, чтобы осужденных приговорить к повешению. Удивительно, но судья был категорически не согласен с данным решением, хотя и вынужден был согласиться с присяжными заседателями.

Применение данной методики в судебных процессах в качестве доказательной базы вызвало шквал общественной критики. В первую очередь разоблачительную статью опубликовал Фолдс, тот самый врач, работавший над изучением отпечатков пальцев. Дело в том, что Фолдс ссылался на некоторую "сыроватость" метода. Он пытался объяснить, что у многих людей узоры на пальцах бывают довольно схожи, и различия выражаются всего лишь в нескольких папиллярных линиях. Эти различия можно увидеть, только сняв отпечатки в лабораторных условиях. В противном случае эксперты могут допустить ошибку.

К тому же Фолдса пугало, что достоверность метода не подвергалась абсолютно никаким сомнениям. Повсеместно судьи, присяжные, полицейские и адвокаты утверждали, что дактилоскопия - это единственная наука, гарантирующая стопроцентно верный результат. Никому не приходило в голову изучать науку, а технологией весьма неаккуратно пользовались довольно безграмотные на тот момент полицейские. Тем не менее криминалистика уже осознала удобство нового метода, и он стал использоваться во всем мире.

На чем же в реальности основывается дактилоскопия? Почему в этом методе так уверены абсолютно все люди на планете? Давайте попробуем разобраться в этом.

На самом деле серьезных научных работ по отпечаткам пальцев не так уж и много. Каково научное обоснование дактилоскопии? Специалисты насчитывают их всего два:

• ни в одной базе и картотеке пока еще не встретились одинаковые отпечатки пальцев, даже компьютерная программа не находит подобных совпадений;
• узоры на пальцах однояйцевых близнецов не являются идентичными.

Этих двух фактов оказалось достаточно, чтобы превратить дактилоскопию в точную науку. На самом деле с течением времени у специалистов возникает к ней все больше вопросов. К примеру, двадцать лет назад агент ФБР разослал во все американские лаборатории письма с отпечатками пальца с места преступления и оттиски рук подозреваемого. Каково же было его удивление, когда лаборатории дали абсолютно разные результаты. Это существенно пошатнуло веру в дактилоскопию.

Недавно были опубликованы сведения о том, что в течение жизни отпечатки пальцев могут измениться. Ранее таких фактов у криминалистов не было, поэтому в настоящий момент есть все предпосылки к тому, чтобы не принимать результаты дактилоскопии за стопроцентное доказательство вины подозреваемого.

Можно ли обмануть природу?

Как только дактилоскопия стала использоваться повсеместно, бандиты задумались о возможности обмануть природу, в частности изменить отпечатки пальцев. Первыми попытались сделать это в тридцатые годы прошлого века американские гангстеры. Члены одной из банд с помощью хирурга срезали кожу с пальцев и надеялись, что полностью избавились от прошлых отпечатков. Но спустя некоторое время раны затянулись, а прежние рисунки проявились вновь.

Дальше пошел Джон Диллинджер. Этот знаменитый во всех штатах гангстер сжег свою кожу кислотой, сделав подушечки пальцев абсолютно гладкими. Этот метод тоже оказался неэффективным - через пару месяцев на пальцах стали проступать папиллярные линии.

В тридцать четвертом году прошлого века агенты ФБР столкнулись с новой попыткой избежать возмездия за свои преступления. Полиция нашла труп известного гангстера, но проведенная дактилоскопия рук свидетельствовала, что перед ними совсем иная личность. Вызванные агенты осмотрели руки убитого и нашли на них многочисленные мелкие порезы. Как оказалось, шрамированием преступник пытался запутать следствие. Но даже такой радикальный метод не принес желаемого результата, в дальнейшем было доказано, что поверх порезов папиллярные линии вновь проступят через какое-то время.

После этих безрезультатных попыток обмануть природу преступники перестали проводить радикальные эксперименты над своими руками.

Что используется при выявлении отпечатков пальцев на месте преступления?

В современной криминалистике используется несколько методов определения отпечатков пальцев. Чаще всего эксперты применяют следующие вспомогательные средства:

• дактилоскопический порошок;
• флуоресцентный порошок;
• йодные пары.

Конечно, есть и другие, в настоящий момент известно более двенадцати средств, позволяющих снять отпечатки с разных поверхностей. Именно от них зависит выбор технологии экспертом.

Где хранятся отпечатки пальцев?

Криминалистам хорошо известен такой термин, как "дактилоскопическая карта". Именно эти карты составляют основу базы данных папиллярных узоров. Обычно в ней указываются личные данные подозреваемого и отпечатки каждого пальца вместе с ладонями. Каждый оттиск должен быть предельно ясным и понятным, на обратной стороне указывается уголовная статья, по которой выносится обвинение.

Дактилоскопическая карта должна также содержать дату проведения процедуры и данные лица, которое берет оттиски.

Дактилоскопическая экспертиза: подробности

Назначение дактилоскопической экспертизы находится в ведении следователей. Согласно законодательству, они могут брать у подозреваемых отпечатки пальцев и образцы почерка. Все эти действия проводятся в интересах следствия с целью выявления личности человека.

Прохождение дактилоскопии - процесс довольно простой и незатейливый. На чистые и сухие руки с помощью валика наносится типографская краска. Далее следователь будто прокатывает подушечки пальцев по дактилоскопической карте, после получения всех отпечатков краску можно смыть теплой водой с мылом. Сейчас в крупных городах становится довольно распространенным снимать отпечатки пальцев с помощью современных технических средств. Специальный прибор сканирует подушечки пальцев и сразу создает электронную дактилоскопическую карту в базе данных. При этом исключаются мелкие неточности и погрешности.

Всеобщая дактилоскопия: миф или реальность

В последние годы в СМИ то и дело встречается информация о всеобщей дактилоскопии. Эта идея периодически возникает в умах правительств разных стран. Причем впервые данная мысль возникла в девятнадцатом веке в Англии и до сих пор не осуществилась ни в одной стране мира. Ведь данное предложение вызывает много споров у простых граждан. С одной стороны, расследовать преступления станет легче, а с другой, это нарушает личные права человека. В конечном итоге всеобщая дактилоскопия остается всего лишь возможным методом из множества других, позволяющим в случае применения снизить уровень мировой преступности.

К современным методам аутентификации относится проверка подлинности на основе биометрических показателей. При биометрической аутентификации, секретными данными пользователя могут служить, как глазная сетчатка, так и отпечаток пальца. Эти биометрические образы являются уникальными для каждого пользователя, что обеспечивает высокий уровень защиты доступа к информации. Согласно предварительно установленным протоколам, биометрические образцы пользователя регистрируются в базе данных.

Современная биометрическая аутентификация основывается на двух методах:

• статический метод аутентификации - распознает физические параметры человека, которыми он обладает на протяжении всей жизни: от своего рождения и до самой смерти (отпечатки пальцев, отличительные характеристики радужной оболочки глаза, рисунок глазной сетчатки, термограмма, геометрия лица, геометрия кисти руки и даже фрагмент генетического кода);
• динамический метод - анализирует характерный черты, особенности поведения пользователя, которые демонстрируются в момент выполнения какого либо обычного повседневного действия (подпись, клавиатурный почерк, голос и другое).

Основным на всемирном рынке биометрической защиты, всегда являлся статический метод. Динамическая аутентификация и комбинированные системы защиты информации занимали, всего лишь, 20 % рынка. Однако, в последние годы, наблюдается активное развитие динамических методов защиты. Особенный интерес сетевых технологий представляют методы клавиатурного почерка и аутентификации по подписи.

В связи с довольно быстрым развитием современных биометрических технологий, появляется критически важная проблема - определение общих стандартов надежности биометрических систем защиты. Большим авторитетом среди специалистов пользуются средства, имеющие сертификаты качества, которые выдает Международная ассоциация по компьютерной безопасности ICSA (International Computer Security Association).

Статический метод биометрической аутентификации и его разновидности

Дактилоскопия - наиболее популярная технология биометрической аутентификации, основанная на сканировании и распознавании отпечатков пальцев.

Данный метод активно поддерживается правоохранительными органами, с целью привлечения в свои архивы электронных образцов. Также, метод сканирования отпечатков пальцев легок в использовании и надежен универсальностью данных. Главным устройством этого метода биометрической аутентификации есть сканер, который сам по себе имеет небольшие размеры и является относительно недорогим в цене. Такая аутентификация осуществляется достаточно быстро за счет того, что система не требует распознавания каждой линии узора и сравнения её с исходными образцами, находящимися в базе. Системе достаточно определить совпадения в масштабных блоках и проанализировать раздвоения, разрывы и прочие искажения линий (минуции).

Уникальность каждого отпечатка позволяет использовать данный метод биометрической аутентификации как в криминалистике, в процессах серьезных бизнес-операций, так и в быту. В последнее время появилось множество ноутбуков со встроенным сканером отпечатков пальцев, клавиатур, компьютерных мышей, а также смартфонов для аутентификации пользователя.

Есть и минусы в этой, казалось бы, неоспоримой и не поддельной, аутентификации. Из-за использования сложных алгоритмов распознавания мельчайших папиллярных линий, система аутентификации может демонстрировать сбои при недостаточном контакте пальца со сканером. Обмануть средство аутентификации и саму систему защиты можно и с помощью муляжа (очень качественно выполненного) или мертвого пальца.

По принципу работы, используемые для аутентификации сканеры, делятся на три вида:

• оптические сканеры, функционирующие на технологии отражения, или по принципу просвета. Из всех видов, оптическое сканирование не способно распознать муляж, однако, благодаря своей стоимости и простоте, именно оптические сканеры наиболее популярны;
• полупроводниковые сканеры - подразделяются на радиочастотные, емкостные, термочувствительные и чувствительные к давлению сканеры. Тепловые (термосканеры) и радиочастнотные сканеры лучше всех способны распознать настоящий отпечаток и не допустить аутентификацию по муляжу пальца. Полупроводниковые сканеры считаются более надежными, нежели оптические;
• ультразвуковые сканеры. Данный вид устройств является самым сложным и дорогим. С помощью ультразвуковых сканеров можно совершать аутентификацию не только по отпечаткам пальцев, но и по некоторым другим биометрическим параметрам, таким как частота пульса и пр.

Аутентификация по сетчатке глаза. Данный метод стали использовать еще в 50-х годах прошлого столетия. В то время, как раз, была изучена и определена уникальность рисунка кровеносных сосудов глазного дна.

Сканеры сетчатки глаза имеют довольно большие габариты и более высокую цену, нежели сканеры отпечатков пальцев. Однако, надежность такого вида аутентификации гораздо выше дактилоскопии, что и оправдывает вложения. Особенности рисунка кровеносных сосудов глазного дна таковы, что он не повторяется даже у близнецов. Поэтому, такая аутентификация имеет максимальную защиту. Обмануть сканер сетчатки глаза, практически невозможно. Сбои при распознавании глазного рисунка незначительно малы - примерно, один на миллион случаев. Если, у пользователя нет серьезных глазных заболеваний (например, катаракта), он может уверенно использовать систему аутентификации по сетчатке глаза для защиты доступа к всевозможным хранилищам, приватных кабинетов и сверхсекретных объектов.

Сканирование сетчатки глаза предусматривает использование инфракрасного низкоинтенсивного излучения, которое направляется к кровеносным сосудам глазного дна через зрачок. Сигнал отображает несколько сотен характерных точек, которые записываются в шаблон. Самые современные сканеры вместо инфракрасного света направляют лазер мягкого действия.

Для прохождения данной аутентификации, человек должен максимально приблизить к сканеру лицо (глаз должен быть не далее 1,5 см от устройства), зафиксировать его в одном положении и направить взгляд на дисплей сканера, на специальную метку. Около сканера, в таком положении, приходится находиться приблизительно минуту. Именно столько много времени требуется сканеру для осуществления операции сканирования, после чего, системе понадобится еще несколько секунд для сравнения полученного образца с установленным шаблоном. Длительное нахождение в одном положении и фиксация взгляда на вспышку света и являются самыми большими недостатками использования данного вида аутентификации. Плюс, из-за относительно долгого сканирования сетчатки и обработки результатов, данное устройство невозможно устанавливать для аутентификации большого количества людей (например, проходной).

Аутентификация по радужной оболочке глаза. Данный метод аутентификации основан на распознавании уникальных особенностей радужной оболочки глаза.

Схожий на сеть, сложный рисунок подвижной диафрагмы между задней и передней камерами глаза - это и есть уникальная радужная оболочка. Данный рисунок человеку дается еще до его рождения и особо не изменяется в течении всей жизни. Надежности аутентификации методом сканирования радужной оболочки глаза способствует различие левого и правого глаз человека. Такая технология, практически, исключает ошибки и сбои при аутентификации.

Однако, сложно назвать устройства, считывающие рисунок радужной оболочки - сканерами. Это, скорее всего, специализированная камера, которая делает 30 снимков в секунду. Затем оцифровывается одна из записей и преобразовывается в упрощенную форму, из которой отбираются около 200 характерных точек и информация по ним записывается в шаблон. Это куда более надежно, чем сканирование отпечатков пальцев - для формирования таких шаблонов используются всего лишь 60-70 характерных точек.

Данный вид аутентификации предполагает дополнительную защиту от поддельных глаз - в некоторых моделях устройств, для определения «жизни» глаза, изменяется поток света, направленный в него и система отслеживает реакцию и определяет изменяется ли размер зрачка.

Данные сканеры уже широко используются, к примеру, в аэропортах многих стран для аутентификации сотрудников во время пересечения зон ограниченного доступа, а также, неплохо зарекомендовали себя в Англии, Германии, США и Японии во время экспериментального использования с банкоматами. Следует отметить, что при аутентификации по радужной оболочке глаза, в отличие от сканирования сетчатки, считывающая камера может находиться от 10 см до 1 метра от глаза и процесс сканирования и распознавания проходит намного быстрее. Данные сканеры стоят дороже, нежели вышеуказанные средства биометрической аутентификации, но, в последнее время и они становятся все более доступными.

Аутентификация по геометрии руки - данный метод биометрической аутентификации предполагает измерение определенных параметров человеческой кисти, например: длина, толщина и изгибы пальцев, общая структура кисти, расстояние между суставами, ширина и толщина ладони.

Руки человека не являются уникальными, поэтому для надежности данного вида аутентификации необходимо комбинировать распознавание сразу по нескольким параметрам.

Вероятность ошибок при распознавании геометрии кисти составляет около 0,1%, а это значит, что при ушибе, артрите и прочих заболеваниях и повреждениях кисти, скорее всего, пройти аутентификацию не удастся. Так что, данный метод биометрической аутентификации не подходит для обеспечения безопасности объектов высокой степени секретности.

Однако, данный метод нашел широкое распространение, благодаря тому, что он удобен для пользователей по целому ряду причин. Одной из немаловажных таких причин является то, что устройство для распознания параметров руки не принуждает пользователя к дискомфорту и не отнимает много времени (весь процесс аутентификации осуществляется за несколько секунд). Следующей причиной популярности аутентификации по геометрии руки можно назвать тот факт, что ни температура, ни загрязненность, ни влажность кисти не влияют на процедуру аутентификации. Также, удобен данный метод и тем, что для распознавания кисти можно использовать изображение низкого качества - размер шаблона, хранящегося в базе всего 9 байт. Процедура сравнения кисти пользователя с установленным шаблоном очень проста и легко может быть автоматизирована.

Устройства данного вида биометрической аутентификации могут иметь разный внешний вид и функционал - одни сканируют лишь два пальца, другие делают снимок всей руки, а некоторые современные устройства при помощи инфракрасной камеры сканируют вены и по их изображению осуществляют аутентификацию.

Данный метод впервые был использован в начале 70-х годов прошлого века. Сегодня подобные устройства можно встретить в аэропортах и различных предприятиях, где необходимо формировать достоверные сведения о присутствии того, или иного человека, учета рабочего времени и прочих процедур контроля.

Аутентификация по геометрии лица. Этот биометрический метод аутентификации является одним из «трёх больших биометрик» наряду с распознаванием по радужной оболочке и сканированию отпечатков пальцев.

Данный метод аутентификации подразделяется на двухмерное и трехмерное распознавание. Двухмерное (2D) распознавание лица используется уже очень давно, в основном, в криминалистике. Но, с каждым годом данный метод усовершенствуется, повышая, этим самым, уровень своей надежности. Однако, до совершенства двухмерному методу распознавания лица еще далеко - вероятность ложных срабатываний при данной аутентификации варьируется от 0,1 до 1 %. Еще выше частота ошибок непризнания.

Куда больше надежд возлагают на новейший метод - трехмерное (3D) распознавание лиц. Оценки надежности данного метода пока не выведены, так как он является относительно молодым. Разработкой систем трехмерного распознавания лиц занимаются около десяти ведущих мировых ИТ-компаний, в том числе и из России. Большинство таких разработчиков предоставляют на рынок сканеры вместе с программным обеспечением. И только некоторые работают над созданием и выпуском сканеров.

При трехмерном распознавании лиц используется множество сложных алгоритмов, эффективность которых зависит от условий их применения. Процедура сканирования составляет около 20-30 секунд. В этот момент лицо может быть повернуто относительно камеры, что принуждает систему компенсировать движения и формировать проекции лица с четким выделением черт лица, таких как контуры бровей, глаз, носа, губ и др. Затем система определяет расстояние между ними. В основном, шаблон составляется из таких неизменных характеристик, как глубина глазных впадин, форма черепа, надбровных дуг, высота и ширина скул и прочих ярко выраженных особенностей, благодаря которым впоследствии система сможет распознать лицо даже при наличии бороды, очков, шрамов, головного убора и прочего. Всего для построения шаблона используется от 12 до 40 особенностей лица и головы пользователя.

Международный подкомитет по стандартизации в области биометрии (IS0/IEC JTC1/SC37 Biometrics) в последнее время занимается разработкой единого формата сведений для распознавания человеческих лиц на основе двух- и трехмерных изображений. Скорее всего, два данных метода объединят вы один биометрический метод аутентификации.

Термография лица. Данный биометрический метод аутентификации выражается в установлении человека по его кровеносным сосудам.

Лицо пользователя сканируется при помощи инфракрасного света и формируется термограмма - температурная карта лица, являющаяся достаточно уникальной. Данный метод по своей надежности сравним с методом аутентификации по отпечаткам пальцев. Сканирование лица при данной аутентификации можно производить с десятиметрового расстояния. Этот метод способен распознать близнецов (в отличии от распознавания по геометрии лица), людей, перенесших пластические операции, использующих маски, а также он эффективен не смотря на температуру тела и старение организма.

Однако, данный метод не распространен широко, возможно, из-за невысокого качества получаемых термограмм лиц.

Динамические методы биометрической аутентификации

Данный метод позволяет произвести идентификацию и аутентификацию личности при помощи лишь одного микрофона, который подключен к записывающему устройству. Использование данного метода бывает полезным в судебных случаях, когда единственной уликой против подозреваемого служит запись телефонного разговора. Метод распознавания голоса является очень удобным - пользователю достаточно лишь произнести слово, без совершения каких-либо дополнительных действий. И, наконец, огромным преимуществом данного метода является право осуществления скрытой аутентификации. Пользователь не всегда может быть осведомлен о включении дополнительной проверки, а значит, злоумышленникам будет еще сложнее получить доступ.

Формирование персонального шаблона производится по многим характеристикам голоса. Это может быть тональность голоса, интонация, модуляция, отличительные особенности произношения некоторых звуков речи и другое. Если система аутентификации должным образом проанализировала все голосовые характеристики, то вероятность аутентификации постороннего лица никчемно мала. Однако, в 1-3 % случаев, система может дать отказ и настоящему обладателю ранее определенного голоса. Дело в том, что голос человека может меняться во время болезни (например, простуды), в зависимости от психического состояния, возраста и т.п. Поэтому, биометрический метод голосовой аутентификации нежелательно использовать на объектах повышенной безопасности. Он может быть использован для доступа в компьютерные классы, бизнес-центры, лаборатории и подобного уровня безопасности объекты. Также, технология распознавание голоса может применяться не только в качестве аутентификации и идентификации, но и как незаменимый помощник при голосовом вводе данных.

Метод распознавания клавиатурного почерка - является одним из перспективных методов биометрической аутентификации сегодняшнего дня. Клавиатурный почерк представляет собой биометрическую характеристику поведения каждого пользователя, а именно - скорость ввода, время удержания клавиш, интервалы между нажатиями на них, частота образования ошибок при вводе, число перекрытий между клавишами, использование функциональных клавиш и комбинаций, уровень аритмичности при наборе и др.

Данная технология является универсальной, однако, лучше всего, распознавание клавиатурного почерка подходит для аутентификации удаленных пользователей. Разработкой алгоритмов распознавания клавиатурного почерка активно занимаются как зарубежные, так и российские ИТ-компании.

Аутентификация по клавиатурному почерку пользователя имеет два способа:

• ввод известной фразы (пароля);
• ввод неизвестной фразы (генерируется случайным образом).

Оба способа аутентификации предполагают два режима: режим обучения и режим самой аутентификации. Режим обучения заключается в многократном вводе пользователем кодового слова (фразы, пароля). В процессе повторного набора, система определяет характерные особенности ввода текста и формирует шаблон показателей пользователя. Надежность такого вида аутентификации зависит от длины вводимой пользователем фразы.

Среди преимуществ данного метода аутентификации следует отметить удобство пользования, возможность осуществления процедуры аутентификации без специального оборудования, а также возможность скрытой аутентификации. Минусом данного метода, как и в случае с распознаванием голоса, можно назвать зависимость отказа системы от возрастных факторов и состояния здоровья пользователя. Ведь, моторика, куда сильнее, нежели голос, зависит от состояния человека. Даже простая человеческая усталость может повлиять на прохождение аутентификации. Смена клавиатуры, также может быть причиной отказа системы - пользователь способен не сразу адаптироваться к новому устройству ввода и поэтому, при вводе проверочной фразы, клавиатурный почерк может не соответствовать шаблону. В частности, это влияет на темп ввода. Хотя, исследователи предлагают повысить эффективность данного метода за счет использования ритма. Искусственное добавление ритма (например, ввод пользователем слова под какую-то знакомую мелодию) обеспечивает устойчивость клавиатурного почерка и более надежную защиту от злоумышленников.

Верификация подписи . В связи с популярностью и массовому использованию различных устройств с сенсорным экраном, биометрический метод аутентификации по подписи становится очень востребованным.

Максимально точную верификацию подписи обеспечивает использование специальных световых перьев. Во многих странах электронные документы, подписанные биометрической подписью, имеют такую же юридическую силу, что и бумажные носители. Это позволяет осуществлять документооборот значительно быстрее и беспрепятственно. В России, к сожалению, доверие оказывает лишь бумажный подписанный документ, или электронный документ, на который наложена официально зарегистрированная электронная цифровая подпись (ЭЦП). Но, ЭЦП легко передать другому лицу, что не сделаешь с биометрической подписью. Поэтому, верификация по биометрической подписи является более надежной.

Биометрический метод аутентификации по подписи имеет два способа:

• на основе анализа визуальных характеристик подписи. Данным способом предполагается сравнение двух изображений подписи на соответствие идентичности - это может осуществляться как системой, так и человеком;
• способ компьютерного анализа динамических характеристик написания подписи. Аутентификация таким способом происходит после тщательного исследования сведений о самой подписи, а также о статистических и периодических характеристиках ее написания.

Формирование шаблона подписи осуществляется в зависимости от требуемого уровня защиты. Всего, одна подпись анализируется пол 100-200 характерным точкам. Если же, подпись ставится с использованием светового пера, то помимо координат пера, учитывается и угол его наклона, нажатие пера. Угол наклона пера исчисляется относительно планшета и по часовой стрелке.

Данный метод биометрической аутентификации, как и распознавание клавиатурного почерка, имеют общую проблему - зависимость от психофизического состояния человека.

Комбинированные решения биометрической аутентификации

Мультимодальная, или комбинированная система биометрической аутентификации - это устройство, в котором объединены сразу несколько биометрических технологий. Комбинированные решения по праву считаются наиболее надежными в плане защиты информации с помощью биометрических показателей пользователя, ведь подделать сразу несколько показателей гораздо сложнее, нежели один признак, что является, практически, не под силу злоумышленникам. Максимально надежными считаются комбинации «радужная оболочка + палец» или «палец + рука».

Хотя, в последнее время, популярность набирают системы типа «лицо + голос». Это связано с широким распространением коммуникационных средств, которые сочетают в себе модальности аудио и видео, например, мобильные телефоны со встроенными камерами, ноутбуки, видеодомофоны и прочее.

Комбинированные системы биометрической аутентификации значительно эжффективнее мономодальных решений. Это подтверждает множество исследований, в том числе опыт одного банка, который установил сперва систему аутентификации пользователей по лицу (частота ошибок за счет низкого качества камер 7 %), затем по голосу (частота ошибок 5% из-за фоновых шумов), а после, комбинировав эти два метода, достигли почти 100 % эффективности.

Биометрические системы могут быть объединены различными способами: параллельно, последовательно или согласно иерархии. Главным критерием при выборе способа объединения систем должна служить минимализация соотношения количества возможных ошибок ко времени одной аутентификации.

Помимо комбинированных систем аутентификации, можно использовать и многофакторные системы. В системах с многофакторной аутентификацией, биометрические данные пользователя используются вместе с паролем или электронным ключом.

Защита биометрических данных

Биометрическая система аутентификации, как и многие другие системы защиты, в любой момент может быть подвергнута нападению злоумышленников. Соответственно, начиная с 2011 года, международная стандартизация в области информационных технологий предусматривает мероприятия по защите биометрических данных - стандарт IS0/IEC 24745:2011. В российском законодательстве защиту биометрических данных регламентирует Федеральный закон «О персональных данных», с последними изменениями в 2011 году.

Наиболее распространенным направлением в области современных биометрических методов аутентификации является разработка стратегии защиты, хранящихся в базах данных биометрических шаблонов. Среди самых популярных киберпреступлений дня сегодняшнего во всем мире считается «кража личности». Утечка шаблонов из базы данных делает преступления более опасными, так как восстанавливать биометрические данные злоумышленнику проще за счет обратного инжиниринга шаблона. Поскольку биометрические характеристики неотъемлемы от своего носителя, похищенный шаблон нельзя заменить нескомпроментированным новым, в отличии от пароля. Опасность кражи шаблона еще заключается в том, что помимо доступа к защищенным данным, злоумышленник может заполучить секретную информацию о человеке, или организовать за ним тайную слежку.

Защита биометрических шаблонов базируется на трех основных требованиях:

• необратимость - данное требование ориентировано на сохранение шаблона таким образом, чтобы злоумышленнику было невозможно восстановить вычислительным путем биометрические характеристики из образца, или создать физические подделки биометрических черт;
• различимость - точность системы биометрической аутентификации не должна быть нарушена схемой защиты шаблона;
• отменяемость - возможность формирования нескольких защищенных шаблонов из одних биометрических данных. Данное свойство предоставляет биометрической системе возможность отзывать биометрические шаблоны и выдавать новые при компрометации данных, а также предотвращает сопоставление сведений между базами данных, сохраняя этим самым приватность данных пользователя.

Оптимизируя надежную защиту шаблона, главной задачей является нахождение приемлемого взаимопонимания между этими требованиями. Защита биометрических шаблонов строится на двух принципах: биометрические криптосистемы и трансформация биометрических черт. Последние изменения в законодательстве запрещают оператору биометрической системы самостоятельно, без присутствия человека, менять его персональные данные. Соответственно, приемлемыми становятся системы, хранящие биометрические данные в зашифрованном виде. Шифровать эти сведения можно двумя методами: с помощью обычного ключа и шифрование при помощи ключа биометрического - доступ к данным предоставляется исключительно в присутствии владельца биометрических показателей. В обычной криптографии ключ расшифровки и зашифрованный шаблон представляют собой две абсолютно разные единицы. Шаблон может считаться защищенным в том случае, если защищен ключ. В биометрическом ключе происходит одновременная инкапсуляция шаблона криптографического ключа. В процессе шифрования подобным способом, в биометрической системе хранится лишь частичная информация из шаблона. Ее называют защищенным эскизом - secure sketch. На основании защищенного эскиза и другого биометрического образца, схожего на представленный при регистрации, восстанавливается оригинальный шаблон.

ИТ-специалисты, занимающиеся исследованиями схем защиты биометрических шаблонов, обозначили два главных метода создания защищенного эскиза:

• нечеткое обязательство (fuzzy commitment);
• нечеткий сейф (fuzzy vault).

Первый метод годится для защиты биометрических шаблонов, имеющих вид двоичных строк определенной длины. А второй может быть полезным для защиты шаблонов, которые представляют собой наборы точек.

Внедрение криптографических и биометрических технологий положительное влияет на разработку инновационных решений для обеспечения информационной безопасности. Особенно перспективной является многофакторная биометрическая криптография, объединившая в себе технологии пороговой криптографии с разделением секрета, многофакторной биометрии и методы преобразования нечетких биометрических признаков в основные последовательности.

Невозможно сформировать однозначный вывод, какой из современных биометрических методов аутентификации, или комбинированных методов является наиболее эффективным для тех, или иных коммерческих из расчета соотношения цены и надежности. Определенно видно, что для множества коммерческих задач использовать сложные комбинированные системы не представляется логичным. Но, вовсе не рассматривать такие системы, тоже не верно. Комбинированную систему аутентификации можно задействовать с учетом требуемого в данный момент уровня безопасности с возможностью активации дополнительных методов в дальнейшем.

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

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

Введение

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

Биометрическое опознание

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

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

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

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

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

Технологии сканирования отпечатка пальца

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

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

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

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

Емкостное сканирование отпечатка пальца

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

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

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

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

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

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

Пассивный принцип сканирования

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

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

Активный принцип сканирования

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

Рис. 1. Активное емкостное сканирование

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

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

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

Обработка образа и распознавание отпечатков

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

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

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

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

Распознающие алгоритмы и их разметка

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

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

Рис. 2. Детали отпечатка

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

Таблица 1. Сенсоры и их технические характеристики

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

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

Будущее - объединенный модуль

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

Рис. 3. Биометрическая система защиты STTouchChip

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

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

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

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

Дата публикации: 01.09.2004

Мнения читателей

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

Дактилоскопия - это установление лич­ности человека по отпечаткам пальца, а точ­нее, по так называемому папиллярному узо­ру. Дактилоскопия основывается на том, что, во-первых, отпечаток пальца уникален (за всю историю дактилоскопии не было обнаружено двух совпадающих отпечатков пальцев, принадлежащих разным лицам), а во-вторых, папиллярный узор не меняется на протяжении всей жизни человека.

Если присмотреться к структуре кожно­го покрова на пальцах рук, то можно заме­тить наличие сложного рельефного рисун­ка (так называемый папиллярный узор), об­разованного чередующимися валиками (высотой 0,1-0,4 мм и шириной 0,2-0,7 мм) и бороздками-углублениями (шириной 0,1-0,3 мм). В результате проведенных исследований было установлено, что отпе­чатки пальцев различны даже у близнецов, хотя показатели ДНК у них идентичные. Кроме того, папиллярный узор невоз­можно видоизменить - ни порезы, ни ожоги, ни другие механические поврежде­ния кожи не имеют принципиального зна­чения, ибо устойчивость папиллярного узора обеспечивается регенеративной спо­собностью основного слоя эпидермиса кожи. Поэтому можно утверждать, что се­годня дактилоскопия представляет собой самый надежный способ идентификации личности.

Несмотря на многообразие строения па­пиллярных узоров, они поддаются четкой классификации, обеспечивающей процесс их индивидуализации и идентификации. Все папиллярные узоры делятся на три ос­новных типа: дуговые, петлевые и завитковые, которые и составляют основу их клас­сификации.

Несмотря на бесконечное разнообразие типов папиллярных узоров, основывать­ся лишь на этом узоре для идентифика­ции личности нельзя. Типы рисунка па­пиллярного узора - это только так на­зываемые детали первого уровня. Для бо­лее надежного способа установления лич­ности используют детали второго и тре­тьего уровней.

Детали второго уровня - это так назы­ваемые детали Гальтона, которые предусматривают рассмотрение окончаний папиллярных линий, разветвления и пере­сечения этих линий и т.д. На одном отпечат­ке пальца руки насчитывается от 50 до 160 деталей второго уровня. На основе анали­за деталей первого и второго уровней уже можно проводить идентификацию.

Классификация деталей второго уровня тоже различна в разных странах. К приме­ру, в системе ФБР используется 8 различ­ных типов деталей второго уровня, а в Гер­мании -11 типов деталей.

Каждая отдельно взятая папиллярная ли­ния имеет и собственные особенности стро­ения, которые могут быть также использо­ваны для идентификации личности, - это детали третьего уровня. К деталям третьего уровня относятся такие характеристики, как форма начала и окончания отдельной па­пиллярной линии, изгибы, изломы, утолще­ния, утоньшения, разрывы и пр.