Сканирование отпечатков пальцев

Физиологически отпечаток пальца представляет собой конфигурацию выступов (гребней), содержащих индивидуальные поры, разделенные впадинами. Под кожей пальца расположена сеть кровеносных сосудов. Морфология отпечатка пальца связана с определенными электрическими и тепловыми характеристиками кожи. Это означает, что для получения изображения отпечатка пальца могут использоваться такие параметры, как свет, тепло или электрическая емкость (а также их комбинация). Отпечаток пальца формируется во время развития плода и не изменяется на протяжении всей жизни человека, кроме того, при повреждении через некоторое время он восстанавливает свою первоначальную структуру.

В настоящее время применяются следующие технологии:

- оптическая;

- емкостная;

- анализа давления;

- тепловая;

- радио.

В таблице 1 приведены особенности, достоинства и недостатки каждой их них.

 

 

Таблица 1. Электронные технологии получения отпечатков пальцев

Разновидность технологии	Сущность	Достоинства	Недостатки
Оптическая (на отражение)	Для захвата оптического изображения отпечатка пальца используется CMOS или CCD матрица.		- трудность различения живого пальца и его имитации; - чувствительность к загрязнениям.
Оптическая (на просвет)	Кончик пальца освещается со стороны ногтя. Прошедший через палец свет попадает на линзу датчика и далее на оптический сенсор, анализирующий характеристики поглощения света живыми тканями. Этот способ разработан компанией Mitsubishi Electric Corp.	- высокая надежность считывания и устойчивость к обману; - не требуется контакт пальца с поверхностью датчика	- сложность
Емкостная	Кончик пальца помещается напротив массива элементов, чувствительных к емкости. Различия в диэлектрике между гребнем (в основном вода) и впадиной (воздух) позволяют их идентифицировать и построить образ отпечатка.	Один из наиболее популярных методов вследствие его надежности и низкой стоимости	- уязвимость от электростатического разряда (ESD); - возможность обмана искусственным кончиком пальца.
Давление	Массив чувствительных к давлению пикселей на основе пьезоэлектрических элементов преобразует давление гребней пальца в электрические импульсы.		- низкая чувствительность, срабатывание от имитации пальца, повреждение при чрезмерном давлении
Тепловая	Использование пироэлектрического материала для преобразования различия температуры в напряжение. Тепловой датчик на основе массива элементов из такого материала измеряет разницу температур между элементом под гребнем и элементом под впадиной кончика пальца.	- устойчивость к электростатическому разряду; - отсутствие какого-либо воздействия на палец; - работа в широком диапазоне температур; - невозможность обмана с помощью имитации пальца.	- тепловой образ на датчике сохраняется короткое время (~0,1 сек.), поскольку при касании датчика быстро наступает тепловое равновесие
Радио	Кончик пальца возбуждается радиоволной низкой интенсивности. В этом случае он действует как передатчик, а различие расстояний между гребнями и впадинами может быть обнаружено массивом соответственно настроенных антенн. Необходимо, чтобы кончик пальца контактировал с областью излучения датчика (по его периферии).	Поскольку анализируются физиологические свойства кожи, очень сложно обмануть такой датчик искусственным пальцем.	- неустойчивая работа при плохом контакте пальца с передающим кольцом, которое может стать некомфортно горячим

Большинство описанных технологий для получения изображения отпечатка пальцев могут использовать два различных пути.

Первый заключается в использовании окна статического захвата изображения такого же размера, как у требуемого изображения отпечатка пальца (рис.2). Преимущество этого способа состоит в получении полного изображения одним действием. Серьезные недостатки заключаются в необходимости использования матрицы захвата большого размера, что повышает стоимость системы, а также в загрязнении поверхности датчика из-за остающихся на ней отпечатков.

Рис.2. Считыватель отпечатков пальцев «Puppy» от SONY Corp.	Рис.3. Считыватель отпечатков пальцев Bioki ID3 на основе теплового датчика ATMEL.

Второй подход основан на использовании прямоугольного окна с шириной требуемого изображения и высотой несколько пикселей. При идентификации человек быстро проводит пальцем поперек окна датчика (рис.3). Изображение сканируется секциями и восстанавливается программным обеспечением. В результате значительно уменьшается стоимость датчика (из-за малых размеров чувствительного элемента) и он становится самоочищающимся. Датчики такого типа называются sweep-сенсорами.

Оптические сканеры (на отражение) - основаны на использовании оптических методов получения изображения.

FTIR-сканеры - представляют собой устройства, в которых используется эффект нарушенного полного внутреннего отражения (Frustrated Total Internal Reflection, FTIR).

Рассмотрим данный эффект подробнее, чтобы пояснить полный алгоритм работы таких сканеров.

При падении света на границу раздела двух сред световая энергия делится на две части: одна отражается от границы, другая — проникает через границу раздела во вторую среду. Доля отраженной энергии зависит от угла падения. Начиная с некоторой его величины, вся световая энергия отражается от границы раздела. Это явление называется полным внутренним отражением. Однако при контакте более плотной оптической среды (в нашем случае поверхность пальца) с менее плотной (в практической реализации, как правило, поверхность призмы) в точке полного внутреннего отражения пучок света проходит через эту границу. Таким образом, от границы отразятся только пучки света, попавшие в такие точки полного внутреннего отражения, к которым не были приложены бороздки папиллярного узора поверхности пальца. Для фиксации получившийся таким образом световой картинки поверхности пальца используется специальная камера (ПЗС или КМОП в зависимости от реализации сканера).

Оптические (на просвет) (fiber optic scanners) - представляют собой оптоволоконную матрицу, каждое из волокон которой заканчивается фотоэлементом. Чувствительность каждого фотоэлемента позволяет фиксировать остаточный свет, проходящий через палец, в точке прикосновения рельефа пальца к поверхности сканера. Изображение отпечатка пальца формируется по данным каждого из элементов.

Емкостные (capacitive scanners) - для получения изображения отпечатка пальца используется эффект изменения емкости p-n перехода полупроводникового прибора при соприкосновении гребня папиллярного узора с элементом полупроводниковой матрицы или в роли одной пластины конденсатора выступает полупроводниковый элемент в матрице сканера, а палец - в роли другой.

При приложении пальца к сенсору между каждым чувствительным элементом и выступом-впадиной папиллярного узора образуется некая емкость, величина которой определяется расстоянием между поверхностью пальца и элементом. Матрица этих емкостей преобразуется в изображение отпечатка пальца.

Давления (pressure scanners) - в этих устройствах используются сенсоры, состоящие из матрицы пьезоэлементов. При прикладывании пальца к сканирующей поверхности выступы папиллярного узора оказывают давление на некоторое подмножество элементов поверхности, соответственно впадины никакого давления не оказывают. Матрица полученных с пьезоэлементов напряжений преобразуется в изображение поверхности пальца.

Тепловые (thermal scanners) — в них используются сенсоры, которые состоят из пироэлектрических элементов, позволяющих фиксировать разницу температуры и преобразовывать ее в напряжение. При прикладывании пальца к сенсору по температуре прикасающихся к пироэлектрическим элементам выступов папиллярного узора и температуре воздуха, находящегося во впадинах, строится температурная карта поверхности пальца и преобразуется в цифровое изображение.

Обобщенно говоря, в трех последних приведенных сканерах используются матрица чувствительных микроэлементов (тип которых определяется способом реализации) и преобразователь их сигналов в цифровую форму. Таким образом, обобщенно схему работы приведенных полупроводниковых сканеров можно продемонстрировать следующим образом. (См. рисунок.)

Радио (RF-Field scanners) - в таких сканерах используется матрица элементов, каждый из которых работает как маленькая антенна. Сенсор генерирует слабый радиосигнал и направляет его на сканируемую поверхность пальца, каждый из чувствительных элементов принимает отраженный от папиллярного узора сигнал. Величина наведенной в каждой микроантенне ЭДС зависит от наличия или отсутствия в близи нее гребня папиллярного узора. Полученная таким образом матрица напряжений преобразуется в цифровое изображение отпечатка пальца.

 

Кожа человека состоит из двух слоев:

• эпидермиса (epidermis), наружного слоя;
• 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.

Эти складки, видимые на поверхности кожи невооруженным глазом, называются папиллярными линиями (от лат. papillae – 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 7 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, то есть 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, которые в силу этических соображений не хотелось бы здесь описывать. 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%), а 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 полученного со сканера изображения отпечатков пальцев, на нем можно выделить некоторые характерные признаки поверхности пальцев, которые в дальнейшем можно использовать в целях идентификации.

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

• конечные точки – точки, в которых «отчетливо» заканчиваются папиллярные линии;
• точки ветвления – определяются как точки, в которых папиллярные линии раздваиваются.

На рисунке 1 представлен пример, на котором явно видно, что из себя представляют конечные точки и точки ветвления.

Если есть возможность получить изображение поверхности пальца с разрешением около 1000 dpi, на нем можно обнаружить детали внутреннего строения самих папиллярных линий, в частности, поры потовых желез (рисунок 2, пустыми кружками отмечены поры, черными кружками отмечены конечные точки и точки ветвления) и соответственно использовать уже их расположение в целях идентификации. Однако этот метод мало распространен из-за сложности получения в не лабораторных условиях изображений такого качества.

В автоматизированном распознавании отпечатков пальцев, в отличие от традиционной дактилоскопии, возникает гораздо меньше проблем, связанных с различными внешними факторами, влияющими на сам процесс распознавания. При получении отпечатков пальцев красковым способом (с помощью откатки) важно исключить или, по крайней мере, максимально уменьшить смещение или поворот пальца, изменение давления, изменение качества поверхности кожи и т.д. С электронных бескрасковых сканеров получить изображение отпечатка пальца с достаточным для обработки качеством существенно проще. Качество получаемого со сканера изображения папиллярного узора пальца является одним из основных критериев, от которого зависит избираемый алгоритм формирования свертки отпечатка пальца и в конечном итоге идентификации человека.

В настоящее время выделяют три класса алгоритмов сравнения отпечатков пальцев:

1. Корреляционное сравнение — два изображения отпечатка пальца накладываются друг на друга, и подсчитывается корреляция (по уровню интенсивности) между соответствующими пикселями вычисленная для различных выравниваний изображений друг относительно друга (например, путем различных смещений и вращений); По соответствующему коэффициенту принимается решение об идентичности отпечатков.
Вследствие сложности и длительности работы данного алгоритма, особенно при решении задач идентификации (сравнение «один-ко-многим») – системы, построенные с его использованием, сейчас практически не используются.

2. Сравнение по особым точкам – по одному или нескольким изображениям отпечатков пальцев со сканера формируется шаблон, представляющий собой двухмерную поверхность, на которой выделены конечные точки и точки ветвления. При сравнении – на отсканированном изображении отпечатка также выделяются эти точки, карта этих точек сравнивается с шаблоном и по количеству совпавших точек принимается решение по идентичности отпечатков (Рисунок 3). В работе алгоритмов данного класса также используются механизмы корреляционного сравнения, но при сравнении положения каждой из предположительно соответствующих друг другу точек.

В силу простоты реализации и скорости работы – алгоритмы данного класса являются наиболее распространенными. Единственным существенным недостатком данного метода сравнения является – достаточно высокие требования к качеству получаемого изображения (около 500 dpi).

3. Сравнение по узору – в данном алгоритме сравнения используется непосредственно особенности строения папиллярного узора на поверхности пальцев. Полученное со сканера изображение отпечатка пальца, разбивается на множество мелких ячеек как показано на рисунке 4 (размер ячеек зависит от требуемой точности).

Расположение линий в каждой ячейке описывается параметрами некоторой синусоидальной волны (Рисунок 5), то есть, задается начальный сдвиг фазы (δ), длина волны (λ) и направление ее распространения (θ).

Соответственно при получении отпечатка для сравнения – он выравнивается и приводится к такому же виду, что и шаблон. Затем сравниваются параметры волновых представлений соответствующих ячеек.

Преимуществом алгоритмов этого класса является то, что данные алгоритмы сравнения не требуеют получения изображения высокого качества.
В рамках статьи мы ограничимся только обобщенным описанием работы каждого из классов алгоритмов, на самом деле в реализации это все выглядит намного сложнее и с точки зрения математического аппарата и с точки зрения работы с изображением.
Отдельно стоит заметить, что в автоматизированной идентификации существует несколько проблем связанных со сложностью сканирования и распознавания некоторых типов отпечатков пальцев, в первую очередь это касается маленьких детей, так как их пальцы очень маленькие, для того, чтобы даже на хорошем оборудовании получить их отпечатки пальцев с детализацией, приемлемой для распознавания. Кроме этого, около 1% взрослых людей, являются обладателями настолько уникальных отпечатков пальцев, что работы с ними приходится или разрабатывать специализированные алгоритмы обработки или делать исключение в виде персонального для них отказа от биометрии.

⇐ Предыдущая123

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: