Сканирующие методы получения отпечатков пальцев



The paper discusses the basic scanning methods of obtaining fingerprints for further processing, which allows using the physical phenomena inherent in the principle of their operation to obtain the fingerprint image for further processing. In detail the features of the skin surface of the structure of human hands and the main features that enable typed fingerprint fingers. Obtained flaws and peculiarities of application of optical, semiconductor and ultrasound scanning techniques. Recommendations on the use of optical, semiconductor and ultrasound methods for obtaining fingerprints.

Keywords: fingerprint recognition, scanning techniques, neural networks

Известно множество способов защиты как информации, так и физических объектов, которые применяются в зависимости от необходимого уровня безопасности для конкретного объекта [1–6].

Одними из таких способов защиты являются биометрические системы [7–10], а точнее системы идентификации по отпечаткам пальцев. Такие системы приобрели широкое распространение и в дальнейшем имеют хорошие перспективы развития за счёт своей адаптивности.

Внедрение биометрических технологии и, в частности распознавания отпечатков пальцев, значительно усиливает степень защиты объекта, а также заметно увеличивает качество идентификации за счёт исключения необходимости в специальной карте, пропуске, ключе, нужен только уникальный отпечаток, который невозможно забыть или потерять.

Системы основанные на дактилоскопии сравнивают полученный отпечаток памяти с другими отпечатками, которые хранятся в базах системы или же с отпечатком конкретного человека, способ сравнения также зависит от сферы применения данной технологии [7–10].

Впервые к отпечаткам пальцев обратились в 1877 году, когда англичанин Уильям Гершель выдвинул гипотезу об уникальности и неизменности папиллярного рисунка на ладонях человека [11]. Первые упоминания об использовании методов дактилоскопии для опознания преступника относятся к 1902 году в Великобритании. Существуют свидетельства, что дактилоскопия интересовала людей задолго до 1877 года, в качестве примера можно привести хиромантию (древний вид гадания по папиллярным и флексорным линиям ладони человека).

Таким образом, исторически сложилось, что на начальном этапе наибольшее применение дактилоскопия и отпечатки пальцев нашли именно в криминалистике, и до сих пор являются актуальными, однако уже в более широких масштабах.

С развитием технологий и возможностей по анализу и считыванию биометрических данных, биометрические системы получили большое применение в различных сферах деятельности человека, которые представлены на рисунке 1.

Рис. 1. Классификация областей применения биометрических систем

Популярность биометрических технологий обусловлена сложностью и широким спектром методологий как получения так и обработки отпечатков пальцев. Однако с ростом количества методик и видов сканирования отпечатков пальцев становиться затруднительно выявить самый наилучший метод для конкретного применения технологии. Стоит отметить, что при выборе той или иной методики, необходимо руководствоваться следующими характеристиками:

– степень загрязнённости окружающей среды, в которой будет находиться сканер;

– уровень влажности окружающей среды;

– частота использования сканера (чем больше поток пользователей, тем больше износ сканера);

– точность;

– габариты;

– финансовые затраты (установка, дальнейшее обслуживание).

Используя предложенную в работе классификацию основных признаков отпечатков пальцев возможно выбирать способ обработки биометрической информации наиболее эффективно.

В данной работе рассмотрены основные сенсорные методы получения отпечатков, такие как оптические, полупроводниковые и ультразвуковые технологии. Подробно проанализированы методики их функционирования, а также проведено их сравнение и выявление наилучших и перспективных для конкретных сфер деятельности. Предложен структурированный подход к выбору метода получения отпечатка пальцев, в зависимости от принципа функционирования, особенностей применения, а также особенностей условий, благоприятных для корректного действия.

1. Анализ признаков отпечатков пальцев

Для обеспечения высоких качественных характеристик получения отпечатков пальцев необходимо систематизировать и обобщить значимую информацию, оценить характерные черты и признаки у кожного покрова ладоней человека.

Рассмотрим особенности кожного покрова человека, который содержит три основных слоя представленных на рисунке 2:

– эпидермис;

– дерму;

– подкожную жировую клетчатку.

Рис. 2.Структура кожного покрова

Второй слой дерма, т. е. непосредственно кожа, которая в свою очередь состоит из плотной ткани — сетчатого слоя и сосочкового слоя, который представляет собой множество возвышений(сосочков), расположенных парами и образующих линейные ряды, разделяемых бороздками. Первый слой, эпидермис точно повторяет рельеф сосочкового слоя кожи, образуя папиллярные линии, которые разделены между собой углублениями. Потоки папиллярных линий и углублений образуют уникальные рельефы различной формы и сложности, которые называются папиллярными узорами, пример папиллярного узора показан на рисунке 3.

Рис. 3. Папиллярный узор отпечатка пальца [7]

Папиллярные узоры обладают свойствами, которые позволяют их успешно использовать в различных задачах идентификации, представленной на рисунке 4

– уникальность;

– восстанавливаемость;

– неизменяемость;

– классифицируемость.

В отпечатках пальца можно выделить два типа признаков локальные и глобальные.

Локальные признаки — это признаки не различимые без специальной аппаратуры, однако определяющие уникальность отпечатка пальца.

Глобальные признаки — это признаки, которые можно увидеть без использования специальной аппаратуры.

Таблица 1

Признаки отпечатков пальцев

Тип признака	Название	Описание	Назначение
Глобальные		Визуально различимые особенности папиллярного рисунка ладони.	Формируют первоначальный образ отпечатка, позволяют типизировать строение отпечатка
	Область образа	Выделенный фрагмент отпечатка, в котором локализованы все глобальные признаки
	Ядро	Пункт, локализованный в центре отпечатка
	Пункт «дельта»	Точка начала, т. е. место, где бороздки папиллярной линии могут разделяться или соединяться
	Тип линии	Две наибольшие линии, которые в начале идут параллельно, а затем отделяются и огибают всю область образа
	Число линий	Количество линий на области образа, или количество линий между ядром и пунктом «дельта».
Локальные		Неразличимые без специального оборудования изменения структуры папиллярного узора	Микро-узор, определяющий уникальность отпечатка пальца
	Минуции	Изменения структуры в виде разрывов, раздвоений и других изменений формы

Таким образом анализ отпечатков пальцев и особенности строения отпечатка позволяет судить о сложности и уникальности строения кожного покрова ладони, позволяет обеспечивать высокую точность идентификации и степень защиты, посредством сенсорных методов получения отпечатка.

2. Анализ методов получения отпечатков
   1. Общие положения

Для обработки отпечатка пальцев и функционирования биометрической системы необходимо получить электронную версию биометрического объекта, например отпечатка, в которой будет хорошо различим папиллярный узор. Без сомнения, это сложный процесс, в связи с реальными размерами отпечатка пальца и сложности его структуры.

Для решения данной задачи используются сканеры отпечатков пальцев, которые можно разделить между собой на типы по физическим явлениям, заложенным в принципе их функционирования:

– оптические сканеры;

– полупроводниковые сканеры;

– ультразвуковые сканеры.

Данные сканеры могут представлять собой законченные устройства или же являться частью компьютерной системы, например сканер может быть встроен в компьютерную мышь, телефон, клавиатуру, систему безопасности, сейф, терминал и т. д. Рассмотрим подробнее каждый из методов сканирования отпечатков пальцев.

2.2 Метод оптического сканирования

Оптические технологии сканирования основаны на оптических методах получения изображения.

Первый вид оптического сканирования — FTIR-сканирование (Frustrated Total Internal Reflection — нарушенное полное внутреннее отражение) — основано на эффекте полного внутреннего отражения. Для понимания функционирования данного вида сканирования рассмотрим этот эффект подробнее.

Световой луч при прохождении от источника света к границе двух различных сред делится на две части. Одна часть отражается от границы разделения, а другая проходит через границу в другую среду. Доля отражённой энергии зависит от угла падения света на границу раздела двух сред. Начиная с определённой величины угла падения света, свет перестаёт переходить через границу в другую среду, а отражается полностью, данное явление называется полным отражением света. Данное явление показано на рисунке 2.1а. Однако при соприкосновении более плотной среды (в нашем случае кожной поверхности пальца) с менее плотной средой (поверхность призмы) в точке полного внутреннего отражения пучок света проходит через границу раздела двух сред. В итоге, от границы раздела отразятся только те лучи света, которые попали в такие точки полного внутреннего отражения, в которых не было контакта с папиллярным узором пальца. Т. е. как показано на рисунке 2 свет отразится только от участков, где находятся бороздки (углубления) папиллярного узора пальца, таким образом и получается нарушенное полное внутреннее отражение. Получившуюся таким образом световую картинку пальца захватывают с помощью специальной камеры [8].

Рис. 2. Принцип работы FTIR- сканера: полное внутреннее отражение, нарушенное внутреннее отражение

Среди производителей сенсоров на основе данного метода такие компании как Identix, BioLink, Digital Persona [9].

Следующий вид оптического сканирования — электрооптическое сканирование. Электрооптическое сканирование основано на использовании специального электрооптического полимера, в составе которого есть светоизлучающий слой. Посредством этого слоя, полимер высвечивает поверхность пальца и получившаяся картина пальца захватывается камерой.

Рассмотрим третий метод оптического сканирования — бесконтактное оптическое сканирование [7]. Данный метод основан на сканировании без контакта с поверхностью устройства. Как показано на рисунке 3 палец прикладывается к отверстию в сканере, в котором несколько источников света, под разным углом снизу подсвечивают палец. В центре расположена линза, через которую собранная информация проецируется на камеру, фиксирующую изображение отпечатка.

Рис. 3. Методика бесконтактного сканирования отпечатка пальца

Стоит отметить недостатки оптических методов сканирования:

– высокая стоимость сканера как следствие высокой степени компоновки и сложности оптических систем, однако у некоторых производителей уже появляются бескорпусные сенсоры с невысокой стоимостью;

– неустойчивость к муляжам;

– чувствительность к загрязнениям (не относится к бесконтактному методу).

Из недостатков можно сделать вывод, что оптические сканеры отпечатков пальцев не стоит использовать в помещениях, где присутствуют различные загрязнения, в том числе пыль и высокий уровень влажности. Они скорее подойдут для использования в офисах или других относительно чистых помещениях.

2.3 Метод полупроводникового сканирования

Функционирование полупроводниковых сканеров основано на получении изображения отпечатка пальцев на базе свойств полупроводников, которые изменяются в местах контакта папиллярных линий с поверхностью сканера и не изменяются в углублениях из-за отсутствия контакта. Существует несколько технологий основанных на данных свойствах [7].

Ёмкостное сканирование (capacitive scanning) — технология, основанная на изменении ёмкости pn-перехода в зонах контакта папиллярных линий с элементами полупроводниковой матрицы. Как показано на рисунке 4 в месте контакта пальца к сенсору, между чувствительным элементом и выступом-впадиной папиллярного узора возникает некоторая ёмкость, определяемая расстояниями от поверхности пальца до чувствительного элемента. Матрица этих ёмкостей в дальнейшем будет преобразована в изображение отпечатка пальца.

Рис. 4. Методика ёмкостного сканирования отпечатка пальца

Стоит отметить, что ёмкостная технология — самая распространённая полупроводниковая технология, используемая в наши дни.

Ведущие производители сканеров данного типа: Infineon, ST-Microelectronics, Veridicom.

Сканирование по уровню давления (pressure scanning) — метод основан на общей идее все полупроводниковых сканеров, однако здесь, матрица построена на пьезоэлементах. В данной технологии при контакте пальца с поверхностью сканера, выступы папиллярного узора (папиллярные линии) оказывают давление на чувствительные элементы поверхности сканера, а впадины в свою очередь никакого давления не оказывают. Напряжения с матрицы пьезо-элементов преобразуется в изображение отпечатка пальца.

Производителем сканеров с пьезо-элементами является компания BMF [10].

Тепловое-сканирование (thermal scanning) — данный метод основан на матрице, состоящей из пиро-элементов, которые фиксируют разницу температур и преобразовывать её в напряжение. При контакте поверхности пальца с поверхностью сканера фиксируется температура выступов папиллярного узора и температура воздуха в впадинах, на основе чего составляется температурная карта, которая в дальнейшем будет преобразована в изображение отпечатка пальца.

Производителем тепловых сканеров является компания Atmel [10]. На рисунке 5 показана матрица, представляющая собой множество измерений поверхности пальца, которая в дальнейшем будет преобразована в изображение отпечатка пальца.

Рис. 5. Матрица сенсорных полупроводниковых систем

Таким образом можно сделать вывод об общем принципе устройства описанных технологий. Для сбора данных используется матрица чувствительных элементов, какие это будут чувствительные элементы зависит от выбранной технологии. А для дальнейшей обработки собранных данных используется преобразователь аналоговых сигналов в цифровые [8].

Недостатки полупроводниковых сканеров отпечатка пальца:

– меньшая разрешающая способность получаемого изображения;

– высокая степень изнашиваемости, за счет непосредственного контакта с полупроводниковой поверхности, при добавлении дополнительных промежуточных слоев искажаются считываемые данные;

– чувствительность к внешним электрическим полям.

Из недостатков полупроводниковой технологии сканирования стоит отметить, что использование данных сканеров в системах учёта рабочего времени и идентификации, где большой поток людей и постоянный износ не рекомендуется, однако низкая стоимость таких устройств вполне может компенсировать его короткий срок эксплуатации. Предположим, что наиболее благоприятным будет использование таких устройств в системах ограниченного доступа с небольшим потоком пользователей.

2.4 Методы ультразвукового сканирования

Данный метод представлен всего лишь одной технологией ультразвукового сканирования. Технология основана на сканировании поверхности пальца ультразвуковыми волнами и анализе расстояния между источником УЗ-волны и углублениями и выступами поверхности пальца по отражённому от них эху [4].

На рисунке 6 показана схема работы ультразвукового сканера.

Рис. 6. Методика ультразвукового сканирования

Качество изображения, которое мы получаем в результате превышает в 10 раз результат работы любого другого полупроводникового или оптического сканера [7].

Также степень защиты от муляжей здесь практически абсолютная, потому что данная технология позволяет получить не только изображение отпечатка пальцев, но и сведения о состоянии, например пульс внутри пальца.

Ведущий производитель сканеров данного типа Ultra-Scan Corporation (UCS).

Недостатки данного метода:

– высокая стоимость реализации;

– большие размеры относительно размеров устройств, полученных полупроводниковой и оптической методиками.

Можно сказать, что ультразвуковая технология сочетает в себе достоинства предыдущих двух методик [2]. Поэтому вопрос использования устройств, основанных на ультразвуковом сканировании необходимо решать относительно рациональности соотношения «требуемое качество — цена», т. к. если такое качество изображения не нужно, то можно выбрать другую сканирующую технологию.

3. Применение методов получения отпечатков пальцев

После анализа принципов функционирования каждого метода, а также выявления их достоинств и недостатков для более структурированного представления и дальнейшей возможности формирования рекомендаций по применению каждого из методов составим сравнительную таблицу методов получения отпечатков пальцев (таблица 2).

Таблица 2

Сравнение методов получения отпечатков пальцев

Параметр	Оптическое сканирование	П/П сканирование	УЗ сканирование
Габариты	50х30х20мм	30х20х20мм	60х40х20
Стоимость реализации	Высокая	Низкая	Высокая
Разрешение изображения	600 dpi	500 dpi	2400 dpi
Долговечность	Медленный износ	Быстро изнашивается	Медленный износ
Чувствительность к муляжам	Нет	Да	Да
Чувствительность к загрязнениям	Да	Нет	Нет

Таблица 3.1 позволяет наиболее наглядно оценить общие характеристики технологий методик сканирования, однако внимательно изучив данные таблицы достаточно сложно выделить методику, которая бы обладала только достоинствами или же наоборот, выделить наименее выгодную для применения методику. Все дело в том, что при выборе сканера необходимо руководствоваться критериями, которые являются наиболее превалирующими именно в конкретном случае. На рисунке 7 представлены области применения сканеров разных типов.

Рис. 7. Сферы применения сканеров разных типов

Так оптические сканеры найдут свое применение в условиях, исключающих высокий уровень влажности, а также высокую степень загрязненности помещения. Также стоит отметить, что оптические сканеры не рекомендуется применять на объектах, требующих высокую степень безопасности, в связи с отсутствием способности этих сканеров различать муляжи.

Полупроводниковые сканеры ввиду своим размерам и функциональности в плане чувствительности к муляжам, а также низкой стоимости может широко использоваться (и уже используется) в различных видах мобильных устройств, а также на объектах, требующих достаточной высокой степени защиты. Однако в связи с высокой степенью изнашиваемости данный вид сканеров может нуждаться в дополнительном обслуживании при высокой мере использования. Так же стоит отметить, что маленькое разрешение изображения может не удовлетворять требованиям высокой степени защиты на отдельных объектах.

Ультразвуковые сканеры — это отличное решение для систем с высокими требованиями по безопасности, которые они свободно могут обеспечить благодаря большому разрешению получаемого изображения отпечатка, чувствительности к муляжам и большому жизненному циклу, а также не чувствительности к загрязнениям, которая характерно отражается на сохранении точности при функционировании сканера. Стоит отметить, что не смотря на высокую стоимость данные сканеры также начинают использоваться в различных мобильных устройствах и, вероятно, что стоимость данных сканеров с ростом их применения и конкуренции в дальнейшем значительно уменьшится.

Выводы

В работе проанализированы основные сканирующие методы получения отпечатков пальцев и принцип их функционирования. Были выявлены сильные слабые стороны каждого метода в таблице 2. Даны рекомендации относительно сфер использования рисунок 7.

Оптические сканеры отпечатков пальцев не стоит использовать в помещениях, где присутствуют различные загрязнения, в том числе пыль и высокий уровень влажности. Они скорее подойдут для использования в офисах или других относительно чистых помещениях.

В связи с повышенной изнашиваемости устройств полупроводникового сканирования наиболее благоприятным будет использование таких устройств в системах ограниченного доступа с небольшим потоком пользователей.

Ультразвуковая методика отвечает все показателям качества и точности сканирования, однако имеет высокую стоимость, в связи с чем можно сказать, что она может быть использована в любой сфере, однако следует учитывать высокую стоимость данных систем, а следовательно рациональность её использования.

Стоит отметить, что методы сканирования крайне стремительно развиваются, причём не только увеличивается количество методов реализации сканеров, как в случае с возникновением ультразвуковой методики, но и совершенствуются уже существующие методы. Так со временем практически везде решены проблемы муляжей, кроме случая ультразвуковой технологии, поскольку данной проблемы у неё и не было, а также габаритов, это касается оптических сканеров.

Учитывая тенденции развития, можно смело предположить, что со временем стоимостной недостаток ультразвуковой технологии будет решён, а также появятся новые сферы использования систем сканирования отпечатков пальцев.

Литература:

1. Балухто А. Н., Булаев В. И., Бурый Е. В. и др. Нейрокомпьютеры в системах обработки. Под ред. Редакторы: Галушкин А. И., Гуляев Ю. В. — М.: Издательство «Радиотехника». 2003. 192 с. Сер. Библиотека журнала «Нейрокомпьютеры: разработка, применение». Том 7.
2. Шахнов В. А., Власов А. И., Поляков Ю. А., Кузнецов А. С. Нейрокомпьютеры: архитектура и схемотехника — Москва, Изд-во Машиностроение. 2000. Том 9. Сер. Приложение к журналу «Информационные технологии». 24 с.
3. Горелов Д. В., Власов А. И. Современные системы распознавания регистрационных знаков транспортных средств // Будущее машиностроения России. Сборник докладов Восьмой Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов. 2015. С. 389–394.
4. Демин А. А. Методы автоматизированной оценки каллиграфии // Программные продукты и системы. 2011. № 1. С. 5.
5. Пакилев А. Е. Методы обеспечения информационной безопасности в гетерогенных информационных сетях// Наукоемкие технологии и интеллектуальные системы в XXI веке. Сборник научных трудов молодежной научно-технической конференции. 2000. С.106–114.
6. Сельвесюк Н. И., Островский А. С., Гладких А. А., Аристов Р. С. Объектно-ориентированное проектирование нейронной сети для автоматизации определения архитектуры вычислительной системы в задачах обеспечения информационной безопасности // Научный вестник Новосибирского государственного технического университета. 2016. № 1 (62). С. 133–145.
7. Макеев С. С. БИОМЕТРИЯ? БИОМЕТРИЯ. БИОМЕТРИЯ! // Наукоемкие технологии и интеллектуальные системы в XXI веке. Сборник научных трудов молодежной научно-технической конференции. 2000. С.102–105.
8. Ерош И. Л., Сергеев М. Б., Соловьев Н. В. Обработка и распознавание изображений в системах превентивной безопасности: Учеб. пособие. — СПб., Изд-во СПбГУАП. 2005. 154 с.: ил.
9. М. Репин, Д. Машков, А. Сакулина Биометрическая аутентификация: проблемы будущего // Информационная безопасность. 2009. № 6. С. 41.
10. Задорожный В.В Идентификация по отпечаткам пальцев // PC Magazine / Russian Edition. 2004. № 1. C.5.
11. Herschel William J. The Origin of Finger-Printing. — Oxford University Press, 1916.
12. Демин А. А., Карпунин А. А., Ганев Ю. М. Методы верификации и валидации сложных программных систем // Программные продукты и системы. 2014. № 108. С. 229–233.