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.