11.5. Дактилоскопические сенсоры
11.5.1. Принципы дактилоскопии
Еще одним относительно новым видом интеллектуальных электрических сенсоров являются дактилоскопические сенсоры. Известно, что пальцы человека имеют уникальный папиллярный узор, неизменный на протяжении всей жизни. Вероятность его повторения у другого человека меньше, чем 10–9. Он является разным даже у однояйцовых близнецов с одинаковым набором хромосом и потому давно уже стал своеобразным "удостоверением" для идентификации личности. Вероятность повторения у другого человека папиллярных узоров одновременно двух соседних пальцев уже меньше 10–18.
В раскопках дохристианских времен в Китае, Вавилоне, Ассирии найдены глиняные печати владык и членов правительства, на которых зафиксированы отпечатки пальцев. В старинных рукописях говорится о том, что такие отпечатки воспринимались как удостоверение личности или как собственноручная подпись человека, а также о том, что китайские матери выучивали, прекрасно знали и могли уверенно опознавать отпечатки пальцев своих детей.
Папиллярный узор формируется из небольших (высотой 0,1-0,4 мм, шириной 0,2-0,7 мм) выступов кожи и мини-канавок между ними шириной 0,1-0,3 мм. На рис. 11.17, а,б,в показаны три основных типа папиллярных узоров – дуговые, петлевые, завитковые. За сотни лет развития дактилоскопии они хорошо детализированы, классифицированы; разработаны методы их индивидуализации и идентификации. Типы папиллярного узора – это т.н. "детали 1-го уровня". Для более точной идентификации рассматривают и проверяют как минимум еще детали 2-го и 3-го уровня. "Детали 2-го уровня" – это виды окончаний папиллярных линий, их разветвлений, соединений, сечений, зарубцеваний и т.п. ( рис. 11.17, г ).
Рис. 11.17. Основные типы папиллярных узоров
На одном пальце насчитывают порядка 100 таких деталей. Детали 3-го уровня – это детали каждой отдельной папиллярной линии: ее изгибы, сужения и расширения, отклонения от периодичности, различия между выступами и т.д. Выявляются и фиксируются еще много более мелких деталей: выходы потовых желез, микроскопические дыхательные поры в коже и т.п.
11.5.2. Интеллектуальные дактилоскопические сенсоры
С развитием вычислительной техники были разработаны детальные алгоритмы и компьютерные программы идентификации отпечатков пальцев. Созданы специализированные компьютерные сканеры отпечатков пальцев и методы представления их в цифровом виде. Но в течение длительного времени для обработки получаемой информации требовались слишком большие вычислительные ресурсы и применение дорогих сверхбыстродействующих компьютеров. Однако бурное развитие технологии, математики и информатики привело к тому, что стало возможным создание компактных интеллектуальных дактилоскопических сенсоров [ [ 215 ] , [ 285 ] , [ 313 ] ]. Иногда их называют также "биометрическими". Чувствительным узлом таких сенсоров является узел сканирования, в котором папиллярному узору одного, двух или нескольких пальцев ставится в соответствие последовательность электрических сигналов. Наиболее распространены сейчас емкостные, потенциальные, тепловые и фоточувствительные сканеры.
Принцип действия емкостных сканеров объясняет рис. 11.18. Поперек рядов плоских микроэлектродов 1 надо провести два-три пальца своих рук ( рис. 11.18, а ). На рис. 11.18, б эта ситуация показана в вертикальном сечении при значительном увеличении. Емкость между парой близких микроэлектродов в том случае, когда над ней находится выступ кожи, оказывается значительно больше, чем в случае, когда над ней находится канавка. Поэтому, измеряя электроемкость или переменный ток, который течет через соответствующую пару микроэлектродов, можно однозначно определить, какой элемент папиллярного узора находится в данный момент над ней.
Рис. 11.18. Принцип действия емкостного узла сканирования: а) 1 – линейки из пар микроэлектродов; 2 – пальцы, которые протягивают над ними; б) 1 – пара микроэлектродов, 3 – тонкий слой изолятора, 4 – выступ кожи, 5 – канавка между выступами, 6 – основная толща пальца
Действие потенциальных сканеров основано на том, что из-за рельефа кожи электрические потенциалы ее выступов и канавок несколько отличаются. Чтобы выявить и зафиксировать это различие используют одну или несколько линеек МДП транзисторов. В предыдущей лекции было показано, что ток через такой транзистор существенно зависит от потенциала на его затворе. А этот потенциал изменяется при переходах от выступов к канавкам и обратно. Когда один, два или три пальца скользят над линейкамиМДП транзисторов, то ток через каждый из них зависит от того, какая деталь папиллярного узора находится в данный момент над ним, – выступ или канавка. На 0,1 мм узора может приходиться от 2 до 10 чувствительных к потенциалу МДП транзисторов. На том же кристалле с использованием КМДП технологии формируют схемы считывания, фильтрации, предварительной обработки сигналов и их запоминания.
В тепловых сканерах используется тот факт, что тепловое излучение от канавок и впадин кожи несколько отличается. И это отличие "улавливают" ряды элементов, чувствительных к тепловому излучению, над которыми скользят пальцы.
В фоточувствительных сканерах увеличенное изображение папиллярного узора оптически проецируется с увеличением на линейку или матрицу фотоприемников, которые превращают его в последовательность электрических сигналов.
Микропроцессор, входящий в состав дактилоскопического сенсора, не только организует считывание и фильтрацию информации о папиллярном узоре пальцев, но и обрабатывает ее, приводит к стандартной форме. Он же осуществляет сравнение с образцами типовых узоров, хранящихся в его долговременной памяти, и по заданным критериям решает, каким образцам соответствуют исследуемые пальцы. Т.е. он автоматически выполняет ту сложную работу, которую в течение предыдущих столетий могли выполнить лишь высококвалифицированные эксперты.