Отпечаток пальца вместо пароля
Уникальность дактилоскопического метода
Сканирование отпечатков пальцев
Типы сканеров отпечатков пальцев
Надежность систем сканирования отпечатков пальцев
По прогнозам IDC (International Data Corp), рынок биометрических технологий должен вырасти с 58,4 млн. долл. в 1999 году до 1,8 млрд. долл. в 2004-м. Наибольшие темпы роста ожидаются в области технологий сканирования и верификации отпечатков пальцев, голоса и подписей.
Уникальность дактилоскопического метода
актилоскопия
— 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). Папиллярный узор полностью формируется на седьмом месяце развития плода. Более того, в результате проведенных исследований было установлено, что отпечатки пальцев различны даже у однояйцовых 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.
Дуговые узоры образуются потоком папиллярных линий и в средней части узора имеют изгиб — внутреннюю дугу, строение и форма которой служат для разделения их на подвиды. Так, согласно российской системе классификации (в разных странах используются различные системы классификации) дуговой узор может быть простым, шатровым, с неопределенным строением центра, ложно-петлевым, ложно-завитковым и аномальным. Пример простого дугового узора показан на рис. 1.
Рис. 1. Пример простого дугового папиллярного узораф
Петлевые узоры (рис. 2) состоят из потоков папиллярных линий, которые начинаются у одного края пальца, изгибаются вверх и к центру и, образуя петлю, возвращаются к тому же краю. Петлевой узор состоит из ряда петель, находящихся одна в другой, но для отнесения узора к петлевому типу необходимо, чтобы в центре узора хотя бы одна линия образовывала завершенную головку петли или полную петлю. В зависимости от формы петель, взаимного расположения ножек петель и положения петель в плоскости петлевые узоры подразделяются на девять подвидов: простой, изогнутый, половинчатый, замкнутый, с системой петель «параллельные петли», с системой петель «встречные петли», ложно-завитковые и редко встречающиеся петлевые узоры.
Рис. 2. Пример простого петлевого папиллярного узора
Завитковые узоры (рис. 3) образуются таким потоком, папиллярные линии которого в средней части изогнуты в виде кругов, овалов, спиралей, огибающих друг друга или образующих разные сочетания. Разновидности завитковых узоров обусловлены особенностями их внутреннего строения. Выделяют следующие 12 подтипов завитковых узоров: простой узор — круг, простой узор — овал, простой узор — спираль, петля-спираль, петли-спирали, петля-улитка, изогнутая петля, неполный завитковый узор, петли-клубки с разносторонним и односторонним расположением ножек петель и редко встречающиеся завитковые узоры.
Рис. 3. Пример простого завиткового узора — круга
Еще раз отметим, что в разных странах используются несколько различающиеся системы классификации, поэтому подтипы базовых папиллярных узоров могут быть разными.
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 (рис. 4), 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. По отношению к деталям второго уровня их можно назвать «деталями деталей». К деталям третьего уровня относятся такие характеристики, как форма начала и окончания отдельной папиллярной линии, изгибы, изломы, утолщения, утоньшения, разрывы и пр.
Рис. 4. Детали папиллярного узора второго уровня:
1 — фрагмент папиллярной линии;
2 — начало папиллярной линии;
3 — глазок;
4 — разветвление папиллярной линии;
5 — крючок;
6 — мостик;
7 — островок;
8 — папиллярная точка;
9 — окончание папиллярной линии;
10 — слияние папиллярной линии;
11 — тонкие межпапиллярные линии
 |
|
История дактилоскопии
ейчас
уже невозможно точно установить, кому, где и когда пришла в голову мысль использовать
отпечаток пальца для установления личности. Не установлено даже, кто впервые
использовал термин «дактилоскопия» (по некоторым данным, этот термин ввел Жуан
Вуцетич).
Непреложным остается лишь то, что основы дактилоскопии базируются на опыте столетий и что дактилоскопия является одной из древнейших наук.
Зачатки представлений о дактилоскопии относятся к дохристианской эпохе. К примеру, в области обитания индейцев микмак южнее полуострова Лабрадор было найдено древнее изображение на камне человеческой руки, на которой явно прослеживались рисунки папиллярных линий. Конечно, это не доказывает, что древним племенам была известна дактилоскопия, однако это, пожалуй, одно из самых ранних свидетельств об интересе человека к отпечаткам пальцев.
Признаки знания дактилоскопии можно встретить у древних ассирийцев и вавилонян, которые использовали отпечаток пальца в качестве личной печати или подписи, оставляя оттиски на глиняных табличках и защищая таким образом документы от подделок. Видимо, в древнем Вавилоне и Ниневии знали, что с помощью отпечатка пальца можно установить личность.
Если же следовать историческим фактам, истоки дактилоскопии следует искать в Китае. В 1904 году китайский археолог Лиу Тьейин выпустил в Шанхае книгу, где содержатся факсимиле древних китайских глиняных печатей, относящихся к дохристианской эре. Часть изображенных печатей представляет собой оттиски пальцев. Скорее всего, таким образом собственник печати имел возможность доказать свое право на владение печатью.
Китайские манускрипты в свитках периода династии Тангов (618-906), найденные во время раскопок в Китайском Туркестане, были снабжены печатями владельцев с оттисками отпечатков пальцев.
Использование оттисков пальцев в качестве уникальной и не поддающейся подделке подписи владельца внедрялось в Китае на протяжении столетий. Постепенно отпечатки пальцев стали использоваться не только как подпись или личная печать владельца — папиллярный узор стали изучать и наделять конкретным смыслом. Так, в Китае было принято предсказывать судьбу именно по папиллярному узору. Более того, каждая мать прекрасно знала отпечатки пальцев своего ребенка, а описание этого узора даже принималось к рассмотрению в суде в качестве доказательства материнских прав.
В Китае использование отпечатков пальцев нашло широкое применение не только в быту, но и в криминалистике. Вот что пишет об этом Гейндль Роберт в статье «Дактилоскопия и другие методы уголовной техники в деле расследования преступлений», опубликованной в 1927 году: «Китайцы применяют этот способ, по крайней мере в части страны, для того, чтобы идентифицировать совершивших тяжкие преступления. Мы фотографируем их лица — они делают отпечатки их пальцев, которые собираются в регистратуре. Если преступник опять попадает в руки полиции, вторично полученный отпечаток дает материал для сравнения. Китайцы считают свой метод надежнее и проще нашего фотографирования, так как лицо преступника может быть изменено до неузнаваемости волосами, бородой и другими искусственными способами».
В Европе на возможность использования отпечатков пальцев для идентификации личности обратили внимание значительно позже. Первым европейцем, который заинтересовался узорами папиллярных линий и стал их изучать, был профессор анатомии Университета Болоньи Марселло Мальпиги. В своем сочинении 1686 года он довольно подробно описывает линии на ладонной поверхности руки. Но только в 1823 году профессор из Университета города Бреслау (ныне Вроцлав) Иоганн Пуркинье опубликовал тезисы о возможности классификации папиллярных узоров, основываясь на девяти различных типах узоров. И хотя предложенная им система классификации не нашла в то время должного отклика, это было первой попыткой создания системы классификации.
Современную историю европейской дактилоскопии связывают с именами англичан Вильяма Гершеля и Генри Фолдса.
Вильям Гершель, служивший в Индии в 1853-1878 годах, был первым европейцем, решившим использовать отпечатки пальцев в целях розыска. По всей видимости, к такому решению его подтолкнуло тесное общение с местными жителями, имевшими представление об этом. Сначала Гершель практиковал дактилоскопию при выплачивании пособий местным жителям. Индусы, которые для европейца были все на одно лицо, нередко пользовались этим, пытаясь получить причитающиеся им деньги вторично. Чтобы исключить подобные махинации, Гершель велел ставить отпечатки пальцев на платежных квитанциях и в специальной регистрационной книге для сравнения, что позволяло безошибочно устанавливать личность получателя. Затем Гершель стал применять дактилоскопию в одной из тюрем округа. У каждого вновь прибывшего заключенного снимали отпечаток пальца, чтобы судьи и другие чиновники, приводя в тюрьму провинившихся, могли установить идентичность приведенного и убедиться, не ошибся ли тюремный привратник, поскольку ошибки в персональном опознавании преступника в те времена не были редкостью.
Независимо от Гершеля мысль об использовании отпечатков пальцев для установления личности высказал Генри Фолдс, работавший в токийском госпитале. Генри Фолдс начал изучать отпечатки пальцев в 1870 году, после того как обнаружил оттиск пальца на древнем гончарном изделии. А в 1880 году в британском научном журнале Nature была опубликована его статья об этом. Кроме того, доктор Генри Фолдс разработал систему классификации отпечатков пальцев и впервые провел идентификацию по отпечатку, оставленному на стеклянной бутылке. Фолдс составил и руководство для снятия отпечатков пальцев, предлагая дактилоскопировать все десять пальцев. После обнародования результатов своих исследований Фолдс послал объяснение созданной им системы классификации и метода регистрации отпечатков пальцев Чарльзу Дарвину. Знаменитый ученый не смог по причине старости и болезни лично поговорить с Фолдсом, но передал все материалы известному английскому антропологу сэру Фрэнсису Гальтону (1822-1911).
Идеи и накопленный опыт Гершеля и Фолдса послужили базой для дальнейшего развития классической дактилоскопии в трудах Фрэнсиса Гальтона. Основываясь на трудах доктора Фолдса и Гершеля, он установил индивидуальность и неизменность отпечатков пальцев на протяжении всей жизни. Первые данные своих исследований Гальтон изложил в своей книге «Finger prints», появившейся в Лондоне в 1892 году. В этой работе он обосновал возможность использования дактилоскопии для идентификации личности и привел разработанную им систему классификации отпечатков пальцев. Основу системы классификации Гальтона составляли три базовых узора — в форме петли (loop, L), дуги (arch, A) и завитка (whorl, W) и их распределение на десяти пальцах, к примеру: LLAWL LWWLL.
Гальтон доказал, что даже 10 пальцев одного и того же лица имеют 10 различных узоров. Уникальность папиллярных узоров основывалась на том, что, по расчетам Гальтона, возможны 64 млрд. узоров сосочковых линий, различия в которых можно установить вполне точно. Общее число людей на планете в то время составляло около 1,6 млрд., то есть вероятность совпадения двух отпечатков пальцев, принадлежащих разным людям, являлась чрезвычайно малой. Эти расчеты относятся только к сравнению каждого пальца в отдельности, если же сравниваются два пальца каждого из двух лиц, то уже возможно 4096Ѕ1018 различных узоров, а при сравнении всех десяти пальцев число различных узоров составит невообразимое число — (64Ѕ109)10. Система классификации Фрэнсиса Гальтона была впоследствии улучшена: рассматривались не только типы узоров, но и уникальные особенности самих линий. Появилось такое понятие, как minutiae, или детали Гальтона.
Следует отметить, что внедрение дактилоскопии в Европе происходило отнюдь не гладко. Дело в том, что в Европе уже существовала и широко использовалась биометрическая система идентификации личности, разработанная в 1870 году французским антропологом Альфонсом Бертильоном. В течение нескольких лет Бертильон трудился над системой регистрации карточек с характеристиками преступников, благодаря которой за несколько минут можно было установить, имеются ли в картотеке сведения об интересующем полицию человеке. В начале января 1883 года картотека Бертильона насчитывала 500 карточек, в середине января — 1000, а в начале февраля — около 1600. Сотрудники парижской полиции, применявшие метод Бертильона, окрестили его бертильонажем.
В основу системы Бертильона были положены физические размеры и различные признаки, такие как ширина черепа, длина стопы, длина среднего левого пальца, цвет волос, цвет глаз и т.д. Группируя индивидуальные характеристики человека, его можно было отнести к одной из 243 категорий, предусмотренных классификационной системой. Антропометрия как способ идентификации личности с успехом использовалась на протяжении 30 лет, являясь первой европейской системой идентификации личности, однако после выхода в свет книги Гальтона ее судьба была предрешена.
Хуан Вусетич, состоявший на службе в полиции Аргентины, также работал над системой классификации отпечатков пальцев, основываясь на трудах Галтона. В 1892 году он провел первую идентификацию преступника: по кровавым отпечаткам пальцев удалось установить, что женщина убила двух своих сыновей, а потом покончила с собой. Разработанная Вусетичем система, впервые опубликованная в книге «Dactiloscopнa Comparada» в 1904 году, до сих пор используется в большинстве испаноговорящих стран.
Дактилоскопия за несколько лет завоевала Европу и Америку, чуть позже — Россию, Японию и другие страны. В 1895 году дактилоскопия была взята на вооружение Скотланд-Ярдом, а в июне 1897 года антропометрическая система Бертильона была заменена на классификационную систему Ричарда Генри, которая стала официальным методом идентификации преступников во всей Индии. В 1900 году в Англии перестали применять бертильонаж, и с тех пор идентификация преступников стала строиться только на дактилоскопическом методе.
В 1901 году Ричард Генри, который в то время занимал пост помощника комиссара полиции Лондона, основал первую картотеку отпечатков пальцев. В течение последующих 25 лет система классификации Ричарда Генри стала использоваться как универсальный метод идентификации преступников. Данная система классификации и сейчас находит применение, хотя в настоящее время существует несколько различных вариантов системы классификации Генри.
Начиная с 1900 года дактилоскопия стала активно использоваться в Соединенных Штатах. Особенно укрепились позиции дактилоскопии после одного интересного случая в 1903 году. В тюрьму штата Канзас был доставлен преступник Уилл Вест. После снятия метрики по системе Бертильона выяснилось, что в этой тюрьме уже есть осужденный по имени Уильям Вест с такими же антропометрическими данными, который был братом-близнецом Уилла Веста. Единственное различие между ними заключалось в отпечатках пальцев. После этого случая система Бертильона вышла из доверия. Все организации, занимающиеся расследованием преступлений, стали высылать зарегистрированные отпечатки пальцев в Национальное бюро криминальной идентификации (National Bureau of Criminal Identification). Картотека этого бюро впоследствии составила ядро картотеки ФБР, когда там была образована соответствующая структура. Уже к 1956 году, когда ФБР возглавлял Эдгар Гувер, в картотеке было более 140 млн. карточек с отпечатками пальцев, причем 112 млн. из них принадлежали не преступникам, а честным гражданам. В 1971 году эта картотека насчитывала 200 млн. карточек.
Начиная с конца 20-х годов прошлого века ФБР разрабатывало различные автоматизированные системы идентификации по отпечаткам пальцев. В результате была создана система AFIS (автоматическая система идентификации по отпечаткам пальцев) — автоматизированная компьютерная система управления базой данных отпечатков пальцев (используются все десять отпечатков). Первоначально система AFIS была основана на записи отпечатков пальцев на перфокартах и не имела возможности сравнивать отпечатки пальцев, а автоматизация заключалась лишь в их классификации по отдельным группам.
С появлением первой операционной системы в конце 70-х годов в ФБР стали использовать сканирование карт с отпечатками пальцев. С помощью системы AFIS для идентификации сначала проводилось грубое сравнение, затем — точное, а потом на основе полученных результатов — окончательное сравнение путем визуального анализа отпечатков экспертами-криминалистами.
Конечно, такая система идентификации имела ряд существенных ограничений, в ФБР постоянно предпринимались попытки улучшить функциональные возможности системы AFIS. В 1989 году было принято решение о пересмотре всего дактилоскопического процесса и о разработке новой автоматизированной компьютерной системы, получившей название IAFIS (Integrated AFIS), которая планировалась к внедрению в 1999 году. Сначала система IAFIS использовала базу данных, хранящуюся более чем на 10 тыс. CD-дисках, и позволяла в автоматическом режиме сравнивать более 62 тыс. отпечатков пальцев в день, а впоследствии производительность была увеличена до 80 тыс. отпечатков.
|
|
Сканирование отпечатков пальцев
урное
развитие компьютерной техники не могло не отразиться на дактилоскопии. Учитывая
уникальность папиллярного узора отпечатка пальца, его можно с успехом использовать
вместо пароля для верификации личности, обеспечивая тем самым надежную защиту
от злоумышленников. Это стало причиной широкого распространения компьютерных
сканеров отпечатков пальцев. Такие сканеры могут выполнять функции электронного
замка и устанавливаются на вход в помещение, куда разрешен доступ только строго
определенным лицам. Специальными сканерами сегодня оснащены некоторые модели
сейфов. Возможно, что вскоре информацией об отпечатках пальцев владельца, зашитой
в специальный чип, будут оснащаться кредитные карточки — банковская индустрия,
страдающая от деятельности мошенников, обсуждает возможность начала использования
подобных технологий уже в этом десятилетии.
Широкое распространение получили сканеры, осуществляющие контроль доступа к компьютерам. Для десктопных систем имеется большое разнообразие сканеров, подключаемых, в частности, по USB-интерфейсу. А во многих ноутбуках такие сканеры встроены прямо в лицевую панель. Существуют также мыши и клавиатуры со встроенными сканерами отпечатков пальцев.
Нужно отметить, что между дактилоскопированием (снятием оттисков с пальцев) и сканированием имеется существенная разница. Заключается она не в том, как многие ошибочно полагают, что при сканировании происходит автоматизация всего процесса, а в том, что при сканировании отпечатков пальцев вместо сохранения полного изображения папиллярного узора сохраняется только информация о нескольких характерных точках папиллярного узора, причем восстановить полный образ отпечатка пальца по сохраненной информации невозможно. Последнее обстоятельство стало решающим фактором для широкого распространения сканирования отпечатков пальцев среди гражданского населения.
Кроме того, в криминалистике дактилоскопия используется для идентификации личности по отпечаткам пальцев, а когда говорят о применении цифровых сканеров для создания системы безопасности, то имеют в виду верификацию личности. При идентификации личности по отпечатку пальца устанавливается, кому именно принадлежат отпечатки пальцев. Для этого производится сравнение отпечатка пальца идентифицируемой личности со всей базой зарегистрированных отпечатков пальцев на предмет совпадения, то есть идентификация позволяет получить ответ на вопрос, кем является данный человек. Верификация же подразумевает сравнение отсканированного отпечатка пальца только с одним или с несколькими шаблонными отпечатками пальцев с целью установить, является ли данный человек именно тем, за кого он себя выдает.
Принцип работы сканера отпечатков пальцев, как и любого другого устройства биометрической верификации, довольно прост и включает четыре базовых этапа:
• запись (сканирование) биометрических характеристик (в данном случае — пальцев);
• выделение деталей папиллярного узора по нескольким точкам;
• преобразование записанных характеристик в соответствующую форму;
• сравнение записанных биометрических характеристик с шаблоном;
• принятие решения о совпадении или несовпадении записанного биометрического образца с шаблоном.
|
|
Типы сканеров отпечатков пальцев
бласть
сканирования в большинстве сканеров составляет прямоугольник с размерами 20Ѕ25
или 15Ѕ15 мм. В настоящее время используются следующие типы сенсоров для сканеров
отпечатков пальцев — емкостные, оптические, термические и электромагнитные.
Емкостные сенсоры (рис. 5) состоят из массива конденсаторов, каждый из которых представляет собой две соединенные пластины. Емкость конденсатора зависит от приложенного напряжения и от диэлектрической проницаемости среды. Когда к такому массиву конденсаторов подносят палец, то и диэлектрическая проницаемость среды, и емкость каждого конденсатора зависят от конфигурации папиллярного узора в локальной точке. Таким образом, по емкости каждого конденсатора в массиве можно однозначно идентифицировать папиллярный узор.
Рис. 5. Строение емкостного сенсора
Принцип действия оптических сенсоров (рис. 6) подобен тому, что используется в бытовых сканерах. Такие сенсоры состоят из светодиодов и ПЗС-сенсоров: светодиоды освещают сканируемую поверхность, а свет, отражаясь, фокусируется на ПЗС-сенсоры. Поскольку коэффициент отражения света зависит от строения папиллярного узора в конкретной точке, то оптические сенсоры позволяют записывать образ отпечатка пальца.
Рис. 6. Строение оптического сенсора
Термические сенсоры (рис. 7) представляют собой массив пироэлектриков — это разновидность диэлектриков, на поверхности которых при изменении температуры возникают электрические заряды из-за изменения спонтанной поляризации. Температура в межпапиллярных впадинах ниже, чем на поверхности валика папиллярной линии, вследствие чего массив пироэлектриков позволяет в точности воспроизвести папиллярный узор.
Рис. 7. Строение термического сенсора
В сенсорах электромагнитного поля (рис. 8) имеются генераторы переменного электрического поля радиочастоты и массив приемных антенн. Когда к сенсору подносят палец, то силовые линии генерируемого электромагнитного поля в точности повторяют контур папиллярных линий, что позволяет массиву приемных антенн фиксировать структуру отпечатка пальца.
Рис. 8. Строение сенсоров электромагнитного поля
Надежность систем сканирования отпечатков пальцев
онечно,
в работе сканеров, как и любых других устройств, возможны ошибки. Ошибки первого
типа — это ошибочное отклонение верификации (False Reject Rate, FRR), когда
сканер не может распознать зарегистрированного пользователя, а ошибки второго
типа заключаются в ошибочном принятии верификации (False Accept Rate, FAR),
то есть незарегистрированный пользователь определяется сканером как зарегистрированный.
Ошибки первого типа не столь критичны для системы безопасности, хотя и создают неудобства, поскольку приходится проходить верификацию вторично. А от количества ошибок второго типа, в результате которых злоумышленник может получить доступ к системе, как раз и зависит надежность системы защиты от несанкционированного доступа. Появление ошибок FRR и FAR определяется такими характеристиками, как качество и разрешение сканирования, область сканирования, математические алгоритмы, используемые для сравнения отпечатков пальцев, количество деталей, которые применяются для сравнения.
Как правило, частота возникновения ошибок FRR выше частоты возникновения FAR-ошибок. Так, вероятность возникновения FRR-ошибки обычно составляет менее 2%, а вероятность FAR-ошибки — менее 0,0001%.
Для уменьшения вероятности возникновения ошибок сканеры отпечатков пальцев имеют стеклянную поверхность, выполненную из высококачественного стекла с высокой устойчивостью к возникновению царапин. Однако получение высококачественного отпечатка зависит не только от высокого разрешения сканера — должна быть обеспечена высокая контрастность изображения, а также отсутствие параллакса.
Кроме того, даже при получении высококонтрастного изображения с отсутствием параллакса и высоким разрешением, прежде чем использовать полученное изображение для анализа, применяют специальные фильтры-маски, уменьшающие уровень шума и эха от предыдущего сканирования. Дело в том, что при сканировании отпечатка пальца на стекле сканера остается не видимый глазом отпечаток пальца из-за выделения пота, способный повлиять на точность сканирования нового отпечатка пальца.
