Дактилосканери; їх види

Размещено на http://allbest.ru

Архітектура електронно-обчислювальних машин (ЕОМ) та МС

Курсова робота

На тему «Дактилосканери»



Вступ

Ідентифікація за відбитками пальців - на сьогодні найпоширеніша біометрична технологія. За даними International Biometric Group, частка систем розпізнавання за відбитками пальців становить 52% від усіх використовуваних в світі біометричних систем, і за прогнозами обсяг продажів таких систем тільки в 2003 р. складе приблизно 500 млн. дол з тенденцією подвоєння цієї суми щороку.

Виразно сказати, коли почали використовувати відбитки пальців для впізнання, складно. Археологи під час розкопок досить часто стикаються з тими або іншими зображеннями відбитків пальців на камені, проте не можна стверджувати, що вони використовувалися для ідентифікації. Крім того, з іншого боку достеменно відомо, що в Стародавньому Вавилоні та Китаї відбитки пальців робили на глиняних табличках і печатках, а в XIV столітті в Персії відбитками пальців «підписували» різні державні документи. Це говорить про те, що вже в той час було зазначено: відбиток пальця - унікальна характеристика людини, за якою його можна ідентифікувати.

Наступний етап розвитку технології - початок її використання в криміналістиці, до середини XIX століття були зроблені перші припущення про унікальність відбитків пальців кожної людини і спроби класифікації їх по різних ділянках папілярного візерунка. Все це привело до появи в 1897 р. (за деякими відомостями 1899 р.) «системи Генрі», першою отримала широке поширення класифікації відбитків пальців, розробленої англійцем Едвардом Генрі під час його перебування в Індії. До кінця XIX століття з'явилися перші алгоритми порівняння відбитків пальців. У наступні 25 років «система Генрі» пройшла адаптацію для використання на державному рівні в різних країнах і приблизно з 1925 р. почала широко застосовуватися в криміналістиці по всьому світу.

Однак, незважаючи на широке поширення методики розпізнавання відбитків пальців для ідентифікації людини, в першу чергу в криміналістиці, до цих пір науково не доведено, що малюнок папілярного візерунка пальця людини - абсолютно унікальна характеристика. І хоча за всю більш ніж сторічну історію використання цієї технології в криміналістиці та інших областях не виникло ситуації, коли знайшлося б двоє людей з абсолютно однаковими відбитками пальців (помилки програмно-апаратних реалізацій алгоритмів розпізнавання в розрахунок не беремо), унікальність відбитків - це все ж емпіричне спостереження.

Хоча, можливо, це той самий випадок, коли недоведеність гіпотези свідчить не про те, що вона неправильна, а про те, що вона вкрай складно доказова.

У другій половині ХХ століття в зв'язку з появою нових технічних можливостей розпізнавання за відбитками пальців почало виходити за рамки використання тільки в криміналістиці і знайшло своє застосування в самих різних областях інформаційних технологій; в першу чергу такими областями стали:

· системи управління доступом;

· інформаційна безпека (доступ в мережу, вхід на ПК);

· облік робочого часу та реєстрація відвідувачів;

· системи голосування;

· проведення електронних платежів;

· аутентифікація на Web-ресурсах;

· різні соціальні проекти, де потрібна ідентифікація людей (благодійні акції і т. д.);

· проекти цивільної ідентифікації (перетин державних кордонів, видача віз на відвідування країни і т.п.).

Зупинимося докладніше на внутрішніх аспектах роботи сучасних біометричних систем розпізнавання за відбитками пальців, на те, з чого починається їх робота і що є ядром будь-якої такої системи.

У першій частині статті будуть розглянуті методи отримання відбитка пальця в електронному вигляді, простіше кажучи, типи сканерів і методи сканування пальців.

У другій частині статті будуть розкриті основні методи розпізнавання відбитків пальців, алгоритми побудови систем розпізнавання і деякі методи захисту від муляжів.



Сканування відбитків пальців

Фізіологічно відбиток пальця є так званий паппілярний візерунок - конфігурацію виступів (гребенів), що містять індивідуальні пори, розділені западинами. Під шкірою пальця розташована мережа кровоносних судин. Також відбиток пальця пов'язаний з певними електричними і тепловими характеристиками шкіри. Це означає, що для отримання зображення відбитка пальця може використовуватися світло, тепло чи електрична ємність (а також їх комбінація). Відбиток пальця формується під час розвитку плоду і не змінюється протягом всього життя людини, крім того, при пошкодженні через деякий час він відновлює свою первинну структуру. Навіть однояйцеві близнюки не мають ідентичних відбитків пальців. За показниками надійності сканування відбитків поступається тільки аналізу ДНК, а також сканування райдужної оболонки або сітківки ока.

Всі існуючі сканери відбитків пальців можна розділити на три групи: оптичні, напівпровідникові і ультразвукові. До того ж в кожному методі існує кілька способів реалізації.



1. Оптичні сканери

Оптичні сканери - засновані на використанні оптичних методів одержання зображення. Існує кілька основних способів реалізації оптичного методу:

.

1.1 FTIR-сканери

Оптичний метод на відображення

FTIR-сканери -- являють собою пристрої, в яких використовується ефект порушеного повного внутрішнього відбиття (Frustrated Total Internal Reflection, FTIR). Розглянемо даний ефект докладніше, щоб пояснити повний алгоритм роботи таких сканерів. Ефект полягає в тому, що при падінні світла на границю розділу двох середовищ світлова енергія ділиться на дві частини - одна відбивається від межі, інша проникає через кордон у другу середу. Частка відображеної енергії залежить від кута падіння світлового потоку. Починаючи з деякої величини даного кута, вся світлова енергія відбивається від межі розділу.

Це явище називається повним внутрішнім відбиттям. У разі контакту більш щільною оптичного середовища (поверхні пальця) з менш щільною в точці повного внутрішнього відображення пучок світла проходить через цей кордон. Таким чином, від кордону відіб'ються лише пучки світла, що потрапили в певні точки повного внутрішнього відображення, до яких не був прикладений папілярний узор пальця. Для захоплення отриманої світловий картинки поверхні пальця використовується спеціальний датчик зображення (КМОП або ПЗС, в залежності від реалізації сканера).

Недоліки методу:

* Неефективна захист від муляжів

* Чутливість до забруднень

Провідними виробниками подібних сканерів є компанії BioLink, Digital Persona, Identix.

сканер відбиток біометричний

1.2 Оптоволоконні сканери

Оптоволоконні сканери (fiber optic scanners) - є оптоволоконна матриця, кожне з волокон якої закінчується фотоелементом. Чутливість кожного фотоелемента дозволяє фіксувати залишковий світло, що проходить через палець, в точці дотику рельєфу пальця до поверхні сканера. Зображення відбитка пальця формується за даними кожного з елементів.

Провідний виробник сканерів даного типу Delsy.

1.3 Електрооптичні сканери

Електрооптичні сканери (electro-optical scanners) - в основі цієї технології лежить використання спеціального електрооптичного полімеру, до складу якого входить світловипромінюючий шар. При прикладанні пальця до сканера неоднорідність електричного поля у його поверхні (різниця потенціалів між горбками і западинами) відображається на світінні цього шару так, що він висвічує відбиток пальця. Потім масив фотодіодів сканера перетворює це світіння в цифровий вигляд.

Провідний виробник сканерів даного типу Security First Corp (Ethentica).

1.4 Оптичні протяжні сканери

Оптичні протяжні сканери (sweep optical scanners)-в цілому аналогічні FTIR-пристроїв. Їх особливість в тому, що палець потрібно не просто прикладати до сканера, а проводити їм по вузькій смужці - зчитувача. При русі пальця по поверхні сканера робиться серія миттєвих знімків (кадрів). При цьому сусідні кадри, знімаються з деяким накладенням, тобто перекривають один одного, що дозволяє значно зменшити розміри використовуваної призми і самого сканера. Для формування (точніше збірки) зображення відбитка пальця під час його руху по скануючої поверхні кадрам використовується спеціалізоване програмне забезпечення.

Провідний виробник сканерів даного типу Kinetic Sciences.

1.5 Роликові сканери

Роликові сканери (roller-style scanners) - в цих мініатюрних пристроях сканування пальця відбувається при прокатуванні пальцем прозорого тонкостінного циліндра, що обертається (ролика).

Під час руху пальця по поверхні ролика робиться серія миттєвих знімків (кадрів) фрагмента папілярного візерунка, що стикається з поверхнею.

Аналогічно протяжливого сканера сусідні кадри знімаються з накладенням, що дозволяє без спотворень зібрати повне зображення відбитка пальця.

При скануванні використовується найпростіша оптична технологія: усередині прозорого циліндричного ролика знаходяться статичний джерело світла, лінза і мініатюрна камера. З

ображення освітлюваного ділянки пальця фокусується лінзою на чутливий елемент камери. Після повної «прокрутки» пальця, «збирається картинка» його відбитка.



Провідні виробники сканерів даного типу: Digital Persona, CASIO Computer, ALPS Electric.

1.6 Безконтактні сканери

Безконтактні сканери (touchless scanners) - в них не потрібно безпосереднього контакту пальця з поверхнею скануючого пристрою. Палець прикладається до отвору в сканері, кілька джерел світла підсвічують його знизу з різних сторін, в центрі сканера знаходиться лінза, через яку, зібрана інформація проектується на КМОП-камеру, що перетворює отримані дані в зображення відбитка пальця.

Провідний виробник сканерів даного типу Touchless Sensor Technology.

Відзначимо кілька історично сформованих недоліків оптичних сканерів і вкажемо, які з них вже виправлені:

неможливість зробити їх компактними, проте, як це видно з наведених вище чотирьох з шести малюнків, в даний час це можливо;

оптичні модулі досить дороги через велику кількість компонентів і складної оптичної системи. І ця проблема на сьогодні вирішена: ціна оптичних сенсорів деяких виробників зараз 10 - 15 дол (не плутати з ціною сенсора в корпусі для кінцевого користувача в комплекті з ПЗ);

оптичні сканери не стійкі до муляжем і мертвим пальцях. Цьому питанню буде присвячена наступна частина статті, проте вже зараз варто зазначити, що практично всі виробники реалізували механізми захисту від муляжів на тому чи іншому етапі обробки сканованого зображення.



2. Напівпровідникові сканери

Напівпровідникові сканери - в їх основі лежить використання для одержання зображення поверхні пальця властивостей напівпровідників, що змінюються в місцях контакту гребенів папілярного візерунка з поверхнею сканера. В даний час існує кілька технологій реалізації напівпровідникових сканерів.

2.1 Ємнісні сканери

Ємнісні сканери (capacitive scanners) - найбільш широко поширений тип напівпровідникових сканерів, в яких для отримання зображення відбитка пальця використовується ефект зміни ємності pn-переходу напівпровідникового приладу при зіткненні гребеня папілярного візерунка з елементом напівпровідникової матриці. Існують модифікації описаного сканера, в яких кожен напівпровідниковий елемент у матриці сканера виступає в ролі однієї пластини конденсатора, а палець - в ролі іншої. При додатку пальця до сенсора між кожним чутливим елементом і виступом-западиною папілярного візерунка утворюється якась ємність, величина якої визначається відстанню між поверхнею пальця і ??елементом. Матриця цих ємностей перетвориться в зображення відбитка пальця.

Провідні виробники сканерів даного типу: Infineon, ST-Microelectronics, Veridicom.

2.2 Чутливі до тиску сканери

Чутливі до тиску сканери (pressure scanners) - в цих пристроях використовуються сенсори, що складаються з матриці п'єзоелементів. При прикладанні пальця до скануючої поверхні виступи папілярного візерунка чинять тиск на деяку підмножину елементів поверхні, відповідно западини ніякого тиску не чинять. Матриця отриманих з п'єзоелементів напруг перетвориться в зображення поверхні пальця.

Провідний виробник сканерів даного типу: BMF.

2.3 Термо-сканери

Термо-сканери (thermal scanners) - в них використовуються сенсори, які складаються з піроелектричних елементів, що дозволяють фіксувати різницю температури і перетворювати її в напругу (цей ефект також використовується в інфрачервоних камерах). При прикладанні пальця до сенсора по температурі торкаються до піроелектричних елементів виступів папілярного візерунка і температурі повітря, що знаходиться в западинах, будується температурна карта поверхні пальця і ??перетвориться в цифрове зображення.

Провідний виробник сканерів даного типу: Atmel.

Узагальнено кажучи, у всіх наведених напівпровідникових сканерах використовуються матриця чутливих мікроелементів (тип яких

визначається способом реалізації) і перетворювач їх сигналів в цифрову форму. Таким чином, узагальнено схему роботи наведених напівпровідникових сканерів можна продемонструвати наступним чином.



Вище були описані найбільш поширені («класичні») типи напівпровідникових сканерів, далі ми розглянемо інші, менш поширені типи.

2.4 Радіочастотні сканери

Радіочастотні сканери (RF-Field scanners) - в таких сканерах використовується матриця елементів, кожен з яких працює як маленька антена. Сенсор генерує слабкий радіосигнал і направляє його на скановану поверхню пальця, кожен з чутливих елементів приймає відбитий від папілярного візерунка сигнал. Величина наведеної в кожній мікроантенне ЕРС залежить від наявності або відсутності в близи неї гребеня папілярного візерунка. Отримана таким чином матриця напруг перетворюється в цифрове зображення відбитка пальця.

Провідний виробник сканерів даного типу: Authentec.

2.5 Протяжні термо-сканери

Протяжні термо-сканери (thermal sweep scanners) - різновид термо-сканерів, в яких використовується, як і в оптичних протяжних сканерах, проведення пальця по поверхні сканера, а не просто прикладання.

Провідний виробник сканерів даного типу: Atmel.



2.6 Ємнісні протяжні сканери

Ємнісні протяжні сканери (capacitive sweep scanners) - використовують аналогічний спосіб покадрової складання зображення відбитка пальця, але кожен кадр зображення виходить за допомогою ємнісного напівпровідникового сенсора.

Ведучий виробники сканерів даного типу: Fujitsu.

2.7 Радіочастотні протяжні сканери

Радіочастотні протяжні сканери (RF-Field sweep scanners) - аналогічні ємнісним, але використовують радіочастотну технологію.

Виробляє сканери даного типу: Authentec.

Відзначимо основні недоліки напівпровідникових сканерів, хоча вони характерні не для всіх описаних методів:

сканери, зокрема, чутливі до тиску, дають зображення низького дозволу і маленького розміру;

необхідність прикладання пальця безпосередньо до напівпровідникової поверхні (так як будь-який проміжний шар впливає на результати сканування) веде до її швидкого зношування;

чутливість до сильних зовнішніх електричних полів, які можуть викликати електростатичні розряди, здатні вивести сенсор з ладу (відноситься в першу чергу до ємнісним сканерів);

велика залежність якості зображення від швидкості руху пальця по скануючої поверхні властива прокаточний сканерів.



Ультразвукові сканери

Ультразвукові сканери - дана група в даний час представлена лише одним методом сканування, який так і називається.

Ультразвукове сканування - це сканування поверхні пальця ультразвуковими хвилями і вимірювання відстані між джерелом хвиль і западинами і виступами на поверхні пальця по відбитому від них луни. Якість одержуваного таким способом зображення в 10 разів краще, ніж отриманого будь-яким іншим представленим на біометричний ринку методом. Крім цього варто відзначити, що даний спосіб практично повністю захищений від муляжів, оскільки дозволяє крім відбитка пальця отримувати і деякі додаткові характеристики про його стан (наприклад, пульс усередині пальця).

Провідний виробник сканерів даного типу Ultra-Scan Corporation (UCS).

Основні недоліки ультразвукових сканерів - це:

· висока ціна в порівнянні з оптичними і напівпровідниковими сканерами;

· великі розміри самого сканера.

В іншому, можна сміливо сказати, що ультразвукове сканування поєднує в собі кращі характеристики оптичної та напівпровідникової технологій.



Висновок

Підводячи підсумок написаному вище, хотілося б відзначити бурхливе зростання числа методів сканування відбитків пальців. Ще недавно існувало всього дві технології: оптична FTIR і напівпровідникова ємкісна зі своїми стійкими перевагами і недоліками.

Однак за останні десять років технологія розпізнавання настільки розвинулася, що сканери останнього покоління не тільки подолали практично всі свої старі недоліки, але і придбали ряд особливо привабливих рис, таких, як вкрай малий розмір і невелика ціна.

Крім цього, з'явилася принципово нова ультразвукова технологія сканування, якої ще тільки належить пройти всі етапи становлення. Але вже зараз можна говорити про її величезний потенціал.



Література

1. Российский биометрический портал

2. Датчики отпечатков пальцев фирм Atmel и Fujitsu

3. Задорожный B. Идентификация по отпечаткам пальцев 2010

Размещено на Allbest.ru