18 октября 2011

Матричный датчик для биометрической СКУД

Получение электронного представления отпечатков пальцев с хорошо различимым папиллярным узором — достаточно сложная задача. Поскольку отпечаток пальца слишком мал, для получения его качественного изображения приходится использовать достаточно изощренные методы. Все существующие сканеры отпечатков пальцев по используемым ими физическим принципам можно разделить на три группы: оптические, полупроводниковые, ультразвуковые. Все они имеют свои недостатки ( засаленность, сложная работа с загрязненной поверхностью, анализ дефектов поверхностного слоя кожи и др.) устранение этих недостатков приводит к усложнению и удорожанию систем.

Как известно, кожа состоит из трех слоев: эпидермиса, собственно кожи и подкожной жировой клетчатки. Каждый из них, в свою очередь, состоит из нескольких слоев. Эпидермис имеет вид узкой полоски и состоит из пяти слоев. Он содержит эпителиальные клетки, имеющие разнообразную структуру и расположение.

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 увеличения достоверности автоматизированной идентификации человека, а не дактилоскопии.

Проблема защиты самых различных биометрических систем от муляжей биометрических идентификаторов является одной из самых сложных как для всей области, так и в первую очередь для технологии распознавания отпечатков пальцев. Связано это с тем, что отпечатки пальцев относительно легко получить по сравнению, например с радужной оболочкой глаза или 3D-формой руки, и изготовление муляжа отпечатка пальца выглядит также сравнительно более простой задачей. Мы не будем касаться технологий изготовления муляжей отпечатков пальцев, эта информация и так в последнее время появилась в достаточном объеме во многих источниках. Остановимся на рассмотрении основных методов и подходов к защите от них.

Обобщенно все методы можно разделить на две группы:

1. Технические – методы защиты, реализованные либо на уровне программного обеспечения, работающего с изображением, либо на уровне считывающего устройства. Рассмотрим их подробнее:

защита на уровне считывающего устройства: заключается в том, что в самом сканере реализован алгоритм получения изображения, который позволяет получить отпечаток пальца только с живого пальца, а не с муляжа, например, так работают оптоволоконные сканеры, описанные в первой части статьи;
защита по дополнительной характеристике: суть данного метода заключается в получении с помощью сканирующего устройства некоторой дополнительной характеристики, по которой можно принять решение является ли предоставленный идентификатор муляжом. Например, с помощью ультразвуковых сканеров можно получать информацию о наличии пульса в пальце, в некоторых оптических сканерах с высоким разрешением можно определить наличие на изображении частиц пота и т.д. Практически у каждого производителя есть такая «фирменная» характеристика, но они, как правило, не афишируются, так как, зная эти характеристики гораздо легче найти способ обхода этой защиты;
защита по предыдущим данным: на некоторых сканерах – отпечаток последнего прикасавшегося к нему пальца остается на его поверхности, чем можно воспользоваться при изготовлении муляжа. На этот случай защищаются с помощью хранения нескольких последних изображений со сканера (для каждого производителя это число разное) с которыми в первую очередь сравнивается любое новое изображение. А так как дважды приложить абсолютно одинаково палец к сканеру нельзя, при любом совпадении принимается решение о применения муляжа.

2. Организационные – суть эти методов заключается в организации процессов аутентификации, таким образом, чтобы затруднить или исключить возможность использования муляжа. Рассмотрим эти методы:

Усложнение процесса идентификации. Метод заключается в том, что в процессе регистрации отпечатков пальцев в системе на каждого пользователя регистрируется несколько пальцев (в идеале все 10). После этого непосредственно в процессе аутентификации у пользователя запрашиваются для проверки несколько пальцев в произвольной последовательности, что значительно затрудняет вход в систему по муляжу;
Мультибиометрия или многофакторная биометрия: для аутентификации используется несколько биометрических технологий, например отпечаток пальца и форма лица или сетчатка глаза и т.д.
Многофакторная аутентификация: суть метода проста – использовать для усиления защиты совокупность методов аутентификации, например биометрию и смарт-карты или e-token.

Рис. 1

Еще недавно существовало всего две технологии: оптическая FTIR и полупроводниковая емкостная со своими устойчивыми преимуществами и недостатками. Однако за последние десять лет технология распознавания настолько развилась, что сканеры последнего поколения не только преодолели практически все свои старые недостатки, но и приобрели ряд особо привлекательных черт, таких, как крайне малый размер и небольшая цена.

В продолжение вышеуказанному следует отметить биометрическую систему SAGNER (RF-Field scanners). Отличительной особенностью этой системы является то – что емкостной датчик работает с внутренним слоем кожи, содержащим кровеносные капилляры. Суть данного метода раскрывается на представленном рис.1, где показан физический принцип реализации этого проекта.

Рис. 2

Для увеличения достоверности биометрических показаний, был разработан и изготовлен прибор исследования кожи с матричным датчиком (МД) с совершенно иным принципом получения информации, показанный на рис.2. В результате предварительных исследований были получены следующие результаты:

Датчик, изготовленный по схеме, показанной на рис.3, и подключенный к прибору, показал первоначальные результаты, которые могут служить для дальнейшей обработки.

Рис. 3

На данном этапе исследования получены результаты лучшего понимания физических процессов, происходящих следствие воздействия на кожу электромагнитного излучения и получения достоверных данных. Данный процесс отображен на рис.2, где видно что из за сложной структуры кожи, в каждом фрагменте, охваченным матрицей датчика (локусе кожи), получается свой сигнал, который соответствует поперечному срезу данного фрагмента.

Рис. 4

Таким образом сигнал, полученный на определенной матрице датчика (Emi) складывается из сигнала излучателя (Eo) и сигнала наведенного на определенном локусе кожи (Edi). На основе этих данных были выделены соответствующие частоты для каждого слоя кожи и составлен усредненный физический эквивалент рис..

Рис. 5

Особое внимание следует уделять локусам кожи, которые включают в себя кровеносные капилляры (дерма), которые в силу ферромагнитных свойств крови, обладают большей энергией Edi, и из за сердечной пульсации открываются дополнительные возможности по анализу сигнала (живой – не живой).
На основе полученной информации можно сделать вывод, что МД, выполненный по схеме, показанной на рис.3, вполне работоспособен, хотя и обладает некоторыми недостатками, связанные с разрешающей способностью. Эти недостатки возможно исключить если за основу датчика взять эту же схему, но основанную на другой элементной базе.

Для подключения прибора к ПК в него встраивается последовательный USB порт. После передачи и обработки полученной информации возможны отображения и анализа визуальных картинок. Пробный вариант программы с визуализацией данных, полученных с МД, показан на рис.6.

Рис. 6

Данный рисунок при достаточном разрешении возможно (условно) сравнить с дактилоскопическим рисунком на поверхностном слое кожи.
Разработанный МД можно применять во всех биометрических системах контроля управления доступом, но в отличие от других систем он обладает дополнительной защищенностью, связанной с работой по любому слою кожи и анализа сердечной пульсации. И по сравнению с другими системами может быть не дорогостоящим.