НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ ПРИМЕНЕНИЯ МЕТОДОВ СРАВНЕНИЯ ОТПЕЧАТКОВ ПАЛЬЦЕВ ДЛЯ БИОМЕТРИЧЕСКИХ СИСТЕМ ИДЕНТИФИКАЦИИ ЛИЧНОСТИ

Фам Зуй Тхай

Аспирант, кафедра МОСИТ, Московский государственный университет информационных технологий, радиотехники и электроники (МИРЭА)

НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ ПРИМЕНЕНИЯ МЕТОДОВ СРАВНЕНИЯ ОТПЕЧАТКОВ ПАЛЬЦЕВ ДЛЯ БИОМЕТРИЧЕСКИХ СИСТЕМ ИДЕНТИФИКАЦИИ ЛИЧНОСТИ

 Аннотация

Проведен анализ характеристик отпечатков пальцев и их преимущества при использовании в биометрических системах идентификации личности. На основе классификации отпечатков пальцев рассмотрены процессы распознавания и методов сравнения отпечатков пальцев.

Ключевые слова: Биометрия, отпечаток пальцев, система идентификации, сравнение отпечатков пальцев.

Pham Duy Thai

PhD student, Department of MOSIT, Moscow State University of Information Technologies, Radio Engineering and Electronics

 

Abstract

The analysis of fingerprints and their benefits when used in biometric identification systems. On the basis of the classification of the processes of fingerprint recognition methods and comparison of fingerprints.

Keywords: Biometrics, fingerprint, identification system, the comparison of fingerprints.

Биометрические системы, базирующиеся на физиологических параметрах, значительно надежнее систем, основывающихся на характерных чертах поведения — благодаря тому, что физиологические характеристики человека уникальные постоянны, в то время как черты поведения уникальны, но непостоянны во времени. Развитие биометрических технологий, простота и удобство их использования, снижение стоимости и увеличение надёжности, позволяют с успехом применять проверку подлинности отпечатков пальцев для аутентификации пользователей. [2]

В данной статье обсуждается основные элементы биометрической системы идентификации личности по отпечаткам пальцев и алгоритмы, использующиеся для сравнения отпечатков пальцев в биометрических системах идентификации личности человека.

Биометрические системы контроля доступа по отпечаткам пальцев основаны на уникальности и постоянстве (у взрослого человека) рисунка папиллярных линий пальцев рук. Если принять эти цифры, то в случае аутентификации вероятность того, что у двух людей будут одинаковые отпечатки пальцев, составит: 2*10^-12

Для сравнения: PIN-код банковской карты состоит всего из четырёх цифр, поэтому среди десяти тысяч карт обязательно найдутся две с одинаковыми PIN-кодами.

К биометрическим характеристикам надёжной и стабильной биометрической системы предъявляют следующие требования:

• уникальность — биометрические характеристики должны быть уникальны у каждого человека;
• перманентность — биометрические характеристики должны оставаться неизменными в течение длительного срока.

Биометрическое распознавание — это процесс определения личности пользователя, состоящий из одного шага. В режиме распознавания система определяет личность пользователя, осуществляя сравнение контрольного шаблона со многими эталонными шаблонами (1:N — сравнение одного cо многими). В случае нахождения совпадения одновременно определяется и удостоверяется личность пользователя. Данная биометрическая идентификация широко распространена и нашла применение в судебной медицине и в правоохранительных органах.

В биометрических системах, работающих только в режиме аутентификации, возможно использование негативной идентификации в процессе регистрации пользователя в биометрической системе, при которой один контрольный шаблон сравнивается со многими для того, чтобы проверить, что данное лицо не зарегистрировано в базе данных, и таким образом предотвратить двойную регистрацию в системе. Этот режим часто используется в крупных программах по предоставлению социальных пособий, в которых пользователи пытаются регистрироваться несколько раз для получения пособий под разными именами. Существует нечто среднее между аутентификацией и распознаванием — сравнение одного с несколькими , предполагающее идентификацию пользователя по очень маленькой базе зарегистрированных пользователей. Чёткого количественного разграничения между системами 1:N и 1:few нет, но любую систему, в которой поиск осуществляется среди более чем 500 записей, следует относить к типу 1:N.

Уникальность отпечатков пальцев обеспечивается на множествах пользователей, число которых статистически меньше одного миллиона. Перманентность отпечатков пальцев обеспечивается среди взрослых пользователей, у которых, в отличие от детей, отпечатки пальцев неизменны.

Вероятность ошибочной идентификации у современных сканеров и цифровых технологий составляет 0,000000001%, а время, необходимое для сканирования отпечатка, не превышает доли секунды.

Новейшие сканеры успешно противостоят различным муляжам. По сравнению с другими распространёнными биометрическими системами, биометрия по отпечаткам пальцев имеет ряд преимуществ:

• проверка отпечатка пальца гораздо удобнее для пользователя, чем сканирование формы кисти руки;
• технология проверки отпечатка пальца проста по сравнению с технологией сканирования формы лица;
• проверка отпечатка пальца надёжнее некоторых других технологий, например, сканирования рисунка вен на руках;
• технология проверки отпечатка пальца доступна по сравнению с новыми сложными системами, такими как проверка ДНК пользователя.

Несмотря на то, что аутентификация по отпечаткам пальцев предлагает удобство и комфорт для конечного пользователя, существует предубеждение, что любое сканирование отпечатков связанно с работой правоохранительных структур по поиску и опознанию преступников. В действительности технологии информационной безопасности существенно отличаются от методов традиционной дактилоскопии. При биометрической аутентификации сравниваются цифровые шаблоны (цифровые преобразования) отпечатка, которые несут информацию только о ключевых признаках отпечатка, достаточных для идентификации с приемлемой вероятностью. Восстановить отпечаток из такого шаблона невозможно.

Основные элементы биометрической системы идентификации личности по отпечаткам пальцев

Любая биометрическая система идентификации личности по отпечаткам пальцев имеет следующие компоненты:

• подсистема для первичной регистрации и подготовки эталонного шаблона нового пользователя;
• хранилище эталонных шаблонов;
• подсистема контрольного сканирования и создания контрольного цифрового шаблона отпечатка пальцев;
• вычислительный модуль сравнения эталонного и контрольных шаблонов;
• аналитический модуль принятия решения о совпадении шаблонов;
• интерфейс сопряжения с внешней инфраструктурой.

Классификация отпечатков пальцев

У каждого отпечатка пальцев  есть два типа признаков – глобальные и локальные. Глобальные признаки отпечатков пальцев – область образа, ядро, пункт дельта, папиллярный узор.[3]

• Область образа это фрагмент отпечатка пальца, в котором расположены все глобальные признаки [4].
• Ядро является точкой, находятся близко с центром отпечатка пальца.
• Пункт Дельта – это начальная точка, где происходит разделение или соединение бороздок папиллярных линий.
• Папиллярные линии на поверхности пальцев рук образуют различные узоры, называемые папиллярными узорами. Папиллярный узоры имеет три вид: Дуги, петли и завитки.

Рис. 1 - (a) – дуга (b) – треугольная дуга; (c) – завиток; (d) – правая петля;(e) – левая петля; (f) – двойная петля;

Классификации отпечатков пальцев по-прежнему остается очень сложной проблемой для обоих человеческих экспертов и автоматизированных систем. С одной стороны, только ограниченное число основных категорий отпечатков пальцев были идентифицированы и распределение отпечатков пальцев в этих категорий не является равномерным. С другой стороны, как уже упоминалось выше, существует большой изменения в конфигурациях отпечатков пальцев. Определение каждой категории отпечатков пальцев является сложной и неопределённой. Рисунок 1 показывает некоторые примеры возможных определяемых классов.

Процесс распознавания отпечатка пальца зависит от сравнения локальных характеристик хребта и их отношений, чтобы определить уникальность отпечатков пальцев. На изображении поверхности пальца можно определить достаточно большое количество мелких деталей (минуций), по которым можно их классифицировать. Два наиболее известных характеристики типа деталей узора, называемые особыми точками, являются.

• конечные точки папиллярных линий;
• точки ветвления –точки, в которых папиллярные линии раздваиваются.

Рис. 2 - Примеры минуции

Минуции отпечатками пальцев стабильны и устойчивы они могут быть легко идентифицированы. Примеры минуции показаны на рисунке 2 [5]. Для данного отпечатка пальца, минуции можно охарактеризовать по его типу, его координаты х и у, и его направление.

Процесс распознавания отпечатков пальцев можно разделить на 5 основных шагов:

1. Приобретениеотпечатков пальцев. Качествополучаемогоотпечаткаявляется важным дляраспознавания отпечатков пальцев
2. Улучшение отпечатков пальцев. Этот шаг долженповыситьструктурыпапиллярныхлиний вповрежденныхизображений.
3. Классификация отпечатков пальцев. Это относится к назначению любого пальца к соответствующему классу [3].
4. Выделение минуций - На этом этапе структуры папиллярных линий рассмотрены и обнаружены и извлечены как черты.
5. Сравнение отпечатков пальцев. Процесс основан на сравнении между контрольным и сохраненным шаблоном отпечатков пальцев.

Классы алгоритмов сравнения отпечатков пальца

В настоящее время выделяют три класса алгоритмов сравнения отпечатков пальцев:

Корреляционное сравнение.

Два изображения отпечатка пальца накладываются друг на друга, и подсчитывается корреляция между соответствующими пикселями, вычисленная для различных выравниваний изображений друг относительно друга. Преимущества метода - низкие требования к качеству изображения отпечатка пальца.

Недостатки метод - большой объем памяти системы для сохранения изображений каждого отпечатка, и время процесса сравнения не быстро из-за больших множеств итераций и длительностей процедуры сравнения включать в себя, поэтому метод редко используется в биометрических системах идентификации личности человека.

Сравнение по особым точкам

На основе изображений отпечатков пальцев, полученные со сканера функции обработки электронного шаблона, представляющего собой двухмерную поверхность, на которой выделены конечные точки и точки ветвления.

Рис. 3 - Блок-схема алгоритма сравнения отпечатков пальцев с использование особых точек.

При идентификации изображение отпечатков пальцев выделяются конечные точки и точки ветвления, полученных точек сравниваются. По числам совпадений точек принимается решение процесса идентификации. Схема метода представлена на рисунке 3. Этап аутентификации по отпечатку пальца является сравнением исходных шаблонов с эталоном из базы данных по особым точкам. На основе результатов сравнений мы получим решение пропуска или отказа доступа.

Преимущества метода - быстрота работы и простота реализации метода. Недостатки данного -  это высокие требования к качеству изображения отпечатков пальцев. Для их удовлетворения разрешения не меньше 300 dpi, а лучше – около 500 dpi.

Сравнение по узору.

Изображение отпечатка пальца разбивается на множество мелких ячеек. Расположение линий в каждой ячейке описывается параметрами некоторой синусоидальной волны. Данные волн (длина волны, направление волны ) используются для идентификации. [6-7]

Преимущества метода - низкие требования к качеству изображения и высокая скорость работы. Но из-за сложно реализации и высоких требований к солидной математической базе метод сравнения по узору не широкого используется.

Заключение

В статье рассмотрены преимущества и недостатки методов сравнения отпечатков пальцев для электронной идентификации. Чистые методы сравнения шаблонов и алгоритмы, полагающиеся только на сравнения ключевых точек, не могут удовлетворить всем требованиям, а чистый метод сравнения шаблонов не может работать со стандартизированными ключевыми точками. Проблем объедини преимущества методов обеспечивает высокофункциональное и гибкое решение среди разнообразия требований к точности и надёжности при идентификации личности человека.

Литература

1. Технология биометрической аутентификации Precise BioMatch. [Электронный ресурс]. – Режим доступа к ресурсу: www.morepc.ru.
2. Кухарев Г.А. Биометрические системы: Методы и средства идентификации личности человека. СПб.: Политехника. – 2001. – 240 с.
3. Задорожный В., "Идентификация по отпечаткам пальцев", Часть 1, 2004;
4. Hong, L.: Automatic Personal Identification Using Fingerprints, Michigan State University, Department of Computer Science, 1998.
5. Griffin P. Topics for multi-biometric research // MMUA. – 2003 [Электронный реcурс]. – Режим доступа: http://mmuaxs.ucsb.edu/, свободный(дата обращения: 20.01.2012).
6. Дуда З., Харт П. Распознавание образов и анализ сцен. – М.: Мир, 1976.
7. Патрик Э. Основы теории распознавания образов. – М.: Советское радио, 1980.

References

1. Tehnologija biometricheskoj autentifikacii Precise BioMatch. [Jelektronnyj resurs]. – Rezhim dostupa k resursu: www.morepc.ru.
2. Kuharev G.A. Biometricheskie sistemy: Metody i sredstva identifikacii lichnosti cheloveka. SPb.: Politehnika. – 2001. – 240 s.
3. Zadorozhnyj V., "Identifikacija po otpechatkam pal'cev", Chast' 1, 2004;
4. Hong, L.: Automatic Personal Identification Using Fingerprints, Michigan State University, Department of Computer Science, 1998.
5. Griffin P. Topics for multi-biometric research // MMUA. – 2003 [Jelektronnyj recurs]. – Rezhim dostupa: http://mmuaxs.ucsb.edu/, svobodnyj(data obrashhenija: 20.01.2012).
6. Duda Z., Hart P. Raspoznavanie obrazov i analiz scen. – M.: Mir, 1976.
7. Patrik Je. Osnovy teorii raspoznavanija obrazov. – M.: Sovetskoe radio, 1980.