Мультиспектральная технология в дактилоскопических сенсорах
В области систем биометрической идентификации в системах контроля и управления доступом (СКУД) наибольшее распространение имеют дактилоскопические считыватели. Этому есть ряд объяснений – известность самого метода идентификации личности по папиллярным линиям пальца еще со времени возникновения классической криминалистики, простота получения данных, надежность, стабильность данного биометрического признака в течение всей жизни человека и пр.
Важнейшим элементом любого дактилоскопического считывателя, использующего в качестве биометрического признака отпечаток пальца, является специализированный сканер. В значительной степени именно от сканера зависит стабильность идентификации, способность распознать подделку (муляж), возможность работы в неблагоприятных внешних условиях.
Типы дактилоскопических сканеров
Существующие в настоящее время дактилоскопические сканеры используют различные методы получения изображения отпечатка пальца, которые можно разделить на несколько основных типов:
- оптический;
- емкостной;
- радиочастотный;
- ультразвуковой;
- тепловой.
Оптические контактные сканеры
Один из наиболее распространенных типов. Они обеспечивают сканирование отпечатка пальца миниатюрными камерами на ПЗС- или КМОП-чипе. При сканировании палец должен быть приложен к стеклу, под которым располагаются источник света и, собственно говоря, сама регистрирующая камера. К оптическим также относятся оптоволоконные и электрооптические сканеры, но для отечественного рынка это скорее экзотика.
Кремниевые емкостные сканеры
Второй по распространенности тип. Фактически это массив конденсаторов, изменяющих свою емкость при касании пальцем сенсора. Емкость конденсатора в точке касания папиллярной линии и емкость между двумя линиями будет разная. Это позволяет оцифровать отпечаток.
Остальные типы сканеров по объему рынка намного отстают от рассмотренных выше, поэтому мы не будем на них останавливаться в этой статье, а обратимся к интересным решениям в самом большом сегменте оптических сканеров.
Несмотря на то что разные методы сканирования отпечатка пальца имеют различную чувствительность, для большинства характерен общий недостаток – частое возникновение низкокачественных изображений. Что связано либо с физическими характеристиками самого пальца (нечеткие или стертые папиллярные линии, микроповреждения, сухая кожа, мокрый палец), либо с внешними условиями (плохой контакт пальца с сенсором, засветка) и пр.
Классика – FTIR-сканеры
В большинстве современных оптических дактилоскопических сенсоров используется FTIR-эффект (Frustrated Total Internal Reflection), или эффект "нарушения полного внутреннего отражения". Палец прикладывается к стеклу (призме) и подсвечивается источником счета с одной стороны; с другой стороны располагается камера, регистрирующая отраженный свет. Различный характер отражения света в месте приложения пальца и позволяет сформировать изображение отпечатка пальца, регистрируемое камерой в виде контрастных светлых и темных линий.
Принцип работы
Отраженный от стекла с приложенным пальцем свет регистрируется камерой. В том месте, где стекла коснулся гребень папиллярной линии, происходит нарушение эффекта полного внутреннего отражения (TIR), и свет частично рассеивается. В камеру поступает меньший поток света, и она регистрирует это как темную область.При попадании света на "впадину" рассеивания не происходит, поскольку FTIR-эффект сохраняется, и камера регистрирует светлую область. В итоге гребни на снимке выглядят как темные линии, а впадины – как светлые. В качестве источника света в таких сканерах обычно используют квазимонохроматический источник.
Проблемы
Качественный отпечаток, полученный в оптимальных внешних условиях (естественное увлажнение, отсутствие засветки), будет максимально контрастным, и компьютеру не придется обрабатывать его дополнительно. Однако реальные условия на объекте далеки от идеальных, что приводит к появлению низко контрастных отпечатков, имеющих серые области. В дальнейшем будет необходимо интерпретировать эти серые области как черные или белые, что снижает скорость работы биометрического считывателя и повышает вероятность ошибки при сравнении полученного отпечатка с ранее введенным. В результате это выливается в сложность регистрации стертых, поврежденных пальцев (промышленные предприятия), мокрых пальцев и воздействия засветки (наружная установка считывателя).
Распознавание подделок
Успешная биометрическая система должна надежно идентифицировать отпечатки живых человеческих пальцев и отклонить все другие. Качественный сканер обеспечивает "живое обнаружение", то есть может отличить отпечаток пальца, произведенный живым человеческим пальцем, от отпечатка, произведенного любым другим материалом (муляжом).
Существует множество методов подделки – от простейшего дыхания на сенсор, чтобы проявился ранее сделанный отпечаток от использования графита и липкой ленты, применения латексных, силиконовых или желатиновых эмуляторов до таких зловещих методов, как использование мертвого пальца.
Обычные сенсоры отпечатка пальца позволяют получать его образы (темплейты), основанные на различии между воздухом (впадины) и материалом в контакте с датчиком (гребни папиллярных линий). Несмотря на то что разные технологии различаются по методу получения образа, каждая полагается обычно только на единственную характеристику материала, находящегося в контакте с датчиком.
Оптические сенсоры отпечатка пальца используют различие в коэффициенте преломления, кремниевые сенсоры полагаются на различие в импедансе, а тепловые датчики – на различие в тепловой проводимости. Любой искусственный материал, который имеет ту же самую характеристику, как у реального зарегистрированного пальца, может применяться для изготовления муляжа. Например, оптический сенсор может принять изображение от трехмерного отпечатка пальца, сделанного из упругого материала типа латекса, силикона или желатина. В этом и состоит главная слабость обычных сенсоров – их ориентация на единственную особенность (характеристику) поверхности материала, содержащего отпечаток пальца. Как только любой материал, который копирует такую поверхностную особенность, обнаружен, это может использоваться для изготовления муляжа и обмана сенсора.
Более надежный метод использует не одну, а несколько измеряемых характеристик поверхностного и внутреннего слоя кожи.
Мультиспектральная технология
Для повышения надежности сканирования и защиты от обмана на рынке СКУД была представлена мультиспектральная технология. Благодаря ей в новых дактилоскопических сенсорах большое значение имеет не только внешний, но и внутренний слой кожи. Чтобы понять значение внутреннего (подповерхностного) слоя кожи для мультиспектральной технологии, надо понимать, как создан отпечаток пальца. Гребни папиллярных линий отпечатка, которые мы видим на поверхности кожи, имеют скрытую основу, в виде сосудов и других подкожных структур. Фактически видимые папиллярные линии на кончиках наших пальцев – это просто "эхо" фундаментального "внутреннего отпечатка пальца". В отличие от поверхностных особенностей отпечатка пальца, которые могут быть изменены влажностью, грязью или частично стерты, "внутренний отпечаток пальца" более стабилен и неизменен. Объединение этих двух характеристик обеспечивает новому методу высокую надежность и стойкость.
Дактилоскопические сенсоры на основе мультиспектральной технологии формирования изображения MSI (Multispectral Imaging) способны получать информацию не только о поверхностном, но и о подповерхностном слое кожи. Сенсоры MSI обеспечивают получение ряда снимков пальца при различных условиях освещения, включающих в себя разные длины волн, положение источника света, условия поляризации. Различные длины волны видимого света взаимодействуют с кожей по-разному, позволяя значительно увеличить объем данных. В итоге полученные снимки содержат информацию не только о поверхностных, но и о внутренних (подповерхностных) особенностях кожи.
Мультиспектральная технология использует связь между внешними и внутренними образами отпечатка пальца; данные внутреннего образа, собранные с помощью MSI-сенсора, дополняют данные наружного отпечатка пальца, позволяя получить образ (темплейт) отпечатка пальца высшего качества.
Как получается изображение
Мультиспектральный сенсор имеет несколько источников света (LED-светодиоды) и использует для получения окончательного детализированного отпечатка пальца одновременно поляризованный и неполяризованный свет. На схеме темные стрелки иллюстрируют освещение пальца прямым поляризованным светом.
Свет от первого LED-светодиода проходит через линейный поляризационный фильтр и попадает на палец, приложенный к поверхности сенсора. После взаимодействия с пальцем отраженный свет поступает к блоку формирования изображения через второй поляризационный фильтр. Оптическая ось второго фильтра ортогональна фильтру источника света, что уменьшает влияние света, отраженного от поверхности кожи, и подчеркивает свет, подвергнувшийся рассеиванию в более глубоких слоях.
Второй LED-светодиод (его на схеме не отображали) освещает палец напрямую, без использования промежуточного поляризационного фильтра. В этом случае отраженный свет от поверхности и от внутренних структур пальца свет попадает на блок регистрации изображения одновременно. Полученное изображение несет намного больше информации именно о поверхностном слое.
Важно, что оба источника освещения (и поляризованный, и неполяризованный) и блок регистрации изображения устроены таким образом, чтобы избежать любых критических угловых отражений в точке касания пальца на стекле сенсора. Таким образом, каждый LED-светодиод освещает палец, а блок регистрации изображений получает стабильное изображение независимо от того, суха ли кожа, грязна и даже насколько качественный контакт пальца с поверхностью сенсора. Эта особенность – ключевой аспект надежности технологии MSI сенсора. Для повышения качества полученного темплейта и расширения объема данных при создании дактилоскопических сенсоров современные разработчики используют обе технологии – и FTIR, и MSI
Получение окончательного темплейта
Темплейт, фактически получаемый в дактилоскопическом сенсоре на базе технологий MSI и FTIR, является результатом "сборки" девяти изображений, восемь из которых получены с использованием прямого поляризованного и неполяризованного освещения, а одно – на основе FTIR-технологии.
Встроенный процессор считывателя собирает из девяти базовых изображений одно качественное – окончательное. Качество итогового изображения MSI-сенсора намного выше получаемого в классических FTIR-сканерах.
Защита от поддельных пальцев
Мультиспектральные сенсоры позволяют защититься от муляжа, определяя подлинность предъявленного пальца. Они также имеют возможность отличить – живой или мертвый палец использован. Базовые образы, полученные при различной поляризации и углах освещения, позволяют сенсору MSI регистрировать много свойств пальца, полезных для обнаружения обмана. Свойства исходного материала, полученного MSI-сенсором, могут быть разделены на две основные категории: спектральные и пространственные (структурные).
Спектральные особенности – это уникальные параметры цвета поверхности материала, помещенного на сенсор. Диапазон цвета кожи живого пальца довольно узок и сильно отличается от большинства материалов, которые могут применяться для муляжей. Мультиспектральный сенсор использует эти особенности для определения подделки. Учитываются и более сложные спектральные характеристики. Пространственные характеристики также чрезвычайно важны для обнаружения обмана. Поскольку MSI-сенсор использует не только информацию о поверхностном слое кожи, но и о внутреннем, он способен детектировать наличие муляжа, сопоставляя эти данные между собой. Так как внешний и внутренний слои должны соответствовать друг другу, появление различий говорит о попытке эмулировать палец с помощью какого-либо органического или неорганического материала.
Работа в экстремальных условиях
Если классические FTIR-сенсоры и дактилоскопические считыватели на их основе ограничены диапазоном физических условий эксплуатации и категорией пользователей (требование естественного увлажнения пальца, стертость отпечатков пальцев при интенсивном физическом труде), то мультиспектральные сенсоры таких ограничений не имеют. Плохой контакт пальца с сенсором, либо попадание на палец или на сенсор воды приводят к невозможности снять отпечаток, используя FTIR-технологию. Для FTIR-сенсора будет сложным прочитать палец человека, пришедшего с мороза, – палец слишком сухой. Другая проблема классических сенсоров – засветка прямым солнечным светом. Для MSI-сенсора все это не вопрос.
Перечисленные проблемы приводят к тому, что классические FTIR-сенсоры нежелательно применять в дактилоскопических считывателях СКУД для наружной установки. Они оптимальны по критерию цена/качество при использовании в помещениях на непроизводственных объектах.
Мультиспектральные сенсоры, напротив, отвечают самым жестким требованиям к дактилоскопическим технологиям, которые могут применяться в СКУД. Они эффективны, надежны и могут эксплуатироваться в широком диапазоне внешних условий, в том числе и вне помещений.
