ГОСТ Р 54412-2019 (ISO/IEC TR 24741:2018) Информационные технологии (ИТ). Биометрия. Общие положения и примеры применения

     6.3 Технологии, построенные на анализе гребней отпечатка пальца и ладони

6.3.1 Построение изображения отпечатка пальца

Большинство систем распознавания отпечатков пальцев анализируют малые признаки папиллярных гребней на пальце, которые известны как минуции. Они определены как окончания гребней отпечатка пальца или бифуркации (разветвление гребней отпечатка пальца). Также могут быть проанализированы плотность изображения пальца или расстояние между гребнями.

Исторически сложилось так, что отпечатки пальцев собирались красковым методом путем оставления отпечатков пальцев, покрытых чернилами, на специальных картах. С появлением автоматического распознавания отпечатков пальцев эти карты были отсканированы на компьютер. В настоящий момент красковый метод сбора отпечатков пальцев устарел, отпечатки пальцев собираются в электронном виде путем размещения пальца на стеклянной поверхности, называемой рабочей поверхностью сканера отпечатков пальцев. Совсем недавно разработаны бесконтактные системы, которые используют лазер или стандартное освещение и при применении которых не требуется прикасаться к какой-либо поверхности.

Отпечатки пальцев, представляющие набор папиллярных гребней пальцев, могут варьироваться от экземпляра к экземпляру по многим причинам. Например, влажность пальцев, угол размещения, давление и повреждение гребня оказывают влияние на зарегистрированные изображения. Еще одним значимым фактором является то, каким образом субъект прикладывает палец к сканеру отпечатков пальцев, а именно - высота и угол наклона сканера отпечатков пальцев по отношению к субъекту данных. Поставщики принимают во внимание указанные выше проблемы, и таким образом сканеры отпечатков пальцев проектируются с учетом эргономических требований для оптимизации процесса получения отпечатка пальца.

Основным различием между контактными технологиями распознавания отпечатков пальцев на рынке является способ получения изображения отпечатка пальца. В большинстве крупных систем получения изображений отпечатков пальцев используют оптический метод или электронное сканирование изображений с листа бумаги. Другие методы получения изображений отпечатков пальцев связаны с использованием емкостных, тепловизионных и ультразвуковых устройств.

В контактных системах распознавания отпечатков пальцев оптический метод получения изображения основан на концепции нарушения принципа полного внутреннего отражения. Стеклянная рабочая поверхность сканера отпечатков пальцев освещена снизу под предельным углом, при котором происходит полное внутреннее отражение. При отсутствии касаний рабочей поверхности сканера отпечатков пальцев весь свет отражается и попадает на светочувствительный датчик камеры. При касании гребнем пальца рабочей поверхности сканера отпечатков пальцев принцип внутреннего отражения нарушается, т.е. лучи света не отражаются, а проходят сквозь палец. Следовательно, полученное изображение отпечатка пальца темное в тех местах, где есть гребни, и светлое в тех местах, где есть впадины, что повторяет рисунок, полученный с помощью традиционного краскового метода.

В емкостных датчиках отпечатков пальцев рабочая поверхность сканера отпечатков пальцев состоит из блока маленьких ячеек, размер каждой из которых меньше, чем ширина гребня отпечатка пальца. Измерение емкостного сопротивления ячеек в массиве показывает, где гребни пальцев соприкасаются с датчиком, генерируя изображение отпечатка пальца.

Тепловой метод заключается в использовании технологии кремниевого чипа для получения данных отпечатка пальца, в то время как субъект двигает пальцем по датчику. При этом регистрируются колебания температуры между гребнями и впадинами, которые затем преобразуются в черно-белое изображение.

Ультразвуковой метод построения изображения отпечатка пальца заключается в использовании звуковых волн, которые недоступны для человеческого слуха. Палец размещается на сканере отпечатков пальцев, и происходит измерение плотности образца отпечатка пальца с помощью акустических волн.

Отпечатки пальцев могут быть получены по одному или в комбинации двух или четырех пальцев. После получения изображений четырех пальцев (от указательного до мизинца) обеих рук получают изображения больших пальцев (по одному от каждой руки) для создания изображения всех десяти пальцев. В крупномасштабных системах идентификации людей регистрируют с помощью оптического метода получения изображений отпечатков нескольких пальцев в реальном времени, часто воспринимаемых как изображения четырех пальцев (от указательного до мизинца), описанные выше. АДИС правоохранительных органов, также известные как станции регистрации, собирают все десять отпечатков пальцев и зачастую в электронном виде. АДИС, применяемые в гражданских целях, не собирают все десять отпечатков пальцев и эффективно работают при наличии одного или двух отпечатков.

Независимо от используемой технологии построения изображений отпечатков пальцев сканер отпечатков пальцев формирует матрицу чисел, каждое из которых соответствует пикселю, представляющему отпечаток пальца. Стандартное разрешение для изображений отпечатков пальцев составляет 500 пикселей/дюйм. Числа в матрице, как правило, находятся в диапазоне от 0 (темный) до 255 (светлый), но некоторые неоптические сканеры на выходе могут давать только матрицу, состоящую из 0s и 1s.

6.3.2 Сравнение отпечатков пальцев

6.3.2.1 Есть много способов сравнить отпечатки пальцев численно (слово "численно" используется для того, чтобы исключить методы оптического сравнения, которые были разработаны в 60-х и 70-х гг. XX в. и не рассматриваются в настоящем стандарте). Основными численными подходами являются:

a) основанный на преобразовании;

b) локальная корреляция;

c) основанный на минуциях.

Данные подходы использованы в коммерческих системах, но подход, основанный на минуциях, является наиболее популярным.

6.3.2.2 Не существует двух одинаковых отпечатков пальцев, т.е. даже один и тот же палец, помещенный дважды на рабочую поверхность сканера отпечатков пальцев, будет оставлять два разных изображения структуры гребней. Ситуации, когда будут сравниваться два одинаковых отпечатка, даже если они получены с одного и того же пальца, не возникнет. Изменение отпечатков пальцев от одного и того же пальца называют вариативностью в пределах класса, которая имеет много причин:

a) рисунок гребней изменился из-за повреждения или ухудшения состояния кожи;

b) изменился уровень увлажненности пальца;

c) к рабочей поверхности биометрического сканера отпечатков пальцев приложено другое давление;

d) различная ориентация пальцев на рабочей поверхности биометрического сканера отпечатков пальцев по любой из трех осей;

e) изменения в устройстве построения изображения.

Учитывая данные обстоятельства, сравнение отпечатков пальцев происходит различными методами. В методах, основанных на преобразовании, как правило, задействованы двумерные преобразования Фурье и преобразования Хоу, применяемые к матрице пикселей, представляющей отпечаток пальца. Идея состоит в том, чтобы математически преобразовать изображение каким-то образом, а затем сравнить коэффициенты преобразованных изображений. В этом контексте признаками отпечатков пальцев являются коэффициенты преобразования. Был разработан стандарт для передачи и хранения отпечатков пальцев с использованием метода, основанного на преобразовании (см. [23]).

Методы, основанные на корреляции, учитывают, что отпечатки пальцев и их репрезентативные матрицы, полученные со сканера, не могут быть просто наложены из-за всех различий. Однако небольшие участки двух отпечатков пальцев при наложении могут быть коррелированы. Если геометрические отношения между центрами малых областей остаются примерно одинаковыми при наложении с целью максимизации корреляции между двумя изображениями, возможно, изображения относятся к одним и те же папиллярным гребням пальца.

Методы, основанные на минуциях, стремятся подражать тому, что делают судебно-медицинские эксперты. В этом контексте минуция гребня может быть двух типов: бифуркация или окончание. Минуции также имеют направление, связанное с гребнем в точке их возникновения. Математический алгоритм перемещается по изображению в поисках гребней, где они разделяются или заканчиваются, и составляет карту минуций. При сравнении двух отпечатков пальцев карты минуций располагают одну над другой и вращают/перемещают одну относительно другой. Если при этом получают некоторое количество минуций, совпавших по положению и направлению, то это считают совпадением.

6.3.3 Технологии, построенные на анализе изображения ладоней

Биометрия ладоней может быть поставлена в один ряд с биометрией отпечатков пальцев, особенно в технологии АДИС. Гребни, впадины и минуций есть как на отпечатках пальцев, так и на ладони. Они могут быть получены с использованием оптических методов так же, как и отпечатки пальцев. Данная область биометрической промышленности, в частности, ориентирована на правоохранительные органы, так как скрытые отпечатки ладоней так же крайне полезны при расследовании уголовных дел, как и отпечатки пальцев. Другая биометрия ладоней, основанная не на структуре папиллярных гребней, а на линиях ладони, разработана в лабораторных программах.