Биометрическая идентификация и аутентификация пользователя

Существует два основных алгоритма сравнения полученного кода с имеющимся в базе шаблоном: по характерным точкам и по рельефу всей поверхности пальца. В первом случае выявляются характерные участки и запоминается их взаиморасположение. Во втором случае запоминается вся «картина» в целом. В современных системах используется также комбинация обоих алгоритмов, что позволяет повысить уровень надежности системы.

Традиционно американские компании занимают лидирующие позиции  в разработке биометрических систем безопасности, в этом направлении  успешно работают такие фирмы, как Identix, T-Netix, American Biometric Company, National Registry, sagem, Morpho, Verditicom, Infenion. Из российских компаний-разработчиков идентификационных устройств по папиллярным узорам пальцев заслуживает внимания компания «Биолинк».

С целью идентификации  личности по рисунку папиллярных линий пальца проверяемый набирает на клавиатуре свой идентификационный номер и помещает указательный палец на окошко сканирующего устройства. При совпадении получаемых признаков с эталонными, предварительно заложенными в память ЭВМ и активизированными при наборе идентификационного номера, подается команда исполнительному устройству. Хотя рисунок папиллярных линий пальцев индивидуален, использование полного набора их признаков чрезмерно усложняет устройство идентификации. Поэтому с целью его удешевления применяют признаки, наиболее легко измеряемые автоматом. Выпускают сравнительно недорогие устройства идентификации по отпечаткам пальцев, действие которых основано на измерении расстояния между основными дактилоскопическими признаками. На величину вероятности ошибки опознания влияют также различные факторы, в том числе температура пальцев (рис. 3). Кроме того, процедура аутентификации у некоторых пользователей ассоциируется с процедурой снятия отпечатков у преступников, что вызывает у них психологический дискомфорт.

Дактилоскопия построена  на двух основных качествах, присущих папиллярным узорам кожи пальцев  и ладоней:

- стабильность рисунка  узора на протяжении всей жизни  человека;

- уникальность рисунка,  что означает отсутствие двух  индивидуумов с одинаковыми дактилоскопическими отпечатками.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2. Процесс аутентификации по отпечаткам пальцев

 

Распознавание отпечатка  пальца основано на анализе распределения  особых точек (концевых точек и точек  разветвления папиллярных линий), местоположение которых задается в декартовой системе координат.

Для снятия отпечатков в  режиме реального времени применяются  специальные контактные датчики  различных типов. Системы идентификации  по отпечаткам пальцев выпускаются  в течение почти трех десятков лет Однако благодаря достигнутым успехам в области машинного распознавания отпечатков только в последние годы заметно увеличилось число фирм, выпускающих терминалы персональной аутентификации на базе дактилоскопии.

Американская фирма Fingermatrix предложила терминал Ridge Reader, который благодаря процедуре компенсации различных отклонений, возникающих при снятии отпечатка пальца в реальных условиях, а также применяемому способу «очищения» изображения и восстановления папилярного узора (который может быть «затуманен» из-за наличия на пальце грязи, масла или пота) допускает коэффициент ошибок 1-го рода не более 0,1 %, 2-го рода - не более 0,0001 %. Время обработки изображения составляет 5 с, регистрации пользователя составляет 2-3 мин. Для хранения одного цифрового образа отпечатка (эталона) расходуется 256 байт памяти.

Компания De La Rue Printrak Inc. производит систему PIV-100 на базе терминала аутентификации по отпечаткам пальцев. Кроме этих терминалов, в состав аппаратуры входят центральный процессор, контрольный пульт, дисплей, принтер, накопители на винчестерских дисках (для хранения базы данных), накопители на гибких дисках (для резервной памяти).

В этой системе требуемые  коэффициенты ошибок могут выбираться в зависимости от необходимого уровня обеспечения безопасности путем под-стройки внутренних зависимых системных параметров, таких как пороговые значения принятия решения, сопоставляемые характеристики, стратегия распознавания. Но за возросшую точность приходится расплачиваться уменьшением быстродействия и снижением удобств для пользователей. Автоматическая обработка полученного дактилоскопического изображения начинается с преобразования первичного образа с разрешением 512 х 512 точек изображения и плотностью 8 бит на точку к конечному набору (множеству), состоящему примерно из 100 особых точек папиллярного узора, каждая из которых занимает 3 байт памяти. В результате объем памяти для хранения одного отпечатка по сравнению с первоначальным изображением уменьшается примерно в 1000 раз. Сопоставление двух дактилоскопических образов - оригинального и эталонного, хранящегося в памяти системы, - производится с помощью некоторой корреляционной процедуры. Время регистрации пользователя в базе данных - меньше 2 мин; вся процедура проверки пользователя занимает около 10 с, из которых 2 с уходит на аутентификацию, т. е. на вычисления по сопоставлению отпечатков.

Говоря о надежности аутентификационной процедуры по отпечаткам пальцев, необходимо рассмотреть также  вопрос о возможности их копирования  и использования другими лицами для получения несанкционированного доступа. В качестве одной из возможностей по обману терминала специалисты называют изготовление искусственной кисти с требуемыми отпечатками пальцев (или изъятия «подлинника» у законного владельца). Но существует и способ борьбы с такой фальсификацией. Для этого в состав терминального оборудования должны быть включены инфракрасный детектор, который позволит зафиксировать тепловое излучение от руки (или пальца), и (или) фотоплетизмограф, который определяет наличие изменений отражения света от поверхности потока крови.

Другим способом подделки является непосредственное нанесение  папиллярного узора пальцев законного  пользователя на руки злоумышленника с помощью специальных пленок или пленкообразующих составов. Такой способ довольно успешно может быть использован для получения доступа через КПП. Однако в этом случае необходимо получить качественные отпечатки пальцев законного пользователя, причем именно тех пальцев, которые были зарегистрированы системой, и именно в определенной последовательности (например, если система настроена на проверку не одного, а двух и более пальцев по очереди), но эта информация неизвестна законному пользователю и, следовательно, он не может войти в сговор с нарушителем.

По оценкам западных экспертов до 80% рынка биометрии сегодня занимают устройства идентификации по отпечаткам пальцев. Это объясняется следующим: во-первых, это один самых доступных и недорогих методов, во-вторых, методика идентификации по отпечаткам пальцев проста в использовании, удобна и лишена психологических барьеров, которые имеются, например, у систем, требующих воздействия на глаз световым пучком.

Известны три основных подхода к реализации систем идентификации по отпечаткам пальцев. Самый распространенный на сегодня способ строится на использовании оптики - призмы и нескольких линз со встроенным источником света (рис. 4).

Рис. 3. Функциональная схема системы FIU фирмы SONY

 

Свет, падающий на призму, отражается от поверхности, соприкасаемой  с пальцем пользователя, и выходит через другую сторону призмы, попадая на оптический сенсор (обычно, монохромная видеокамера на основе ПЗС-матрицы), где формируется изображение. Недостатки такой системы: отражение сильно зависит от параметров кожи - сухости, присутствия масла, бензина, других химических элементов. Например, у людей с сухой кожей наблюдается эффект размытия изображения и в результате - высокая доля ложных срабатываний.

Другой способ использует методику измерения электрического поля пальца с использованием полупроводниковой пластины. Когда пользователь устанавливает палец в сенсор, он выступает в качестве одной из пластин конденсатора (рис. 5). Другая пластина конденсатора - это поверхность сенсора, которая состоит из кремниевого чипа, содержащего 90 тыс. конденсаторных пластин с шагом считывания 500 точек на дюйм. В результате получается 8-битовое растровое изображение гребней и впадин пальца.

 

Естественно, в данном случае жировой баланс кожи и степень  чистоты рук пользователя не играет никакой роли. Система идентификации в этом случае, получается гораздо более компактная. Недостатки метода - кремниевый чип требует эксплуатации в герметичной оболочке, а дополнительные покрытия уменьшают чувствительность системы. Кроме того, некоторое влияние на изображение может оказать сильное внешнее электромагнитное излучение.

Существует еще один метод реализации таких систем. Его  разработала компания «Who Vision Systems». В основе их системы TactileSense - электрооптический полимер. Этот материал чувствителен к разности электрического поля между гребнями и впадинами кожи. Градиент электрического поля конвертируется в оптическое изображение высокого разрешения, которое затем переводится в цифровой формат, который уже можно передавать в ПК по параллельному порту или USB-интерфейсу. Метод также нечувствителен к состоянию кожу и степени ее загрязнения, в том числе и химического. Вместе с тем считывающее устройство имеет миниатюрные размеры и может быть встроено, например, в компьютерную клавиатуру. По утверждению производителей, система имеет колоссально низкую себестоимость (на уровне нескольких десятков долларов).

Характеристики некоторых методов приведены в табл. 3.

 

Таблица 3. Характеристики типовых систем идентификации по отпечаткам пальцев

Свойства	Оптическая система	Полупроводнико-вая технология	Электрооптический полимер
Небольшие размеры	Нет	Да	Да
Восприимчивость к сухой  коже	Нет	Да	Да
Прочность поверхности	Средняя	Низкая	Высокая
Энергопотребление	Среднее	Низкое	Низкое
Цена	Средняя	Высокая	Низкая

 

Полученный одним из описанных методов аналоговый видеосигнал преобразуется в цифровую форму, после чего из него извлекается набор характеристик, уникальных для этого отпечатка пальца. Эти данные однозначно идентифицируют личность. Данные сохраняются и становятся уникальным шаблоном отпечатка пальца конкретного человека. При последующем считывании новые отпечатки пальцев сравниваются с хранимыми в базе.

В самом простом случае при обработке  изображения на нем выделяются характерные  точки (например, координаты конца или  раздвоения папиллярных линий, места соединения витков). Можно выделить до 70 таких точек и каждую из них охарактеризовать двумя, тремя или даже большим числом параметров. В результате можно получить от отпечатка пальца до пятисот значений различных характеристик.

Более сложные алгоритмы обработки соединяют характерные точки изображения векторами и описывают их свойства и взаимоположение (рис. 6). Как правило, набор данных, получаемых с отпечатка, занимает до 1 Кбайт.

 

Рис. 5. Изображение отпечатка пальца (а) и его «образ» (б)

 

Алгоритм обработки  позволяет хранить не само изображение, а его «образ» (набор характерных  данных).

Из соображений безопасности ряд производителей (SONY, Digital Persona и др.) используют при передаче данных средства шифрования. Например, в системе U are U фирмы «Digital Persona» применяется 128-битовый ключ, и, кроме этого, все пересылаемые пакеты имеют временную отметку, что исключает возможность их повторной передачи.

Хранение данных и  сравнение при идентификации  происходит в компьютере. Практически каждый производитель аппаратной части вместе с системой поставляет и уникальное программное обеспечение, адаптированное чаще всего под Windows NT.

Так как большинство  систем предназначено для контроля доступа к компьютерной информации и ориентировано в первую очередь на рядового пользователя, ПО отличается простотой и не требует специальной настройки.

Следует отметить одну особенность  СКУД, в которой используются отпечатки  пальцев: такие устройства более  громоздки, чем другие типы считывателей. Это связано с тем, что, во-первых, нет необходимости экономить место на рабочем столе, а во-вторых, считыватели должны быть автономны. Поэтому, кроме сканера, в один корпус помещают устройство принятия решения и хранения информации, клавиатуру (для увеличения степени защищенности) и жидкокристаллический дисплей (для удобства настройки и эксплуатации). При необходимости к системе может быть подключен считыватель карт (смарт, магнитных и т. д.). Существуют и более экзотические модели. Например, фирма SONY поместила в корпус прибора динамик, а фирма «Mytec» считает, что будущее за интеграцией биометрии и таблеток iButton.

Кроме того, такие устройства должны обеспечивать простое подключение  электрозамков и датчиков сигнализации и легко объединяться в сеть (наличие  интерфейсов RS-485).

В табл. 4 приведены сравнительные характеристики устройств, использующих методы идентификации по отпечаткам пальцев. Одно из них -устройство Veriprint 2100 фирмы «Biometric ID» - показано на рис. 7.

 

Таблица 4. Сравнительные характеристики устройств, использующих методы идентификации по отпечаткам пальцев

Характеристика	Finger Scan фирмы «Identix»	Veriprint 2100 фирмы «Biometric ID»
Ошибка 1 рода	1%	0,01 %
Ошибка 2 рода	0,0001%	0,01 %
Время регистрации	25 с	<5 с
Время идентификации	1 с	1 с
Интерфейс	RS232, RS485, TTL, вх/вых сигнализации	RS232, RS485, TTL
Макс, число пользователей	50 000 (сетевая версия)	8 000
Флеш-память	512 кВ или 1,5 MB	2 MB или 8 MB
Дополнение	ЖК-дисплей, клавиатура	ЖК-дисплей, клавиатура