احراز هویت با کمک اثر انگشت

چکیده:  حدود یک قرن است که در راستای اجرای قانون، اثر انگشت برای شناسایی افراد به کار گرفته   می شود. کاربرد گسترده ترِ اثر انگشت برای احراز هویت است، مثلاً برای اجازه دسترسی به کامپیوترها، شبکه ها، دستگاه های خودپرداز بانک ها، خودروها و اجازه ورود به خانه.

تاریخچه

برخی شواهد باستان شناسی وجود دارد مبنی بر آنکه اثر انگشت، نوعی شناسایی است که حداقل از 7000 تا 6000 سال پیش از میلاد توسط آشوری ها و چینی ها به کار گرفته می شده است. در آن زمان ها کوزه های سفالی دارای اثر انگشت بوده است که کوزه گر سازنده آن را مشخص کند. شواهد و مدارکی که از چینی ها برجای مانده است، مهرهای گلی را نشان می دهد که اثر انگشت شست بر روی آنها برجای مانده است. البته این آثار نشانگر آن نیست که در این جوامع، بهره گیری از اثر انگشت عمومیت داشته است.

در میانه دهه 1800 میلادی، دانشجویان برخی از رشته های علمی، برای اثر انگشت دو مشخصه اساسی را پیدا کردند که تا به امروز نیز درست است؛ یکی آنکه هیچ دو اثر انگشتی پیدا نمی شوند که الگوی «رج» های آن یکسان باشد و دیگری آنکه الگوی رج های اثر انگشت هر شخص در سرتاسر طول عمر او بدون تغییر باقی می ماند. این مطالعات منجر به آن شد که برای تعیین هویت در زمینه های بزهکاری، از اثر انگشت استفاده شود. نخستین کاربرد اثر انگشت در این زمینه در سال 1896 در آرژانتین و سپس در سال 1901 در اسکاتلند بود و در اوایل دهه 1900 در سایر کشورها نیز از این روش شناسایی استفاده شد.

پردازش کامپیوتری اثر انگشت در اوایل دهه 1960 و با معرفی یک سخت افزار کامپیوتری بود که می توانست این تصاویر را به طور منطقی پردازش کند. از آن زمان در سراسر جهان، سیستم های تعیین هویت خودکار با کمک اثر انگشت (AFIS) به طور گسترده ای توسعه یافته اند که برای اجرای قانون به کار گرفته می شود.

در دهه 1980 در دو زمینه فناوری، نوآوری هایی ارائه شد. این نوآوری ها که عبارت بودند از کامپیوترهای شخصی و اسکنرهای نوری، سبب شدند که ابزارهایی برای استفاده از اثر انگشت در کاربردهایی غیر از پیگیری بزهکاری ساخته شوند، از قبیل برنامه های مربوط به کارت شناسایی. معرفی تجهیزات نه چندان گران قیمت بهره گیری از اثر انگشت و توسعه سریع آن و الگوریتم های قابل اعتماد برای تطابق، همگی سبب شده است که تطابق اثر انگشت برای کاربردهای شخصی گسترش یابد.

انواع مشخصه

خطوطی که در الگوهای گوناگون اثر انگشت ها جریان دارد، «رج» نامیده می شوند و فاصله بین رج ها «گودی» نام دارد. این رج ها هستند که در هنگام مطابقت دادن، بین یک اثر انگشت و اثر انگشت دیگر مقایسه می شوند. اثر انگشت ها معمولاً بوسیله یک یا دو روش با هم تطابق داده می شوند. در اینجا مشخصه های اثر انگشت با این روش ها شرح داده می شوند.

یکی از روش های میکروسکوپی که برای تطابق اثر انگشت استفاده می شود، تطابق جزئیات نام دارد. دو نوع جزئیاتی که در شکل 1 نشان داده شده اند، عبارتند از پایان یافتن رج و دو شاخه شدن رج. برای انطباق دادن، نوع، موقعیت (x,y) و جهت در نظر گرفته می شود.

شکل 1- جزئیات مربوط به اثر انگشت: پایان یافتن رج و دو شاخه شدن رج

یکی دیگر از روش های میکروسکوپی که برای تطابق اثر انگشت استفاده می شود، تطابق الگو نام دارد. در این روش، روند رج ها در همه مکان های مربوط به تصویرِ دو جفت اثر انگشت با هم مقایسه می شوند. روند رج از یک الگوی فراگیر مربوط به اثر انگشت پیروی می کند. سه الگوی اثر انگشت در شکل 2 نشان داده شده است (ده الگوی متفاوت وجود دارد ولی این سه الگو، الگوهای بنیادین هستند).

گاهی مشخصه های دیگری بنام core و delta به کار می روند (شکل 2). core را می توان به عنوان مرکز الگوی اثر انگشت در نظر گرفت و delta یک نقطه تکی است. core و delta نقاط عطفی هستند که به کمک آنها اثر انگشت برای تطابق بعدی هدایت می شود، هر چند که این دو مشخصه در همه اثر انگشت ها وجود ندارند.

می توان مشخصه های دیگری از اثر انگشت را نیز در تطابق دادن استفاده کرد، مثلاً منافذی که در اثر انگشت وجود دارد. از سایز اثر انگشت و رج میانگین و عرض گودی ها نیز می توان برای تطبیق دادن استفاده کرد، هر چند که موارد یاد شده در طول زمان تغییر می کنند. موقعیت شکاف ها و چین را نیز می توان به کار برد ولی معمولاً از آنها استفاده نمی شود چون ممکن است موقتی باشد و یا به طور مصنوعی ایجاد شده باشند.

شکل 2- الگوهای اثر انگشت: قوس، حلقه و مارپیچ. نقاط عطف اثر انگشت (core و delta) نیز در شکل نشان داده شده است (در الگوی مارپیچ، هیچ موقعیت delta وجود ندارد).

پردازش تصویر اثر انگشت و بررسی آن

پس از آنکه تصویر اثر انگشت تهیه شد، پردازش آن انجام می شود. هدف نهائی از پردازش تصویر، دستیابی به بهترین تصویری است که به کمک آن، تطابق درست انجام می شود. مراحل پردازش تصویر عبارت است از کاهش شلوغی تصویر و ارتقای تصویر، تشخیص دادن مشخصه و تطابق.

شکل 3- ترتیب مراحل پردازش اثر انگشت: (a) تصویر اصلی، (b) جهت گیری، (c) تصویر باینری شده، (d) تصویر نازک شده، (e) تصویر دارای جزئیات، (f) گراف دارای جزئیات

در مرحله بعدی، قالب مربوط به اثر انگشتِ مورد بررسی، با قالب مربوط به اثر انگشتِ ثبت شده مقایسه می شود. معمولاً این کار با مقایسه کردن جزئیات مجاور انجام می شود.

موضوعات سیستمی

کارآمد بودن یک سیستم بررسی اثر انگشت، تنها به الگوریتم های بررسی بستگی ندارد. موارد مهم تری نیز وجود دارند که موضوعات سیستمی نامیده می شوند. این موارد عبارت است از: روش های ثبت و بررسی         اثر انگشت، سرعت و ارگونومی، بازخورد از سوی کاربر، ضد تقلب بودن و ملاحظات امنیتی.

لازم است که تصاویر مربوط به اثر انگشت از بالاترین کیفیت برخوردار باشند، چون ثبت اثر انگشت یک بار انجام می شود ولی بررسی آن را می توان چندین بار انجام داد. بررسی اثر انگشت را می توان برای چند انگشت انجام داد. این کار میزان تشخیص را افزایش می دهد ولی سبب می شود که کاربر زمان بیشتری را صرف کند.

ارگونومی سیستم نیز مهم است. مثلاً میزان وقتی که شخص مایل است برای احراز هویت منتظر بماند، حدی دارد. میزان این وقت بسته به میزان آن کاربرد، متفاوت است و به این نیز بستگی دارد که شخص در خلال پردازش اثر انگشت، چه کاری انجام می دهد، مثلاً کشیدن کارت بانکی و یا وارد کردن شماره شناسایی. برای زمان پردازش، معمولاً 0.5 ثانیه تا 1 ثانیه، زمان قابل پذیرشی است. سایر ملاحظات ارگونومی مربوط به کاربر عبارتند از: تعداد دفعات تلاش های پی در پی برای عدم پذیرش، روش های ثبت و بررسی، طراحی تجهیزات ثبت کننده و تنظیمات تشخیص برای مصالحه بین پذیرفتن موردِ نادرست و رد کردن موردِ نادرست.

بازخوردِ کیفی هنگامی سودمند است که تصویری تهیه شود که نشان دهد کاربر انگشت خودش را چگونه بگذارد که تصویر بدست آمده، بهترین کیفیت ممکن را داشته باشد. نوع بازخورد می تواند از این قرار باشد: «انگشت خودتان را خیلی بالا گذاشته اید»، «انگشت خودتان را به اندازه کافی فشار نداده اید»  و غیره.

باید در سیستم اثر انگشت، بازدارنده های ضد تقلب گنجانده شوند تا از این موارد جلوگیری شود:  اثر انگشت ساختگی، اثر انگشت شخص مرده و اثر انگشت باقی مانده بر روی سطح. اثر انگشت گاهی بر روی سطح سنسور باقی می ماند که این ناشی از چربی پوستِ انگشتی است که قبلاً اثر آن انگشت گرفته شده است. برای جلوگیری از این مورد، بر روی برخی از سنسورها اقدامات حفاظتی انجام شده است، مانند توانایی تشخیص دما، مقاومت الکتریکی و ظرفیت خازنی پوست.

تجهیزات ثبت تصویرِ اثر انگشت

تجهیزات ثبت تصویر به سه دسته تقسیم می شوند: اپتیکی، حالت جامد، موارد دیگر. البته یک دسته تجهیزات دیگر هم وجود دارد و آن تهیه اثر انگشت با کمک جوهر است که روش سنتی ثبت اثر انگشت برای موارد جنائی می باشد. آشکار است که این روش به دلیل دردسرهایی که دارد، روش مناسبی نیست،از جمله آنکه بعداً نیاز به دیجیتالی شدن دارد و اینکه شاید این روش ثبت اثر انگشت، برای شخص،شرم آور باشد.

تجهیزات نوری مربوط به ثبت اثر انگشت، تاریخچه ای بس دراز دارد و استفاده از این تجهیزات       به دهه 1970 برمی گردد. یک پرتوی لیزر، اثر انگشتی را که بر روی یک سطح شیشه ای قرار می گیرد، روشن می کند. بازتابش این پرتوی لیزر در اختیار یک دوربین مخصوص قرار داده می شود. مقدار نور بازتابش شده، بر اساس عمق «رج» ها و «گودی» های اثر انگشت روی شیشه است و نیز بر اساس چربی انگشت است که بین پوست و شیشه قرار دارد. نوری که از شیشه می گذرد و به گودی های اثر انگشت  می رسد، به دوربین تابیده نمی شود، در حالی که نوری که به سایر بخش های اثر انگشت می رسد، بازتابیده می شود.

به تازگی نوآوری هایی در زمینه تجهیزات اپتیکی انجام شده است و در درجه نخست، تلاش هایی است که برای کاهش اندازه این تجهیزات بوده است. در این زمینه کابل نوری هم به کار برده می شود.   دسته ای از کابل های نوری به طور عمودی بر روی سطح اثر انگشت قرار می گیرد. این کابل ها با        نورانی کردن اثر انگشت، بازتابش از آن را ردیابی می کنند تا تصویر تهیه شود. در روشی دیگر، سطحی دارای منشورهای میکروسکوپی بر روی یک سطح کشسان نصب می شود. هنگامی که اثر انگشتی به سطح اعمال شود، فشارهای ناشی از رج و گودی، سطوح میکروسکوپی را تغییر می دهد. این تصویر از طریق بازتابش نور از منشورهای میکروسکوپی (و یا نبود بازتابش) به طور اپتیکی ثبت می شود.

سنسورهای جامد نیز که در این زمینه به کار می روند، میکروچیپ هایی هستند که از اثر انگشت تصویر برداری می کنند. سنسورهای خازنی برای ثبت اثر انگشت از طریق اندازه گیری های الکتریکی طراحی شده اند. تجهیزات خازنی دارای یک سطح حسگری هستند که از حدود 100 هزار پلیت هدایت کننده تشکیل می شود که بر روی آنها یک سطح دی الکتریک قرار دارد. هنگامی که کاربر انگشت خودش را بر روی این سطح می گذارد، پوست انگشت، طرف دیگر خازن را تشکیل می دهد. با افزایش فاصله بین پلیت های خزان، ولتاژ دو سر آن افت می کند؛ در این مورد، فاصله رج نزدیکتر و فاصله گودی، دورتر است. سنسورهای حساس به دما برای این طراحی شده اند که به اختلاف دمای بین رج ها و گودی ها واکنش نشان دهند.

اسکن کردن ماورای صوت، یکی دیگر از فناوری های ثبت اثر انگشت می باشد. پرتوی ماورای صوت            به مانند اسکنرهای نوری، در سراسر سطح اثر انگشت اسکن می شود. در این مورد، سیگنال صوتی است که در گیرنده به کار گرفته می شود و عمق رج را اندازه می گیرد. تصویربرداری ماورای صوت کمتر از اسکن نوری به گرد و غبار و چربی پوست حساسیت دارد، بدین گونه تصویر اثر انگشت، صحت بیشتری خواهد داشت. پایین بودن هزینه و سایز، دو عامل مهم در اقتصادی بودن سیستم ثبت اثر انگشت است.

اسکنرهای نوری مزایایی دارند. یک مزیت مدل های بزرگتر، در اندازه عکسی است که این مدل ها تهیه می کنند.

بیومتریک های چند منظوره

بیومتریک های چند منظوره به ترکیب چند عامل شناسایی در یک سیستم گفته می شود. مهمترین دلیل برای ترکیب چند عامل شناسایی آن است که میزان تشخیص بهبود داده شود. این کار را هنگامی می توان انجام داد که مشخصه های مربوط به بیومتریک های گوناگون از دید آماری مستقل باشند. عوامل شناسایی گوناگونی که در جدول زیر درج شده است، از هم مستقل هستند.

دلایل دیگری نیز برای ترکیب بیومتریک ها وجود دارد. یکی از این دلایل آن است که بهره گیری از عوامل شناسایی گوناگون در موقعیت های متفاوت، مناسب تر است. مثلاً در بانکداری در خانه (که با کامپیوتر یا با تلفن انجام می شود)، مشتری می تواند ثبت نام را هم با اثر انگشت و هم با صدا انجام دهد.    اثر انگشت می تواند از یک سنسور خانگی یا سنسور در لپ تاپ به کار گرفته شود؛ در حالی که صدا و یک پین کد (شماره شناسایی شخصی) را می توان با تلفن استفاده کرد. دلیل دیگر آن است که مشتری        می تواند از چیزی که ترجیح می دهد، استفاده کند. مثلاً می توان از یک ماشین سخنگو استفاده کرد که استفاده از بیومتریک های چشم، اثر انگشت و چهره را اعلام کند، یا ترکیبی از دو مورد از این موارد را برای انتخاب توسط مشتری اعلام کند.

در جدول زیر مشخصه های برگزیده شده برای هر یک از عوامل شناسایی نشان داده شده است و می توان آن را برای تعیین عوامل شناسایی تکمیلی استفاده کرد که در سیستم های چند منظوره به کار    می رود. چند نکته درباره این جدول بشرح زیر است:

• ردیف بیومتریکِ چشم، مشخصه هایی را شرح می دهد که به فناوری های مربوط به اسکن عنبیه یا شبکیه اعمال می شود.
• مشخصه های مربوط به اثر انگشت و چشم در تمام طول عمر شخص ثابت می مانند، در حالی که مشخصه های مربوط به سایر عوامل شناسایی، با بالا رفتن سن شخص تغییر می کنند. هیچ یک از عوامل شناسایی به صورت روزانه تغییر نمی کنند، هر چند که ممکن است صدا در اثر بیماری تغییر کند و برخی از بیماری ها نیز امضاء را تغییر دهند.