Цифровые фотоаппараты и видеокамеры, тепловизоры, дактилоскопические сенсоры

11.5. Дактилоскопические сенсоры

11.5.1. Принципы дактилоскопии

Еще одним относительно новым видом интеллектуальных электрических сенсоров являются дактилоскопические сенсоры. Известно, что пальцы человека имеют уникальный папиллярный узор, неизменный на протяжении всей жизни. Вероятность его повторения у другого человека меньше, чем 10^–9. Он является разным даже у однояйцовых близнецов с одинаковым набором хромосом и потому давно уже стал своеобразным "удостоверением" для идентификации личности. Вероятность повторения у другого человека папиллярных узоров одновременно двух соседних пальцев уже меньше 10^–18.

В раскопках дохристианских времен в Китае, Вавилоне, Ассирии найдены глиняные печати владык и членов правительства, на которых зафиксированы отпечатки пальцев. В старинных рукописях говорится о том, что такие отпечатки воспринимались как удостоверение личности или как собственноручная подпись человека, а также о том, что китайские матери выучивали, прекрасно знали и могли уверенно опознавать отпечатки пальцев своих детей.

Папиллярный узор формируется из небольших (высотой 0,1-0,4 мм, шириной 0,2-0,7 мм) выступов кожи и мини-канавок между ними шириной 0,1-0,3 мм. На рис. 11.17, а,б,в показаны три основных типа папиллярных узоров – дуговые, петлевые, завитковые. За сотни лет развития дактилоскопии они хорошо детализированы, классифицированы; разработаны методы их индивидуализации и идентификации. Типы папиллярного узора – это т.н. "детали 1-го уровня". Для более точной идентификации рассматривают и проверяют как минимум еще детали 2-го и 3-го уровня. "Детали 2-го уровня" – это виды окончаний папиллярных линий, их разветвлений, соединений, сечений, зарубцеваний и т.п. ( рис. 11.17, г ).

Рис. 11.17. Основные типы папиллярных узоров

На одном пальце насчитывают порядка 100 таких деталей. Детали 3-го уровня – это детали каждой отдельной папиллярной линии: ее изгибы, сужения и расширения, отклонения от периодичности, различия между выступами и т.д. Выявляются и фиксируются еще много более мелких деталей: выходы потовых желез, микроскопические дыхательные поры в коже и т.п.

11.5.2. Интеллектуальные дактилоскопические сенсоры

С развитием вычислительной техники были разработаны детальные алгоритмы и компьютерные программы идентификации отпечатков пальцев. Созданы специализированные компьютерные сканеры отпечатков пальцев и методы представления их в цифровом виде. Но в течение длительного времени для обработки получаемой информации требовались слишком большие вычислительные ресурсы и применение дорогих сверхбыстродействующих компьютеров. Однако бурное развитие технологии, математики и информатики привело к тому, что стало возможным создание компактных интеллектуальных дактилоскопических сенсоров [ [ 215 ] , [ 285 ] , [ 313 ] ]. Иногда их называют также "биометрическими". Чувствительным узлом таких сенсоров является узел сканирования, в котором папиллярному узору одного, двух или нескольких пальцев ставится в соответствие последовательность электрических сигналов. Наиболее распространены сейчас емкостные, потенциальные, тепловые и фоточувствительные сканеры.

Принцип действия емкостных сканеров объясняет рис. 11.18. Поперек рядов плоских микроэлектродов 1 надо провести два-три пальца своих рук ( рис. 11.18, а ). На рис. 11.18, б эта ситуация показана в вертикальном сечении при значительном увеличении. Емкость между парой близких микроэлектродов в том случае, когда над ней находится выступ кожи, оказывается значительно больше, чем в случае, когда над ней находится канавка. Поэтому, измеряя электроемкость или переменный ток, который течет через соответствующую пару микроэлектродов, можно однозначно определить, какой элемент папиллярного узора находится в данный момент над ней.

Рис. 11.18. Принцип действия емкостного узла сканирования: а) 1 – линейки из пар микроэлектродов; 2 – пальцы, которые протягивают над ними; б) 1 – пара микроэлектродов, 3 – тонкий слой изолятора, 4 – выступ кожи, 5 – канавка между выступами, 6 – основная толща пальца

Действие потенциальных сканеров основано на том, что из-за рельефа кожи электрические потенциалы ее выступов и канавок несколько отличаются. Чтобы выявить и зафиксировать это различие используют одну или несколько линеек МДП транзисторов. В предыдущей лекции было показано, что ток через такой транзистор существенно зависит от потенциала на его затворе. А этот потенциал изменяется при переходах от выступов к канавкам и обратно. Когда один, два или три пальца скользят над линейками МДП транзисторов, то ток через каждый из них зависит от того, какая деталь папиллярного узора находится в данный момент над ним, – выступ или канавка. На 0,1 мм узора может приходиться от 2 до 10 чувствительных к потенциалу МДП транзисторов. На том же кристалле с использованием КМДП технологии формируют схемы считывания, фильтрации, предварительной обработки сигналов и их запоминания.

В тепловых сканерах используется тот факт, что тепловое излучение от канавок и впадин кожи несколько отличается. И это отличие "улавливают" ряды элементов, чувствительных к тепловому излучению, над которыми скользят пальцы.

В фоточувствительных сканерах увеличенное изображение папиллярного узора оптически проецируется с увеличением на линейку или матрицу фотоприемников, которые превращают его в последовательность электрических сигналов.

Микропроцессор, входящий в состав дактилоскопического сенсора, не только организует считывание и фильтрацию информации о папиллярном узоре пальцев, но и обрабатывает ее, приводит к стандартной форме. Он же осуществляет сравнение с образцами типовых узоров, хранящихся в его долговременной памяти, и по заданным критериям решает, каким образцам соответствуют исследуемые пальцы. Т.е. он автоматически выполняет ту сложную работу, которую в течение предыдущих столетий могли выполнить лишь высококвалифицированные эксперты.

11.5.3. Применения интеллектуальных дактилоскопических сенсоров

Дактилоскопические сенсоры нашли целый ряд применений [ [ 337 ] ]. Компания Sharp, например, применила биометрический сенсор AT77C101B FingerChip в своем мобильном планшетном персональном компьютере Sharp Mebius Muramasa PC-TN1-H1W для контроля доступа. Контроль этот основан на оперативной проверке отпечатков пальцев пользователя. Компания считает, что биометрический сенсор "обеспечивает пользователю высокий уровень защиты частной, бизнесовой и другой закрытой информации, невозможность несанкционированного использования компьютера при сохранении удобства". Для доступа к операционной системе и к базе данных зарегистрированному пользователю достаточно провести пальцем по сенсору AT77C101B FingerChip . В этом сенсоре применяется тепловой сканер размером 26,6x9,8x1,5 мм, изготовленный с использованием КМОП технологии с разрешающей способностью 20 точек/мм. Утверждается, что "тепловая технология" хорошо работает даже при таких неблагоприятных условиях, как повышенная влажность, загрязненность, жир на пальцах, жара или мороз.

Компания CardMedia выпустила на рынок флеш-брелки StoreGuard емкостью 128, 256, 512 Мб и 1 Гб со встроенным дактилоскопическим сенсором, который открывает доступ к записанной информации лишь хозяину после анализа папиллярного узора его пальцев. Время проверки составляет около 0,25 с. Дактилоскопически защищенные флеш-устройства памяти выпускают и предлагают также другие производители.

Компания Microsoft, чтобы освободить пользователя от необходимости запоминать и держать в своей памяти много логинов и паролей для доступа к разным компьютерным и Интернет ресурсам, применила так называемое " устройство биометрической идентификации " MS Fingerprint Reader. Это – тоже специализированный интеллектуальный дактилоскопический сенсор, который после анализа папиллярного узора пальцев автоматически вводит необходимые в конкретной ситуации логин и пароль. Чувствительный сканер сенсора встраивается в клавиатуру компьютера или в "мышку" ( рис. 11.19). Устройство MS Fingerprint Reader имеет возможность регистрировать и обслуживать не одного, а нескольких пользователей офисного компьютера.

Рис. 11.19. Компьютерные "мышки" со встроенным чувствительным сканером дактилоскопического сенсора

Компактные сканеры для дактилоскопических сенсоров выпускают японская компания Fujitsu (емкостный сенсор MBF300, 20 точек/мм), американская компания AuthenTec (светочувствительный сенсор EntrePad площадью лишь 6,5 мм²), компании Precise Biometrics, Applied Biometrics Products, Mytec и прочие. Эти компактные сканеры предназначены для применений с целью идентификации хозяина в фирменных мобильных телефонах, органайзерах, ноутбуках и в других важных мобильных устройствах.

Компания BioLink Technologies разработала и предлагает интеллектуальный сенсор контроля доступа BioLink OBE Module DDK (On-Board Extraction Module Design Development Kit). В нем используется оптическое устройство с площадью сканирования 24x16 мм и ПЗС матрица. В памяти сенсора могут сохраняться образцы отпечатков пальцев до 150 разных лиц. Такие сенсоры могут устанавливаться на входе в помещение или на территорию, куда разрешен доступ лишь точно определенным лицам, и выполнять функции неподкупного электронного сторожа или контролера-учетчика рабочего времени. Их уже устанавливают как основное средство защиты от несанкционированного доступа на некоторые модели сейфов, банковские депозитарные ячейки, на банкоматы и кассовые терминалы, на дверцы энергетических щитов, узлов информационных соединений, автомобилей и т.д.

Ради истины надо отметить, что уже несколькими исследователями продемонстрирована возможность обмана дактилоскопических сенсоров. Для этого следует раздобыть отпечатки нужных пальцев, оставленные доверенным лицом на какой-нибудь поверхности. Затем, воспользовавшись этим образцом, надо изготовить из пластика и желатина искусственный палец с нужным папиллярным узором. Тщательно изготовленные с применением микросистемной технологии искусственный "палец" или желатиновая накладка на свой палец, как оказалось, способны обмануть от 70% до 95% дактилоскопических сенсоров.

Но ради той же истины надо сказать, что, зная принцип действия, механизм принятия решений, можно обмануть и любые другие сенсоры, живые существа и даже человека. Было продемонстрировано, например, что с помощью маски доверенного лица, соответствующей одежды, грима можно обмануть как автоматическую систему видеонаблюдения, так и опытного человека-сторожа. Тепловизору можно представить, например, искусственный тепловой портрет лося, за которым будет прятаться человек. Тем не менее, это отнюдь не приуменьшает достижения в создании интеллектуальных сенсоров, а лишь нацеливает на их дальнейшее усовершенствование.

Краткие итоги

Уже широко известными интеллектуальными электрическими сенсорами являются цифровые фотоаппараты. Изображение снимаемого объекта с помощью светочувствительной ПЗС или КМДП матрицы и встроенного микропроцессора преобразуется в цифровую форму, запоминается, по желанию пользователя перезаписывается на внешний компьютер, где может быть воспроизведено на мониторе или распечатано на цветном принтере. Микропроцессор может обеспечивать также автоматическое регулирование диафрагмы и экспозиции, включение дополнительных источников света в случае недостаточной освещенности, автоматическую наводку на резкость, корректирование полученного изображения и другие сервисные функции.

Еще одним чудом современной техники является такой вид интеллектуальных электрических сенсоров, как видеокамеры – сенсоры для восприятия динамически изменяющихся изображений, для преобразования их в последовательности видеосигналов с целью последующего хранения, передачи, обработки и воспроизведения на экране. Поскольку изменения визуальных картин могут происходить очень быстро, то задачи, которые надо здесь решать, значительно сложнее, чем в случае цифровых фотоаппаратов. В видеокамере на экспозицию одного кадра отводится не больше 20 мс, а желательно и значительно меньше. Поэтому светочувствительность матриц должна быть здесь значительно выше, а считывание и обработка полученных сигналов должны производиться значительно быстрее. Требуется и значительно больший объем встроенной памяти (гигабайты).

Всё более широкое применение находят и такие интеллектуальные электрические сенсоры, как камеры видеонаблюдения. Промышленно выпускаются и применяются сотни типов таких камер, отличающихся своим назначением, конструктивным исполнением, размерами и техническими возможностями. "Уличные" камеры видеонаблюдения рассчитаны на работу в широком диапазоне климатических условий: в жару и в мороз, при 100%-й влажности, в яркий солнечный день и в ночное время. Они защищены от ливней и обледенений, зачастую и от вандализма. Для работы в ночное время часто используют встроенную подсветку просматриваемой зоны пространства. Для подсветки применяют светодиоды, излучающие свет в ближней ИК области спектра, которую прекрасно чувствуют кремниевые фотодиоды. Это называют "ИК подсветкой".

Современная технология позволила создать миниатюрные камеры видеонаблюдения, которые легко встраиваются в предметы интерьера, оставаясь малозаметными, а то и практически незаметными.

Сетевые видеокамеры (IP видеокамеры, вeб-камеры), способные не только фиксировать видеоизображение, но и посылать его по локальным сетям, беспроводным сетям Wi-Fi или даже на любые расстояния по сети Интернет, сделали возможным т.н. " IP видеонаблюдение ". Передаваемое изображение можно просмотреть на любом устройстве, имеющем доступ в Интернет или в соответствующую локальную сеть, находясь даже на другом континенте. Для этого надо через соответствующую сеть соединиться с видеокамерой по её индивидуальному сетевому электронному адресу. Если связь двусторонняя, то камерой зачастую можно и управлять: поворачивать в нужном направлении, менять оптическое увеличение и т.д.

Эпитаксиальные пленки из "узкозонных" полупроводников (чаще всего кадмий–ртуть–теллур) позволили формировать матрицы, воспринимающие ИК свет в "окнах прозрачности" атмосферы, в том числе и чисто тепловое излучение объектов с температурой от –50 С до +500 С. С их применением созданы цифровые тепловизоры, формирующие на встроенном цветном дисплее наглядные изображения тепловой картины зоны наблюдения с указанием температуры соответствующих объектов, изотермические кривые, профиль температуры в заданном направлении. Тепловизор может автоматически сигнализировать о том, что температура в каких-то точках пересекает заданную верхнюю или нижнюю границу и т.д. В жилищно-коммунальном хозяйстве тепловизоры являются эффективным средством выявления тепловых пороков жилищ и внедрения энергосберегающих технологий. Они помогают своевременно выявить источники опасности как в бытовых, так и в промышленных электросетях, даже в скрытой электропроводке, стали действенным средством охраны государственных, промышленных, культурных, частных объектов, транспортных, энергетических и санитарных инфраструктур.

Электрические сенсоры сделали возможным создание компактных интеллектуальных дактилоскопических устройств. Чувствительным узлом таких сенсоров является узел сканирования, в котором папиллярному узору одного, двух и более пальцев ставится в соответствие последовательность электрических сигналов. Сейчас применяют емкостные, потенциальные, тепловые и фоточувствительные сканеры. Дактилоскопические сенсоры нашли целый ряд применений для контроля доступа на охраняемые объекты, к сейфам, банковским депозитарным ячейкам, банкоматам и кассовым терминалам, энергетическим щитам, узлам информационных соединений, к автомобилям, к разным компьютерным и Интернет ресурсам и т.д.