Автоматическая система для распознавания отпечатков пальцев (АДИС) (Automated Fingerprint Identificaton System - AFIS) - специализированная биометрическая система, которая сравнивает отдельное изображение отпечатка пальца с базой изображений отпечатков пальцев. В принудительном порядке АДИС (AFIS) используется для сбора отпечатков пальцев в криминалистике. Чаще всего так называют полицейские дактилоскопические системы.
Алгоритмы адаптивные (Adaptive Algorithms) - алгоритмы, параметры которых "настраиваются" в процессе анализа конкретных отпечатков пальцев.
Алгоритмы байесовские (Bayesian Algorithms) - вероятностные алгоритмы с байесовским решающим правилом.
Алгоритмы вероятностные (Probabilistic Algorithms) - алгоритмы, использующие различные вероятностные модели построения решающего правила, например, байесовские, основанные на вычислении апостериорной вероятности принадлежности к классам "свой/чужой" с применением формулы Байеса.
Алгоритмы распознавания (Recognition Algorithms) - алгоритмы, реализующие решающее правило о принадлежности предъявляемого отпечатка пальца к списку зарегистрированных пользователей.
Алгоритмы эвристические (Heuristic Algorithms) - алгоритмы, основанные на "инженерном" (пороговом) подходе при построении решающего правила, не использующие какие-либо математические модели порождения признаков распознавания.
Артефакты тракта ввода (Input Tract Artifacts) - любые факторы, искажающие картину папиллярного рисунка при вводе: влажность/сухость кожи, загрязненность кожи, усилие прижима, растяжение кожи и т.п.
Аутентификация (Authentication) - метод проверки подлинности, позволяющий достоверно убедиться в том, что субъект действительно является тем, за кого он себя выдает. Различные системы аутентификации можно разделить на три класса в соответствии с тем, что именно должен предъявлять системе субъект:
- то, что он знает;
- то, чем он владеет;
- то, что является частью его самого.
Первый класс использует различного рода шифры, набираемые человеком (например, PIN-коды, криптографические коды и т.п.).
Второй класс использует шифры, передаваемые при помощи физических носителей информации (пластиковые карты с магнитной полосой, электронные таблетки "touch memory", электронные token-устройства, proximity-карты и т.д.).
Третий (биометрический) класс принципиально отличается тем, что аутентификации подвергается собственно личность человека - его индивидуальные характеристики (рисунок папиллярного узора, радужная оболочка глаза и т.д.), которые невозможно потерять, передать другому человеку и достаточно трудно подделать.
База данных зарегистрированных пользователей (Enrollee Database) -
База данных отпечатков пальцев (Fingerprint Database) - совокупность сканов, используемых при оценке надежности алгоритма.
Бинаризация изображения (Image Binarization) - этап перевода полутонового изображения в бинарное - двухтоновое черно-белое.
Бинарное изображение (Binary Image) - изображение, описываемое только двумя значениями в каждой точке: 1- папиллярная линия, 0 - фон.
Биометрические измерения (Biometric Measures) - количественные данные, определенные по наблюдаемым биометрическим характеристикам.
Биометрические технологии (Biometric Technologies) - совокупность методов, используемых при создании биометрических систем.
Биометрика (ия) (Biometrics) - прикладная область знаний, использующая при создании различных автоматических систем разграничения доступа уникальные признаки, присущие человеку (см. Биометрические характеристики)
- форма кисти руки;
- черты лица;
- термограмма лица (схема кровеносных сосудов лица);
- параметры голоса;
- форма и способ подписи;
- узор радужной оболочки глаза;
- папиллярный узор пальца;
- фрагменты генетического кода и др.
Биометрическая система (Biometric System) - автоматическая система, способная получить биометрический образец (например, отпечаток пальца) от человека, извлечь из него биометрические данные (например, особые точки и их параметры), сравнить эти данные с одним или несколькими данными такого же сорта, хранящимися в базе данных, определить, насколько хорошо совпадают предъявленные данные с какими-то данными из базы, и сделать заключение о том, удалось ли идентифицировать человека по предъявленным данным, или подтвердить (проверить), что этот именно тот, за кого он себя выдает.
Биометрический рынок (Biometric Market) - мировой рынок биометрических систем сегодня представлен десятками известных фирм (а всего на этом рынке известно уже более 300 компаний, занимающихся продажей, разработкой, обслуживанием биометрических систем). Биометрический рынок развивается быстрыми темпами, составляя к 2003 году 1 млрд. долларов (прогноз на 2005 год превышает 5 млрд. долларов.) Почти 50% биометрических систем составляют дактилоскопические системы.
Биометрический образец (Biometric Sample) - наблюдение выбранной биометрической характеристики.
Биометрическая характеристика (Biometric Parameter) - основные используемые в настоящее время биометрические характеристики:
- форма кисти руки;
- черты лица;
- термограмма лица (схема кровеносных сосудов лица);
- параметры голоса;
- форма и способ подписи;
- узор радужной оболочки глаза;
- папиллярный узор пальца;
- фрагменты генетического кода.
Биометрический интерфейс прикладного программирования (Biometric Application Programming Interface - BioAPI) - программный интерфейс, связывающий биометрический программный продукт с биометрическими устройствами (например, сканерами) и прикладными программами систем доступа и безопасности.
Бифуркация (Bifurcation) - локальная особенность порожденная любыми возмущениями в строении папиллярного узора.
Верификация (Verification) - режим идентификации, в котором предварительно (например, при помощи ввода PIN-кода или предъявления физического носителя информации) субъект называет себя. В этом случае вместо многократного сравнения по всему списку зарегистрированных пользователей осуществляется только единственное сравнение (действительно ли предъявленная биометрическая характеристика соответствует "названной" записи в списке).
Глобальные особенности (Global Features) - особенности папиллярного узора, имеющие распределенный по площади характер, например, центры, дельты.
Дактокарта (Tenprint Card) - принятая в криминалистике стандартная форма для хранения папиллярных узоров десяти пальцев (иногда и отпечатка ладони) человека, снятых с использованием краскового способа получения изображений.
Дактилоскопический сканер (Fingerprint Scanner/Live scanner) - устройство для снятия изображения папиллярного узора. В настоящее время существуют нескольких типов, например, оптические, полупроводниковые, термо, фотолюминисцентные.
вухфакторная/многофакторная аутентификация (Two/Multi Parameter Authentication) - аутентификация по некоторому физическому носителю информации с использованием второго/многих биометрических характеристик.
Длина описания (Template Size) - количество байт, необходимых для выбранного формата описания. Известны алгоритмы, у которых длина описания папиллярного узора занимает от 50 b до нескольких Kb.
Зарегистрированный пользователь (Enrollee) - пользователь, биометрические данные которого в виде темплейтов занесены в базу данных биометрической системы.
Зона захвата дактилоскопического сенсора, сканера (Сapture area) - размер снимаемого фрагмента отпечатка пальца.
Чем больше этот показатель, тем лучше качество распознавания (больше особенностей попадает при каждом случайном приложении пальца). Однако при росте размеров снимаемого фрагмента растет и объем передаваемой информации, что приводит к увеличению времени, необходимого для передачи этой информации в компьютер. Последнее обстоятельство иногда становится критичным (например, при использовании медленных COM и PS/2 портов). Оптимальным размером снимаемого фрагмента является фрагмент, который вмещает в себя весь рисунок папиллярного узора (примерно, 2,5*2,0 см). Большая часть полупроводниковых сенсоров имеет недостаточную площадь сканирования, что ухудшает качество биометрической системы, хотя можно увидеть утверждения, что размер 12х12мм вполне достаточен, а некоторые фирмы рекламируют сенсоры размером 9х9мм. Маленький размер снимаемого фрагмента - это следствие использования микроэлектронной технологии, при которой большие размеры сенсора приводят к значимому увеличению его цены.
Идентификация (Identification) - проверка наличия субъекта в списке зарегистрированных пользователей и выявление того, кто он, осуществляется многократным сравнением по всему списку зарегистрированных пользователей (иногда называется режимом распознавания "один ко многим"). Существуют также режимы "один к одному" (см. Верификация) или "один к нескольким", когда субъект предварительно называет свой класс, в который может входить несколько субъектов.
Качество изображения (Image Quality) - экспертный показатель контрастности, четкости скана, который зависит от оптимальных значений разрешения (resolution), зоны захвата (capture area), количества градаций серого (bit depth) и качества папиллярного рисунка.
Классические алгоритмы (Classic Algorithms) - алгоритмы, в которых сравнение папиллярных узоров проводится по различным особенностям: определяются местоположение и типы так называемых особых точек, в число которых входит "центры", "дельты", окончания папиллярных линий, их слияние, разрывы и другие бифуркации (возмущения) в строении папиллярного узора.
Классические методы распознавания (Classic Recognition Methods) - см. Классические алгоритмы.
Количество градаций "серого" (Bit Depth) - количество градаций "серого" в каждом пикселе после оцифровки изображения.
Если bit depth менее 6, то при обработке изображения будет потеряно большое количество особенностей. Имея картинку с большим количеством уровней "серого", можно получить изображение папиллярного узора даже с проблемных пальцев (пальцев с очень плохо различимым или частично отсутствующим узором).
Комбинированные биометрические системы (мультибиометрические системы) (Combined/Multibiometric Systems) - биометрические системы, использующие многофакторное распознавание по совокупности нескольких биометрических признаков.
Корреляционные алгоритмы (Image Based Approach - Correlation Algorithms) - алгоритмы, в которых сравнение папиллярных узоров проводится прямым совмещением участков изображений. В основном используются с полупроводниковыми сенсорами, имеющими малую зону захвата, и для всех случаев, когда выделение локальных и глобальных особенностей затруднено.
К недостаткам корреляционных алгоритмов можно также отнести:
а) высокие требования к вычислительным ресурсам используемой вычислительной техники: классические методы дают десятки тысяч сравнений в сек., а корреляционные методы - единицы сравнений в сек.;
б) нестабильность при больших деформациях;
в) необходимость наличия зоны с особенностями кривизны;
г) определенное нарушение прав личности, поскольку требуется хранение непосредственно изображений (пусть даже небольшой его части).
Главное достоинство корреляционных алгоритмов - способность достаточно устойчивого распознавания для проблемных пальцев, с "некачественным" папиллярным рисунком, когда само использование классических алгоритмов невозможно.
Корреляционные методы распознавания (Correlation Recognition Methods) - см. Корреляционные алгоритмы.
Локальные особенности (Local Features) - особенности папиллярного узора, относящиеся к конкретной точке папиллярного узора, например, окончание папиллярной линии, разветвление папиллярной линии.
Мера сходства (папиллярных узоров) (Similarity Measure) - интегральная характеристика сходства двух папиллярных узоров, полученная конкретным алгоритмом. Значения меры сходства принадлежат некоторому промежутку от 0 до МАХ, большие значения соответствуют большему сходству.
Методы распознавания (Recognition Methods) -
Минюция (Minutia) - широко употребляемый транслитерированный термин для локальной особенности папиллярного узора (от английского minutia).
Надежность распознавания (Recognition Reliability) -
Напряжение электростатического пробоя (Electrostatic Breakdown Voltage) - величина статического напряжения, выдерживаемого защитным слоем полупроводникового сканера/сенсора.
Для защиты поверхности сенсора от механических воздействий и статического электричества на поверхность полупроводникового сенсора наносится защитный слой. Чем он толще, тем лучше защита. Однако расстояние от пальца до площадки пиксела для достижения максимальной разрешающей способности должна быть порядка размера пиксела (50мкм). Лучшие материалы с максимальным напряжением пробоя при таких толщинах дают защиты до 10-15 кв пробивного напряжения.
Нарушение прав личности (Privacy Violation) - хранение в некоторых биометрических системах непосредственно изображений (пусть даже небольшой его части) папиллярных узоров. В основном присуще применению корреляционных алгоритмов распознавания.
Обучение (Enrollment) - этап работы любого алгоритма распознавания, заключающийся в однократном или многократном получении отпечатка пальца и построении по этим наблюдениям математического описания данного папиллярного узора, обычно называемого темплейтом, от английского template. Способы построения описания из моделей:
- объединение всех моделей;
- объединение некоторого подмножества моделей (наиболее представительных в некотором смысле или когда их количество зависит от некоторого показателя качества изображения);
- построение интегрированного вероятностного описания на основе детального анализа сходства и различия моделей.
Таким образом, происходит пополнение списка зарегистрированных пользователей.
Оптический сканер (Optical Scanner) -
устройство для снятия отпечатка пальца, использующее различные оптические схемы для повышения контраста изображения папиллярного узора и передачи изображения в электронную систему, осуществляющую распознавание.
Практически все оптические сенсоры используют известный в физике принцип полного внутреннего отражения на поверхности призмы с соответствующим коэффициентом преломления. Качество изображения, которое в настоящее время дает большинство оптических сканеров, лучше, чем у полупроводниковых сенсоров.
Отпечаток пальца (Fingerprint) - термин, присущий красковому методу съема изображения папиллярного узора, иногда жаргонное выражение для папиллярного узора, полученного любым способом, например, в результате сканирования на дактилоскопическом сканере.
Оценка надежности алгоритма (Algorithm Reliability Testing) -
Ошибки распознавания (Recognition Errors) - любые неправильно принятые биометрической системой решения.
Различают ошибки трех родов:
- ошибка первого рода - "не узнать своего", т.е. принимается решение "чужой", хотя на самом деле субъект присутствует в списке зарегистрированных пользователей (для вероятности ложного отказа используется термин FRR - от английского False Rejection Rate;
- ошибка второго рода - "пропустить чужого", т.е. принимается решение "свой", хотя, на самом деле, субъект отсутствует в списке зарегистрированных пользователей (для вероятности ложного доступа используется термин FAR - от английского False Acceptance Rate.
- ошибка 3-го рода - принимается решение "чужой", но не по результату сравнения, а по причине невозможности получить наблюдение выбранной биометрической характеристики (например, устройство ввода папиллярного рисунка - дактилоскопический сканер - не может снять изображение из-за каких-либо недостатков кожи).
Папиллярный рисунок (Papillar Picture) - рисунок папиллярного узора.
Папиллярный узор (Papillar Tracery) - складки эпидермиса, повторяющие строение внешнего слоя дермы.
Кожа человека состоит из двух слоев. Наружный слой называется эпидермисом, а второй, более глубокий, - дермой. Поверхность дермы, прилегающая к эпидермису, образует многочисленные выступы - так называемые дермальные сосочки. На большей части тела сосочки располагаются беспорядочно, а на ладонных поверхностях кистей и, в частности, пальцев дермальные сосочки складываются в ряды. Поэтому эпидермис, повторяющий строение внешнего слоя дермы, на этих участках тела образует небольшие складки, отображающие и повторяющие ход рядов дермальных сосочков. Эти складки, видимые на поверхности кожи невооруженным глазом, называются папиллярными линиями (лат. papillae - сосочки) и отделяются друг от друга неглубокими бороздками. На вершинах складок - гребнях папиллярных линий имеются многочисленные мельчайшие поры - наружные отверстия выводных протоков потовых желез кожи. Папиллярные линии, особенно на поверхностях пальцев кисти, образуют различные узоры, называемые папиллярными узорами.
Рисунок папиллярного узора формируется в окончательном виде в процессе внутриутробного развития и с момента рождения до смерти человека остается неизменным.После любых повреждений эпидермиса, не затрагивающих сосочков дермы, папиллярный узор в процессе заживления восстанавливается в прежнем виде. Если повреждены сосочки дермы, то образуется рубец, в определенной мере деформирующий в этом месте узор, но не изменяющий его первоначального общего рисунка и деталей строения в других местах. (Криминалистика (под редакцией проф. И.Ф.Крылова). Изд-во Ленинградского университета, 1976).
Перекрестное сравнение (Cross-comparison) - способ испытания алгоритма распознавания на представительной базе данных отпечатков, когда сравниваются "все со всеми" конкретные отпечатки пальцев. Если в базе данных присутствуют отпечатки N различных пальцев, повторенные в M различных приложениях пальца, то среди ((NM*NM) - (N*M))/2 всех возможных сравнений различные отпечатки одного и того же пальца ("свои") будут сравниваться в количестве N*(M*M-M)/2 раз, остальные сравнения - сравнения отпечатков разных пальцев ("чужих").
Повторяемость биометрической характеристики (Biometric Parameter Repeatability) - устойчивость значений биометрической характеристики для данного человека. "Повторяемость" исключает ошибку "неузнавания" зарегистрированного пользователя.
Поле направлений (Direction Map) - поле касательных к папиллярным линиям в каждой точке изображения.
Полупроводниковый сканер (Semiconductor Scanner) -
сканер, использующий изменения электрических параметров при приложении пальца к поверхности входящего в его состав полупроводникового сенсора (электронной микросхемы, измеряющей электрические параметры, например, емкость, в точках своей поверхности) с целью формирования изображения папиллярного узора и передачи его в электронную систему распознавания.
Полутоновое изображение (Gray (Half-tone) Image) - изображение, в каждом пикселе которого возможны различные градации серого (обычно от 0 до 255).
Предобработка изображения папиллярного узора (Preprocessing) - этап работы любого алгоритма распознавания, заключающийся в использовании различных сглаживающих и контрастирующих фильтров для подавления высокочастотных и низкочастотных шумов. В основном используется предварительное вычисление поля направлений (directional map), поля плотностей (density map) и набор фильтров Габора (Gabor).
Признаки распознавания (Recognition Features) - используемые в алгоритме распознавания характеристики папиллярного узора, например, координаты особых точек, поле направлений и т.д.
Проблема муляжа (Imitation Problem) - возможность/невозможность отличить живой палец от его имитации.
Муляжи можно изготовить из резины, силиконовых пленок и т.п., например, путем выжигания папиллярного узора лазером Действительно, картинка с такого муляжа на оптическом сканере выглядит совершенно неотличимой от живого пальца. Если такой муляж приложить к полупроводниковому сканеру, изображения не получается (так как способ его формирования в этом случае не оптический). Полупроводниковые сканеры "пропускают" рельефный муляж папиллярного рисунка, выполненный из кусочка тонкой алюминиевой фольги. Вместе с тем ряд сканеров, производимых биометрическими компаниями, имеют средства борьбы с муляжами.
Проблема трудных пальцев (Difficult Finger Problem) - примерно у 1% всех людей при сканировании папиллярного рисунка пальца из-за повреждений, ожогов, кожных болезней и т.д. снять отпечаток пальца не удается.
Разрешение дактилоскопического сенсора, сканера (Resolution [dpi - dot per inch]) - размер минимальной точки (пиксела), которая должна проявиться на рисунке папиллярного узора.
Все высококачественные сканеры имеют разрешение около 500dpi. При худшем разрешении теряются особенности папиллярного узора (особенно для мелких папиллярных узоров, соответствующих детским и женским пальцам). При уменьшении размера точки - пиксела менее 50 мкм (с учетом, конечно, capture area) объем передаваемой информации об отпечатке увеличивается (неудобства при обработке и пересылке), однако, при этом не происходит существенного улучшения качества распознавания.
Часто изготовители сенсоров говорят о разрешении, имея в виду на самом деле количество чувствительных элементов матрицы. Например, полупроводниковый сенсор имеет матрицу из 50*50 мкм площадок, и изготовитель декларирует разрешение 508dpi. Однако почти во всех сенсорах производится измерение емкости пиксельной площадки. Разность этой емкости между впадинами и гребнями очень маленькая, ее то и надо измерять. Существует эффект взаимного влияния соседних площадок, вследствие чего, реально 50-микронный объект не может появиться на рисунке папиллярного узора (величина размывания зависит от способа измерения емкости). К тому же происходит взаимное влияние между соседними пикселами, что приводит к снижению реального разрешения. В одном из лучших полупроводниковых сканеров - Touch Chip от ST Microelectroniсs применен другой способ - каждый пиксел представляет из себя две площадки и измеряется изменение емкости между этими двумя площадками при приложении пальца. При этом взаимное влияние пикселов практически отсутствует.
Распознавание (Recognition) - этап работы любого алгоритма распознавания, заключающийся в однократном вводе отпечатка пальца, построении по этому наблюдению математической модели, последовательном сравнении полученной модели с темплейтами из списка зарегистрированных пользователей. (Возможна и другая организация сравнения, См. также Идентификация, Верификация, Режим идентификации).
Решающее правило алгоритма распознавания (Recognition Algorithm Decision Rule) - последовательность действий при принятии решения "свой/чужой".
Скан (Scan) - результат сканирования пальца, полученное изображение папиллярного рисунка.
Скелетон (Skeleton) - представление папиллярного рисунка с толщиной папиллярных линий, уменьшенных до одного пиксела.
Скорость сравнения (отпечатки/сек) (Comparison Speed) - количество сравнений в секунду алгоритма распознавания.
Скорость поиска по базе данных (Database Scan Speed) - количество записей в списке зарегистрированных пользователей, "просматриваемых" алгоритмом за секунду.
Список зарегистрированных пользователей (Enrollee List) - - сформированный на этапе "обучения" список пользователей, имеющих доступ к информации.
Термо-сенсор (Thermosensor) - полупроводниковый сенсор, использующий измерение температуры при приложении пальца к его поверхности.
Тестирование алгоритмов (Algorithms Testing) - определение общепризнанных характеристик алгоритмов на больших стандартных базах данных.
Огромное количество имеющихся в настоящее время алгоритмов привело к необходимости объективной оценки их надежности. Для этого используют представительные наборы отпечатков пальцев, снятые в разное время, и в ходе перекрестного сравнения оценивают различные общепризнанные характеристики: FAR, FRR, ROC, ERR. Существуют стандартные базы отпечатков, например, NIST-9, NIST-14, но, как показывает практика, характер искажений и шумов на этих отпечатках, снятых с дактокарт, не соответствуют тем, которые дают конкретные дактилоскопические сканеры, поэтому использование этих баз целесообразно только для оценки зависимости FAR от мер сходства. Последующий анализ FRR рекомендуется проводить на базах, полученных от конкретных сканеров. Однако в настоящее время уже имеется набор баз отпечатков, снятых с различных емкостных и оптических сенсоров и результатов тестирования различных систем идентификации. Тестирование проводилось ведущими специалистами из Biometric System Lab (University of Bologna), U.S. National Biometric Test Center и Pattern Recognition and Image Processing Laboratory (Michigan State University). Также проводятся различные конкурсы алгоритмов, наиболее известным является FVC (Fingerprint Verification Competition).
Точность распознавания (Recognition Accuracy) - качество распознавания биометрических данных, оцениваемое в общепринятых терминах:
FRR - количественная мера ошибки первого рода - ложного отказа, от английского False Rejection Rate, иногда используется в смысле вероятности соответствующей ошибки при гипотетически бесконечном числе испытаний. На практике - частота соответствующей ошибки в перекрестном сравнении на конкретной базе данных отпечатков.
FAR - количественная мера ошибки второго рода - ложного доступа, от английского False Acceptance Rate, иногда используется в смысле вероятности соответствующей ошибки при гипотетически бесконечном числе испытаний. На практике - частота соответствующей ошибки в перекрестном сравнении на конкретной базе данных отпечатков.
ERR - количественная мера усредненной ошибки распознавания - значение равных FAR и FRR, от английского Equal error rate.
ROC - кривая зависимости FAR от FRR, от английского Region of operating curve.
Уникальность биометрической характеристики (Biometric Parameter Uniqueness) - точное соответствие биометрической характеристики только одному человеку.
Устойчивость алгоритма к артефактам тракта ввода (Algorithm Stability to Input Tract Artifacts) - стабильность работы алгоритма по отношению к существующим артефактам тракта ввода.
Формат описания (Specification Format) - выбранный набор признаков распознавания алгоритма.
Характеристики дактилоскопических сканеров (Fingerprint Scanner Parameters) -
- зона захвата;
- разрешение;
- количество градаций "серого";
- удельное напряжение электростатического пробоя (только для полупроводниковых сканеров);
- время съема изображения;
- используемый интерфейс;
- наличие криптования при передаче изображения.
