روش هاي شناسايي بيولوژيكي – اثر انگشت
كلمه بيومتريك از كلمه يوناني bios به معناي زندگي و كلمه metrikos به
معناي اندازه گيري تشكيل شده است. همه ما مي دانيم كه ما براي شناسايي
همديگر از يك سري ويژگي هايي استفاده مي كنيم كه براي هر شخص به طور
انحصاري است و از شخصي به شخص ديگر فرق مي كند كه از آن جمله مي توان به
صورت و گفتار و طرز راه رفتن اشاره كرد. امروزه در زمينه هاي فراواني ما به
وسايلي نياز داريم كه هويت اشخاص را شناسايي كند و بر اساس ويژگيهاي بدن
اشخاص آن ها را بازشناسي كند و اين زمينه هر روز بيشتر و بيشتر رشد پيدا مي
كند و علاقه مندان فراواني را پيدا كرده است. علاوه بر اين ها امروزه
password و ID كارتهايي كه بكار برده مي شوند دسترسي را محدود مي كنند، اما
اين روشها به راحتي مي توانند شكسته شوند و لذا غير قابل اطمينان هستند.
بيو متري را نمي توان امانت داد يا گرفت، نمي توان خريد يا فراموش كرد و
جعل آن هم عملا غير ممكن است.
يك سيستم بيو متري اساساً يك سيستم تشخيص الگو است كه يك شخص را بر اساس
بردار ويژگي هاي خاص فيزيولوژيك خاص يا رفتاري كه دارد باز شناسي مي كند.
بردار ويژگي ها پس از استخراج معمولا در پايگاه داده ذخيره مي گردد. يك
سيستم بيومتري بر اساس ويژگي هاي فيزيولوژيك اصولا داراي ضريب اطمينان
بالايي است .سيستم هاي بيو متري مي توانند در دو مد تاييد و شناسايي كار
كنند. در حالي كه شناسايي شامل مقايسه اطلاعات كسب شده در قالب خاصي با
تمام كاربران در پايگاه داده است، تاييد فقط شامل مقايسه با يك قالب خاص مي
شود كه ادعا شده است. بنابراين لازم است كه به اين دو مسئله به صورت جدا
پرداخته شود.
يك سيستم بيومتري ساده داراي چهار بخش اساسي است :
1) بلوك سنسور: كه كار دريافت اطلاعات بيومتري را بر عهده دارد.
2) بلوك استخراج ويژگيها: كه اطلاعات گرفته شده را مي گيرد و بردار ويژگي هاي آن را استخراج مي كند.
3) بلوك مقايسه: كه كار مقايسه بردار حاصل شده با قالبها را بر عهده دارد.
4) بلوك تصميم: كه اين قسمت هويت را شنااسايي مي كند يا هويت را قبول كرده يا رد مي كند.
هر خصيصه اي از انسان مي تواند به عنوان يك ويژگي در بيو متري بكار برده شود به شرطي كه شروط زير ر ا بر آورده كند :
1) عمومي بودن : هر شخصي آن خصيصه را داشته باشد.
2) متفاوت بودن : در اشخاص ، متفاوت باشد و دو تا شبيه هم نباشد.
3) دوام داشتن : در يك بازه زماني ثابت باشد.
4) قابل بدست آوردن باشد.
در كاربردهاي زندگي روزمره سه فاكتور ديگر نيز بايد رعايت شود: كارايي (دقت، سرعت)، دسترسي (براي كاربران بي ضرر باشد) امنيت بالا.
در اين مقاله ما به معرفي تعدادي از عواملي كه دربيو متري مورد استفاده قرار مي گيرند مي پردازيم.
1) باز شناسي هويت از طريق اثر انگشت
اين روش قديمي ترين روش آزمايش تشخيص هويت از راه
دور است. اگرچه قبلاً اثر انگشت تنها در زمينه جرم قابل بحث بود، تحقيقات
در بسياري كشورها سطحي از پذيرش را نشان ميدهد كه به اين روش اجازه استفاده
در برنامه هاي عمومي را مي دهد. سيستمها ميتوانند جزئياتي از اثر انگشت
(نقاطي مانند تقاطعها يا كناره هاي برجستگيها) يا كل تصوير را بگيرند.
الگوهاي مرجع كه براي حفظ اين جزئيات بكار ميرود در حدود 100 بايت هستند كه
در مقايسه با تصوير كاملي كه از اثر انگشت با حجم 500 تا 1500 بايت
ميباشد، بسيار كوچكتر هستند.
در برنامه هاي عمومي مشكلاتي در ثبات وجود دارد. بعضي كارگران و معتادان
شديد به سيگار, اغلب انگشتاني دارند كه تحليل اثرانگشت آنان مشكل است. با
اين وجود، طرحهاي بلند مدت و موفق زيادي در استفاده از اثر انگشت وجود
داشته است. در حال حاضر اثر انگشت خوانهاي زيادي در دامنه وسيعي وجود دارند
كه به همراه بعضي كارتخوانها استفاده ميشوند. اگرچه در حال حاضر قيمت آنها
چندان پايين نيست اما ميزان عرضه آنان در فروشگاههاي كامپيوتر عادي باعث
افت سريع قيمت آنان خواهد شد. به طور مثال شركت هواپيمايي آلماني لوفتانزا،
آزمايش بليت هاي بيومتريك را آغاز كرده است. اين بليت ها با اطلاعات مربوط
به اثر انگشت شصت مسافران رمزگذاري شده اند و انتظار ميرود سرعت كنترل را
بدون پيچيدگي هاي امنيتي افزايش دهند.
نكته قابل توجه ديگر در سيستم هاي توليد توليد
شده با استفاده از فناوري بيومتريك (اثر انگشت) قابل ملاحظه است، استقبال
رو به گسترش مردم از خريد اين محصولات است. به طور مثال، شركت لنوو
(Lenovo) با فروش بيش از يك ميليون كامپيوترهاي كيفي بيومتريكي كه اثر
انگشت فرد صاحب آن را اسكن مي كند، به يكي از بزرگترين فروشندگان
كامپيوترهاي بيومتريكي در جهان تبديل شده است.
در اين بخش سعي بر آن شده است كه اصول كلي، موانع و محدوديت هاي سيستمهاي تشخيص اثر انگشت بررسي شوند.
اصول كلي در سيستمهاي تشخيص اثر انگشت:
همانگونه كه اشاره شد، اثر انگشت يكي از روشهاي
مطمئن براي شناسايي افراد مي باشد و در زمينه هايي نظير رسيدگي به جرم،
سيستم هاي كنترل حوادث، كنترل مرزهاي ملي و … به كار مي رود. دليل اصلي
انتخاب اثر انگشت براي شناسايي افراد اين است كه اثر انگشت هر فرد منحصر به
فرد بوده و بعضي از ويژگي هاي آن تا آخر عمر ثابت باقي مي ماند و از همين
ويژگي ها در تطبيق اثر انگشت استفاده مي شود. براي تطبيق دستي اثر انگشت
روشهاي استانداردي وجود دارد، اما روش دستي تطبيق اثر انگشت كاري مشكل و
بسيار وقت گير بوده و كارايي لازم را ندارد.البته از آنجا كه بانكهاي
اطلاعاتي داراي ميليونها اثر انگشت مي باشد، عملاً تطبيق دستي اثر انگشت
امري محال مي شود.
به منظور اتوماتيك كردن تطبيق بايد روشي براي
تصوير و يا كد كردن اثر انگشت تعريف گردد. اين بيان تصوير بايستي شرايط زير
را داشته باشد:
1) توانايي تمايز هر اثر انگشت در سطوح مختلف رزولوشن،
2) محاسبات ساده
3) قابليت بكارگيري در الگوريتم هاي تطبيق اتوماتيك،
4) پايداري و عدم تغيير با نويز و خرابي ها
5) كارا بودن و نشان دادن تصاوير به صورت فشرده
اگر تصوير به صورت خام ذخيره شود، حافظه زيادي
مورد نياز است و سيستم كارايي لازم را نخواهد داشت. در روشهاي ساختاري
ويژگي ها از تصوير استخراج و تصوير با اين ويژگي ها شناخته شده و همچنين با
استفاده از همين ويژگيها عمل تطبيق صورت مي گيرد.
اثر انگشت از برآمدگي
ها و فرو رفتگي اي فلو مانندي تشكيل شده است كه بسته به وضعيت قرار گرفتن
آنها ويژگي هاي مختلفي به وجود مي آيد. تا كنون 18 ويژگي براي اثر انگشت
شناخته شده است كه دو ويژگي مهم آن، انتهاي برآمدگي و دوشاخه شدن برآمدگي
مي باشدكه اصطلاحاً به آنها مينوتيا مي گويند. در شكل زير اين دو ويژگي
نشان داده شده است:
اطلاعات مينوتيا در مولفه هاي x , y و زاويه برآمدگي ها آنها قرار دارد.
ساختار توپولوژيكي مينوتاي يك اثر انگشت منحصر به فرد بوده و با گذشت زمان
تغيير نمي كند. در نتيجه مي توان تشخيص اثر انگشت را بر مبناي تطبيق ساختار
توپولوژيكي مينوتيا استوار ساخت. در يك تصوير انگشت با كيفيت نسبتاً خوب
در حدود 70 تا 80 مينوتا وجود دارد كه البته اين تعداد در تصويرهاي جزئي به
حدود 20 تا 30 ويژگي كاهش مي يابد، اما باز هم بااين تعداد مي توان عمل
تطبيق اثر انگشت را انجام داد.
اكثر سيستمهاي تشخيص اثر انگشت، ساختاري بر مبناي
مينوتيا دارند. در اين سيستمها سه مرحله اساسي براي تشخيص وجود دارد كه
عبارتند از:
1) پيش پردازش
2) استخراج مينوتيا
3) تطبيق مينوتيا
مرحله اول براي افزايش كيفيت تصوير انجام مي
گيرد، مرحله دوم براي استخراج ويژگي هاي تصوير و مرحله آخر براي مقايسه
مورد استفاده قرار مي گيرد.
در مورد تطبيق، روشهاي گوناگوني وجود دارد كه از جمله مي توان به موارد ذيل اشاره كرد:
1) تطبيق مجموعه نقاط
2) تطبيق گراف
3) همشكلي دو زير گراف
البته عمل تطبيق بنا به دلايل زير نياز به محاسبات پيچيده دارد:
1) معمولاً كيفيت اثر انگشت پايين است.
2) بانك اطلاعاتي اثر انگشت ها بزرگ است.
3) تصوير هايي كه به صورت ساختاري آسيب ديده اند، به الگوريتم هاي نيرومندي جهت تطبيق نياز دارند.
در سيستمهاي تشخيص اثر انگشت موجود دربازار كه از
اين دو ويژگي (انتهاي برآمدگي و دوشاخه شدن برآمدگي) استفاده مي شود، به
علت بزرگ بودن بانك اطلاعاتي و نويز دار بودن تصاوير، يك تطبيق يك به يك
عملاً مشكل بوده و از اين رو يكسري از تصوير هاي تطبيق يافته تهيه و سپس
تطبيق نهايي توسط افراد متخصص انجام مي گيرد.
استخراج ساير ويژگي ها:
علاوه بر ويژگي هاي بيان شده، در بسياري از
سيستمهاي تشخيص اثر انگشت، از ويژگي هاي سطح بالا نيز استفاده مي شود. اين
امر باعث افزايش صحت عمل تطبيق مي گردد. يكي از اين ويژگي هاي مهم كلاس
الگوي اثر انگشت مي باشد.
اثر انگشت به پنج كلاس اصلي تقسيم مي شود كه عبارت اند از:
1) كمان
2) كمان مايل
3) حلقه چپ
4) حلقه راست
5) مارپيچ
در تصاوير نويز دار و جزئي ممكن است كلاس الگو نامشخص باشد، كه در
اينصورت از يك ويژگي سطح بالاتري به نام چگالي برآمدگي ها به جاي كلاس الگو
استفاده مي شود كه بيانگر تعداد برآمدگي ها در واحد طول تعريف مي شود. به
منظور مستقل كردن چگالي برآمدي ها از جهت تصوير، تعداد برآمدگي ها بين دو
نقطه منفرد محاسبه مي شود. نقاط منفرد در اثر انگشت هسته و دلتا مي باشند.
هسته بالاترين نقطه در داخلي ترين برآمدگي و دلتا يك نقطه سه شاخه است كه
سه برآمدگي از كنار آن عبور مي كند. در شكل زير اين نقاط نمايش داده شده
است:
در ادامه به بررسي مختصري از مراحل كد كردن اطلاعات اثر انگشت مي پردازيم:
1) نحوه به دست آمدن تصوير اثر انگشت:
1-1) كاغذ و مركب : در سالهاي گذشته بيشتر از
روش كاغذ و مركب استفاده مي شد به اين ترتيب كه در ابتدا اثر انگشت فرد با
استفاده از مركب بروي كاغذ ثبت و سپس تصوير اثر انگشت اسكن شده و فايل
تصويري آن آماده مي شد، كه اين روش اكنون به علت مشكلات خاص خود و البته
پيشرفت تكنولوژي كم كم منسوخ مي شود. معمولا چون كيفيت تصوير به دست آمده
پايين است با
استفاده از تكنيك هاي پردازش تصوير اين نقيصه تا حدي مرتفع مي گردد،
1-2) روش اسكن مستقيم
نوري: روشهاي گوناگوني براي انجام اين نوع تصوير گيري وجود دارد. نمونه اي
از آن در شكل زير آمده است:
1-3) با استفاده از سنسور LE
در اين روش از تكنولوژي نيمه هادي ها استفاده مي
گردد. به اين ترتيب كه انگشت شخص بر روي سنسور LE كه از جنس نيمه هادي مي
باشد، قرار گرفته و در نتيجه در محل هاي برآمدگي پوست انگشت كه در تماس با
سنسور مي باشند، فوتون آزاد شده و به اين ترتيب اثر انگشت ثبت مي گردد.
امروزه اسكنر هايي كه براي ارتباط با كامپيوتر طراحي شده اند، به راحتي
اطلاعات تصويراثر انگشت را تهيه و از طريق درگاه هاي كامپيوتر در اختيار
نرم افزارهاي مربوطه قرار مي دهند.
نحوه استخراج ويژگي ها:
در اكثر سيستم ها از روشهاي ساختاري كه بر مبناي
مينوتا هستند براي استخراج ويژگي ها استفاده مي شود. در اين سيستم ها در
ابتداپيش پردازشهاي اوليه اي مانند يكنواخت كردن هيستوگرام، تشخيص برآمدگي
ها و نازك كردن آنها روي تصوير اعمال ميگردد. سپس با استفاده از روشهاي زير
به استخراج ويژگي ها و شناسايي اثر انگشت مبادرت مي ورزند:
1) روش فازي
2) روش شبكه هاي عصبي
3) ساختن گراف مربوطه به هر تصوير با استفاده از ميدان جهت دار و الگوريتم راتا
پياده سازي اين روشها
يا با استفاده از كامپيوتر انجام گرفته و يا از مدارات مجتمعي كه به همين
منظور ساخته شده است، انجام مي گيرد.
مقدمه اي بر تشخيص بيولوژيكي
آنچه كه امروزه به نام ” بيومتريك ” خوانده مي شود ، عبارت است از روشهاي
خودكار جهت شناسايي اشخاص. روشهايي كه مبتني بر خصوصيات فيزيكي و رفتاري
فرد هستند. اين خصوصيات شامل چهره ، اثرانگشت ، شكل هندسي كف دستها ، عنبيه
، شبكيه، سياهرگ و صداي افراد مي باشد. امروزه تكنيكهاي بيومتريك اصول
زيربنايي روشهاي تشخيص هويت در امور امنيتي را تشكيل مي دهد.
از آنجا كه روز به روز ميزان رخنه در نقض موارد امنيتي و كلاهبرداري ها
در معاملات بيشتر مي شود، لذا ضرورت داشتن روشهاي بسيار مطمئن جهت تشخيص
هويت آشكارتر مي گردد. روشهاي مبتني بر بيومتريك مي توانند امنيت معاملات
مالي و اطلاعات خصوصي افراد را تامين نمايند. اين روشها در دولتها، ارتش و
امور مالي كاربردهاي فراواني دارند. همچنين زيرساختهاي بسيار گسترده مربوط
به شبكه هاي اطلاعاتي، بانكداري الكترونيك، سرمايه گذاري هاي مالي و ساير
معاملات، سيستم فروش، اجراي قانون، سلامتي و خدمات اجتماعي همگي از روش هاي
بيومتريك استفاده مي كنند.
نرم افزارهاي تشخيص هويت كه مبتني بر روشهاي
بيومتريك هستند عبارتند از : پايانه هاي كاري، شبكه، دسترسي دامنه ها،
امنيت داده ها، ورود به برنامه ها، دسترسي از راه دور به منابع
اطلاعاتي و امنيت صفحات وب.
اطمينان به اين روش ها براي رشد سالم شبكه هاي
اقتصاد جهاني بسيار ضروري است. اين روش ها چه به تنهايي استفاده شود و چه
به همراه ساير روشهاي تشخيص هويت نظير كارتهاي هوشمند، امضاي الكترونيك،
كليدهاي رمز نگاري به عنوان اصول اوليه در اقتصاد امروزه و همچنين زندگي
روزمره ما حضور دارند. اين روش ها بسيار مطمئن تر از روش هاي فعلي مي
باشند. ( مانند كلمه رمز عبور يا pin ). علت آن هم اين است كه روش هاي
بيومتريك اولا مبتني بر خصوصيات منحصر به فرد يك شخص هستند. (در حاليكه
مثلا يك كلمه رمز مي تواند توسط چندين شخص استفاده شود ) و ثانيا صحت آنها
كاملا مورد اطمينان است. همچنين از نظر هزينه به صرفه مي باشد.چرا اثرانگشت به عنوان مهمترين روش تشخيص هويت استفاده مي شود؟
اثر انگشت يك روش خطا ناپير در تشخيص هويت است. اين علت اصلي استفاده از
اين روش جهت نگهداري اطلاعات مجرمانه و بازشناسي آنها در دستگيريهاي مجدد
مي باشد.
علم تشخيص هويت بوسيله اثر انگشت به عنوان
مهمترين روش درميان ساير روشهاي تشخيص هويت شناخته شده است. علل اين امر
عبارتند از :
1. براي بيشتر از 100 سال در تمام جهان توسط دولت
ها بدون خطا استفاده شده است. در ميان بيليونها انسان، هيچ دو فردي با اثر
انگشت يكسان يافت نشده است. درتمام كره زمين اثر انگشت، اساس تشخيص هويت
در ادارات پليس مي باشد.
2. اين علم باعث تاسيس اولين سازمان حرفه اي در
مينه تشخيص هويت در سال 1915 شد.
سازمان IAI (international Association for Identification )
3. اين علم تا به امروز هم بعنوان پركاربردترين روش تشخيص هويت باقي مانده است.
4 . بعنوان اولين روش تشخيص هويت، هنوز هم در حال رشد و گسترش مي
باشد. فقط در آمريكا روزانه اثر انگشت 10 هزار شخص به بانك اطلاعاتي اثر
انگشت ها اضافه مي شود .
5 . ساير خصوصيات شخص قابل تغيير هستند اما اثر انگشت نه. جراحات يا
اعمال جراحي كه جاي زخمهاي عميق بر جاي مي گذارند يا بيماري هايي نظير جذام
كه لايه هايي ازپوست را از بين مي برند هيچيك نمي توانند اثر انگشت را
تغيير دهند. اثرانگشت در تمام طول عمر يك انسان ثابت است.
در جوامع قديم براي شناسايي مجرمان بر آنها داغ
مي زدند و يا حتي اعضاي بدنشان را مي بريدند. روميان باستان، از سوزن هاي
تاتو براي جلوگيري از فرار سربازان استفاده ميكردند. تا قبل از نيمه دوم
قرن نوزدهم افسران پليسي كه حافظه فوق العاده اي در مورد چهره
مجرمان داشتند كه به آنها چشم دوربيني مي گفتند، براي شناسايي مجرمان با
سابقه استفاده مي شدند. بعد از اختراع دوربين عكاسي، بار از شانه اين
افسران برداشته شد ولي هنوز براي شناسايي دقيق و عاري از خطا، كافي نبود. در حدود سال 1870 يك انسان شناس فرانسوي به نام آلفونس برتيلون سيستمي
ابداع كرد كه ابعاد و اندازه ي استخوان هاي خاصي را در بدن اندازه گيري و
نگهداري مي كرد. اين اندازه ها فرمول خاصي را ارائه مي داد كه طبق تئوري
برتيلون فقط بر يك فرد قابل انطباق مي باشد و در طول زندگي نيز تغيير نمي
كند. اين سيستم براي مدت سي سال پذيرفته بود، ولي در حل مشكلي كه در سال 1903
رخ داد عاجز ماند.در آن سال مردي به نام ويل وست محكوم به حبس در زندان
كانزاس شد. بعد از آن معلوم شد كه در آن زندان يك زنداني ديگر بوده است كه
اندازه گيريهاي برتيلون درمورد او با ويل وست بسيار نزديك و تقريبا يكسان
بود. نام اين زنداني ويليام وست بود.بر طبق تحقيقات ، در واقع دو مرد كه بسيار به هم شبيه بودند وجود داشتند،
نامهاي آنها ويل و ويليام وست بود. اندازه هاي فرمول برتيلون براي هردوي
آنها تقريبا يكي بود و اين آزمايش آنها را به عنوان يك فرد شناسايي كرد.
اما آزمايش اثر انگشت به سرعت نشان داد كه آنها دو فرد مختلف هستند. بعدها
مشخص شد كه آنها دوقلوي هاي همسان بوده اند.
