مقدمه
شناسایی با اثر انگشت یکی از رایج‌ترین فناوری‌های کنترل دسترسی است. محبوبیت این روش به دلیل قدمت، هزینه پایین جمع‌آوری داده‌ها و پایداری بالای ویژگی‌های بیومتریک اثرانگشت است. در کاربردهای کنترل دسترسی، معمولاً از دو مشخصه اثرانگشت استفاده می‌شود.
اسکنرهای پیشرفته علاوه بر انطباق ویژگی‌های اثر انگشت، با اندازه‌گیری پارامترهایی مانند رطوبت و دمای پوست، اطمینان حاصل می‌کنند که یک اثرانگشت زنده اسکن شده است.
شناسایی با اثر انگشت
شناسایی با اثرانگشت یکی از وسیع‌ترین فناوری‌های واپایش دسترسی استفاده‌شده است. دلیل این مسئله قدیمی بودن روش شناسایی با اثر انگشت، ارزان بودن جمع‌آوری اطلاعات و ارزیابی و تحلیل اثر انگشت و پایداری آن است. کاربردهای اثر انگشت در واپایش دسترسی از یکی یا هردو مشخصه اثر انگشت استفاده می‌کند: الگوی رشته‌ها[1] و جزئیات بسیار ریز[2]. این دو مشخصه برای هر اثر انگشتی یکتا هستند. برخی از اسکنرهای پیشرفته اثرانگشت نه‌تنها انطباق اثر انگشت گرفته‌شده را با اثر انگشت ثبت‌شده بررسی می‌کند بلکه با بررسی رطوبت و حرارت مطمئن می‌شوند که یک اثر انگشت زنده اسکن شده است.
شکل 1: الگوی خطوط اثر انگشت: سمت چپ: نوع کمانی- سمت راست: نوع گردابه ای- وسط: نوع حلقوی
سه نوع الگوی اثر انگشت وجود دارد (شکل 1)
- نوع کمانی که از خطوطی به‌صورت کمانی روی همدیگر هستند ایجادشده است
- نوع حلقوی که خطوط ازیک‌طرف وارد یک حلقه شده و چرخیده و از همان جهت ورودی خارج می‌شوند
- نوع گردابه ای که خطوط به‌صورت گرداب حول یک نقطه مرکزی چرخیده‌اند.
شناسایی اثر انگشت با جزئیات بسیار ریز رایج‌ترین شکل شناسایی با اثر انگشت در واپایش دسترسی است. جزئیات بسیار ریز شامل ناپیوستگی‌ها در مسیر هموار خطوط اثر انگشت، تغییرات ناگهانی و جدایش آن‌ها می‌شود. ویژگی‌های بسیار جزئی مهم اثر انگشت‌ها شامل جدایش خطوط، لکه‌ها و پایان یک خط در اثر انگشت است که در شکل 2 نشان داده‌شده است. این جزئیات در تحلیل اثر انگشت بسیار مهم هستند زیرا هیچ دو اثر انگشتی یکنواخت نیستند.
شکل 2: جدایش خطوط اثر انگشت (سمت چپ)، لکه‌ها (وسط) و پایان یک خط (سمت راست)
یک حسگر اثر انگشت وسیله‌ای است که برای گرفتن یک تصویر دیجیتال از یک اثر انگشت استفاده می‌شود. چند فناوری تجاری شده برای جمع‌آوری اطلاعات الکترونیکی اثر انگشت‌ها وجود دارد که شامل فناوری اپتیک، سیلیکون، ماوراء صوت[3] و نوری[4] است.
فناوری نوری قدیمی‌ترین و وسیع‌ترین روش استفاده‌شده است. در این روش انگشت روی یک صفحه پوشش‌دار مخصوص قرار می‌گیرد. یک وسیله کوپل شده تصویر اثر انگشت (خطوط تاریک و دره‌های روشن) را به داده دیجیتال تبدیل می‌کند. دستگاه‌های نوری می‌توانند در برابر نوسانات دما مقاومت کنند، ارزان هستند و کیفیت تصویر برابر با 500 تا 1000 نقطه در هر اینچ دارند. نقاط ضعف این فناوری نیاز به تماس گرفتن با سطح خواننده دستگاه است. کاربران چربی، گرد و آلودگی، اثر انگشت خود و سایر موارد را روی سطح خواننده باقی می‌گذارند که باعث سایش سطح خواننده و کاهش عملکرد می‌شود. برخی از این حسگرهای اثر انگشت نوری غیر تماسی این نواقص را ندارند.
فناوری خازنی یا تراشه سیلیکونی از زمان معرفی شدن به بازار در دهه 1990 مقبولیت قابل‌توجهی به دست آورده است. در اکثر سامانه‌های تراشه دار، حسگر صفحه به‌صورت یک صفحه خازن و اثر انگشت به‌صورت صفحه دیگر خازن عمل می‌کند. سیلیکون عموماً کیفیت تصویر بهتری با سطح کمتر از فناوری نوری تولید می‌کند. تجهیزات سیلیکون پایه می‌توانند بسیار کوچک‌تر از تجهیزات نوری باشند. معایب اولیه این فناوری کمبود سوابق پیشین در ماندگاری کم داده ثبت‌شده، سطوح اسکن کمتر و نیاز به تماس اسکنر است.
فناوری ماوراء صوت تنها اخیراً به بازار زیست‌سنجی معرفی‌شده است بنابراین به‌طور وسیع استفاده‌نشده است. ماوراء صوت از فرکانس بالای امواج صوت برای اندازه‌گیری امپدانس انگشت، هوا و سپس مسطح شدن برای تولید یک پیام استفاده می‌کند. امواج صوت از گرد و غبار، روغن و سایر آلاینده‌ها عبور کرده تا یک تصویر از غشاء ورگه‌ای انگشت ایجاد کنند. این فرایند می‌تواند تصاویر قابل‌استفاده در برخی مواقع ایجاد کند که به کار سامانه‌های نوری هم می‌آید. برخی از سامانه‌ها می‌توانند اثر انگشت کودکان کوچک، سالمندان مسن و افراد دارای پوست خشک و ناهموار را بخوانند که برای دستگاه‌های عادی بسیار دشوار است. سامانه‌ها می‌توانند بین پوست مرده و زنده تفاوت قائل شوند. اصلی‌ترین عیب این فناوری نو بودن در بازار و کمبود و کمبود ثبت سوابق پیشین است.
حسگرهای نوری دارای فیلم نوری در حسگر خود است. در زمان تماس انگشت با فیلم و اعمال میدان الکتریکی، یک تصویر با کیفیت تصویر بالا از اثر انگشت ایجاد می‌شود. فیلم ماندگار بوده و در نور مستقیم خورشید نیز کار می‌کند. همچنین خیلی سبک است که باعث سازگاری با تجهیزات سیار نیز می‌شود.
بدون توجه به فناوری استفاده‌شده، چندین گام موردنیاز برای تبدیل یک اثر انگشت گرفته‌شده به یک الگوی فشرده نیاز است. استخراج ویژگی‌ها پایه فناوری اثر انگشت است که یک نمونه قابل‌استفاده ایجاد می‌کند. روند این فرایند به تولیدکننده این فناوری بستگی دارد. همان‌طوری که در شکل 3 نشان داده‌شده است، کاربر یک انگشت یا انگشتان را روی خواننده قرار داده و خواننده تصویر را می‌گیرد. سپس بر اساس طراحی سامانه، الگوریتم پیچیده تشخیص اثر انگشت برای مقایسه با الگوی موجود در پایگاه داده انجام می‌شود.
فناوری اسکن اثر انگشت به توسعه در چندین راه ادامه می‌دهد که شامل عدم تأثیر نور محیط در تصویربرداری، تشخیص اثر انگشت جعلی و تشخیص زنده‌بودن است. تشخیص زنده‌بودن تشخیص اطمینان می‌بخشد که یک پالس گرفته‌شده مرتبط با نمونه اثر انگشت گرفته‌شده است و از پیام‌های تقلبی یا گسسته استفاده نمی‌شود. همچنین نمایش سه‌بعدی با جزئیات بالای سطوح انگشت و اسکن غیر تماسی زنده درحال‌توسعه هستند که اثر انگشت و در برخی موارد اثر کل دست را از یک‌فاصله تولید می‌کنند.
سامانه‌های واپایش دسترسی بر اساس اثر انگشت هم برای شناسایی و هم برای تشخیص هویت استفاده می‌شوند. این فناوری یک فناوری بالغ است و در تنوعی از تولیدکنندگان در دسترس است. سامانه‌های تراشه سیلیکونی و نوری می‌توانند کوچک باشند تا با سامانه‌های سیار مانند تلفن‌های هوشمند، تبلت‌ها یا لپ‌تاپ‌ها کار کنند.
سامانه‌های واپایش دسترسی بر اساس اثر انگشت برای هردو کاربرد داخلی و خارجی مناسب هستند و در بازه وسیعی از شرایط رطوبت و دمای محیط پاسخ مناسب می‌دهند.
این سامانه‌ها برای کاربردهایی که کاربران دستکش می‌پوشند یا شرایطی که به انگشت یا دست‌خوردگی وارد شود توصیه نمی‌شوند. این کاربردها ممکن است شامل ساختمان‌سازی‌ها، نواحی با آلودگی سطحی هسته‌ای یا شیمیایی، یا تأسیسات باشند.
ویژگی بسیار بنیادی یک خواننده، اندازه ناحیه حسگر اسکنر است. اندازه میانگین اثر انگشت تقریباً بین 5/0 الی 7/0 اینچ است.)برای کودکان و بانوان کوچک‌تر و برای مردها بزرگ‌تر است.) یک خواننده با اندازه خوانش کوچک‌تر بخشی از اثر انگشت را می‌گیرد که ممکن است کل سطح موردنیاز برای اسکن ثبت‌نام نباشد. اسکنرهای اثر انگشت کوچک‌تر به نوع و محل قرارگیری انگشت حساس‌تر بوده و نرخ خطای رد نابجای بالایی دارند. سامانه‌های نوری و ماوراء صوت احتمال داشتن سطح خوانش بالاتری از سامانه‌های تراشه دارند زیرا تراشه‌های بزرگی که به‌طور یکنواخت در طول تمام سطوح کار می‌کنند دشوار بوده و برای تولید گران هستند. ناحیه حسگر یک سامانه تراشه به‌اندازه تراشه بستگی دارد.
نرخ رد ثبت‌نام برای بعضی سامانه‌ها درزمانی که جمعیت کاربران شامل کودکان، افراد مسن و کسانی است که پوست انگشتشان چروکیده، خشک یا ناهموار است ممکن است بالا باشد. فناوری‌های اخیر مدعی شده‌اند که عملکرد بهتری برای این دسته از فناوری‌ها دارند.
یک مشخصه مهم دیگر تعداد پیکسل‌ها یا نقاط یک تصویر است. حداقل کیفیت تصویر تصویر 500 dpi برای سامانه‌های مورد تائید پلیس FBI موردنیاز است. برای گرفتن جزئیات بسیار ریز به تصویری بین 250 تا 300 dpi نیاز است. کیفیت تصویر بالاتر از 500 برای ثبت‌نام کودکان و افراد مسن نیاز است.
قرارگیری انگشت برای گرفتن یک تصویر قابل تکرار و دقیق ضروری است. مشخصه‌های مهم دیگر شامل تمیز بودن انگشت، تضاد رنگ تصویر و مقدار پیچش هندسی موجود در نمونه است. سامانه‌هایی که به تماس با سطح خواننده نیاز دارند به تمیزکاری مکرر برای پاک کردن اثر انگشت‌های قبلی از روی صفحه نیاز دارند تا دقت بالای حسگر حفظ شود.
برخی سامانه‌های اثر انگشت ممکن است در برابر شبیه‌سازی جعلی یک اثر انگشت ثبت‌شده آسیب‌پذیر باشند. فناوری های که بتواند تشخیص دهد که یک اثر انگشت زنده است در برخی سامانه‌ها موجود است تا این آسیب را بپوشاند.
منبع:
[Maltoni, D., Maio, D., Jain, A.K., and Prabhakar, S. (2019). Handbook of Fingerprint Recognition]
[1] Ridge pattern
[2] Minutiae detail
[3] Ultra sound
[4] Light emiting