Идентификация личности по отпечаткам пальцев

В VI—VII веках в Китае для подписания каких-то документов использовался отпечаток пальца руки. Правда, никто не приводит данных, что при этом был важен рисунок узора на пальце, что он использовался для идентификации личности. Важен был лишь «след прикосновения». Основания для таких подписей, посредством отпечатков пальцев, были не биологического характера, а мистические. Считалось важным, войдя в соприкосновение с документом, включиться в него частицей своей личности, оставить на нём след своего тела.

Фирман Мухаммеда

Известен отпечаток ладони пророка Мухаммеда на так называемом фирмане Мухаммеда — охранной грамоте, которую он дал христианскому монастырю Святой Екатерины на Синае в 620-е годы н. э., скрепив его отпечатком собственной ладони. Фирман гарантирует монастырю неприкосновенность, свободу отправления в нём богослужений, а также предоставляет синайским монахам налоговые льготы. В 1517 году, когда турецкий султан Селим I захватил Египет, и безопасность монастыря была под угрозой, монахи предъявили завоевателям фирман Мухаммеда. Султан затребовал документ в Стамбул, где поместил его в султанской сокровищнице, а монахам направил перевод фирмана на турецкий язык. Копия фирмана ныне выставлена в монастырской галерее икон.

Узор на пальцах со времен античности интересовал, прежде всего под углом хиромантии. Если говорить о научном периоде развития дактилоскопии, то считается, что впервые папиллярные узоры научно описал итальянский естествоиспытатель Марчелло Мальпиги в своем труде De externo tactus organo ("О внешних органах чувств", 1665): «рассматривая крайнюю верхнюю часть пальца, наблюдаем бесчисленные морщины, которые как будто идут кругообразно или извиваясь». При рассмотрении в микроскоп он наблюдал, что в этих сосочковых линиях посередине видны потовые отверстия: «видны открытые отверстия для пота, расположенные посреди хребтов извивающихся морщин». Подобные исследования делали и другие анатомы, описывали в своих трудах. Например, Кристиан Яков Гинце в 1747 году выпустил сочинение «Анатомические исследования папиллярных линий кожи, служащих для осязания».

Особо отмечают работу «К вопросу  об исследовании физиологии и кожного  покрова человека» (1823 г.) Йогана Пуркинье, которая является первым трудом, содержащим описание и классификацию узоров кожи на пальцах. Но затем Пуркинье никогда не возвращался к этой своей работе, не предвидел последствий её для криминалистики. Его открытие не привлекло к себе тогда ничьего внимания.

Развиваться же наука об этих узорах, причём не голой теории ради, а для конкретного, практического  её применения, стала лишь во второй половине XIX века. Видимо к тому времени  на неё, как говорится, «созрел социальный заказ». Подтверждением этому, то есть тому, что это был «социальный заказ», что в ней возникла потребность, является то, что в течение довольно краткого периода времени разные люди в разных концах света, в некоторых случаях совершенно независимо друг от друга, не зная о работах других своих коллег, создали и развили прикладную науку дактилоскопии до уровня её практического применения и использования.

Широкому распространению  дактилоскопии препятствовало отсутствие простой и надежной классификации  папиллярных узоров. Первый шаг на пути ее создания сделал выходец из Далмации аргентинский полицейский  чиновник Иван Вучетич (1858–1925). В сентябре 1891 г. он разработал десятипальцевую систему классификации дактилоскопических отпечатков, которую затем непрерывно улучшал и шлифовал до 1904 г.

          Первые сведения о применении  дактилоскопии в Аргентине относятся  к 1892 г., когда по кровавым отпечаткам  пальцев одна женщина была  изобличена в убийстве своих  двоих детей.

 
 
Дактилоскопическая классификация  Вучетича осталась в те годы неизвестной  в Европе, которая всю честь  решения этой задачи приписала помощнику  комиссара английской полиции сэру Эдварду Р. Генри, бывшему шефом  полиции в Бенгалии. Его классификация  папиллярных узоров оказалась настолько  удачной, что используется во многих странах в неизменном виде и в  наши дни, либо легла в основу других систем.

Началось триумфальное шествие  дактилоскопии по всему миру: 1896 г. – Аргентина, 1897 г. – Британская Индия, 1902 г. – Венгрия и Австрия, 1903 г. – Германия, Бразилия и Чили, 1906 г. – Россия и Боливия, 1908 г. –  Перу, Парагвай, Уругвай. Дольше всех сопротивлялась дактилоскопии Франция. Однако в августе 1911 г. из Лувра похитили знаменитый шедевр Леонардо да Винчи «Мона Лиза», и это сильно повлияло на общественное мнение. Поэтому когда весной 1914 г. в Монако собрался Международный полицейский конгресс, который должен был решить, какому методу идентификации преступников следует отдать предпочтение, неслучайной оказалась победа дактилоскопии.

 

Информационные  признаки отпечатков пальцев

рис. 1 

 

Отпечаток пальца на бумаге

В каждом отпечатке пальца можно определить два типа признаков  — глобальные и локальные.

Глобальные признаки —  те, которые можно увидеть невооружённым  глазом:

Папиллярный узор

Область образа — выделенный фрагмент отпечатка, в котором локализованы все признаки.

Остров — пункт, локализованный в середине отпечатка или некоторой выделенной области.

Пункт «дельта» — начальная  точка. Место, в котором происходит разделение или соединение бороздок папиллярных линий, либо очень короткая бороздка (может доходить до точки).

Тип линии — две наибольшие линии, которые начинаются как параллельные, а затем расходятся и огибают  всю область образа.

Счётчик линий — число  линий на области образа, либо между  ядром и пунктом «дельта».

Типы папиллярных узоров:

1 — 4 — узоры типа  «петля» (левая, правая, центральная,  двойная), 5 и 6 — узоры типа  «дельта» или «дуга» (простая  и острая), 7 и 8 — узоры типа  «спираль» (центральная и смешанная))

рис.2

 

рис.3

 

 

Другой тип признаков  — локальные. Их называют минуциями — уникальные для каждого отпечатка признаки, определяющие пункты изменения структуры папиллярных линий (окончание, раздвоение, разрыв и т. д.), ориентацию папиллярных линий и координаты в этих пунктах. Каждый отпечаток содержит до 70 минуций.

рис.4

рис.5

Бифуркация

рис.6

Практика показывает, что  отпечатки пальцев разных людей  могут иметь одинаковые глобальные признаки, но совершенно невозможно наличие  одинаковых микроузоров минуций. Поэтому глобальные признаки используют для разделения базы данных на классы и на этапе аутентификации. На втором этапе распознавания используют уже локальные признаки.

 

Стандарты на отпечатки  пальцев

Сейчас в основном используются стандарты ANSI и ФБР США. В них  определены следующие требования к  образу отпечатка:

• каждый образ представляется в формате несжатого TIF;
• образ должен иметь разрешение не ниже 500 dpi;
• образ должен быть полутоновым с 256 уровнями яркости;
• максимальный угол поворота отпечатка от вертикали не более 15 градусов;
• основные типы минуций — окончание и раздвоение.

Обычно в базе данных хранят более одного образа, что позволяет  улучшить качество распознавания. Образы могут отличаться друг от друга сдвигом  и поворотом. Масштаб не меняется, т.к. все отпечатки получают с  одного устройства.

Российские биометрические стандарты, регламентирующие качество дактилоскопических изображений:

• ГОСТ Р ИСО/МЭК 19794-4-2006

Автоматическая идентификация. Идентификация биометрическая. Форматы  обмена биометрическими данными. Часть 4. Данные изображения отпечатка  пальца.

• ГОСТ Р ИСО/МЭК 19794-2-2005

Автоматическая идентификация. Идентификация биометрическая. Форматы  обмена биометрическими данными. Часть 2. Данные изображения отпечатка  пальца - контрольные точки.

• ГОСТ Р ИСО/МЭК 19794-3-2009

Автоматическая идентификация. Идентификация биометрическая. Форматы  обмена биометрическими данными. Часть 3. Спектральные данные изображения  отпечатка пальца

 

 

 

• ГОСТ Р ИСО/МЭК 19794-8-2009

Автоматическая идентификация. Идентификация биометрическая. Форматы  обмена биометрическими данными. Часть 8. Данные структуры остова отпечатка  пальца

 

Принципы сравнения  отпечатков по локальным признакам

(Локальные признаки —  минуции) Этапы сравнения двух отпечатков:

Этап  1. Улучшение качества исходного изображения отпечатка. Увеличивается резкость границ папиллярных линий.

Этап   2. Вычисление поля ориентации папиллярных линий отпечатка. Изображение разбивается на квадратные блоки, со стороной больше 4 пикселей и по градиентам яркости вычисляется угол t ориентации линий для фрагмента отпечатка.

Этап  3. Бинаризация изображения отпечатка. Приведение к чёрно-белому изображению (1 bit) пороговой обработкой.

Этап 4. Утончение линий изображения отпечатка. Утончение производится до тех пор, пока линии не будут шириной 1 пиксель.

Этап   5. Выделение минуций. Изображение разбивается на блоки 9х9 пикселей. После этого подсчитывается число чёрных (ненулевых) пикселей, находящихся вокруг центра. Пиксель в центре считается минуцией, если он сам ненулевой, и соседних ненулевых пикселей один (минуция «окончание») или два (минуция «раздвоение»).

Координаты обнаруженных минуций и их углы ориентации записываются в вектор: W(p)=[(x1, y1, t1), (x2, y2, t2)…(xp, yp, tp)] (p — число минуций). При регистрации пользователей этот вектор считается эталоном и записывается в базу данных. При распознавании вектор определяет текущий отпечаток (что вполне логично).

Этап   6. Сопоставление минуций.

Два отпечатка одного пальца будут отличаться друг от друга поворотом, смещением, изменением масштаба и/или  площадью соприкосновения в зависимости  от того, как пользователь прикладывает палец к сканеру. Поэтому нельзя сказать, принадлежит ли отпечаток  человеку или нет на основании  простого их сравнения (векторы эталона  и текущего отпечатка могут отличаться по длине, содержать несоответствующие минуции и т. д.). Из-за этого процесс сопоставления должен быть реализован для каждой минуции отдельно.

Этапы сравнения:

• Регистрация данных.
• Поиск пар соответствующих минуций.
• Оценка соответствия отпечатков.

При регистрации определяются параметры аффинных преобразований (угол поворота, масштаб и сдвиг), при которых некоторая минуция из одного вектора соответствует некоторой минуции из второго.

При поиске для каждой минуции нужно перебрать до 30 значений поворота (от −15 градусов до +15), 500 значений сдвига (от −250 пкс до +250 пкс — хотя иногда выбирают и меньшие границы) и 10 значений масштаба (от 0,5 до 1,5 с шагом 0,1). Итого до 150 000 шагов для каждой из 70 возможных минуций. (На практике, все возможные варианты не перебираются — после подбора нужных значений для одной минуции их же пытаются подставить и к другим минуциям, иначе было бы возможно сопоставить практически любые отпечатки друг другу).

Оценка соответствия отпечатков выполняется по формуле, где D — количество совпавших минуций, p — количество минуций эталона, q — количество минуций идентифицируемого отпечатка). В случае, если результат превышает 65 %, отпечатки считаются идентичными (порог может быть понижен выставлением другого уровня бдительности).

Если выполнялась аутентификация, то на этом всё и заканчивается. Для  идентификации необходимо повторить  этот процесс для всех отпечатков в базе данных (затем выбирается пользователь, у которого наибольший уровень соответствия (разумеется, его результат должен быть выше порога 65 %)).

 

Другие подходы  к сравнению отпечатков

Несмотря на то, что описанный  выше принцип сравнения отпечатков обеспечивает высокий уровень надёжности, продолжаются поиски более совершенных (и скоростных) методов сравнения, как например система AFIS (Automated fingerprint identification systems — системы автоматизированной идентификации отпечатков пальцев). В Белоруссии - АДИС (автоматическая дактилоскопическая индефикационная система). Принцип работы системы: по бланку «забивается» дактилокарта, личная информация, отпечатки пальцев и ладоней. Расставляются интегральные характеристики (еще приходится редактировать вручную плохие отпечатки, хорошие система расставляет сама) рисуется «скелет» т.е. система как бы обводит папиллярные линии, что позволяет ей в будущем определять признаки весьма точно. Дактилокарта попадает на сервер где и будет храниться всё время.

«Следотека» и «след». «След» — отпечаток пальца, снятый с места происшествия. «Следотека» — база данных следов. Как и дактилокарты, так и следы отправляются на сервер и автоматически идет сравнение его с дактокартами, как уже имеющимися, так и нововведенными. След находится в поиске, пока не найдется подходящая дактилокарта. Далее работой занимаются криминалисты.