نگاهي به كاركرد سيستم «تشخيص هويت توسط اثرانگشت»

مقدمه:

امنيت در بالاتر ميزان خود، آن چيزي است كه هر روز بيش از گذشته، تاثير آن را در دنياي كامپيوتر و تعاملات شبكه، اينترنت و ادوات و ابزارهاي ذخيره سازي حس مي كنيم. بدون امنيت با ضريب بالا، هيچ اطلاعات و داده اي از گزند سارقان و نفوذگران در امان نيست. پسوردها و مواردي مانند آن، بخشي از امنيت ما را تامين مي كنند. اما براي حفاظت از ذخاير اطلاعاتي و داده ها، به تدريج مي بايست به سوي فاكتورهاي مهم تري پيش رفت. در اين ميان اثر انگشت و قرنيه چشم، دو فاكتور مهم و قابل اتكايي هستند كه به وسيله آنها و با توجه به يكتا بودن آنها در رابطه با هر شخص، به ميزان بسيار زيادي مي توان به تامين امنيت بورسيه آنها دست يافت. اكنون لپ تاپ ها و هارد ديسك هايي وجود دارند كه صرفاَ بر اساس فاكتور اثر انگشت مي توان به اطلاعات درون آنها دست پيدا كرد. بتدريج دايره ادوات و ابزارهايي كه متكي به اين فناوري هستند، گسترش خواهند يافت. درب هاي منازل، درب اتومبيل ها، كيف ها و ... كه صرفاَ براساس اثر انگشت مالك آنها گشوده مي شوند.
هم اكنون شما مي توانيد با خريد يك لپ تاپ يا يك هارد اكسترنال مجهز به اثر انگشت با قيمتي مناسب، با اطميناني بسيار بالا اطلاعات خود اعم از تصاوير متون مهم و ساير داده هاي خود را در آنها ذخيره نماييد و حتي با به سرقت رفتن و يا مفقود شدن آنها، مطمئن باشيد كه اطلاعات شما در دسترس ديگران قرار نخواهد گرفت.
اما در اين مورد سوالات زيادي وجود دارد. بررسي اين تكنيك، جزئيات، چگونگي استفاده از اثر انگشت و ساير موارد، از جمله پرسش ها و ابهامات بسياري از علاقمندان به مباحث امنيت اطلاعات است كه تلاش مي شود در ادامه اين مقاله، بدانها پرداخته و تا حد امكان، نكات اصلي تشريح شوند.

اثر انگشت

همه ما مي دانيم كه اثر انگشت هر شخصي، منحصر به فرد است و هيچ دو فردي پيدا نمي شوند كه اثر انگشت كاملاَ يكساني داشته باشند. با استفاده از اين ويژگي اثر انگشت، سيستم هايي براي تشخيص هويت ابداع شده اند كه كارايي بسيار بالايي دارند. قابل ذكر است، در بين تمام تكنيك هاي تشخيص هويت، انگشت نگاري از قديمي ترين روش هاست كه با موفقيت در زمينه هاي گوناگون به كار مي رود. امروزه استفاده از اين سيستم ها در ادارات پليس و مكان هاي حساس امنيتي، بسيار متداول است و حتي در زمينه هاي تجاري نيز شاهد رشد از اين سيستم ها هستيم. نمونه آن مي تواند سيستم حضور و غياب موسسات و ادارات باشد كه امروزه به وفور شاهد استفاده از آن هستيم. با فراگير شدن سيستم هاي تشخيص هويت و با ابداع الگوريتم هاي گوناگون تطابق اثر انگشت، اين فناوري به وسايلي مانند گوشي هاي موبايل، لپ تاپ ها، هاردهاي اكسترنال و... نيز راه يافته است و امنيت بسيار بالايي را براي اين وسايل در جهت جلوگيري از دسترسي هاي غير مجاز فراهم آورده است. در حقيقت كاركرد اين سيستم ها به اين صورت است كه در ابتدا تصويري از اثر انگشت افرادي كه مجاز به دسترسي هستند، تهيه مي شود و سپس اين تصاوير در يك پايگاه داده ذخيره مي شوند. سپس هريك از افرادي كه قصد استفاده از سيستم را دارند، در ابتدا تصويري از اثر انگشت وي تهيه مي شود و با نمونه هاي موجود در پايگاه داده مطابقت داده مي شود. اگر تصوير اثر انگشت وي با يكي از نمونه هاي موجود در پايگاه داده تطابق پيدا كند، پس اين فرد مي تواند به سيستم دسترسي داشته باشد و به عنوان يك فرد مجاز محسوب مي شود و در غير اين صورت، اجازه دسترسي به سيستم به وي داده نمي شود.
يك سيستم (( تشخيص هويت توسط اثر انگشت))، از سه بخش تشكيل مي شود:
1- بخشي كه مسئول تهيه تصوير از اثر انگشت است
2- بخشي كه مسئول استخراج نقاطي خاص از اثر انگشت است ( در ادامه اين نقاط خاص را تشريح خواهيم كرد)
3- بخشي كه مسئول تطابق اثر انگشت جاري با نمونه هاي موجود در پايگاه داده است.
البته هر بخش نيز به زير بخش هايي تقسيم مي شود.
در اين نوشتار سعي كرده ايم كه مراحل فوق را با زباني ساده بيان نماييم و از بيان مطالب به صورت فني و تخصصي ( به دليل پيچيدگي كار اين سيستم ها ) خودداري كنيم. در واقع قصد اين است كه الگوريتم كلي اين سيستم ها را بيان نماييم.

نقاط مشخصه

قبل از تشريح مراحل سه گانه، لازم است که با اصطلاح « نقاط مشخصه » آشنا شويم. مي دانيم که اثر انگشت از برآمدگي ها و فرورفتگي هايي تشکيل شده است که نقش و نگار اين برآمدگي ها، عامل منحصر به فرد بودن هر اثر انگشت است.

بر روي خطوط اثر انگشت مي توان ملاحظه نمود که اين برآمدگي ها يا در جايي پايان مي پذيرند و يا به دو قسمت تقسيم مي شوند. به اين محل از خطوط اثرانگشت « نقاط مشخصه» مي گوييم. به شکل مقابل توجه نماييد. در اين شکل، محل پايان پذيري و دو قسمت شدن خطوط اثر انگشت را با بزرگنمايي اين دو محل نشان داده ايم.

1- بخشي که مسئول تهيه تصوير از اثر انگشت است

همانطور که بسياري از شما عزيزان مطلعيد، در روش هاي قديمي براي تهيه تصوير اثر انگشت ،از جوهر استفاده مي شد. به اين صورت که شخص پس از آغشته کردن انگشت خود به جوهر، آن را بر روي يک کاغذ سفيد فشار مي داد تا تصوير اثر انگشت وي تهيه شود. اما امروزه براي اين منظور از اسکنرهاي اثر انگشت استفاده مي شود و کيفيت بالايي را نيز نسبت به روش قبل ارائه مي دهد. در حال حاضر انواع گوناگوني از اسکنرهاي اثر انگشت نيز وجود دارد که تفاوت آنها در نوع سنسور آنها است. انواع سنسور عبارتند از: سنسور نوري، سنسور خازني، سنسور حساس به گرما - سنسور حساس به فشار- سنسور امواج مافوق صوت

سنسور نوري:

در اين نوع سنسورها، از نور مرئي براي تهيه اثر انگشت استفاده مي شود. در حقيقت اين سنسورها همان سنسورهاي موجود در دوربين ديجيتال که عمدتاً CCD يا CMOS هستند، مي باشند. سطح اين نوع سنسورها از تعداد زيادي المان حساس به نور تشکيل شده است که اين المان ها نور برگشتي از انگشت را به جريان الکتريسيته تبديل مي کنند. طرز کار اين سنسور به اين صورت است که در ابتدا نوري به انگشت تابيده مي شود. ضمن اينکه برآمدگي هاي اثر انگشت، به دليل روشن بودن، نور بيشتري را به سنسور بازتاب مي دهند و فرورفتگي ها به دليل تاريکي، نور کمتري را. سپس نور برگشتي از انگشت، توسط اين المان ها سنجيده مي شود و هر المان، نور جذب شده را به جريان الکتريکي تبديل مي کند. در اين ميان هر چه نور بيشتر باشد، ميزان اين جريان الکتريسيته بيشتر و هر چه کمتر باشد، ميزان جريان الکتريسيته کمتر است( البته مي تواند برعکس هم باشد و اين به نوع سنسور بستگي دارد). در ادامه اين جريان هاي الکتريسيته به واحد پردازش مرکزي مي روند و در آنجا پردازش هاي لازم صورت مي گيرد. طرز کار به اين صورت است که به ازاي هر مقدار جريان الکتريسيته، مقداري بين 0 تا 255 از طيف خاکستري به آن جريان اختصاص داده مي شود. اين کار بر روي تمام جريان هاي الکتريکي دريافتي از المان ها صورت مي گيرد و در نهايت تصويري از اثر انگشت تهيه مي شود. تصوير فوق ساختار اين نوع سنسور را نشان مي دهد.
عيب اين نوع سنسورها، در اين است که اگر احياناً انگشت زخمي شده باشد، و يا لکه اي بر روي آن باشد، اين لکه ها و جاي زخم نيز در تصوير ثبت مي شوند و ميتوانند در مرحله دوم از سيستم ( استخراج نقاط مشخصه )، مشکل ساز باشند.

سنسور خازني:

در اين نوع از سنسورها، از اصول کارکرد خازن ها استفاده مي شود. سطح اين سنسور، از المان هاي ( پيکسل هاي ) خازني تشکيل شده است که هر المان، وظيفه ثبت يک پيکسل از تصوير نهايي را دارد. اندازه اين المان خازني، از اندازه عرض برآمدگي اثر انگشت نيز کمتر است. هر کدام از اين المان ها به عنوان يک خازن به کار مي رود. هر المان از دو قطعه فلزي تشکيل شده است که اين دو قطعه فلزي با هم، به عنوان يک خازن به کار مي روند. البته در ابتدا ظرفيت اين خازن ثابت است. اما هنگامي که انگشت بر روي سنسور قرار مي گيرد، به دليل اينکه سطح انگشت هم به عنوان دي الکتريک و هم به عنوان صفحه سوم به کار مي رود، ظرفيت اين پيکسل خازني نيز تغيير مي کند.
در جاهايي که فرو رفتگي اثر انگشت است، اين تغييرات به علت فاصله بين پيکسل خازني و سطح پوست، کمتر است و در بر آمدگي هاي اثر انگشت، به دليل نزديکي سطح پوست به پيکسل خازني، اين تغييرات بيشتر است. با توجه به اينکه با تغيير ظرفيت خازن، مقدار بار موجود بر روي آن نيز تغيير مي کند، جريان هاي متفاوتي نيز از پيکسل هاي خازني دريافت مي شود. اين جريان ها به واحد پردازش مرکزي ارسال مي شوند و سپس بر اساس هر جريان، مقداري بين 0 تا 255 از طيف خاکستري اختصاص داده مي شود و در نهايت تصويري از اثر انگشت پديد مي آيد. به تصويرفوق دقت کنيد. اين تصوير يک پيکسل خازني را نشان مي دهد که بر آمدگي اثر انگشت را بر روي دو صفحه فلزي نشان مي دهد.

سنسور حساس به گرما:

اين نوع از سنسور، مانند يک دماسنج عمل مي کند و بر اساس مقدار گرماي دريافتي، جريان خروجي اين سنسور نيز تغيير مي کند. در اين سنسور، هر المان از دو قطعه تشکيل شده است. قطعه اول مانند يک المنت عمل کرده و گرماي لازم را توليد مي کند( اين گرما آنقدر کم است که انگشت چيزي را احساس نمي کند) قطعه دوم يک سنسور گرمايي است که بر اساس گرماي دريافتي از سطح پوست، جريان متفاوتي را نيز به خروجي مي برد.طرز کار بدين صورت است که در ابتدا، المنت انرژي گرمايي را به سطح پوست منتقل مي کند.
در جاهايي که برآمدگي اثر انگشت وجود دارد، به دليل تماس با المنت، گرماي بيشتري را نسبت به فرورفتگي اثر انگشت دريافت مي کند و سنسور قاعدتا در جاهايي که برآمدگي اثر انگشت است، مقدار بيشتري گرما را نسبت به فرورفتگي اثر انگشت دريافت کرده و جريان کمتري را نيز به خروجي مي برد. اين مقدار جريان، براي فرورفتگي هاي اثر انگشت بيشتر است. حال جريان هاي دريافتي از اين سنسورها، به واحد پردازش مرکزي ارسال مي شوند و سپس بر اساس هر جريان، مقداري بين 0 تا 255 از طيف خاکستري اختصاص داده مي شود و در نهايت تصويري از اثر انگشت پديد مي آيد.

سنسور حساس به فشار:

اين سنسور از دولايه تشکيل شده است که اين لايه ها با نزديک شدن به هم ( اعمال فشار بر لايه ها) مقدار جريان متفاوتي را به خروجي ارسال مي کنند. با توجه به اينکه بر آمدگي هاي اثر انگشت ، فشار بيشتري را نسبت به فرورفتگي ها اعمال مي کنند، پس جريان خروجي در برآمدگي هاي اثر انگشت، از فرورفتگي ها بيشتر است . به شکل فوق توجه نماييد.
اين مقدار اختلاف جريان الکتريکي بين برآمدگي ها و فرو رفتگي ها کافي است، تا بتوانيم تصويري از اثر انگشت را بدست آوريم. جريان هاي دريافتي از اين المان ها، به واحد پردازش مرکزي ارسال مي شوند و سپس بر اساس هر جريان، مقداري بين 0 تا 255 از طيف خاکستري اختصاص داده مي شود و در نهايت تصويري از اثر انگشت پديد مي آيد.

سنسور امواج مافوق صوت:

امواج مافوق صوت، فرکانس بالايي دارند و مي توانند تا لايه اي از پوست انگشت نفوذ کنند. در اين سنسور، ابتدا موجي با فرکانس بالا ( مافوق صوت )، به سطح انگشت ارسال مي شود و سپس اين سنسور، انرژي دريافتي اين امواج را از سطح انگشت، اندازه گيري مي کند. با توجه به اينکه مقدار انرژي دريافتي از برآمدگي هاي اثر انگشت، از فرورفتگي ها بيشتر است، پس جريان خروجي سنسور نيز متفاوت خواهد بود. جريان هاي دريافتي از سنسور به واحد پردازش مرکزي ارسال مي شوند و سپس بر اساس هر جريان، مقداري بين 0 تا 255 از طيف خاکستري اختصاص داده مي شود و در نهايت تصويري از اثر انگشت پديد مي آيد، به تصوير زير توجه نماييد.
تاکنون انواع سنسورهاي موجود و نحوه کارکرد آنها را براي شما توضيح داديم. ضمن اينکه لازم به ذکر است، سنسورها از منظري ديگر به دو نوع تقسيم مي شوند. سنسورهايي که انگشت بايد بر روي آنها حرکت کند و سنسورهايي که نيازي به حرکت انگشت ندارند.
در نوع اول، سنسور فقط قسمتي کوچک از انگشت را پوشش مي دهد و براي اسکن کردن کل اثر انگشت، بايد انگشت را از پايين به بالا بر روي سنسور کشيد تا کل اثر انگشت اسکن شود. يکي از عيوب اين سنسور، اين است که تصاوير تهيه شده در هر مرحله را بايد به هم وصل کرد تا کل تصوير اثر انگشت بدست آيد و اين يعني باز پردازشي اضافي. اما مزيت عمده اين نوع سنسورها، ارزان بودن آنها است و به وفور در لپ تاپ ها از آن ها استفاده مي شود.
اما درنوع دوم نيازي به حرکت دادن انگشت نيست، چون اندازه سنسور معمولاً به اندازه انگشت است و با قراردادن انگشت بر روي سنسور، کل تصوير به يکباره به دست مي آيد. عيب عمده اين سنسورها، گران بودن آنها است. در نظر بگيريد که اگر اين نوع سنسورها را با تکنولوژي نوري و يا مافوق صوت توليد کنند، چه هزينه گزافي صرف توليد يک سنسور مي شود و اين اصلاً مقرون به صرفه نيست. اين نوع سنسورها معمولاً با تکنولوژي خازني توليد مي شوند. تصوير زير هر دو سنسور را نشان ميدهد.

همچنين پس از اينکه تصويري از اثر انگشت، توسط يکي از روش هاي فوق ثبت گرديد، لازم است که کاري انجام گيرد. در مرحله دوم از سيستم، يعني مرحله « استخراج نقاط مشخصه» به تصويري نياز داريم که فقط از دو رنگ سياه و سفيد تشکيل شده باشد. اما تصوير حاصل از اسکنرهاي اثر انگشت، داراي طيف هاي گوناگوني از رنگ خاکستري است و ممکن است از محدوده 0 تا 255 از محدوده رنگ خاکستري را در تصوير اثر انگشت داشته باشيم. به تصوير مقابل دقت نماييد.
اما براي تبديل تصوير به دو رنگ سياه و سفيد، بدين ترتيب عمل مي شود:
طيف خاکستري پيکسل اول از تصوير محاسبه مي شود. اگر اين طيف از محدوده تعيين شده ( اين محدوده تعيين شده توسط فرمولي بر اساس آمار محاسبه مي شود که در اينجا براي جلوگيري از پيچيده شدن مطلب، از ذکر آن خودداري مي شود) بيشتر باشد، پس پيکسل در نهايت به رنگ سفيد تبديل مي شود. اما اگر از محدوده تعيين شده کمتر باشد، آنگاه پيکسل به رنگ سياه تبديل مي شود. اين الگوريتم بر روي تک تک پيکسل هاي تصوير اعمال مي شود و درنهايت تصويري از اثر انگشت پديد مي آيد که برآمدگي ها به رنگ سياه و فرورفتگي ها به رنگ سفيد هستند. در تصوير مقابل مي توانيد خروجي را مشاهده فرمائيد.
اکنون به مرحله دوم از سيستم « تشخيص هويت توسط اثر انگشت » مي رسيم.

2- بخشي که مسئول استخراج نقاط مشخصه است

در ابتداي اين نوشتار، درباره نقاط مشخصه توضيح داده بوديم.اين مرحله بسيار مهم است. چون بيشتر الگوريتم هاي تطابق دو اثر انگشت، بر اساس اين نقاط مشخصه عمل مي کنند و اين نقاط بايد به طور دقيق از تصوير اثر انگشت، استخراج شده و علامت گذاري شوند. اما چرا نقاط مشخصه؟ همانطور که مي دانيد عمده مصرف سيستم هاي تشخيص هويت، در سيستم هاي تعبيه شده است( مانند سيستم حضور و غياب). سيستم هاي تعبيه شده از نظر پردازشگر مرکزي و ميزان حافظه، داراي محدوديت هستند. ضمناً اگر الگوريتمي وجود داشته باشد که دو تصوير را تنها بر اساس شکل ظاهري مقايسه کند، قابل پياده سازي در سيستم هاي تعبيه شده نيست، چون در اين حالت بايد تک تک پيکسل هاي دو تصوير پردازش شوند و اين مستلزم داشتن پردازشگر مرکزي قدرتمند و ميزان زيادي حافظه است. اما توسط نقاط مشخصه، فقط ويژگي هايي مانند مکان اين نقاط و ... علامت گذاري شده و ذخيره مي شوند. ضمن آنکه سرعت کار نيز در عين داشتن کيفيت بالا مي رود.
همچنين روش هاي متنوعي براي استخراج نقاط مشخصه وجود دارد.در ادامه يکي از روش هاي جالب و بسيار کارا را خدمت شما عرض مي نماييم.
در ابتدا تصوير سياه و سفيد حاصل از مرحله قبل را مانند يک ماتريس فرض کرده و سطر و ستون آن را شماره گذاري مي کنيم. قبل از ادامه مبحث، لازم است دو تعريف مهم را شرح دهيم:
پويش افقي: بايد بتوان خطوط سياه موجود در تصوير اثر انگشت را که معرف بر آمدگي اثر انگشت هستند، به نحوي تشخيص داد. به تصوير زير دقت کنيد.
اين تصوير مقطعي از اثر انگشت را نشان مي دهد. خطوط خاکستري، معرف برآمدگي هاي اثر انگشت هستند. در اين تصوير، هر مربع کوچک نماد يک پيکسل است. خط سياه موجود در تصوير، جايي است که نقطه مشخصه، در آن قرار دارد( چون برآمدگي اثر انگشت در اينجا به انتها رسيده است). براي مشخص کردن برآمدگي هاي اثر انگشت ،از سطر اول تصوير شروع مي کنيم و از چپ به راست، سطر اول را پويش مي کنيم. به اولين پيکسل خاکستري

( در اصل بايد دنبال پيکسل سياه بگرديم. اما در اينجا طبق تصوير بالا توضيحات را ارائه مي دهيم تا بيشترمتوجه موضوع شويد.) که رسيديم، آن را علامت گذاري مي کنيم، پيکسل هاي مجاور اين پيکسل خاکستري رانيز به همين ترتيب پيمايش مي کنيم تا به آخرين پيکسل خاکستري برسيم. آخرين پيکسل اينگونه تشخيص داده مي شود که پيکسل بعدي آن حتما سفيد است.حالا ما توانستيم خطي خاکستري را در سطر اول تصوير بدست آوريم. در حين « پويش افقي » کردن سطر اول تصوير،ممکن است چندين خط تشخيص داده شود. مثلاً در تصوير بالا و در سطر 7، دو خط خاکستري پيدا شده است. هر رديف مشخص شده توسط روش بالا، با سه عدد ( x,y,z ) بيان مي شود. x شماره سطر است و y شماره ستون ابتدا و z نيز شماره ستون انتها است که z>=y است.
به تصوير زير توجه نماييد. اين تصوير، خطي پويش شده را با شماره گذاري x,y,z نشان مي دهد.
در مرحله « پويش افقي » تمام خطوط مشخص شده و شماره گذاري مي شوند.
پويش عمودي:« پويش عمودي » نيز مانند « پويش افقي » است ، اما اين بار تصوير اثرانگشت از بالا به پايين پويش مي شود و خطوطي عمودي در اين مرحله شناسايي شده و شماره گذاري مي شوند. در اين جا نيز هر خط عمودي با سه عدد x, y,z بيان مي شود که x شماره ستون و y شماره سطرابتدا و z شماره سطر انتها است.

براي تشخيص نقاط مشخصه موجود در تصوير، بايد هر دو « پويش افقي » و « پويش عمودي » بر روي تصوير اعمال شود. مثلاً در تصوير بالا، خط عمودي سياه رنگ محل قرار گيري يک نقطه مشخصه است که توسط « پويش افقي » قابل تشخيص نيست.
تا اين جا توانستيم که خطوط عمودي و افقي را که ترکيب آنها باهم برآمدگي هاي اثر انگشت را نشان مي دهند، مشخص نماييم.در ادامه به مرحله ديگري مي رويم.
اکنون بايد بتوانيم نوع همسايگي اين خطوط افقي و عمودي خاکستري ( سياه ) را تشخيص دهيم. اما ذکر تعاريف زير الزامي است:( به تصاوير بالا دقت نماييد تا هر تعريف را بتوانيد درک کنيد. ضمنا اين تعاريف در رابطه با « پويش افقي » هستند و با کمي تغيير براي « پويش عمودي » نيز قابل تعريف.
حال که نقاط مشخصه استخراج شدند، از اين نقاط براي مرحله سوم سيستم استفاده مي کنيم.

3- بخشي که مسئول تطابق اثر انگشت جاري با نمونه هاي موجود در پايگاه داده است

الگوريتم هاي بسيار متنوعي براي اين کار وجود دارد. بعضي از اين الگوريتم ها با يک نمونه خاص از اسکنر اثر انگشت در هماهنگي کامل هستند و در واقع بر اساس تصوير دريافتي از اسکنر اثر انگشت، طراحي مي شوند و بعضي از الگوريتم ها نيز مستقل از نوع اسکنر، طراحي مي شوند. اغلب الگوريتم هاي موجود بر اساس نقاط مشخصه عمل مي کنند. به همين جهت نيز در مرحله قبل، نقاط مشخصه استخراج شدند تا در اين مرحله مورد استفاده قرار گيرند. اين الگوريتم ها بيشتر روابط هندسي نقاط مشخصه را بررسي مي کنند.
در پايان با تاکيد بر اينکه جهت جلوگيري از پيچيده شدن مقاله، از ذکر جزئيات خودداري کرديم، اميدواريم اين مختصر توانسته باشد شما عزيزان را با اهم مسائل مربوط به استفاده از اثرانگشت در سيستم هاي امنيتي آشنا سازد.
منبع:دانش و کامپيوتر،شماره 87
/خ