Основные направления биометрии. Как на ладони: Что такое биометрия и чем она рискованна. Применение дерматоглифических исследований в медико-биологической практике

Многие читатели Хабра, вероятно, уже знакомы с биометрическими технологиями. Они сейчас распространены повсеместно. В общем смысле биометрия – это система распознавания людей по одной либо нескольким физическим (или поведенческим) характеристикам. В сфере информационных технологий биометрические данные используются в качестве одной из форм управления идентификаторами доступа и контроля доступа. Обычно режим работы биометрических систем сводится к двум основным типам.

Первый называется верификацией, это сравнение результата теста с биометрическим шаблоном. Этот вариант помогает проверить, тот ли это человек, за кого он себя выдает. Верификация может осуществляться различными способами, включая смарт-карту, имя пользователя или же его номер. Второй режим – это идентификация. После получения определенного образца система сверяется с базой биометрических данных для определения личности. Здесь есть один важный момент – для этого режима работы биометрический образец должен быть в базе данных, а сравнение осуществляться по принципу «один со многими». В целом, у биометрических технологий огромный потенциал, который пока не реализован в полной мере. В каком состоянии сегодня находятся биометрические технологии в России и мире?

В ряде случаев их развитие нельзя еще признать удовлетворительным. Пока что эта сфера активно развивается, хотя кое-какие результаты уже есть (об этом – ниже). В некоторых случаях биометрию считают не слишком надежным способом идентификации или верификации. Так, в США полицейское управление города Тампа даже деинсталлировало программное обеспечение распознавания лиц, считая его не слишком надежным. Но там речь шла о внедрении устаревших методов биометрии, которые не всегда показывают себя с лучшей стороны.

Тем не менее, современные технологии биометрии становятся все более точными и надежными. Многие компании и научные организации занимаются исследованиями и разработками в этой сфере. Причем приоритет с течением времени сместился на бесконтактные методы биометрического распознавания. Биометрия используется во многих сферах, включая банковскую деятельность, системы охраны и контроля доступа, системы визового контроля, полицейские системы идентификации преступников, сбор статистики посетителей и много чего еще. Пока что около половины биометрического рынка занимают системы распознавания по отпечаткам пальцев. Но ситуация постепенно меняется, разработчики понимают, что дактилоскопия – не самый надежный способ идентифицировать личность (в «Разрушителях легенд» как-то даже показывали способ открыть дактилоскопический замок при помощи распечатанных на принтере отпечатков пальцев), поэтому постепенно становятся все более популярными новые технологии биометрии.

Биометрия: масштабы

Сейчас есть немало проектов, в основу которых положены биометрические технологии. Пожалуй, один из наиболее масштабных – это проект AADHAAR, реализуемый в Индии. Он представляет собой биометрическую идентификационную систему, которая содержит данные более чем миллиарда человек. В базе – около 10 млрд шаблонов отпечатков пальцев, два млрд шаблонов радужки глаза и миллиард фотографий. Нечто похожее было показано в фантастическом фильме «Я – начало» (I origins). Впрочем, идентификация по радужке глаза – вполне реальная технология, которая становится все популярнее.

Запись в AADHAAR имеют возможность получить все резиденты Индии, это идентификационный номер, который привязан к биометрическим данным пользователей. Используется он в финансовых операциях, при работе с различными государственными и частными сервисами. К AADHAAR привязан и облачный сервис для хранения сканированных документов.

Конечно, не только Индия вводит биометрическую идентификацию. Другие государства тоже этим занимаются. Да и не только государства, но и частные компании. По оценке аналитического агентства J"son & Partners Consulting, объем мирового рынка биометрических систем достигнет объема в $40 млрд к 2022 году. Выводы аналитиков основаны на показателях выручки ключевых игроков в зависимости от сегментов, с учетом оборудования, программного обеспечения и интеграции.

Другое аналитическое агентство, Acuity Research, оценивает рост количества биометрических электронных документов e-ID до 749 млн к 2018 году. А всего, по мнению специалистов агентства, в 2018 году в мире будет насчитываться около 3,5 млрд. электронных документов. Уже сейчас более половины стран-участниц ООН выдают биометрические паспорта. Примером реализации программ перехода на биометрические электронные документы можно назвать правительственные и частные контракты Канады, США, Белоруссии, Украины, Молдавии, Литвы, Венгрии, Бангладеш, Сенегала и других стран.

А что в России?

По словам зампреда ЦБ Ольги Скоробогатовой, пилотный проект позволит стать клиентом любого банка удаленно. Для этого достаточно будет единожды пройти процедуру биометрической регистрации в любом участвующем в проекте кредитном учреждении.

«Биометрия связана с очень волнующей темой. Это идентификация, удаленная идентификация, создание единой базы данных о физических лицах, я больше говорю о физических лицах, которая дала бы возможность любому банку и любой организации не заставлять клиентов приходить ногами для заполнения большого перечня документов», – цитирует Скоробогатову РИА.

От этого эксперимента до создания национальной биометрической базы данных останется буквально один шаг.

В банковском секторе стараются внедрять системы идентификации клиентов по голосу, фотографии, отпечаткам пальцев. К примеру, ВТБ24 уже опробовал в работе биометрическую идентификацию в рамках интернет-банкинга. В процессе входа в приложение онлайн-банка клиентам предложили предоставить свою фотографию и образец голоса. При помощи этих данных и планируется проводить идентификацию. После подтверждения личности пользователя все операции совершаются без дополнительного подтверждения. Большой интерес к биометрии проявляет и Сбербанк, который уже аккредитовал RecFaces (заявка Comlogic) как одного из своих партнеров по данному направлению.

Схожие технологии используются в Промсвязьбанке и «Хоум Кредите», «Тинькофф Банке» и ряде других организаций. Что касается единой базы биометрических данных, то над ее созданием одновременно работают ЦБ, Минкомсвязи и Росфинмониторинг. Реализация этого проекта может занять несколько лет. Общая база биометрических данных, по мнению экспертов, окажется полезной для финансового и юридического секторов, сферы госуслуг, общественной безопасности, медицины и не только.

Цифровой биометрический профиль от RecFaces

Обычно компании, которые внедряют у себя биометрию, должны выбрать несколько поставщиков, вложить немалые средства в создание центральной вычислительной инфраструктуры, ее обслуживание, разного рода лицензии и оборудование.

Но дело не только во вложенных средствах и трудоёмкости процесса. Каждый алгоритм, который сейчас предлагается на рынке, имеет ряд своих особенностей и преимуществ. Мы в RecFaces сосредоточились именно на создании полноценной комплексной платформы, использующей лучшие мировые достижения в области биометрии. Имея возможность изучать алгоритмы и сравнивать их, мы отбираем те решения, которые показывают максимальную эффективность.

Так, к примеру, технологии биометрической идентификации по математической модели лица лицензированы у японской компании Toshiba. 3D-идентификация осуществляется с использованием решений Artec ID и корпорации Intel. Нет сомнений в том, что и для готовящихся к внедрению в платформу Id-Me модулей идентификации по рисунку радужной оболочки глаза, отпечаткам пальцев, рисунку вен ладоней, RecFaces выберет самые современные и перспективные технические решения. Клиентам же останется использовать «магию» Id-Me для решения своих прикладных задач.

Для внешнего наблюдателя работает Id-Me достаточно просто. Один из основных компонентов системы – Id-Box (модуль захвата). Он представляет собой небольшое «умное» устройство идентификации на базе PC-платформы в компактном корпусе. Именно этот элемент отвечает за распознавание лиц и, в перспективе, других типов биометрических данных. Он подключается к камере наблюдения и другим сенсорам. Система получает от них массив данных, который здесь же преобразуется в специализированный индекс, математическую модель, которая и отправляется в облако для сравнения с хранящимся там эталоном. За счет работы с индексами система не требовательна к «ширине» интернет-канала.

Это универсальная система, которая эффективно работает с различными типами изображений, умеет использовать информацию с камеры наблюдения. Id-Box при необходимости может собирать статистику количества посетителей, включая возраст, пол и эмоциональное состояние. Если случается сбой – переживать не нужно, внутри бокса есть собственный жесткий диск большого объема, где хранятся все важные данные. При внезапном отключении сети вся информация сохранится, а система продолжит работу.

Данные, собранные Id-box, отправляются в облако, где система сравнивает текущий индекс со всеми предыдущими версиями. Если есть совпадение, то есть система распознала зарегистрированное лицо, клиент получает оповещение. Сервис совместим с основными базовыми платформами, включая web-интерфейс, мобильные клиенты iOS, Android, Windows.

Вся система надежно защищена благодаря наличию зашифрованного соединения. Кроме того, работает Firewall, предусмотрен криптошлюз с криптомаршрутизаторами. Используется электронная цифровая подпись, антивирусное ПО и средства обнаружения вторжений сертифицированные ФСТЭК.

Сфера применения Id-Me

Банки могут использовать биометрию для повышения безопасности. Здесь можно привести как пример возможный случай попытки мошенника снять деньги с чужой карты. Камера банкомата, подключенная к Id-Me, идентифицирует лицо человека, пытающегося это сделать. Если эта информация не совпадет с той, что содержится в базе, снятие средств почти мгновенно блокируется. Для использования такого метода защиты даже не потребуется оснащать банкомат дополнительным оборудованием.

Аналогичным образом банк может защитить свой кредитный отдел. Мошенник, который пытается осуществить финансовую операцию под чужим именем, не сможет этого сделать, если за ним наблюдает подключенная к сервису Id-Me камера.

Плюс ко всему, авторизоваться могут и сотрудники банка, что необходимо при выполнении каких-либо критически важных задач. Такая функция может пригодиться во многих сфер. Id-Me, например, позволяет автоматизировать учет рабочего времени персонала.

Поскольку Id-Me умеет анализировать видеопоток с камер наблюдения и отдельные изображения, то систему можно использовать для сбора статистики о посещениях, траекториях движения и поведении посетителей.

Применяя проприетарные технологии распознавания от Toshiba и других партнеров, Id-Me позволяет использовать биометрическую идентификацию для того, чтобы определить пол, возраст покупателя, выявить его личные предпочтения, связав все это с CRM. Отлично подходит такая система и для того, чтобы распознать важного клиента, сразу получив информацию о нем, дате последнего посещения им магазина или другой площадки. Все это поможет найти общий язык с человеком, мгновенно определившись с его предпочтениями.

Уже реализованные совместно с партнерами RecFaces примеры подобного сопряжения биометрической идентификации с CRM показали свою высокую маркетинговую эффективность. Об этом мы позже обязательно напишем подробно.

Гостиничному бизнесу знать своих клиентов крайне важно. Если человек увидит, что его помнят, причем не только имя и фамилию, но и предпочтения, то, скорее всего, такой клиент станет возвращаться во «внимательный» отель снова и снова. А для нежелательных постояльцев можно сформировать «черный список» с соответствующими данными.

Камеры наблюдения отеля будут фиксировать все происходящее, извещая администрацию в том случае, если в номер или служебное помещение проник неизвестный. Служащие отеля будут в курсе, что умная система всегда знает, кто, куда и зачем пошел, так что злоупотреблений будет меньше.

Организаторы спортивных соревнований, концертов и прочих общественных мероприятий могут в оперативном режиме получать информацию о нежелательных элементах (например, фанатах-хулиганах), пытающихся попасть на мероприятие. Потерялся ребенок? Система поможет быстро определить, как и когда это случилось, а также определит, где находится ребенок, если его видно. Что-то пошло не так? Охрана будет тут же предупреждена.

Правоохранителям будет легче поддерживать безопасность в школах или общественных местах, на объектах транспортной инфраструктуры, если они будут получать уведомления о подозрительных людях и событиях, происходящих в зоне наблюдения. Автоугоны, хулиганские выходки – все это можно предотвратить, если вовремя узнать о проблеме.

В целом, способов применения биометрических систем – огромное количество. За ними, как бы это претенциозно ни звучало, будущее. Биометрия уже используется и будет использоваться в большом количестве сфер. И Id-Me уже сейчас может применяться в большинстве из них. Подробнее о том, какие решения уже предлагает и готовит к выходу компания, ознакомиться с ее комплексными решениями, можно, посетив 23-ю Международную выставку технических средств охраны и оборудования для обеспечения безопасности и противопожарной защиты

Биометрия предполагает систему распознавания людей по одной или более физическим или поведенческим чертам. В области информационных технологий биометрические данные используются в качестве формы управления идентификаторами доступа и контроля доступа. Также биометрический анализ используется для выявления людей, которые находятся под наблюдением (широко распространено в США, а также в России - отпечатки пальцев)

Энциклопедичный YouTube

1 / 2

✪ Биометрический считыватель плохо работает. Почему?

✪ Биометрические системы. Анатолий Боков, СОНДА Технолоджи

Субтитры

Для занесения отпечатков в базу данных вообще в Timex биометрические терминалы. В принципе, предлагает вам для занесения 3 отпечатка на один палец, грубо говоря 3 поднесения. Рекомендуется палец подносить, сначала повернув немножко влево, в середину и вправо, чтобы у вас вся поверхность была охвачена. Потому что очень часто неправильно заносят отпечатки, потом удивляются, почему плохо работает. Поэтому здесь тоже есть такой момент, что заносить их тоже нужно правильно. Чем тщательнее и правильнее их занесете, тем меньше проблем с отпечатками возможно. Еще бывают такие моменты, когда люди, заказчики ставят биометрические терминалы учета рабочего времени со встроенными контроллерами на турникете с большой проходимостью. Ну, тоже такая сомнительная история, потому что, особенно это касается производств различных, там люди имеют такие отпечатки, что точно проблемы возникают.

Основные принципы

Биометрические данные можно разделить на два основных класса:

• Физиологические - относятся к форме тела. В качестве примера можно привести: отпечатки пальцев, распознавание лица, ДНК, ладонь руки, сетчатка глаза, запах, голос.
• Поведенческие - связаны с поведением человека. Например, походка и речь. Иногда для этого класса биометрии используется термин англ. behaviometrics .

Определения

Основные определения, используемые в сфере биометрических приборов:

• Универсальность - каждый человек должен обладать измеряемой характеристикой.
• Уникальность - это насколько хорошо человек отделяется от другого с биометрической точки зрения.
• Постоянство - мера того, в какой степени выбранные биометрические черты остаются неизменными во времени, например в процессе старения.
• Взыскания - простота осуществления измерения.
• Производительность - точность, скорость и надёжность используемых технологий.
• Приемлемость - степень достоверности технологии.
• Устранение - простота использования замены.

Биометрическая система может работать в двух режимах:

• Верификация - сравнение один к одному с биометрическим шаблоном. Проверяет, что человек тот, за кого он себя выдает. Верификация может быть осуществлена по смарт-карте , имени пользователя или идентификационному номеру.
• Идентификация - сравнение один ко многим: после «захвата» биометрических данных идет соединение с биометрической базой данных для определения личности. Идентификация личности проходит успешно, если биометрический образец уже есть в базе данных.

Первое частное и индивидуальное применение биометрической системы называлось регистрацией . В процессе регистрации биометрическая информация от индивида сохранялась. В дальнейшем биометрическая информация регистрировалась и сравнивалась с информацией, полученной ранее. Обратите внимание: если необходимо, чтобы биометрическая система была надежна, очень важно, чтобы хранение и поиск внутри самих систем были безопасными.

• Коэффициент ложного приема (FAR), или коэффициент ложного совпадения (FMR)
  FAR - коэффициент ложного пропуска, вероятность ложной идентификации, то есть вероятность того, что система биоидентификации по ошибке признает подлинность (например, по отпечатку пальца) пользователя, не зарегистрированного в системе
  FMR - вероятность, что система неверно сравнивает входной образец с несоответствующим шаблоном в базе данных.
• Коэффициент ложного отклонения (FRR), или коэффициент ложного несовпадения (FNMR)
  FRR - коэффициент ложного отказа доступа - вероятность того, что система биоидентификации не признает подлинность отпечатка пальца зарегистрированного в ней пользователя.
  FNMR - вероятность того, что система ошибётся в определении совпадений между входным образцом и соответствующим шаблоном из базы данных. Система измеряет процент верных входных данных, которые были приняты неправильно.
• Рабочая характеристика системы, или относительная рабочая характеристика (ROC)
  График ROC - это визуализация компромисса между характеристиками FAR и FRR. В общем случае сравнивающий алгоритм принимает решение на основании порога, который определяет, насколько близко должен быть входной образец к шаблону, чтобы считать это совпадением. Если порог был уменьшен, то будет меньше ложных несовпадений, но больше ложных приёмов. Соответственно, высокий порог уменьшит FAR, но увеличит FRR. Линейный график свидетельствует о различиях для высокой производительности (меньше ошибок - реже возникают ошибки).
• Равный уровень ошибок (коэффициент EER), или коэффициент переходных ошибок (CER) - это коэффициенты, при которых обе ошибки (ошибка приёма и ошибка отклонения) эквивалентны. Значение EER может быть с лёгкостью получено из кривой ROC. EER - это быстрый способ сравнить точность приборов с различными кривыми ROC. В основном, устройства с низким EER наиболее точны. Чем меньше EER, тем более точной будет система.
• Коэффициент отказа в регистрации (FTE или FER) - коэффициент, при котором попытки создать шаблон из входных данных безуспешны. Чаще всего это вызвано низким качеством входных данных.
• Коэффициент ошибочного удержания (FTC) - в автоматизированных системах это вероятность того, что система не способна определить биометрические входные данные, когда они представлены корректно.
• Ёмкость шаблона - максимальное количество наборов данных, которые могут храниться в системе.

Так как чувствительность биометрических приборов увеличивается, то FAR уменьшается, а FRR увеличивается.

Задачи и проблемы

Конфиденциальность и разграничение

Данные, полученные во время биометрической регистрации, могут использоваться с целями, на которые зарегистрированный индивид не давал согласия (не был осведомлён).

Опасность для владельцев защищённых данных

В случае, когда воры не могут получить доступ к охраняемой собственности, существует возможность выслеживания и покушения на носителя биометрических идентификаторов с целью получения доступа. Если что-либо защищено биометрическим устройством, владельцу может быть нанесен необратимый ущерб, который возможно будет стоить больше самой собственности. Например, в 2005, малайзийские угонщики отрезали палец владельцу Мерседес-Бенц S-класса при попытке угнать его машину .

Использование биометрических данных потенциально уязвимо к мошенничеству: биометрические данные так или иначе оцифровываются. Мошенник может подключиться к шине , ведущей от сканера к обрабатывающему устройству и получить полную информацию о сканируемом объекте. Затем мошеннику даже не понадобится живой человек, потому что, точно также подключившись к шине , он сможет проводить все операции от лица отсканированного человека, не задействуя сканер.

Биометрические данные с возможностью отмены

Преимуществом паролей над биометрией является возможность их смены. Если пароль был украден или потерян, его можно отменить и заменить новой версией. Это становится невозможным в случае с некоторыми вариантами биометрии. Если параметры чьего-либо лица были украдены из базы данных, то их невозможно отменить либо выдать новые. Биометрические данные с возможностью отмены являются тем самым путём, который должен включить в себя возможность отмены и замены биометрии. Первыми его предложили Ratha и др.

Было разработано несколько методов отменяемой биометрии. Первая система биометрии с возможностью отмены, основанная на отпечатках пальцев, была спроектирована и создана Туляковым. . Главным образом, отменяемая биометрия представляет собой искажение биометрического изображения или свойств до их согласования. Вариативность искаженных параметров несёт в себе возможности отмены для данной схемы. Некоторые из предложенных техник работают, используя свои собственные механизмы распознавания, как работы Тео и Саввида , в то время как другие (Дабба ) используют преимущества продвижения хорошо представленных биометрических исследований для своих интерфейсов распознавания. Хотя увеличиваются ограничения системы защиты, всё же это делает модели с возможностью отмены более доступными для биометрических технологий.

Одним из частных вариантов решения может быть, например, использование не всех биометрических параметров. Например, для идентификации используется рисунок папиллярных линий только двух пальцев (к примеру, больших пальцев правой и левой руки). В случае необходимости (например, при ожоге подушечек двух «ключевых» пальцев) данные в системе могут быть откорректированы так, что с определённого момента допустимым сочетанием будет указательный палец левой руки и мизинец правой (данные, которые до этого не были записаны в систему - и не могли быть скомпрометированы).

Международный обмен биометрическими данными

Многие страны, включая США, уже участвуют в обмене биометрическими данными. Данное заявление было сделано в 2009 в Комитете по Ассигнованиям, подкомитете по Национальной безопасности по «биометрической идентификации» Кэтлин Крэнингер и Робертом Мокни :

Чтобы быть уверенными в том, что мы можем пресечь деятельность террористических организаций до того, как они доберутся до США, мы должны занять ведущее место в продвижении международных стандартов по биометрии. Развивая совместимые системы, мы сможем безопасно передавать информацию о террористах между странами, поддерживая нашу защищенность. Также как мы улучшаем пути сотрудничества внутри Правительства США по выявлению и устранению террористов и иных опасных личностей, у нас ещё есть обязательства перед нашими партнерами за границей совместно предотвращать любые действия террористов.

Мы понимаем, что при помощи биометрии и международного сотрудничества мы можем изменить и расширить возможности для путешествий а также защитить народы разных стран от тех, кто хочет причинить нам вред.

Согласно статье, опубликованной С. Магнусон в журнале «Национальная Безопасность» (National Defense Magazine), Департамент национальной безопасности США под давлением вынуждает распространять биометрические данные . В статье говорится:

Миллер (консультант Ведомства Национальной Безопасности и по делам безопасности в Америке) сообщает, что США имеет двусторонние договоренности по обмену биометрическими данными с 25 странами. Каждый раз, когда какой-либо иностранный лидер посещал Вашингтон за последние несколько лет, Государственный департамент обязательно заключал с ним подобный договор.

Законодательное регулирование в России

Статья 11 Федерального закона «О персональных данных» № 152-ФЗ от 27 июля 2006 г. регламентирует основные особенности использования биометрических данных.

Биометрия в массовой культуре

Технологии биометрии были освещены в популярных кинофильмах. Только это уже вызвало интерес потребителей к биометрии, как к средству идентификации человека. В фильмах 2003 года «Люди-Х » и «Халк » использовались биометрические технологии распознавания: в виде доступа по отпечатку руки и в фильме «Люди-Х2» и по отпечатку пальца в «Халке».

Но это не было так показательно, пока в 2004 году не вышел фильм «Я, робот » с Уиллом Смитом в главной роли. Футуристический фильм демонстрировал развитие новейших технологий, которые даже на сегодняшний день ещё недостаточно развиты. Использование технологий распознавания голоса и ладони в фильме зафиксировалось в представлении будущего у людей и обе эти технологии, которые используются сегодня для охраны зданий или информации - лишь два из возможных применений биометрии.

В 2005 году вышел в прокат фильм «Остров ». Дважды за фильм клоны используют биометрические данные: чтобы проникнуть в дом и завести машину.

Фильм «Гаттака » рисует общество, в котором существует два класса людей: продукты генной инженерии, созданные для того, чтобы быть высшими (так называемые «Действительные»), и низшие обычные люди («Инвалиды»). Люди, считавшиеся «Действительными», имели большие привилегии, и доступ к запретным зонам был ограничен для таких людей и контролировался автоматическими биометрическими сканерами, похожими на сканеры отпечатков пальцев, но коловшие палец и получавшие пробу ДНК из взятой крови.

В фильме «Разрушитель » персонаж Саймон Феникс, которого играл Уэсли Снайпс , вырезает жертве глаз, чтобы открыть дверь со сканером сетчатки.

В картине «Монстры против пришельцев » студии DreamWorks военный помощник проникает в зону, используя биометрию.

По данным Всемирной Организации Здравоохранения причиной 80% смертей жителей России является стресс, вызывающий заболевания сердечно-сосудистой системы, онкологию и др. Факторы стресса формируются, как правило, самим человеком, который является активным элементом различных социумов - от семьи до народа, входит в состав системы управления социумами, эксплуатирует технику и Землю. Например, техногенные катастрофы имеют явно антропогенный характер (примерно в 70% случаев) и обусловлены неадекватным функциональным состоянием человека. Поэтому несоответствие функционального состояния человека: его здоровья, уровня профессионального подготовки и волевых качеств, целям различных социумов, системы управления и т.д. обуславливает формирование положительной обратной связи в системе "человек - внешний мир", приводящей к ортогенезу, т.е. к гибели вида.

Под функциональным состоянием человека понимают психофизиологическое явление, закономерности которого заложены в модулирующих системах головного мозга и которое проявляется на биохимическом, физиологическом, фенотипическом и поведенческом уровнях. Как и любое проявление жизнедеятельности, функциональное состояние человека должно быть описано параметрами функционального статуса и функциональной лабильности. Значения параметров функционального статуса характеризуют закономерности строения и функционирования органов, тканей, развития физиологических реакций; значения параметров функциональной лабильности - возможность реагирования системы организма, органов на внешние воздействия. Это подтверждается практикой определения лабильной компоненты функционального стояния человека комплексами физиологических реакций и вегетативных показателей. В то же время оценка функционального статуса вызывает определенные трудности.

В январе 1999 года в журнале "Успехи физиологических наук" была опубликована статья В.Г. Солониченко и Н.Л. Делоне, в которой обоснована взаимосвязь особенностей генотипа человека и информативных морфогенетических вариантов головы, шеи, радужной оболочки глаз, гребешковой кожи ладоней и др. Наибольшее практическое применение среди них получили дерматоглифический (ДФ) и иридоглифический фенотипы (ИФ). В медицине и биологии параметры ДФ и ИФ, например, используют для описания особенностей генотипа, физиологических и поведенческих реакций, симптомов наследственных и врожденных болезней, в криминалистике - для идентификации личности, в антропологии - для описания вида и т.д. В настоящее время ДФ и ИФ являются чуть ли не единственными показателями функционального статуса человека. Однако широкое применение методов дерматоглифических и иридоглифических исследований затруднено из-за субъективной оценки типов узоров, плотности стромы радужной оболочки глаз и других параметров ДФ и ИФ.

Поэтому измерение особенности формы и структуры папиллярных узоров и радужной оболочки глаз, безусловно, является актуальной задачей. В этом случае результаты многовековых исследований ДФ и ИФ будут эффективно применены в медицине, генетики, антропологии, криминалистической экспертизе, профотборе и др.

В конце 20-го века сформировалось новое направление создания современных систем защиты от несанкционированного доступа на основе использования в качестве полезной информации статические биометрические характеристики человека (БХЧ)- параметры отпечатков пальцев, изображения радужной оболочки глаза (РОГ), голоса, изображения лица, и динамические БХЧ - параметры манеры работы на клавиатуре компьютера, динамики подписи, походки, потенциально обеспечивающих возможность явной и скрытой идентификации личности.

Первые биометрические системы предназначались для обеспечения доступа к информации в ПЭВМ и банковским счетам по голосу, отпечаткам пальцев, изображениям лица и РОГ. Производители биометрических устройств справедливо полагают, что их продукция надежнее паролей и микропроцессорных карточек. Основная доля доходов приходится на биометрические технологии по отпечаткам пальцев, геометрии рук и лица. Биометрические технологии получили поддержку со стороны Microsoft, объявившей о своем намерении обеспечить поддержку биометрической верификации в различных операционных системах семейства Windows.

Таким образом, и в задачах определения функционального статуса человека, и в задачах идентификации и верификации личности один объект исследования или источник информации - биометрические характеристики человека.

Настоящая статья посвящена потенциальным возможностям применения биометрическим систем в медицине и биологии, расширяющим их возможности и при применении по прямому назначению.

Биометрические технологии

Биометрической характеристикой человека (БХЧ) называются результаты измерения элемента фенотипа человека или поведенческой черты, в процессе сравнения которых с аналогичными, ранее зарегистрированными БХЧ (эталон, шаблон) реализуется процедура идентификации или верификации личности.

Биометрическая система представляет собой автоматизированную систему, решающую задачи идентификации или верификации личности и реализующую следующие операции:

• регистрации выборки БХЧ от конкретного пользователя;
• формирование вектора биометрических данных из выборки БХЧ;
• формирование биометрического вектора признаков;
• сравнение биометрических векторов признаков с эталонами (шаблонами);
• принятие решения о соответствии сравниваемых БХЧ;
• формирование результата о достижении идентификации (верификации);
• принятие решения о повторении, окончании или видоизменении процесса идентификации (верификации).

Графический образ

Используемые особенности

• Форма лица (овал, форма и размер отдельных деталей лица)
• Геометрические параметры лица - расстояния между его определенными точками
• Узор подкожных кровеносных сосудов на термограмме лица

• Структура радужной оболочки глаза
• Узор кровеносных сосудов на сетчатке

• Форма уха (контур и наклон, козелок и противокозелок, форма и прикрепление мочки и т.д.)
• Геометрические параметры уха - расстояния между определенными точками на ухе

• Геометрия руки - ширина, длина, высота пальцев, расстояния между определенными точками
• Неровности складок кожи на сгибах пальцев тыльной стороны кисти руки
• Рисунок вен на тыльной стороне кисти руки, получаемый при инфракрасной подсветке
• Узор на ладони

• Папиллярный узор как целостный образ
• Параметры минуций (координаты, ориентация, тип)
• Параметры пространственно-частотного спектра папиллярного узора

• Подпись как двумерный бинарный образ
• Подпись как функция двух координат
• Динамика подписи (сила нажима и координата времени)

Выбор источника БХЧ является основной задачей при создании конкретных БТ. Идеальная БХЧ должны быть универсальной, уникальной, стабильной, собираемой. Универсальность означает наличие биометрической характеристики у каждого человека. Уникальность означает, что не может быть двух человек, имеющих идентичные значения БХЧ. Стабильность - независимость БХЧ от времени. Собираемость - возможность получения биометрической характеристики от каждого индивидуума.

Реальные БХЧ не идеальны и это ограничивает их применение. В результате экспертной оценки указанных свойств таких источников БХЧ, как изображения и термограммы лица, отпечатков пальцев, геометрии руки, РОГ, изображения сетчатки, подписи, голоса, изображения губ, ушей, динамики почерка и походки установлено, что ни одна из характеристик не удовлетворяет требованиям по перечисленным свойствам (см. таблицу). Необходимым условием использование тех или иных БХЧ является их универсальность и уникальность, что косвенно может быть обосновано их взаимосвязью с генотипом или кариотипом человека.

Экспертная оценка свойств БХЧ

В процессе исследований были определены семантические свойства БХЧ. В частности, установлено, что в каждом отпечатке пальца существуют два типа признаков, используемые при идентификации: глобальные и локальные. К глобальным относятся: тип папиллярных узоров: дуга, петля и завиток, центр узора и дельта узора, локальный гребневой счет (ЛГС), который определяется для каждого узора как число гребней на расстоянии "дельта-центр", их ориентация и расположение на пальцах и ладонной поверхности.

К локальным признакам относят минуции (см. рисунок), определяемые как точки изменения структуры папиллярных линий (разрыв, окончание, раздвоение и т.п.). На отпечатке пальца насчитывают до 50-70 минуций. Принято считать, что в отпечатках пальцев разных людей могут встретиться идентичные глобальные признаки, а картина минуций является уникальной.

Типы минуций, используемых при дактилоскопических исследованиях

В биометрических системах на основе РОГ сформировались два основных подхода, отличающиеся способами представления образов и эталонов. В первом подходе используются непосредственно изображения РОГ, выделенные с помощью колец или развернутые в виде прямоугольника. Во втором подходе формируется матрица штрих-кодов РОГ. Процедура получения матрицы содержит этапы выделения лица, локализацией глаз и зрачка. Значение каждого пикселя изображения сравнивается с некоторым порогом и в зависимости от результатов сравнения записывается как "0" или "1" в определенное место матрицы штрих-кодов.

Информативные морфогенетические варианты

Более 70% всех ИМВ располагаются в области головы, шеи и кисти, что подтверждает возможность использования изображений лица, головы, ее элементов, изображений рук для идентификации личности. Именно ИМВ Чарльз Дарвин использовал в качестве одного из доказательств эволюционного происхождения человека, называя эти признаки "зачаточными органами". Но еще более значимым является представление Чарльза Дарвина о том, что "признаки небольшого жизненного значения для вида наиболее важны для систематика" и "...такое значение несущественных признаков для классификации зависит преимущественно от их корреляции с другими более или менее существенными признаками. Значение же комплекса признаков в естественной истории совершенно очевидно".

Особое значение среди информативных морфогенетических вариантов занимает дерматоглифика, так как узоры гребневой кожи человека характеризуются двумя, казалось бы, взаимоисключающими особенностями: с одной стороны, они уникальны для каждого человека, что используется в криминалистике, а с другой - поддаются четкой качественной и количественно типизации, что отражено в международной классификации дерматоглифики. Кроме того, генетическая детерминация узоров дермальной кожи не вызывает сомнений. К настоящему времени известно о большом количестве врожденных и наследственных заболеваний, характеризующихся изменениями дерматоглифики, а при ряде хромосомных и моногенных синдромов дерматоглифика является диагностическим методом.

Общность эмбрионального происхождения дермальной кожи и центральной нервной системы позволило предположить связь признаков дерматоглифики не только с неврологической и психиатрической патологией, но и с особенностями нормальной ЦНС. Так была обнаружена корреляция некоторых узоров дерматоглифики с определенными параметрами электроэнцефалограммы. Дерматоглифика служит и надежным маркером морфогенетических асимметрий, что, в частности, можно использовать в изучении межполушарной асимметрии мозга человека. Другие признаки дерматоглифики - минуции, применяемые в настоящее время в дактилоскопии и в биометрике для идентификации человека в медико-генетическом консультировании пока не применяются, в первую очередь из-за отсутствия возможности измерения их параметров.

Исследователи отмечают отражение на РОГ генетических особенностей. "...Радужка является непревзойденным отражателем врожденных недостаточностей, закрепленных в генотипе" Вельховер Е.С. "Радужка - единственная структура, отображающая врожденные дефекты, передаваемые по наследству до 4-го поколения" Jensen B.

Таким образом, элементы фенотипа, имеющие генетическую детерминированность: голова, лицо, уши, нос, область рта, шея, узоры гребешковой кожи ладонной поверхности, структура и цвет РОГ, туловище, стопы и др. могут быть использованы как для решения биометрических, так и для диагностических задач. Поэтому электроэнцефалограмма, электрокардиограмма, фотоплетизмограмма и другие физиологические реакции, имеющие выраженные признаки индивидуальности, также могут быть использованы в качестве источников БХЧ. Аналогичные соображения могут быть положены в основу использования для идентификации человека параметров походки, почерка и др.

Однако в медико-биологической практике наиболее широкое применение нашли результаты дерматоглифических исследований, что во многом было обусловлено возможностью регистрации красковым способом дерматоглифических изображений и созданного на этой базе существенного научного задела. К сожалению, из-за отсутствия возможности качественной регистрации других фенотипических изображений человека: РОГ, лица, головы и т.д., не удалось создать адекватный по уровню задел, обеспечивающий эффективное применение результатов иридоглифических, антропометрических и др видов исследования в медико-биологической практике.

Применение дерматоглифических исследований в медико-биологической практике

Типы папиллярных узоров. Определение локального гребневого счета

Дуга, А

Петля, L

Завиток, W

S-узор, S

Дерматоглифические признаки формируются на 3-5 месяце беременности одновременно и в связи с развитием нервной и эндокринной системами и не изменяются в онтогенезе. Морфогенетическая природа позволяет считать комплекс пальцевой дерматоглифики морфогенетическим маркером.

В процессе исследований была установлена диагностическая значимость дерматоглифических признаков при прогнозе: заболеваний, связанных с врожденными патологиями и пороками развития; нарушений психомоторной и психоличностной сферы, выявлена связь пальцевой дерматоглифики с физическими способностями человека, особенностями телосложения, профессиональными возможностями, темпами пренатального роста производных эктодермы, отдельными показателями нейро-миодинамического комплекса.

В простейшем случае результатом исследования дерматоглифического фенотипа человека является таблица, в которой указаны тип узоров, значения визуально определенных гребневых счетов узоров, ориентация узоров по отношению к ребру ладони (из методики).

Спортивная медицина

Абрамова Т.Ф. с коллегами, используя в качестве генетических маркеров дерматоглифические признаки (ДП), при обследовании более 2000 испытуемых разного пола и уровня физических способностей, среди которых 1559 спортсменов в возрасте 14 - 36 лет разной квалификации (представители 25 видов спорта), 69 детей и взрослых в возрасте от 2 до 40 лет с врожденно ограниченным уровнем физических способностей (детский церебральный паралич - ДЦП) и контрольной группы из 202 студента московских вузов в возрасте 18-24 лет и 291 детей и подростков 4-16 лет Москвы и Московской области установили:

• закономерности изменения пальцевой дерматоглифики у представителей определенных групп видов спорта и их отдельных дисциплин в зависимости от различий биомеханики двигательных действий, доминанты основного физического качества и ведущего механизма энергообеспечения;
• взаимосвязь различия в амплуа спортсменов по времени соревновательной дистанции, специфике двигательных действий и приоритетным механизмам энергообеспечения и направления изменчивости пальцевой дерматоглифики.

На примере представителей академической гребли (вида спорта с широким спектром показателей физических возможностей) установлено, что фенотипы с минимальными значениями тотальных признаков пальцевой дерматоглифики и преобладанием дуговых узоров при практической элиминации завитковых узоров соотносятся с низким статусом развития физических качеств и размеров тела. Преобладание петлевых при высокой частоте дуговых узоров и низкой доли завитков маркирует предрасположенность к развитию скоростно-силовых качеств. Напротив, интегральное усложнение при полной элиминации простых узоров является указателем врожденного приоритета развития нервно-мышечной координации. Фенотипы с промежуточными значениями признаков пальцевой дерматоглифики, близкими к известным данным представителей русской популяции, отражают общую предрасположенность к развитию качества выносливости.

Изменения физических возможностей от явной скоростно-силовой доминанты к приоритету выносливости и с их завершением в виде превалирующей значимости механизмов управления координацией движений на уровне частных признаков пальцевой дерматоглифики определяются первичными изменениями характеристик первых пальцев обеих рук с начальным усложнением узоров при последующем возрастании гребневого счета. Изменения на других пальцах носят вторичный характер.

Сопоставление частот фенотипов ДП в спортивной "субпопуляции" и общепопуляционном контингенте показали, что наличие дуговых узоров является маркером низкого физического статуса, включая как основные физические качества, так и размеры тела.

При изучении особенностей ДП в случае врожденного ограничения развития двигательных возможностей также показана прямая связь снижения СГС/ДИ с низким уровнем развития физических возможностей. При сходстве значений ДИ величина СГС убывает в зависимости от тяжести заболевания, что проявляется в последовательном снижении пропорции СГС/ДИ от 10/1 - в контроле до 8/1 - в случае частичных врожденных нарушений и 7/1 в случае - тяжелых врожденных нарушений двигательных возможностей.

Обнаруженные параллели указанных признаков ДП со сниженным физическим потенциалом находят косвенное объяснение в установленных другими исследователями фактах преобладания дуговых узоров на фоне часто сниженного гребневого счета при врожденных нарушениях развития различной этиологии.

Профессиональный отбор

В результате исследований взаимосвязи расположения и ориентации пальцевых узоров и значений средней гребневой частоты (аналог ГС) на аппаратно-программном комплексе для дерматоглифических исследований "Малахит" удалось установить, что параметры дерматоглифики большого, указательного и триады других пальцев образуют систему статистически независимых признаков. При сравнении типа узоров на большом, указательном и безымянном пальцах с индивидуальными способностями обследуемых лиц оказалось, что чем сложнее тип узора, тем более развита функция системы, проекционная зона которой расположена на пальце. То есть, существует взаимосвязь ДП и особенностей строения модулирующих систем головного мозга, выполняющих основную функцию при формировании условных рефлексов (например, обучении) и при реализации безусловных рефлексов (поведении), что обуславливает возможность обоснованного профессионального отбора.

Анализ корреляционных отношений между кожными пальцевыми узорами и мотивационным состоянием человека позволяет не только спрогнозировать алгоритм поведения, но и определить оптимальную сферу его дальнейшей профессиональной деятельности. Перспективность подобного подхода была показана в исследованиях личностных характеристик студентов МГТУ им. Н.Э. Баумана (далее МГТУ) и ММА им. И.М. Сеченова (далее ММА) при оценки их профессиональных способностей. Анализ распределений значений ДИ у студентов ММА, студентов МГТУ и юношей со средним образованием (СО) позволил сделать заключение, что значения ДИ, равные 10-12 и 16-18 отражают "технические " склонности, значения ДИ: 10-16 - "гуманитарные" склонности представителей контингента.

Для оценки информативности ДП для профессионального отбора были исследованы комбинации типов пальцевых узоров у юношей - студентов ММА (57), студентов МГТУ (44) и юношей СО (118). В составе студентов также были выделены студенты (отличники), у которых средний балл успеваемости выше либо равен 4,7, предполагая, что успеваемость студентов характеризует не только их способность к обучению, но и наличие других высоких профессиональных качеств. В результате обработки полученных данных была выявлена тенденция, что сложность папиллярных узоров на 1, 6 и 7 пальцах является индикатором мотивации к получению знаний.

В качестве примера, на рисунке представлены три диаграммы типов узоров на десяти пальцах успевающих студентов МГТУ им. Н. Э. Баумана.

Диаграммы типов узоров успевающих студентов

Первый студент легко усваивает учебный материал, быстро реагирует на вопросы, инициативен, любознателен, выполняет большой объем факультативных работ, хорошо излагает мысли. Потенциальный инженер-разработчик высокого класса.

Для второго студента усвоение учебного материала требует определенных усилий и самостоятельной работы. При наличии личной мотивации к обучению или мотивации к изучению дисциплин в минисоциуме (студенческой группе) успехи в учебе будут высокими и стабильными. Максимальная сложность узора на безымянном пальце проявляется в притягательности для него практической работы, требующей координированных движений. Потенциальный инженер-испытатель, доводящий до практического применения новую разработку.

Третьему студенту для качественного усвоения учебного материала требуется большой объем самостоятельной работы. Его успехи зависят от мотивации и обусловлены огромной работоспособностью в любом виде деятельности, в том числе и умственной. Вид инженерной профессиональной ориентации - инженер-проектировщик.

Диагностика наследственных и врожденных болезней

Врач-генетик В.Г. Солониченко и нейрофизиолог Н.Н. Богданов установили близость узоров на одноименных пальцах у родителей и ребенка, причем возможность появления ребенка с психосоматическими заболеваниями также может быть установлена по выраженности ИМВ у родителей - практически здоровых индивидуумов. Сравнительно недавно установлено еще одно важное достоинство метода дерматоглифической диагностики - возможность выявления носительства мутантных генов у практически здоровых индивидуумов. Это было, в частности, показано на примере врожденных расщелин губы и врожденных расщелин нёба. Семейный анализ папиллярных узоров и линий показал наследственную тенденцию по всем ладонным признакам кожного покрова.

Аппаратно-программный комплекс для дерматоглифических исследований "Малахит"

Помимо КДХ определяется еще около 40 расчетных параметров дерматоглифики, обеспечивающих возможность интерпретации ИМВ. В простейшем случае результатом исследования дерматоглифического фенотипа человека является таблица, в которой указаны тип узоров, значения визуально определенных гребневых счетов узоров, ориентация узоров по отношению к ребру ладони. По расположению, ориентации, типу узора и значению ЛГС можно установить наличие наследственных и врожденных заболеваний. Результат интерпретации зависит от выраженности дерматоглифических проявлений.

Применение биометрических технологий для иридоглифических исследований

Иридоглифику отличают раннее обнаружение патологического процесса, быстрота получения результатов; возможность осмотра в одном поле зрения органных и системных взаимоотношений в организме (интегральный анализ), простота и безвредность обследования. В противоположность клинической медицине, ставящей целью определение болезни, иридоглифика позволяет осуществлять широкий поиск наследственных и врожденных особенностей, а также оценить характер, условия и возможность возникновения и развития заболеваний.

Однако результаты иридоглифического исследования использовались, как правило, для дифференциальной диагностики болезней, и поэтому в определенном смысле дискредитировали метод.

РОГ - передняя часть сосудистого тракта, расположенная между роговицей и хрусталиком, имеет вид пластинки слегка эллиптической формы. Ее периферический край заходит за роговично-склеральный лимб, переходя в циллиарное тело. Горизонтальный диаметр РОГ человека в среднем составляет 12,5 мм, вертикальный - 12 мм, и имеет вид усеченного и очень уплощеного конуса. Толщина РОГ неодинакова и в среднем составляет 300 мкм.

РОГ, как и кожа ладонной поверхности и биологически активных точек (БАТ), имеет развитую архитектонику сосудов кровеносной системы и волокон нервной системы, обеспечивающих рефлекторную функцию.

Гипотетически отображение патогенных изменений проявляется на РОГ следующим образом. Пока человек здоров и его иридоневральные пути функционируют нормально, РОГ выглядит однородной, равномерно окрашенной и рельефной. В острой стадии болезни, наряду с просветлением РОГ, происходит набухание и расщепление радиальных волокон радужки и нарушается линейность трабекул. Они становятся волнистыми, спиралевидными, расслоенными задолго до появления клинических признаков заболевания. Эти процессы свидетельствуют об ослаблении сопротивляемости организма. Если острое воспаление за короткий срок заканчивается выздоровлением, то изменения на РОГ регрессируют.

Несмотря на значительное число информационных признаков РОГ (не менее 19), контролируемых параметров, значениями которых в той или иной комбинации можно описать каждый из них, всего шесть. Наиболее характерными параметрами ИП являются: цвет, форма, локализация и структура признака, которые в дальнейшем будем называть комплексом иридоглифических параметров (КИП).

Цвет характеризует адаптационные возможности организма, например, чувствительность к внешним воздействия у светлоглазых в 2 раза выше чем у лиц со светлокарими глазами и в 4 раза выше, чем у лиц с темнокарими глазами. Для достижения лечебного эффекта доза лекарств у последних должна быть большей, чем для пациентов со светлыми глазами. Как показали исследования, можно выделить четыре цвета РОГ: карие, светлокарие, серые и серые с гетерохромией.

Чем выше плотность РОГ, тем лучше способность организма сопротивляться заболеваниям, переносить изменения условий окружающей среды. Оценка этих способностей важна не только в клинической практике, при выборе тактики реабилитации конкретного пациента, но и в работе различного рода медицинских комиссий при направлении на работу в отдаленные районы, оценке усредненных репаративных особенностей социума, проживающего в загрязненном районе. В качестве примера, можно привести результаты врача Гамиуллина Ф.З, который снизил количество нетрудоспособных дней у работающих в неблагоприятных климатических условиях в двадцать раз, используя при отборе значения иридогенетических симптомов и направляя на работу только лиц с высоким иридогенетическим статусом.

Заключение

Параметры комбинации папиллярных узоров на пальцах рук позволяют охарактеризовать функциональный статус, отражающий аналитические и умственные способности, координированность и коммуникабельность, выносливость и реактивность личности. Знание функционального статуса позволит также определять способы коррекции стресса, выбор профессии, методы обучения, прогнозировать поведение в стрессовых ситуациях, комплиментарность социумов и др.

Пальцевая дерматоглифика в качестве морфогенетического маркера физических способностей человека вне зависимости от этнической и расовой принадлежности. С учетом широкого спектра факторов влияния на фенотипическую изменчивость (конституциональная вариативность, половой диморфизм и др.) особенности пальцевой дерматоглифики позволяют установить специфику реализации генетически детерминированного развития физических способностей человека.

В системе дактилоскопической идентификации, решающей задачу установления личности преступника, дерматоглифические исследования не нашли широкого применения. Это обусловлено, в первую очередь, правовыми аспектами этой процедуры и отсутствием специальных методов и средств в МВД. Предлагаемая система дополнительных дерматоглифических исследований не нарушает существующей системы дактилоскопирования, расширяет возможности и повышает эффективность систем профессиональной подготовки и реабилитации военнослужащих за счет индвидуального подбора методов обучения и коррекции состояний.

Разработанность дерматоглифического комплекса как морфогенетического маркера к настоящему времени достигла уровня, обеспечивающего научно обоснованное их использование в практике самых различных отраслей жизнедеятельности человека, в том числе и в биометрических системах.

РОГ имеет развитую архитектонику сосудов кровеносной системы и волокон НС, высокую концентрацию меланоцитов, изменения парамеров которых обеспечивает адаптационную и индикаторную функции РОГ и обуславливает морфологические и цветовые особенности. Изменения на РОГ определяются состоянием экстерорецептивной цепи, связывающей рецепторы внутренних органов с рецепторами (меланоцитами) ПЗ РОГ.

Свойства ИП, в основном, определяются цветом, формой, локализацией и структрурой признака. Исследования иридологических показателей ФС позволяют охарактеризовать действие генетических и внешних факторов на адаптационные возможности, репаративные способности, наличие наследственных и врожденных особенностей органов и систем, состояние иридоневральных экстерорецептивных связей и оценить особенности психоэмоционального состояния.

Для эффективного использования дерматоглифических и иридологических показателей ФС человека в системах медико-генетического консультирования, дошкольного, школьного воспитания, профориентации, в задачах клинической диагностики, медицинских комиссиях и др. необходима использовать методы измерения цвета, параметров структуры и формы для количественной оценки КДП и КИП.

Сложность технической реализации датчиков БХЧ, алгоритмов распознавания зависит от требований к репрезентативности исходных данных. Поддержание длительное время относительно стабильными условий регистрации БХЧ возможно в настоящее время для биометрических систем непосредственно контактирующих с пользователем.

С учетом результатов применения биометрической техники необходимым требованием к технических средствам устройств освещения и датчиков является выбор такой физической природы и характеристик (интенсивность, монохроматичность, поляризация и пр.) зондирующего излучения, которые могли бы обеспечить максимальный контраст и разрешение параметров аксиологической информации на БИ.

Разработанность дерматоглифического комплекса как морфогенетического маркера к настоящему времени достигла уровня, обеспечивающего научно обоснованное использование его в практике самых различных отраслей жизнедеятельности человека, в том числе и для идентификации личности.

Презентацию к данной лекции можно скачать .

Простая идентификация личности. Комбинация параметров лица, голоса и жестов для более точной идентификации. Интеграция возможностей модулей Intel Perceptual Computing SDK для реализации многоуровневой системы информационной безопасности, основанной на биометрической информации.

В данной лекции дается введение в предмет биометрических систем защиты информации, рассматривается принцип действия, методы и применение на практике. Обзор готовых решений и их сравнение. Рассматриваются основные алгоритмы идентификации личности. Возможности SDK по созданию биометрических методов защиты информации.

4.1. Описание предметной области

Существует большое разнообразие методов идентификации и многие из них получили широкое коммерческое применение. На сегодняшний день в основе наиболее распространенных технологий верификации и идентификации лежит использование паролей и персональных идентификаторов ( personal identification number - PIN ) или документов типа паспорта, водительских прав. Однако такие системы слишком уязвимы и могут легко пострадать от подделки, воровства и других факторов. Поэтому все больший интерес вызывают методы биометрической идентификации, позволяющие определить личность человека по его физиологическим характеристикам путем распознания по заранее сохраненным образцам.

Диапазон проблем, решение которых может быть найдено с использованием новых технологий, чрезвычайно широк:

• предотвратить проникновение злоумышленников на охраняемые территории и в помещения за счет подделки, кражи документов, карт, паролей;
• ограничить доступ к информации и обеспечить персональную ответственность за ее сохранность;
• обеспечить допуск к ответственным объектам только сертифицированных специалистов;
• процесс распознавания, благодаря интуитивности программного и аппаратного интерфейса, понятен и доступен людям любого возраста и не знает языковых барьеров;
• избежать накладных расходов, связанных с эксплуатацией систем контроля доступа (карты, ключи);
• исключить неудобства, связанные с утерей, порчей или элементарным забыванием ключей, карт, паролей;
• организовать учет доступа и посещаемости сотрудников.

Кроме того, важным фактором надежности является то, что она абсолютно никак не зависит от пользователя. При использовании парольной защиты человек может использовать короткое ключевое слово или держать бумажку с подсказкой под клавиатурой компьютера. При использовании аппаратных ключей недобросовестный пользователь будет недостаточно строго следить за своим токеном, в результате чего устройство может попасть в руки злоумышленника. В биометрических же системах от человека не зависит ничего. Еще одним фактором, положительно влияющим на надежность биометрических систем, является простота идентификации для пользователя. Дело в том, что, например, сканирование отпечатка пальца требует от человека меньшего труда, чем ввод пароля. А поэтому проводить эту процедуру можно не только перед началом работы, но и во время ее выполнения, что, естественно, повышает надежность защиты. Особенно актуально в этом случае использование сканеров, совмещенных с компьютерными устройствами. Так, например, есть мыши, при использовании которых большой палец пользователя всегда лежит на сканере. Поэтому система может постоянно проводить идентификацию, причем человек не только не будет приостанавливать работу, но и вообще ничего не заметит. В современном мире, к сожалению, продается практически все, в том числе и доступ к конфиденциальной информации. Тем более что человек, передавший идентификационные данные злоумышленнику, практически ничем не рискует. Про пароль можно сказать, что его подобрали, а про смарт-карту, что ее вытащили из кармана. В случае же использования биометрической защиты подобной ситуации уже не произойдет.

Выбор отраслей, наиболее перспективных для внедрения биометрии, с точки зрения аналитиков, зависит, прежде всего, от сочетания двух параметров: безопасности (или защищенности) и целесообразности использования именно этого средства контроля или защиты. Главное место по соответствию этим параметрам, бесспорно, занимают финансовая и промышленная сфера, правительственные и военные учреждения, медицинская и авиационная отрасли, закрытые стратегические объекты. Данной группе потребителей биометрических систем безопасности в первую очередь важно не допустить неавторизованного пользователя из числа своих сотрудников к неразрешенной для него операции , а также важно постоянно подтверждать авторство каждой операции . Современная система безопасности уже не может обходиться не только без привычных средств, гарантирующих защищенность объекта, но и без биометрии. Также биометрические технологии используются для контроля доступа в компьютерных, сетевых системах, различных информационных хранилищах, банках данных и др.

Биометрические методы защиты информации становятся актуальней с каждым годом. С развитием техники: сканеров, фото и видеокамер спектр задач, решаемых с помощью биометрии, расширяется, а использование методов биометрии становится популярнее. Например, банки, кредитные и другие финансовые организации служат для их клиентов символом надежности и доверия. Чтобы оправдать эти ожидания, финансовые институты все больше внимание уделяют идентификации пользователей и персонала, активно применяя биометрические технологии. Некоторые варианты использования биометрических методов:

• надежная идентификация пользователей различных финансовых сервисов, в т.ч. онлайновых и мобильных (преобладает идентификация по отпечаткам пальцев, активно развиваются технологии распознавания по рисунку вен на ладони и пальце и идентификация по голосу клиентов, обращающихся в колл-центры);
• предотвращение мошенничеств и махинаций с кредитными и дебетовыми картами и другими платежными инструментами (замена PIN-кода распознаванием биометрических параметров, которые невозможно похитить, "подсмотреть", клонировать);
• повышение качества обслуживания и его комфорта (биометрические банкоматы);
• контроль физического доступа в здания и помещения банков, а также к депозитарным ячейкам, сейфам, хранилищам (с возможностью биометрической идентификации, как сотрудника банка, так и клиента-пользователя ячейки);
• защита информационных систем и ресурсов банковских и других кредитных организаций.

4.2. Биометрические системы защиты информации

Биометрические системы защиты информации - системы контроля доступа, основанные на идентификации и аутентификации человека по биологическим признакам, таким как структура ДНК, рисунок радужной оболочки глаза, сетчатка глаза, геометрия и температурная карта лица, отпечаток пальца, геометрия ладони. Также эти методы аутентификации человека называют статистическими методами, так как основаны на физиологических характеристиках человека, присутствующих от рождения и до смерти, находящиеся при нем в течение всей его жизни, и которые не могут быть потеряны или украдены. Часто используются еще и уникальные динамические методы биометрической аутентификации - подпись, клавиатурный почерк, голос и походка, которые основаны на поведенческих характеристиках людей.

Понятие " биометрия " появилось в конце девятнадцатого века. Разработкой технологий для распознавания образов по различным биометрическим характеристикам начали заниматься уже достаточно давно, начало было положено в 60-е годы прошлого века. Значительных успехов в разработке теоретических основ этих технологий добились наши соотечественники. Однако практические результаты получены в основном на западе и совсем недавно. В конце двадцатого века интерес к биометрии значительно вырос благодаря тому, что мощность современных компьютеров и усовершенствованные алгоритмы позволили создать продукты, которые по своим характеристикам и соотношению стали доступны и интересны широкому кругу пользователей. Отрасль науки нашла свое применение в разработках новых технологий безопасности. Например, биометрическая система может контролировать доступ к информации и хранилищам в банках, ее можно использовать на предприятиях, занятых обработкой ценной информации, для защиты ЭВМ, средств связи и т. д.

Суть биометрических систем сводится к использованию компьютерных систем распознавания личности по уникальному генетическому коду человека. Биометрические системы безопасности позволяют автоматически распознавать человека по его физиологическим или поведенческим характеристикам.

Рис. 4.1.

Описание работы биометрических систем:

Все биометрические системы работают по одинаковой схеме. Вначале, происходит процесс записи, в результате которого система запоминает образец биометрической характеристики. Некоторые биометрические системы делают несколько образцов для более подробного запечатления биометрической характеристики. Полученная информация обрабатывается и преобразуется в математический код. Биометрические системы информационной безопасности используют биометрические методы идентификации и аутентификации пользователей. Идентификация по биометрической системы проходит в четыре стадии:

• Регистрация идентификатора - сведение о физиологической или поведенческой характеристике преобразуется в форму, доступную компьютерным технологиям, и вносятся в память биометрической системы;
• Выделение - из вновь предъявленного идентификатора выделяются уникальные признаки, анализируемые системой;
• Сравнение - сопоставляются сведения о вновь предъявленном и ранее зарегистрированном идентификаторе;
• Решение - выносится заключение о том, совпадают или не совпадают вновь предъявленный идентификатор.

Заключение о совпадении/несовпадении идентификаторов может затем транслироваться другим системам (контроля доступа, защиты информации и т. д), которые далее действуют на основе полученной информации.

Одна из самых важных характеристик систем защиты информации, основанных на биометрических технологиях, является высокая надежность , то есть способность системы достоверно различать биометрические характеристики, принадлежащие разным людям, и надежно находить совпадения. В биометрии эти параметры называются ошибкой первого рода ( False Reject Rate , FRR ) и ошибкой второго рода ( False Accept Rate , FAR ). Первое число характеризует вероятность отказа доступа человеку, имеющему доступ , второе - вероятность ложного совпадения биометрических характеристик двух людей. Подделать папиллярный узор пальца человека или радужную оболочку глаза очень сложно. Так что возникновение "ошибок второго рода" (то есть предоставление доступа человеку, не имеющему на это право) практически исключено. Однако, под воздействием некоторых факторов биологические особенности, по которым производится идентификация личности, могут изменяться. Например, человек может простудиться, в результате чего его голос поменяется до неузнаваемости. Поэтому частота появлений "ошибок первого рода" (отказ в доступе человеку, имеющему на это право) в биометрических системах достаточно велика. Система тем лучше, чем меньше значение FRR при одинаковых значениях FAR . Иногда используется и сравнительная характеристика EER ( Equal Error Rate ), определяющая точку, в которой графики FRR и FAR пересекаются. Но она далеко не всегда репрезентативна. При использовании биометрических систем, особенно системы распознавания по лицу, даже при введении корректных биометрических характеристик не всегда решение об аутентификации верно. Это связано с рядом особенностей и, в первую очередь , с тем, что многие биометрические характеристики могут изменяться. Существует определенная степень вероятности ошибки системы. Причем при использовании различных технологий ошибка может существенно различаться. Для систем контроля доступа при использовании биометрических технологий необходимо определить, что важнее не пропустить "чужого" или пропустить всех "своих".

Не только FAR и FRR определяют качество биометрической системы. Если бы это было только так, то лидирующей технологией было бы распознавание людей по ДНК, для которой FAR и FRR стремятся к нулю. Но ведь очевидно, что эта технология не применима на сегодняшнем этапе развития человечества. Поэтому важной характеристикой является устойчивость к муляжу, скорость работы и стоимость системы. Не стоит забывать и то, что биометрическая характеристика человека может изменяться со временем, так что если она неустойчива - это существенный минус. Также важным фактором для пользователей биометрических технологий в системах безопасности является простота использования. Человек, характеристики которого сканируются, не должен при этом испытывать никаких неудобств. В этом плане наиболее интересным методом является, безусловно, технология распознавания по лицу. Правда, в этом случае возникают иные проблемы, связанные в первую очередь , с точностью работы системы.

Обычно биометрическая система состоит из двух модулей: модуль регистрации и модуль идентификации.

Модуль регистрации "обучает" систему идентифицировать конкретного человека. На этапе регистрации видеокамера или иные датчики сканируют человека для того, чтобы создать цифровое представление его облика. В результате сканирования чего формируются несколько изображений. В идеальном случае, эти изображения будут иметь слегка различные ракурсы и выражения лица, что позволит получить более точные данные. Специальный программный модуль обрабатывает это представление и определяет характерные особенности личности, затем создает шаблон . Существуют некоторые части лица, которые практически не изменяются с течением времени, это, например, верхние очертания глазниц, области окружающие скулы, и края рта. Большинство алгоритмов, разработанных для биометрических технологий, позволяют учитывать возможные изменения в прическе человека, так как они не используют для анализа области лица выше границы роста волос. Шаблон изображения каждого пользователя хранится в базе данных биометрической системы.

Модуль идентификации получает от видеокамеры изображение человека и преобразует его в тот же цифровой формат, в котором хранится шаблон . Полученные данные сравниваются с хранимым в базе данных шаблоном для того, чтобы определить, соответствуют ли эти изображения друг другу. Степень подобия, требуемая для проверки, представляет собой некий порог, который может быть отрегулирован для различного типа персонала, мощности PC , времени суток и ряда иных факторов.

Идентификация может выполняться в виде верификации, аутентификации или распознавания. При верификации подтверждается идентичность полученных данных и шаблона, хранимого в базе данных. Аутентификация - подтверждает соответствие изображения, получаемого от видеокамеры одному из шаблонов, хранящихся в базе данных. При распознавании, если полученные характеристики и один из хранимых шаблонов оказываются одинаковыми, то система идентифицирует человека с соответствующим шаблоном.

4.3. Обзор готовых решений

4.3.1. ИКАР Лаб: комплекс криминалистического исследования фонограмм речи

Аппаратно-программный комплекс ИКАР Лаб предназначен для решения широкого круга задач анализа звуковой информации, востребованного в специализированных подразделениях правоохранительных органов, лабораториях и центрах судебной экспертизы, службах расследования летных происшествий, исследовательских и учебных центрах. Первая версия продукта была выпущена в 1993 году и явилась результатом совместной работы ведущих аудиоэкспертов и разработчиков программного обеспечения. Входящие в состав комплекса специализированные программные средства обеспечивают высокое качество визуального представления фонограмм речи. Современные алгоритмы голосовой биометрии и мощные инструменты автоматизации всех видов исследования фонограмм речи позволяют экспертам существенно повысить надежность и эффективность экспертиз. Входящая в комплекс программа SIS II обладает уникальными инструментами для идентификационного исследования: сравнительное исследование диктора, записи голоса и речи которого предоставлены на экспертизу и образцов голоса и речи подозреваемого. Идентификационная фоноскопическая экспертиза основывается на теории уникальности голоса и речи каждого человека. Анатомическое факторы: строение органов артикуляции, форма речевого тракта и ротовой полости, а также внешние факторы: навыки речи, региональные особенности, дефекты и др.

Биометрические алгоритмы и экспертные модули позволяют автоматизировать и формализовать многие процессы фоноскопического идентификационного исследования, такие как поиск одинаковых слов, поиск одинаковых звуков, отбор сравниваемых звуковых и мелодических фрагментов, сравнение дикторов по формантам и основному тону, аудитивные и лингвистические типы анализа. Результаты по каждому методу исследования представляются в виде численных показателей общего идентификационного решения.

Программа состоит из ряда модулей, с помощью которых производится сравнение в режиме "один-к-одному". Модуль "Сравнения формант" основан на термине фонетики - форманте, обозначающий акустическую характеристику звуков речи (прежде всего гласных), связанную с уровнем частоты голосового тона и образующую тембр звука. Процесс идентификации с использованием модуля "Сравнения формант" может быть разделен на два этапа: cначала эксперт осуществляет поиск и отбор опорных звуковых фрагментов, а после того как опорные фрагменты для известного и неизвестного дикторов набраны, эксперт может начать сравнение. Модуль автоматически рассчитывает внутридикторскую и междикторскую вариативность формантных траекторий для выбранных звуков и принимает решение о положительной/отрицательной идентификации или неопределенном результате. Также модуль позволяет визуально сравнить распределения выбранных звуков на скаттерограмме.

Модуль "Сравнение Основного Тона" позволяет автоматизировать процесс идентификации дикторов с помощью метода анализа мелодического контура. Метод предназначен для сравнения речевых образцов на основе параметров реализации однотипных элементов структуры мелодического контура. Для анализа предусмотрено 18 типов фрагментов контура и 15 параметров их описания, включая значения минимума, среднего, максимума, скорости изменения тона, эксцесса, скоса и др. Модуль возвращает результаты сравнения в виде процентного совпадения для каждого из параметров и принимает решение о положительной/отрицательной идентификации или неопределенном результате. Все данные могут экспортироваться в текстовый отчет.

Модуль автоматической идентификации позволяет производить сравнение в режиме "один-к-одному" с использованием алгоритмов:

• Спектрально-форматный;
• Статистика основного тона;
• Смесь Гауссовых распределений;

Вероятности совпадения и различия дикторов рассчитываются не только для каждого из методов, но и для их совокупности. Все результаты сравнения речевых сигналов двух файлах, получаемые в модуле автоматической идентификации, основаны на выделении в них идентификационно значимых признаков и вычислении меры близости между полученными наборами признаков и вычислений меры близости полученных наборов признаков между собой. Для каждого значения этой меры близости во время периода обучения модуля автоматического сравнения были получены вероятности совпадения и различия дикторов, речь которых содержалась в сравниваемых файлах. Эти вероятности были получены разработчиками на большой обучающей выборке фонограмм: десятки тысяч дикторов, различные каналы звукозаписи, множество сессий звукозаписи, разнообразный тип речевого материала. Применение статистических данных к единичному случаю сравнения файл-файл требует учета возможного разброса получаемых значений меры близости двух файлов и соответствующей ей вероятности совпадения/различия дикторов в зависимости от различных деталей ситуации произнесения речи. Для таких величин в математической статистике предложено использовать понятие доверительного интервала. Модуль автоматического сравнения выводит численные результаты с учетом доверительных интервалов различных уровней, что позволяет пользователю увидеть не только среднюю надежность метода, но и наихудший результат, полученный на обучающей базе. Высокая надежность биометрического движка, разработанного компанией ЦРТ, была подтверждена испытаниями NIST (National Institute of Standards and Technology)