Moja przygoda z biometrią

Wiesław Bicz
  

Przez redaktora naczelnego czasopisma "Zabezpieczenia" zostałem poproszony o napisanie artykułu na temat biometrii. Powiedział mi też, że mam wolną rękę w doborze jego tematu i treści. Postanowiłem więc napisać coś w rodzaju felietonu na temat mojej "przygody" z biometrią. Wydaje mi się, że może to być pewnym urozmaiceniem dla przyzwyczajonych do bardziej rzeczowych artykułów czytelników.
  

Jak wielu innych Polaków, wybrałem się w roku 1981 na Zachód, z dość konkretnym zamiarem poszukania szczęścia w "tamtym Świecie". Jakoś mi w Polsce za ciasno było. Trafiłem do Niemiec, i choć skończyłem we Wrocławiu wydział PPT (kierunek fizyka), to - podobnie jak wielu innych ówczesnych polskich emigrantów - nie udało mi się od razu znaleźć zajęcia związanego z moim zawodem. Dopiero po kilku latach znalazłem coś zbliżonego, ale tak naprawdę do fizyki wróciłem dopiero dzięki biometrii, choć w momencie, kiedy to nastąpiło, słowo to także mi nie było jeszcze w tym kontekście znane. Jeśli ktoś je wtedy z czymś kojarzył, to tylko z nauką o mierzeniu organizmów żywych i populacji.

Ten mój "powrót do fizyki" był mało spektakularny: Natrafiłem na ogłoszenie, w którym ktoś poszukiwał człowieka, znającego się na optoelektronice. Ponieważ miałem pewne pojęcie na ten temat, postanowiłem się zgłosić. Okazało się, że ogłoszenie dał młody człowiek, który dysponował pieniędzmi i miał wizję produktu, który chciał zrealizować. Potrzebował on mianowicie czegoś, co mogłoby identyfikować ludzi, a chciał to robić poprzez rozpoznawanie odcisków palców. Jego wyobrażenie o potrzebnej do tego technice było jednak dość kiepskie. Szybko doszliśmy do porozumienia, polegającego z grubsza na tym, że ja będę się zastanawiał, jak takie urządzenie zrobić, a on będzie mi za to płacił pieniądze.

Ze dwa miesiące trwało, zanim zacząłem mieć orientację w temacie i odważyłem się zaproponować coś konkretnego, co miało doprowadzić do stworzenia działającego urządzenia. Ponieważ nie spodobały mi się znane wtedy i zaproponowane metody, to postanowiłem wynaleźć jakąś alternatywę. W ten sposób powstała idea wykorzystania ultradźwięków do odczytywania linii papilarnych. Narodziła się ona w końcu roku 1985 we Frankfurcie nad Menem i na początku była to tylko sugestia, oparta na przypuszczeniach, że może to mieć jakiś sens. Dzisiaj wiem dobrze, że nie mogła ona zostać zaproponowana przez kogoś, kto zna się na technice ultradźwiękowej. Z punktu widzenia takiego człowieka byłoby to właściwie zakazane - liczne niemożności byłyby dla niego oczywiste, zalety niedostrzegalne. Dla mnie natomiast miała ona jedną wielką zaletę - dawała możliwość stworzenia urządzenia działającego w oparciu o czysto holograficzne porównanie, co może dać w efekcie bardzo proste i błyskawicznie działające urządzenia.
Podejrzewam jednak, że nic by z tej mojej wizji nie wyszło, gdybym nie trafił na kogoś, kto był w stanie sprawdzić, czy zastosowanie ultradźwięków do tego celu faktycznie ma sens - na profesora Wolfganga Grilla (wtedy działał on na Uniwersytecie we Frankfurcie). Doświadczenia, które wykonał on na początku roku 1986 pokazały bardzo dobitnie, że metoda ta nie tylko ma sens, ale najwyraźniej jest znacznie lepsza niż inne - przy jej pomocy uzyskać bowiem można znacznie lepszy kontrast niż możliwe jest to z wykorzystaniem innych metod, nie jest ona wrażliwa na substancje pokrywające powierzchnię palca (brud, tłuszcz, wilgoć), jak też i ich brak, jest też w stanie wyraźnie odróżnić prawdziwą skórę od pozostawionych na powierzchni sensora odcisków, czy też innych obiektów. Doświadczenia te zapoczątkowały długą drogę, która miała doprowadzić do powstania prototypu kamery ultradźwiękowej, mogącej wizualizować odciski palców.

Postanowiliśmy zrealizować urządzenie, które - co prawda widzi hologram palca - ale z uzyskanych danych wylicza (rekonstruuje) obraz i używa klasycznych metod porównania. Okazało się jednak, że droga do realizacji takiego urządzenia nie była prosta. Zarówno dlatego, że nie udało się załatwić stabilnego finansowania dla tego projektu, jak też i dlatego, że okazało się, że konieczne było pokonanie wielu trudności natury technicznej. Bez licznych wynalazków i skonstruowania wielu elementów nie udałoby się doprowadzić do powstania działającego urządzenia. I oczywiście nie był to efekt jedynie mojej pracy i pomysłowości, ale osiągnięcie całego zespołu. Zanim opowiem dalszą część historii, przedstawię najpierw

Obserwowanie sygnału z palca możliwe jest dzięki zjawisku, którego najwyraźniej nikt wcześniej nie wykorzystał, a nawet chyba nie zauważył. Można je w skrócie opisać następująco: 
Jeśli do powierzchni ciała stałego, do której dociera dźwięk, przyłożony jest obiekt, i kontakt między nim a powierzchnią nie jest wszędzie jednakowy (idealny), lecz zawiera niejednorodności (krawędzie, punkty kontaktowe itp.), to w miejscach takich dojdzie nie tylko do opisanego klasycznymi wzorami przejścia dźwięku z jednego ośrodka do drugiego, jego odbicia oraz dyfrakcji na granicach obszarów kontaktu, lecz także do dodatkowego rozproszenia i przemiany na inne rodzaje fal. Jest ono wynikiem zmiany warunków propagacji dźwięku w pobliżu powierzchni ciała stałego, spowodowanej kontaktem z przyłożonym do niej obiektem, dlatego też nazywać je będziemy rozproszeniem kontaktowym. Jest rzeczą pewną, że powodują je nie tylko same obszary styku obu ośrodków, lecz także zbliżona do nich część przyłożonego obiektu (w dalszym ciągu tego artykułu nazywana strukturą przypowierzchniową). Z tego też zapewne powodu zjawisko to zależne jest silnie od materiału, z którego wykonany jest przyłożony obiekt.
Mówiąc prostszym językiem: przyłożenie palca do powierzchni ciała stałego, w którym propaguje się fala ultradźwiękowa powoduje powstanie rozproszonej fali wtórnej, która zawiera informację o przebiegu linii papilarnych, ale też o materiale, który kontaktuje się z powierzchnią palca, a także informacje o strukturze wewnętrznej obiektu, który powierzchni tej dotyka, jak i oczywiście o jej zmienności w czasie (np. związanej z przepływem krwi). Ponieważ to, co "widzi" fala ultradźwiękowa nie pochodzi tylko z powierzchni, ale także z głębszych warstw, urządzenia ultradźwiękowe pozwalają na odróżnianie prawdziwych, żywych palców od wszelkich innych rzeczy, nie są wrażliwe na brud, tłuszcz itp. (lub też i ich brak), nie przeszkadza im zniszczona powierzchnia palca, stwarzają poza tym dodatkowe perspektywy, niewyobrażalne dla innych metod: Możliwe jest np. wykonanie urządzenia posiadającego dość dowolnej wielkości i kształtu powierzchnię reagującą na dotyk (także wielu palców), mogącego stwierdzać ich położenie, identyfikować je, rejestrować ruch. Będzie to rodzaj ekranu kontaktowego, posiadającego też funkcje tabliczki graficznej i oczywiście rozpoznawania palców (dokładnie tak ma wyglądać urządzenie, które jako pierwsze chcemy zacząć masowo produkować). Urządzenie takie nie posiadałoby żadnych części ruchomych i oczywiście byłoby w stanie zastąpić dzisiejsze klawiatury, myszy, urządzenia do identyfikacji palców, choć na tym jego możliwości bynajmniej się nie kończą. Dla uzupełnienia warto wiedzieć, że możliwe jest też zrobienie urządzenia, które będzie małe, tanie (rodzaj chipu) i rzeczywiście da się zainstalować w przycisku. Urządzenie takie może mieć jeszcze jedną ciekawą zaletę: jest możliwa taka jego wersja, która pozwala na zdalną identyfikację ludzi (np. przez sieć), i to takich, którzy dysponują dowolnymi możliwościami technicznymi, nie istnieje bowiem możliwość jego oszukania.
Na temat sposobu działania opracowanych urządzeń napisane zostały artykuły; zgłoszonych i udzielonych zostało też kilka patentów; ich właścicielem, jak też i posiadaczem praw komercyjnych do urządzenia jest obecnie firma Sonident (Vaduz). 

Na następującym obrazku zobaczyć możemy obraz, jaki można uzyskać przy pomocy kamery, do której przyłożono palec (uzyskany przy pomocy obecnie istniejących prototypów):

lub pieczątkę:

A na tym obrazku prototyp kamery: 

Opisane powyżej urządzenie nie dostarcza - jak wspomniałem - bezpośredniego obrazu obiektu, ale odpowiedź impulsową, która tożsama jest z jego hologramem. Z tego powodu można tu mówić o kamerze holograficznej. 
  

Praca nad opisanym urządzeniem rozpoczęła się Niemczech, ale do etapu prototypu doszła dopiero w Polsce. W roku 1992, wspólnie z ludźmi, którzy wtedy finansowali ten projekt doszliśmy do wniosku, że pieniądze, którymi oni dysponują nie wystarczą na prowadzenie prac w wymaganym zakresie w Niemczech. Przeniesienie się do Polski obiecywało, że da się za tą samą sumę zrobić więcej. Polska była wtedy bowiem krajem znacznie tańszym. Tak więc prototyp urządzenia powstał w Polsce. Niestety ludziom, którzy projekt ten sfinansowali nie starczyło pieniędzy na doprowadzenie do stworzenia komercjalnej wersji urządzenia i konieczne stało się szukanie nowych partnerów. Firma Optel, która powstała dla realizacji tego urządzenia musiała poszukać sobie innych źródeł dochodów i stała się dostawcą i twórcą technik ultradźwiękowych dla przemysłu i nauki.

Szukanie partnerów trwało dość długo, ale wygląda na to, że już dobiegło końca. I pewnie mało kto się zdziwi, jeśli powiem, że partnerów takich nie udało się znaleźć w Polsce. Kraj nasz nie słynie niestety z zainteresowania nowymi produktami i z inicjatyw zmierzających do ich tworzenia, nie ma tu też żadnych instytucjonalnych form poparcia dla takich rzeczy. Wygląda na to, że projekt wróci do Niemiec, gdzie nie tylko jest silne zainteresowanie nowymi produktami, ale też i bardzo skuteczne poparcie dla takich inicjatyw. W porównaniu do roku 1992 powoduje ono, że dalsze prace będą w Niemczech znacznie tańsze niż w Polsce. Mam więc nieukrywaną nadzieję, że już niedługo zdarzy się niejednemu zobaczyć taki oto terminal dla użytkowników kart kredytowych, bankomatów i tym podobnych urządzeń.
  

Już dzisiaj są to małe komputery, które odczytują informacje umieszczone na ścieżce magnetycznej lub chipie zawartym w karcie, posiadają klawiaturę, wyświetlacz, drukarkę, a także - co bardzo istotne - mogą się połączyć z bankowymi komputerami dla sprawdzenia stanu konta, czy też dokonania operacji przepływu pieniędzy. Są one zwykle połączone z elektronicznymi kasami i z punktu widzenia płacącego obsługa ich polega na wsadzeniu karty do czytnika i wpisaniu tzw. PIN-u. Zakłada się dzisiaj, że liczba ta powinna być znana jedynie właścicielowi karty i stanowić coś, co go jednoznacznie identyfikuje i autoryzuje transakcję. Zastępuje ona niejako podpis, składany wcześniej na formularzach, obrabianych jedynie przy pomocy "żelazka" (mechanizmu odciskającego wypukłe litery karty plastikowej na papierze z kalką). Niestety, i zapewne nie jest to też niczym nowym dla czytelników tego artykułu, zabezpieczenia tego typu nie stanowią zbyt poważnej bariery dla przestępców, nieuczciwych właścicieli kart i pracowników firm takowe wydających. Ilość oszustw na szkodę użytkowników kart i firm je wydających rośnie bezustannie i wygląda na to, że trend ten może zatrzymać jedynie technika, która pozwoli na gwarantowane rozpoznawanie użytkownika karty.

Rozwiązanie, które opisałem wcześniej ma szansę nie tylko zapewnić niezawodną identyfikację użytkownika karty, lecz nawet zastąpić cały dzisiejszy terminal. Jego podstawę stanowić będzie szklana płytka, na której brzegach umieszczone będą nadajniki i odbiorniki ultradźwięków. Pod płytką znajdzie się ekran, np. ciekłokrystaliczny. Poza tym potrzebna będzie oczywiście jeszcze elektronika, która zmieści się w nielicznych chipach. Całość może stanowić np. kwadrat o boku 10 cm (taki rozmiar będzie miał prawdopodobnie prototyp pierwszej wersji tego urządzenia), choć możliwe są także urządzenia o większych i mniejszych rozmiarach.

Całość działa w oparciu o opisaną powyżej zasadę, że przyłożenie czegokolwiek do powierzchni płytki powoduje zmianę sposobu propagacji fal dźwiękowych w jej wnętrzu, co pozwala na obserwację tego, co się z nią kontaktuje. Obrazy przez taką "czułą płytę" produkowane odwzorowują po prostu te miejsca, które kontaktują się z płytką: Można więc zobaczyć linie papilarne przyłożonego palca, ale oczywiście też stwierdzić, w którym miejscu on się znajduje. Pozwala to nie tylko na jego rozpoznanie, ale też - niejako przy okazji - na wyeliminowanie klawiatury (cała płytka jest bowiem ekranem kontaktowym i stanowić może wirtualną klawiaturę). Można też oczywiście przyłożyć do płytki na przykład ołówek i zobaczyć, w którym miejscu się on znajduje. Niewątpliwie można też nim pisać lub rysować, a urządzenie będzie w stanie śledzić jego ruch - podobnie jak robią to dzisiaj komputerowe tabliczki graficzne. Funkcja ta może posłużyć np. do przekazania podpisu. Dla rozpoznania użytkownika istotne jest jednak jeszcze coś innego: Ponieważ ultradźwięki częściowo wnikają też w głąb przyłożonego obiektu, możliwe jest stwierdzenie, czy chodzi tu o skórę, a nie na przykład żelatynową atrapę, łatwo też jest sprawdzić, czy palec jest żywy - dostrzegalna jest bowiem płynąca w nim krew. Wspomnieć warto może jeszcze, że ślady zostawione przez przyłożone wcześniej palce - klasyczne odciski palców - praktycznie wcale nie są widoczne. Ultradźwięki - w przeciwieństwie np. do światła - po prostu na nie nie reagują (precyzyjniej mówiąc: dają one bardzo znacznie słabszy sygnał).

Dla uzupełnienia obrazu warto może powiedzieć, że całość nie musi być specjalnie droga, a ponieważ nie będzie posiadała żadnych ruchomych części, spodziewać się też można, że będzie bardzo trwała. 

Podejrzewam, że wnikliwi czytelnicy spostrzegli już, że urządzenie to może służyć do jeszcze jednego celu: Jak łatwo zauważyć, relief linii papilarnych jest specyficznie zakodowaną informacją, daną nam przez naturę i mówiącą coś o ludzkich genach. Można sobie łatwo wyobrazić, że także dowolną inną informację da się zapisać w analogiczny sposób, podobnie jak się wykonuje pieczątki. Jeśli zrobi się to na powierzchni karty kredytowej, to ultradźwiękowy terminal będzie mógł działać mniej więcej tak, jak klasyczne "żelazka" - zobaczy relief na jej powierzchni i przeczyta zapisaną w ten sposób informację. Tą funkcję można znacznie udoskonalić i uzyskać gęstość zapisu (rozdzielczość) znacznie większą niż potrzebna do rozpoznawania palca. Może być ona nawet większa niż na dzisiejszych CD. Ale to już jest temat na inny artykuł.

Pewnie nie muszę dodawać, że nie należy sądzić, że urządzenia takie będą miały nalepkę "Made in Poland". Ale przekonany jestem, że - pewnie właśnie dlatego - staną się bardzo popularne i wyprą większość innych technik rozpoznawania ludzi. Po prostu wiem, że są lepsze niż inne. I dzisiaj mogę to już pokazać, nie muszę, tak jak przez 16 laty, polegać na opinii "fachowców".

 

Wiesław Bicz 
  
październik 2002