Odczytywanie struktury linii papilarnych za pomocą kamery ultradźwiękowej

Artykuł przedstawia wynik wieloletniej pracy zespołu Firmy Optel 

  

 Abstrakt:

W niniejszym artykule opisana została konstrukcja kamery ultradźwiękowej o rozdzielczości ok. 0,1 mm, pozwalającej na obserwacje struktur przypowierzchniowych ciał stałych, nadającej się do obserwacji linii papilarnych (powodujących powstawanie odcisków palców). Urządzenie może być przydatne jako biometryczny identyfikator ludzi (do weryfikacji dostępu), może też służyć do badania wszelkich innych struktur, cechujących się czytelnymi ultradźwiękowo zmianami w warstwie przypowierzchniowej, zarówno naturalnych, jak i też sztucznych (np. stworzonych w celu zapisania w nich informacji). W artykule opisana jest istniejąca obecnie wersja takiej kamery i omówione zjawisko, leżące u podstaw jej działania. Przedstawione są też perspektywy dalszego rozwoju urządzenia.
  

W ciągu ostatnich kilku lat zauważyć można powstawanie nowej branży. Ma ona nawet już swoją nazwę: ,,biometria". Jej twórcy pragną skonstruować urządzenia, za pomocą których możliwe byłoby identyfikowanie ludzi na podstawie ich ,,biologicznych" cech: głosu, dynamiki ruchów, budowy twarzy lub innych części ciała, wzoru siatkówki lub tęczówki oka. Jednak bodajże największe nadzieje wiąże się z możliwością rozpoznawania struktury skóry opuszek palców, powodującej powstawanie odcisków palców. Niewątpliwe jest bowiem, że charakterystyczna struktura linii papilarnych jest inna u każdego człowieka, jak też to, że nie zmienia się ona w ciągu jego życia. Dotykanie palcem powierzchni sensora jest poza tym bardzo prostą czynnością. Pragnieniem niejednego wynalazcy urządzeń biometrycznych jest więc skonstruowanie klawisza, który ,,wie", kto go przyciska, i jakim palcem to robi. Użyty do otwierania drzwi klawisz taki wpuszczałby oczywiście tylko ,,swoich", a z tego właśnie chce żyć cała ta branża... [1-3]

Od wielu już lat istnieją urządzenia optyczne, pozwalające na odczytywanie struktury linii papilarnych na żywo - wprost z palca - bez wykorzystywania tuszu i papieru -sprawdzonych, ale niezbyt wygodnych w użyciu narzędzi policjantów od czasów twórców daktyloskopii: Henry'ego, Herschela, Fauldsa i Galtona [4] [5]. Metody optyczne cechuje jednak wiele wad: Bezpośredni obraz palca ma znikomy kontrast, łatwiej na nim zobaczyć brud niż linie papilarne; obraz trójwymiarowy jest trudno wykonalny i zawodzi w przypadku zniszczonych powierzchni palców [2]; wykorzystanie odbicia światła od powierzchni, do której przyłożony jest palec jest natomiast bardzo wrażliwe na tłuszcz, brud i wodę (i to zarówno na ich brak, jak też i nadmiar). Żadna metoda optyczna nie pozwala na łatwe stwierdzenie, czym naprawdę jest obserwowana struktura: czy jest to prawdziwy, żywy palec, jego atrapa, czy też może pozostawiony na powierzchni sensora ślad - tłuszczowy (klasyczny) lub odpowiednio spreparowany odcisk palca... (Opis działania typowych urządzeń tego rodzaju zawiera [6])

Nic dziwnego więc, że pojawiły się też inne niż optyczne sposoby odczytywania struktury linii papilarnych, np. zaproponowana przez Constantine Tsikosa metoda pojemnościowa [7], rozwijana ostatnio przez Firmę SGS-Thomson [8] oraz Siemens [3] [9]. Ponieważ - jak na razie - przedstawione zostały tylko prototypy, nic nie jest wiadomo na temat praktycznych doświadczeń z tymi urządzeniami.
  

Członkowie zespołu firmy Optel są prekursorami metod wykorzystujących ultradźwięki do rozpoznawania palców (pierwsza propozycja [14] pochodzi z roku 1986). Pozwalają one na łatwe odróżnianie prawdziwych, żywych palców od wszelkich innych rzeczy, nie są wrażliwe na brud, tłuszcz itp., 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. 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 obrazu 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 [10 - 13]; zgłoszonych i udzielonych zostało też kilka patentów (M. in.: [14 - 16]). Niniejsza praca ma na celu krótkie przedstawienie istotnych aspektów stosowanych przez nas metod, które nie zostały w znaczącym stopniu omówione w dotychczasowych publikacjach. Celem jej jest też oczywiście przybliżenie zagadnienia czytelnikom ,,Archives of Acoustics".
  

Działanie naszych urządzeń możliwe jest dzięki zjawisku, którego najwyraźniej nikt wcześniej nie wykorzystał, a nawet chyba nie zauważył (nie trafiliśmy na ślad żadnej informacji, która by temu twierdzeniu przeczyła). 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 wpływają na nie 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.

Doświadczenia pokazują, że przejście fali z jednego ośrodka do drugiego może praktycznie nie występować, lecz obserwowane jest jedynie rozproszenie i generacja innych rodzajów fal (szczególnie wyraźnie dostrzegalne jest to w przypadku fal poprzecznych). Uzasadnione wydaje się twierdzenie, że powstające w miejscach kontaktu z przyłożonym obiektem zaburzenia fali mają charakter głównie fazowy (jej czoło ulega przestrzennemu odkształceniu) i że właśnie takie zmiany frontu falowego są bezpośrednią przyczyną obserwowanego rozproszenia. Prowadzone są prace, mające na celu stworzenie teorii, opisującej to zjawisko. Tematowi temu zostaną poświęcone osobne publikacje.

Kilka liczb obrazujących skalę zjawiska: Stosując przetwornik, który - przy obserwacji bezpośredniego odbicia od powierzchni granicznej ciała stałego - daje sygnał na poziomie 1V, możemy - przykładając do tej powierzchni mosiężną kulkę o średnicy 2 mm - odebrać pod kątem np. 20 stopni wynikający z rozproszenia na kulce sygnał ok. 1 mV. Sygnały od struktur przypowierzchniowych opuszek palców będą na poziomie rzędu dziesięciu miliwoltów. Podane liczby dotyczą fal podłużnych, dla fal poprzecznych zjawisko jest znacznie silniejsze.
  

Zostały skonstruowane urządzenia, które wykorzystując powyższe zjawisko pozwalają na pomiar i analizę sygnałów, pochodzących od obiektów, przyłożonych do powierzchni, na której zachodzi rozproszenie kontaktowe. Są one oczywiście dopasowane do potrzeb obserwacji przypowierzchniowych struktur palców. Opisy ich konstrukcji zawarte są we wspomnianych już pracach i patentach [10 - 16]. Dla wszystkich, którzy z tematem tym jeszcze się nie zetknęli, krótkie wyjaśnienie:

Rys.1 Schemat urządzenia

Na powierzchnię, do której przytknięty jest analizowany obiekt kierowana jest od strony prawej fala dźwiękowa (patrz Rysunek 1). Sygnały rozproszone kontaktowo przez obiekt odbierane są przez przetwornik (oznaczony literą T), wykonujący ruch po kole o osi prostopadłej do powierzchni kontaktu (x-y). (Ten sam przetwornik może oczywiście służyć jako nadajnik. Zamiast jednego ruchomego możliwe jest też zastosowanie wielu nieruchomych przetworników.)
Dla analizy struktury z rozdzielczością ok. 0,1 mm konieczne jest zebranie informacji o sygnale rozproszonym z ok. 256 kierunków (inaczej mówiąc: punktów na okręgu, po którym porusza się przetwornik). W aktualnej wersji urządzenia wysyłany jest w każdym kierunku krótki impuls, i odbierany sygnał odpowiedzi impulsowej (w przypadku palca jej spektrum częstości ma zakres ok. 4-16 MHz - wynika to z geometrii urządzenia).
  

Na rys. 2 przedstawione są zestawy odpowiedzi impulsowych kulki, na rys. 4 palca (czas na osi poziomej, kąt na pionowej, amplitudę chwilową reprezentuje lokalne zaczernienie obrazu, zero odpowiada przy tym średniej szarości). Dla uzyskania z tak otrzymanych danych odwzorowania obserwowanej struktury konieczne jest dokonanie rekonstrukcji, która w zasadzie dokładnie odpowiada procedurom, stosowanym w ultradźwiękowej tomografii odbiciowej [17 - 19]. Aby osiągnąć dobrą jakość i krótki czas trwania tej operacji konieczne było opracowanie odpowiednich programów. Stworzone w firmie Optel algorytmy umożliwiają rekonstrukcję obrazu z zestawu 256 odpowiedzi impulsowych (po 256 próbek każda) w czasie ok. 30 ms (na standartowych komputerach klasy Intel Pentium 200 MHz). Spodziewamy się, że wkrótce możliwe będzie takie ich ulepszenie, aby obliczenia te trwały najwyżej 20 ms. Rekonstrukcję dla odpowiedzi impulsowej z rys. 2 przedstawia rys. 3, rys.5 odpowiednio dla rys. 4. Na rys. 6 widać odwzorowanie przyłożonego do czułej powierzchni urządzenia stempla. Wygląd zewnętrzny aktualnej wersji urządzenia pokazany jest na fotografii (rys.7)
  

Wykorzystanie opisanego powyżej, wykrytego przez nas zjawiska i znanych z tomografii metod analizy sygnału nie wystarczyło do zbudowania kamery. Konieczne było jeszcze opanowanie wielu innych problemów:

Dla uzyskania wymaganej rozdzielczości trzeba było stworzyć układ, który posiadając niewielkie rozmiary emituje ultradźwiękową wiązkę gaussowską o znacznej amplitudzie i posiada dużą czułość jako odbiornik. Układ taki został zrealizowany i opatentowany [16], problemom związanym z jego konstrukcją chcemy poświęcić osobny artykuł.

Nieodzowne stało się też stworzenie przetworników, które są w stanie emitować odpowiednio krótki impuls i posiadać jako odbiorniki pasmo przenoszenia odpowiadające przynajmniej pasmu odpowiedzi impulsowej palca (4-16MHz). Wymagane było przy tym, żeby ich funkcja przenoszenia fazy wykazywała w tym zakresie możliwie małą zmienność. Niebłahą cechą takich przetworników musiał być też niski koszt ich wytwarzania i znaczna powtarzalność parametrów. Efektem końcowym tych prac ma być przecież produkowane masowo urządzenie, którego cena nie może być duża. Zespołowi firmy Optel udało się stworzyć przetworniki o całkowicie oryginalnej konstrukcji (zgłoszonej do opatentowania), które są w stanie emitować bardzo krótkie sygnały (o długości ok 20ns - patrz rys. 8 i posiadają bardzo szerokie pasmo przenoszenia jako odbiorniki (ok. 4-25MHz). Amplituda sygnału przez nie emitowanego jest ok. 2 razy większa niż w przypadku klasycznych przetworników impulsowych. Ich czułość jest natomiast nieco mniejsza, co w trybie pracy nadawanie-odbiór daje efekt porównywalny. Ponieważ jednak leżąca u ich podstaw idea otworzyła nową drogę w konstrukcji przetworników ultradźwiękowych, spodziewamy się, że uda się znacznie ulepszyć ich parametry.

Konstrukcja naszej kamery ultradźwiękowej nie byłaby możliwa, gdyby nie powstała własna elektronika: przede wszystkim układ nadawczo-odbiorczy i karta oscyloskopowa. Także te urządzenia cechują się oryginalnymi rozwiązaniami: Nadajnik pozwala generować impulsy o minimalnym czasie trwania ok. 20 ns z amplitudą do ok. 600 V; odbiornik umożliwia analizę sygnałów o minimalnym poziomie ok. 5 mV paśmie 4-16 MHz, dynamika wzmacniacza wynosi 60 dB. Karta oscyloskopowa próbkuje do 200 MS/s i przystosowana jest specjalnie do zbierania zestawów powiązanych ze sobą sygnałów ultradźwiękowych (chodzi tu głównie o parametry czasowe, które w ramach takiego zestawu sygnałów muszą zachowywać bardzo wąskie tolerancje).

Rys.7

Wygląd zewnętrzny kamery

Rys.8

50ns/div
Impuls przetwornika skonstruowanego w firmie OPTEL

Demo Software

Dla uzupełnienia należy wspomnieć o tym, że urządzenie takie nie miałoby sensu w zastosowaniu do odcisków palców, gdyby nie powstały programy, mogące analizować zebrane obrazy linii papilarnych. Także w tym zakresie możemy pochwalić się oryginalnymi rozwiązaniami, choć temat ten pewnie nie zainteresuje czytelników czasopisma poświęconego problemom akustyki. Warto jednak zaznaczyć, że stworzone w tym celu algorytmy umożliwiają nie tylko rozpoznawanie palców, lecz także bardzo znaczną kompresję danych, pozwalających na syntezę wzoru palca z zestawu informacji, którego wielkość nie przekracza 100 bajtów.
  

• Obiekty o podobnej strukturze, lecz wykonane z różnych materiałów dają wyraźnie różne sygnały (różni się zarówno ich amplituda, jak i kształt). Struktura jest natomiast czytelna. Możliwe jest dzięki temu odróżnienie palców od ich imitacji.

• Posmarowanie badanego przedmiotu tłuszczem, żelem, zamoczenie go w wodzie lub zabrudzenie nie powoduje istotnych zmian sygnału.

• Ślad (odcisk) palca jest dostrzegalny z dużym trudem, bowiem poziom sygnału, który on powoduje jest przynajmniej 30dB niższy od sygnału pochodzącego od przyłożonego palca (dla porównania: w urządzeniach optycznych bywa on porównywalny). Utrwalenie go przy pomocy sadzy lub proszku metalowego nie zmienia tego w stopniu zauważalnym.

• Zostawiony przez palec na grubej (ok 0,5 mm) warstwie galarety lub tłuszczu odcisk jest, co prawda dostrzegalny lepiej, ale różni się bardzo od obrazu palca.

• Także palce o zniszczonej powierzchni dają dość czytelny obraz. Ich struktura wewnętrzna jest najwyraźniej jeszcze wyraźna, a zjawisko, które wykorzystujemy reaguje przecież na warstwę przypowierzchniową.
    

W najbliższym czasie planuje się stworzenie wersji urządzenia, które wykorzystując nieruchome przetworniki będzie mogło pokazywać obraz przyłożonego przedmiotu ,,na żywo" tzn. w tempie ok. 25 obrazów na sekundę. Będzie to swego rodzaju kamera ultradźwiękowa, ,,widząca" struktury przypowierzchniowe przyłożonych do jej czułej powierzchni obiektów. Ponieważ posiadać ona będzie elektronikę, dokonującą rekonstrukcji, można ją będzie podłączyć do standartowego monitora. Działająca już dzisiaj kamera używa jednego ruchomego przetwornika i jest w stanie prezentować kilka obrazów na sekundę, musi ona jednak współpracować z komputerem, który dokonuje obróbki sygnału i pokazuje obraz na swoim monitorze.

W ciągu roku 1998 powinna powstać zwarta wersja tego urządzenia, której dalsza miniaturyzacja zaowocować powinna układem wielkości chipu, który rzeczywiście będzie można zamontować w przycisku.
  

[1] E. Newham: The Biometrics Report, SJB Services, ISBN 1-900-18009;
[2] D. Mohrmann: Biometrie als Quantensprung?; W&S 7/97 (Strona 28), Hüthig Verlag, Heidelberg;
[3] H. Müller: Der Körper als Passwort; PC Magazin, Januar 1998 (S. 256), DMV Verlag, D-85622 Feldkirchen.
[4] F. Galton: Finger Prints, opublikowane 1892 przez Macmillan and Co., London i New York, reprint: Da Capo Press, New York 1965;
[5] H. C. Lee, R.E. Gaensslen: Advances in Fingerprint Technology; Elsevier 1991, ISBN 0-444-01579;
[6.] L. H. Andersen, Peter Jürgensen: Fingerprint Verification - for use in Identity Verification Systems, Master Degree Work, Aalborg University 1993;
[7] Siemens AG: EP 0 041 693 A1; 1981;
[8] Fingerprint-Chips, Markt&Technik Nr. 50/97 (12.12.97, S. 46), Magna Media Verlag, D-85531 Haar;
[9] Der Fingertip-Sensor; Blick durch die Wirtschaft, (18.12.97, S. 6), FAZ Verlag, Frankfurt am Main;
[10] M. Pluta, W. Bicz: Rekonstrukcja struktur dwuwymiarowych z zastosowaniem algorytmu FFT; Akustyka Molekularna i Kwantowa, tom 15 (1994);
[11] M. Pluta, W. Bicz: Synthetic aperture acoustic microscope for evaluation of fingertip peripheral skin structure; SPIE Vol. 2390;
[12] W. Bicz, M. Pluta: Ultrasonic Sensor for Fingerprint Recognition; SPIE Vol. 2634;
[13] M. Pluta, W. Bicz: Ultrasonic Setup for Fingerprint Patterns Detection and Evaluation; Acoustical Imaging, Vol. 22, Plenum Press 1996;
[14] Sonident: World Patent WO-A-8 705 790;
[15] Sonident: US Patent Nr.: 5258922;
[16] Sonident: US Patent Nr.: 5515298;
[17] B. Fay: Strukturuntersuchungen mit Hilfe der Ultraschallrückstreuung; in: K. Brendel (Ed.) Stand und Entwicklungstendenzen der Ultraschallmeßtechnik (Vorträge des 64. PTB-Seminars am 23./24.04.1986), ISBN 3-88314-684-6;
[18] G.T. Herman, A.K. Louis, F. Naterrer (Eds.): Mathematical Methods in Thomography, Proceedings, Oberwolfach 1990, Springer Verlag; ISBN 3-540-54970-6
[19] A. C. Kak, M. Slaney: Principles of Computerized Tomographic Imaging; IEEE Press, ISBN 0-7803-0447-0