کلمه بیومتریک از کلمه یونانی bios به معنای زندگی و کلمه metrikos به معنای اندازه‌گیری تشکیل شده است. همه ما می‌دانیم که ما برای شناسایی همدیگر از یک سری ویژگی‌هایی استفاده می‌کنیم که برای هر شخص به طور انحصاری است و از شخصی به شخص دیگر فرق می‌کند که از آن جمله می‌توان به صورت و گفتار و طرز راه رفتن اشاره کرد.
امروزه در زمینه‌های فراوانی ما به وسایلی نیاز داریم که هویت اشخاص را شناسایی کند و بر اساس ویژگی‌های بدن اشخاص آنها را بازشناسی کند و این زمینه هر روز بیشتر و بیشتر رشد پیدا می‌کند و علاقه‌مندان فراوانی را پیدا کرده است. علاوه بر این‌ها امروزه password و ID کارت‌هایی که بکار برده می‌شوند دسترسی را محدود می‌کنند، اما این روش‌ها به راحتی می‌توانند شکسته شوند و لذا غیرقابل اطمینان هستند. بیومتریک را نمی‌توان امانت داد یا گرفت، نمی‌توان خرید یا فراموش کرد و جعل آن هم عملاً غیرممکن است.
یک سیستم بیومتریک اساساً یک سیستم تشخیص الگو است که یک شخص را بر اساس بردار ویژگی‌های خاص فیزیولوژیک خاص یا رفتاری که دارد بازشناسی می‌کند. بردار ویژگی‌ها پس از استخراج معمولاً در پایگاه داده ذخیره می‌گردد. یک سیستم بیومتریک بر اساس ویژگی‌های فیزیولوژیک اصولاً دارای ضریب اطمینان بالایی است. سیستم‌های بیومتریک می‌توانند در دو مد تایید و شناسایی کار کنند. در حالی که شناسایی شامل مقایسه اطلاعات کسب شده در قالب خاصی با تمام کاربران در پایگاه داده است، تایید فقط شامل مقایسه با یک قالب خاص می‌شود که ادعا شده است. بنابراین لازم است که به این دو مسئله به صورت جدا پرداخته شود.
یک سیستم بیومتریک ساده دارای چهار بخش اساسی است
۱) بلوک سنسور: که کار دریافت اطلاعات بیومتریک را بر عهده دارد.
۲) بلوک استخراج ویژگی‌ها: که اطلاعات گرفته شده را می‌گیرد و بردار ویژگی‌های آن را استخراج می‌کند.
۳) بلوک مقایسه: که کار مقایسه بردار حاصل شده با قالب‌ها را بر عهده دارد.
۴) بلوک تصمیم: که این قسمت هویت را شناسایی می‌کند یا هویت را قبول کرده یا رد می‌کند.
هر خصیصه‌ای از انسان می‌تواند به عنوان یک ویژگی در بیومتریک بکار برده شود به شرطی که شروط زیر را برآورده کند:
۱) عمومی بودن: هر شخصی آن خصیصه را داشته باشد.
۲) متفاوت بودن: در اشخاص، متفاوت باشد و دو تا شبیه هم نباشد.
۳) دوام داشتن: در یک بازه زمانی ثابت باشد.
۴) قابل به دست آوردن باشد.
در کاربردهای زندگی روزمره سه فاکتور دیگر نیز باید رعایت شود: کارایی (دقت، سرعت)، دسترسی (برای کاربران بی‌ضرر باشد)، امنیت بالا.
در این مقاله ما به معرفی تعدادی از عواملی که در بیومتریک مورد استفاده قرار می‌گیرند می‌پردازیم.
۱. بازشناسی هویت از طریق اثر انگشت
این روش قدیمی‌ترین روش آزمایش تشخیص هویت از راه دور است.
اگرچه قبلاً اثر انگشت تنها در زمینه جرم قابل بحث بود، تحقیقات در بسیاری کشورها سطحی از پذیرش را نشان می‌دهد که به این روش اجازه استفاده در برنامه‌های عمومی را می‌دهد.
سیستم‌ها می‌توانند جزئیاتی از اثر انگشت (نقاطی مانند تقاطع‌ها یا کناره‌های برجستگی‌ها) یا کل تصویر را بگیرند.
الگوهای مرجع که برای حفظ این جزئیات بکار می‌رود در حدود ۱۰۰ بایت هستند که در مقایسه با تصویر کاملی که از اثر انگشت با حجم ۵۰۰ تا ۱۵۰۰ بایت می‌باشد، بسیار کوچک‌تر هستند.
در برنامه‌های عمومی مشکلاتی در ثبات وجود دارد. بعضی کارگران و معتادان شدید به سیگار، اغلب انگشتانی دارند که تحلیل اثر انگشت آنان مشکل است. با این وجود، طرح‌های بلندمدت و موفق زیادی در استفاده از اثر انگشت وجود داشته است.
در حال حاضر اثر انگشت خوان‌های زیادی در دامنه وسیعی وجود دارند که به همراه بعضی کارت‌خوان‌ها استفاده می‌شوند.
اگرچه در حال حاضر قیمت آنها چندان پایین نیست اما میزان عرضه آنان در فروشگاه‌های کامپیوتر عادی باعث افت سریع قیمت آنان خواهد شد. به طور مثال شرکت هواپیمایی آلمانی لوفت‌هانزا، آزمایش بلیت‌های بیومتریک را آغاز کرده است. این بلیت‌ها با اطلاعات مربوط به اثر انگشت شصت مسافران رمزگذاری شده‌اند و انتظار می‌رود سرعت کنترل را بدون پیچیدگی‌های امنیتی افزایش دهند.
نکته قابل توجه دیگر در سیستم‌های تولیدشده با استفاده از فناوری بیومتریک (اثر انگشت) قابل ملاحظه است، استقبال رو به گسترش مردم از خرید این محصولات است. به طور مثال، شرکت لنوو (Lenovo) با فروش بیش از یک میلیون کامپیوترهای کیفی بیومتریکی که اثر انگشت فرد صاحب آن را اسکن می‌کند، به یکی از بزرگترین فروشندگان کامپیوترهای بیومتریکی در جهان تبدیل شده است.
در این بخش سعی بر آن شده است که اصول کلی، موانع و محدودیت‌های سیستم‌های تشخیص اثر انگشت بررسی شوند.
اصول کلی در سیستم‌های تشخیص اثر انگشت
همان‌گونه که اشاره شد، اثر انگشت یکی از روشهای مطمئن برای شناسایی افراد می‌باشد و در زمینه‌هایی نظیر رسیدگی به جرم، سیستم‌های کنترل حوادث، کنترل مرزهای ملی و … به کار می‌رود. دلیل اصلی انتخاب اثر انگشت برای شناسایی افراد این است که اثر انگشت هر فرد منحصربه‌فرد بوده و بعضی از ویژگی‌های آن تا آخر عمر ثابت باقی می‌ماند و از همین ویژگی‌ها در تطبیق اثر انگشت استفاده می‌شود. برای تطبیق دستی اثر انگشت روشهای استانداردی وجود دارد، اما روش دستی تطبیق اثر انگشت کاری مشکل و بسیار وقت‌گیر بوده و کارایی لازم را ندارد. البته از آنجا که بانک‌های اطلاعاتی دارای میلیون‌ها اثر انگشت می‌باشد، عملاً تطبیق دستی اثر انگشت امری محال می‌شود.
به منظور اتوماتیک کردن تطبیق باید روشی برای تصویر و یا کد کردن اثر انگشت تعریف گردد. این بیان تصویر بایستی شرایط زیر را داشته باشد:
۱) توانایی تمایز هر اثر انگشت در سطوح مختلف رزولوشن،
۲) محاسبات ساده،
۳) قابلیت بکارگیری در الگوریتم‌های تطبیق اتوماتیک،
۴) پایداری و عدم تغییر با نویز و خرابی‌ها،
۵) کارا بودن و نشان دادن تصاویر به صورت فشرده.
اگر تصویر به صورت خام ذخیره شود، حافظه زیادی مورد نیاز است و سیستم کارایی لازم را نخواهد داشت. در روشهای ساختاری ویژگی‌ها از تصویر استخراج و تصویر با این ویژگی‌ها شناخته شده و هم‌چنین با استفاده از همین ویژگی‌ها عمل تطبیق صورت می‌گیرد.
اثر انگشت از برآمدگی‌ها و فرورفتگی‌های فلومانندی تشکیل شده است که بسته به وضعیت قرار گرفتن آنها ویژگی‌های مختلفی به وجود می‌آید. تا کنون ۱۸ ویژگی برای اثر انگشت شناخته شده است که دو ویژگی مهم آن، انتهای برآمدگی و دوشاخه شدن برآمدگی می‌باشد که اصطلاحاً به آنها مینوتیا می‌گویند. اطلاعات مینوتیا در مولفه‌های x، y و زاویه برآمدگی‌ها آنها قرار دارد. ساختار توپولوژیکی مینوتای یک اثر انگشت منحصربه‌فرد بوده و با گذشت زمان تغییر نمی‌کند. در نتیجه می‌توان تشخیص اثر انگشت را بر مبنای تطبیق ساختار توپولوژیکی مینوتیا استوار ساخت. در یک تصویر انگشت با کیفیت نسبتاً خوب در حدود ۷۰ تا ۸۰ مینوتا وجود دارد که البته این تعداد در تصویرهای جزئی به حدود ۲۰ تا ۳۰ ویژگی کاهش می‌یابد، اما باز هم با این تعداد می‌توان عمل تطبیق اثر انگشت را انجام داد.
اکثر سیستم‌های تشخیص اثر انگشت، ساختاری بر مبنای مینوتیا دارند. در این سیستم‌ها سه مرحله اساسی برای تشخیص وجود دارد که عبارتند از:
۱) پیش‌پردازش
۲) استخراج مینوتیا
۳) تطبیق مینوتیا
مرحله اول برای افزایش کیفیت تصویر انجام می‌گیرد، مرحله دوم برای استخراج ویژگی‌های تصویر و مرحله آخر برای مقایسه مورد استفاده قرار می‌گیرد.
در مورد تطبیق، روشهای گوناگونی وجود دارد که از جمله می‌توان به موارد ذیل اشاره کرد:
۱) تطبیق مجموعه نقاط
۲) تطبیق گراف
۳) هم‌شکلی دو زیرگراف
البته عمل تطبیق بنا به دلایل زیر نیاز به محاسبات پیچیده دارد:
۱) معمولاً کیفیت اثر انگشت پایین است.
۲) بانک اطلاعاتی اثر انگشت‌ها بزرگ است.
۳) تصویرهایی که به صورت ساختاری آسیب دیده‌اند، به الگوریتم‌های نیرومندی جهت تطبیق نیاز دارند.
در سیستم‌های تشخیص اثر انگشت موجود در بازار که از این دو ویژگی (انتهای برآمدگی و دوشاخه شدن برآمدگی) استفاده می‌شود، به علت بزرگ بودن بانک اطلاعاتی و نویزدار بودن تصاویر، یک تطبیق یک به یک عملاً مشکل بوده و از این رو یک سری از تصویرهای تطبیق‌یافته تهیه و سپس تطبیق نهایی توسط افراد متخصص انجام می‌گیرد.
استخراج سایر ویژگی‌ها
علاوه بر ویژگی‌های بیان شده، در بسیاری از سیستم‌های تشخیص اثر انگشت، از ویژگی‌های سطح بالا نیز استفاده می‌شود. این امر باعث افزایش صحت عمل تطبیق می‌گردد. یکی از این ویژگی‌های مهم کلاس الگوی اثر انگشت می‌باشد.
اثر انگشت به پنج کلاس اصلی تقسیم می‌شود که عبارت‌اند از:
۱) کمان
۲) کمان مایل
۳) حلقه چپ
۴) حلقه راست
۵) مارپیچ
در تصاویر نویزدار و جزئی ممکن است کلاس الگو نامشخص باشد، که در این صورت از یک ویژگی سطح بالاتری به نام چگالی برآمدگی‌ها به جای کلاس الگو استفاده می‌شود که بیانگر تعداد برآمدگی‌ها در واحد طول تعریف می‌شود. به منظور مستقل کردن چگالی برآمدگی‌ها از جهت تصویر، تعداد برآمدگی‌ها بین دو نقطه منفرد محاسبه می‌شود. نقاط منفرد در اثر انگشت هسته و دلتا می‌باشند. هسته بالاترین نقطه در داخلی‌ترین برآمدگی و دلتا یک نقطه سه‌شاخه است که سه برآمدگی از کنار آن عبور می‌کند.
در ادامه به بررسی مختصری از مراحل کد کردن اطلاعات اثر انگشت می‌پردازیم:
۱) نحوه به دست آمدن تصویر اثر انگشت
۱-۱) کاغذ و مرکب: در سال‌های گذشته بیشتر از روش کاغذ و مرکب استفاده می‌شد به این ترتیب که در ابتدا اثر انگشت فرد با استفاده از مرکب روی کاغذ ثبت و سپس تصویر اثر انگشت اسکن شده و فایل تصویری آن آماده می‌شد، که این روش اکنون به علت مشکلات خاص خود و البته پیشرفت تکنولوژی کم‌کم منسوخ می‌شود. معمولاً چون کیفیت تصویر به دست آمده پایین است با استفاده از تکنیک‌های پردازش تصویر این نقیصه تا حدی مرتفع می‌گردد.
۱-۲) روش اسکن مستقیم نوری: روشهای گوناگونی برای انجام این نوع تصویرگیری وجود دارد.
۱-۳) با استفاده از سنسور LE: در این روش از تکنولوژی نیمه‌هادی‌ها استفاده می‌گردد. به این ترتیب که انگشت شخص بر روی سنسور LE که از جنس نیمه‌هادی می‌باشد، قرار گرفته و در نتیجه در محل‌های برآمدگی پوست انگشت که در تماس با سنسور می‌باشند، فوتون آزاد شده و به این ترتیب اثر انگشت ثبت می‌گردد.
امروزه اسکنرهایی که برای ارتباط با کامپیوتر طراحی شده‌اند، به راحتی اطلاعات تصویر اثر انگشت را تهیه و از طریق درگاه‌های کامپیوتر در اختیار نرم‌افزارهای مربوطه قرار می‌دهند.
نحوه استخراج ویژگی‌ها
در اکثر سیستم‌ها از روشهای ساختاری که بر مبنای مینوتا هستند برای استخراج ویژگی‌ها استفاده می‌شود. در این سیستم‌ها در ابتدا پیش‌پردازش‌های اولیه‌ای مانند یکنواخت کردن هیستوگرام، تشخیص برآمدگی‌ها و نازک کردن آنها روی تصویر اعمال می‌گردد. سپس با استفاده از روشهای زیر به استخراج ویژگی‌ها و شناسایی اثر انگشت مبادرت می‌ورزند:
۱) روش فازی
۲) روش شبکه‌های عصبی
۳) ساختن گراف مربوطه به هر تصویر با استفاده از میدان جهت‌دار و الگوریتم راتا
پیاده‌سازی این روش‌ها یا با استفاده از کامپیوتر انجام گرفته و یا از مدارات مجتمعی که به همین منظور ساخته شده است، انجام می‌گیرد.
