Дактилоскопия

Материал из Техническое зрение
Перейти к: навигация, поиск

Содержание

Краткий исторический обзор.

Исследования в области биометрии начались более ста лет назад с разработки методов сравнения отпечатков пальцев. В 1891 г. англичанин Френсис~Гальтон предложил систему классификации папиллярных узоров. Статья с его выводами была опубликована в журнале "Природа", но не обратила на себя должного внимания. В $1892$ г. вышла его книга "Отображение пальцев", в которой впервые рассматривалась возможность идентификации человека по оттискам пальцев. В книге были сделаны три основополагающих вывода: узор папиллярных линий остается неизменным на протяжении всей жизни человека, узор неповторим и индивидуален, узор поддается классификации.

Позднее более совершенную систему классификации отпечатков пальцев разработал другой англичанин - Эдуард Ричард Генри, шеф Скотланд-Ярда. В конце 1896 г. он нашел способ приведения в порядок огромной картотеки, в которой хранились отпечатки пальцев. Система классификации Генри обеспечила возможность быстрого поиска нужной карточки. На помощь пришли пять выделенных типов узоров: дуговой, шатровый, радиально-петлевой, ульнарно-петлевой и завитковый.

Результаты исследований Генри были опубликованы в его книге "Классификация и использование отображений пальцев", изданной в Индии. Работа оказалась настолько удачной, что, будучи представленной комиссии ученых, получила положительную оценку, а полиция приобрела мощный метод доказательства. В $1902$ г. английский суд впервые признал факт совпадения отображений пальцев как доказательство. В России дактилоскопия начала использоваться с $1906$ г., когда циркуляром Главного тюремного управления она была введена для регистрации в тюрьмах. В $1908$ г. дактилоскопия начала использоваться в поисковых отделениях больших городов.

В настоящее время разработаны известные математические модели для доказательства индивидуальности узоров отпечатков пальцев. Отпечатки пальцев, а в настоящее время и ладоней, благодаря совершенствованию техники дактилоскопической экспертизы и развитию компьютерных технологий, играют все возрастающую роль в задаче идентификации человека.

Исторически сложилось так, что изучение папиллярных узоров проводилось в рамках нескольких научных направлений.

$\textit{Первое}$ из них можно назвать естественно-научным. Труды значительного числа основоположников этого направления были в наше время обобщены. Э.~Локар дал общую характеристику свойств папиллярных узоров, выделив среди них те, которые имеют значение для идентификации (постоянство, неизменяемость и разнообразие), отражают закономерности наследования, указывают на половые и возрастные различия, свидетельствуют о наследственных заболеваниях. Дальнейшие исследования были направлены на анализ отражения наследственных заболеваний в папиллярном узоре, на изучение связей узора с морфологией человека и закономерностей распределения узоров в различных расах. Исследования в рамках естественно-научного направления показали, что папиллярные узоры есть не что-то внешнее по отношению к организму, а отражают сложные функциональные зависимости в таком системном образовании, как организм человека. Они определили пути специальных научных исследований с целью разработки новых экспертных методик для решения криминалистических задач.

$\textit{Второе}$ направление исследований связано с совершенствованием научных основ дактилоскопической экспертизы. Здесь выделяются работы, связанные с классификацией папиллярных узоров и частных признаков, с оценкой идентификационной значимости частных признаков, с выработкой концепции по обоснованию тождества или непрерывной классификации. Изучению подверглись научные основы пороскопической экспертизы, которая может применяться в тех случаях, когда дактилоскопия не решает вопрос о тождестве.

Это направление привело к разработке новых экспертных методик идентификации человека по следам пальцев рук и ладоней, идентификации родителей по папиллярным узорам детей, идентификации новорожденных по отпечаткам стоп. В это же время была разработана методика вероятностного определения пола по имеющемуся оттиску пальца или руки.

$\textit{Третье}$ направление относится к автоматизации дактилоскопических экспертиз. Это установление личности неопознанных трупов; установление лиц, скрывающих анкетные данные, и лиц, оставивших следы и поставленных на дактилоскопический учет; установление факта, одним лицом или разными лицами оставлены следы рук, изъятые с мест различных преступлений; аутентификация личности в пропускных системах и системах ограниченного доступа; таможенный контроль.

Проблематика автоматической дактилоскопической идентификации активно развивается с середины прошлого века:

в 1960-е годы биометрическое подразделение NIST проводит первые попытки автоматизации процесса идентификации личности по отпечаткам пальцев;

в 1970-е годы разрабатываются первые автоматизированные дактилоскопические системы;

в 1980-е годы разрабатываются первые методы полностью автоматической идентификации.

В настоящее время задача автоматической идентификации по отпечаткам пальцев рук решается при помощи автоматизированных дактилоскопических информационных систем (АДИС). В мире насчитывается более сотни АДИС, наиболее известными из которых являются японская система NEC, французская система SAGEM, канадская система PRINTRAK, американская система COGENT, российская система PAPILLON.

При исследовании реальных объектов зачастую приходится принимать во внимание разнообразные неопределенные факторы, действующие на отпечаток пальцевого узора. Эти факторы могут быть связаны, например, со свойствами следообразующего материала, с деформацией пальца в момент следообразования, с дефектами кожи в виде ожогов, шрамов, складок, грязи и шелушения.

Работа в АДИС начинается с регистрации изображений в устройстве ввода отпечатков пальцев или ладоней. Изображения в электронно-цифровом виде формируются в результате сканирования дактилокарт с помощью планшетного сканера, ввода пальцев и ладоней с "живого сканера", фотографирования цифровым фотоаппаратом следов пальцев и ладоней с фотопленки.

Рассмотрим основные свойства отпечатков пальцев, ладоней и их следов.

Признаки отпечатков и следов.

Узоры на коже пальцев рук образуются кожными гребешками, сформированными двумя рядами сосочков, имеющих разнообразную форму, между которыми на некотором расстоянии друг от друга расположены отверстия потовых канальцев. Гребешки отделяются друг от друга бороздками. Почти параллельные между собой, выпуклые линии гребешков образуют на поверхности кожи узорчатые потоки - $\textit{общие признаки}$ - рисунки в виде петель, дельт, завитков и карманов. Две дельты и один завиток видны на рис. 10. Сочетание общих признаков обычно задает классификацию отпечатка по типам узоров, которых может быть более десятка, как в системе Генри. Однако наиболее популярны дуговой, шатровый, правопетлевой, левопетлевой, завитковый, сложнозавитковый и неопределенный типы узоров.

У человека в процессе роста организма узор из линий возникает и развивается вокруг некоторого центра, формируя петли, завитки, двойные петли... К положению этого центра на пальце разрастаются две другие системы волнистости: одна идет от выпуклости вокруг ногтя, а другая - от углубления между фалангами. В месте встречи трех систем волнистости обычно образуются дельты. Частично сформированные общие признаки называют ложными петлями, ложными дельтами или ложными завитками. Следует отметить сложность критериев отличия общих признаков от их ложных собратьев.

Криминалистическая дактилоскопия имеет дело с отпечатками пальцев. На отпечатках, пригодных для дактилоскопического анализа, видны образованные краской или потожировыми веществами чередующиеся светлые и темные линии. Эти линии, обычно соизмеримой величины, - след от гребней и бороздок кожи пальцев. Их называют папиллярными линиями, или просто $\textit{линиями}$. Светлые линии, наблюдающиеся между следами от гребней кожи, принято называть $\textit{просветами}$.

Сумму ширины темной и светлой линии в некоторой окрестности отпечатка называют $\textit{периодом}$ линий $T$. На него опираются инвариантные метрические отношения признаков отпечатка. Величина периода $T$ непостоянна в различных областях одного и того же отпечатка, варьирует на отпечатках разных пальцев одного человека и разных людей. Обычно его величина лежит в пределах $0{,}25$ - $0{,}85$~мм, в среднем $T=0{,}48$~мм.

Совокупность нескольких почти параллельных папиллярных линий, не образующих общие признаки, называют $\textit{потоком}$. Обычно поток образуется двумя и более линиями. Количество их определяет мощность потока. Количество линий в потоке не постоянно. Линии оканчиваются или начинаются, соединяются или расщепляются. Таким образом, в местах изменения мощности потока образуются $\textit{частные признаки}$: окончания и начала линий, их соединения и расщепления (см. рис. 10). Такое разделение признаков условно, поскольку зависит от направления движения по потоку. Известны работы, в которых выделяется до $13$ частных признаков: окончание линии, расщепление линии, фрагмент, островок, точка, примыкание, мостик, крючок, дельта, пересечение, утроение линии, прерывание линии, другие признаки. Фактически это составные признаки, которые могут быть синтезированы комбинацией расщеплений и окончаний. Поэтому для методов автоматического кодирования изображений существенны два их типа: $\textit{окончание и расщепление линии}$, к которым иногда добавляют $\textit{кросс}$ - пересечение двух линий. Окончание и расщепление могут переходить одно в другое (мутировать) в зависимости от характера следообразования и свойств следообразующего материала. Другие элементы отпечатков и следов (мостики, крючки, глазки, фрагменты линий, межпапиллярные линии, микровключения, микроразрывы линий и др.) не влияют на мощность потока из-за их малых размеров. Количество частных признаков сильно варьируется на различных отпечатках, а те области отпечатка, которые их не содержат, также важны в информативном отношении.

Продольные границы линий содержат микронеровности размером до $0{,}5T$, которые не учитываются при определении периода. Линии, как правило, утолщаются в местах расположения отверстий потовых канальцев. Эти отверстия на качественном отпечатке выглядят контрастно выделяющимися на линиях светлыми пятнами, отстоящими друг от друга на величину не менее $0{,}5T$; их диаметр не превосходит $0{,}3T$.

Иногда на отпечатках между линиями нормальной ширины встречаются сверхтонкие линии шириной до $0{,}3T$ или их короткие обрывки - межпапиллярные линии. Кроме того, на отпечатках хаотично присутствуют микродетали размером до $0{,}25T$, возникающие из-за потового покрытия и шелушения кожи или неоднородности красителя и материала - носителя изображения.

Наконец, на линиях из-за неровностей линий в большом количестве наблюдаются микроразрывы. Их ширина обычно бывает не более $0{,}5T$. На некоторых отпечатках (в источниках указывается до 10{\%}) эти микроразрывы совпадают на нескольких соседних линиях и образуют пересекающие узор тонкие светлые складки. Ширина складок близка к $0{,}5T$, а длина может достигать величины $20T$.


Стандартное разрешение для ДИ отпечатков пальцев, ладоней и следов составляет $500$ точек на дюйм. Если отпечаток пальца принадлежит ребенку, то ДИ стандартного разрешения может утратить читабельность частных признаков и даже папиллярных линий. В последнее время с развитием биометрических технологий интересным становится разрешение $1000$ точек на дюйм. При таком разрешении лучше видны общие и частные признаки ДИ, крючки, глазки, мостики, микродетали, поры, микроразрывы, примыкания и т. д.


7-6-10.jpg

Некоторые частные и общие признаки ДИ


Свойства отпечатков и следов.

При дактилоскопировании происходит неравномерное изменение расстояния между признаками узора. Это вызвано эластичностью кожи, возрастными и профессиональными изменениями размеров пальцев. Величина деформации кожи при ее соприкосновении с материалом неодинакова для различных фрагментов отпечатка: расстояние между признаками может изменяться до 40{\%}, взаимная ориентация признаков - до $30$° , однако и то и другое зависит от загрязненности кожи, направления линий, неровности поверхности. При крайне редких сложных деформациях кожи эти изменения могут возрастать.

При пересъемке отпечатков пальцев появляется еще один вид искажения - масштабный. Такое искажение появляется при пересъемке с криволинейных поверхностей, эластичных и гибких материалов, усыхающих материалов, а также при наклоне и смещении оптической оси фотоаппарата. Такие нарушения масштаба носят как общий, так и локальный характер. Компенсировать их не удается даже с помощью масштабной линейки.

Инструкция по дактилоскопированию пальцев в Российской Федерации предписывает размещать отпечатки на дактилоскопических картах внутри специальных рамок. Однако примерно 5{\%} отпечатков пальцев выходят за рамки, а для 2{\%} отпечатков пальцев наблюдается частичное взаимное наложение на краю рамок. Что касается отпечатков ладоней, то они вообще могут располагаться как угодно. Кроме того, организация работ в разных странах имеет собственную специфику. Например, в Перу принято вертикальное расположение прокатанных пальцев рук вдоль противоположных краев дактилокарты.

При дактилоскопировании продольная ось пальца должна быть установлена перпендикулярно нижнему обрезу дактилоскопической карты. Однако на практике наблюдаются отклонения от нормы, превышающие $30$° . Иногда сами пальцы прокатывают на произвольном расстоянии друг от друга, а пальцы правой руки располагают на неопределенном расстоянии от пальцев левой руки.

На границах отпечатков общая яркость изменяется плавно или скачком. Линия границы отпечатка преимущественно представляет собой выпуклую форму с локальными нарушениями выпуклости размером до $3T$. При повторной прокатке одного и того же пальца границы отпечатков не совпадают, а при повторном следообразовании - тем более.

Известен эффект смазывания отпечатка пальца. Отпечатки получаются смазанными, если пальцы проскальзывали по воспринимающей поверхности. На различных участках отпечатка смазывание почти всегда различно по величине и направлению. При прокатке пальца оно, как правило, не превышает $0,5T$, а линии не заходят друг на друга. При следообразовании этот процесс резко усложняется. На участках следа наблюдаются плавные или скачкообразные изменения величины смазывания с наложением линий друг на друга.


Неоднородности цвета и фактуры материала - носителя отпечатка - создают заметный фон искажений. Фон определяется оптическими свойствами бумаги. Дактилоскопирование в стационарных условиях осуществляется на белую бумагу, коэффициент отражения света которой может меняться до 5{\%}. При этом иногда используются случайно попавшиеся сорта бумаги с плохими световыми и цветовыми характеристиками, которые со временем неравномерно ухудшаются.

В случае следообразования узоры отпечатываются в виде фрагментов случайной формы, на которых явно проявляется текстура материала - носителя следа, а также линейная и нелинейная деформация узора линий. Иногда происходит наложение следов. В этом случае один узор просматривается через общий вид другого узора.

Образование фона на следах происходит в два этапа. Сначала в процессе следообразования на отпечаток узора накладывается видимая структура следообразующего материала. Такое наложение, как правило, вносит сильные искажения. Дополнительные искажения вносит операция съема следов на материал-носитель. В итоге происходит нелинейное совмещение изображений фона и узора, усложняющее реконструкцию изображений.

Широко распространенным типом искажений являются залипания и непропечатки линий. Иногда они занимают участки до половины площади узора. На границах таких участков видимые характеристики линий постепенно меняются, но иногда встречаются контрастные границы. По этой причине примерно 10{\%} отпечатков и 60{\%} следов не содержат информативной структуры линий. Под информативной структурой понимается узор отпечатка или следа пальца или ладони, который однозначно интерпретируется экспертом-криминалистом.

Квазипериодичность структуры линий сохраняется как на отпечатках, так и на следах. Она, как и ориентация потока, угадывается даже на сильно зашумленных и смазанных отпечатках и следах. Действительно, период линий $T$ устойчиво наблюдается при осмотре узора поперек линий.

Направление линий обычно изменяется плавно, иногда скачкообразно в области карманов, петель, дельт, завитков или мест с разрушенной структурой линий. Наряду с потоком вводится $\textit{кривизна}$ как изгиб потока вокруг некоторой области отпечатка. По кривизне определяют линии перегиба кривизны. При наличии деформации кривизна может скачкообразно менять свое направление, а линии перегиба кривизны смещаться.

Самое важное свойство отпечатков и следов пальцев и ладоней заключается в том, что они обладают постоянством и индивидуальностью. Их постоянство обусловлено тем, что папиллярные линии остаются неизменными на протяжении всей жизни человека. После поверхностных травм (царапин, легких ожогов, истертостей) линии восстанавливаются в прежнем виде со всеми своими характерными особенностями. Их индивидуальность основана на многообразии форм и взаимного расположения мелких деталей папиллярных узоров. В мире одинаковых отпечатков пальцев не обнаружено, даже у однояйцовых близнецов. Для установления тождества отпечатков пальцев и их следов в разных странах устанавливается минимально допустимое число частных признаков (от $8$ в Болгарии до $16$ в Италии). Этот минимум определяется оценками надежности идентификации, которые в открытых публикациях, однако, сильно расходятся. В России тождество отпечатков пальцев считается доказанным, если количество частных признаков превышает число~$12$.

Кодификация признаков.

Общие признаки узоров состоят из дельт, петель и завитков, к которым добавляются карманы. Карман - это протяженная область узора шириной до $2T$, в которой сталкиваются по-разному ориентированные потоки, не образующие дельт, петель и завитков. Структура узора внутри петель, дельт и завитков дополнительно описывается характером расположения папиллярных линий. Так формируются понятия: наполнение и плечи петли, рукава дельты, елочка в шатровом узоре и т. п. Проработана методика оценки точного местоположения петель, дельт и завитков по папиллярным линиям. На основе общих признаков строят схемы деления узоров на зоны и определяют гребневый счет, который совместно с комбинацией общих признаков определяет тип узора в соответствии с системой классификации Гальтона, Генри, Вуцетича, ФБР и др.

Таким образом, ключом к правильной классификации типов узоров является уверенное детектирование дельт, петель и завитков на отпечатках и следах пальцев рук. В действительности, однако, такой уверенности нет даже у эксперта, а о компьютерных технологиях и говорить не приходится. Задачу усложняют шрамы, ожоги, ложно-петлевые и ложно-завитковые узоры, редко встречающиеся и аномальные узоры.


Частные признаки определяются деталями строения папиллярных линий. В криминалистической литературе чаще встречается та классификация деталей, в основе которой лежит их конфигурация, имеющая несколько вложенных уровней описания. Для деталей, увеличивающих число линий в потоке, вводят начало и разветвление линии. Для деталей, уменьшающих число линий в потоке, вводят окончание и слияние линии. Другие детали узора, которые не влияют на число линий в потоке, кодируются как точка, обрывок, глазок, крючок, мостик. Начало, разветвление, окончание, слияние и глазок могут быть симметричными или асимметричными; точки - автономными или слитными; обрывки - прямыми или изогнутыми; крючки - восходящими или нисходящими, правыми или левыми; мостики - восходящими или нисходящими. Такое трехуровневое описание частных признаков узора считается исчерпывающим.

Известно несколько кодификаторов деталей узора, однако описание существенно упрощается и формализуется, если ввести кривизну линий в области частного признака и направление отслеживания линии, на которой или рядом с которой располагается деталь. Тогда все детали узора без исключения влияют на мощность потока, и остается определить минимальный размер области, для которой эта мощность измеряется. Это расширяет возможности автоматической интерпретации отпечатка, однако все равно эта интерпретация остается несовершенной: окончание может залипнуть в слияние, крючок и глазок замазаться и т. п. Свойства симметричности и автономности еще более неустойчивы.

Отпечатки имеют некоторое сходство рисунка, которое позволяет разбить их на классы. Внутриклассовое разделение отпечатков основывается на взаимном уникальном расположении общих и частных признаков. Качество автоматического распознавания общих и частных признаков ДИ определяет возможности аутентификации. К сожалению, современные технологии не позволяют сделать это безошибочно и быстро. Действительно, ДИ стандартного разрешения отпечатка обычной ладони занимает до $10 000 000$ байт памяти. При таких объемах данных работа в реальном режиме времени вряд ли возможна. Так называемые оперативные проверки задержанного по отпечаткам пальцев занимают минуты по базе данных в миллион дактилокарт, а по ладони и того больше. Поэтому для ДИ предварительно выполняют классификационный анализ (КА) и формируют систему признаков - шаблон, который затем сравнивают с другими шаблонами из базы данных (БД). Обычно у разработчиков шаблоны различаются, если они не ограничиваются стандартом. Функциональный отрыв на уровне архитектуры системы задачи обработки от задачи сравнения позволяет во много раз уменьшить время реакции системы.

Рассмотрим теперь несколько примеров биометрических приложений, встречающихся на практике.

Полезные ссылки

  1. ☝ К началу
  2. ☜ Биометрия
Личные инструменты
Пространства имён

Варианты
Действия
Навигация
Инструменты