Der folgende Artikel beschäftigt sich mit der Frage nach den verschiedenen technischen Möglichkeiten der Aufnahme und Bearbeitung von Fingerabdrücken. Auf die nach der Erfassung der Fingerabdrücke verwendeten Vergleichsalgorithmen wird im weiteren nicht eingegangen, da diese den Umfang dieser Arbeit sprengen würden. Ein Problem bei der Erfassung von Fingerabdrücken, welches bei jeder der hier vorgestellten Methoden auftreten kann, ist die unterschiedliche Verschmutzung des Fingerabdrucks, z.B.: durch Hautfeuchtigkeit, Schmutz, oder sonstige Verunreinigungen welche bei allen Systemen zu Qualitätsunterschieden der Aufnahmen führt.
Vorgestellt werden nun 4 verschiedene gebräuchliche Techniken zur Aufnahme von Fingerabdrücken. Ausserdem werden zu Beginn die grundlegenden Eigenschaften eines Fingerabrucks kurz erklärt, um die verschiedenen Techniken besser bewerten zu können.
Um die verschiedenen Techniken der Aufnahme von Fingerabdrücken besser zu verstehen, werden nun kurz die wichtigsten Merkmale ( wie in Figure 1 ersichtlich ) vorgestellt:
|
 |
|
|
||
|
||
|
||
|
Figure
2
Die verschiedenen Techniken zur Erfassung der Merkmale von Fingerabdrücken
Es wird unterschieden in 4 grundlegende Techniken. Die Gemeinsamkeit bei all diesen Systemen besteht in der Klassifizierung der Fingerabdrücke. Diese Klassifizierung erfolgt nach "Arch" (nur einfache Bögen), "Tented Arch" (steil ansteigende und wieder steil abfallende ridges vorhanden), "Loop" (Schleife vorhanden) und "Whorl" (Windung vorhanden). 5% Prozent der Fingerabdrücke sind Bögen ( Arches ), 30% sind Wirbel ( Whorls ), und 65% sind Schleifen ( Loops). Diese Unterteilung wurde erstmlas in der Doktorarbeit des Tschechischen Wissenschaftlers Johannes Purkinje (geb. 1787 - gest. 1869) vorgestellt. Die vorgenommene Unterteilung gliedert sich dann wie folgt:
|
|
|
|
|
|
|
Die technischen Möglichkeiten zur Aufnahme von Fingerabdrücken, welche weiter unten im Text ausführlich behandlt werden, funktionieren zwar alle auf Unterschiedlichen Prinzipien, jedoch wird bei allen von Ihnen diese Klassifizierung zur Hand genommen. Trotzdem alle nun vorgestellten Systeme einzeln gute Erfolgsraten in Hinblick auf die Falsche Akzeptanz Rate (FAR) im Verhältnis zur Falschen Rückweisungs Rate (FRR) in implementierten Authorisierungssystemen aufweisen, wird man in Zukunft nicht umhinkommen die einzelnen Systeme zu vereinen. Die verschiedenen Techniken sind:
1.Tinte und auf Papier Roll Methodik
Der Großteil der auf der Welt verfügbaren ( abrufbaren) Fingerabdrücke wurde nach dem alten System des Färbens eines Fingers, und anschließendem abrollen des selbigen erstellt. Mittlerweile natürlich auch digitalisiert abrufbar. Diese Methode war ein wichtiger Schritt für die Kriminalistik, besitzt jedoch heutzutage keinerlei Relevanz im Bereich der Bild, und Mustererkennung im gewerblichen Rahmen. Vor allem als Zugriffsberechtigung im kommerziellen Bereich ist es nahezu nutzlos, da wir hier eine möglichst schnelle, billige und zuverlässige Art der Zugriffskontrolle benötigen. Deshalb:
2. Fingerabdruck u. Fingerscan
Beim Fingerabdruck, wird selbsterklärend ein Bild erzeugt. Dies geschieht heutzutage mit Scannern, früher noch mit Tinte und Papier, wobei das Grundkonzept natürlich das Selbe bleibt. In der Datenbank des FBI findet man ungefähr 200 Millionen solcher Bilder welche jeweils eine durchschnittliche Größe von ca. 250kb haben. Die Größe der zu verarbeitenden und zu speichernden Daten ist daher relativ unhandlich und geht mit einer langen Vergleichsdauer einher. Daher wird heute, natürlich auch auf der Basis eines Fingerabdrucks der sogenannte Fingerscan benutzt. Bei diesem Verfahren wird keine 1:1 Abbildung erstellt, sondern es werden nur signifikante Punkte des Fingerabdrucks, ( siehe Einleitung) gespeichert. Dies reduziert die erforderliche Datenmenge pro Fingerabdruck auf nur mehr 250 - 1000 Bytes. Die Zugriffszeit beim Vergleich innerhalb einer Datenbank von ca. 100.000 Bildern beträgt dann nur ca. 1- 3 sec. Zum Vergleich: Eine Suche nach Bildern im Zentralcomputer des FBI benötigt trotz AFIS (Automated Fingerprint Identification Systems) einige Stunden.
Die Auflösung dieser Systeme ist abhängig von dem Verwendungszweck. So wird zum Bsp. bei Kindern eine Scanntiefe von 1000dpi verwendet, bei Erwachsenen abhängig vom Sicherheitsgrad, eine Auflösung von 500 oder 250 dpi. Die am meisten eingesetzten Sensoren sind mit einer schwarz - weiss CCD Kamera bestückt. Hierbei wird mittels Infrarot Licht die Hautoberfläche des Fingerabdrucks beleuchtet. Das reflektierte Licht wird dann mit der erwähnten CCD Kamera aufgenommen. Dieses Verfahren ist vor allem mit Augenmerk auf die Lebenderkennung ( die Überprüfung ob der verwendete Fingerabdruck von einem lebenden Finger gemacht wurde oder nicht ) interessant, da nur lebendes Gewebe genügend Infrarotlicht reflektiert als das eine Aufnahme gemacht werden kann.
Ein Beispiel dazu wäre die von der Firma Jinwoo Hi-Tech Co.,Ltd hergestellte Mouse mit integriertem optischen Sensor zur Erfassung des Fingerabdrucks. Äuqivalente Produkte gibt es natürlich auch von vielen anderen Firmen wie z.B.: der Firma Siemens.
Figure
3
3. Kapazitiv
Bei dieser Methode zu Datenerfassung,wird eine Scanplatte mit den Maßen 1 x 1,5 cm verwendet. Die durchschnittliche Auflösung bei diesen Systemen liegt bei 500 dpi.Gemessen wird hierbei nicht optisch, sondern gemessen wird mittels Wechselstrom. Die an die Form eines Fingers angepasste Scannplatte wird als ein Kontakt genutzt, der Finger als der andere. Daraus ergibt sich ein aus dem Signal das zurückkommt / bzw. nicht zurückkommt ein Bild von der Oberflächenbeschaffenheit des individuellen Fingerabdrucks. Heutzutage wird hierfür haupsächlich ein Sensor Chip der Firma Infineon Technologies verwendet. Dieser misst die unterschiedliche elektrische Aufladung zwischen den Fingerrillen. Zur veranschaulichung hier die technischen Daten eines representative Chips der Firma Siemens:
Bildgröße: 224 x 288 Pixel
Datenübertragungszeit: <100 ms
Auflösung: 513 dpi
Bildformat: 8 Bit pro Pixel
Größe der Sensor-Fläche: 11,1 mm x 14,3 mm
Größe des Sensor-Moduls: 18 mm x 21 mm x 1,5mm
Schnittstelle: parallel oder seriell
Betriebsspannung: 5 V
Leistungsaufnahme: <50 mW
Betriebstemperatur: -40 C bis +85 C
Bei dieser Methode ergibt sich eine Scanntiefe von 200 - 300 Linien sowohl vertikal als auch horizontal. Diese Methode steckt jedoch noch in den Kinderschuhen, und wird noch nicht verbreitet genutzt. Dies obwohl das Potential dieser Methode weitreichend ist, zumal die Firma Idex eine Methode entwickelt hat dieses Verfahren in den Touchscreens zu implementieren. Die Anwendung in PDA's , Mobiltelefonen oder ähnlichem, wäre durchaus ein sinnreicher Ersatz für PIN Codes oder der gleichen. Vor allem in Hinblick auf die Lebenderkennung, hat man Fortschritte gemacht, da die Firma Idex eine Kombination dieses Verfahrens mit einem Gerät zur Messung der Sauerstoffsättigung realisiert hat. Dieses Gerät sieht dann im Grunde genommen aus wie ein Fingerhut, wobei sowohl Sauerstoffsättigung als auch der Fingerabdruck selbst mittels kapazitiver Sensoren aufgenommen werden.
4. Ultrasound
Bei dieser Version des Oberflächenabtastens, wird das digitale Bild wie der Name schon sagt mittels Schallwellen welche die Oberfläche des Fingers abtasten erstellt. Die Schallwellen sind dabei in der Lage, sowohl Schmutz als auch Schweiß oder sonstige Verunreinigungen des Alltags zu durchdringen. Die Nähere Funktionsweise dieses Verfahrens werde ich anhand von Fig. 4 erläutern.
Figure
4
Eine Schallwelle wird in Richtung der abzutastenden Oberfläche des Fingers geschickt. Die weit verstreuten Signale dieser Schallwelle werden von einem Umwandler ( T ) welcher sich auf einer Flugbahn senkrecht zur Kontaktfläche ( x-y) bewegt empfangen. Das selbe Element (T) kann auch als Empfänger, bzw. als Emitter verwendet werden. Alternativ zu einem sich Bewegende Umwandler, kann man natürlich auch meherere fix Positionierte Umwandler verwenden.
In Figure 5 ist eine Aufnahme eines Fingerabdrucks unter Verwendung eines Standard Pc's (Cyrix 6x86 P200+ Prozessor) zu sehen. Sie basiert auf einem von Optel entwickelten Algorithmus aufgenommen, welcher mit 256 Schallimpulsen 256 verwertbare Datensätze liefert ( bei einer Verarbeitungszeit von ca. 50ms ). Die Bandbreite der Soundimpulöse bei der Aufnahme von Fingerabdrücken reicht von 4 Mhz bis 16 Mhz.
|
|
Eine kommerzielle Anwendung besteht jedoch nach aktuellem Stand nur in Verbindung mit optischen Methoden. Der erste Sensor chip der auf der Ultrasound Technologie arbeitet, wurde 1996 von der Firma Ultrascan auf den Markt gebracht. Momentan befindet sich diese Technologie noch in der Testphase obgleich einige Firmen schon versuchsweise damit arbeiten. So laufen z.b. in Südafrika, und Chile Tests mit den Fingerabdrücken von Kindern. Die Citibank Canada oder Infosys ( eine Lateinamerikanische Firma) verwenden ebenfalls Ultrasound Chips. |
Die Zukunftsperspektiven dieses Produkts sind enorm, zumal es mittlerweile möglch ist, bewegliche Objekte mit einer Bildwiederholrate von 25 Frames / s festzuhalten. Dies erlaubt den Einsatz dieser Technologie z.b. implementiert in Tastaturen, in Palmtops, Notebooks, Touchscreens....
Ein derzeit im Handel erhältliches Gerät dieser Art ( Figure 6 ) ist das Gerät Optisec 2 der Firma Opticom Technologies, verwendet abgesehen von seiner Größe, noch ein zwei Finger Enrollment, was natürlich beim Einsaz in einer Tastatur oder einem Touchscreen viel zu langsam wäre.
Figure
6
Der Philippinen Test
Dr. Jim Wayman, Direktor des US Biometric Test Zentrums, sammelte über 8,000 Fingerabdrücke von 500 Freiwilligen auf den Phillipinen. Diese waren hauptsächlich Staatsangestellte.
Hierbei wurde ein optischer Scanner verwendet und den Testpersonen wurden unterstützende Anweisungen gegeben. z.B: die Stellung der Finger, wie stark aufzudrücken ist, schlechte Bilder wurden gelöscht.....
Die Ergebnisse wurden 1998 publiziert. Der genaue Test kann bei Interesse auf der Seite
www.dss.state.ct.us/digital/ditutor/bhsugjlw.htm nachgelesen werden.
Zu diesem Zeitpunkt wurde ein ähnlicher Test mit der Ultra Sound Technologie initiert. Allerdings mit dem significanten Unterschied, das hierbei den Testpersonen keinerlei Hilfestellung gegeben wurde. Es wurden 4014 Bilder aufgenommen von 259 Testpersonen.
Figure
7
Die in Figure 7 dargestellten Diagramme zeigen die Unterschiedlichen Ergebnisse dieser beiden Untersuchungen. Deutlichstes Merkmal beim Diagramm auf der linken Seite ist, das die Verwendung der von der Firma Ultrascan entwickelte Algorithmus in keiner signifikanten Weise die Ergebnisse verbessert hat, jedoch in Kombination mit der Ultrasound Technologie die Ergebnisse in Hinblick auf die FAR und die FRR deutlich verbessert wurden.
Abschließend sei gesagt, das die Forschungen immer mehr dahin gehen die Datensätze der aufgenommen Bilder zu verkleinern, jedoch gleichzeitig die enthaltenen Informationen durch eine Kombination der einzelnen Verfahren zu optimieren. Bei dieser Zusammenführung wird es wichtig sein, nach dem Majoritätsprinzip vorzugehen. D.h.: Wenn eine Person einmal erfolgreich das Enrollment ( dies bezeichnet die Aufnahme der personenspezifischen biometrischen Merkmale ) durchlaufen hat, wird man selektieren müssen, welches System zur Erfassung Biometrischer Daten vorgezogen wird, da sich nicht jedes System auf jede Person anwenden lässt ( z. B.: aufgrund schwere körperliche Behinderungen ) Wichtig ist in diesem Zusammenhang natürlich auch, das eingesetzte, bzw. das System mit dem höchsten Majoritätsprofil auf das Umfeld des Einsatzgebietes abzustimmen. Da es z.B.: im Bereich des Bergbaus aufgrund der starken Verunreinigungen des Fingerabdrucks sinnvoller sein wird die Majorität auf die Ultrascan Technologie zu focusieren, als auf ein opto-elektronisches System.
| [1] | Fingerprint Identification, Pattern Recognition and Image Processing Lab, Department of Computer Science And Engineering, Michigan State University [referred 10.11.1998] http://biometrics.cse.msu.edu/fingerprint.html |
| [2] | Idex AS, Biometric verification/identification. A short primer with focus on fingerprint recognition, Idex AS [referred 10.11.1998] http://www.idex.no/biometrics.html |
| [3] | Keogh, E. An Overview of the Science of Fingerprints. Anil Aggrawal's Internet Journal of Forensic Medicine and Toxicology, 2001; Vol. 2, No. 1 (January-June 2001): http://anil299.tripod.com/vol_002_no_001/papers/paper005.html; Published January 8, 2001. |
| [4] | German National Research Center for Information Technology, Dirk Scheuermann Biometrie Lexikon http://www.darmstadt.gmd.de/~scheuerm/lexikon/info.html; |
| [5] | Ultra Scan Coorparation http://www.biometricgroup.com/a_bio1/vendor/ultrascan.htm#pi |
| [6] | Wieslaw Bicz et al. , Fingerprint structure imaging based on an ultrasound camera NDTnet 1998 May, Vol.3 No.5 http://www.dss.state.ct.us/digital/optel/paper/optel.html |