コンピューター化された指紋スキャナーは、何十年もの間スパイスリラーの主力でしたが、最近まで、現実の世界ではかなりエキゾチックなテクノロジーでした。しかし、過去数年で、スキャナーは、警察署、高セキュリティの建物、さらにはPCのキーボードなど、いたるところに出現し始めました。パーソナルUSB指紋スキャナーを100ドル未満で手に入れることができます。そのように、コンピューターはハイテク生体認証によって保護されています。パスワードの代わりに、またはパスワードに加えて、アクセスするには独自の印刷物が必要です。
この記事では、法執行機関とIDセキュリティにおけるこのエキサイティングな開発の背後にある秘密を検証します。また、指紋スキャナーのセキュリティシステムが従来のパスワードおよびIDカードシステムとどのように重なるかを確認し、それらがどのように失敗する可能性があるかを確認します。
- 指紋の基本
- 光学スキャナー
- 静電容量スキャナー
- 分析
- 長所と短所
指紋の基本
指紋は、自然の奇妙なひねりの1つです。人間には、簡単にアクセスできるIDカードが組み込まれています。あなたは文字通りあなたの指先であなただけを表すユニークなデザインを持っています。どうしてそうなった？
この特定の適応は人類の祖先にとって非常に有利だったので、人々は指に小さな皮膚の隆起を持っています。指の尾根と「谷」のパターンは、手が物をつかみやすくします。同じように、ゴム製のトレッドパターンはタイヤが道路をつかむのに役立ちます。
指紋の他の機能は完全な偶然です。人体のすべてのように、これらの尾根は遺伝的要因と環境要因の組み合わせによって形成されます。DNAの遺伝暗号は、発育中の胎児の皮膚が形成される方法に関する一般的な順序を示しますが、それが形成する特定の方法は、ランダムなイベントの結果です。特定の瞬間の子宮内の胎児の正確な位置、および周囲の羊水の正確な組成と密度によって、個々の隆起がどのように形成されるかが決まります。
ですから、そもそもあなたの遺伝子構成を決定することに入る無数の事柄に加えて、指の形成に影響を与える無数の環境要因があります。雲やビーチの海岸線を形成する気象条件と同じように、開発プロセス全体が非常に混沌としているため、人類の歴史の全過程で、同じ正確なパターンが2回形成される可能性はほとんどありません。
その結果、指紋は、一卵性双生児であっても、人にとってユニークなマーカーです。また、2つの印刷物は一見同じように見えるかもしれませんが、訓練を受けた調査員または高度なソフトウェアで、明確で明確な違いを見つけることができます。
これは、犯罪捜査とセキュリティの両方における指紋分析の基本的な考え方です。指紋スキャナーの仕事は、印刷サンプルを収集し、それを記録されている他のサンプルと比較することによって、人間の分析者に取って代わることです。次のいくつかのセクションでは、スキャナーがこれを行う方法を説明します。
光学スキャナー
指紋スキャナーシステムには2つの基本的な仕事があります。指の画像を取得する必要があり、この画像の山と谷のパターンが事前にスキャンされた画像の山と谷のパターンと一致するかどうかを判断する必要があります。
誰かの指の画像を取得するには、さまざまな方法があります。今日の最も一般的な方法は、光学スキャンと静電容量スキャンです。どちらのタイプも同じ種類のイメージを思いつきますが、まったく異なる方法でそれを実行します。
光学スキャナーの心臓部は、デジタルカメラやカムコーダーで使用されているのと同じ光センサーシステムである電荷結合デバイス（CCD）です。 CCDは、フォトサイトと呼ばれる感光性ダイオードのアレイであり、光子に応答して電気信号を生成します。各フォトサイトは、そのスポットに当たる光を表す小さなドットであるピクセルを記録します。集合的に、明るいピクセルと暗いピクセルは、スキャンされたシーンの画像（たとえば指）を形成します。通常、スキャナーシステムのアナログ-デジタルコンバーターは、アナログ電気信号を処理して、この画像のデジタル表現を生成します。デジタルカメラのしくみを見る CCDとデジタル変換の詳細については。
ガラス板に指を置くとスキャンが始まり、CCDカメラで写真を撮ります。スキャナーには、指の隆起を照らすための独自の光源、通常は発光ダイオードのアレイがあります。CCDシステムは、実際には指の反転画像を生成します。暗い領域はより多くの反射光（指の隆起）を表し、明るい領域はより少ない反射光（隆起の間の谷）を表します。
印刷物を保存されたデータと比較する前に、スキャナープロセッサはCCDが鮮明な画像をキャプチャしたことを確認します。平均ピクセル暗さ、または小さなサンプルの全体的な値をチェックし、画像全体が暗すぎるか明るすぎる場合はスキャンを拒否します。画像が拒否された場合、スキャナーは露光時間を調整して光を多かれ少なかれ取り入れてから、スキャンを再試行します。
暗さのレベルが適切である場合、スキャナーシステムは画像の定義（指紋スキャンの鮮明さ）をチェックし続けます。プロセッサは、画像を水平方向および垂直方向に移動するいくつかの直線を確認します。指紋画像の鮮明度が高い場合、尾根に垂直に走る線は、非常に暗いピクセルと非常に明るいピクセルの交互のセクションで構成されます。
プロセッサは、画像が鮮明で適切に露光されていることを検出すると、キャプチャされた指紋とファイル上の指紋の比較に進みます。このプロセスについては後ほど説明しますが、最初に、他の主要なスキャン技術である静電容量式スキャナーについて説明します。
静電容量スキャナー
光学スキャナーと同様に、静電容量式指紋スキャナーは、指紋を構成する尾根と谷の画像を生成します。しかし、光を使用してプリントを感知する代わりに、コンデンサは電流を使用します。
次の図は、単純な静電容量センサーを示しています。センサーは、小さなセルのアレイを含む1つまたは複数の半導体チップで構成されています。各セルには、絶縁層で覆われた2枚の導体プレートが含まれています。セルは小さいです-指の1つの尾根の幅よりも小さいです。
センサーは、反転オペアンプを中心に構築された電気回路である積分器に接続されています。反転増幅器は、多数のトランジスタ、抵抗、コンデンサで構成される複雑な半導体デバイスです。その動作の詳細はそれ自体で記事全体を埋めるでしょうが、ここでは静電容量スキャナーでそれが何をするかについての一般的な感覚を得ることができます。 （技術的な概要については、オペアンプに関するこのページを確認してください。）
他の増幅器と同様に、反転増幅器は、別の電流の変動に基づいて1つの電流を変更します（詳細については、増幅器の動作を参照してください）。具体的には、反転増幅器は供給電圧を変更します。変更は、反転端子と非反転端子と呼ばれる2つの入力の相対電圧に基づいています。この場合、非反転端子はグランドに接続され、反転端子は基準電圧電源とフィードバックループに接続されます。アンプ出力にも接続されているフィードバックループには、2つの導体プレートが含まれています。
ご存知かもしれませんが、2つの導体プレートは、電荷を蓄積できる電気部品である基本的なコンデンサを形成します（詳細については、コンデンサのしくみを参照してください）。指の表面は、セル構造の絶縁層によって分離された3番目のコンデンサプレートとして機能し、指紋の谷の場合は空気のポケットとして機能します。コンデンサープレート間の距離を変えると（指を導電性プレートに近づけたり遠ざけたりすることにより）、コンデンサーの総静電容量（電荷を蓄積する能力）が変化します。この品質のため、尾根の下のセルのコンデンサは、谷の下のセルのコンデンサよりも大きな静電容量を持ちます。
指をスキャンするために、プロセッサは最初に各セルのリセットスイッチを閉じます。これにより、各増幅器の入力と出力が短絡され、積分回路の「バランスがとれます」。スイッチが再び開かれ、プロセッサが積分回路に固定電荷を適用すると、コンデンサが充電されます。フィードバックループのコンデンサの静電容量は、アンプの入力の電圧に影響を与え、アンプの出力に影響を与えます。指までの距離によって静電容量が変化するため、指の尾根は指の谷とは異なる電圧出力になります。
スキャナープロセッサはこの電圧出力を読み取り、それが尾根または谷のどちらの特徴であるかを判断します。センサーアレイ内のすべてのセルを読み取ることにより、プロセッサーは、光学スキャナーによってキャプチャされた画像と同様に、指紋の全体像をまとめることができます。
静電容量式スキャナーの主な利点は、指紋の視覚的印象を構成する明暗のパターンではなく、実際の指紋タイプの形状が必要なことです。これにより、システムをだますのが難しくなります。さらに、CCDユニットではなく半導体チップを使用しているため、容量性スキャナーは光学デバイスよりもコンパクトになる傾向があります。
分析
映画やテレビ番組では、自動指紋アナライザーは通常、さまざまな指紋画像をオーバーレイして一致するものを見つけます。実際には、これは指紋を比較するための特に実用的な方法ではありません。スマッジングにより、同じプリントの2つの画像がかなり異なって見える可能性があるため、完全な画像オーバーレイが得られることはめったにありません。さらに、比較分析で指紋画像全体を使用すると、多くの処理能力が使用され、誰かが印刷データを盗むのも簡単になります。
代わりに、ほとんどの指紋スキャナーシステムは、一般に特徴点として知られている指紋の特定の機能を比較します。通常、人間とコンピューターの調査員は、稜線が終了するポイント、または1つの尾根が2つに分割されるポイント（分岐）に集中します。総称して、これらおよび他の特徴的な機能は、typicaと呼ばれることもあります。
スキャナーシステムソフトウェアは、非常に複雑なアルゴリズムを使用して、これらの特徴を認識および分析します。基本的な考え方は、星の相対的な位置によって空の一部を認識するのと同じように、特徴点の相対的な位置を測定することです。それを考える簡単な方法は、それらの間に直線を引くときにさまざまな細目が形成する形状を考慮することです。 2つのプリントに3つの隆起端と2つの分岐があり、同じ寸法で同じ形状を形成している場合、それらが同じプリントからのものである可能性が高くなります。
一致するために、スキャナーシステムは、サンプルと記録上の印刷物の両方で特徴点のパターン全体を見つける必要はありません。2つの印刷物に共通する十分な数の特徴点パターンを見つける必要があります。正確な数は、スキャナーのプログラミングによって異なります。
長所と短所
セキュリティシステムが誰かが許可されたユーザーであることを確認する方法はいくつかあります。ほとんどのシステムは、次の1つ以上を探しています。
- あなたが持っているもの
- あなたは何を知っている
- あなたは誰ですか
「持っているもの」システムを乗り越えるには、磁気ストリップ付きのIDカードなど、ある種の「トークン」が必要です。「知っていること」システムでは、パスワードまたはPIN番号を入力する必要があります。「あなたが誰であるか」システムは、実際には、あなたがあなたが誰であるかという物理的な証拠、つまり特定の指紋、声、または虹彩のパターンを探しています。
指紋スキャナーのような「あなたは誰ですか」システムには、他のシステムに比べて多くの利点があります。いくつか例を挙げると：
- 物理的属性は、IDカードよりも偽造がはるかに困難です。
- パスワードを推測できるように、指紋パターンを推測することはできません。
- アクセスカードを置き忘れるような、指紋、虹彩、音声を置き忘れることはできません。
- パスワードを忘れることができるように、指紋を忘れることはできません。
しかし、それらが効果的であるとしても、それらは確かに確実ではなく、大きな欠点があります。光学スキャナーは、指の写真と指自体を常に区別できるとは限りません。また、静電容量式スキャナーは、人の指の型にだまされることがあります。誰かが許可されたユーザーのプリントにアクセスした場合、その人はスキャナーをだます可能性があります。最悪のシナリオでは、犯罪者が誰かの指を切り落とし、スキャナーのセキュリティシステムを通過する可能性さえあります。一部のスキャナーには、カビやバラバラの指ではなく、指が生きていることを確認するための追加のパルスセンサーと熱センサーがありますが、これらのシステムでさえ、実際の指の上のゼラチンプリントカビにだまされる可能性があります。 （このサイトでは、誰かがスキャナーをだます可能性のあるさまざまな方法について説明しています。）
これらのセキュリティシステムの信頼性を高めるには、生体認証分析をパスワードなどの従来の識別手段と組み合わせることをお勧めします（ATMで銀行カードとPINコードが必要になるのと同じ方法です）。
生体認証セキュリティシステムの本当の問題は、誰かがID情報を盗むことに成功した場合の被害の程度です。クレジットカードを紛失したり、誤って誰かに秘密のPIN番号を教えたりした場合でも、いつでも新しいカードを入手したり、コードを変更したりできます。しかし、誰かがあなたの指紋を盗んだ場合、あなたはあなたの人生の残りの間ほとんど運が悪いです。すべてのコピーが破棄されたことを完全に確認するまで、印刷物を身分証明書として使用することはできません。新しいプリントを入手する方法はありません。
しかし、この重大な欠点があっても、指紋スキャナーと生体認証システムは優れた識別手段です。将来的には、キー、ATMカード、パスワードが今日のように、ほとんどの人の日常生活に欠かせないものになる可能性があります。
指紋スキャナーやその他の生体認証技術の詳細については、次のページのリンクを確認してください。
