Stand der Techniek Geïntegreerde Inbraakbeveiliging DEEL 5
Toegangscontrole
TIS-project Inbraakbeveiliging
State of the Art Geïntegreerde Inbraakbeveiliging Deel5 Toegangscontrole Inhoud Deel 5: Toegangscontrole .............................................................................3 1 Inleiding....................................................................................................3 2 Intercomsysteem.....................................................................................3 3. Codeklavier .............................................................................................5 4. Magneetkaart ..........................................................................................6 5.1 De contactloze Smart Card – RFID ....................................................8 6. RFID .........................................................................................................8 6.1 RFID met passieve transponder .......................................................10 6.2 RFID met actieve transponder ..........................................................11 6.3 RFID met semi-passieve transponder...............................................11 6.4 RFID toepassingsvoorbeelden..........................................................11 6.4.1 RFID wandlezer (passief) .................................................................................. 11 6.4.2. RFID wandlezer (actief).................................................................................... 13 6.4.3 Mechatronische cilinder met geïntegreerde RFID-lezer.................................... 13
6.5 Toekomstige ontwikkelingen.............................................................14 7. Biometrie...............................................................................................15 7.1 Vingerafdrukken................................................................................16 7.1.1 Optische vingerafdrukscanner........................................................................... 18 7.1.2 Capacitieve scanner .......................................................................................... 19 7.1.3 RF vingerafdrukscanner .................................................................................... 22 7.1.4 Thermische vingerafdruksensor ........................................................................ 24 7.1.5 MEMS ................................................................................................................ 27 7.1.5.1 Piëzo resistief ................................................................................................. 28
7.2 Irisherkenning ...................................................................................29 Bibliografie................................................................................................32
2
Deel 5: Toegangscontrole 1 Inleiding Een toegangscontrolesysteem zorgt ervoor dat u bepaalt wie waar toegang heeft. Met een toegangscontrolesysteem heeft u dus controle over willekeurige en vrije toegang naar één of meerdere beveiligde ruimtes. Indien de bezoeker toegelaten wordt tot de beveiligde ruimte zal het toegangscontrolesysteem b.v. een elektromechanisch sluitwerk (elektrische sluitplaat, motorslot, motorcilinder, solenoïde slot, automatische deuropener) aansturen waardoor de toegangsdeur ontgrendeld en geopend kan worden. Deze beveiligde ruimte kan ook een particuliere woning of een appartement zijn. Bijkomend kunnen toegangscontrolesystemen de aan- of afwezigheid van bezoekers registreren.
2 Intercomsysteem Een intercomsysteem is een spreek-/luisterverbinding al dan niet gecombineerd met videobeelden. Hierdoor is het mogelijk op afstand met iemand te communiceren en eventueel iemand te identificeren. Het systeem wordt bijvoorbeeld vaak toegepast in flats en appartementencomplexen, waar de bewoners door de omvang van het gebouw niet kunnen zien wie er beneden aanbelt. Meestal wordt gebruik gemaakt van een point-2-point-systeem*, waardoor beide personen met elkaar kunnen communiceren. Wanneer wordt aangebeld kan de bewoner een soort telefoon opnemen en vragen wie aan de deur staat (of waarom diegene het pand wil betreden). Indien de bewoner de persoon toegang wil verlenen, kan deze door middel van een druk op een speciale knop de deur van op afstand openen, b.v. door het aansturen van een elektrische sluitplaat. Figuur 1 deurintercom point-2-point
Moderne systemen zijn vaak ook voorzien van een videocamera waardoor de bewoner nu ook kan zien wie heeft aangebeld – Figuur 2. U
kan dan alvorens u een gesprek wenst te voeren uw camera raadplegen om de bezoeker te herkennen.
*
intercomsystemen worden onderverdeeld in twee systemen; point-2-point-systemen en partylinesystemen. Bij de eerste is communicatie tussen twee personen mogelijk, terwijl bij de laatste meerdere personen met elkaar kunnen communiceren
3
De mogelijkheden zijn divers: van een eenvoudig tweedraadsysteem zoals nog vaak wordt toegepast in flatgebouwen en particuliere woningen – Figuur3-, tot koppelingen met bijvoorbeeld gsm-netwerk of internet. Er zijn zeer complexe systemen mogelijk met meerdere camera's, volledig digitaal netwerk, gebruik makend van bestaande coax netwerken, cat5 netwerken e.d., kleur of juist Figuur 2 Deurintercom met videocamera
zwart/wit beelden enz…
Figuur 3 Tweedraadssysteem intercom Bij de toepassing van intercomsystemen en video-intercomsystemen voor toegangscontrole dient er rekening gehouden te worden met de van kracht zijnde wetgeving in verband met de bescherming van de persoonlijke levensfeer. Zo dient er voor het plaatsen van intercomsystemen rekening gehouden te worden met de wet van 30 juni 1994 betreffende de bescherming van de persoonlijke levenssfeer tegen het afluisteren, kennisnemen en opnemen van privécommunicatie en –telecommunicatie. Voor het gebruik van video-intercomsystemen dient er naast de bovenstaande regelgeving eveneens rekening gehouden te worden met de wet 8 december 1992 betreffende de bescherming van de persoonlijke levenssfeer ten opzichte van de verwerking van persoonsgegevens (privacywet).
4
3. Codeklavier Toegangscontrole via een codeklavier laat toegang tot het gebouw toe op voorwaarde dat de bezoeker zich kan identificeren met een toegangscode, welke op haar beurt wordt ingegeven via de toetsen van het codeklavier. Het codeklavier zelf is uitgerust met de nodige elektronica en uitgangrelais om op haar beurt een elektrische sluitplaat Figuur 4 Codeklavier
of andere elektromechanische vergrendeling aan te sturen ingeval de bezoeker toegelaten wordt.
Figuur 5 illustreert een toepassingsvoorbeeld van een codeklavier op een buitendeur voorzien van een elektrische sluitplaat.
Figuur 5 Toepassingsvoorbeeld voor codeklavier op een toegangsdeur. Codeklavieren komen ook voor geïntegreerd in elektromechanisch deurbeslag waarbij het deurbeslag de bediening van de dag- en nachtschoot van het DINinsteekslot zal vrijgeven indien men het codeklavier heeft bediend met de correcte toegangscode – Figuur 6.
Figuur 6 Elektromechanisch codeslot
5
4. Magneetkaart Een magneetkaart is van kunststof voorzien van een magneetstrip. Deze magneetstrip is opgebouwd uit op ijzeroxide gebaseerde kleine ferromagnetische partikeltjes, bijeengehouden in een plasticachtige film. Deze ferromagnetische partikeltjes zijn eigenlijk kleine staafmagneetjes (+/- een negenhonderdduizendste van een mm lang). Figuur 7 Magneetkaart De opbouw en werking van deze magneetstrip is zeer gelijkend op die van de audiocassette. Net zoals bij een audiocassette kan een magneetkaart beschreven worden door de kleine staafmagneetjes in een bepaalde richting te gaan magnetiseren. Zo ontstaat er, afhankelijk van de magnetiseringsrichting van het magneetstaafje, een binaire 1 of 0. Deze informatie kan op de magneetkaart magnetisch geschreven worden door een magneetkaartschrijver.
Figuur 8 Magneetkaartschrijver
Dit is een toestel dat bijmiddel van een elektromagneet informatie kan magnetiseren op de magneetkaart. Deze
schrijver is meestal voorzien een seriële RS232 –of USB verbinding, en wordt aangesloten op een PC waarop de nodige sturingssoftware draait om de magneetkaartschrijver aan te sturen – Figuur 8. Er bestaan 2 types magneetstrips: - Hoge coërcitie - Lage coërcitie Magneetstrippen uit materiaal met hoge coërcitie zijn moeilijker te wissen, en hierdoor geschikt voor kaarten die veelvuldig gebruikt worden of waarvan een lange levensduur wordt geëist. Magneetstrippen uit materiaal met lage coërcitie vereisen minder magnetische energie om beschreven (gemagnetiseerd) te worden dan magneetstrippen bestaande uit materiaal met een hoge Figuur 9 Magneetkaartlezer
6
coërcitie. Het gevolg hiervan is dat magneetkaartschrijvers die magneetstrippen kunnen beschrijven met lage coërcitie goedkoper zijn dan magneetkaartschrijvers die in staat zijn magneetstrippen te beschrijven met een hoge coërcitie. Deze informatie op de magneetkaartstrip kan worden gelezen bijmiddel van een magneetkaartlezer. Deze magneetkaartlezer staat in verbinding met een sturing die op haar beurt, indien toelating verleend wordt, een elektromechanische deurvergrendeling (e.g. een elektrische sluitplaat) zal aansturen –Figuur 9. Een magneetkaartlezer kan zowel magneetstrippen met hoge coërcitie lezen als magneetstrippen met lage coëricitie. De magneetkaart is gestandardiseerd door een aantal International Standard Organisation (ISO) normen, namelijk de ISO 7810, ISO 7811, ISO 7812, ISO 7813, en de ISO 4909. Deze normenreeks definieert o.a.: - De dimensies van de magneetkaart - De positie en dimensies van de magneetstrip - De magnetische eigenschappen van de magneetkaart - Specifieke standaarden voor financiële kaarten -…
5. Smart Card Een Smart Card is een kunststofkaart waarin zich een chip (alleen geheugen met eventueel wat beveiligingslogica of een microprocessor met geheugen) bevindt. Deze chip is verbonden met een gouden contactplaat, ingeval het om een contact Smart Card handelt – Figuur 10. Een contact Smart Card werkt niet op batterijen maar gebruikt de elektrische energie komende van de elektroden - connectoren van de “lezer”, waarin de contact Smart Card wordt geschoven. Via de connectoren kan de lezer informatie lezen van de Figuur 10 Contact Smart Card
contact Smart Card chip en informatie wegschrijven op de contact Smart Card chip.
De contact Smart Card lezer/schrijver is het medium tussen de “host” en de Smart Card – Figuur 11. Deze “host” kan bij toegangscontrole een computer of een controle eenheid zijn die bij toelating een elektromechanische vergrendeling (e.g. elektrische sluitplaat, solenoïde slot, elektromechanisch deurbeslag,…) zal gaan aansturen.
7
De contact Smart Card is gestandardiseerd door de normen ISO/IEC 7816 and ISO/IEC 7810. Deze normenseries definiëren o.a.: - De dimensies van de Smart Card - De positie en vorm van de electrodes van de gouden contactplaat - De elektrische/elektronische karakteristieken - De communicatieprotocollen - Het formaat van de commando’s verzonden naar de Smart Card en het formaat van de teruggestuurde instructies van de Smart Card - De robuustheid van de Smart Card -… Figuur 11 Contact Smart Card lezer/schrijver geïntegreerd in elektromechanisch deurbeslag
5.1 De contactloze Smart Card – RFID Een contactloze Smart Card is een Smart Card waarvan de chip kan communiceren met de Smart Card lezer met behulp van RFID-technologie, dus contactloos. Hiervoor moet de Smart Card enkel in de nabijheid van de Smart Card lezer gebracht worden. Eigenlijk is een contactloze Smart Card een “passieve” (werkt zonder batterijen) RFID-transponder -of Tag, zie punt 6 “RFID”. De contactloze Smart Card is gestandardiseerd door de norm ISO/IEC 14443.
6. RFID
Figuur 12 RFID-systeem
8
RFID staat voor Radio Frequency Identification. RFID is een automatische identificatiemethode, waarbij gebruik wordt gemaakt van elektromagnetische golven op radiogolffrequentie, om gegevens (data) contactloos te lezen of te schrijven op een informatiedrager. Deze informatiedrager wordt meestal een RFID-tag –of transponder genoemd. De elektromagnetische golven waarvan gebruik wordt gemaakt zijn meestal wisselende magnetische velden (meestal toegepast bij toegangscontrole) waarbij gebruik wordt gemaakt van de inductieve koppeling tussen twee spoelen, men spreekt dan van RFID-systemen met inductieve koppeling. Daarom zijn al de RFID-systemem die in deze publicatie aangehaald worden inductief gekoppelde systemen, met de bedoeling overzichtelijk te kunnen blijven. Er bestaan ook systemen die gebruik maken van propagerende elektromagnetische golven, men spreekt dan van propageerkoppeling (propagation coupling). Ten slotte bestaan er ook systemen die gebruik maken van wisselende elektrische velden, men spreekt dan van RFID-systemen met elektrische koppeling. Een RFID-systeem – Figuur 12 - bestaat altijd uit 2 componenten: -
De transponder of tag
-
De RFID-lezer welke een lees en/of een lees-schrijf toestel kan zijn
De RFID-lezer bestaat uit een radiofrequentiemodule (zender en ontvanger), een controle eenheid en meestal een spoel die dienst doet als antenne en (inductief)koppelingselement met de transponder. Vele RFID lezers zijn uitgerust met een seriële interface (RS232 of RS485) waardoor het mogelijk is de data, komende van de transponder of tag, te sturen naar een externe host. Bij toegangscontrole kan dit een PC zijn met toegangscontrolesoftware of een toegangscontrolesturing die op haar beurt een elektromechanische vergrendeling (elektrische sluitplaat, motorcilinder, motorslot, …) kan gaan aansturen.
Figuur 13 Voorbeelden van RFID transponders of tags
9
De transponder of tag is de informatiedrager van het RFID-systeem. De tag of transponder bevat meestal een spoelantenne en een Silicium chip en optioneel een batterij (ingeval het een actieve transponder betreft) - Figuur 13.
6.1 RFID met passieve transponder
Figuur 14 De Passieve transponder met inductieve koppeling Een Passieve transponder is een informatiedrager die niet kan instaan voor zijn eigen energievoorziening en heeft dus geen batterij. De energie die nodig is om de chip op de transponder te voeden is afkomstig van de RFID-lezer. Om die reden zendt de spoelantenne van de RFID-lezer een wisselend elektromagnetisch veld uit op radiogolffrequentie. Een klein deel van dit uitgezonden veld penetreert de spoelantenne van de passieve transponder, die zich op een bepaalde afstand bevindt van de RFID-lezer – Figuur 14. Hierdoor zal in de spoelantenne van de transponder een wisselspanning worden geïnduceerd. Deze wisselspanning zal worden gelijkgericht en dienen als voedingspanning voor de chip (de eigenlijke gegevensdrager). De capaciteit C1 (Figuur 14) vormt samen met de spoelantenne een resonantiekring die zodanig gedimensioneerd is dat de resonantiefrequentie overeenkomt met de frequentie van het magnetisch veld uitgezonden door de RFID-lezer. Hierdoor zal de geïnduceerde voedingspanning haar maximale waarde bereiken bij de frequentie van het magnetische veld van de RFID-lezer en wordt een voldoende hoge voedingspanning verzekerd voor de werking van de chip. Bij resonantiefrequentie zijn de opgewekte stromen in de spoelantenne hoog. Deze hoge stromen kunnen gebruikt worden door de transponder om een voldoende sterk magnetisch veld te genereren dat gedetecteerd kan worden door de RFID-lezer, zodat de gegevens op de transponder kunnen overgedragen worden naar de RFID-lezer. Bijkomend wordt de frequentie van de geïnduceerde wisselspanning in de spoelantenne van de
10
transponder bij resonantiefrequentie gebruikt als kloksignaal voor de chip op/in de transponder. De resonantiefrequentie f waarmee wordt gewerkt heeft een belangrijke invloed op de dimensies van de spoelantenne van de transponder. Als de resonantiefrequentie f toeneemt neemt de minimum vereiste spoelantenne inductantie van de transponder af. Dit wil zeggen dat het minimum aantal vereiste windingen van de spoelantenne van de transponder zal afnemen, en dus de passieve transponder kleiner kan worden. Bijvoorbeeld een RFID-systeem op 135 kHz vereist 100 tot 1000 windingen op de passieve transponder, maar een RFID-systeem op 13,56 MHz vereist slechts 3 tot 10 windingen op de passieve transponder.
6.2 RFID met actieve transponder Een actieve transponder bevat naast een chip en spoelantenne ook een eigen energiebron in de vorm van een batterij. Door de eigen energiebron is de transponder in staat om een zwakker radiosignaal te ontvangen en het antwoord uit te zenden over een grotere afstand (afstanden tot 15 m). Hier staat tegenover dat de levensduur door de batterij beperkt is en de actieve transponder over het algemeen groter en tevens duurder is.
6.3 RFID met semi-passieve transponder Een semi-passieve transponder heeft een eigen batterij welke niet wordt gebruikt om de leesafstand te vergroten maar om de intelligentie en de geheugenopslagcapaciteit van de chip te verbeteren.
6.4 RFID toepassingsvoorbeelden 6.4.1 RFID wandlezer (passief) RFID met passieve transponders wordt bijvoorbeeld toegepast bij toegangscontrole voor zowel buiten –als binnendeuren. Hierbij wordt meestal een RFID-lezer in of op de wand naast het deurkader aangebracht. Men spreekt dan van RFID-wandlezers met passieve transponders. Er zijn verschillende types wandlezers op de markt. Zo zijn er wandlezers met een geïntegreerde controle eenheid. Deze wandlezers kunnen niet alleen de informatie op de passieve transponder lezen maar bezitten de nodige elektronica om na te gaan of de bezoeker toegelaten is en om de nodige signalen uit te sturen naar de
11
elektromechanische vergrendeling zoals een elektrische sluitplaat of een sturing van een motorcilinder enz… Daarnaast zijn er wandlezers op de markt waarvan de controle eenheid in een andere behuizing is aangebracht zodat de controle eenheid op een veiligere plaats in de buurt van de deur kan worden aangebracht. Hierdoor is het moeilijker het toegangscontrolesysteem te saboteren door de wandlezer zelf aan te vallen. In figuur 15 wordt een voorbeeld getoond van een RFID-wandlezer met passieve transponder welke wordt gebruikt om een elektrische sluitplaat aan te sturen ingeval de passieve transponder wordt toegelaten. De RFIDwandlezer heeft een geïntegreerde controle eenheid en is een offline RFIDlezer. Dit wil zeggen dat de RFID-wandlezer draadloos wordt geprogrammeerd via een PDA, in dit geval met infraroodverbinding. Bij deze toepassing is de lezerreikwijdte +/- 10 cm.
Figuur 15 Toepassingsvoorbeeld van een offline RFID-wandlezer met geïntegreerde controle eenheid en met passieve transponder
12
6.4.2. RFID wandlezer (actief) Een RFID-wandlezer met actieve transponders is soortgelijk aan de RFID-wandlezer met passieve transponder, echter met dit verschil dat er met actieve transponders wordt gewerkt. Het voordeel hiervan is dat het leesbereik van de RFID-wandlezer groter wordt tot +/- 15 Figuur 16 RFID-wandlezer met actie transponder
m. Daar tegenover staat dat de
transponder een batterij bevat (duurder) en deze tijdig vervangen dient te worden. In figuur 15 wordt een toepassing getoond met RFID-wandlezer met actieve-transponder. In dit geval bedraagt het maximale leesbereik 7 meter.
6.4.3 Mechatronische cilinder met geïntegreerde RFIDlezer RFID-technologie kan worden geïntegreerd in europrofiel cilinders. Deze cilinders staan bekend als de mechatronische of elektronische cilinder. Een voorbeeld hiervan is de elektronische of mechatronische Figuur 17 Elektronische knopcilinder
knopcilinder – Figuur 17. Hierbij is in één van
de knoppen een RFID-lezer geïntegreerd. Ingeval de RFID-transponder
13
gelezen wordt door de RFID-lezer in één van de knoppen en herkend, dan wordt de bediening van de cilinder bij middel van de knoppen elektromechanisch vrijgegeven. Mechatronische knopcilinders werken meestal met passieve transponders.
6.5 Toekomstige ontwikkelingen Op dit ogenblik worden wereldwijd RFID transponders ontwikkeld gebaseerd op polymeren halfgeleiders (organische elektronica). In de jaren ’70 van de vorige eeuw is reeds ontdekt dat polymeren zich kunnen gedragen als halfgeleiders. Polymere halfgeleiders scoren veel beter qua plooibaarheid, gewicht en vooral in prijs vergeleken met hun anorganische collega’s zoals de Silicium halfgeleiders. De lage prijs houdt niet enkel verband met de lagere materiaalkost, maar ook met het productieproces van polymere halfgeleiders. Polymere halfgeleidermateriaal vereist geen dure en ingewikkelde processen die moeten worden uitgevoerd bij hoge temperatuur en in een gecontroleerde omgeving (clean room). Er zijn al polymere RFID-tags gedemonstreerd, in labo omstandigheden, werkende op een frequentie 13,52 MHz in 2005 door o.a. Philips (Nederland) – Figuur 18 .
Figuur 18 experimentele organische RFID tag 13.52 MHz – Phillips Polymere RFID transponders zullen veel goedkoper zijn dan de huidige Silicium gebaseerde RFID transponders. De prijzen zullen vergelijkbaar worden met die van de huidige barcode.
14
7. Biometrie Biometrie is een techniek voor het herkennen en identificeren van personen. Hierbij wordt gebruik gemaakt van lichaamskenmerken en / of specifieke psychologische Figuur 19 Biometrische techniek in combinatie met een “gewone” identificatiemethode
karakteristieken en gedragingen. Zo kan op basis van bijvoorbeeld
vingerafdrukken, gezichtvorm, patronen in de iris, handschrift, warmtepatronen in het gelaat of het stempatroon iemand worden geïdentificeerd. Biometrische identificatie kan worden gebruikt om ongeautoriseerde toegang tot bijvoorbeeld gebouwen, machines, pc of netwerken te voorkomen. Het gebruik van biometrische identificatie is aanzienlijk betrouwbaarder en minder fraudegevoelig dan het gebruik van toegangscodes, pincodes of smartcards. De lichaamskenmerken identificeren immers de persoon zelf en zijn niet overdraagbaar of vervreemdbaar. Vaak zal een biometrische techniek toegepast worden in combinatie met een “gewone” identificatiemethode als een magneetkaart, een code, RFIDtransponder of een handtekening – Figuur 19. De prestaties van een biometrisch systeem, zoals een vingerafdrukscanner of een Figuur 20 De prestatieparameters FAR, FRR en EER
irisscanner, wordt meestal uitgedrukt in termen van “false accept rate”
(FAR), “false non match”- of “false reject rate” (FRR), en “failure to enroll rate” (FTE of FER) – Figuur 20. De “false acceptance rate” (FAR) vertegenwoordigt, in procenten, het aantal niet toegelaten gebruikers die onterecht door het biometrische systeem aanvaard zijn als toegelaten gebruikers. De “false reject rate” vertegenwoordigt, in procenten, het aantal toegelaten gebruikers die door het biometrische systeem onterecht geïdentificeerd werden als niet-toegelaten
15
gebruikers. De “faillure to enroll rate” (FTE of FER) vertegenwoordigt in procenten, het aantal mislukte pogingen van het biometrische systeem om een goede “enrollment” template (of referentie template) aan te maken en te bewaren van de eindgebruiker. “Enrollment” is het proces waarbij biometrische monsters (e.g. vingerafdruk) van een persoon worden verzameld, door het biometrische systeem, gevolgd door de voorbereiding, aanmaak en bewaring van een “referentie template”. Deze “referentie template” vertegenwoordigt de identiteit van de persoon, en zal worden gebruikt voor toekomstig vergelijk met de aangemelde template van deze persoon om te kunnen vaststellen of het om een toegelaten of niet toegelaten persoon gaat. In de praktijk kunnen de FAR en FRR tegenover elkaar ingesteld worden door een bepaalde parameter van het biometrische systeem te wijzigen. Meestal wordt het biometrische systeem zodanig ingesteld dat de FAR gelijk is aan de FRR. Deze waarde wordt de “equal error rate” (EER) ofwel de “cross-over error rate” (CER) genoemd. Hoe lager de EER of CER hoe nauwkeuriger het biometrische systeem – Figuur 20.
7.1 Vingerafdrukken De meest gebruikelijke en geleidelijk betaalbare toepassing van biometrie in de toegangscontrole is het meten van de vingerafdruk. De vingerafdruk van een persoon is uniek verbonden aan deze persoon en wordt gevormd Figuur 21 Vingerafdruk
door het patroon van kleine rimpels en valleien op
het vingeroppervlak – Figuur 21. Door dit unieke patroon te identificeren beschikt men over een middel waardoor men de persoon in kwestie betrouwbaar kan identificeren. Bij het gebruik van vingerafdrukken voor identificatie, voor o.a. toepassing bij toegangscontrole, baseert men zich op 2 fundamentele principes: ¾
Onveranderlijkheid: Het patroon van rimpels en valleien van een vingerafdruk blijven onveranderd gedurende het ganse leven van een individu (tenzij bij verminking of bepaalde huidziekten).
¾
Uniekheid: Iemands vingerafdruk is uniek, zelfs als het om identieke tweelingen gaat.
16
Bij de analyse van een ingelezen vingerafdruk wordt de gehele vinger niet vergeleken met volledige vingerafdrukken die in een bestaande databank zijn opgeslagen. Dit is trouwens geen efficiënte methode. Want door de Figuur 22 Minutiae
volledige vingerafdruk te
vergelijken met opgeslagen volledige vingerafdrukken is de kans groter dat voldoende vingerafdrukinformatie gestolen kan worden om de vingerafdruk te reconstrueren voor misbruik, en zulk een methode vereist te veel processorcapaciteit. In plaats daarvan zal men bepaalde kenmerken van de vingerafdruk gaan vergelijken. Deze kenmerken worden algemeen “minutiae” genaamd. Er bestaan verschillende types “minutiae” – Figuur 22: ¾
Rimpeleinde: Een abrupt eindigende rimpel
¾
Spoor: Een vertakking waarbij een korte rimpel vertakt van een langere rimpel
¾
Vertakking (Bifurcation): Een enkele rimpel die vertakt in 2 rimpels
¾
Meer of omsluiting: Een enkele rimpel die vertakt in twee rimpels en kort daarna weer terug samenkomt tot één rimpel.
¾
Korte rimpel: Een rimpel die begint en kort daarna weer eindigt
¾
Overstap: Een korte rimpel die loopt tussen twee parallelle rimpels
Sommige vingerafdrukexperts nemen aan dat er slechts twee hoofdcategorieën van “minutiae” bestaan: rimpeleindes en rimpelvertakkingen. Terwijl alle andere categorieën van deze twee hoofdcategorieën kunnen worden afgeleid. De systeemsoftware van de vingerafdrukscanner maakt gebruik van relatief complexe algoritmen om deze minutiae te herkennen en te analyseren. Het idee hierachter is om de relatieve posities van deze minutiae te meten t.o.v. elkaar. Indien twee vingerafdrukken (ingelezen en opgeslagen vingerafdruk) dezelfde minutiae bevatten met dezelfde relatieve posities, dan is er sprake van een hoge waarschijnlijkheid dat de vingerafdrukken van dezelfde persoon afkomstig zijn. Om een positieve identificatie te verkrijgen is het niet nodig om alle minutiae van de vingerafdruk te vinden en te analyseren. De vingerafdrukscanner moet voldoende minutiae vinden die de ingelezen en de opgeslagen vingerafdruk gemeen hebben.
17
Hoeveel minitiae dat precies zijn hangt af van de systeemsoftware van de scanner. Een typische vingerafdrukscanner kan tot 40 minutiae identificeren en analyseren. Enkel de gegevens die de minutiae bevatten en hun posities worden bewaard in een “template”, en niet de volledige vingerafdruk. Hierdoor is het onmogelijk om een volledige vingerafdruk te reconstrueren op basis van de gegevens in de “template” en blijven de bestanden beperkt in grootte.
7.1.1 Optische vingerafdrukscanner Het hart van de optische vingerafdrukscanner is de lichtgevoelige sensor. Deze lichtgevoelige sensor kan het binnenvallende licht vertalen naar een digitaal signaal. Zo een sensor is opgebouwd uit lichtgevoelige diodes, ook wel "photosites" genoemd. Hoe meer licht er op een lichtgevoelige diode valt hoe groter de lading is die zich opbouwt bij de lichtdiode. Er zitten miljoenen diodes op een sensor. Elke diode op de sensor bepaalt de kleur van 1 pixel in de foto. Hoe meer diodes op de sensor, hoe meer pixels de foto zal bevatten. Of met andere woorden: hoe hoger de resolutie is. Er zijn twee types lichtgevoelige sensoren die worden toegepast: Complimentary Metal-Oxide Semiconductor (CMOS) en Charge-Coupled Device (CCD) sensoren. De overeenkomst tussen de sensoren is dat ze beide lichtgevoelige diodes bevatten die licht opvangen en omzetten in elektrische spanning. De CCD sensor is de meeste gebruikte sensor in optische vingerafdrukscanners – Figuur 23. In een CCD sensor wordt de opgebouwde spanning (analoge waarde) van een diode getransporteerd over de chip en aan de rand afgelezen. Elders in Figuur 23 CCD sensor
de scanner worden de
spanningswaarden omgezet in een digitaal signaal door een analoog naar digitaal converter. CCD sensoren leveren van zichzelf een goed ruisloos beeldsignaal met een goede lichtuniformiteit (gelijke lichtsterkte in het hele plaatje). De productiekosten van CCD sensoren ligt flink hoger dan die van CMOS sensoren.
18
Bij de CMOS sensor is de technologie voor het uitlezen en omzetten van de analoge spanningswaarden in digitale waarden geïntegreerd in de sensor – Figuur 24. Elke lichtgevoelige diode op een CMOS sensor wordt apart Figuur 22 CMOS sensor Figuur 24 CMOS sensor
uitgelezen en de waarde wordt direct omgezet in een digitale waarde. CMOS sensoren geven dus direct een digitaal
signaal af waardoor er minder elektronica nodig is in de rest van de vingerafdrukscanner. Bovendien gebruiken CMOS sensoren minder energie dan CCD sensoren. CMOS chips hebben ook nadelen. Ze zijn gevoeliger voor ruis (storing) dan CCD sensoren. Tegenwoordig wordt de ruis door sommige fabrikanten opgeheven door ruisonderdrukkende technologie die “active pixel sensor” wordt genoemd. De sensorchip berekent een tegenruis die het originele ruissignaal opheft. Dit heeft een grote kwaliteitsverbetering tot gevolg. Deze ruisonderdrukkende technologie zorgt er echter weer voor dat CMOS sensoren minder lichtgevoelig zijn, omdat een deel van de sensoroppervlakte opgeofferd wordt aan de ruisonderdrukkende elektronica. Ook dit probleem is aangepakt: door licht in de lichtgevoelige diodes te laten convergeren (samenkomen). Dit levert een grotere lichtsterkte op het punt waar de lichtstraal 'neerkomt'. De meeste optische vingerafdrukscanners zijn zoals gezegd uitgerust met een CCD sensor. Of dit zo blijft valt te bezien. De productiekosten van CMOS chips zijn aanzienlijk lager en dat maakt ze interessant voor producenten van optische scanners.
7.1.2 Capacitieve scanner Capacitieve vingerafdrukscanners zijn voorzien van een capacitieve sensor – Figuur 25. In plaats van gebruik te maken van invallend licht, wordt een beeld gemaakt van Figuur 25 Capacitieve sensor
het rimpel- en valleipatroon van de
vingerafdruk bijmiddel van veranderende potentialen door het detecteren van variërende capacitieten.
19
In figuur 26 wordt een principieel schema getoond van een capacitieve sensor. De sensor bestaat uit één of meerdere halfgeleiderchips die elk een matrix van minuscule cellen bevatten.
Figuur 26 Principe schema van een capacitieve sensor Deze cellen zijn kleiner of smaller dan een rimpel op een vinger (ongeveer 50 µm). Iedere cel bevat twee geleidende platen. Deze twee elektrische platen zijn verbonden aan een integrator. Een integrator is een speciale toepassing van een inverterende operationele versterker. Dit is een operationele versterker in inverterende mode, waarbij in de terugkoppelkring een condensator wordt geplaatst – Figuur 27. Het is niet de bedoeling volledig op de werking van een integrator in te gaan, maar kort gezegd levert deze versterker een bepaalde uitgangspanning in functie van de aangelegde ingangspanning aan de inverterende ingang en van de capaciteit van de condensator in de terugkoppelkring. Indien we figuur 26 beschouwen, wordt de niet-inverterende ingang (de ingang met een +) op nulpotentiaal geplaatst. Aan de inverterende ingang (de ingang met een -) wordt een referentiespanning aangelegd. De twee geleidende platen zijn verwerkt in Figuur 27 Integrator
een isolerend medium en vormen hierdoor
een condensator, waarbij de twee geleidende platen de 2 condensatorplaten vormen en het isolerend medium de isolerende tussenlaag. De ene geleidende plaat is verbonden aan de uitgangsklem van de versterker en de ander geleidende plaat is verbonden aan de inverterende ingang van de
20
versterker, met andere woorden: de uitgang van de versterker is verbonden (teruggekoppeld) aan de inverterende ingang via een condensator. Het oppervlak van de vinger beïnvloedt de effectieve capacitiet van de terugkoppelcondensator. Zo zal capaciteit van een terugkoppelcondensator onder een rimpel kleiner zijn dan de capaciteit van een Figuur 28 Sferische elektrische velden bij de capacitieve sensor
terugkoppelcondensator onder een vallei. Dit komt
omdat de geladen terugkoppelcondensator een sferische elektrisch veld veroorzaakt tussen de twee geleidende platen. Een rimpel van de buitenhuid (de dode huidlaag) zal sterker interfereren met de sferische veldlijnen van dit elektrische veld dan een vallei van de buitenhuid daar een vallei zich op een grotere afstand van de geleidende platen bevindt – Figuur 28 Bekijken we nu wederom figuur 26. Om het rimpel- en valleipatroon in te scannen zal de processor van de scanner eerst de reset schakelaars sluiten zodat al de terugkoppelcondensators wordt kortgesloten en kunnen ontladen. Op deze wijze worden de integrator circuits uitgebalanceerd. Daarna worden de reset schakelaars geopend en processor zal een vaste lading plaatsen op het integrator circuit via de ingang -referentiespanning, en de terugkoppelcondensators zullen opladen. Daar deze condensators de uitgangsklem terugkoppelen naar de inverterende ingang, wordt hierdoor de ingangspanning beïnvloedt en op haar beurt wederom de uitgangspanning. Aangezien de afstand tussen buitenvingeroppervlak en de geleidende platen de capaciteit van de terugkoppelcondensator beïnvloeden zal een rimpel een andere uitgangspanning veroorzaken dan een vallei. De processor van de vingerafdrukscanner leest deze verschillende uitgangspanningen aan iedere cel uit en plaatst al deze waarden samen. Op deze manier kan de processor een beeld opstellen van de vingerafdruk. Het hoofdvoordeel van de capacitieve vingerafdrukscanner is dat deze scanner een echt vingerafdrukreliëf vereist, in tegenstelling tot de optische scanners die gebruik maken van een gemeten verdeling van licht- en donkerwaarden. Hierdoor is de capacitieve vingerafdrukscanner minder
21
fraudegevoelig dan de optische vingerafdrukscanner. Daarenboven is de capacitieve sensor compacter dan een CCD-sensor, waardoor capacitieve vingerafdrukscanners meestal compacter zijn dan de optische scanners. Maar deze scanner, net als bij de optische scanners, werkt niet altijd goed bij alle vingertypen. Daar de capacitieve scanner beïnvloed wordt door de luchtlaag tussen het buitenvingeroppervlak (de dode huidlaag) en de isolerende tussenlaag op de chip, zullen vuilere handen (b.v. in een werkplaats) of vel dat vereelt is (b.v. bij oudere personen of ingeval van een huidaandoening) zorgen voor problemen daar het moeilijker wordt voor de scanner om een nauwkeurig beeld van de vingerafdruk te nemen. Eind jaren ’90 van de vorige eeuw (1998) is een vingerafdrukscanner ontwikkeld die quasi niet meer beïnvloed wordt door bovengenoemde beperkingen, en dus quasi elk vingertype correct kan inlezen. Dit type vingerafdrukscanner is gebaseerd op RF-technologie (Radio Frequency). Deze technologie is gepatenteerd onder de naam “TruePrint” technologie en is eigendom van het bedrijf Authentec ( www.authentec.com ). Dit type vingerafdrukscanner wordt RF vingerafdrukscanner genoemd – zie punt 7.1.3
7.1.3 RF vingerafdrukscanner
Figuur 29 Principe van de RF-vingerafdrukscanner (TruePrint – Authentec) De RF vingerafdrukscanners maakt gebruik van een uniform “lineair” elektrisch veld dat men gaat opwekken tussen de hooggeleidende levende huidlaag, net onder de dode huidlaag, en een elektrische geleidende vlakke laag in de RF-sensorchip. Men laat dit coherente lineaire elektrische veld wisselen op radiogolffrequentie (RF) – Figuur 29. Figuur 30 toont een foto van zo een RF-vingerafdruksensorchip. Deze technologie is in 1998 ontwikkeld door een biometrisch bedrijf Authentec genaamd, en is gepatenteerd onder de naam TruePrint technologie.
22
TruePrint technologie is gebaseerd op het principe dat de elektrische equipotentialen (oppervlakken van gelijke potentiaal in een potentiaalveld) de vorm zullen aannemen van de nabij gelegen geleidende oppervlakken. Wanneer men b.v. een lineair elektrisch veld opwekt tussen twee vlakke geleidende oppervlakken, dan zullen de elektrische veldlijnen Figuur 30 RFvingerafdruksensor
tussen deze twee oppervlakken recht blijven (parrallel). Maar als één of beide van de geleidende
oppervlakken gekromd worden (dus niet meer vlak) dan zullen de veldlijnen afbuigen in functie van de vorm van de geleidende oppervlakken. Daar de equipotentialen de elektrische veldlijnen loodrecht snijden, zullen deze de vorm gaan aannemen van de nabije geleidende oppervlakken. Dit kan men goed geïllustreerd zien in figuur 29. De elektrische equipotentiaallijnen snijden de elektrische veldlijnen loodrecht en nemen bijgevolg de vorm aan van de geleidende levende huidlaag. In de praktijk wordt bij de RF vingerafdrukscanner een wisselend lineair elektrisch veld opgewekt tussen een geleidende laag binnenin een silicium chip en de elektrisch geleidende huidlaag die zich juist onder het buitenoppervlak bevindt van de vingerhuid. Doordat de veldlijnen meebuigen met het levende huidoppervlak zullen elektrische equitpotentialen de vorm aannemen van de levende huidlaag. Juist onder het oppervlak van de silicium chip en boven de geleidende vlakke laag in de chip bevinden zich minuscule pixel sensorplaatjes, zie figuur 29. Deze sensorplaatjes vormen een matrix van antennetjes die elektrische potentiaal contouren (equipotentiaallijnen) kunnen meten, daar het RF elektrische veld elektrische potentialen induceert in de sensorplaatjes (zoals bij een radio antenne). Deze potentialen worden dan door versterkers omgezet in spanningswaarden die het beeld van de vingerafdruk vertegenwoordigen. De vingerafdruk die afgeleid wordt door de vingerafdruksensor is dus niet afhankelijk van de luchtopening tussen vingeroppervlak en sensoroppervlak, zoals bij een capacitieve vingerafdruksensor. Als gevolg hiervan kunnen ook vingerafdrukken gemeten worden Figuur 31 Toegangscontrole met een RFvingerafdrukscanner
waarbij op de huid zich eelt gevormd heeft of indien het
23
vingeroppervlak vuil is of droog. Bij capacitieve en optische scanners kunnen zulke vingeroppervlakken voor problemen zorgen. Doordat er met een RF elektrisch veld wordt gewerkt kan de sensor in een dikker beschermende coating geplaatst worden zonder de gevoeligheid van de RF sensor nadelig te beïnvloeden. Hierdoor is de Figuur 32 Toegangscontrole met een RFvingerafdrukscanner gecombineerd met een codeklavier
RF vingerafdrukscanner mechanisch robuuster en minder gevoelig aan
elektrostatische ontladingen dan de capacitieve en optische vingerafdrukscanners. In figuren 31 en 32 worden een paar toepassingsvoorbeelden getoond van biometrische toegangscontrole op basis van een RF-vigerafdrukscanner. Figuur 31 illustreert een toegangscontrole met enkel vingerafdrukcontrole en figuur 32 toont een “stand alone” toegangscontrole eenheid waarbij RF-vingerafdrukcontrole gecombineerd wordt met een codeklavier.
7.1.4 Thermische vingerafdruksensor De thermische vingerafdruksensor maak gebruik pyro-elektrisch materiaal, zoals bij de passieve infrarood detectoren (PIR). Pyroelektrisch materiaal zet Figuur 33 Thermische vingerafdruksensor – Atmel FingerChip
temperatuursverschillen om in een overeenkomstig (analoog) elektrisch
signaal. De thermische vingerafdruksensor maakt gebruik van een matrix van (temperatuursgevoelige) pyro-elektrische pixels. Het principe hierachter is dat wanneer de Figuur 34
rimpels van de vingerafdruk contact maken
24
met de pyro-elektrische pixels er een tijdelijk temperatuursverschil aanwezig zal zijn tussen de rimpel en de pixel. Dit veroorzaakt een tijdelijk elektrische lading op het oppervlak van de pyro-elektrische pixel. Bij pixels die zich onder een vallei bevinden is dit tijdelijke temperatuursverschil niet aanwezig. Het is echter wel zo dat het elektrische potentiaal veroorzaakt door een pixel onder een rimpel slechts heel kort is (minder dan een duizendste van een seconde), omdat zich snel een thermisch evenwicht vormt tussen pixel en rimpel. Om dit euvel op te vangen, en aldus toch de ‘gehele’ vingerafdruk te kunnen scannen, werd deze sensor ontwikkeld als een sensor waarover men het vingeroppervlak moet laten glijden met een gepaste glijsnelheid. De vingerafdruk wordt dan stuk voor stuk (frame per frame) ingelezen en vervolgens door de scanner software aan mekaar gehecht tot één vingerafdruk – Figuur 34. Het nadeel is dat het wat langer zal duren om een volledig beeld van de vingerafdruk te genereren. Het gevolg is dat de sensor chip veel smaller is dan b.v. een optische of capacitaire sensor. Dit levert ook voordelen op: - Het kleinere chipoppervlak zal de eenheidsprijs van de sensor beperken (minder silicium). - Doordat er over de sensor gegleden moet worden is de sensor zelfreinigend en blijft er geen latente vingerafdruk achter op de sensor. Deze latente afdruk kan problemen veroorzaken bij het inlezen van een daaropvolgende vingerafdruk en kan soms een bruikbare afdruk zijn om gekopieerd te worden door personen met criminele bedoelingen. - Doordat gebuik wordt gemaakt van pyro-elektrisch materiaal, is deze sensor weinig of niet gevoelig aan elektrostatische ontladingen (b.v. wanneer het vingeroppervlak contact maakt met de sensor), zoals dit het geval is bij de capacitieve sensor. Ondanks deze voordelen wordt deze sensor voorlopig alleen ontwikkeld door de producent Atmel onder de naam ‘FingerChip’ – Figuur 33. De FingerChip bevat naast de sensor array met pyro-elektrische pixels de nodige elektronica om de analoge waarden in digitale waarden om te zetten.
25
De FingerChip bevat een matrix (pyro-elektrische pixels) van 8 rijen bij 280 kolommen. De sensor bevat evenwel nog een 281-ste kolom van pixels met 8 rijen. Dit is echter een dummy-rij verbonden met een temperatuursensor. Deze dummy wordt gebruikt voor de kalibratie van de sensor en de identificatie van een frame. Dit geeft een totaal van 2240 temperatuursgevoelige pixels. 1 pixel is 50 bij 50 µm. Dit geeft in totaal en resolutie van 500 dpi over een beeldoppervlak van 0.4 bij 14 mm. Dit is een voldoende hoge resolutie om een werkbaar frame (een deel van de totale afbeelding van de vingerafdruk) in te scannen. Deze resolutie voldoet b.v. aan de eisen van de IQS (Image Quality Specifivation) van het IAFS (Integrated Automated Fingerprint identification System) van het FBI (U.S. Ferderal Bureau of Investigation). De FingerChip kan werken tot een kloksnelheid van 2 MHz, hetgeen resulteert in het genereren 1780 frames per seconde. Dit is voldoende voor een typisch glijsnelheid van het vingeroppervlak over de sensor. De FingerChip sensor zelf, samen met de elektronica om de analoge waarden om te zetten in digitale waarden, bevinden zich in dezelfde gietvorm van 1.7 bij 17.3 mm. Het functionele schema in figuur 35 toont de werking van al deze componenten in deze gietvorm van 1.7 bij 17.3 mm.
Figuur 35 Functioneel schema van de FingerChip De cyclus van operaties voor het inlezen van één frame gaat als volgt: -1 van de 208 + 1 kolommen in de sensormatrix wordt geselecteerd. De kolommen worden sequentieel van links naar rechts geselecteerd. Na het geven van een reset signaal wordt begonnen met de meest linkse pixel-kolom uit te lezen.
26
-Iedere pixel in de gekozen kolom stuurt zijn analoge temperatuurswaarde naar de 8 versterkers -Twee lijnen (een even en oneven lijn) per keer (per klokpuls) worden geselecteerd om hun analoge waarden door te sturen naar de twee 4-bit analoog naar digitaal converters (4-bit –A/DC). - De twee 4-bit digitale waarden worden vervolgens parallel uitgelezen aan de parallelle uitgangen De0-3 en Do0-3. Per klokpuls worden dus 2 pixels van een kolom uitgelezen. Dit wordt geïllustreerd in figuur 36 voor 1 frame (dus 280 +1 kolomen van 8 rijen, dit wil zeggen 4 klokpulsen per kolom).
Figuur 36 Atmel FingerChip kolom sequentie voor één frame Tot slot wordt in figuur 37 de opeenvolging of sequentie van de frames getoond.
Figuur 37 Atmel FingerChip frame sequentie
7.1.5 MEMS Micro-Elektro-Mechanical-Systems (MEMS) kan men definiëren als de integratie van mechanische elementen, sensoren, actuatoren en elektronica op een gemeenschappelijk silicium substraat gebruikmakend van microfabricatie technologie. De (micro)elektronica wordt gefabriceerd Figuur 38 MEMS, met toestemming van Sandia National Laboratories, SUMMiTTM Technologies, www.mems.sandia.gov
door gebruikmaking van “Integrated circuit”
27
(IC) processtappen (b.v. CMOS, Bipolar of BICMOS processen), terwijl de micromechanische componenten (op µm schaal) gefabriceerd worden door gebruikmaking van processen die selectief delen wegetsen van silicium schijven of nieuwe structurele lagen bijvoegen om mechanische of elektromechanische onderdelen te vormen. De micro elektronische “integrated circuits” kan men beschouwen als het brein van een systeem en MEMS voorzien dit brein van “ogen” (sensoren) en “armen” (actuatoren), waardoor dit microsysteem in staat wordt gesteld de omgeving te “voelen” en te “controleren”. MEMS technologie wordt heden ook toegepast voor het ontwikkelen van vingerafdruksensoren door gebruik te maken van de drukverdeling onder het vingeroppervlak.
7.1.5.1 Piëzo resistief De piëzo-resistieve vingerafdruksensor maakt gebruik van een dunne filmsensor pixelmatrix om de druk te meten onder de rimpels van de te meten vingerafdruk. Figuur 39 Piëzo resistieve sensor De pixels of cellen zijn van dezelfde grootte als de andere types sensoren, dus 50µm, hetgeen dezelfde gebruikelijke resolutie van 500 dpi oplevert. Wanneer het vingeroppervlak op de sensor wordt geplaatst komen alleen de rimpels van het vingeroppervlak in contact met de drukgevoelige cellen. Als gevolg hiervan ondergaan zullen enkel de resistieve eigenschappen van de cellen onder de rimpels veranderen. Iedere cel bevat een piezo-resistieve MEMS structuur. Een peizo-resistief element ondergaat een elektrische weerstandsverandering wanneer deze vervormd wordt, een voorbeeld hiervan zijn rekstrookjes. Wanneer een vingeroppervlak op sensor geplaatst wordt ondergaan de piezo-eletrische structuren onder de rimpels een doorbuiging. Hierdoor verandert de elektrische weerstand in desbetreffende structuren. In principe is de weerstandsverandering een “analoge” waarde, maar het weerstandsverschil tussen bedrukte en onbelaste toestand is voldoende groot zodat door gebruik van een gepaste overgangswaarde (treshold) men op een betrouwbare manier onderscheid kan maken tussen de aanwezigheid of afwezigheid van een
28
rimpel. Het gevolg hiervan is dat de respons van de sensor onmiddellijk digitaal is, er is geen analoog naar digitaal omzetting nodig – Figuur 39.
Figuur 40 Vergelijk van resultaten van vingerafdrukken tussen de piezoresistieve sensor en de capacitieve sensor Doordat niet de afstand tussen sensor en vingeroppervlak wordt gemeten, zoals bij de capacitieve sensor, maar de druk is de sensor minder gevoelig voor nadelige invloeden komende van een droog of nat vingeroppervlak – Figuur 40.
7.2 Irisherkenning Irisherkenning is een biometrische identificatiemethode gebaseerd op hoge resolutie beelden van de irissen van een individu. De iris is een zichtbaar maar goed beschermde (beschermd door de Figuur 41 Anatomie van het oog, [1]
cornea) structuur in het
oog – Figuur 41. De iris is tevens een stabiele structuur welke gewoonlijk niet wijzigt in de tijd (tenzij bij ziekte). Meestal blijft de iris onveranderd na een chirurgische behandeling van het oog en zelfs blinden kunnen met de iris worden geïdentificeerd op voorwaarde dat hun ogen irissen bevatten. De iris is quasi vlak en heeft een fijne textuur. Deze textuur wordt niet genetisch maar “random” bepaald tijdens de “embrionale” zwangerschap. Zelfs identieke tweelingen (monozygoten) hebben volledig onafhankelijke en verschillende iristexturen. Al deze eigenschappen zorgen ervoor dat de iris een zeer geschikt orgaan is voor biometrische identificatie.
29
Om aan een hoog resolutie beeld te komen worden foto’s gemaakt van één of beide ogen van het individu met behulp van een (ccd)camera door gebuik te maken zowel zichtbaar licht als licht in het NIR spectrum (Near Infrared, 700 nm tot 900 nm). Door gebruik te maken van NIR-licht is het makkelijker om de iris van de foto te isoleren. Het irisherkenningsysteem (software) isoleert vervolgens de iris uit de foto en zet deze om in een dimensie “invariante” voorstelling (een dimensieloos polair coördinatensysteem). Dit wordt gedaan om de invloed van pupildilatatie te neutraliseren. Figuur 42 Foto van een iris met haar iriscode Hierna wordt door het irisherkenningsysteem de irispatronen (putjes, strepen, gleuven, etc..) omgezet in een bitpatroon of ‘iriscode’. Dit bitpatroon wordt gebruikt om de iris van een individu eenduidig te kunnen vergelijken met Figuur 43 Iriscodes van 2 verschillende irissen andere iris bitpatronen die b.v. in een databank of op een smartcard opgeslagen staan. De algoritmen om irispatronen om te zetten in een bitpatroon zijn voor het eerst ontwikkeld door professor John Daugman (University of Cambridge, Computer Laboratory), en deze zijn door hem gepatenteerd in 1994, [3]. Deze algoritmen maken gebruik van 2D-Gabor wavelets om de inhoud van een irisfoto te coderen in een bruikbaar bitpatroon [1], [2],[3]. Dit bitpatroon bestaat uit1024 bitparen die de waarden 00, 01, 10 of 11 kunnen aannemen – Figuren 42 & 43. Dus een irispatroon wordt voorgesteld door een binair informatiepakketje van 256 bytes. Deze algoritmen vormen de basis van al de huidige in gebruik zijnde irisherkenningsystemen.
30
De iriscode (een binaire string) van de ingescande iris kan “snel” vergeleken worden met een andere iriscode door gebruik te maken van de logische “exclusieve or” (XOR) in parallelle stukjes als één enkele computerinstructie. De logische XOR detecteert wanneer een bitpaar niet overeenkomt. Dus bij de bitparen 01 of 10 geeft een XOR operatie het resultaat 1, en bij de bitparen 11 of 00 het resultaat 0. Standaard programmeertalen voorzien de mogelijkheid om bij een 32-bit processor eenheid 2 binaire strings van 32 bit bits te vergelijken met een XOR en het resultaat te stoppen in een 3-de 32bit string, dit alles in parallel en in één enkele operatie. Hierdoor kunnen 2 iriscodes ( binaire strings van 2048 bits) met elkaar vergeleken worden op +/- 1/100000-ste van een seconde op een 300 MHZ desktop PC.
Figuur 44 Irisscanners die gebruiken van de algoritmen van J. Daugman H Het aantal keer dat er 1 bits voorkomen in de XOR resultaatstring is een maat voor het verschil tussen de iriscodes (Hamming distance of HD). De HD wordt vergeleken met een vooraf statistisch bepaalde waarde om te onderscheiden of twee iriscodes wel of niet statistisch onafhankelijk zijn. Als blijkt uit de test dat 2 iriscodes statistisch afhankelijk zijn, heeft men een “match”. Men neemt meestal als treshold waarde 0.31 (31%) voor de HD. Als de HD lager is dan 0.31 heeft men een “match”. Statistisch onderzoek heeft aangetoond dat bij deze methode de kans dat 2 iriscodes van 2 verschillende personen een HD zouden behalen van minder dan 0.31 ‘ver’ beneden de 10-6 ligt. Hieruit volgt dat de FAR ver beneden de 10-6 zal liggen en de FRR onder de 1%. De ‘treshold’ waarde voor de HD is aanpasbaar voor het geval men werkt met zeer grote databanken (miljoenen gebruikers), op deze manier kan men de FAR laag houden. Figuur 44 toont een aantal irisscanners die gebruik maken van de algoritmen van J. Daugam. Zoals je kan opmerken worden irisscanners niet gehinderd door een bril of zelfs contactlenzen.
31
Bibliografie [1] Iris recognition. “The colored part of the eye contains delicate patterns that vary randomly from person to person, offering a powerful means of identification.” John Daugman American Scientist, Volume 89 page 326-333 [2] How iris recognition works. John Daugman, PhD. University of Cambridge, The Computer Laboratory, Cambridge CB2 3 QG, U.K. www.CL.cam.ac.uk/users/jgd1000/ [3] Biometric personal identification system based on iris analysis – John G. Daugman United States Patent 5291560 - March 1, 1994
32
