指紋スキャナーの仕組み

コンピューター化された指紋スキャナーは、何十年にもわたってスパイ スリラーの主力でしたが、最近まで、現実世界では非常に珍しいテクノロジーでした。しかし、ここ数年で、警察署、厳重な警備の建物、さらにはPC のキーボードなど、いたるところにスキャナーが設置されるようになりました。個人用USB指紋スキャナーは 100 ドル未満で購入でき、それと同じように、コンピューターはハイテク生体認証によって保護されます。アクセスするには、パスワードの代わりに、またはパスワードに加えて、独自の印刷物が必要です。

この記事では、法執行機関とアイデンティティ セキュリティにおけるこのエキサイティングな発展の背後にある秘密を考察します。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連携するのかを確認し、どのように失敗する可能性があるのか​​を確認します。

指紋の基本

指紋は自然の奇妙なねじれの 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。あなただけを表現するユニークなデザインが、文字通りあなたの指先にあります。どうしてこんなことになったのでしょうか？

人々の指に小さな隆起のある皮膚があるのは、この特定の適応が人類の祖先にとって非常に有利だったからです。ゴムのトレッドパターンがタイヤが路面をグリップするのと同じように、指の山と谷のパターンにより、手で物を掴みやすくなります。

指紋のもう 1 つの役割は、まったくの偶然です。人体のあらゆるものと同様、これらの隆起は遺伝的要因と環境的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、発育中の胎児において皮膚が形成される方法に関する一般的な命令を与えますが、皮膚が形成される具体的な方法はランダムな出来事の結果です。特定の瞬間における子宮内の胎児の正確な位置と、周囲の羊水の正確な組成と密度によって、個々の尾根がどのように形成されるかが決まります。

つまり、そもそもの遺伝子構成を決定する無数の要因に加えて、指の形成に影響を与える環境要因が無数にあります。雲やビーチの海岸線を形成する気象条件と同じように、開発プロセス全体は非常に混沌としており、人類の歴史全体を通じて、まったく同じパターンが 2 回形成される可能性は事実上ありません。

したがって、指紋は、たとえ一卵性双生児であっても、その人にとって固有のマーカーとなります。また、2 つの印刷物は一見すると基本的に同じように見えますが、訓練を受けた調査員や高度なソフトウェアを使用すれば、明確な違いを見つけ出すことができます。

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、人間の分析者の代わりに印刷サンプルを収集し、記録されている他のサンプルと比較することです。次のいくつかのセクションでは、スキャナがこれをどのように行うかについて説明します。

光学スキャナー

指紋スキャナ システムには 2 つの基本的な仕事があります。つまり、指の画像を取得する必要があり、もう 1 つは、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。現在最も一般的な方法は、光学式スキャンと静電容量式スキャンです。どちらのタイプも同じようなイメージを思いつきますが、それを実現する方法はまったく異なります。

光学スキャナの心臓部は電荷結合素子(CCD) であり、これはデジタル カメラやビデオカメラで使用されているものと同じ光センサー システムです。 CCD は、単にフォトサイトと呼ばれる光感応ダイオードのアレイであり、光フォトン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った光を表す小さな点であるピクセルを記録します。明るいピクセルと暗いピクセルが集合して、スキャンされたシーン (指など) の画像を形成します。通常、スキャナ システムのアナログ – デジタル コンバータ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。 CCD とデジタル変換の詳細については、 「デジタル カメラの仕組み」を参照してください。

ガラス板に指を置くとスキャン プロセスが開始され、CCD カメラが写真を撮ります。スキャナーには、指の隆線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) が備わっています。 CCD システムは実際に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を表し (指の隆線)、より明るい領域はより少ない反射光を表します (隆線間の谷)。

印刷物と保存されたデータを比較する前に、スキャナ 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。平均ピクセルの暗さ、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、スキャナは露出時間を調整して光を多かれ少なかれ取り込み、スキャンを再試行します。

濃度レベルが適切な場合、スキャナ システムは画像の鮮明度(指紋スキャンがどの程度鮮明であるか) をチェックします。プロセッサは、画像上で水平および垂直に移動するいくつかの直線を調べます。指紋画像の鮮明度が高い場合、隆線に垂直に伸びる線は、非常に暗いピクセルと非常に明るいピクセルが交互に並んだ部分で構成されます。

プロセッサーは、画像が鮮明で適切に露出していると判断すると、取り込んだ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すぐに説明しますが、最初に、もう 1 つ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検討します。

静電容量スキャナー

光学式スキャナーと同様に、容量性指紋スキャナーは、指紋を構成する山と谷の画像を生成します。ただし、光を使用して印刷物を感知する代わりに、コンデンサは電流を使用します。

以下の図は、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 つの導体板が含まれています。細胞は非常に小さく、指の 1 つの隆起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。反転アンプは、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。その動作の詳細については、それだけで記事全体が書けてしまいますが、ここでは静電容量スキャナーでどのような動作をするの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、オペアンプを確認してください。)

他のアンプと同様に、反転アンプは、ある電流の変動に基づいて別の電流を変更します (詳細については、「アンプの仕組み」を参照してください)。具体的には、反転増幅器は電源電圧を変更します。この変更は、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行われます。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源とフィードバックループに接続されます。フィードバック ループはアンプの出力にも接続されており、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 つの導体板は基本的なコンデンサ、つまり電荷を蓄積できる電気部品を形成します (詳細については、 「コンデンサの仕組み」を参照してください)。指の表面は、セル構造内の絶縁層によって分離された第 3 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なります。コンデンサ プレート間の距離を変えると (指を導電プレートに近づけたり遠ざけたりすることによって)、コンデンサの総静電容量 (電荷を蓄積する能力) が変化します。この性質のため、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。

フィンガーをスキャンするには、プロセッサがまず各セルのリセット スイッチを閉じます。これにより、各アンプの入力と出力が短絡され、積分回路の「バランス」が保たれます。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電圧に影響を与え、それがアンプの出力に影響します。フィンガーまでの距離によって静電容量が変化するため、フィンガーの隆起部ではフィンガーの谷部とは異なる電圧出力が生じます。

スキャナ プロセッサはこの電圧出力を読み取り、それが尾根の特徴であるか谷の特徴であるかを判断します。プロセッサーは、センサー アレイ内のすべてのセルを読み取ることで、光学スキャナーでキャプチャされた画像と同様の、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の主な利点は、指紋の視覚的な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であることです。これにより、システムを騙すことが難しくなります。さらに、静電容量式スキャナは CCD ユニットではなく半導体チップを使用するため、光学式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、自動指紋分析装置は通常、さまざまな指紋画像を重ね合わせ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。にじみを付けると、同じプリントの 2 つの画像がかなり違って見えるため、完璧な画像オーバーレイが得られることはほとんどありません。さらに、指紋画像全体を比較分析に使用すると、多くの処理能力が消費され、誰かが印刷データを盗むことも容易になります。

代わりに、ほとんどの指紋スキャナ システムは、一般に特徴点として知られる指紋の特定の特徴を比較します。通常、人間とコンピューターの調査者は、稜線が終わる点、または 1 つの稜線が 2 つに分かれる (分岐) 点に集中します。これらおよびその他の特徴的な特徴を総称して、ティピカと呼ぶこともあります。

スキャナ 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、これらの細部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な方法で、特徴点の相対的な位置を測定することです。これを考える簡単な方法は、さまざまな特徴点の間に直線を引いたときに形成される形状を考えることです。 2 つのプリントに 3 つの尾根端と 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、それらは同じプリントからのものである可能性が高くなります。

一致を得るために、スキャナ システムはサンプルと記録上のプリント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 つのプリントに共通する十分な数の特徴点パターンを見つけるだけで済みます。正確な数はスキャナ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でき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。

「所持品」システムを通過するには、磁気ストライプ付きの 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、あなたが自分であるという物理的な証拠、つまり特定の指紋、声、 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「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、

しかし、それらは効果的ではありますが、間違いがないわけではなく、大きな欠点もあります。光学式スキャナーは、指の画像と指そのものを常に区別できるわけではありません。また、静電容量式スキャナーは、人の指の型に騙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騙す可能性があります。最悪のシナリオでは、犯罪者がスキャナーのセキュリティ システムをすり抜けるために誰かの指を切り落とす可能性さえあります。一部のスキャナーには、型や切断された指ではなく、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搭載されていますが、これらのシステムでも、本物の指の上にあるゼラチンプリントの型によって騙される可能性があります。 (誰かがスキャナーを騙すさまざまな方法を説明します。)

これらのセキュリティ システムの信頼性を高めるには、生体認証分析とパスワードなどの従来の識別手段を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 情報を盗んだ場合の被害の程度です。クレジット カードを紛失したり、秘密の PIN 番号を誤って誰かに教えてしまった場合でも、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ら、あなたは残りの人生でほぼ不幸になります。すべてのコピーが破棄されたことを完全に確信するまで、プリント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、今日の鍵、ATM カード、パスワードと同じように、ほとんどの人々の日常生活に不可欠な部分になる可能性が高くなります。

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参照してください。