Přístupové systémy (2)

Identifikátory mají různé tvary a velikosti, nejčastěji existují ve formě potisknutelných samolepek se zabudovanou anténou a čipem – obr. 14.

Kombinované identifikační čipy

Jedná se o spojení kontaktního a bezkontaktního principu v jedné kartě, přívěšku nebo klíči.

Magnetická identifikační média

Jedná se o karty, které mají na svém povrchu umístěn magnetický proužek, na kterém jsou zaznamenány informace. Magnetický proužek obsahuje dvě nebo tři datové stopy. První dvě stopy slouží pouze pro čtení informací a na třetí stopu lze informace i zapisovat. Tuto třetí stopu využívají např. banky pro zaznamenání různých údajů ­(finanční limit klienta, apod.) [7]. Fotografie vybavení pro magnetická identifikační média jsou na obr. 15.

Optická identifikační média

Pro optické identifikační prvky se používá čárový kód, data matrix (2D) nebo kruhový kód. Pro čtení tohoto kódu slouží laserové nebo CCD čtečky – obr. 16.

Biometrická identifikační média

Biometrická identifikace vychází z předpokladu, že některé fyziologické (anatomické) a behaviorální vlastnosti člověka jsou jedinečné a časem neměnné. Z fyziologických znaků jsou nejpoužívanější:

Otisk prstů – papilární linie prstů, v daktyloskopii porovnávání charakteristických vzorů a markantů

Oční sítnice – Optický systém sejme část sítnice, obraz tvoří krevní cévky osvětlené koherentním zdrojem světla. Systém uživatelsky nepřívětivý, je nutná velmi přesná pozice vůči skeneru.

Oční duhovka – Oko je snímáno kamerou ve viditelném nebo infračerveném spektru, analýzou kontrastu je „vyseknuta“ oblast duhovky, a pouze ta je navzorkována, normována a zaznamenána. K porovnání jsou použity sofistikované matematické metody. Není nutná nehybnost ani tak přesná pozice uživatele vůči čtečce.

Obličej – porovnávána je geometrie, resp. 3D model tváře. Snímání je prováděno 1 nebo 2 kamerami většinou v IR spektru, porovnávají se charakteristické vzdálenosti a proporce očí, nosu, uší, lícních kostí, čelisti apod. Při dnešních algoritmech je spolehlivost značná (FAR 0,0001%), problém nebývá ani u jednovaječných dvojčat.

Další – tvar ruky, ušnice, pach, rozložení cév, DNA apod.

Z behaviorálních znaků lze jmenovat hlas, podpis, stisk kláves, chůzi. Tyto technologie však nejsou příliš rozšířené.

V biometrických systémech se vždy zpracovává mnohem větší objem dat než např. u systémů čipových. Terminály pro oční nebo obličejovou identifikaci jsou vybaveny výkonným procesorem na bázi ARM nebo průmyslovým PC, s integrovaným „embedded“ operačním systémem (Windows, Linux…). Proces ověřování pro velké množství uživatelů je tedy náročnou procedurou. Proto se v ­praxi u biometrických systémů setkáme s metodou ověřování „1N“ nebo „11“. První z jmenovaných metod prohledává celou databázi uložených identit, zatímco druhá metoda vyžaduje před samotnou biometrickou identifikací ještě identifikaci jiným způsobem (kód, RFID apod.), poté dojde jen k porovnání konkrétní identity s právě pořízeným vzorkem.

Čtečky otisků prstů nabízejí uživatelský komfort, vysokou míru ­zabezpečení a v posledních letech také nízkou cenu. Z pohledu snímacího elementu je dělíme na tyto nejpoužívanější druhy:

Optické – Prst položený na dotykovou vrstvu (sklo) je osvětlen zdrojem viditelného světla (LED), které po odrazu na CCD/CMOS čip vytváří obraz papilárních linií. Nevýhodou je nutný velký kontrast linií, náchylnost k zašpinění, poškrábání, možnost opticky napodobit otisk a velké rozměry senzoru. Výhodou pak především ESD odolnost. 

Kapacitní (CMOS) – Zvrásnění papilárních linií je v podstatě kombinací 2 dielektrik (vzduchu a tkáně). Kapacitní senzory mohou být pasivní nebo aktivní. Pasivní senzory pouze měří ­kapacitu záhybů dermální vrstvy pokožky (ta se jeví jako ­vodivá) vůči mikroelektrodám matice kapacitorů, zatímco aktivní kapacitní (někdy označované jako RF) budí elektrody matice vysokofrekvenčním signálem a tak jsou schopny měřit kapacitu včetně epidermálních vrstev. Z toho vyplývá, že jsou odolnější vůči vnějšímu zašpinění nebo poškození pokožky.

Ultrazvukové – Podobně jako aktivní kapacitní senzory pronikají vysokofrekvenčním ultrazvukovým signálem až do dermální ­vrstvy prstu, proto je odolnost vůči zašpinění nebo poškrábání velmi dobrá, cena je však nejvyšší ze zde uvedených senzorů. Senzor je tvořen maticí piezoelektrických měničů.

Teplotní – Matice pyroelektrického materiálu snímá na povrchu teplotní rozdíly, způsobené vrcholky a prohlubněmi linií. Funkce je značně ovlivněna okolní teplotou, setrvačností apod. Podle způsobu aplikace prstu na senzor dělíme čtečky, resp. jejich senzory, na dotykové (touch) a posuvné (swipe). U dotykových je obraz pap. linií nasnímán najednou, zatímco u posuvných dochází ke složení výsledného obrazu z několika proužků získaných z užší matice senzoru. Přirozeně, uživatelsky příjemnějším je typ dotykový. Typické rozlišení dnešních čteček otisků prstů bývá 500 dpi, zpracování vlastní informace ze senzoru se provádí výkonným DSP procesory. Všechny sensory musí vykazovat velkou ESD ochranu a odolnou kontaktní vrstvu. Příklady systémů pro biometrickou identifikaci jsou uvedeny na obr. 17. a na obr. 18 je uveden příklad přístupového systému s biometrickými prvky od firmy STMicroelectronics [8]. Mezi základní identifikační oblasti náleží oko – duhovka, oko – sítnice, obličej, otisk prstu, geometrie ruky, podpis, barva hlasu apod. Tab. 2 porovnává vlastnosti používaných biometrických systémů [9].

Oko-duhovka

Základem této metody je převod obrazu duhovky do elektronické podoby. V podstatě se jedná o „obyčejné“ fotografování očí, které se osvítí infračerveným světlem nízké intenzity. Širokoúhlý objektiv nejprve zachytí celý obličej, zjistí pozici očí a vybere jedno z nich. Dougmanův postup vyhodnocuje asi 250 znaků duhovky, jako jsou žilky, pigmentové skvrny, proužky, body, vyvýšeniny a další. Fotografováním je vytvořen černobílý obraz s rozlišením 640x480 pixelů. Softwarově se odstraní různé kazy a reflexy, ale i půlkruh duhovky se transformuje na obdélník. Při analýze je kontrolován bit po bitu, zjistí-li se shoda v 67 % znaků, považují se oba vzory za ­totožné. Shodnost v 67 % odpovídá pravděpodobnosti 11,2 ­milionu. Protože je struktura duhovky symetrická, lze různé deformace ­matematicky korigovat. Vzorek duhovky je jedinečný, ale některá onemocnění snižují možnost tohoto rozpoznávání. Na obr. 19 je provedeno porovnání obrazu duhovky s její elektronickou podobou [10].

Geometrie obličeje

Podobně jako při skenování duhovky se i při rozpoznávání obličeje stanoví charakteristické ukazatele a porovnají se s uloženou šablonou. Používají se především znaky málo ovlivněné mimikou, jako horní okraje očnic, oblasti kolem lícních kostí, postranní partie úst. Software nejprve vyhledá oči jako temné body a poté další ­významné body obličeje. Při výpočtu charakteristických dat se ­vytvoří na  obličeji mřížka spojující významné body, její velikost bývá kolem 1 MB až 1,3 MB. Shoda obrazu s vzorem je ovlivněna správným natočením obličeje. K eliminace této chyby se stále více využívají speciální kamery schopné zaznamenat 3D obraz obličeje. Na obličej se promítne obraz složený z barevných proužků, které se na nosu, čele, uších a bradě různě zformují a vytvoří charakteristický vzor. Tato metoda odstraňuje rušivé faktory, umožňuje identifikaci osoby i uprostřed davu. Na obr. 20 je zobrazen skenovaný obličej a elektronická podoba geometrie obličeje [11], [12].

Otisk prstu

Systém pracuje na základě porovnávání papilárních linií. Mikropočítač porovnává charakteristické body, tzv. minucie s uloženým vzorem. K vytvoření obrazu povrchu prstu se používají senzory využívající různé fyzikální principy (tepelný, kapacitní, optický atd.), které zajišťují přípravu černobílých vzorů linií. Vzorky se považují za shodné, souhlasí-li 12% znaků. Nejrozšířenější jsou optické senzory, při nichž se prst osvítí a vyfotografuje. U kapacitního snímání tvoří povrch senzoru spolu s povrchem prstu kondenzátor, jehož kapacita se mění s reliéfem prstu. Další metody měří elektrické pole nebo teplotní obraz.

Aby se zamezilo použití napodobenin (např. silikonových), mnohé systémy navíc měří puls, průtok krve, obsah kyslíku v krvi a teplotu prstu. Základní princip kapacitního senzoru otisků lze prezentovat na obr. 21, kde je uvedeno blokové zapojení jednoduchého čipu realizovaného v 0,5 μm CMOS LSI technologii [13]. Čip senzoru obsahuje mikrokondenzátory uspořádané do matice. Počet kondenzátorů určuje rozlišení (rozteč článků je až 65 μm). Po přiložení prstu se měří kapacita jednotlivých článků, z hodnot se ­vytváří mapa rozložení kapacity (obraz otisku).

Každý článek představuje jeden pixel obrazu. Jednotlivé pixely jsou zpracovány ­digitálně s paralelním zpracováním informace ze všech ­pixelů. Na čipu je mikrokontroler pro řízení paralelního zpracování signálu v jednotlivých pixelech a pro řízení komunikace mezi senzorem a vnějším počítačem. Na obr. 21b) je fotografie systému snímače otisku prstu s kapacitním senzorem otisků [14]. Rozlišení je 508 dpi, snímací plocha 12,8 mm x 18 mm a obrazová velikost je 256 x 360 pixelů.

Geometrie ruky

Metoda proměřuje geometrii celé ruky, charakteristická data ­obsahují délku prstů, šířku kloubů, tvar ruky. Data ke zpracování se snímají čtecím zařízením na obr. 22 [15].

Rozsah přístupových systémů, topologie

Autonomní systémy

Autonomní systém je tvořen max. 2 (oboustranný prostup) ­snímacími zařízeními (klávesnice, RFID, biometrie), který má ­zároveň funkci kontroléru, nebo je řídicí jednotka oddělena. Přístupová práva se programují pomocí specifického postupu (master kódkarta, speciální HW mód, popř. připojení k PC) a jsou ­uložena v paměti ­samotného kontroléru. Bezpečnější variantou je samozřejmě ­oddělená řídicí jednotka. V tomto uspořádání je obvykle identifikační zařízení propojeno s řídicí jednotkou pomocí proudové smyčky, jednoduché sériové linky nebo sběrnicí RS-485.

Obvykle paměť umožňuje uložení jen několik desítek uživatelů, s tím, že záznam událostí na přístupovém místě není vůbec prováděn nebo jen ve velmi omezené míře. Připojení řídicího PC buď není vůbec možné, nebo slouží jen pro servisní programování uživatelů a stažení logu (např. v případě škodní události). Systém je vhodný pro jeden nebo několik samostatných prostupů, s menší četností pohybu osob, obecně pro instalace s nízkými nároky na bezpečnost apod. Do této kategorie patří také autonomní dveřní zámky s integrovanou čtečkou. Příklady autonomních přístupových systémů jsou uvedeny na obr.23.

Poděkování

Obsah článku vznikl v souvislosti s řešením projektu Centrum bezpečnostních technologií (CEBET II) podporovaného MŠMT ČR, částečně v souvislosti s řešením projektu MV ČR VG 2010 2015 015 „Miniaturní inteligentní analyzační systém koncentrací plynů a škodlivých látek, zejména toxických“.

Literatura

[7] Karty s magnetickým proužkem
[8] (www.st.com)
[9] Teplý,T., Přístupové systémy, přednáška, ČVUT, 2008
[10] http://www.cl.cam.ac.uk
[11] http://www.bundesregierung.de/Content/EN/Artikel/2007/11/Bilder/hightech-serie-sicherheit-3d-objekterfassung,layoutVariant=Poster.html
[12] http://www.3dface.org/media/images.html
[13] Husák,M., Mikrosenzory a mikroaktuátory, Academia 2008
[14] Meghdadi, Majid; Jalilzadeh, Saeed (29 October 2005). „Validity and Acceptability of Results in Fingerprint Scanners“. Proceedings of the 7th WSEAS International Conference on Mathematical Methods and Computational Techniques In Electrical Engineering. Retrieved 4 November 2010.
[15] http://www.sandiacontrolsystems.com/page3.html

Pokračovanie v budúcom čísle.

Prof. Ing. Miroslav Husák, CSc.

Ing. Tomáš Vítek

Ing. Tomáč Teplý

Elektrotechnická fakulta ČVUT v Prahe
Katedra mikoelektroniky