Криминалистическая идентификация по радужной оболочке и сетчатке глаза: современные возможности и проблемы применения
Барсуков Сергей Сергеевич, старший преподаватель кафедры криминалистики и оперативно-разыскной деятельности Ростовского юридического института МВД России
Статья посвящена основным принципам работы биометрических систем идентификации, использующих в качестве ключа глаз человека в криминалистических целях. Рассматриваются особенности анатомического строения радужной оболочки глаза и глазного дна, история, достоинства и недостатки каждого метода.
Ключевые слова: биометрия, идентификация, верификация, радужная оболочка глаза, сетчатка глаза, сегментация, параметризация.
Forensic identification by the iris and retina of the eye: current opportunities and problems of application
Barsukov Sergey Sergeevich - Senior Lecturer, the Department of Forensic Science and Operational-Search Activities, the Rostov Law Institute of Internal Affairs of the Russian Federation, Lieutenant Colonel of the police
The article is devoted to the basic principles of biometric identification systems, using human eyes as a key for forensic purposes. The features of the anatomical structure of the iris and fundus, history, advantages and disadvantages of each method are considered.
Keywords: biometrics, identification, verification, iris, retina, segmentation, parametrization.
биометрический идентификация глаз радужный
Биометрия - наука, основанная на описании и измерении характеристик организмов живых существ. В применении к системам автоматической идентификации биометрическими являются системы и способы, основанные на использовании для верификации и идентификации уникальных физиологических или поведенческих характеристик организма [1, 2].
В 1936 году американский хирург-офтальмолог Франк Бурш, основываясь на своем опыте, высказал предположение, что радужная оболочка каждого человека индивидуальна, ее можно использовать в качестве одного из параметров идентификации. Его последователи Леонард Флом и Аран Сафир продолжили разработки и в 1987 году запатентовали метод аутентификации по радужной оболочке. Возник вопрос о создании некой системы для применения данного метода, и на помощь к ним пришел Джон Даугман, который в 1989 году разработал саму теорию и алгоритмы идентификации. В 1990 году Да- угманом был впервые применен метод кодирования структур радужки, который он запатентовал в 1993 году.
Параллельно с исследованием радужной оболочки в 30-х годах ХХ-го века Карлтон Саймон и Изодор Гольдштейн проводили исследование сетчатки глаза и выявили уникальность ее структуры. Но полное научное исследование и окончательный вывод об индивидуальности сетчатки глаза сделал в 1950-м году Пол Тауэр.
Таким образом, биометрическая идентификация по глазам человека была признана состоятельной и стала использоваться для идентификации личности как в гражданских структурах, так и в криминалистике, и до 2012 года система казалась безупречной.
На конференции по безопасности BlackHat 2012 в Лас-Вегасе испанский ученый Хавьер Галбалли представил выводы о проведенных им двух экспериментах, в ходе которых осуществлялись атаки на систему распознавания по радужной оболочке. В ходе первого эксперимента пользователи регистрировались в системе по изображению радужки, распечатанном на принтере, которое затем предъявлялось для идентификации. Во втором эксперименте регистрация проводилась по изображению настоящей радужной оболочки, но для идентификации использовались распечатки. Обе атаки оказались успешными в более чем 50 % случаев, что полностью подрывает безупречность работы систем распознавания.
Возникает логичный вопрос: так ли надежны системы биометрической аутентификации по радужке и сетчатке глаза и каковы возможности и перспективы применения данных методов идентификации в криминалистике и гражданском обществе?
В системах идентификации по глазу (рис. 1) в виде носителя идентификационного кода в зависимости от используемого метода применяется узор радужной оболочки или рисунок капилляров на сетчатке глаза (статические методы).
Для начала рассмотрим способ идентификации по радужной оболочке.
Радужная оболочка - передний отдел сосудистой стенки глаза, в ее центре располагается округлое отверстие - зрачок (рис. 2). Радужка разделяет роговицу и хрусталик, регулирует поступление света через зрачок в глазное яблоко за счет мышц, выполняющих противоположную функцию: сфинктеров, суживающих зрачок, и дилататоров, которые зрачок расширяют.
Расширение зрачка происходит при малом световом потоке для усиления поступления фотонов света. Сужение - при ярком либо резком освещении в целях предупреждения ослепления. При этом реакция зрачков на свет является сочетанной, то есть если в одном глазу происходит расширение или сужение зрачка от воздействия потока света, то в другом глазу происходит то же самое, не зависимо от того, в каких условиях освещенности он находится. Исключение составляют случаи наркотического опьянения, когда реакция зрачков на свет разобщается. Сокращение зрачка также способствует углублению резкости поступающего изображения на сетчатку.
Радужка имеет форму диска, состоит из переднего пограничного слоя, среднего стромального и заднего пигментно-мышечного. Передний слой состоит из соединительной ткани, под ним располагаются меланоциты - клетки, содержащие пигмент, который определяет цвет глаз. В строме - коллагеновые волокна и капиллярная сеть. Задний слой радужки - пигментно-мышечная структура, примыкающая к поверхности хрусталика, состоит из кольцевидного сфинктера и радиально расположенного дилататора.
Рис. 1. Строение глаза
Рис. 2. Строение радужки
Передняя поверхность радужной оболочки делится на зрачковый и ресничный пояс. Границей между ними является зубчатая линия, круг Краузе. Передняя поверхность имеет губчатый рельеф за счет крипт и лакун, располагающихся между тонкими перемычками - трабекулами, образованными сосудами и окружающей их соединительной тканью.
Лакуны - углубления в строме радужки, образующиеся при расхождении трабекул. Лакуны могут быть овальными, ромбовидными, щелевидными, неправильной формы.
Крипты - структурные ромбовидные знаки, как правило, небольшого размера с очерченными краями, острыми углами.
Ячейки - множественные образования, которые представляют собой трабекулярные переплетения, имеющие вид пчелиных сот.
Таким образом, по своей структуре радужная оболочка является сетчатым образованием - трабекулярной сетью, состоящей из множества сосудов, углублений, борозд, ячеек, колец и морщин. Все эти элементы лежат в основе индивидуальности радужки.
Радужная оболочка благодаря своему расположению достаточно защищена от действия внешних повреждающих факторов, узор трабекулярной сети формируется на восьмом месяце эмбрионального развития. Некоторые заболевания, а также травмы могут привести к изменениям в радужной оболочке, но эти изменения носят точечный характер и общей картины не меняют (за исключением случаев значительного травмирования органа и хирургического вмешательства), но с другой стороны, подобные изменения могут также использоваться как идентификационный признак.
Различия строения левого и правого глаз человека способствует дополнительной надежности аутентификации методом сканирования радужной оболочки. Уникальность ее рисунка обусловлена генотипом, отличия радужки имеются даже у близнецов.
Процесс распознавания личности по радужной оболочке состоит из нескольких этапов: получения изображения, сегментации, параметризации [3].
На этапе получения изображения глаза используется, как правило, монохромная камера, чувствительная к инфракрасному излучению. В связи с тем, что зрачок чувствителен к свету и меняет свой размер в зависимости от освещения, производится серия снимков за несколько секунд, затем выбирают одну или несколько фотографий и приступают к сегментации.
Для считывания узора радужной оболочки глаза может применяться дистанционный способ снятия биометрической характеристики: видеокамеры захватывают изображение глаза, после чего система автоматически выделяет зрачок и радужную оболочку.
Сегментацией называют разделение изображения внешней части глаза на отдельные участки. На данном этапе из изображения удаляют блики, наложения ресниц, а также производят выделение зрачка, определение его границ и параметров. После получения информации о зрачке определяют параметры радужки.
Изображение нормализуют, затем, получив данные о радиусе и центре радужки, производят развертку изображения, выделенную область переводят в прямоугольник.
Параметризация включает в себя выделение контрольной области и определение контрольных точек. К каждой точке применяют линейный электронный фильтр (двухмерные волны Габора) с целью определения индивидуальных особенностей, распознавания границ и извлечения фазовой информации [4]. Таким образом, создается шаблон, который в процессе идентификации сверяется с другими шаблонами, загруженными в базу.
Технология биометрического распознавания по радужной оболочке глаза предусматривает идентификацию пользователя при условии повреждения радужной оболочки (не более чем на 2/3) и защиту от подмены. Среди известных способов подделок радужной оболочки можно выделить следующие:
- представление системе напечатанного на принтере с высоким разрешением изображения радужки;
- контактной линзы с рисунком оригинальной радужки;
- изображения радужки с экрана какого- либо устройства;
- искусственного глаза, изготовленного из пластика или стекла [5].
Обнаружение подмены с помощью высококачественных фотоснимков или макетов глаза происходит за счет использования инфракрасного освещения для контроля размера зрачка и определения состояния ткани. С помощью нескольких точечных источников света вызывается непроизвольное движение глаза и регистрируется изображение радужной оболочки в подвижном и неподвижном состоянии глаза с последующей отдельной обработкой результатов. Также система может затребовать дополнительное взаимодействие с пользователем: например, закрыть, открыть веки.
Важным преимуществом данного метода является то, что сканеры радужной оболочки глаза не требуют, чтобы человек сосредоточился на цели, так как радужная оболочка находится на поверхности глаза. При этом, даже повреждения хрусталика глаза (катаракта) никак не влияют на процесс сканирования, так как хрусталик располагается позади радужной оболочки.
Данные сканеры широко применяются в аэропортах многих стран мира для аутентификации сотрудников при пересечении зон ограниченного доступа [6].
Однако исследователи зафиксировали ухудшение идентификации по радужной оболочке глаза после приема человеком алкоголя [7].
Альтернативный способ использовать глаз для биометрической идентификации - сканирование сетчатки.
Сетчатка располагается с внутренней стороны задней части глазного яблока и представляет собой тонкий слой нервной ткани. Микроскопически сетчатка состоит из 10 слоев. Основными слоями являются пигментный эпителий и фоторецепторы - палочкоподобные и колбочкоподобные по форме клетки. Колбочки отвечают за центральное форменное зрение и цветоощущение. Палочки обеспечивают зрение при слабом освещении.
Сетчатка воспринимает изображение, проецирующееся на нее при помощи роговицы и хрусталика, и преобразовывает его в нервные импульсы, которые передаются в головной мозг. Таким образом, сложная структура позволяет сетчатке воспринимать свет, обрабатывать и трансформировать световую энергию в сигнал, в котором закодирована информация о том, что видит глаз [8].
Сетчатка расположена глубоко внутри глаза. Сканирование происходит с использованием инфракрасного низкоинтенсивного излучения. При этом алгоритм считывает не рисунок сетчатки, а изображение глазного дна (рис. 3). Сосуды, которые снабжают глаз кровью, хорошо видны при подсветке глазного дна внешним источником света. Самые современные сканеры вместо инфракрасного излучения используют лазер мягкого действия.
Первым этапом процесса распознавания сетчатки является сбор и обработка данных. Основным требованием является устойчивость к вращению и смещению сетчатки, так как из-за движений головы или глаза может возникнуть вращение, смещение, масштабирование относительно образца из базы данных.
Для прохождения аутентификации человек должен приблизить лицо к сканеру, после чего голова фиксируется, а взгляд при этом направляется на специальную метку.
Расстояние от глаза до устройства не должно превышать 1,5 см.
На втором этапе извлекаются информация. С сетчатки может быть получено до 400 уникальных признаков, после чего создается шаблон регистрации.
Алгоритмы аутентификации по сетчатке разделяются на два типа. 1-й тип алгоритмов используют методы сегментации для извлечения признаков [9]. Алгоритмы 2-го типа извлекают признаки непосредственно с изображения сетчатки [10].
Преимуществом метода аутентификации по сетчатке глаза является отсутствие разработок для обмана системы.
Однако в настоящее время существует ряд причин, которые препятствуют широкому распространению методу идентификации по сетчатке глаза. К ним относится высокая стоимость считывателя, сложность оптической системы, а также невысокая пропускная способность - человек должен на протяжении нескольких секунд смотреть в окуляр в специальную точку. Длительное нахождение в одном положении и фиксация взгляда являются самыми значительными недостатками данного метода. Помимо этого существует и психологический фактор: многие люди испытывают опасения, что данная процедура негативно влияет на зрение, однако научно данный факт не доказан.