У большинства сейчас разблокировка смартфона происходит по отпечатку пальца. Когда вы прикладываете палец к датчику телефона, он просматривает двумерный рисунок, чтобы определить, действительно ли рука принадлежит владельцу устройства. Но отпечаток пальца на поверхности кнопки на самом деле представляет собой трехмерную, а не двухмерную структуру.
Отпечатки пальцев состоят из крошечных выступов на коже. Каждый гребень имеет высоту всего несколько микрон или несколько сотых толщины человеческого волоса.
Биометрические идентификаторы записывают отпечатки пальцев только в виде 2D-изображений, и, хотя они тоже несут много информации, но многое и упускают. 2D-отпечаток пальца не учитывает глубину рисунка, в том числе поры и шрамы, спрятанные в гребнях пальцев, которые трудно увидеть.
Профессор электротехники и вычислительной техники Парта Банерджи и его лаборатория разработали способ картирования и визуализации отпечатков пальцев в трех измерениях с любой точки зрения на компьютере с использованием цифровой голографии.
Типы отпечатков пальцев
Ученые делят отпечатки пальцев на явные, пластичные и скрытые, в зависимости от того, насколько они заметны их на поверхности.
Явные отпечатки пальцев являются наиболее заметными. Один из примеров – кровавые отпечатки на месте преступления. Пластичные можно найти на мягких поверхностях, таких как глина, пластилин или плитки шоколада. Человеческий глаз легко различает как явные, так и пластичные отпечатки.
Наименее заметными являются скрытые отпечатки пальцев. Обычно они встречаются на твердых поверхностях, таких как стекло, металл, дерево и пластик. Чтобы их распознать, дактилоскопист должен использовать физические или химические методы, такие как присыпка порошком, проведение химических реакций с соответствующими реагентами или дымление цианоакрилатом.
Цианоакрилат в жидкой форме – основной компонент суперклея, но в газообразном виде он может сделать видимыми скрытые отпечатки пальцев. Молекулы паров цианакрилата вступают в реакцию с компонентами скрытых остатков отпечатков пальцев.
Геометрические детали отпечатков пальцев делятся на три уровня. Уровень 1 включает в себя видимые гребни, такие как петли, завитки и арки. Уровень 2 относится к мелким деталям, таким как развилки, окончания, проушины и крючки.
Наконец, особенности уровня 3, такие как поры, шрамы и складки, слишком малы для человеческого глаза. Здесь могут пригодиться такие оптические методы , как голография, поскольку длина волны оптического излучения составляет порядка микронов и достаточно мала, чтобы различить мелкие детали объекта.
Разработка голограмм отпечатков пальцев
Поскольку отпечатки пальцев обычно собираются в виде 2D-изображений, а голограммы отображают 3D-информацию, команда учёных хотела разработать метод, который мог бы отображать все топологические характеристики 3D-отпечатков пальцев.
Учёные разработали специальную технику, которая наносит наноразмерный столбчатый тонкий пленочный слой, называемый CTF, поверх отпечатка пальца, чтобы проявить и сохранить его.
Столбчатые тонкие пленки представляют собой плотные столбики стекловидного материала, которые равномерно покрывают отпечаток пальца, как густая поросль одинаковых деревьев в лесу. Точно так же, как вершины этих деревьев отражают топологию земли, вершины этих столбчатых тонких пленок повторяют трехмерную структуру отпечатков пальцев, на которых они нанесены.
Чтобы создать голограмму, напоминающую трехмерный отпечаток пальца, исследователи разделили свет лазера на две части. Одна часть, называемая опорной волной, светит непосредственно на цифровую камеру. Другая волна светит на объект, в данном случае на отпечаток пальца.
Если объект является отражающим, отраженный свет также направляется на цифровую камеру и накладывается на опорную волну.
Суперпозиция волн – как от эталона, так и от объекта – создает интерференционную картину, которая называется голограммой. В цифровой голографии эта голограмма, представляющая собой 2D-изображение, записывается в цифровой камере. Затем исследователи импортируют голограмму в компьютер, где они смогут использовать физические законы распространения волн, чтобы выяснить, где световые волны лазера отражаются от различных частей объекта.
Этот процесс позволяет им реконструировать объект как трехмерное изображение.
Сбор отпечатков пальцев
В 2017 учёные сделали 3D-изображения скрытых отпечатков пальцев с помощью техники CTF. Они записали голограммы отпечатков пальцев, разработанных CTF, с использованием света двух разных длин волн — зеленого и синего, генерируемого лазером. Использование двух разных длин волн позволило различить мельчайшие детали, такие как поры, в 3D-реконструкциях.
Исследовательская группа оставила сотни отпечатков пальцев на стекле, дереве и пластике. Затем они позволили им состариться в разных условиях, при различных температурах и уровнях влажности, а затем покрыли их пленкой CTF, чтобы улавливать отпечатки пальцев. Одна из групп записывала цифровые голограммы этих отпечатков пальцев и визуализировала их в 3D на компьютере.
Они также начали работу над более совершенным планом 3D-анализа отпечатков пальцев, который поможет идентифицировать подозреваемых в совершении преступлений.
Региональная криминальная лаборатория Майами-Вэлли в Дейтоне, штат Огайо, оценила качество отпечатков пальцев. Это поможет разработать новый метод оценки трехмерных голографических реконструкций, которого в настоящее время не существует. Это может включать создание категорий для классификации четкости трехмерной визуализации отпечатков пальцев.
Использование отпечатков пальцев в качестве уникальных идентификаторов имеет долгую историю, восходящую к древним вавилонским и китайским цивилизациям. Их использовали в криминалистических целях с конца 1890-х годов, начиная с Калькутты, Индия. Новая работа направлена на развитие этой богатой истории и использование передовых технологий для улучшения анализа отпечатков пальцев.