Una valutazione tecnica delle caratteristiche degli scanner di impronte digitali

Diversi scanner di impronte digitali sono stati recentemente introdotti nel mercato dei sistemi biometrici, tanto che risulta piuttosto difficile agli utenti non esperti comprendere le differenze tecnologiche e costruttive dei diversi modelli e capire come queste possano influire sulla qualità di uno scanner e sulle prestazioni.

• Un parametro tecnico di notevole importanza è la risoluzione ovvero il numero di punti per pollice o dpi con cui l'immagine è acquisita. Intuitivamente la risoluzione indica l'ingrandimento con cui lo scanner acquisisce l'impronta. Maggiore è la risoluzione, maggiore è il livello di dettaglio cui il disegno dell'impronta può essere analizzato. La risoluzione di 500 dpi è quella richiesta dai sistemi FBI-compliant. La figura confronta la stessa porzione di impronta acquisita a 500 e a circa 350 dpi. Gli scanner Fx2000 e Fx3000 di Biometrika hanno una risoluzione di 569 dpi, addirittura superiore a quella richiesta dalle specifiche FBI. Le immagini acquisite a 569 dpi possono essere agevolmente sotto-campionate a 500 dpi nel caso di utilizzo congiunto di Fx3000 ed Fx2000 con altri scanner professionali operanti a tale risoluzione.
  
  

  

  
  

• Una caratteristica tecnica di primaria importanza (ancora più importante della risoluzione) è senza dubbio la dimensione dell'area sensibile dello scanner; tale parametro determina infatti la dimensione della porzione di impronta digitale acquisibile dallo scanner. Questo parametro varia da circa 1.0x1.0 pollici quadrati di alcuni modelli professionali (dedicati ad applicazioni AFIS) a circa 0.38"x0.38" di alcuni modelli basati su sensori allo stato solido. Si noti che nel secondo caso la porzione di immagine catturata è circa 7 volte inferiore rispetto al primo caso. Perché è importante un'ampia area sensibile? Le dimensioni di un'impronta media sono di circa 0.5"x0.7" (più piccole in donne e bambini e più grandi in uomini adulti) e quindi l'acquisizione di un'impronta tramite uno scanner dall'area sensibile più piccola di 0.5"x0.7" determina spesso l'acquisizione di una porzione e non di tutta l'impronta; tale effetto è aggravato dal fatto che, in acquisizioni diverse dello stesso dito, la porzione di immagine non è la stessa a causa delle inevitabili differenze di posizionamento. In figura sono mostrate 2 diverse acquisizioni dello stesso dito eseguite con un sensore allo stato solito con un'area sensibile di 0.384"x0.384".

  

  
  

  È evidente dalla figura (sulla parte destra) che la parte comune di impronta nelle due diverse acquisizioni è piuttosto limitata: ne consegue che l'accuratezza e l'affidabilità del riconoscimento ne risultano fortemente compromesse. La scarsa sovrapposizione tra le impronte acquisite in istanti diversi è senza ombra di dubbio una delle principali cause di false reiezioni (FRR) nei sistemi biometrici basati su impronte digitali. Lo scanner Fx2000 di Biometrika è caratterizzato da un'area sensibile di 0.52"x0.98"(13.2x25 mm²) che è in grado di contenere interamente la maggior parte delle impronte digitali. Lo scanner Fx3000 di Biometrika vanta un'area ancora maggiore: 0.7"x0.98" (17.8x25 mm²). Perché un'area allungata in direzione verticale? Mentre gli errori di posizionamento orizzontali sono piuttosto contenuti grazie alla forma meccanica degli scanner che guidano l'utente a un allineamento ottimale in senso orizzontale, le differenze di posizionamento verticali sono spesso più marcate data anche l'impossibilità pratica di vincolare il dito in tal senso (a causa di lunghezze delle dita molto variabili, e della presenza delle unghie). La dimensione verticale degli scanner di Biometrika è confrontabile con quella dei modelli professionali (dedicati ad applicazioni AFIS), caratterizzati da un costo molto più elevato, e ciò consente di ridurre drasticamente i falsi rifiuti causati da posizionamenti non corretti. La figura seguente confronta la stessa impronta digitale acquisita tramite Fx3000, Fx2000 e tramite uno dei più diffusi sensori allo Stato Solido (Le 3 immagini sono visualizzate nella stessa scala).

  
  
  

  Per una disamina completa circa le caratteristiche dei diversi scanner di impronte digitali, si veda il capitolo 2 del libro Handbook of Fingerprint Recognition (un estratto del capitolo 2 è disponibile on-line). Il testo suddetto riporta una comparazione tra diversi scanner commerciali (tra cui Fx2000) evidenziando caratteristiche numeriche puntuali (quali area e risoluzione) e confrontando qualitativamente immagini di impronte dello stesso dito acquisite dai diversi scanner in diverse condizioni (normali, dita secche, umide, di scarsa qualità).

• Oltre alla risoluzione e alla dimensione dell'area sensibile, le immagini prodotte da uno scanner di impronte sono caratterizzate da altri fattori che ne determinano la nitidezza, il contrasto e la distorsione geometrica. Un'analisi approfondita di tali aspetti va oltre allo scopo di questo documento.

• Una caratteristica importante degli scanner, specialmente in applicazioni di elevata sicurezza, è la protezione dei dati e delle immagini che transitano tra lo scanner e il PC a esso collegato. Alcuni modelli di scanner impiegano tecniche di crittografia con chiavi non ripetibili per proteggere le informazioni in transito ed evitare attacchi; d'altro canto, la limitata potenza di calcolo dei microcontrollori (quasi sempre a 8 bit), di cui la maggior parte degli scanner in commercio è dotato, rende praticamente impossibile l'implementazione di algoritmi di crittografia allo stato dell'arte. Lo scanner Fx2000 di Biometrika monta a bordo un microcontrollore RISC a 32 bit da 20 MIPS che ha reso possibile implementare algoritmi di crittografia simmetrica con chiavi a 128 bit.

• Lo scanner Fx3000 non è una semplice periferica di acquisizione, ma un sistema completo per il riconoscimento dell'impronta digitale, in grado di eseguire a bordo tutte le operazioni (acquisizione dell'immagine, estrazione delle caratteristiche, memorizzazione dei modelli e confronto). Il PC cui lo scanner è collegato non è coinvolto nell'elaborazione di informazioni biometriche, e ciò consente di massimizzare sicurezza, privacy e interoperabilità.

Scanner Ottici o allo Stato Solido?

Le più diffuse tecnologie di costruzione di scanner di impronte digitali sono:

• Ottica: un sistema prisma/lente focalizza l'immagine su un sensore di visione CCD o CMOS; i parametri del sistema ottico permettono di controllare l'ingrandimento indipendentemente dalla dimensione in pixel del sensore di visione.
  
  

• Stato Solido: una piastrina di silicio contenente una matrice di micro-celle è direttamente posta in contatto con il dito; ogni micro-cella è un piccolo sensore in grado di leggere le informazioni sulla corrispondente piccola porzione di impronta. La dimensione dell'area sensibile corrisponde esattamente a quella della piastrina di silicio. I sensori allo stato solido sono solitamente denominati sensori Capacitivi; in realtà la famiglia dei sensori capacitivi è una sottofamiglia di quelli allo stato solido, di cui fanno parte anche i sensori: Termici, Radio frequenza e a Pressione.

La tecnologia allo Stato solido, di nascita più recente rispetto a quella ottica, ha l'indiscutibile vantaggio di consentire una maggiore miniaturizzazione del dispositivo, è ciò la rende più idonea all'integrazione di sistemi di riconoscimento basati su impronta nell'ambito di oggetti di piccole dimensioni; ad esempio telefoni cellulari, sistemi palmari, ...
D'altro canto molteplici sono i vantaggi dei sistemi ottici rispetto a quelli allo stato solido:

• Area sensibile: la difficoltà ma soprattutto l'elevato costo per la realizzazione di piastrine di silicio "puro" di elevate dimensioni hanno di fatto portato all'introduzione sul mercato sensori allo stato solido con un'area sensibile molto ridotta e di conseguenza soggetti ai problemi di cui sopra.
  
  

• Resistenza: la piastrina di silicio a diretto contatto con il dito, o comunque protetta da un sottilissimo strato di materiale speciale, rende gli scanner allo stato solido piuttosto delicati rispetto a danneggiamenti da abrasione o da scariche elettrostatiche (nel caso di scanner capacitivi). In caso di danneggiamento di uno scanner ottico, la sostituzione del prisma comporta una spesa piuttosto limitata rispetto al costo dello scanner, mentre nel costo di uno scanner allo stato solido, il costo dell'elemento sensibile è primario. Il tempo medio di vita di uno scanner allo stato solido è generalmente inferiore a quello di uno scanner ottico.
  
  

• Manutenzione: gli scanner allo stato solido necessitano in genere di una più frequente pulizia, per rimuovere dalla superficie sensibile depositi di grasso o sporco che compromettono fortemente la qualità dell'immagine.

Diversi esperimenti, svolti dai più noti laboratori di ricerca internazionali operanti sui sistemi biometrici (Michigan State University, Biometric System Laboratory), hanno mostrato che gli stessi algoritmi di riconoscimento, nel caso di scanner allo stato solido caratterizzati da piccola area sensibile, hanno prodotto un numero di errori di riconoscimento sensibilmente maggiore rispetto a scanner ottici di ampia area d'aquisizione; si vedano: Fingerprint Matching: Data Acquisition and Performance Evaluation (Technical Report MSU-CPS-99-14) e Seconda Competizione Internazionale per Algoritmi di Verifica di Impronte Digitali (FVC2002). Nello studio "Fingerprint verification by decision-level fusion of optical and capacitive sensors" presentato al BioAW-2004 (Praga) l'errore misurato su immagini acquisite tramite lo scanner Fx2000 è ben 5.78 volte inferiore rispetto a quello misurato su immagini acquisite da uno scanner capacitivo!