Reconocimiento de huellas dactilares

Resumen

En el presente artículo científico se estudiará uno de los métodos tecnológicos más usados en la actualidad para la identificación de personas que es el reconocimiento por medio de huellas dactilares, las mismas que tienen características únicas llamadas minucias, además se indicarán en qué consisten los rasgos biométricos y sus características principales. Finalmente se explicará los diferentes pasos que se deben seguir para realizar un reconocimiento de estas huellas bilógicas. Los sistemas de identificación que usan patrones biométricos de huella dactilar se denominan AFIS (Sistema de Identificación Automático de Huella Dactilar).

Palabras clave–Minucias, huellas dactilares, reconocimiento.

Introducción

La biometría es el estudio automático básico para el reconocimiento único de seres humanos basados en uno o más rasgos conductuales o rasgos físicos intrínsecos, uno de ellos y el más usado en el campo de seguridad e identificación es el sistema de huellas dactilares, el mismo que puede sustituir las contraseñas y las tarjetas ID que han sido usadas para moderar el acceso a lugares restringidos pero una de las deficiencias de estos sistemas de seguridad es que una contraseña pueden ser divulgada y hackeada, las tarjetas ID pueden ser clonadas o robadas, mientras que el sistema de seguridad por huellas dactilares es única, además garantiza un nivel de acceso único personal y seguro de cualquier persona. Desde este punto de vista, la biometría entraría a formar parte del mundo de la criptografía y la seguridad informática, estaría en uno de los tres niveles o puntos críticos en los que se suelen diferenciar tradicionalmente los buenos sistemas de seguridad.

El reconocimiento de una imagen dactilar debe seguir un protocolo necesario para obtener los resultados deseados.

La adquisición es el primer paso a seguir, el cual se enfoca básicamente en la recepción de la huella y los métodos que existen para que el panel pueda registrar la imagen captada. Luego de captar la señal se realiza un reprocesamiento para no dar lugar a errores de análisis ya que el receptor puede interpretar como una diferente señal cuando la huella se encuentra en diferente posición. Con los puntos anteriormente mencionados lo que se hace es realizar un estudio matemático que nos proporcione una exactitud más elevada para que el sistema pueda ser eficiente y confiable para el usuario.

La biometría

La biometría es una tecnología de identificación basada en el reconocimiento de una característica física e intransferible de las personas, como por ejemplo, la huella digital, el reconocimiento del patrón venoso del dedo o el reconocimiento facial. Nos centraremos en el estudio de las huellas dactilares que es un excelente sistema de identificación de la persona que se aplica en muchos procesos debido a dos razones fundamentales, la seguridad y la comodidad. [1] [2]

• Características de los rasgos biométricos

Hay ciertas características biológicas o conductuales singulares e inalterables, por lo que pueden ser analizadas y medidas para crear una realización biométrica. Estas características son difíciles de perder, transferir u olvidar y son perdurables en el tiempo.

La biometría se soporta en cinco pilares o conceptos básicos que son [2]:

• Universalidad: todo individuo debe poseerlo.

• Unicidad: personas distintas deben poseer rasgos diferenciados.

• Permanencia: el rasgo debe ser invariable en el tiempo a corto plazo.

• Perennidad: el rasgo debe ser permanente a largo plazo.

• Mensurabilidad: el rasgo debe de poder ser caracterizado cuantitativamente.

En la biometría se distinguen dos grupos de rasgos biométricos los fisiológicos o morfológicos y los conductuales. [2] [5]

Los rasgos biométricos morfológicos o fisiológicos son aquellos que se componen de características físicas inalterables y presentes en la mayoría de los seres humanos tales como: huella dactilar, geometría de la mano, características del iris y patrones.

Huellas dactilares

Es un rasgo particular de cada individuo, cuyo origen tiene lugar durante la etapa fetal y permanece inmutable a lo largo de toda la vida. Una huella dactilar está formada por un patrón de valles y crestas (Fig. 1), y estas permanecen invariables hasta la descomposición post-mortem, excepto accidentes, como cortes, quemaduras, y sin olvidar que la piel tiene una capacidad regenerativa. [11] [13].

Figura 1. Características de las huellas dactilares [6]

Clasificación de las huellas dactilares

Una huella dactilar puede clasificarse dependiendo en el patrón que dibuja sus crestas y valles (Fig. 2), Estas estructuras son conocidas como lazo, delta y espiral. En total, se definen cinco clases de huellas: lazo izquierdo, lazo derecho, espiral, arco y arco tensado.

Figura 2. Tipos de huellas en función de su patrón de crestas y valles. [6]

Otra importante clasificación en el reconocimiento de una huella dactilar es la localización del núcleo y la delta del mismo (Fig.1). El núcleo puede ser interpretado como el punto central que será la característica única de lazo situada más al norte. En el caso de que no se denote esta característica única, como en la huellas de tipo arco, el núcleo será el punto de mayor curvatura de las crestas. [8] La delta formada por tres orientaciones de cresta que divergen en un punto. Se produce por la intersección de las tres zonas de la huella dactilar: la zona basilar, la zona nuclear y la zona marginal (Fig.3):

Figura 3. Los sistemas papilares. [8]

La estructura de las huellas como mencionamos anteriormente son únicas y bien definidas por esta razón existen huellas con un aspecto intermedio entre dos o más tipos. En consecuencia podríamos clasificar las huellas de un modo aproximado y nunca sistemático. [9]

• Clasificación de las huellas dactilares por minucias

Existen cientos de tipos de minucias, aunque todos ellos se pueden resumir en dos: bifurcaciones y terminaciones (Fig.4)[6]. Cada minucia se caracteriza por su coordenadas x e y, su ángulo ? que forma la recta tangente a la cresta con el eje horizontal y en ocasiones, un parámetro Q que indica la calidad de la minucia.

Figura 4. Cresta en terminaciones y cresta en bifurcación. [5].

Se identifican las coordenadas de estos puntos y se los analiza mediante un proceso matemático complejo (Fig.5), para almacenar la información característica de la huella de cada individuo que luego será comparada para comprobar la autenticidad de la persona a futuro.

Figura 5. Coordenadas que tiene cada minucia (terminaciones y bifurcaciones) [11].

Los sistemas biométricos para identificación de personal adquieren la información de algún indicador biométrico, luego procesan, almacenan y comparan los datos adquiridos con los datos almacenados. Debido a la complejidad de análisis y comparación de un sistema biométrico, los sistemas traen una interfaz para comunicarse con otras aplicaciones que realizan procesos con las identidades de las personas, facilitando la programación de sistemas002E. [8]

Aplicación

Básicamente el artículo se enfocará en 2 etapas imprescindibles para el reconocimiento de huellas dactilares.

• La primera etapa está determinada por uno o varios algoritmos que nos servirá para aclarar y reordenar la información que la imagen nos proporciona al momento de colocar nuestra huella dactilar en el panel de recepción principal. [8]

• La segunda etapa está basada en usar una base de datos o minucias para el reconocimiento que partir de aquí se aprobara o se discriminará imágenes o huellas dactilares parecidas con el fin de obtener a la salida una sola imagen. [9]

El sistema de reconocimiento de huellas consiste de 7 pasos:

• Adquisición

Existen 2 métodos de adquisición de huellas dactilares.

• a) Off-line: fuera de línea o fuera de red.

• b) On line: Disponible en línea o disponibilidad en red.

En el proceso del método off-line obtenemos las huellas digitales con una resolución espacial de 500 dpi (puntos por cada pulgada) y a 255 niveles de profundidad del tono gris determinado. [8]

En cambio el proceso del segundo método se efectúa en tiempo real, de manera que el escaneo a la huella se realiza por medio de escáneres. Esta última es la más utilizada en procesos civiles ya que es más rápida y su costo es relativamente viable con una eficiencia por encima del rango establecido.

Figura 6. a) lector óptico de huellas, b) Imágenes proporcionadas por el lector, c) Imágenes usadas de una base de datos. [8]

• Reprocesamiento

Una vez que se ha cumplido con la etapa de adquisición de huella dactilar, es necesario que la información de una persona sea la misma cuando se escanee varias veces, ya que al no ser así el sistema no estaría funcionando de manera óptima, la variación de información se puede dar por varias razones. [12]

• a) Presentación inconsistente. Al momento de capturar la señal el sensor es dependiente de las características del rasgo biométrico y también de la manera como se obtiene dicho rasgo, en este caso se pueden llegar a presentarse rasgos fuera de la zona de recepción del sensor.

Figura 7. a) Variación de Huella dactilar en diferentes capturas con la imagen del mismo dedo. [13]

• b) Captura irreproducible. En este aspecto nos enfocamos en una variante que se puede presentar en con mayor frecuencia y es el momento en que la huella es distorsionada por aspectos físicos de la persona, como por ejemplo por quemaduras o heridas o al mayor de los casos mutilaciones que por la constitución del tejido molecular no se podrá regenerar al 100% como al principio de esta manera se presenta una variación al momento de registrar nuestra señal biométrica.

• Extracción o Aclaración de Datos.

En este punto lo que se hace es analizar los datos y eliminar los que no sean necesarios o útiles por diferentes condiciones de adquisición. De este modo, solo se almacenan únicamente huellas cuyas características sean confiables.

Los filtros se pueden definir en el dominio de Fourier o en el dominio espacial, existen otros filtros pero lo más utilizados son los mencionados anteriormente.

• a) Filtros basados en el Dominio Espacial. Este filtro usa básicamente un aislamiento que proporciona un mejor eje paralelo a cada línea de la huella dactilar.

Podemos mencionar un filtro en el dominio espacial específico como lo es el Filtro de Gabor que se basa en mejorar la resolución de frecuencia.

La Función Simétrica determinada por Gabor es:

Figura 8. a) Huella dactilar aclarada o extraída mediante Filtros de Gabor. [14]

• Adelgazamiento

Este proceso consiste en que la imagen extraída resulte al final con bordes de pixel de grosor 1. Básicamente cada línea se registra como un borde de unos y ceros donde un 1 se interpreta como un pixel blanco y un 0 como un pixel negro. [13] El mapeo consiste en determinar pixeles internos en la imagen de nuestra huella dactilar, el pixel es interno si sus 4 vecinos son también 0.

Al no encontrar pixeles internos el proceso te detiene.

Figura 9. a) Toma original de la Huella, b) Toma de pixeles internos, c) Toma después de la eliminación de pixeles internos. [6]

• Extracción de minucias.

El paso a seguir después del adelgazamiento es aplicar el algoritmo donde se detectará las minucias. [2] [3] Dicho algoritmo consiste en realizar un cálculo de número de pixeles determinados que cruzan el pixel central (PC), aplicamos la siguiente ecuación:

Figura 10. a) Bloque 3×3 utilizada para hallar minucias, b) bloque sin minucias, c) bloque que presenta bifurcación, d) bloque con terminación. [4]

Si obtenemos un PC=7 estamos en un bloque con un terminación, un PC=6 significa que no poseemos terminación ni tampoco bifurcación y finalmente con un PC <=5 ya podemos determinar que hemos establecido un bifurcación.

Figura 11. a) Toma final de todas las minucias receptadas. [15]

• Etapa de reconocimiento

Para realizar la etapa de reconocimiento se presentan tres características importantes: ángulos, coordenadas y distancia. [11] [7].

De esta manera la información que nos proporciona la huella dactilar y que se almacena consta de una matriz de 4×500 de tamaño, significa que se compone de 500 vectores y cada vector de 4 valores que constan de las dos coordenadas características de la primera minucia, la distancia que existe entre minucias y por último el ángulo de la primer minucia todo esto con respecto al eje de las ordenadas. [11]

El reconocimiento se basa en que los datos de la entrada o la imagen que nos proporciona la huella dactilar es convertida en una matriz de 4×500 y esta se compara con los datos que se tienen en la base de datos, al tener esta información se determina los vectores que poseen igual distancia y se escogen únicamente los que tengan la misma magnitud de ángulo, se desechan los datos que poseen coordenadas diferentes y de esta manera se va determinando un mejor reconocimiento de huella.

Figura 12. Algoritmo de la etapa de reconocimiento. [9]

• Etapa de Verificación

Por último se realiza esta etapa para hacer más efectivo el procesamiento de señales ya que en la primera etapa el porcentaje de reconocimiento de señales es alto pero existe un pequeño error que disminuiría la credibilidad y la comercialización de equipo electrónico que utilizaríamos para un caso de proyecto de domótica, ante este inconveniente lo que realiza es una comparación de dos imágenes, una almacenada y otra de entrada [4]. Cuando dos imágenes de la huella dactilar de la misma persona son comparadas pero una de ellas es trasladada, cada una de las minucias se desplazan en una mínima dirección y cantidad de pixeles.

Figura 13. a) Imagen almacenada, b) Imagen de entrada. [13]

En la imagen de presenta un imagen almacenada y otra de entrada, siendo trasladada la imagen de entrada 11 pixeles a la izquierda y 33 hacia arriba en consecuencia todas la minucias de imagen de entrada se trasladan en un mismo número de pixeles en la misma dirección [19] [20]. En el caso de que las huellas dactilares sean de diferente persona al trasladar la imagen de entrada ya no coinciden en número de pixeles y de dirección por ejemplo se presenta dos imágenes donde la primera se ha trasladado 4 pixeles a la derecha y 5 hacia arriba mientras que la segunda imagen se ha trasladado 10 pixeles a la derecha y 0 en forma vertical.

Figura 14. a) Imagen almacenada, b) Imagen de entrada. [14]

Análisis

La biometría es el estudio para el reconocimiento único de los seres humanos basándonos en este concepto, analizamos uno de los principales métodos que engloba la biometría como es el caso de las huellas dactilares, las mismas que tienen una estructura única y personal, debido a la misma estas se encuentra formada por valles, cresta, núcleo y delta; que lo hacen diferente en cada persona es por esta razón que las huellas dactilares se ha convertido en el principal método para la identificación de personas, para sistemas de seguridad, tal es el caso de acceso a áreas restringidas bancos y hoy en día para acceso a teléfonos móviles.

El proceso a seguir para la detección de huellas es riguroso ya que necesita un porcentaje elevado de precisión, ya que de esta manera aseguramos el buen funcionamiento y garantizamos que la identificación sea más rápida. En este proceso se examinan una serie de factores que pueden presentarse aplicando algoritmos y varios análisis matemáticos con el fin de maximizar el eficiencia del resultado.

Conclusiones

Las huellas dactilares a simple vista son consideradas insignificantes pero esconden una estructura única e intransferible, que gracias a los avances tecnológicos estos han llegado a ser hoy en día el principal método de identificación de personas y uno de los principales métodos de sistemas de seguridad. En uno de los pasos que se realizan para el reconocimiento de huella dactilar es necesario que el sistema pueda reconocer a la persona cuando esta se registre varias veces ya que puede existir un error al momento de colocar la misma huella pero en posiciones diferentes dentro del panel recepción de imagen. Para eliminar este factor incertidumbre se ha desarrollado el método de desplazamiento de pixeles que compara 2 imágenes de la misma huella pero una de ella esta recorrida un número determinado de pixeles y al ser de la misma persona, dicho desplazamiento se genera en igual magnitud e igual número de pixeles.

Referencias

Nació el 24 de Abril de 1995, en Cuenca-

Ecuador. Realizó sus estudios primarios en la escuela fiscal Tomas Rendón. Cursó el bachillerato en el Colegio Técnico Guillermo Mensi, Graduándose en la especialidad "Electrónica de consumo". Actualmente se encuentra cursando el tercer año de Ingeniería Eléctrica en la universidad Politécnica Salesiana, Sede Cuenca.

Nació el 28 de noviembre de 1990, en Cañar-Ecuador. Realizó sus estudios primarios en la escuela Ezequiel Cárdenas Espinoza. Cursó el bachillerato en el Colegio Jose Peralta, Graduándose en la especialidad de "Informática y sistemas" Estudió el superior en el instituto Luis Rogerio Gonzales de la ciudad de Azogues obteniendo el título de "Tegnologo en Electricidad". Actualmemnte se encuentra cursando el tercer año de Ingeniería Eléctrica en la Universidad Politécnica Salesiana, sede Cuenca.

Autor:

Paúl E. Loja Encalada

Carlos A. Nieves