Bahnbrechende Technik zeigt Fingerabdrücke in atemberaubenden 3D-Details

Wenn Sie Ihr Smartphone mit Ihrem Fingerabdruck entsperren, prüft Ihr Telefon anhand eines zweidimensionalen Musters, ob es sich um den richtigen Fingerabdruck handelt, bevor es für Sie entsperrt wird. Aber der Abdruck, den Ihr Finger auf der Oberfläche der Taste hinterlässt, ist eigentlich eine dreidimensionale Struktur, die als Fingerabdruck bezeichnet wird.

Fingerabdrücke bestehen aus winzigen Ölwülsten auf Ihrer Haut. Jeder Grat ist nur wenige Mikrometer hoch oder ein paar Hundertstel der Dicke eines menschlichen Haares.

Biometrische Identifikatoren zeichnen Fingerabdrücke nur als 2D-Bilder auf, und obwohl diese viele Informationen enthalten, fehlen viele. Bei einem 2D-Fingerabdruck wird die Tiefe des Fingerabdrucks vernachlässigt, einschließlich Poren und Narben in den Fingerrücken, die schwer zu erkennen sind.

Ich bin Pädagoge und Wissenschaftler und beschäftige mich mit Holographie, einem Forschungsgebiet, das sich auf die Darstellung von 3D-Informationen konzentriert. Mein Labor hat eine Möglichkeit geschaffen, Fingerabdrücke dreidimensional aus jeder Perspektive auf einem Computer abzubilden und zu visualisieren – mithilfe digitaler Holographie.

Arten von Fingerabdrücken

Wissenschaftler kategorisieren Fingerabdrücke entweder als sichtbar, plastisch oder latent, je nachdem, wie sichtbar sie sind, wenn sie auf einer Oberfläche hinterlassen werden.

Offensichtliche Fingerabdrücke sind die sichtbarste Art – blutige Fingerabdrücke an Tatorten sind ein Beispiel. Fingerabdrücke aus Kunststoff finden sich auf weichen Oberflächen wie Ton, Play-Doh oder Schokoriegeln. Das menschliche Auge kann sowohl Lack- als auch Plastikfingerabdrücke recht leicht erkennen.

Am wenigsten sichtbar sind latente Fingerabdrücke. Diese finden sich meist auf harten Oberflächen wie Glas, Metallen, Hölzern und Kunststoffen. Um sie zu erkennen, muss ein Fingerabdruckprüfer physikalische oder chemische Methoden anwenden, z. B. das Bestäuben mit Pulver, das Herbeiführen chemischer Reaktionen mit geeigneten Reagenzien oder das Rauchen von Cyanacrylat.

Cyanacrylat stellt in flüssiger Form Sekundenkleber her, kann aber als Gas latente Fingerabdrücke sichtbar machen. Forscher entwickeln die Abdrücke, indem sie Cyanacrylat-Dampfmoleküle mit Komponenten in den latenten Fingerabdruckrückständen reagieren lassen.

Die geometrischen Details auf Fingerabdrücken werden in drei Ebenen eingeteilt. Ebene 1 umfasst sichtbare Gratmuster, also Schleifen, Wirbel und Bögen. Level 2 bezieht sich auf Details oder kleine Details wie Gabelungen, Enden, Augen und Haken.

Schließlich sind Merkmale der Stufe 3, wie Poren, Narben und Falten, zu klein, als dass das menschliche Auge sie erkennen könnte. Hier bieten sich optische Techniken wie die Holographie an, da optische Wellenlängen in der Größenordnung von Mikrometern liegen und damit klein genug sind, um kleine Details auf einem Objekt zu erkennen.

Entwicklung von Fingerabdruck-Hologrammen

Da Fingerabdrücke normalerweise als 2D-Bilder erfasst werden und Hologramme 3D-Informationen anzeigen, wollte mein Team eine Technik entwickeln, die alle topologischen 3D-Eigenschaften eines Fingerabdrucks anzeigen kann.

Zu diesem Zweck haben wir mit der Gruppe von Akhlesh Lakhtakia an der Penn State zusammengearbeitet. Sie entwickelten eine spezielle Technik, bei der eine nanoskalige säulenförmige Dünnfilmschicht, CTF genannt, auf den Fingerabdruck aufgetragen wird, um ihn zu entwickeln und zu konservieren.

Säulenförmige dünne Filme sind dichte Säulen aus glasartigem Material, die den Fingerabdruck gleichmäßig bedecken, wie ein dichter Bewuchs identischer Bäume in einem Wald.

So wie die Spitzen dieser Bäume die Topologie des Bodens widerspiegeln würden, reproduzieren die Spitzen dieser säulenförmigen dünnen Filme die dreidimensionale Struktur der Fingerabdrücke, auf denen sie angebracht sind.

Um ein Hologramm aus so etwas wie einem 3D-Fingerabdruck zu erstellen, teilten Forscher das Licht eines Lasers in zwei Teile auf. Ein Teil, die sogenannte Referenzwelle, scheint direkt auf eine Digitalkamera. Die andere Welle strahlt auf das Objekt, in diesem Fall den Fingerabdruck.

Ist das Objekt reflektierend, wird das reflektierte Licht ebenfalls zur Digitalkamera geleitet und mit der Referenzwelle überlagert.

Durch die Überlagerung von Wellen – sowohl von der Referenz als auch vom Objekt – entsteht ein Interferenzmuster, das als Hologramm bezeichnet wird. Bei der digitalen Holographie wird dieses Hologramm, also ein 2D-Bild, in der Digitalkamera aufgezeichnet.

Anschließend importieren die Forscher das Hologramm in einen Computer, wo sie mithilfe der physikalischen Gesetze der Wellenausbreitung herausfinden können, wo die Lichtwellen des Lasers von verschiedenen Teilen des Objekts reflektiert werden.

Dieser Prozess ermöglicht es ihnen, das Objekt als 3D-Bild zu rekonstruieren.

Das rekonstruierte Hologramm enthält also alle 3D-Details des Objekts, und Sie können das 3D-Objekt nun aus jeder Perspektive auf einem Laptop visualisieren.

Fingerabdrücke aufnehmen

Im Jahr 2017 berichtete unsere Zusammenarbeit über unsere ersten Ergebnisse, bei denen wir mithilfe der CTF-Technik 3D-Bilder latenter Fingerabdrücke erstellten. Wir haben Hologramme der mit CTF entwickelten Fingerabdrücke mit zwei verschiedenen Lichtwellenlängen – grün und blau – aufgenommen, die von einem Laser erzeugt wurden.

Durch die Verwendung zweier unterschiedlicher Wellenlängen konnten wir in den 3D-Rekonstruktionen winzige Details wie Poren erkennen.

Lakhtakias Forschungsgruppe hat Hunderte Fingerabdrücke auf Glas, Holz und Kunststoff hinterlassen. Anschließend ließen sie sie in verschiedenen Umgebungen, bei unterschiedlichen Temperaturen und Luftfeuchtigkeiten altern, bevor sie sie mit einer CTF-Folie überzogen, um den Fingerabdruck aufzunehmen.

Meine Gruppe zeichnet die digitalen Hologramme dieser Fingerabdrücke auf und visualisiert sie in 3D auf einem Computer.

Wir haben außerdem mit der Arbeit an einem besseren Plan zur 3D-Fingerabdruckanalyse begonnen, um die Identifizierung von Straftatverdächtigen zu erleichtern.

Das Miami Valley Regional Crime Lab in Dayton, Ohio, hat die Qualität der von Lakhtakias Forschungsgruppe erfassten Fingerabdrücke bewertet.

Es wird uns auch dabei helfen, eine neue Methode zur Bewertung der holografischen 3D-Rekonstruktionen zu entwickeln, die es derzeit noch nicht gibt.

Dies kann die Erstellung von Kategorien umfassen, um zu klassifizieren, wie klar die 3D-Darstellungen der Fingerabdrücke sind.

Die Verwendung von Fingerabdrücken als eindeutige Identifikatoren hat eine lange Geschichte, die bis in die alten babylonischen und chinesischen Zivilisationen zurückreicht.

Sie werden seit den späten 1890er Jahren für forensische Zwecke eingesetzt, beginnend in Kalkutta, Indien. Ziel unserer Arbeit ist es, auf dieser reichen Geschichte aufzubauen und modernste Technologien zur Verbesserung der Fingerabdruckanalyse einzusetzen.

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Anmerkung des Herausgebers: Dieser Artikel wurde von Partha Banerjee, Professorin für Elektrotechnik und Informationstechnik an der University of Dayton, verfasst und von The Conversation unter einer Creative Commons-Lizenz erneut veröffentlicht. Lesen Sie den Originalartikel.