La tecnica innovativa rivela le impronte digitali con straordinari dettagli 3D

Quando utilizzi l'impronta digitale per sbloccare lo smartphone, il telefono esamina uno schema bidimensionale per determinare se è l'impronta digitale corretta prima di sbloccarla. Ma l'impronta che il tuo dito lascia sulla superficie del pulsante è in realtà una struttura 3D chiamata impronta digitale.

Le impronte digitali sono costituite da minuscole creste di olio della pelle. Ogni cresta è alta solo pochi micron, ovvero pochi centesimi dello spessore di un capello umano.

Gli identificatori biometrici registrano le impronte digitali solo come immagini 2D e, sebbene contengano molte informazioni, ne mancano molte. Un'impronta digitale 2D trascura la profondità dell'impronta, compresi i pori e le cicatrici sepolte nelle creste delle dita che sono difficili da vedere.

Sono un educatore e scienziato che studia l'olografia, un campo di ricerca che si concentra su come visualizzare le informazioni 3D. Il mio laboratorio ha creato un modo per mappare e visualizzare le impronte digitali in tre dimensioni da qualsiasi prospettiva su un computer, utilizzando l'olografia digitale.

Tipi di impronte digitali

Gli scienziati classificano le impronte digitali come patenti, plastiche o latenti, a seconda di quanto sono visibili quando vengono lasciate su una superficie.

Le impronte digitali dei brevetti sono il tipo più visibile: le impronte digitali insanguinate sulle scene del crimine ne sono un esempio. Le impronte di plastica si trovano su superfici morbide, come argilla, Play-Doh o barrette di cioccolato. L'occhio umano può vedere abbastanza facilmente sia le impronte digitali che quelle di plastica.

Le meno visibili sono le impronte digitali latenti. Questi si trovano solitamente su superfici dure come vetro, metalli, legno e plastica. Per distinguerli, un esaminatore di impronte digitali deve utilizzare metodi fisici o chimici come spolverare con polvere, creare reazioni chimiche con reagenti appropriati o fumare cianoacrilato.

Il cianoacrilato produce una super colla nella sua forma liquida, ma come gas può rendere visibili le impronte digitali latenti. I ricercatori sviluppano le impronte lasciando che le molecole di vapore di cianoacrilato reagiscano con i componenti presenti nel residuo latente dell'impronta digitale.

I dettagli geometrici sulle impronte digitali sono classificati in tre livelli. Il livello 1 comprende modelli di creste visibili, quindi anelli, spirali e archi. Il livello 2 si riferisce a minuzie o piccoli dettagli, come biforcazioni, terminazioni, occhi e ganci.

Infine, le caratteristiche di livello 3, come pori, cicatrici e pieghe, sono troppo piccole perché l'occhio umano possa risolverle. È qui che le tecniche ottiche come l'olografia tornano utili, poiché le lunghezze d'onda ottiche sono nell'ordine dei micron, sufficientemente piccole da distinguere piccoli dettagli su un oggetto.

Sviluppo di ologrammi di impronte digitali

Poiché le impronte digitali vengono solitamente raccolte come immagini 2D e gli ologrammi visualizzano informazioni 3D, il mio team ha voluto sviluppare una tecnica in grado di mostrare tutte le caratteristiche topologiche 3D di un'impronta digitale.

Per fare questo, abbiamo collaborato con il gruppo di Akhlesh Lakhtakia alla Penn State. Hanno sviluppato una tecnica specializzata che deposita uno strato di film sottile colonnare su scala nanometrica, chiamato CTF, sopra l’impronta digitale per svilupparla e preservarla.

Le pellicole sottili colonnari sono densi pilastri di materiale vetroso che ricoprono uniformemente l'impronta, come una fitta crescita di alberi identici in una foresta.

Proprio come le cime di questi alberi riflettono la topologia del terreno, le cime di queste sottili pellicole colonnari replicano la struttura 3D delle impronte su cui sono depositate.

Per creare un ologramma simile a un'impronta digitale 3D, i ricercatori hanno diviso la luce di un laser in due parti. Una parte, chiamata onda di riferimento, brilla direttamente su una fotocamera digitale. L'altra onda risplende sull'oggetto, in questo caso l'impronta.

Se l'oggetto è riflettente, anche la luce riflessa viene diretta verso la fotocamera digitale e sovrapposta all'onda di riferimento.

La sovrapposizione delle onde, sia del riferimento che dell'oggetto, crea uno schema di interferenza, chiamato ologramma. Nell'olografia digitale, questo ologramma, che è un'immagine 2D, viene registrato nella fotocamera digitale.

I ricercatori quindi importano l’ologramma su un computer, dove possono utilizzare le leggi fisiche della propagazione delle onde per capire dove le onde luminose del laser rimbalzano sulle diverse parti dell’oggetto.

Questo processo consente loro di ricostruire l'oggetto come un'immagine 3D.

Quindi, l'ologramma ricostruito contiene tutti i dettagli 3D dell'oggetto e ora puoi visualizzare l'oggetto 3D su un laptop da qualsiasi prospettiva.

Rilevare le impronte digitali

Nel 2017, la nostra collaborazione ha riportato i primi risultati, in cui abbiamo realizzato immagini 3D di impronte digitali latenti utilizzando la tecnica CTF. Abbiamo registrato ologrammi delle impronte digitali sviluppate dal CTF con due diverse lunghezze d’onda della luce – verde e blu – generate da un laser.

L'utilizzo di due diverse lunghezze d'onda ci ha permesso di distinguere piccoli dettagli come i pori nelle ricostruzioni 3D.

Il gruppo di ricerca di Lakhtakia ha depositato centinaia di impronte su vetro, legno e plastica. Li hanno poi lasciati invecchiare in ambienti diversi, a varie temperature e livelli di umidità, prima di rivestirli con pellicola CTF per raccogliere l'impronta digitale.

Il mio gruppo registra gli ologrammi digitali di queste impronte digitali e li visualizza in 3D su un computer.

Abbiamo anche iniziato a lavorare su un migliore piano di analisi delle impronte digitali 3D per aiutare a identificare i sospettati di crimine.

Il Miami Valley Regional Crime Lab di Dayton, Ohio, ha valutato la qualità delle impronte digitali catturate dal gruppo di ricerca di Lakhtakia.

Ci aiuterà anche a sviluppare un nuovo metodo per classificare le ricostruzioni olografiche 3D, qualcosa che attualmente non esiste.

Ciò potrebbe comportare la creazione di categorie per classificare quanto siano chiari i rendering 3D delle impronte digitali.

L'uso delle impronte digitali come identificatori univoci ha una lunga storia, che risale alle antiche civiltà babilonesi e cinesi.

Sono stati utilizzati per scopi forensi dalla fine del 1890, a partire da Calcutta, in India. Il nostro lavoro mira a basarsi su questa ricca storia e a utilizzare tecnologie all’avanguardia per migliorare l’analisi delle impronte digitali.

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Nota dell'editore: questo articolo è stato scritto da Partha Banerjee, professore di ingegneria elettrica e informatica, Università di Dayton e ripubblicato da The Conversation sotto una licenza Creative Commons. Leggi l'articolo originale.