画期的な技術により、指紋を見事な 3D ディテールで明らかにします

指紋を使用してスマートフォンのロックを解除する場合、スマートフォンはロックを解除する前に 2 次元のパターンを参照して、それが正しい指紋であるかどうかを判断します。 しかし、ボタンの表面に指が残した痕跡は、実際には指紋と呼ばれる 3D 構造です。

指紋は皮膚の油の小さな隆起で構成されています。 それぞれの隆起の高さはわずか数ミクロン、つまり人間の髪の毛の太さの数百分の１です。

生体認証識別子は指紋を 2D 画像としてのみ記録します。これらには多くの情報が含まれていますが、欠けているものもたくさんあります。 2D 指紋では、毛穴や指の隆起部に埋もれて見えにくい傷跡など、指紋の深さは無視されます。

私は、3D 情報の表示方法に焦点を当てた研究分野であるホログラフィーを研究する教育者兼科学者です。 私の研究室では、デジタル ホログラフィーを使用して、コンピュータ上のあらゆる視点から指紋を 3 次元でマッピングして視覚化する方法を作成しました。

指紋の種類

科学者は、指紋が表面に残ったときにどれだけ目立つかに応じて、指紋を特許、プラスチック、または潜在的なものに分類します。

特許指紋は最も目立つタイプであり、犯罪現場の血まみれの指紋はその一例です。 プラスチックの指紋は、粘土、Play-Doh、チョコレートバーなどの柔らかい表面に見られます。 人間の目は、特許とプラスチックの指紋の両方を非常に簡単に見ることができます。

最も目立たないのは潜在的な指紋です。 これらは通常、ガラス、金属、木材、プラスチックなどの硬い表面に見られます。 指紋を識別するには、指紋検査官は粉末を振りかける、適切な試薬やシアノアクリレートによる発煙による化学反応を引き起こすなどの物理的または化学的方法を使用する必要があります。

シアノアクリレートは液体の形で瞬間接着剤を作成しますが、気体として潜在的な指紋を目に見えるようにする可能性があります。 研究者は、シアノアクリレート蒸気分子を潜在的な指紋残留物の成分と反応させることにより、指紋を現像します。

指紋の幾何学的詳細は 3 つのレベルに分類されます。 レベル 1 は、ループ、渦巻き、アーチなどの目に見える尾根パターンを含みます。 レベル 2 は、分岐、エンディング、目、フックなどの細部または小さな詳細を指します。

最後に、毛穴、傷跡、しわなどのレベル 3 の特徴は、小さすぎて人間の目では解決できません。 ここで、ホログラフィーなどの光学技術が役に立ちます。光の波長はミクロンオーダーであり、物体の細部を識別できるほど十分小さいためです。

指紋ホログラムの開発

通常、指紋は 2D 画像として収集され、ホログラムは 3D 情報を表示するため、私のチームは指紋のすべての 3D トポロジー特性を表示できる技術を開発したいと考えていました。

これを行うために、私たちはペンシルベニア州立大学のアクレシュ・ラクタキアのグループと協力してきました。 彼らは、CTFと呼ばれるナノスケールの柱状薄膜層を指紋の上に堆積させ、指紋を現像して保存する特殊な技術を開発しました。

円柱状の薄膜は、森の中に同じ木が密集して生えているように、指紋を均一に覆うガラス質の材料の緻密な柱です。

これらの木の頂上が地面のトポロジーを反映するのと同じように、これらの柱状の薄膜の頂上は、それらが付着した指紋の 3D 構造を複製します。

3D 指紋のようなホログラムを作成するために、研究者はレーザーからの光を 2 つの部分に分割します。 基準波と呼ばれる 1 つの部分は、デジタル カメラを直接照らします。 もう一方の波は物体、この場合は指紋を照らします。

物体が反射性の場合、反射光もデジタル カメラに向けられ、参照波に重畳されます。

基準と物体の両方からの波の重ね合わせにより、ホログラムと呼ばれる干渉パターンが作成されます。 デジタル ホログラフィーでは、2D 画像であるこのホログラムがデジタル カメラに記録されます。

その後、研究者はホログラムをコンピュータにインポートし、そこで波動伝播の物理法則を使用して、レーザーからの光波が物体のさまざまな部分で反射した場所を特定できます。

このプロセスにより、オブジェクトを 3D 画像として再構築できるようになります。

したがって、再構築されたホログラムにはオブジェクトの 3D の詳細がすべて含まれており、ラップトップ上であらゆる視点から 3D オブジェクトを視覚化できるようになります。

指紋を拾う

2017 年に、私たちの共同研究では、CTF 技術を使用して潜在指紋の 3D 画像を作成した最初の結果を報告しました。 私たちは、CTF が開発した指紋のホログラムを、レーザーから生成された 2 つの異なる波長の光 (緑と青) で記録しました。

2 つの異なる波長を使用することで、3D 再構成で毛穴などの微細な細部を識別できるようになりました。

ラフタキアの研究グループは、ガラス、木材、プラスチックに何百もの指紋を付けました。 その後、指紋を採取するために CTF フィルムでコーティングする前に、さまざまな温度と湿度レベルのさまざまな環境で熟成させました。

私のグループは、これらの指紋のデジタル ホログラムを記録し、コンピューター上で 3D で視覚化します。

また、犯罪容疑者の特定に役立つ、より優れた 3D 指紋分析計画の策定にも着手しました。

オハイオ州デイトンにあるマイアミバレー地域犯罪研究所は、ラフタキアの研究グループが採取した指紋の質を等級分けした。

また、現在は存在しない、3D ホログラフィック再構成をグレーディングするための新しい方法を開発するのにも役立ちます。

これには、指紋の 3D レンダリングがどの程度鮮明であるかを分類するためのカテゴリの作成が含まれる場合があります。

固有の識別子としての指紋の使用には長い歴史があり、古代バビロニア文明や中国文明にまで遡ります。

これらは、1890 年代後半からインドのカルカッタで始まり、法医学目的で使用されてきました。 私たちの取り組みは、この豊かな歴史を基盤とし、最先端のテクノロジーを使用して指紋分析を改善することを目的としています。

この画期的な進歩についてどう思いますか? ぜひご意見をお聞かせください。 以下のコメント欄であなたの洞察を自由に共有したり、Twitter や Facebook でディスカッションを続けたりしてください。

編集者のおすすめ:

• 2024 年の AI の課題: 3 人の主要な AI 研究者からの洞察
• 人間と ChatGPT は相互の言語パターンを反映します - その方法は次のとおりです
• ChatGPT AI トレーダー: 速すぎる、激しすぎる、リスクが高すぎる?
• 危険なソーシャルメディアの挑戦から十代の若者を守る方法

編集者注:この記事は、デイトン大学の電気およびコンピュータ工学教授である Partha Banerjee によって書かれ、クリエイティブ コモンズ ライセンスに基づいて The Conversation から再公開されました。 元の記事を読んでください。