Przełomowa technika ujawnia odciski palców w oszałamiających szczegółach 3D

Gdy do odblokowania smartfona używasz odcisku palca, telefon sprawdza dwuwymiarowy wzór, aby określić, czy jest to prawidłowy odcisk palca, zanim się odblokuje. Jednak odcisk palca na powierzchni przycisku jest w rzeczywistości strukturą 3D zwaną odciskiem palca.

Odciski palców składają się z maleńkich wałeczków tłuszczu znajdującego się na skórze. Każdy grzbiet ma tylko kilka mikronów wysokości, czyli kilka setnych grubości ludzkiego włosa.

Identyfikatory biometryczne rejestrują odciski palców jedynie w postaci obrazów 2D i chociaż niosą ze sobą wiele informacji, wielu ich brakuje. Odcisk palca 2D pomija głębokość odcisku palca, w tym pory i blizny ukryte na grzbietach palców, które są trudne do zauważenia.

Jestem pedagogiem i naukowcem zajmującym się holografią – dziedziną badań skupiającą się na sposobach wyświetlania informacji 3D. Moje laboratorium stworzyło sposób na mapowanie i wizualizację odcisków palców w trzech wymiarach z dowolnej perspektywy na komputerze – przy użyciu cyfrowej holografii.

Typy odcisków palców

Naukowcy dzielą odciski palców na opatentowane, plastikowe lub ukryte, w zależności od tego, jak bardzo są widoczne po pozostawieniu na powierzchni.

Najbardziej widoczne są odciski palców patentowych – jednym z przykładów są krwawe odciski palców na miejscach zbrodni. Plastikowe ślady palców można znaleźć na miękkich powierzchniach, takich jak glina, Play-Doh lub tabliczki czekolady. Ludzkie oko dość łatwo dostrzega zarówno opatentowane, jak i plastikowe odciski palców.

Najmniej widoczne są ukryte odciski palców. Zwykle znajdują się one na twardych powierzchniach, takich jak szkło, metale, drewno i tworzywa sztuczne. Aby je rozróżnić, badacz linii papilarnych musi zastosować metody fizyczne lub chemiczne, takie jak posypanie proszkiem, wywołanie reakcji chemicznych z odpowiednimi odczynnikami lub opary cyjanoakrylanu.

Cyjanoakrylan wytwarza super klej w postaci płynnej, ale w postaci gazu może uwidocznić ukryte odciski palców. Naukowcy opracowują odciski, pozwalając cząsteczkom oparów cyjanoakrylanu reagować ze składnikami ukrytych pozostałości odcisków palców.

Detale geometryczne na palcach są podzielone na trzy poziomy. Poziom 1 obejmuje widoczne wzory grzbietów, czyli pętle, okółki i łuki. Poziom 2 odnosi się do drobiazgów lub drobnych szczegółów, takich jak rozwidlenia, zakończenia, oczka i haczyki.

Wreszcie cechy poziomu 3, takie jak pory, blizny i zmarszczki, są zbyt małe, aby ludzkie oko mogło je rozpoznać. Tutaj z pomocą przychodzą techniki optyczne, takie jak holografia, ponieważ długości fal optycznych są rzędu mikronów i są wystarczająco małe, aby dostrzec drobne szczegóły obiektu.

Opracowywanie hologramów odcisków palców

Ponieważ odciski palców są zwykle gromadzone w postaci obrazów 2D, a hologramy przedstawiają informacje 3D, mój zespół chciał opracować technikę, która będzie w stanie pokazać wszystkie cechy topologiczne 3D odcisku palca.

Aby to osiągnąć, współpracowaliśmy z grupą Akhlesha Lakhtakii w Penn State. Opracowali specjalistyczną technikę polegającą na osadzaniu na odcisku palca kolumnowej cienkiej warstwy w skali nano, zwanej CTF, na wierzchu palca w celu jej wywołania i konserwacji.

Kolumnowe cienkie folie to gęste filary szklistego materiału, które równomiernie pokrywają ślad palca, niczym gęsty porost identycznych drzew w lesie.

Tak jak wierzchołki tych drzew odzwierciedlają topologię gruntu, tak wierzchołki tych kolumnowych cienkich folii odwzorowują trójwymiarową strukturę odcisków palców, na których są osadzone.

Aby stworzyć hologram przypominający trójwymiarowy odcisk palca, badacze podzielili światło lasera na dwie części. Jedna część, zwana falą odniesienia, świeci bezpośrednio na aparacie cyfrowym. Druga fala oświetla przedmiot, w tym przypadku ślad palca.

Jeśli obiekt jest odblaskowy, odbite światło jest również kierowane do aparatu cyfrowego i nakładane na falę odniesienia.

Superpozycja fal – zarówno pochodzących z odniesienia, jak i z obiektu – tworzy wzór interferencyjny, który nazywany jest hologramem. W holografii cyfrowej ten hologram, będący obrazem 2D, jest rejestrowany w aparacie cyfrowym.

Następnie badacze importują hologram do komputera, gdzie mogą wykorzystać fizyczne prawa propagacji fal, aby ustalić, gdzie fale świetlne lasera odbijają się od różnych części obiektu.

Proces ten pozwala im zrekonstruować obiekt jako obraz 3D.

Tak więc zrekonstruowany hologram zawiera wszystkie szczegóły 3D obiektu i można teraz wizualizować obiekt 3D na laptopie z dowolnej perspektywy.

Zbieranie odcisków palców

W 2017 roku w ramach naszej współpracy zaowocowały pierwszymi wynikami, w ramach których wykonaliśmy zdjęcia 3D ukrytych śladów palców techniką CTF. Zarejestrowaliśmy hologramy odcisków palców opracowanych w CTF przy dwóch różnych długościach fal światła – zielonej i niebieskiej – generowanych przez laser.

Użycie dwóch różnych długości fali umożliwiło nam dostrzeżenie drobnych szczegółów, takich jak pory, w rekonstrukcjach 3D.

Grupa badawcza Lakhtakii pozostawiła setki odcisków palców na szkle, drewnie i plastiku. Następnie pozwolili im dojrzewać w różnych środowiskach, przy różnych temperaturach i poziomach wilgotności, a następnie pokryli je folią CTF, aby zebrać odciski palców.

Moja grupa rejestruje cyfrowe hologramy tych śladów palców i wizualizuje je w 3D na komputerze.

Rozpoczęliśmy także prace nad lepszym planem analizy odcisków palców 3D, który pomoże zidentyfikować podejrzanych o popełnienie przestępstwa.

Regionalne laboratorium kryminalistyczne w Miami Valley w Dayton w stanie Ohio oceniło jakość odcisków palców zarejestrowanych przez grupę badawczą Lakhtakii.

Pomoże nam to również w opracowaniu nowej metody klasyfikacji holograficznych rekonstrukcji 3D, która obecnie nie istnieje.

Może to obejmować utworzenie kategorii w celu sklasyfikowania przejrzystości renderowania 3D odcisków palców.

Stosowanie odcisków palców jako unikalnych identyfikatorów ma długą historię, sięgającą starożytnych cywilizacji babilońskiej i chińskiej.

Używa się ich do celów kryminalistycznych od końca lat 90. XIX wieku, począwszy od Kalkuty w Indiach. Nasza praca ma na celu wykorzystanie tej bogatej historii i wykorzystanie najnowocześniejszych technologii w celu ulepszenia analizy odcisków palców.

Jakie są Twoje przemyślenia na temat tego przełomowego przełomu? Chętnie poznamy Twoją perspektywę! Podziel się swoimi spostrzeżeniami w komentarzach poniżej lub kontynuuj dyskusję na naszym Twitterze lub Facebooku.

Zalecenia redaktorów:

• Wyzwania związane ze sztuczną inteligencją w 2024 r.: spostrzeżenia 3 czołowych badaczy sztucznej inteligencji
• Humans i ChatGPT odzwierciedlają wspólne wzorce językowe – oto jak to zrobić
• Traderzy ChatGPT AI: zbyt szybcy, zbyt wściekli, zbyt ryzykowni?
• Jak chronić nastolatka przed niebezpiecznymi wyzwaniami w mediach społecznościowych

Nota wydawcy: Ten artykuł został napisany przez Partha Banerjee, profesor inżynierii elektrycznej i komputerowej na Uniwersytecie w Dayton i opublikowany ponownie w The Conversation na licencji Creative Commons. Przeczytaj oryginalny artykuł.