Techbox: heslo si nosíme na špičkách svých prstů

Tento článek je dvanáctým dílem našeho seriálu Techbox, ve kterém postupně rozebíráme a vysvětlujeme fungování základních součástí telefonů a další mobilní elektroniky.

Základními prvky každého otisku jsou papilární linie. Jedná se o souvislé vyvýšené reliéfy o výšce 0,1–0,4 milimetrů a šířce 0,2–0,7 milimetrů, které vytvářejí smyčky a spirály tzv. dermatoglyfy, které se vzájemně kříží, rozvětvují, spojují, přerušují a tak vytvářejí právě ony jedinečné charakteristické znaky tzv. markanty, které má každý člověk jiné. Nevyskytují se však pouze na bříšcích prstů u rukou, byť ty se pro identifikaci používají nejčastěji, ale na celých prstech, dlaních i chodidlech.

Spolehlivost identifikace pomocí papilárních linií je možná díky třem základním pravidlům:

• Neexistují na světě dva jedinci, kteří mají absolutně shodné obrazce papilárních linií a to ani v případě jednovaječných dvojčat.
• Otisky prstů jsou relativně neměnné a s tím, jak člověk roste, se papilární linie nemění. Zachovány zůstávají i při neustálém obměňování kůže, kdy z ní neustále odpadávání šupinky zrohovatělé kůže a je nahrazovány novými buňkami ze zárodečné vrstvy kůže.
• S tím souvisí i fakt, že pokud neodstraníte pokožku až na zárodečnou vrstvu, tak se otisků prstů nezbavíte. V pokožce je zakódován jejich vzor, ze kterého se obnoví.

Otisky prstů znali už ve starověku

Nejstarší otisky prstů nacházíme na babylonských hliněných tabulkách a keramice. Byly také nalezeny v egyptských hrobkách nebo na minojské a čínské keramice staré tisíce let. Některé z těchto otisků se sem jistě dostaly neúmyslně díky nepříliš pečlivým řemeslníkům. Archeologové si však všimli, že některé z nich jsou hluboce vtlačeny do hlíny, a spíše než o náhodu se tak jedná již o značku, která identifikovala výrobce.

Místo podpisů používali bříška prstů otištěné ve hlíně již ve starověkém Babylónu ve druhém tisíciletí před naším letopočtem. Kolem roku 246 před naším letopočtem otisky prstů ve hlíně používat i čínské úřady. Čínský zákoník v letech 618 - 906 nařizoval, aby manžel, který se chtěl rozvést, připojil k dokumentu s důvody rozvodu své otisky prstů. První zmínky o využívání otisků prstů v kriminalistice v Číně pochází již z roku 1107, kdy zde vládla dynastie Sung.

V Japonsku se rozmáhá používání otisků prstů k identifikaci ve stejné době jako v Číně. První zmínky pochází z roku 672 a v roce 720 se o daktyloskopii píše v knize Dějiny Japonska "Nihongi". Kromě otisků celé dlaně se v Japonsku používá i tzv. pečeť palce ("bo-han"). Odsouzení zločinci musely otiskem levého palce ztvrdit svůj rozsudek. Důkazy o používání daktyloskopie jsou však známy i z Tibetu, Persie, Egypta nebo Turecka.

V Evropě se rozvíjí v 17. a 18. století

Moderní daktyloskopie, jak se věda zabývající se papilárními liniemi nazývá, je mnohem mladšího data. V roce 1864 anglický rostlinný anatom a fyziolog Nemeniah Grew (1641 - 1712) vydává první vědeckou práci, která se zabývá strukturami na kůži bříšek prstů a dlaních, čímž pokládá základy daktyloskopii. O rok později v roce 1865 publikují holandský fyziolog Govard Bidloo (1649 - 1713) a italský fyziolog Marcello Malpighi (1628 - 1694) knihy o anatomii, které popisují vyvýšené struktury na prstech. O století později v roce 1788 přichází německý anatom Johann Andreas Mayer (1747 - 1801) s hypotézou, že otisky prstů jsou unikátní pro každého jednotlivce.

Jedním z prvních vědců, který se jí zabýval, byl i český fyziolog, anatom, biolog, básník a filozof Jan Evangelista Purkyně (1787 - 1869), který v roce 1823 popsal devět základní vzorů papilárních linií na posledních článcích prstů a roztřídil je.

V 60. a 80. letech 19. století se daktyloskopií zabývalo několik vědců. Z nich stojí za zmínku zejména Francis Galton (1822 - 1911), který položil teoreticko-vědecké základy daktyloskopie. Ve své práci z roku 1888 uvádí, že existuje na jednom prstě 64 miliard různých variant různých variant papilárních linií, což vylučuje existenci dvou lidí se shodnými otisky.

První praktické základy daktyloskopické identifikace položil sir William James Herschel (1833 - 1917), který si při svém působení v Indii všiml zvyku čínských úředníků pečetit smlouvy otiskem prstu a v roce 1858 použil stejný způsob pro stvrzení smlouvy s indickým dodavatelem. Dalším průkopníkem praktické daktyloskopie je americký úředník Gilbert Thompson (1839 - 1909) z Nového Mexika, který použil otisk pro identifikaci příjemců šeků, aby tak zabránil jejich falšování.

Od 90. let 19. století se daktyloskopie prosazuje i v kriminalistice. V roce 1901 zavádí daktyloskopickou registraci pachatelů britský Scotland Yard. O rok později byla tato metoda zavedena v USA a ani Praha nezůstává stranou nových trendů a tak je i zde 21. 6. 1903 založena daktyloskopická registrace pachatelů.

Počítače urychlují srovnání otisků

S počítači se otisky prstů dostávají blíže do styku v 60. letech 20. století. Pro dosavadní pracné metody ručního snímání otisků prstů, jejich uchovávání v kartotékách a zdlouhavé ověřování, jsou počítače doslova požehnáním z nebes.

Počítače umožnily vyvinutí automatizovaných systémů pro identifikaci podle otisků prstů tzv. AFIS (z anglického Automated Fingerprint Identification Systems). Jedná se systémy, které automaticky porovnávají jeden nebo více neznámých otisků prstů s databází známých a neznámých otisků prstů. Tyto systémy se používají především při identifikaci pachatelů trestných činů.

V USA obsahuje US Integrated Automated Fingerprint Identification System veškeré otisky prstů shromážděné v celé zemi a spravuje ho FBI. Své vlastní AFISy však má řada dalších zemí a regionů, ale i nadnárodní organizace jako Interpol nebo EU.

Na použití otisků prstů při identifikaci i mimo kriminalistiku jsme si museli počkat až do 80. let, kdy již byly osobní počítače a optické senzory na dostatečné úrovni vývoje, aby mohly začít vznikat různé zařízení a aplikace umožňující verifikaci uživatelů při přihlašování do počítačových systémů. V tomto případě se však nejedná ani tak o identifikaci, ale o jednodušší verifikaci uživatele. Tedy není nutné identifikovat uživatele, ale pouze potvrdit, že ten, kdo se pokouší dostat systému, je podle uloženého vzorku k tomu oprávněný.

Nástup levných optických snímačů a spolehlivých srovnávacích algoritmů v 90. letech jejich nástup ještě více urychlil. Nicméně se ukázalo, že některé méně sofistikované systémy je možné snadno přelstít jednoduchými metodami například podvržením falešných otisků otištěným v gelu.

Největší rozmach systémů snímání otisků prstů v domácí elektronice však pozorujeme teprve v posledních letech. Objevují se například v noteboocích, jako jsou řady IBM (později Lenovo) ThinkPad, Sony VAIO , HP Pavilion a další, kde často neslouží pouze k odemykání, ale i suplují kolečko u myši a využívají se jako detektor pohybu při posouvání dokumentů. Kromě snímačů otisků prstů zabudovaných přímo do notebooku se na trhu objevila celá řada periferií. Kromě jednúčelových snímačů, které se k počítači připojují přes USB, se můžeme setkat i třeba s počítačovými myšmi, které ho mají v sobě zabudovaný.

Co se týče mobilních telefonů, tak zde patří k průkopníkům Motorola a její smartphone Atrix 4G z roku 2011. Zde se však ještě snímání otisků prstů jako náhrada pinu při odemykání příliš neosvědčila. Použitý senzor byl málo citlivý a uživatel musel přes něj přejet prstem několikrát, než se telefonu podařilo otisk správně načíst. To tento týden představený Apple iPhone 5S, který má snímač zabudovaný přímo do tlačítka Home, nabízí zcela jiný uživatelský komfort. Použitý senzor má pouhých 170 mikronů a skenuje subepidermální vrstvy kůže s rozlišením 500 ppi, díky čemu stačí pouze stisknout tlačítko Home jako dosud a je hotovo.

Jak fungují snímače otisků prstů v elektronice?

Na rozdíl od kriminalistických databází, kde se ukládají celé otisky prstů, pro verifikaci v jednoduchých systémech, jako v iOS, stačí pouze malé množství dat. Systémy si ukládají pouze malý vzorek vašeho otisku s těmi nejvýraznějšími jedinečnými rysy. Sice jsou tak mnohem méně přesné než AFIS, ale pro potřeby verifikace uživatele je to dostatečné a zároveň i bezpečné. Pokud se do systému někdo nabourá a data se mu podaří vytáhnout, není schopen složit kompletní otisk prstu.

Existuje několik typů senzorů, které slouží k sejmutí otisku prstu. Základním typem je optický snímač nebo někdy také nazývané optoelektronický. V podstatě si je můžeme představit jako speciální digitální fotoaparát. Tyto snímače pracují s viditelným obrazem povrchu prstu. Pod dotykovou plochou je vrstva fosforu, která osvětluje plochu přiloženého prstu. Odražené světlo prochází přes luminoforní vrstvu k CCD senzoru, který digitalizuje obraz otisku a předá ho k dalšímu zpracování.

Hlavní výhodou této metody je, že je odolná proti statickým výbojům a dalším vlivům okolního prostředí. Na druhou stranu však může mít problém s vykreslením prstu, který je znečištěný, nebo když na něm máte zranění. Tento systém navíc, protože porovnává pouze obraz povrchu, je možné snáze oklamat falešnými otisky.

O něco dokonalejší je kapacitní snímač. Ten funguje na podobném principu jako kapacitní displeje a snímá rozdíl kapacity mez deskou snímače a povrchem prstu. Vytvoření digitálního obrazu prstu je umožněno tím, že papilární linie, které přiléhají na rozdíl od mezer mezi nimi, více k podložce a mají tak vyšší kapacitní odpor.

Hlavní výhodou tohoto řešení jsou malé rozměry, jednoduchost, vysoká kvalita a odolnost před falešnými otisky. Bohužel se však snímač vlivem statické elektřiny rychle opotřebovává a proto má kratší životnost než jiné druhy snímačů.

Pro použití v mobilních telefonech jsou naopak zcela nevhodné teplotní snímače, které jsou postavené na malém citlivém čipu tzv. pyrodetektoru, který snímá rozdíly teplot mezi jednotlivými papilárními liniemi a prostory mezi nimi. Tato metoda vyžaduje, aby jste přes citlivou vrstvu přejeli prstem několikrát. Při každém přejetí je vytvořen digitální pás, z nichž se následně skládá výsledný obraz. Právě nutnost pohybu prstu je jedna z hlavních nevýhod této metody, protože díky tomu disponuje špatnou kvalitou obrazu otisku.

Elektroluminiscenční snímače jsou založeny na speciální vrstvě, které vytváří po stisknutí světlo a to na místech, kde se jich dotýkají papilární linie. Zpracování pak probíhá pomocí fotodiod. Výhodou jsou miniaturní rozměry a schopnost číst i suché otisky, ale na druhou stranu jsou i méně odolné proti mechanickému poškození a jejich citlivost upadá při znečištění prachem a vodou.

Nejspolehlivější metody skenování otisků prstů pak nabízí radiofrekvenční a multispektrální snímače. Obě metody jsou více méně imunní vůči nečistotám. Radiofrekvenční snímače pracují s použitím dvou rovnoběžných desek s připojeným generátorem střídavého signálu, kde jedna je plocha snímače a druhá náš prsty. Tím, jak náš prst není rovný, mění se podle papilárních linií a prohlubní mění i tvar generovaného pole. Výběžky mají větší signál a prohlubně nižší signál.

Úplně nespolehlivější je multispektrální technologie, která dokáže snímat a zpracovat nejen papilární linie, ale i jak vypadá prst pod povrchem kůže, k tomu používá několik zdrojů světla s různými vlnovými délkami. Světlo projde pod povrch prstu a senzor ze získaných údajů složí komplexní obrázek prstu, ve kterém je samotný otisk pouze jedním dílkem skládanky. Multispektrální snímače dokáží pracovat i v extrémních podmínkách a i u osob, které mají nevýrazné otisky prstů.