مفاهیم و کاربردهای زیست‌سنجی

/ / مقالات

هادی ویسی، بهنام بخشی

شرکت سپید سیستم شریف

خرداد 1397

1- 1     مقدمه

در دنیای امروز نیاز به شناسایی هویت واقعی افراد در بسیاری از زمینه‌ها حس می‌شود. به عنوان مثال برای کنترل دسترسی (Access Control) افراد و همچنین جلوگیری از ورود افراد غیرمجاز به یک سیستم یا منطقه نیاز داریم که هویت واقعی افراد را به طریقی شناسایی کنیم. این شناسایی هویت به چند طریق می‌تواند صورت بگیرد: آنچه فرد به همراه دارد، مانند کارت شناسایی؛ همچنین می‌تواند به کمک آنچه فرد می‌داند مانند گذرواژه یا سوالات امنیتی شناسایی صورت پذیرد. اما روش دیگر، شناسایی به کمک ویژگی‌های زیستی و طبیعی فرد مانند چهره (Face) و اثر انگشت (Fingerprint) است که به آنها روش‌های زیست‌سنجی (Biometrics) گفته می‌شود. ویژگی‌های زیستی مورد استفاده برای شناسایی افراد می‌بایست خصوصیاتی همچون عمومیت، یکتایی، پایداری را دارا باشند. به عنوان مثال ویژگی‌هایی نظیر وزن و قد به علت عدم پایداری برای این منظور قابل استفاده نیستند.

در سال ۱۸۹۳ میلادی دفتر وزارتخانه انگلستان پذیرفت که هیچ دو نفری اثر انگشت یکسانی ندارند. پس از این کشف بسیاری از مراجع اجرای قانون به توانایی اثر انگشت در شناسایی مجرم‌های تکراری که با هر بار پس از دستگیری هویت خود را تغییر می‌دادند پی بردند. بدین ترتیب اولین استفاده‌ها از عوامل زیستی برای شناسایی افراد رقم خورد.

از مزایای روش‌های زیست‌سنجی دقت مناسب و سرعت بسیار بالای آن است. امکان شناسایی از راه دور در برخی از ویژگی‌های زیستی (نظیر تشخیص چهره) نیز وجود دارد. همچنین مشکلاتی مانند فراموش کردن یا گم کردن نیز در این روش وجود ندارد. به کارگیری این روش‌ها بسیار ساده بوده و برای استفاده‌ی کاربران عادی نیازی به آموزش نیست. البته سیستم‌های زیست‌سنجی دارای معایب خاص خودشان هستند اما به دلیل مزایای بسیار زیادی که نسبت به روش‌های سنتی شناسایی افراد دارند، استفاده از آنها روز به روز در حال افزایش است.

گرچه قابلیت اطمینان سیستم‌های زیست‌سنجی در اغلب موارد نسبتا بالاست اما این روش‌ها نیز از دست نفوذگران در امان نبوده‌اند. همچنین در برخی مواقع خاص ممکن است برای برخی از افراد این سیستم‌ها قابل استفاده نباشند (مانند اثرانگشت برای فردی که انگشت‌های خود را طی حادثه‌ای از دست داده است).

1- 2     انواع زیست‌سنجی

سیستم‌های زیست‌سنجی از ویژگی‌های فیزیولوژیکی، رفتاری و یا روانی یک فرد برای شناسایی وی استفاده می‌کنند. این سیستم‌ها انسان‌ها را بر اساس هویت و ویژگی‌هایش (مانند الگوهای صورت، اثر انگشت، صدا و…) شناسایی می‌کنند و نه بر اساس آنجه همراه خود دارد (مانند کلمه‌ی عبور، کلید، کارت شناسایی و ..) این روش‌های شناسایی از روش‌های سنتی ایمن‌تر هستند و امکان جعل در آن‌ها کاهش یافته است. همین دلایل موجب شده است که این روش‌ها در حوزه‌های امنیتی، حقوقی و تجارت الکترونیکی اهمیت پیدا کند. در جدول 1 به تفکیک نوع، چند نمونه از ویژگی‌هایی که می‌توان برای زیست‌سنجی مورد استفاده قرار داد را ملاحظه می‌فرمایید.

جدول 1- انواع ویژگی‌های زیست‌سنجی

 فیزیولوژیکی رفتاری روانی
چهره گفتار کارکرد مغز
اثر انگشت امضا/دست‌خط زیست‌سنجی مبتنی بر شناختی
عنبیه‌ی چشم ریتم تایپ
خطوط کف دست راه رفتن
گوش ضربان قلب
رگ الگوی تنفسی
رد پا اسکن امواج مغزی
شبکیه‌ی چشم نوار قلب
DNA

از میان ویژگی‌های یاد شده ویژگی‌های روانی هنوز در مراحل اولیه‌ی توسعه قرار دارند و هنوز به پایداری خوبی نرسیده‌اند و ممکن است چندان دقیق عمل نکند (تا حدی نیز برای ویژگی‌های رفتاری). همچنین نمونه‌گیری ویژگی‌های روانی نیز در حال حاضر بسیار دشوارتر از سایر ویژگی‌ها است. اما ویژگی‌های فیزیولوژیکی در حال حاضر تا حدی توسعه یافته‌اند که می‌توان آن‌ها را برای جلوگیری از جعل و یا برای کاربرد‌های با سطح امنیت بالا مورد استفاده قرار داد.

در جدول 2 ویژگی‌های مختلف زیست‌سنجی از جنبه‌های مختلف با یکدیگر مقایسه شده‌اند. در این جدول، روش‌های مختلف از نظر معیارهای مختلف مانند فراگیری (توسط طیف وسیعی از افراد استفاده شود)، یکتایی (از یک فرد به فرد دیگری متفاوت باشد)، دائمی بودن (عدم از بین رفتن و یا تغییر زیاد در طول زمان)، جمع‌آوری (نمونه‌برداری و استفاده آسان از آن ویژگی)، کارایی (سطح دقت در تشخیص و استفاده از آنها)، پذیرش (عمومیت پذیرفته شدن توسط افراد مختلف) و غیرقابل جعل بودن در سه سطح بالا (‌H)، متوسط(M) و پایین (L) با همدیگر مقایسه شده‌اند.

جدول 2- مقایسه‌ی ویژگی‌های زیست‌سنجی از جنبه‌های مختلف

قابل جعل پذیرش کارایی جمع‌آوری دائمی بودن یکتایی (تمایز) فراگیری
چهره H H L H M L H
اثر انگشت M M H M H H M
هندسه‌ی دست M M M H M M M
رگ دست/انگشت L M M M M M M
عنبیه‌ی چشم L L H M H H H
امضا H H L H L L L
گفتار H H L M L L M

به عنوان نمونه، در جدول 2، اثر انگشت دائمی‌تر از چهره و گفتار است چراکه چهره و گفتار یک فرد در طول زمان و در شرایط خاص (مانند ریش گذاشتن، عینک زدن یا سرما خوردن) تغییر می‌کند.

1- 3   کاربردهای پایه‌ای زیست سنجی

زیست‌سنجی اغلب در قالب یکی از این کاربردها مورد استفاده قرار می‌گیرد:

  • تایید هویت (Verification): ‌در این حالت، نام کاربری و ویژگی زیستی فرد درخواست می‌شود و ویژگی‌های زیستی کاربر با ویژگی‌هایی که از او در پایگاه داده ذخیره شده، مقایسه می‌شود و پاسخ «قبول» یا «رد» را در نهایت اعلام می‌کند. به عنوان مثال فردی ویژگی‌های زیستی فردی که ادعا می‌کند نام کاربریش «امیر» است با ویژگی‌های زیستی‌ای که از شخص امیر در پایگاه داده ذخیره شده است، مقایسه می‌شود. در صورتی که این ویژگی‌ها مشترک متناظر بودند پاسخ «قبول» و در غیر این صورت پاسخ نهایی سیستم «رد» خواهد بود. مثال‌هایی از کاربرد تایید هویت در عمل عبارتند از:
    • دسترسی به سیستم‌های کامپیوتری و نرم‌افزاری
    • دسترسی به حساب بانکی
    • کنترل دسترسی تردد به بخش‌های حساس یک سازمان/کارخانه
  • تعیین هویت(Identification): کاربر نام کاربری یا شماره‌ی شناسایی خود را ارائه نمی‌کند و سیستم موظف است تنها با دریافت ویژگی‌های زیستی یک فرد و مقایسه‌ی آن ویژگی‌ها با تمام افراد موجود در پایگاه داده، هویت کاربر را در صورت ثبت‌نام کاربر در سیستم تعیین کند. البته گاهی فرض می‌شود کاربر حتما یکی از افراد ثبت‌نام شده در سیستم است و شبیه‌ترین فرد ثبت‌نام شده از پایگاه داده به عنوان خروجی بازگردانده می‌شود. مثال‌هایی از کاربرد تعیین هویت عبارتند از:
    • تعیین هویت افراد برای ثبت ساعت ورود و خروج در سیستم‌های حضور غیاب
    • شناسایی و ثبت ورود و خروج افراد (مثلا در عبور از مرزهای یک کشور)
    • جستجو به دنبال یک لیست سیاه که معمولا مجرمان و تروریست‌ها هستند

1- 4  ساختار سیستم‌های زیست‌سنجی

عملیات اصلی که در سیستم‌های زیست‌سنجی صورت می‌گیرد را می‌توان در دو بخش ثبت‌نام (Enrollment) و تطبیق/مقایسه (Matching) قرار داد. هر فرد که از سیستم استفاده می‌کند ابتدا نیاز است که در آن سیستم ثبت‌نام کند. برای این کار، مشخصات زیستی فرد با استفاده از حسگر دریافت می‌کند و با استخراج ویژگی‌های مورد نیاز از آن، الگویی برای آن فرد تولید کرده و در پایگاه داده ذخیره می‌کند (شکل 1).

شکل 1 مراحل عملیات ثبت‌نام در سیستم‌های زیست‌سنجی

در مرحله‌ی شناسایی (تطبیق/مقایسه)، سیستم با دریافت مشخصات زیستی جدید از حسگر، ویژگی‌های مورد نیاز آن را استخراج می‌کند و با تشکیل الگوی مربوط به آن، الگو را با یک یا چند الگو ذخیره شده در پایگاه داده مقایسه می‌کند و در نهایت پاسخ مورد نظر را به عنوان خروجی بازمی‌گرداند. در شکل 2 شمای کلی عملیات مقایسه را ملاحظه می‌فرمایید.

شکل 2 مراحل عملیات مقایسه در سیستم‌های زیست‌سنجی

در هریک از کاربردهای پایه‌ای زیست‌سنجی، مقایسه به شکلی خاص مورد استفاده قرار می‌گیرد. در «تایید هویت» (verification) الگوی مربوط به یک فرد (که کاربر ادعا کرده) از پایگاه داده استخراج می‌شود و الگوی دریافتی تنها با آن مقایسه می‌شود (یک به یک). اما در کاربرد «تعیین هویت» (identification) الگوی دریافتی با کل پایگاه داده مقایسه می‌شود تا هویت فرد مورد نظر -در صورت ثبت‌نام در سیستم- مشخص شود (1 به N).

حسگر مورد استفاده در این مراحل با توجه به نیاز سیستم و این که چه خصوصیاتی از فرد نیاز است که جمع‌آوری شود، انتخاب می‌شود و یا طراحی می‌گردد. به عنوان مثال معمولا برای کاربرد اسکن عنبیه‌ی چشم دوربین‌های NIR: Near Infrared و برای تشخیص چهره دوربین‌های دیجیتال که طول موج مرئی را دریافت می‌کنند، استفاده می‌شوند. همچنین برای دریافت صدا نیز معمولا میکروفون مورد استفاده قرار می‌گیرد.

ماژول دریافت داده (data acquisition) بخشی است که وظیفه‌ی تبدیل اطلاعات دریافت شده از حسگر (مقادیر ولتاژ، جریان، دما و …) به اطلاعاتی که آماده‌ی پردازش باشند. در اکثر حسگر‌های مورد استفاده این بخش نیز قرار گرفته است. این ماژول درکاربردهای قانونی نیز که حسگری وجود ندارد نیز می‌تواند مورد استفاده قرار بگیرد.

در بخش پیش‌پردازش، داده‌ها با کاهش نویز و حذف بخش‌های اضافی برای استخراج ویژگی آماده می‌شوند. به عنوان مثال در کاربرد تشخیص صدا در این بخش با دریافت صدای ضبط شده، صدای انسان را جدا کرده و صدا‌های پس‌زمینه و بخش‌های سکوت را حذف می‌کند. پس از آن با نرمال کردن صدا تاثیر عواملی مانند شدت و.. را کاهش می‌دهد. معمولا دقت بخش پیش‌پردازش داده‌ها در دقت سیستم تاثیر زیادی می‌گذارد.

در بخش استخراج ویژگی‌ها، با استفاده از مدل‌های ریاضیاتی و یا یادگیری ماشین (Machine Learning) الگوهایی را از داده‌ها استخراج می‌کند. تعداد ویژگی‌های قابل استخراج به صفات مورد زیست‌سنجی و مدل به کار رفته برای استخراج ویژگی واسبته است. به عنوان مثال اگر ضربان قلب زیست‌سنجی مورد استفاده باشد، با توجه به این که ویژگی‌های استخراج شده از آن زیاد نیست، دقت تشخیص افراد به کمک آن نیز نسبتا پایین است. در مقابل در صورتی که از اثر انگشت برای شناسایی افراد استفاده شود، چون تعداد ویژگی‌های قابل استخراج از آن زیادتر است به طبع در صورت استفاده از اثر انگشت به دقت بالاتری نیز دست خواهیم یافت. دقت سسیتم نهایی وابستگی بسیار زیادی به ویژگی‌های استخراج شده توسط مدل دارد.

در بخش ساخت الگو با دریافت ویژگی‌های استخرج شده، الگویی از اطلاعات زیستی دریافت شده ساخته می‌شود. هدف از این بخش حذف ویژگی‌های غیر ضروری و تکراری و در نهایت افزایش سرعت و دقت بخش مقایسه می‌باشد. الگوی ساخته شده در هنگام ثبت‌نام برای استفاده‌های بعدی در پایگاه داده ذخیره می‌شود. در برخی کاربرد‌ها الگو قبل از ذخیره سازی در پایگاه داده، رمزنگاری نیز می‌شود.

در فرآیند مقایسه؛ الگوی داده‌ای که به تازگی از حسگر دریافت شده است، با الگوهای ذخیره شده در پایگاه داده مقایسه می‌شود تا مقدار شباهت یا عدم شباهت آن به داده‌های پایگاه داده بررسی شود. مدل‌های بسیاری را می‌توان برای بررسی شباهت دو الگو در این بخش به کار برد که بسته به نوع الگو و ویژگی‌های مورد استفاده می‌توان مورد درست را انتخاب کرد. در این بخش با مقایسه‌ی هریک از دو الگو می‌توان امتیازی به میزان شباهت در الگو به یکدیگر اختصاص داد.

در بخش خروجی با دریافت امتیازهای کسب شده از بخش مقایسه در مورد این که الگو با الگو یا الگو‌هایی از پایگاه داده برابر است تصمیم می‌گیرد. این تصمیم‌گیری می‌تواند بر اساس یک آستانه انجام شود و یا می‌تواند به صورت نسبی صورت بگیرد.

1 دیدگاه به “ مفاهیم و کاربردهای زیست‌سنجی”

  1. علی می‌گوید:پاسخ

    خیلی خوب مرسی

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *