Biometría: Reconocimiento de Huellas Dactilares

La identificación por huella dactilar es una de las biometrías más conocidas y publicitadas.

Gracias a su unicidad y constancia en el tiempo las huellas dactilares han sido usadas para la identificación por más de un siglo, mas recientemente volviéndose automatizada (ej. biométrica) debido a los avances en las capacidades de computación.

La identificación por huellas dactilares es popular por su inherente comodidad de adquisición, las numerosas fuentes disponibles para recolección (diez dedos), y su establecido uso y recolección por parte del orden público e inmigración.

Por más de un siglo, las huellas dactilares han sido uno de los métodos más usados para el reconocimiento humano; los sistemas biométricos automatizados han estado disponibles solamente en estos últimos años.

La determinación y compromiso de la industria, las evaluaciones y las necesidades del gobierno, y los cuerpos organizados de los estándares han conducido a la siguiente generación en reconocimiento de huellas dactilares, que promete dispositivos más rápidos y de más alta calidad de adquisición para producir una exactitud más alta y mayor confiabilidad.
Porque las huellas dactilares tienen una aceptación generalmente amplia entre el público en general, el orden público, y la comunidad de ciencia forense, continuarán siendo utilizadas por los sistemas legados de muchos gobiernos y serán utilizadas en los nuevos sistemas para los usos y aplicaciones que requieren una biometría confiable.

Historia

El uso práctico de huellas dactilares como método de identificación de individuos ha sido utilizado desde finales del siglo 19 cuando Sir Francis Galton definió algunos de los puntos o características desde las cuales las huellas dactilares podían ser identificadas. Estos "puntos Galton" son la base para la ciencia de identificación por huella dactilar, la cual se ha expandido y efectuado una transición en el pasado siglo. La identificación por huella digital comienza su transición a la automatización a finales de los años 60 junto con la aparición de las tecnologías de computación. Con la llegada de las computadoras, un subconjunto de los puntos Galton, de aquí en más minucias (rasgos específicos), ha sido utilizado para desarrollar la tecnología de reconocimiento automatizado de huellas dactilares. En 1969, hubo un empuje mayor por parte del Buró Federal de Investigaciones (FBI) para desarrollar un sistema para automatizar sus procesos de identificación por huellas dactilares, el cual rápidamente se había vuelto abrumador y requería de muchas horas hombre para el proceso manual. El FBI contrato al Buró Nacional de Estándares (NBS), ahora Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST), para estudiar el proceso automatización de la clasificación, búsqueda y concordancia de la huellas dactilares. El NIST identifico dos cambios clave:

escanear las tarjetas con huellas dactilares y extraer las minucias de cada huella y
buscar, comparar y combinar las listas de minucias contra grandes repositorios de huellas dactilares [1].

En 1975, El FBI fundo el desarrollo de escáneres de huella dactilar para clasificadores automatizados y tecnología de extracción de minucias, lo cual condujo al desarrollo de un lector prototipo. Este primer lector usaba técnicas capacitivas para recoger las minucias [2]. En ese momento solo los datos biográficos de los individuos, la clasificación de los datos de huellas dactilares y las minucias eran almacenados a causa de que el costo de almacenamiento de las imágenes digitales de las huellas dactilares era prohibitivo.
Durante las pocas próximas décadas, el NIST se enfocó y condujo a desarrollos en los métodos automáticos para digitalizar las huellas dactilares en tinta y los efectos de compresión de imagen en la calidad de la imagen, la clasificación, extracción de minucias, y concordancia [3]. EL trabajo del NIST Condujo el desarrollo del algoritmo M40, el primer algoritmo operacional utilizado en el FBI para estrechar la búsqueda de humanos. Los resultados producidos por el algoritmo M40 fueron provistos a técnicos humanos entrenados y especializados quienes evaluaron el significantemente más pequeño grupo de imágenes candidatas.
La tecnología de huellas dactilares disponible continuó mejorando y para el año 1981, cinco sistemas automatizados de identificación por huella dactilar fueron desplegados. Varios sistemas estatales en los Estados Unidos y otros países habían implementado sus propios sistemas autónomos, desarrollados por un número de diferentes proveedores. Durante esta evolución, la comunicación y el intercambio de información entre sistemas fueron pasados por alto, significando que una huella digital recogida con un sistema no podía ser buscado en otro sistema. Estos descuidos llevaron a la necesidad y al desarrollo de estándares para huellas digitales.
Conforme a la necesidad de un sistema de identificación integrado en la comunidad de la justicia criminal de los Estados Unidos se volvió rápidamente evidente, la próxima fase en la automatización de huellas dactilares ocurrió al finalizar la competencia de sistemas automatizados de identificación de huellas dactilares (Automated Fingerprint Identification System, IAFIS). La competencia identificó e investigó tres desafíos principales:

Adquisición de huellas dactilares digitales,
extracción de características de crestas locales, y
concordancia de patrones de características de crestas [4].

Los sistemas modelo demostrados fueron evaluados en base a requerimientos de rendimiento específicos. Lockheed Martin fue seleccionado para construir el segmento AFIS del proyecto IAFIS del FBI y los componentes principales de IAFIS estuvieron operacionales para 1999. También en este plazo, los productos comerciales de verificación de huellas dactilares comenzaron a aparecer para varios controles de acceso, para logeo, y para beneficio de las funciones de verificación.

Concepto

Una huella dactilar usualmente aparece como una serie de líneas oscuras que representan los relieves, la porción saliente de las crestas de fricción, mientras los valles entre estas crestas aparecen como espacio en blanco y están en bajo relieve, la porción subyacente de las crestas de fricción.
La identificación por huella dactilar está basada principalmente en las minucias, o la ubicación y dirección de los finales y bifurcaciones (separaciones) de las crestas a lo largo su trayectoria.
Las imágenes debajo presentan ejemplos de características de huellas dactilares: (a) dos tipos de minucias y (b) ejemplos de otras características algunas veces utilizadas durante la clasificación automática y procesos de extracción de minucias:

Los tipos de información que pueden tomarse de la impresión de la cresta de fricción de una huella incluyen el flujo de crestas de fricción (nivel 1 de detalle), la presencia o ausencia de características a lo largo de cada trayecto individual de crestas de fricción y sus secuencias (nivel 2 de detalle), y el detalle intrincado de una sola cresta (nivel 3 de detalle). El reconocimiento está usualmente basado en los primeros 2 niveles de detalle o sólo en el último.

La tecnología AFIS explota algunas de estas características de huellas dactilares. Las crestas de fricción no siempre fluyen continuamente a través de un patrón y a menudo resultan en características específicas como finales de crestas, crestas divisorias y puntos, u otra información.
Un AFIS esta diseñado para interpretar el flujo de las crestas sobresalientes para asignar una clasificación de huellas dactilares y luego extraer los detalles de minucias- un subconjunto de la suma total de información disponible, suficiente aun para buscar efectivamente en un repositorio de huellas dactilares grande.

Hardware

Una variedad de tipos de sensores-ópticos capacitivos, ultrasónicos y térmicos, son utilizados para tomar información de imágenes digitales de la superficie de una huella dactilar. Los sensores ópticos toman una imagen de la huella, y son el tipo de sensor comúnmente más usados hoy en día. Los capacitivos determinan el calor de cada píxel basados en la capacitividad medida, hecho posible a causa de que un área de aire (valle) tiene significativamente menos capacitancia que el área de un dedo (cresta de fricción de la piel). Otros sensores de huellas capturan imágenes utilizando ultrasonido de alta frecuencia o unidades ópticas que usen prismas para detectar cambios en la reflectancia de la luz relacionada a la huella dactilar. Los escáneres termales requieren el contacto de un dedo a través de una superficie para medir la diferencia de temperatura en un tiempo dado para crear una imagen digital [7].

Software

Las dos categorías principales de las técnicas de coincidencia de huellas dactilares son: basada en minucias o por patrones. La coincidencia por patrones simplemente compara dos imágenes para ver cuán similares son. La coincidencia por patrones es utilizada en sistemas de huellas dactilares para detectar duplicados. La técnica de reconocimiento más ampliamente utilizada, la basada en minucias, reside en los puntos de minucias descritas más arriba, específicamente la ubicación y la dirección de cada punto [4].

Perspectiva de los estándares

En los niveles actuales nacionales e internacionales, el desarrollo de los estándares en huellas dactilares, es un elemento esencial en el reconocimiento de huellas debido a la vasta variedad de algoritmos y sensores disponibles en el mercado.
La interoperabilidad es un aspecto crucial de la implementación del producto, lo que significa que las imágenes obtenidas por un dispositivo debe ser capaz de ser interpretada por una computadora que utilice otro dispositivo. Los mayores esfuerzos en los estándares se enfocan en la estandarización del contenido, el significado y la representación de los formatos de datos de intercambio de huellas dactilares e incluyen las normas [9]:

ANSI/INCITS 381-2004 formato de intercambio de datos basado en imágenes de dedos,
ANSI/INCITS 377-2004 formato de intercambio de datos basado en patrones del dedo,
ANSI-INCITS 378-2004 Formato de las minucias del dedo para el intercambio de datos,
ISO/IEC 19794-2 formato de minucias del dedo para intercambio de dato, ISO/IEC FCD 19794-3 formato de intercambio basado en patrones del dedo, y
ISO/IEC 19794-4 formato de intercambio basado en imagines de dedos [10].

(Información adicional con respecto a estos estándares se puede encontrar en el Apéndice)
Otro estándar a notar es el ANSI NIST ITL 1-2000 Formato de datos para el intercambio información de huellas dactilares, Faciales, cicatrices, marcas & tatuajes ( Scar Mark and Tatoo, SMT). Este estándar especifica un formato común usado para el intercambio datos de huellas dactilares, faciales, cicatrices, cicatrices, marcas & tatuajes, de forma efectiva a través de las líneas jurisdiccionales o entre sistemas disímiles hechos por diferente fabricantes. Especificaciones para la transmisión electrónica de huellas dactilares (v7.1) y especificaciones para la transmisión de biometría (v1.0) son implementaciones especificas de los ANSI NIST ITL 1-2000 usados por el FBI y DoD. Otros estándares también asociados con ANSI NIST ITL 1-2000 son la cuantización de ondeletas escalares del FBI (Wavelet Scalar Quantization, WSQ) y el Grupo de expertos de la asociación fotografica 2000 (JoinPhotographic Expert group, JPEG2000) ambos son utilizados para la compresión de imágenes de huellas dactilares.

Evaluación del gobierno de los Estados Unidos de Norteamérica

Como lo ordenó el Decreto Patriota de los EE.UU. y el decreto de Mejora de Seguridad Fronteriza, el NIST administró la evaluación de los proveedores de tecnología de huella dactilar (Fingerprint Vendor Technology Evaluation, FpVTE)
Para evaluar el acierto de los sistemas de reconocimiento de huellas el FpVTE fue diseñado para evaluar a la capacidad de los sistemas de huellas dactilares para enfrentar requerimientos de aplicaciones del mundo real tanto de gran escala como de pequeña escala. FpVTE 2003 consiste en pruebas múltiples realizadas con combinaciones de dedos (ej. Un solo dedos , dos dedos índices, cuatro a diez dedos) y diferentes tipos y calidades de huellas dactilares operacionales (ej. imágenes completas de Captura en vivo de solicitantes de visas, imágenes de captura en vivo de los cuatro dedos simultáneos (exepto pulgar) de los sistemas actuales de chequeo de bases de dato de reserva o antecedentes penales verificación de antecedentes penales, o huellas enroladas en tinta de los legajos de las bases de datos de criminales)
En los sistemas mas acertados en el FpVTE se encontró que tenían consistentemente muy bajos rangos de error a través de una variedad de conjuntos de datos. Las variables que tenían el efecto mas claro en el acierto del sistema eran los números de dedos usados y la calidad de las huellas. Un número de dedos elevado resultaba en un mayor acierto: el acierto de las búsquedas usando cuatro o más dedos era mejor que el acierto de búsquedas de dos dedos, el cual era mejor que el acierto de búsquedas a un solo dedo.

Programas notables de huellas dactilares del gobierno de EE.UU.

Captura rápida de huellas dactilares enroladas equivalentes y captura rápida de huellas palmas de la mano
La captura rápida , una iniciativa del gobierno multiagencia, esta expandiendo la búsqueda de huellas dactilares de de palmas, desafiando a ala industria a desarrollar y demostrar tecnología para capturar 10 huellas dactilares enroladas equivalentes en menos de 15 segundos y/o huellas de palmas en menos de 15 segundos y/o ambas palmas en menos de 1 minuto, mejorar significativamente la calidad de la imagen de la huella dactilar, reducir tasa de error en el enrolamiento, y ser comprable, rugoso, portable, relativamente discreto de tamaño, y utilizable en el futuro cercano [11].
Sistema automático integrado de identificación de huellas dactilares (Integrated Automatic Fingerprint Identification System, IAFIS)
Mantenido por los Servicios de Información de la justicia criminal del FBI (CJIS), IAFIS contiene mas de 47 millones de temas. Las capacidades del sistemas incluyen búsquedas automatizadas de huellas decadactilares y huellas dactilares latentes, almacenamiento electrónico de imágenes, e intercambios electrónicos de huellas dactilares y respuestas. A través de asociaciones entre el FBI y la comunidad del orden publico, IAFIS se volvió operacional en 1999 para agilizar los requerimientos de búsquedas de huellas dactilares que estaban siendo realizados manualmente por verificación humana ? Un proceso que podía llevar mas de 3 meses. Los resultados de IAFIS a los pedidos son devueltos dentro de las 2 horas para investigaciones criminales y dentro de las 24 horas para investigaciones civiles [12].
Publicación especial 800-76 de NIST
La Publicación especial 800-76 de NIST, Especificación biométrica de datos para la verificación de identidad personal, contiene especificaciones para la adquisición, formateo, y almacenamiento de imágenes de huellas dactilares y patrones para tomar y dar formato imágenes faciales; y especificaciones para dispositivos biométricos sobre como tomar y leer imágenes digitales. La publicación especifica que las huellas dactilares sean almacenadas en la tarjeta como "patrones de minucias", representaciones matemáticas de imágenes de huellas dactilares [13].
US-VISIT (Visitas a EE.UU.)
El programa de US-VISIT es la pieza central de los esfuerzos del gobierno de Estados Unidos de transformar los sistemas de inmigración y administración de la frontera de nuestra nación de una manera que resuelva las necesidades y los desafíos del siglo XXI. US-VISIT es parte de una serie continua de medidas de seguridad biométricamente realzadas que comienza fuera de las fronteras de los EE.UU. y continua con la llegada de un visitante y la salida de los EE.UU.
La mayoría de los visitantes experimentan los procedimientos biométricos de US-VISIT - digitales, las huellas dactilares sin tinta y las fotografías digitales - al entrar a los EE.UU. En esos casos donde un visitante requiere una visa, el departamento del estado recoge la información biométrica y biográfica del visitante. Cuando el visitante llega en los EE.UU., los procedimientos de US-VISIT permiten que el departamento de la seguridad nacional determine si la persona que solicita entrada sea la misma persona ala que le fue emitida la visa por el departamento del estado.

Apéndice

ANSI/INCITS 381-2004 formato de intercambio de datos basado en imágenes de dedosEste estándar especifica un formato de intercambio para el intercambio de los datos basados en imágenes para el reconocimiento de huellas dactilares y de la palma. Define el contenido, el formato, y las unidades de medida para tal información. Este estándar se piensa para esos usos de identificación y verificación que requieren el uso de los datos crudos o procesados de la imagen que contienen la información detallada del pixel.
ANSI/INCITS 377-2004 formato de intercambio de datos basado en patrones del dedo
Este estándar especifica un formato de intercambio para el intercambio de los datos para reconocimiento de huella dactilar basados en patrones. Describe la conversión de una imagen cruda de la huella dactilar a un patrón del dedo, recortado y muestreado seguido por la representación celular de la imagen del patrón del dedo para crear los datos del intercambio de los patrones del dedo.
Para más información, ver lo siguiente: http://www.incits.org.
ANSI/INCITS 378-2004 Formato de las minucias del dedo para el intercambio de datosEste estándar define un método de representación de información de huellas dactilares usando el concepto de minucias. Define la ubicación de las minucias en una huella dactilar, un formato de grabación para contener los datos de las minucias, y extensiones opcionales para contar crestas información de núcleo/delta.
Para más información, ver lo siguiente: http://www.incits.org.
ANSI/NIST ITL 1-2000 Formato de datos para el intercambio información de huellas dactilares, Faciales, cicatrices, marcas & tatuajes ( Scar Mark and Tatoo, SMT).Este estándar define el contenido, el formato, y las unidades de medida para el intercambio de la información de las imágenes de huellas dactilares, de la palma, faciales /ficha fotográfica, cicatriz, marca, y tatuaje (smt), que se puede utilizar en el proceso de la identificación de un sujeto. La información consiste en una variedad de ítems obligatorios y opcionales, incluyendo parámetros de escaneo, datos relacionados, descriptivos y de registro, información de huella dactilar digitalizada, e imágenes comprimidas o sin comprimir.
Para más información, ver lo siguiente: ftp://sequoyah.nist.gov/pub/nist_internal_reports/sp500-245-a16.pdf
ISO/IEC 19794-2 Formato de minucias del dedo para intercambio de dato.Este estándar describe cómo los puntos de las minucias serán determinados, define los formatos de datos para contener los datos para el uso general y de tarjeta inteligente, y detalla la información de la conformidad. Las pautas y los valores para los parámetros de combinación y decisión se proporcionan como anexo informativo. El estándar define tres tipos de minucias, incluyendo los finales de cresta y la bifurcación. La estrategia adoptada de la determinación de las minucias se basa en los esqueletos derivados de una imagen digital.
Para más información, ver lo siguiente: http://www.iso.org.
ISO/IEC FCD 19794-3 Formato de intercambio basado en patrones del dedo Este estándar de bosquejo especifica que una imagen de la huella dactilar está dividida en una grilla de células solapadas o no solapadas. En cada célula, el patrón del dedo será representado por una estructura de célula. Un método para obtener la estructura de la célula es descomponer cada uno de las células en una representación espectral de dos dimensiones tal como la Transformada Discreta de Fourier (Discrete Fourier Transform, DFT) de dos dimensiones. La descomposición produce los componentes espectrales, donde cada componente se puede caracterizar por una longitud de onda horizontales (x) y verticales (y), en dirección, amplitud, y fase.
Para más información, ver lo siguiente: http://www.iso.org.
ISO/IEC 19794- 4 Formato de intercambio basado en imagines de dedos.Este estándar especifica que la imagen deberá parecer haber sido capturada en una posición vertical y deberá esta aproximadamente centrada. horizontalmente en el campo visual. La secuencia de la exploración y los datos registrados deberán parecer haber sido de izquierda a derecha, progresando de arriba a bajo de la huella dactilar. El origen de los ejes, ubicación del pixel (0.0), es en la esquina superior de la mano izquierda de cada imagen con la posición de la coordenada x (horizontal) aumentando positivamente del origen al lado derecho de la imagen mientras que la posición de la coordenada y (vertical) aumenta positivamente del origen a la parte inferior de la imagen. También especifica que el encabezado debe ser de acuerdo a CBEFF.
Para más información, ver lo siguiente: http://www.iso.org.
ISO/IEC 19794-8 Esquema Datos del Patrón del Dedo.
Este estándar esta prensado para ser utilizado para alcanzar interoperabilidad entre los sistemas de reconocimiento de huellas dactilares basados en minucias y en patrones. Se basa en las características comunes compartidas entre el patrón espectral y las minucias por medio de la codificación de las crestas de una forma que el esquema de crestas proporcione las bases para detectar minucias
Para más información, ver lo siguiente: http://www.iso.org.
EFTS v7.1 Especificaciones de transmisión electrónica de huellas dactilares.
Esta especificación cubre la transmisión electrónica de la información que implican las huellas dactilares al FBI del Sistema Automatizado Integrado de la Identificación de Huellas dactilares (IAFIS) basado en el estándar NIST ITL 1-2000 del ANSI. El propósito de este documento es especificar ciertos requisitos a los cuales las agencias deban adherir para comunicarse electrónicamente con el IAFIS.
Para más información, ver: http://www.fbi.gov/filelink.html?file=/hq/cjisd/iafis/efts71/efts71.pdf
EBTS v1.0 Especificaciones de transmisión electrónica de biometría.
Esta especificación describe arreglos de las transacciones de las Especificaciones transmisión electrónica de huellas dactilares (EFTS) del FBI, que son necesarias para utilizar el sistema de identificación biométrica automatizada (ABIS) del Departamento de Defensa (DoD).
FBI- WSQ (Wavelet Scalar Quantization, WSO) Compresión de imágenes de huellas dactilares por Cuantización de Ondeletas EscalaresEs una compresión con perdida de información (Lossy)que es capaz de preservar los detalla de alte resolución de una imagen en escala de grises que son usualmente descartados por otros algoritmos de compresión del tipo Lossy. Alcanza un alto cociente de compresión, por medio 15:1 dependiendo de los parámetros. Para más información, ver el documento No.
IAFIS-IC-0110 (V3), 19 de diciembre de 1997."Servicios de información de la justicia criminal (CJIS)
Especificación de compresión de imágenes en escala de grises de huellas dactilares WSO" del FBI
JPEG2000 (Joint Photographic Experts Group 2000)
La compresión de imágenes de huellas dactilares del Grupo de Expertos de la Asociación Fotográfica 2000 es un nuevo sistema de codificación de la imagen que utiliza técnicas avanzadas de compresión basadas en tecnología de ondeletas. Su arquitectura debe prestarse a una amplia gama de aplicaciones desde cámaras fotográficas digitales portables hasta avanzadas como la pre impresión (para las industrias de imprenta y publicación), diagnostico por imágenes en medicina y otro sectores clave.

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Referencias:

[1] John D. Woodward, Jr., Nicholas M. Orlans, and Peter T. Higgins, Biometrics (New York: McGraw Hill Osborne, 2003).
[2] Nalini Ratha and Ruud Bolle, Automatic Fingerprint Recognition Systems (Springer: New York, 2004).
[3] James Wayman, et al, Biometric Systems Technology, Design and Performance Evaluation (London: Springer, 2005).
[4] Maltoni, Davide, Maio, Jain, and Prabhakar, Handbook of Fingerprint Recognition (Springer: New York, 2005).[4] Maltoni, Davide, Maio, Jain, and Prabhakar, Handbook of Fingerprint Recognition (Springer: New York, 2005).
[5] Secugen Biometrics Solutions
http://www.secugen.com/images/faq02.gif.
[6] International Biometric Group
http://www.biometricgroup.com.
[7] Manfred Bromba, "Bioidentification: Frequently Asked Questions"
http://www.bromba.com/faq/fpfaqe.htm#Fingerprint-Sensore
[9] International Committee for Information Technology Standards, "M1 Biometrics"
http://www.ncits.org/tc_home/m1.htm.
[10] International Organization for Standardization, "JTC 1/ SC37 Biometrics Projects"
http://www.iso.org/iso/en/CatalogueListPage.CatalogueList?COMMID=5537&scopelist=PROGRAMME.
[11] NSTC Subcommittee on Biometrics, "Fingerprint Recognition Interagency Coordination Plan" January 2006.
[12] FBI IAFIS "Integrated Automated Fingerprint Identification System: What is it?" 30 June 2005
http://www.fbi.gov/hq/cjisd/iafis.htm.
[13] National Institute of Standards and Technology, Computer Security Division: Computer Security Resource Center, "Personal Identity Verification (PIV) of Federal Employees/Contractors" 24 March 2006
http://csrc.nist.gov/piv-program/index.html.
Fuente:
Puede encontrar el original en inglés de este documento (PDF) y otros desarrollados por el Subcomité de Biometría del NSTC en www.biometrics.gov.
© Agosto 2006 - Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (NSTC)
Comité de Tecnología
Comité de Seguridad Nacional de los Estados Unidos
Subcomité de Biometría

Autor: Pedro Janices, Consultor en tecnología, seguridad y biometría. @pjanices