Petit tour d'horizon sur la biométrie en général et sur l'analyse des empreintes digitales en particulier

Depuis quelque temps déjà, l’acquisition et l’analyse des empreintes digitales des personnes sont effectuées à l’aide de dispositifs électroniques. Le but de cet article est d’étudier la technologie qui permet d’effectuer ces opérations et, en particulier, les nouveaux capteurs à matrice capacitive, caractérisés par un faible coût et par l’absence de parties optiques complexes.


Vous souvenez-vous des vieux films policiers et en particulier des scènes où les techniciens de la police scientifique cherchaient à comparer à l’aide d’une grosse loupe, les empreintes digitales des malfaiteurs fichés avec celles relevées sur les lieux du délit?
Et bien, depuis quelques années, on ne pratique plus de cette façon, si bien que dans les films récents ou dans les séries à grand succès, nous voyons désormais des agents de l’identification, en blouse blanche, analysant les empreintes en utilisant des systèmes optiques et de puissants ordinateurs.
Le doigt mouillé sur le tampon-encreur puis appuyé sur un carton appartient désormais au passé !
Aujourd’hui, l’acquisition et la comparaison des empreintes digitales sont effectuées à l’aide d’ordinateurs équipés de scanner de précision.
Avant d’entrer dans le vif du sujet, il convient de parler d’un domaine qui se nomme la biométrie C’est une discipline qui s’occupe de la mesure et de l’identification des personnes, sur la base de certains paramètres anatomiques et physiologiques.
Parmi ceux pris le plus souvent en considération, en vertu de la relative simplicité avec laquelle ils peuvent être perçus, échantillonnés et analysés à l’aide de dispositifs électroniques, se trouvent justement, les empreintes digitales, la voix, les traits du visage et la structure de l’iris de l’oeil.

Figure 1: L’arrivée sur le marché de deux nouveaux capteurs d’empreintes digitales ouvre, à la reconnaissance biométrique, des applications qui relevaient jusqu’alors de la science-fiction.
Dans un futur très proche, nous utiliserons notre index pour retirer de l’argent au distributeur, pour accéder à notre parking, pour commander l’ouverture de notre porte d’entrée, etc.


Mais à quoi sert exactement la biométrie ?
La réponse est simple: pouvoir se référer à certaines particularités d’un être humain. En particulier, celles qui ne se modifient pas ou peu avec le temps (sauf en cas de lésions permanentes) valables pour un seul individu et permettant de l’identifier pratiquement sans possibilité d’erreurs.
Tout cela ne sert pas seulement à des fins de recherches, mais, vous l’aurez compris, pour dépasser les limites des systèmes d’identification traditionnels que sont : les clefs, les cartes à puce, les badges magnétiques, les transpondeurs, les radiocommandes, etc.
Tous ces systèmes ont en commun le fait qu’il faille les transporter avec soi, leurs limitations, leurs points faibles et des détails qui en déconseillent parfois l’utilisation.
Par exemple, les cartes magnétiques peuvent être copiées, les cartes à puce requièrent un contact physique avec le lecteur, les télécommandes peuvent être interceptées et décodées (excepté les modèles à rolling-code), les clefs traditionnelles sont peu pratiques et encore moins sûres, enfin, les transpondeurs, qui sont les moins délicats, qui ne se détériorent pas car ils sont détectés sans aucun contact physique avec le lecteur, mais ont un coût encore assez élevé.
Ce préambule, permet de préciser que le souhait de tous les chercheurs et l’attente de tous les utilisateurs nous promet pour très bientôt un monde que nous ne voyions, jusqu’à aujourd’hui, uniquement dans les films de science-fiction.
La biométrie est la science qui a rendu tout cela possible et qui, dans un futur proche, nous libérera de tous ces dispositifs qui jusqu’alors ont été indispensables pour la sécurité des personnes et de la propriété.
Cela permet, en outre, de dépasser et d’améliorer la fiabilité par rapport aux systèmes traditionnels.
En particulier, les chercheurs se sont concentrés sur quatre paramètres caractéristiques : le visage, les empreintes digitales, la structure de l’iris de l’oeil et le traitement de la voix.
Le plus notable sont les empreintes digitales, car elles sont le paramètre le plus fiable, après l’iris de l’oeil.

Figure 2: La biométrie, technologie du futur pour les applications du prése!

Caractéristiques de base d’une empreinte digitale

Figure 3 : Biométrie et empreintes digitales.

Tout en signifiant la même chose, les termes peuvent varier selon l’utilisateur, administration ou industrie.

+ bifurcation
* divergence
x ligne courte
° îlot
# points

La biométrie est une discipline qui traite de l’étude des paramètres caractéristiques d’un individu. En pratique, elle émule ce que ferait un humain avec ses sens, en écoutant la voix d’un sujet, en le touchant ou en le regardant en face.
Actuellement, les chercheurs en cette matière, travaillent sur 4 paramètres principaux qui sont déterminés par leur caractère unique. Se sont, les traits du visage, la voix, les empreintes digitales et la conformation de l’iris (la partie colorée de l’oeil).
Cette dernière caractéristique, est réservée à des applications de sécurité élevée. Par contre, l’identification de la voix et des empreintes digitales, trouve désormais un large emploi et se présente comme le principe d’une nouvelle ère, celle des commandes sans clé, sans mots de passe, sans badges, sans transpondeurs ou sans transmetteurs radio.
S’il est vrai que la reconnaissance de la voix est un domaine ayant progressé à pas de géant, l’utilisation des empreintes digitales mérite une explication, parce qu’elle est née et revêtait une importance capitale bien avant que naisse l’électronique.
Les empreintes, laissées par la partie pulpeuse des doigts sur les objets que nous touchons, sont encore utilisées de nos jours dans les enquêtes judiciaires et font office de preuve de la présence d’une personne en un lieu donné.
Pour identifier un individu avec certitude, il suffit que l’empreinte relevée coïncide en 16 ou 17 points avec celles prises sur le sujet même.
Ces algorithmes de reconnaissance des empreintes, développés par les polices de tous les pays et maintenus rigoureusement secrets sont, depuis quelques années, tombés dans le domaine public. Cela a incité les fabricants les plus réputés à développer des systèmes de biométrie fiables et à faible coût. Le tournant décisif est survenu au cours de l’année 98, lorsque la société Siemens a inventé et breveté un système en mesure d’acquérir l’empreinte digitale sans recourir à des systèmes laser et à des optiques complexes. Cette invention est un simple microcircuit CMOS, si l’on peut dire, composé d’une matrice de 64 000 cellules capacitives qui parvient à effectuer le même travail que les coûteux scanners du FBI !

Comment utiliser la biométrie ?
C’est le nombre important d’utilisations faisant référence aux empreintes digitales (système de sécurité, administrations de la justice, enquêtes de police), qui a poussé les concepteurs à développer des systèmes d’identification adaptés à de telles applications.
Initialement, pour la lecture, des scanners CCD modifiés étaient utilisés, mais ces matériels avaient besoin d’un nettoyage fréquent du point de contact et ne garantissaient pas une bonne fiabilité de la scrutation.
L’alternative est le scanner laser, toujours composé d’une vitre sur laquelle est appuyé le doigt et d’un émetteur de lumière concentrée qui effectue la scrutation, permettant la lecture des résultats à l’aide d’une photodiode.
L’inconvénient du scanner laser est son coût élevé et la nécessité d’avoir des pièces en mouvement. Ceci explique pourquoi, les laboratoires ont cherché une solution plus fiable, mais aussi plus pratique et, par-dessus tout, bon marché.
Depuis environ deux ans, Siemens en premier, puis Thomson ont mis au point, des capteurs d’empreintes digitales fonctionnant suivant un principe innovant et très différent de ce que l’on pouvait attendre.
Il s’agit de capteurs qui ne “voient” pas, mais qui “sentent” (dans le sens du toucher) le contact. Ce ne sont pas des scanners CCD ou à laser, mais des puces contenant des milliers de cellules capacitives, organisées en matrices.


Le composant qui en découle, très robuste, est destiné à être installé dans n’importe quel système commandant un quelconque accès, même les plus communs.
Sa surface est étanche et ne craint ni l’humidité ni la luminosité ambiante.
Elle résiste à des sollicitations normales et ne doit être nettoyée que de temps en temps et non à chaque lecture.
Ce sont les points forts des nouveaux capteurs qui, ajouté à un coût relativement bas, promettent une large diffusion, même dans les diverses situations de la vie quotidienne.
Un exemple est la présentation dans un salon en 1999 (déjà), d’un téléphone portable et d’un clavier d’ordinateur équipé d’un de ces capteurs et capable d’identifier le propriétaire ou la personne autorisée.
Depuis le début de la technique capacitive, plusieurs types de capteurs d’empreintes digitales ont été produits mais, comme nous l’avons déjà dit, tous ont en commun le même principe de fonctionnement.
Le détecteur n’est autre qu’un microcircuit de silicium, de forme carrée, réalisé en technologie MOS.
Chaque cellule élémentaire, que nous appelons “pixel”, est composée d’un condensateur chargé par un générateur de courant adapté. Un commutateur statique transfère cette charge à une seconde capacité formée par une paire d’électrodes.
Cette capacité est placée, en contre-réaction, sur un comparateur. Ainsi, la variation de la quantité de charge peut donner naissance à un niveau de tension différent du niveau de référence.
En moyenne, le nombre de cellules est de 224 x 288 (ce qui représente 64512 pixels) comme dans le cas du composant “Fingertip” de la société Siemens, qui garantit une résolution réelle de 513 dpi (Dot Per Inch ou points par pouce en bon français !).

L’analyse des deux phases du fonctionnement
Dans la première phase, un générateur de courant charge constamment et durant un temps très bref, les condensateurs d’entrée de chaque pixel.
Dans la seconde phase, la charge emmagasinée, est transférée à travers chaque condensateur formé par les électrodes situées sous la strate du bioxyde et le bioxyde même, qui fait alors office de diélectrique.
La quantité restante détermine un certain état sur la sortie du comparateur concerné, donc une différence de potentiel calibrée et mumérisée, qui est ensuite transmise au système de traitement.
Le contact de la partie molle du doigt, qui est appuyé sur la surface du capteur, détermine, en chaque point, une capacité différente, donc, une perte plus ou moins importante de la charge électrique, fuyant par le diélectrique.
En particulier, on peut observer une réaction différente, en fonction de la structure des d’empreintes.
Déduction, là où se trouve un creux, la peau est plus éloignée que dans les points où se trouve une protubérance (Monsieur de La Palisse n’aurait pas dit mieux !).
Dans le premier cas, la capacité de réaction sur une cellule, est inférieure de celle déterminée dans le second cas.
En effectuant la scrutation des sorties de chaque pixel, par l’intermédiaire d’une logique appropriée et analysant les résultats avec 224 comparateurs, le capteur de Siemens permet d’obtenir une information intéressante sur une grande quantité de points.
La situation de chacun des points est décrite à l’aide d’une échelle de gris, il en résulte une photographie, une image très précise de l’empreinte digitale.
La définition du signal digitalisé est de 8 bits par pixel, si bien que Siemens garantit 40 ou 90 niveaux de gris (par point), en fonction du seuil de référence fixé par logiciel sur les comparateurs, qui peut être choisi entre 2,5 volts, pour obtenir la première valeur, et 3,7 volts, pour la seconde, évidemment, en utilisant une tension d’alimentation de 5 volts. Plus la référence est importante, meilleur est le contraste de l’analyse, donc la capacité de distinction entre un sillon et une protubérance de la peau du doigt.

Figure 4a.


Figure 4b.

Figure 4 : Que se soit le capteur de Siemens ou celui de SGS-Thomson, tous deux utilisent une méthode innovante pour acquérir l’empreinte digitale. En pratique, chaque microcircuit contient des milliers de cellules capacitives organisées entre elles en matrice. Le condensateur virtuel (capacité entre électrode de la cellule et la peau), en fonction de la charge emmagasinée est transféré à un condensateur étalon et à un comparateur. La figure 4a donne le schéma simplifié du principe et la figure 4b donne le schéma électrique pour une cellule.

Le système Touch Chip de SGS-Thomson

Figure 5 : Le système Touch Chip de SGS-Thomson.

Le Touch Chip est le circuit intégré que la société SGS-Thomson a développé spécialement pour la reconnaissance des empreintes digitales.
Sa référence est STFP2015. Ce composant relève l’empreinte digitale à l’aide d’une matrice capacitive sensible au toucher.
La matrice est protégée superficiellement par un matériau qui garantit une durée de vie supérieure à celle du verre. Le temps d’acquisition de l’empreinte est inférieur au dixième de seconde, la résolution est meilleure que 500 dpi. Elle est, ainsi, supérieure à celle considérée comme acceptable par les techniciens du FBI (Federal Bureau of Investigations) américain.
La consommation du capteur est de 200 mW sous 5 volts d’alimentation.
Ce composant acquiert l’empreinte digitale, la traite et la rend disponible en un format digital sur un bus de sortie de 8 bits. Le bus est interfacé à un microcontrôleur ou à un PC qui se chargent de comparer l’empreinte avec celles déjà mémorisées.
Les avantages de ce nouveau circuit intégré, sont la rapidité d’acquisition, la robustesse du capteur et l’absence totale de parties optiques, toujours considérées comme la partie faible de la précédente génération de capteurs.

Le système FingerTip de Siemens

Figure 6a.


Figure 6b.


En figure 6a, vous pouvez voir le schéma synoptique du capteur de Siemens.
La figure 6b est la photo de la partie sensible. Parmi les principales caractéristiques, nous pouvons indiquer la résolution de 224 x 288 pixels (513 dpi), la dimension de la surface sensible qui est de 11 x 14 mm, le temps de capture des images, inférieur à 100 ms et la consommation de courant égale à 10 mA en fonctionnement normal.

L’exploitation du résultat
A l’intérieur du composant, se trouve une unité de traitement qui permet de gérer et d’envoyer, les informations de chaque pixel de l’image, par l’intermédiaire d’une interface parallèle ECP 1.9, connectée à un ordinateur sur lequel doit “tourner”, un programme en mesure de gérer les signaux.
En particulier, le programme doit permettre la discrimination des facteurs réels et des parasites (taches, mauvaise position des doigts, etc.). Il doit être également, en mesure d’appliquer les algorithmes biométriques qui permettent d’affirmer que deux empreintes sont égales et donc, qu’elles appartiennent à la même personne.

Pour conclure
Le temps est donc tout proche où nous trouverons nombre de systèmes de contrôle d’accès et de gestion de services en tous genres, fonctionnant véritablement à l’aide de la reconnaissance des empreintes digitales. Vous n’aurez aucune peine à imaginer toutes les applications possibles des systèmes de reconnaissances biométriques. De la commande vocale au contact digital, vous pourrez faire fonctionner votre voiture, ouvrir vos portes et des centaines d’autres choses encore, tout en étant certain que personne d’autre que vous ne pourra le faire s’il n’y est pas autorisé.
Les bandits des temps modernes vont devoir suivre de nouvelles formations et c’est tant mieux pour notre sécurité !

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