Sur le bout des doigts...

Vous êtes uniques... mais trêve de compliments, c'est très pragmatique : l'extrémité de vos doigts porte des figures extra-ordinaires. Chacun porte, au bout de ses doigts, des tracés différents de ceux de son voisin. Même les vrais jumeaux ont des dessins digitaux différents ; du pouce à l'auriculaire, les motifs ne sont pas non plus les mêmes. La possibilité de trouver deux empreintes identiques, selon les calculs de Francis Galton (cousin de Darwin) en 1892, est infime : une chance sur 64 milliards, et ce pour des jumeaux homozygotes (vrais jumeaux) !
Scientifiquement, ces "dermatoglyphes" constituent des lignes en relief, des "crêtes papillaires", séparées par de petites vallées, les "sillons". Dans leur forme générale, ces formes en 3D se ressemblent,  mais...

Ce qu'on appelle empreinte digitale est le transfert de ce dessin digital sur une surface (2D). En effet, les crêtes sont parsemées de petits trous - les pores - par lesquels s'écoule la sueur. Celle-ci, mélangée à des sécrétions grasses (on le voit sur les verres ou les vitres) et chargée de déchets, forme une belle trace. Les empreintes ont été utilisées pendant des sièlces, notamment en Asie, en guise de signatures : pour les analphabètes, c'est plus malin que la croix en vigueur chez nous ! C'est d'ailleurs un britannique en poste aux Indes, sir William Herschel, qui montra que les empreintes pouvaient servir à identifier une personne. C'était à la fin du XIX^ème siècle.
Non contentes d'êtres uniques, les empreintes présentent deux sacrés avantages : leurs formes ne changent pas au cours de la vie et il est extrêmement difficile de s'en débarrasser définitivement - il faudrait les brûler, ce qui s'avère extrêmement douloureux. C'est pourquoi elles sont devenues le B-A BA de l'identification criminelle. A tel point qu'on en a presque oublié qu'avant de servir de preuves pour confondre les coupables, elles nous rendent bien service au quotidien pour renforcer le pouvoir agrippant de nos doigts. Imaginez des doigts tout lisses !

Des empreintes lumineuses
Pour les surfaces poreuses (papier, carton, kraft, etc...), la pièce est d'abord plongée dans un bain chimique - une solution appelée DFO (DéFérOxamine) - puis envoyée à l'étuve pour le séchage. A ce stade, on ne voit rien ; il faut éclairer l'empreinte avec une lumière spéciale qui va l'exciter et chausser des lunettes appropriées.

Des traces bien trempées
Complémentaire de la DFO, la ninhydrine permet également de révéler des empreintes sur papiers et cartons. Elle a la propriété de réagir avec les acides aminés contenus dans l'empreinte. Comme pour la DFO, on trempe, on sèche, on regarde, mais la réaction est plus lente (et peut prendre des semaines pour des traces anciennes). L'empreinte qui apparaît en pourpre est alors visible à l'oeil nu et souvent de meilleure qualité qu'avec la DFO.

Collées
Pour les supports lisses, on peut employer une technique dite de "fumigation" ou "à la cyano-acrylate"... traduisez : à la Superglue ! On fait chauffer cette dernière dans une enceinte contenant les pièces à analyser jusqu'à ce qu'elle se vaporise. Les vapeurs de colle vont alors se déposer sur les composants de l'empreinte : une belle trace blanche apparaît (sur les surfaces blanches, on utilise des colorants).

Du bout des doigts
Vous n'imaginez pas le nombre de malfrats qui abandonnent, sur la scène de leur méfait, les gants en latex qu'ils ont utilisés pour éviter de laisser leurs empreintes... eh bien, qu'ils se le disent, celles-ci se gravent au fond des gants ! Un saleté du matériau, ce latex, ni lisse, ni poreux. On utilise un produit spécial, le RTX (tétroxyde de ruthénium), que l'on vaporise dans une enceinte bien hermétique (ses vapeurs sont toxiques).

Dorées à l'or fin
Là, c'est l'artillerie lourde. Pour révéler les empreintes les plus ténues, on fixe la pièce dans un gros caisson métallique, dans lequel on crée un vide poussé. Un vide si poussé que les métaux (de l'or et du zinc) placés à l'intérieur dans de petites coupelles vont se transformer en gaz. Ils se déposent ainsi dans les sillons des empreintes, les rendant visibles. La technique marche sur tout type de support, à condition que l'objet ne soit pas trop volumineux ni compressible (comme le polystyrène, par exemple).

Comment interpréter les empreintes ?

Le recours à l’empreinte digitale compte pour plus du tiers du marché des procédés biométriques. Elle représente nettement la solution préférée des entreprises œuvrant dans ce domaine. La force de ce procédé tient au fait que l’utilisation de l’empreinte digitale est généralement plus facile d’acceptation par la communauté et qu’elle est une des plus efficaces et des moins coûteuses.

La qualité d’image de l’empreinte digitale peut varier selon que la peau du doigt est sale, trop humide ou trop sèche, huileuse ou affligée d’une coupure. La pression que l’on exerce sur le lecteur optique de l’appareil est aussi déterminante quant aux détails qui sont recueillis. Un bon système biométrique tiendra compte de ces facteurs.

L’empreinte digitale est le modèle du relief cutané des doigts. Ce relief se forme durant la période foetale. Ses propriétés biologiques sont bien comprises. Employée pendant des siècles, sa validité d’identification est bien établie. On classe les empreintes selon un système vieux d’une décennie : le système Henry. Dans ce système, le classement repose sur la topographie générale de l’empreinte digitale et permet de définir des familles telles que les boucles (à gauche ou à droite), les arches et les tourbillons.

Les éléments qui permettent de différencier deux empreintes digitales sont les minuties. Une minutie est un point qui se situe sur le changement de continuité des lignes papillaires.     La probabilité de trouver deux empreintes digitales similaires est de 1 sur 10 puissance 24. Dans la pratique, il est évident que deux jumeaux issus de la même cellule ont des empreintes digitales très proches.

Capture de l'image d’une empreinte digitale

Obtenir des images numériques d’empreintes digitales n’est pas une chose simple, car la surface à capturer est de faible dimension par rapport au contenu des informations. De plus, certaines ethnies ont de très fines empreintes digitales par rapport à d’autres populations (la population asiatique par exemple), de même que pour les enfants. Ils est donc important de faire le bon choix de capteur par rapport à la population d’utilisateurs.

La capture de l'image d'une empreinte digitale consiste à trouver les lignes tracées par les crêtes (en contact avec le capteur) et les vallées (creux).

Le point commun à toutes les technologies utilisées pour la prise d'image d'une empreinte, est que l'image est constituée à partir des points de contact du doigt sur le capteur.

Les familles de capteurs

Capteur optique

Il s’assimile à une mini caméra. Le doigt est apposé sur une platine en plastique dur ou en quartz, qui est en vis-à-vis de la mini caméra. Il résiste très bien aux fluctuations de température, mais est gêné par une lumière ambiante trop forte. De plus il est assez volumineux. Son coût est intéressant, et il est intrinsèquement protégé contre les décharges électrostatiques. Il permet d’avoir des images précises et nettes.

Ce procédé de capture d'image est le plus ancien après l'encre. Il est fréquemment utilisé particulièrement dans les applications judiciaires pour la qualité des images. Le principe physique utilisé est "la réflexion totale frustrée"

Capteur en silicium

Il utilise l’un de quatre effets observables sur les semi-conducteurs : l’effet piezo-électrique, l’effet capacitif, l’effet thermo-électrique et l’effet photo-électrique. Il est en général de très petite taille, d’une durée de vie assez longue,et son coût est très intéressant. Mais, comme tout composant, il est fragile aux décharges électrostatiques et il peut-être détruit si des règles de fabrication et d’installation ne sont pas observées. Ces nouvelles technologies visent surtout les applications de masses, grâce à une taille réduite et des coûts moins importants que les lecteurs optiques.

Capteur ultra sonique

Il utilise une onde ultra sonore qu’il envoie vers le doigt, puis calcule le temps mis par l’onde pour faire un aller-retour et, point par point, fournit l’image de l’empreinte. Il est très précis, et hérite des propriétés des ultrasons de traverser certains matériaux (gants en latex, saletés, etc.). Mais il est volumineux et très coûteux. Il est intéressant pour une population d’utilisateurs très hétérogène.

Etapes de traitement de l'empreinte digitale

Plusieurs méthodes sont employées pour reconnaître les empreintes digitales : localisation des minuties, analyse spectrale à l’aide d’ondelettes, traitement de textures, etc.

• Localisation des minuties
  cette méthode ne retient que l’emplacement des minuties les plus pertinentes. Elle est peu sensible aux déformations des doigts entre plusieurs vérifications (doigts plus ou moins appuyés sur le capteur).
• Traitement de textures
  des paramètres issus de certaines propriétés de la texture des empreintes (orientation, fréquence, etc.) sont comparés. Cette méthode permet un traitement très rapide, et donc un temps de réponse très court.

Il existe bien d’autres méthodes, mais elle ne sont pas divulguées par les entreprises qui les développent pour un souci de propriétés intellectuelles.

• Stockage de l'empreinte sous le format approprié.
  Le format BITMAP de Windows peut être utilisé comme format d'entrée des images à traiter ainsi que pour échanger des images avec les applications. L'origine des images n'a pas d'importance (scanner, fichier, caméra, code barre...).

• Filtrage des images (Segmentation).
  Le but de cette étape est de supprimer toute ambiguïté en détectant des zones de bruit et en faisant ressortir la plus grande partie possible d'information utile au système.
  Cette fonction se charge également de détecter l'absence d'empreinte, un niveau élevé de bruit dans l'image (image sale ou lecteur défectueux), un positionnement incorrect du doigt.

• Evaluation de la qualité de l'empreinte capturée.
  Le système calcule un facteur de qualité qui permet d'établir un critère automatique de fiabilité du "gabarit" de l'empreinte qui sera ensuite calculée.

• Squelettisation de l'empreinte.
  Dans l'image binarisée (noir et blanc) les lignes se voient clairement mais elles ont des tailles différentes. Pour pouvoir détecter rapidement les minuties (terminaisons, bifurcations), il est nécessaire d'obtenir une image plus schématique de l'empreinte, dans laquelle toutes les lignes ont la même épaisseur (1 pixel).

• Extraction des minuties.
  C'est le processus final qui complète l'obtention de la "signature" de l'empreinte.
  A partir d'une image de l'empreinte préalablement traitée, on extrait grâce à différents algorithmes une structure de données (ou signature).
  
  Le "gabarit" retenu pour caractériser l'empreinte est basée sur un ensemble suffisant et fiable de minuties.
  On entend par suffisant, le nombre minimum de minuties nécessaires pour pouvoir établir des comparaisons fiables entre empreintes. Par expérience, ce minimum se situe à 14 minuties.
  On entend par fiable, les minuties qui ne sont pas influencées par des défauts lors de l'acquisition de l'image ou par l'altération temporaire de l'empreinte digitale (blessure, érosion, etc.).
  Avec un petit nombre de minuties (15 ou 20) correctement localisées, il est possible d'identifier une empreinte parmi plusieurs millions d'exemplaires.
  
  Généralement, chaque minutie occupe environ un espace de 16 octets sans compactage ni compression. Ceci explique la taille de chaque fichier "gabarit", 240 octets pour 15 minuties et 1600 octets pour 100 minuties.
  Si le stockage final est compacté, on peut économiser de l'espace mémoire et si on le comprime, on peut obtenir les pourcentages classiques en compression de fichiers.
  Lors du processus d'extraction, on détecte initialement 100 minuties en moyenne, parmi lesquelles environ 60 % correspondent à de fausses minuties qui seront identifiées lors d'un processus ultérieur. Le logiciel extrait donc une quarantaine de minuties réelles de l'empreinte. Cette valeur est nettement supérieure aux minima, ce qui augmente la fiabilité. De plus, ce chiffre est loin du total de minuties détectées, ce qui laisse supposer que n'ayant conservé que les plus fiables, on a éliminé les minuties erronées qui auraient pu détériorer le comportement du système.

Etape de comparaison d'empreintes digitales

Le système de vérification d'identité est basé sur la comparaison de deux ensembles de minuties (fichier "gabarit"), correspondants respectivement à deux doigts à comparer.
Pour déterminer si deux ensembles de minuties extraits de deux images correspondent à des empreintes du même doigt, il est nécessaire d'adopter un système de comparaison qui soit insensible à d'éventuelles translations, rotations et déformations qui affectent systématiquement les empreintes digitales.

A partir de deux ensembles de minuties extraites, le système est capable de donner un indice de similitude ou de correspondance qui vaut :

• 0 % si les empreintes sont totalement différentes.
• 100 % si les empreintes viennent de la même image.

Deux fichiers " gabarit " calculées à partir de la même empreinte ne donneront jamais 100 % de ressemblance du fait des différences qui existent lors de l'acquisition de deux images (petites déformations ou déplacements), ils donneront cependant toujours un niveau élevé de similitude.
La décision à partir de cet indice de similitude de savoir si deux empreintes sont issues du même doigt est une question purement statistique. Pour décider d'accepter la similitude entre deux " gabarit ", il faut établir un seuil d'acceptation.

Les principales étapes en images

Image d'origine

Image binarisée

Extraction des minuties

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Conclusion

La biométrie par l’empreinte digitale est la technologie la plus employée à travers le monde. Et on voit fleurir des solutions de plus en plus abordables et performantes. D’ici à quelques années, les lecteurs d’empreintes digitales n’étonneront plus personne et seront rentrés dans les moeurs au même titre que le téléphone portable.

Lien vers Interpol

Artezia