Dấu vân tay 3D cải thiện phân tích pháp y

Dấu tay được tạo thành từ những vệt dầu nhỏ trên da của bạn. Mỗi đường gờ chỉ cao vài micron, tức là vài phần trăm độ dày của tóc người. Mã nhận dạng sinh trắc học chỉ ghi lại dấu vân tay dưới dạng hình ảnh 2D và mặc dù chúng chứa nhiều thông tin nhưng… vẫn còn thiếu rất nhiều thông tin. Dấu vân tay 2D bỏ qua độ sâu của dấu vân tay - bao gồm cả lỗ chân lông và vết sẹo ẩn trong các đường vân tay rất khó nhìn thấy.

Các loại dấu vân tay

Nhà khoa học phân loại dấu vân tay là “rõ ràng”, “tạo hình” hoặc “tiềm ẩn”, tùy thuộc vào mức độ hiển thị của chúng khi để lại trên bề mặt. Dấu vân tay “rõ ràng” là dễ thấy nhất - dấu vân tay đẫm máu tại hiện trường vụ án là một ví dụ. Dấu vân tay “tạo hình” được tìm thấy trên bề mặt mềm - chẳng hạn như đất sét hoặc thanh sô cô la. Khó nhìn thấy nhất là dấu vân tay “tiềm ẩn”. Chúng thường được tìm thấy trên bề mặt cứng như thủy tinh, kim loại, gỗ và nhựa. Để phát hiện, người kiểm tra dấu vân tay phải sử dụng phương pháp vật lý hoặc hóa học như phủ bột, tạo phản ứng hóa học bằng thuốc thử thích hợp hoặc xông khói cyanoacrylate...

Cyanoacrylate tạo ra keo siêu dính ở dạng lỏng, nhưng ở dạng khí, nó có thể làm lộ rõ các dấu vân tay “tiềm ẩn”. Một nhóm nhà nghiên cứu Mỹ phát triển dấu vân tay bằng cách cho phép phân tử hơi cyanoacrylate phản ứng với mọi thành phần trong dấu vân tay “tiềm ẩn”. Mọi chi tiết hình học trên dấu vân tay được phân loại thành 3 cấp độ. Cấp độ 1 bao gồm các mô hình đường gờ có thể nhìn thấy được - chẳng hạn như các vòng, vòng xoắn và vòm. Cấp độ 2 đề cập đến những chi tiết vụn vặt hoặc chi tiết nhỏ - chẳng hạn như phần chia đôi, phần cuối, mắt và móc. Cuối cùng, các đặc điểm Cấp độ 3 - chẳng hạn như lỗ chân lông, vết sẹo và nếp nhăn - quá nhỏ để mắt người có thể phân biệt được. Đây là lúc như ảnh ba chiều trở nên hữu ích, vì các bước sóng quang học đủ nhỏ để tạo ra mọi chi tiết nhỏ trên một vật thể.

Phát triển hình ảnh 3 chiều dấu vân tay

Vì dấu vân tay thường được thu thập dưới dạng hình ảnh 2D và ảnh 3 chiều hiển thị thông tin 3D nên một nhóm nhà khoa học muốn phát triển một kỹ thuật có thể hiển thị tất cả các đặc điểm cấu trúc liên kết 3D của dấu vân tay. Để làm được điều này, nhóm của Akhlesh Lakhtakia tại Penn State (Mỹ) phát triển một kỹ thuật chuyên dụng để lắng đọng một lớp màng mỏng dạng cột có kích thước nano, gọi là CTF, lên trên dấu vân tay để phát triển và bảo quản nó. Màng mỏng dạng cột là những cột dày đặc bằng vật liệu thủy tinh bao phủ đồng đều dấu vân tay, giống như sự phát triển dày đặc của những cây giống hệt nhau trong rừng. Giống như ngọn của những cái cây này sẽ phản ánh cấu trúc liên kết của mặt đất, ngọn của những màng mỏng dạng cột này tái tạo cấu trúc 3D của các dấu tay mà chúng được đặt trên đó.

Để tạo ra hình ba chiều của thứ gì đó giống như dấu tay 3D, nhóm nhà nghiên cứu chia ánh sáng từ tia laser thành hai phần. Một phần, được gọi là sóng tham chiếu, chiếu trực tiếp lên máy ảnh kỹ thuật số. Sóng còn lại chiếu vào vật thể, trong trường hợp này là dấu vân tay. Nếu vật thể phản chiếu, ánh sáng phản xạ cũng hướng tới máy ảnh kỹ thuật số và chồng lên sóng tham chiếu. Sự chồng chất của các sóng - cả từ vật tham chiếu và vật thể - tạo ra một hình ảnh giao thoa, được gọi là ảnh ba chiều.

Trong ảnh ba chiều kỹ thuật số, ảnh ba chiều này là hình ảnh 2D, được ghi lại trong máy ảnh kỹ thuật số. Sau đó, nhóm nhà nghiên cứu nhập ảnh ba chiều vào máy tính, nơi họ có thể sử dụng định luật vật lý về truyền sóng để tìm ra nơi sóng ánh sáng từ tia laser bật ra khỏi các phần khác nhau của vật thể. Quá trình này cho phép họ tái tạo lại vật thể dưới dạng hình ảnh 3D. Vì vậy, hình ba chiều được tái tạo có tất cả các chi tiết 3D của đối tượng và giờ đây bạn có thể hình dung đối tượng 3D trên máy tính xách tay từ bất kỳ góc nhìn nào.

Lấy dấu tay

Năm 2017, nhóm nhà khoa học tạo ra hình ảnh 3D về dấu vân tay tiềm ẩn bằng kỹ thuật CTF. Họ ghi lại hình ảnh ba chiều của dấu vân tay do CTF phát triển với hai bước sóng ánh sáng khác nhau - xanh lục và xanh lam - được tạo ra từ tia laser. Việc sử dụng hai bước sóng khác nhau cho phép tạo ra những chi tiết nhỏ như lỗ chân lông trong bản tái tạo 3D. Nhóm nghiên cứu của Lakhtakia lưu giữ hàng trăm dấu vân tay trên thủy tinh, gỗ và nhựa. Sau đó, họ để chúng già đi trong những môi trường khác nhau - ở nhiệt độ và độ ẩm khác nhau - trước khi phủ chúng bằng màng CTF để lấy dấu vân tay. Nhóm ghi lại hình ảnh ba chiều kỹ thuật số của những dấu tay này và hiển thị chúng dưới dạng 3D trên máy tính.

Nhóm nhà nghiên cứu cũng bắt đầu nghiên cứu kế hoạch phân tích dấu vân tay 3D tốt hơn để giúp xác định nghi phạm tội phạm. Phòng thí nghiệm tội phạm khu vực Thung lũng Miami ở Dayton thuộc bang Ohio (Mỹ), phân loại chất lượng của dấu vân tay được nhóm nghiên cứu của Lakhtakia thu được. Nó cũng sẽ giúp phát triển một phương pháp mới phân loại các bản tái tạo hình ba chiều 3D, một phương pháp hiện chưa tồn tại. Điều này có thể liên quan đến việc tạo các danh mục để phân loại mức độ hiển thị 3D của dấu tay rõ ràng như thế nào.

Việc sử dụng dấu vân tay làm mã nhận dạng duy nhất đã có lịch sử lâu đời, bắt nguồn từ nền văn minh Babylon và Trung Quốc cổ đại. Chúng đã được sử dụng cho mục đích pháp y từ cuối những năm 1890, bắt đầu ở Calcutta (Ấn Độ). Công việc của nhóm nhà nghiên cứu nhằm mục đích phát huy lịch sử phong phú này và sử dụng công nghệ tiên tiến cho phép cải thiện khả năng phân tích dấu vân tay.

AI: Không phải mọi dấu vân tay đều là duy nhất

Nhà điều tra sử dụng dấu vân tay làm tiêu chuẩn vàng để liên kết hiện trường vụ án với tội phạm. Nhưng nếu hung thủ để lại dấu vân tay từ những ngón tay khác nhau ở hai hiện trường vụ án khác nhau, thì những hiện trường này rất khó liên kết và dấu vết có thể bị mờ đi. Một thực tế được chấp nhận rộng rãi trong cộng đồng pháp y là dấu vân tay của các ngón tay khác nhau của cùng một người - “dấu vân tay trong người” - là duy nhất và do đó, không thể so sánh được.

Một nhóm do Gabe Guo, sinh viên năm cuối đại học Columbia Engineering dẫn đầu, đã thách thức giả định được chấp nhận rộng rãi này. Guo tìm thấy cơ sở dữ liệu công cộng của chính phủ Mỹ gồm khoảng 60.000 dấu vân tay và đưa chúng thành từng cặp vào một hệ thống dựa trên trí tuệ nhân tạo (AI) được gọi là mạng tương phản sâu. Đôi khi các cặp này thuộc về cùng một người (nhưng khác ngón tay) và đôi khi chúng thuộc về những người khác nhau.

Theo thời gian, hệ thống AI được nhóm thiết kế bằng cách sửa đổi một khuôn khổ hiện đại, đã nhận biết tốt hơn khi nào dấu vân tay dường như là duy nhất thuộc về cùng một người và khi nào thì không. Độ chính xác cho một cặp duy nhất đạt 77%. Khi có nhiều cặp được trình bày, độ chính xác tăng lên đáng kể, có khả năng tăng hiệu quả pháp lý hiện tại lên hơn 10 lần. Dự án này là sự hợp tác giữa phòng thí nghiệm Máy sáng tạo của Hod Lipson tại Columbia Engineering và phòng thí nghiệm Máy tính và Cảm biến nhúng của Wenyao Xu tại Đại học Buffalo.

Sau khi nhóm xác minh, họ nhanh chóng gửi kết quả đến một tạp chí pháp y có uy tín nhưng nhận được sự từ chối vài tháng sau đó. Chuyên gia đánh giá và biên tập ẩn danh đã kết luận rằng “Ai cũng biết rằng mỗi dấu vân tay là duy nhất” và do đó, sẽ không thể phát hiện ra những điểm tương đồng ngay cả khi dấu vân tay đến từ cùng một người. Nhóm đã không bỏ cuộc. Họ bắt đầu cung cấp cho hệ thống AI của họ nhiều dữ liệu hơn và hệ thống này tiếp tục được cải thiện. Nhận thức được sự hoài nghi của cộng đồng pháp y, nhóm đã chọn gửi bản thảo của mình cho đối tượng khác. Bài báo lại bị từ chối, nhưng Hod Lipson - Giáo sư Đổi mới của James và Sally Scapa tại Khoa Cơ khí và đồng giám đốc của Cơ sở Makerspace - đã kháng cáo. Lipson đánh giá: “Tôi thường không tranh luận về quyết định biên tập, nhưng phát hiện này quá quan trọng để có thể bỏ qua. Nếu thông tin này làm cân bằng lại sự cân bằng thì tôi tưởng tượng rằng những vụ án chưa được xử lý có thể được phục hồi và thậm chí những người vô tội cũng có thể được trắng án”.

Mặc dù độ chính xác của hệ thống không đủ để quyết định một trường hợp một cách chính thức nhưng nó có thể giúp ưu tiên các khách hàng tiềm năng trong những tình huống không rõ ràng. Sau nhiều lần qua lại, bài báo cuối cùng đã được Science Advances chấp nhận xuất bản.

Một loại điểm đánh dấu pháp y mới để ghi lại dấu vân tay một cách chính xác

Một trong những điểm mấu chốt là câu hỏi sau: AI thực sự sử dụng thông tin thay thế nào đã trốn tránh được các phân tích pháp y trong nhiều thập kỷ? Sau khi hình dung cẩn thận quá trình ra quyết định của hệ thống AI, nhóm nghiên cứu kết luận rằng AI đang sử dụng một dấu hiệu pháp lý mới. Guo đánh giá: “AI không sử dụng ‘minutiae’, là các nhánh và điểm cuối trong các đường vân tay - các mẫu được sử dụng trong so sánh dấu vân tay truyền thống. AI đang sử dụng một thứ khác, liên quan đến các góc và độ cong của các đường xoáy và vòng ở giữa dấu vân tay”.

Aniv Ray và Judah Goldfeder, người giúp phân tích dữ liệu, lưu ý kết quả của họ chỉ là bước khởi đầu. Ray phân tích: “Hãy tưởng tượng xem điều này sẽ hoạt động tốt như thế nào khi nó được huấn luyện trên hàng triệu dấu vân tay thay vì hàng nghìn dấu vân tay”. Nhóm nghiên cứu nhận thức được những sai lệch tiềm ẩn trong dữ liệu. Nhóm tác giả đưa ra bằng chứng chỉ ra rằng AI hoạt động tương tự ở các giới tính và chủng tộc có sẵn mẫu. Tuy nhiên, họ lưu ý rằng cần phải thực hiện xác nhận cẩn thận hơn bằng cách sử dụng những bộ dữ liệu có phạm vi bao phủ rộng hơn nếu kỹ thuật này được sử dụng trong thực tế.

Lipson lưu ý rằng khám phá này là một ví dụ về những điều đáng ngạc nhiên hơn đến từ AI. Lipson bình luận: “Nhiều người nghĩ rằng AI thực sự không thể tạo ra những khám phá mới mà nó chỉ lấy lại kiến thức. Nhưng nghiên cứu này là một ví dụ về việc ngay cả một AI khá đơn giản, với một bộ dữ liệu khá đơn giản mà cộng đồng nghiên cứu đã có trong nhiều năm, có thể cung cấp những hiểu biết sâu sắc mà các chuyên gia đã lảng tránh trong nhiều thập kỷ. Điều thú vị hơn nữa là một sinh viên đại học, không có nền tảng về pháp y, có thể sử dụng AI để thách thức thành công niềm tin rộng rãi về toàn bộ lĩnh vực. Chúng ta sắp trải qua sự bùng nổ của khám phá khoa học do AI dẫn đầu, bởi những người không phải là chuyên gia và cộng đồng chuyên gia, bao gồm cả giới học thuật, cần phải sẵn sàng”.