Развитие биометрии

Содержание.

1. ИСТОРИЯ ВОЗНИКНОВЕНИЯ БИОМЕТРИИ.
2. ВОЗНИКНОВЕНИЕ И РАЗВИТИЕ БИОМЕТРИИ
3. БИОМЕТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
4. БИОМЕТРИЯ, ЕЕ ЗНАЧЕНИЕ ДЛЯ БИОЛОГИЧЕСКИХ НАУК
5. ЧТО ПРЕДСТАВЛЯЕТ СОБОЙ БИОМЕТРИЧЕСКИЙ ДОКУМЕНТ?
6. ОСНОВЫ БИОМЕТРИИ.

Литература

1. История возникновения биометрии.

Биометрия — это научная дисциплина, изучающая способы измерения  различных параметров человека с  целью установления сходства или  различия между людьми и выделения  одного конкретного человека из множества  других людей. Слово «биометрия»  переводится с греческого языка  как «измерение жизни». (М. Двоеносова)

Биометрия, или Биологическая статистика — раздел вариационной статистики, с помощью методов которого производят обработку экспериментальных данных и наблюдений, а также планирование количественных экспериментов в биологических исследованиях; а также научная отрасль, связанная с разработкой и использованием статистических методов в научных исследованиях в медицине, здравоохранении и эпидемиологии.

Биометрия сложилась в XIX веке — главным образом благодаря трудам Фрэнсиса Гальтона и Карла Пирсона. В 1920-х — 1930-х годах крупный вклад в развитие биометрии внес Рональд Фишер.

У истоков биометрии стоял Фрэнсис Гальтон (1822—1911). Первоначально Гальтон готовился стать врачом. Однако, обучаясь в Кембриджском университете, он увлекся естествознанием, метеорологией, антропологией, наследственностью и теорией эволюции. В его книге, посвященной природной наследственности, изданной в 1889 году им впервые было введено в употребление слово biometry; в это же время он разработал основы корреляционного анализа. Гальтон заложил основы новой науки и дал ей имя.

Однако  превратил её в стройную научную  дисциплину математик Карл Пирсон (1857—1936). В 1884 году Пирсон получил кафедру прикладной математики в Лондонском университете, а в 1889 году познакомился с Гальтоном и его работами. Большую роль в жизни Пирсона сыграл зоолог Уэлдон^[en]. Помогая ему в анализе реальных зоологических данных, Пирсон ввёл в 1893 г. понятие среднего квадратического отклонения и коэффициента вариации. Пытаясь математически оформить теорию наследственности Гальтона, Пирсон в 1898 г. разработал основы множественной регрессии. В 1903 г. Пирсон разработал основы теории сопряженности признаков, а в 1905 г. опубликовал основы нелинейной корреляции и регрессии.

Следующий этап развития биометрии связан с  именем великого английского статистика Рональда Фишера (1890—1962). Во время обучения в Кембриджском университете Фишер познакомился с трудами Менделя и Пирсона. В 1913—1915 годах Фишер работал статистиком на одном из предприятий, а в 1915—1919 годах преподавал физику и математику в средней школе. С 1919 года Фишер работал статистиком на опытной сельскохозяйственной станции в Ротамстеде, где он проработал до 1933 года. Затем с 1933 года по 1943 год Фишер работал профессором в Лондонском университете, а с 1943 года по 1957 год заведывал кафедрой генетики в Кембридже. За эти годы им были разработаны теория выборочных распределений, методы дисперсионного и дискриминантного анализа, теории планирования экспериментов, метод максимального правдоподобия и многое другое, что составляет основу современной прикладной статистики и математической генетики.

2.ВОЗНИКНОВЕНИЕ И РАЗВИТИЕ БИОМЕТРИИ

Биометрия как наука имеет специализированные направления теоретического и прикладного  характера. В прикладном аспекте  биометрия рассматривается как  метод идентификации человека, основанный на его физиологической или поведенческой  характеристике.

Биометрические технологии идентификации  личности, основанные на распознавании  человека по внешним морфологическим  признакам, имеют глубокие исторические корни. Способность людей узнавать друг друга по внешнему виду, голосу, запаху, походке и т.д. есть не что  иное, как элементарная биометрическая идентификация.

Следующим шагом в развитии биометрии  можно считать дактилоскопию, возраст  которой, по некоторым данным, насчитывает  три тысячи лет.1 О том, что кожный рисунок на подушечках пальцев у каждого человека индивидуален, знали еще в древней Ассирии и Вавилоне. На множестве глиняных клинописных табличек, хранящихся в Британском музее в Лондоне, рядом с именем автора в том месте, где должна быть печать, можно различить серпообразные штрихи, сопровожденные надписью: «отпечаток ногтя пальца вместо печати», или «отпечаток большого пальца», «печать пальца». Из практического опыта очевидно, что трудно получить отпечаток ногтя, не получив в то же время отпечатка пальца. Следовательно, на глиняных ассирийских и вавилонских табличках, отпечаток ногтя сделан одновременно с отпечатком пальца. Линии кожи и их контуры стерлись с течением времени, в то время как более глубокие вдавления ногтя можно различить и сегодня. Таким образом, отпечаток пальца заменял печать, удостоверяя документ. По нему можно было установить личность составителя документа. «Печать пальца» проставлялась на глиняной табличке и в качестве засвидетельствования подлинности документа другим лицом, не являвшимся автором документа. Это должно было защитить документ от подделки. Такая услуга была платной, и на документе делалась запись, сколько денег за нее было заплачено. Отпечатком пальца удостоверялись также молитвенные тексты, которые использовались во время торжественных богослужений. Таким образом, в старом Вавилоне уже знали, что с помощью отпечатка пальца можно идентифицировать личность.

3. БИОМЕТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ

Систематизированный биометрический подход был разработан в конце XIX в. писарем парижской полицейской  префектуры Альфонсом Бертильоном. Предложенный им метод основывался на измерении антропологических параметров человека (рост, длина и объем головы, длина рук, пальцев, стоп и т.п.) с целью идентификации личности. Новый метод произвел революцию в криминалистике и получил название по имени автора — бертильонаж.3

Возобновление научного интереса к  биометрии было вызвано трагическими событиями в США 11 сентября 2001 года, вследствие которых стала очевидной  необходимость точной идентификации  людей в местах их массового скопления. В первую очередь это коснулось  безопасности транспортных систем (аэропортов, вокзалов, морских портов, метрополитена) а также паспортно-визовых, таможенных, миграционных и оперативных служб.

Традиционные технологии идентификации  личности, основанные на проверке удостоверяющих личность документов, уже не отвечали этой задаче. Биометрический метод  идентификации имеет в этом отношении  значительные преимущества. Физиологические  особенности человека: папиллярные  узоры, геометрия ладони или рисунок  радужной оболочки глаза и др. являются не только постоянными, но и практически  неизменными его характеристиками, гарантирующими безошибочную идентификацию.

С развитием компьютерных технологий биометрический метод находит широкое  применение во многих сферах деятельности. Биометрия может служить задачам  удостоверения, идентификации, аутентификации и авторизации личности, поиска людей (преступников, террористов, пропавших  без вести), оплаты покупок и услуг, учета использования рабочего времени  и др.

Активно развивается нормативно-техническая  и правовая база биометрических технологий. При Международной организации  по стандартам (ISO) создан подкомитет SC37 по биометрии, в задачи которого входит оперативная разработка и утверждение  единых международных стандартов использования, обмена и хранения биометрических данных. Аналогичные комитеты созданы во многих национальных органах по стандартам.4 В Федеральном агентстве по техническому регулированию и метрологии России в этих целях создан подкомитет ПК 7. Уже принят ряд международных и отечественных стандартов. Федеральным законодательством регулируется традиционная технология биометрической идентификации — дактилоскопирование5 и порядок работы с персональными данными, в том числе и биометрическими.6

Существующие в настоящее время  технологии биометрической идентификации  делятся на две группы: статические  и динамические. Статические технологии основаны на уникальных физиологических  характеристиках человека. К ним  относятся: распознавание по отпечатку  пальца, по форме ладони, по расположению вен на лицевой стороне ладони, по сетчатке глаза, по радужной оболочке глаза, по форме и термограмме  лица, по ДНК. В основе динамических технологий биометрической идентификации  — поведенческая характеристика человека. К таким технологиям  относится идентификация по рукописному  и клавиатурному почерку и  по голосу.7

При всем многообразии биометрических методов на практике в основном используются три: распознавание по отпечатку  пальца, по изображению лица (двухмерному  или трехмерному — 2D— или 3D-фото) и по радужной оболочке глаза.8 Однако любой из них основан на сопоставлении данных идентифицируемого объекта и биометрического эталона.9 Такое сопоставление невозможно без записи и сохранения биометрической информации, то есть без ее документирования.

Основными инструментами автоматизированного  биометрического метода являются сканер для измерения биометрической характеристики и алгоритм, позволяющий сравнить ее с предварительно зарегистрированной той же характеристикой (так называемым биометрическим шаблоном). Например, при  идентификации личности по отпечатку  пальца стандартная процедура состоит  в том, что отпечаток пальца со сканера сначала преобразуется  в графический файл, а затем  — в некоторый файл специального шаблона, форма которого зависит  от конкретной методики.

При ручном дактилоскопировании отпечаток пальца сразу фиксируется на носителе. Таким образом, в процессе биометрической идентификации личности мы имеем дело с особым способом документирования информации — биометрическим. Изучение способов документирования является одной из задач теории документоведения. Согласно терминологическому стандарту по делопроизводству и архивному делу документирование — это запись информации на различных носителях по установленным правилам. Правила документирования — это требования и нормы, устанавливающие порядок документирования.

4.  БИОМЕТРИЯ, ЕЕ ЗНАЧЕНИЕ ДЛЯ БИОЛОГИЧЕСКИХ НАУК 

Научно-технический прогресс, превращение науки в непосредственную производительную силу общества предъявляют  к подготовке специалистов все более  высокие требования. Современный  биолог, агроном, зоотехник или врач, инженер, учитель или психолог должны не только хорошо знать свою специальность, но и приобщаться к исследовательской работе, вносить посильный вклад в сокровищницу знаний о природе.

Знания о природе приобретаются  путем наблюдения, сравнения и  опыта. Причем под наблюдением в  широком смысле подразумевают процесс  планомерного добывания и накопления фактов, независимо от того, как оно  осуществляется, - в эксперименте или  непосредственным описанием изучаемого предмета. Но факты - это еще не наука. Как груда строительных материалов не являются зданием, так и масса  накопленных фактов не составляет содержание науки. Только сведенные в определенную систему факты приобретают смысл, позволяют извлечь заключенную  в них информацию. Эта работа требует  от исследователя не только профессионального  мастерства, но и умения правильно  планировать эксперименты, анализировать  их результаты, делать из фактов научно обоснованные выводы.

Система таких знаний и  составляет содержание биометрии - науки, призванной играть хотя и вспомогательную, но весьма важную роль в биологических  исследованиях. Термин «биометрия»  ввел в науку Ф. Гальтон (1889), имея в виду новое направление в биологии и антропологии, связанное с применением математических методов в исследовательской работе. Понятие «биометрия» означает измерение биологических объектов, а термин «вариационная статистика» понимают как статистическую обработку результатов измерений.

С формальной точки зрения биометрия представляет собой совокупность математических методов, применяемых  в биологии и заимствованных главным  образом из области математической статистики и теории вероятностей. Наиболее тесно биометрия связана  с математической статистикой, выводами которой она преимущественно  пользуется, но и биометрия влияет на развитие математической статистики. Взаимодействуя между собой, они  взаимно обогащают друг друга. Однако отождествлять биометрию с математической статистикой и теорией вероятностей нельзя.

Биометрия имеет свою специфику, свои отличительные черты и занимает определенное место в системе  биологических наук. Современная  биометрия - это раздел биологии, содержанием  которого является планирование наблюдений и статистическая обработка их результатов; математическая статистика и теория вероятностей - разделы математики, теоретические, фундаментальные науки, рассматривающие массовые явления  безотносительно к специфике  составляющих их элементов. Биометрия - прикладная наука, исследующая конкретные биологические объекты с применением  математических методов, она возникла из потребностей биологии. Каждое направление имеет свои задачи и применительно к ним использует соответствующие математические методы. Характерной особенностью биометрии является то, что ее методы применяют при анализе не отдельных фактов, а их совокупностей, т. е. явлений массового характера, в сфере которых обнаруживаются закономерности, не свойственные единичным наблюдениям.

В настоящее время трудно указать область знания, в которой  не применялись бы математические методы. Даже в такой, казалось бы, очень  далекой от математики области, как  анатомия человека, не обходятся без  применения биометрии. Примером тому может служить работа Е. М. Маргорина, изучавшего возрастную изменчивость органов у человека. Он писал: «В идеале для определения возрастных различий надо было бы изучать один и тот же орган в его индивидуальном развитии, то есть у одного и того же человека... Но практически это ограничено пределами анатомии, изучаемой на живом организме, да и требует много времени для наблюдений. Поэтому к решению вопроса приходится подходить косвенным путем, сравнивая один и тот же орган в разные возрастные периоды у разных лиц. Но тогда на сцену выступает новая закономерность - индивидуальная изменчивость, накладывающая существенный отпечаток на весь ход изучения возрастных различий». В таких случаях достоверные выводы можно получить не на 2-6 наблюдениях, а на гораздо большем их числе; тут без применения биометрии не обойтись.

Биометрия необходима и при  изучении наследуемости и повторяемости  хозяйственно важных признаков, измерения  связей между ними и во многих других случаях. Применение биометрии оказалось  полезным во многих областях прикладной биологии. Так, благодаря биометрическому  анализу массовых антропологических  измерений антропологам удалось  подойти к довольно точному обоснованию  принципов раскроя и стандартизации обуви и одежды, изготовляемой  для массового потребления. Биометрические показатели легли в основу количественной оценки физического развития человека, его спортивных и трудовых достижений. Несомненно, что значение биометрии  для наук, изучающих биологические  объекты, будет возрастать тем более, чем успешнее применяются достижения счетно-вычислительной техники. В биологии с успехом применяют и чисто описательные методы, не требующие количественных оценок получаемых результатов. Но там, где исследования проводят с использованием счета или меры, применение биометрии становится совершенно необходимым.

5. ЧТО ПРЕДСТАВЛЯЕТ СОБОЙ БИОМЕТРИЧЕСКИЙ ДОКУМЕНТ?

Возьмем в качестве примера дактилоскопическую карту. Дактилоскопическая карта содержит биометрическую (дактилоскопическую) и текстовую информацию. Получение  дактилоскопической информации осуществляется путем прокатывания окрашенного  черной типографской краской пальца на отведенном для него месте дактилоскопической карты. Зафиксированная дактилоскопическая информация получает вид отпечатка  пальца. Текстовую информацию содержат реквизиты: фамилия, имя, отчество, гражданство, пол, дата и место рождения, сведения о регистрации по месту жительства (месту пребывания), подпись дактилоскопируемого, наименование органа исполнительной власти, получившего дактилоскопическую информацию, основание и дата проведения государственной дактилоскопической регистрации, подписи лиц, составивших дактилоскопическую карту и проверивших правильность ее составления17.

Таким образом, роль содержательной части  биометрического документа играет биометрическая информация, которая  обрабатывается в качестве единого  целого. Реквизиты, содержащие текстовую  информацию, являются идентифицирующими  метаданными.

Уже сегодня можно констатировать факт разработки и функционирования некоторых видов биометрических документов, как традиционных, так  и электронных. Это — дактилоскопическая карта, биометрический паспорт18, ID-карты, позволяющие создать единую систему доступа граждан к социальному пакету (системы социального обеспечения, медицинского страхования, пенсионные фонды) и др.

В настоящее время технологии биометрической идентификации личности получили распространение  в процессе создания паспортно-визовых  систем, транспортно-пассажирских систем, систем безопасности доступа к секретным  сведениям, вопросах банковской безопасности. По мере расширения сферы применения биометрических технологий и развития их правовой базы будет умножаться и состав биометрических документов. А это дает основание рассматривать  проблему биометрического документирования в числе перспективных направлений  документоведения.

6. Основы биометрии

Современный специалист –  будь то инженер, биолог или врач, зоотехник  или учитель, любой специалист другого  профиля – призван не только хорошо владеть избранной специальностью, но и в меру своих сил и способностей приобщаться к исследовательской  работе, вносить вклад в сокровищу наших знаний о природе.

Факты – это воздух ученого. Без них ваши теории – пустые потуги. Только опираясь на прочный  фундамент фактов, ученый может рассчитывать на успех в работе. Но факты –  это еще не наука. Без систематизации и надлежащей обработки фактических  данных, без глубокого и всестороннего  анализа фактов не удается извлечь  заключенную в них информацию. Это работа требует от исследователя  определенных знаний, умения планировать  исследования и анализировать их результаты, делать из фактов научно обоснованные выводы.

Система таких знаний, опирающаяся  на союз математики и биологии, составляет содержание биометрии. Термин «биометрия»  ввел в науку Ф. Гальтон, имея в виду новое научное направление в биологии, связанное с применением математических методов в исследовательской работе.

Биометрия как самостоятельная  наука возникла в XIX веке. В середине XVII века независимо одна от другой, зародились две ветви точных наук – теория вероятностей и математическая статистика. Дальнейшее развитие биометрия получила главным образом в трудах английских ученых Ф. Гальтон и К. Пирсон, основавших известную школу биометриков и создавших основной математический аппарат этой науки. Английская школа биометриков сложилась в связи с развитием эволюционного учения Ч. Дарвина (внес в биологии учение  о естественном отборе).

Ф. Гальтон впервые применил статистический метод к решению кардинальной проблемы наследственности и изменчивости организмов. Он разработал методику регрессивного и корреляционного анализа, вошедшую в золотой фонд биометрии.

К. Пирсон продолжатель идей и методов исследования Ф. Гальтона. С его именем связано понятия σ, метод Хи-квадрат, развил теорию линейной и нелинейной корреляции.

Изучение биометрического  метода следует начать с выяснения  понятий «генеральная совокупность»  и «выборка». При этом обратите внимание на требования, которым должна удовлетворять  выборка.Необходимо изучить принципы составления выборки, построения и обработки вариационного ряда и способы вычисления основных его показателей (средняя арифметическая, среднее квадратическое отклонение, коэффициент изменчивости, статистические ошибки).

Методы вычисления биометрических параметров, в том числе критерия статистической достоверности разности, коэффициентов корреляции и регрессии, а также критерия c² изложены  в практикуме по генетике (3, с.211-218).

На формирование признаков  животных (в том числе и хозяйственно   полезных) оказывает влияние не только наследственность, но и другие факторы (условия кормления и содержания, возраст, физиологическое содержание, естественный и искусственный отбор). При необходимости определения доли влияния отдельных факторов на изменчивость признака следует обратиться к дисперсионному анализу, основные элементы и ход которого представлены в учебнике (3, с.218-227).

Практические освоение биометрии  осуществляется на  лабораторно-практических занятиях.

Литература

• Глотов Н. В., Животовский Л. А., Хованов Н. В., Хромов-Борисов Н. Н. Биометрия. — Л., 1982.
• Лакин Г. Ф. Биометрия: Учебное пособие для биол. спец. вузов — 4-е изд., перераб. и доп. — М.: Высш. шк., 1990. — 352 с.: ил.
• Плохинский Н. А. Биометрия. — М., 1970.
• Рокицкий П. Ф. Биологическая статистика. — 1967.
• Терентьев П. В. Истоки биометрии. Из истории биологии. — М., 1971
• Лакин Г. Ф. Биометрия. М.: Высшая школа, 1990