Полная версия

Главная arrow Информатика arrow Биометрические технологии идентификации личности

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

Контроль доступа по радужке

Идею идентификации личности по радужной оболочке глаза (радужке) предложил в 1936 г. Фрэнк Бёрч (Frank Birch), офтальмолог из Сент-Пола (штат Миннесота, США), указавший на то, что бороздки, рубчики, колечки и точечки радужной оболочки у каждого человека формируют уникальный рисунок. В 1987 г. офтальмологи Леонард Флом (Leonard Flom) и Аран Са- фир (Aran Safir) на основе исследования глаза человека сделали вывод о возможности использования текстуры радужки для задач идентификации личности. Для разработки методов реализации этой идеи они привлекли к сотрудничеству Джона Даугмана (John Daugman) - специалиста в области компьютерных технологий из Кэмбриджа. В 1992 г. Даугман опубликовал свои первые результаты по этой теме, а в 1994 г. на основе его исследований фирма Indian зарегистрировала свой первый патент на метод идентификации по радужке. С этого момента фирма Iridian стала ведущим и крупнейшим производителем систем биометрической идентификации по радужке.

Цветная часть глаза, ограниченная зрачком и склерой, называется радужной оболочкой или радужкой (рис. 2.30).

Радужная оболочка глаза

Рис. 2.30. Радужная оболочка глаза

Радужка имеет очень богатую текстуру, которая формируется в первые полтора года жизни, обладает чрезвычайно высокой индивидуально-

Кухарев Г.А. Биометрические системы: Методы и средства идентификации личности человека. СПб.: Политехника, 2001. 240 с.

стью и остается практически неизменной в течение всей жизни человека. Изменения могут проявляться в цветовых оттенках, появлении пигментных пятен, линий, кругов, изменений обвода оболочки, деформации зрачка и т. п. Эти особенности используются в иридодиагностике заболеваний и предрасположенности к ним. Для ослабления влияния состояния здоровья на результаты идентификации личности по радужке в технических системах используется исключительно черно-белые полутоновые изображения, но высокого разрешения, на которых пигментные изменения менее заметны.

Текстура радужки обусловлена фенотипом личности, поэтому она различна даже у близнецов. Радужки левого и правого глаз человека существенно различаются, что позволяет существенно повысить достоверность идентификации при использовании обоих глаз. Очки и контактные линзы не влияют на процесс получения изображения. Произведенные операции на глазах, такие как удаление катаракты или вживление имплантатов роговицы, также не изменяют характеристик радужной оболочки. Ее невозможно как-то изменить или модифицировать. По радужной оболочке глаза может быть идентифицирован также и слепой человек.

Разработка устройства для считывания радужной оболочки является технически сложной проблемой. Оно должно считывать радужку независимо от условий освещения, зеркального отражения на глазных яблоках, очках и контактных линзах. Система идентификации сначала должна найти лицо человека на изображении, например, с помощью стереотехники. Затем получают изображение радужной оболочки высокого качества, например, при помощи поворотной камеры с увеличительным объективом. Большинство современных промышленных систем требуют, чтобы глаза человека находились внутри области наблюдения одной узкоугольной камеры. Образцы сканеров радужки показаны на рис. 2.31.

Используются два основных подхода к получению образов радужки:

  • • выделение изображения радужки из изображения глаза;
  • • получение матрицы штрих-кодов на основе изображения радужки.

При использовании любого подхода первым шагом является локализация радужной оболочки на полученном изображении. Обычно для этого вычисляется центр зрачка, являющийся и центром радужки. Это делается через пирамиду изображений разного размера, пока расчеты не сойдутся на одном пикселе (рис. 2.32).

2. Биометрический контроль доступа по статическим...

Образцы сканеров радужки

Рис. 2.31. Образцы сканеров радужки

Вычисление центра зрачка и радужки

Рис. 2.32. Вычисление центра зрачка и радужки

После этого в первом подходе относительно центра определяются два радиуса: радиус зрачка и радиус внешнего края радужки (границы определяются пороговой обработкой). Полученные границы реального зрачка и радужки не являются круглыми и становятся таковыми только после дополнительной обработки. Далее выполняется увеличение четкости образа радужки (рис. 2.33).

В эталоне полученное изображение радужки кодируется двояко:

  • - в виде концентрических колец области радужки, представленной в полярной системе координат;
  • - в виде прямоугольника, получаемого преобразованием полярной системы координат в декартову.
Определение радиусов зрачка и внешнего края радужки и увеличение чёткости изображения

Рис. 2.33. Определение радиусов зрачка и внешнего края радужки и увеличение чёткости изображения

В последнем случае обработка осуществляется в пять этапов (рис. 2.34):

  • - определение местоположения, центра и контуров зрачка;
  • - определение радиусов зрачка и внешнего края радужки;
  • - формирование координат полярной системы;
  • - преобразование каждого пикселя из декартовой системы в полярную. На этом этапе может потребоваться интерполяция изображения, так как целочисленные декартовы координаты не всегда соответствуют целочисленным полярным;
  • - получение прямоугольного фрагмента текстуры радужки.
Последовательность преобразования изображения радужки из полярной

Рис. 2.34. Последовательность преобразования изображения радужки из полярной

системы координат в декартову

Для нормализации полученного изображения применяют фильтрацию гауссовым фильтром для устранения высокочастотного шума или медианную фильтрацию. Помимо этого часто производят отбрасывание малозначащих частей изображения. Это могут быть верхняя и нижняя строки прямоугольного изображения (по нескольку пикселей), а также бликовые области, искажающие рисунок радужки.

После проведенной предобработки формируется машинная репрезентация (код) изображения.

Классическим способом формирования кода, предложенным Даугма- ном, является пространственно-частотная свертка изображения фильтрами Габора (Gabor's filters). Каждый бит кода определяется знаком результата воздействия двухмерного фильтра Габора на некоторую небольшую окрестность текстуры радужки. При идентификации сравнение кодов радужки осуществляется по расстоянию Хэмминга (количество отличающихся бит кода). Развитием этого направления является применение специальных симметричных функций Circular symmetric filter.

Другой модификацией кода на основе фильтров Габора является составление кода на основе среднего абсолютного отклонения (average absolute deviation, AAD) отфильтрованного изображения от оригинального. В этом случае для сравнения кодов используется Евклидово расстояние между соответствующими векторами.

Существуют и другие способы получения кода изображения:

  • • Применение к изображению многомерного преобразования Гилбер- та. Сравнение кодов осуществляется также по расстоянию Хэмминга.
  • •Декомпозиция изображения на основе Лапласиан гауссовых фильтров, результатом которой является многомасштабная пирамида изображений, подвергнутых действию гауссовых фильтров, представляющая пространственные характеристики радужки. Для сравнения используется нормализованная корреляция двух изображений.
  • •Представление изображения радужки одномерной функцией с последующим ее вейвлет-преобразованием и др.

Во втором подходе (получение матрицы штрих-кодов на основе изображения радужки) изображение глаза сначала выделяется из изображения лица. Затем на радужку накладывается специальная маска штрих-кодов. Результатом является матрица, полученная путём логического умножения маски на радужку. Образ-эталон получается размером 512 байт (рис. 2.35).

Получение эталона радужки путем наложения маски штрих-кодов

Рис. 2.35. Получение эталона радужки путем наложения маски штрих-кодов

При сравнении штрих-кодов мэтчер вычисляет нормализованное расстояние Хэмминга, подсчитывая разницу в битах между двумя образцами радужки. Нормирующий множитель использует маску, чтобы пропускать области, где изображение сильно зашумлено. Так как расстояние Хэмминга может быть вычислено очень быстро, один и тот же алгоритм можно применять как для верификации, так и для идентификации.

Технология сканирования (точнее, фотографирования) радужки основана на принципах, предложенных Даугманом. Для распознавания используются изображения, полученные в ближнем ИК-диапазоне с активной подсветкой. Выбор диапазона обусловлен физическими свойствами радужной оболочки глаза. Процедура сканирования является полностью бесконтактной. Видеокамера автоматически захватывает изображение глаза на расстоянии 20-30 см и осуществляет автоматическое выделение зрачка и радужной оболочки. Объем информации, необходимой для регистрации одного человека, составляет 256-512 байт. Поиск и сравнение снимка радужки с данными, хранящимися в ББД, занимают около 2 с.

Подобные системы смогут идентифицировать человека, если он будет в очках или с контактными линзами. Надежность и без того точной биометрической системы, построенной на основе сканирования радужной оболочки глаза, еще более возрастает при получении изображений радужки с обоих глаз человека.

Равная вероятность ошибок первого и второго рода (EER) для этих си- стем составляет 10’ . Причем в них не наблюдается обратной зависимости между ошибками 1-го и 2-го рода, что свойственно большинству других биометрических идентификаторов.

Основным недостатком БСКД по радужке является высокая стоимость, обусловленная необходимостью применения дорогих видеокамер высокого разрешения. Причем ожидать падения стоимости систем этого класса не приходится, так как основные патенты этой технологии идентификации находятся в руках одной фирмы Iridian Technologies Inc. Системы этого класса выпускают более 20 компаний. Однако Iridian является ведущим и крупнейшим производителем в данной области, и практически все разработки других компаний в данной области базируются на ее решениях.

В настоящее время существует еще очень мало действующих баз данных радужных оболочек, так как на данный момент нет инфраструктуры, необходимой для создания систем аутентификации по радужной оболочке.

Процедура прохождения контроля как при регистрации, так и идентификации, у большинства пользователей не вызывает отрицательных эмоций из-за ее неконтактности.

На основе технологии радужной оболочки выпускаются БСКД как к помещениям и объектам, так и компьютерам, но преимущественно для контроля доступа на особо важные объекты и территории. В частности, БСКД по радужке уже несколько лет успешно применяются в государственных организациях США, тюрьмах, учреждениях с высокой степенью секретности (в частности, на заводах по производству ядерного вооружения). Наибольший рост инсталляций этой технологии наблюдается сейчас в аэропортах Англии, Голландии, Германии.

Атаки на БСКД по радужке. Проблемой БСКД по радужке является возможность применения подделок. Самым простым способом является предъявление камере фотографии глаза. Кроме того, современные технологии позволяют создавать достаточно точные муляжи этого органа (рис. 2.36.). Для этого необходимы только цифровая фотография лица жертвы и некоторое специфическое оборудование.

На сегодняшний день разработано несколько различных способов защиты БСКД по радужке от подделок. Самым простым из них является регистрация непроизвольных движений глаза и зрачка. Их наличие свидетельствует о том, что сканеру представлен живой человеческий орган. К сожалению, у некоторых людей непроизвольные движения глаза происходят довольно редко. Известны случаи, когда они совершались всего один раз в течение несколько минут. Естественно, продлить процедуру идентификации на такое продолжительное время не представляется возможным.

Создание муляжей радужной оболочки глаз

Рис. 2.36. Создание муляжей радужной оболочки глаз

Другим более распространенным способом защиты стала проверка спектра отражения поверхности живого глаза. Значение этого параметра у всегда влажной роговицы значительно отличается от величины той же характеристики мертвого органа или любого искусственного материала (стекло, силикон, пластик и т. д.). К сожалению, этот удобный во всех отношениях метод тоже уязвим. Злоумышленник может обмакнуть муляж в жидкость или покрыть ее тонким слоем раствора желатина. Пока нет достоверных сведений о таких атаках, тем не менее, они вполне вероятны. Для предотвращения этой атаки в современных сканерах спектр отражения вычисляется несколько раз. Причем этот процесс происходит в случайно выбранные моменты времени, с разной силой и направлением подсветки. Затем полученные результаты сравниваются с расчетными. Обмануть такую систему гораздо сложнее.

Особый интерес у разработчиков БСКД по радужке вызвала новая технология, использующаяся в медицине. Речь идет о так называемой пупилографии. Суть ее заключается в следующем. Человек смотрит в специальный прибор, который направляет в его глаз короткий световой импульс. При этом зрачок реагирует на излучение: вначале он резко сокращается, а потом постепенно возвращается в исходное состояние. Г рафик этого процесса называется пупилограммой (рис. 2.37).

Пупилограмма

Рис. 2.37. Пупилограмма

По пупилограме врач может определить психофизическое состояние человека (активность, сонливость, наличие серьезного стресса и т. и.). Именно это и привлекло внимание специалистов по БСКД. Во-первых, пупилография позволяет создать надежную защиту БСКД по радужке от подделок, поскольку сокращаться может только живой зрачок. Во-вторых, при контроле доступа попутно можно определять психофизическое состояние человека. А это можно использовать во многих областях. Например, при допуске к полетам пилотов пассажирских лайнеров, при допуске к дежурству диспетчеров воздушного и железнодорожного транспорта, операторов атомных электростанций и других объектов, которые характеризуются высокой ценой ошибки человеческого фактора.

Серьезный недостаток пупилографии - неприятные ощущения у человека во время подачи светового импульса и относительно высокое время, необходимое для идентификации (до нескольких секунд на одного пользователя).

На мировом биометрическом рынке сектор систем идентификации личности по сетчатке и радужке в совокупности составляет около 5 %.

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>