Вы находитесь в разделе Типовых решений систем безопасности
Распознавание человека по радужкеВ аналитической статье анализируется проблема распознавания человека по изображениям радужной оболочки глаза (радужки). Описана базовая методика распознавания, перечислены проблемы реализации, специфические для данной технологии Одним из самых популярных и, наверное, самым надежным биометрическим признаком для автоматического распознавания личности в настоящее время является радужная оболочка глаза (радужка). На рис. 1 приведены графики зависимости вероятности ложного недопуска (FRR) от вероятности ложного допуска (FAR) для различных биометрических систем, полученные в ходе тестов, исследовавших производительность лучших на тот момент (март 2001 г.) систем биометрической верификации.
Причина столь высоких характеристик систем распознавания радужки состоит в том, что структура радужки - устойчивый, хорошо выраженный и высокоинформативный биометрический признак. Радужка как объект распознавания
Внешний контур радужки, ее граница со склерой - фактически идеальный эллипс и может быть приближенно представлена окружностью (как это и делается в современных системах). Внешний контур радужки постоянен и практически одинаков для всех людей. Внутренняя граница радужки задается зрачком. У нормального здорового человека зрачок круглый, а его центр несколько смещен относительно центра радужки по направлению к кончику носа. Достаточно часто встречаются незначительные децентрации и отклонения формы зрачка от круговой (рис. 3). Децентрации и отличие от круговой формы определяются патологиями. Асимметрия зрачка также нарастает с возрастом. Вариации положения центра и отношения радиуса зрачка в заданном направлении к среднему могут достигать 20% для одного человека. Поэтому учет формы и расположения зрачка - одна из важнейших проблем.
Это выдвигает высокие требования к камере, объективу и системе позиционирования. В зависимости от длины волны света, в котором регистрируется радужка, на ней проявляются различные детали, причем их выраженность зависит от типа глаз. Например, большинство светлых глаз дает наиболее четкий рисунок в видимом свете. При переходе в ИК этот рисунок постепенно размывается и фактически исчезает на длинах волн, больших 900 нм. Напротив, структуры темных глаз, характерных для жителей Юго-Восточной Азии, практически незаметны в видимом свете, но четко проявляются в инфракрасном диапазоне. Поэтому до сих пор остается невыясненным вопрос о том, какая длина волны оптимальна. Стандартами рекомендован свет 700-900 нм (ближний ИК). но это достаточно широкий диапазон, в котором возможно сильное изменение регистрируемой картины, поэтому в стандарте предписано указывать точные характеристики осветителей.
Формирование структур радужки в основном заканчивается на восьмом месяце внутриутробного развития и за дальнейшую жизнь практически не претерпевает изменений, за исключением вызванных травмами или резкой патологией глаза. Изменение цвета радужки (насыщение пигментом) продолжается в первые несколько лет жизни, что, впрочем, не затрагивает форму ее элементов. В старости наблюдается некоторая депигментация радужки. В целом на протяжении большого периода жизни форма элементов радужки остается постоянной (устойчивость). Поскольку радужка является практически плоским объектом простой формы и неизменных размеров, вариации ее изображения, создаваемые изменением условий регистрации, малы (относительно других биометрических данных) и легко могут быть скомпенсированы, позволяя отделить информацию, действительно относящуюся к индивидуальности данной радужки от случайных искажений при наблюдении (выраженность). Радужка имеет сложный рисунок, состоящий из множественных деталей. Поэтому из изображения радужки можно получить большое количество параметров (высокая информативность). Информационная емкость изображения радужки радиусом 200 пикселей составляет не менее 244 бит. Эти свойства радужной оболочки привели к тому, что на нее обратили пристальное внимание как на объект автоматического биометрического распознавания. Несмотря на то что эти исследования проводятся сравнительно недавно, уже разработаны надежные и устойчивые методы, равно как и программно-аппаратные комплексы автоматического распознавания. Идея биометрического распознавания по радужке появилась в связи с развитием фототехники и электроники. Ян Флеминг высказал ее в одном из своих произведений о Джеймсе Бонде так же в 1958 году. В 1994 году фирма "Иридиан" зарегистрировала патент на этот метод распознавания. С появлением вычислительных средств, способных обрабатывать изображения или хотя бы оценивать их качество за приемлемое время (со скоростью несколько кадров в секунду), начинают развиваться коммерческие проекты. До сих пор большинство производителей используют технологии "Иридиан" и лицензируют у них свои разработки. Вариации изображений радужки В распознавании радужки, как и в любой проблеме распознавания, основная трудность состоит в получении параметров объекта уникальных в классе ему подобных и инвариантных относительно условий регистрации и изменчивости самого объекта. параметры рисунка радужки необходимо извлечь из ее изображения, отсеяв вариации двух классов: вариации самой радужки и изменения условий съемки.
1. Изменения радужки как таковой.
Изменения формы и окраски элементов радужки возникают как следствие изменения состояния организма. Эта зависимость является предметом иридологии - одного из разделов диагностической медицины. Согласно исследованиям иридологов, форма и особенно окраска некоторых элементов радужки может изменяться достаточно быстро (в течение нескольких дней). но количество элементов радужки столь велико, что при сравнении двух эталонов достаточно совпадения лишь 30% параметров, чтобы считать с вероятностью ошибки не более 10-6 что эталоны принадлежат одному человеку. Особо стоит выделить изменения радужки, вызванные изменением формы зрачка. При сокращении/расширении зрачка радужка деформируется хоть и нелинейно, но радиально-симметрично. Поэтому, используя модель радужки, например, в виде, изображенном на рис. 4, можно с большей точностью предсказать, куда сдвинется и какую форму примет данный элемент радужки при том или ином изменении размера зрачка. но при изменении формы зрачка растяжение различно вдоль разных радиусов. Поэтому система, претендующая на высокую надежность, должна, скорее всего, запоминать форму зрачка и учитывать ее изменения при регистрации или нормировать картину радужки к круглому зрачку, используя радиально-асимметричное преобразование. 2. Специфичные условия съемки. 2.1. Расположение источников света, и предметов окружающей обстановки: роговица глаза отражает окружающие предметы, и отражения, особенно блики, перекрывают картину радужки, создавая сильные вариации яркости изображения. Поэтому представляется невозможным не использовать собственную подсветку. В этом состоит принципиальное отличие от систем распознавания по лицу. Для лица посторонняя засветка также является большой проблемой, тем не менее на изображении лица, освещенного посторонними, случайно расположенными источниками, можно извлечь инвариантные признаки, как то: размеры и форму элементов лица, его рельеф и т.п., а для радужки это невозможно. Подсветка должна давать в области регистрации радужек освещенность в несколько раз превышающую ту, что создается посторонними источниками. Видимый свет с такой интенсивностью вызывает большое неудобство. Поэтому во всех современных системах используется инфракрасная подсветка. Возможный вариант - вспышка, как в фотоаппарате.
Пользователь устанавливается в положение для регистрации при помощи:
2.3. Угловая ориентация относительно камер: поскольку клиент системы распознавания по радужке сотрудничает с ней (иначе трудно себе представить такую систему при нынешнем уровне развития технологии), значит прилагает осознанные усилия к тому, чтобы зарегистрироваться, его можно инструктировать смотреть прямо в камеру или на фиксатор взгляда, расположенный в непосредственной близости от нее так, чтобы радужка была видна в наилучшем ракурсе. Исключения составляют случаи сильного нистагма или косоглазия. К сожалению, статистики по этим относительно редким явлениям и их влиянию на работу систем распознавания в открытом доступе нет. из трех угловых степеней свободы радужки трудность представляет одна: ее поворот относительно оси - луча зрения камеры. Точное определение угла этого поворота и, следовательно, нормировка возможны для бинокулярных систем или монокулярных со вспомогательной камерой, снимающей лицо в целях позиционирования. В монокулярной системе возможна угловая нормировка по положению слезного мешка глаза, но методы поиска слезного мешка на изображении ненадежны, а определяемый угол обладает погрешностью в несколько градусов. в монокулярной системе при сравнении изображений радужек требуется сопоставлять эталон нескольким изображениям, повернутым на различные углы в пределах возможных изменений наклона головы пользователя. Это в соответствующее число раз увеличивает время, затраченное на сравнение, и вероятность ложного распознавания. Борьба с подделками Как и во всех системах распознавания, актуальным является пресечение попыток подделки биометрического признака. Возможно представить себе такие способы подделок, как:
Предложены следующие способы борьбы с подделками:
Алгоритмическая реализация Все существующие в настоящее время методы автоматического распознавания радужки глаза по ее изображениям реализуют следующую схему:
Выделение радужки на изображении не относится к специфичным алгоритмам распознавания. По сути, это интенсивный поиск на изображении относительно темного объекта, близкого по форме к кругу, содержащего внутри себя концентрический так же более темный объект (зрачок). В большинстве систем добавляется так же одно условие: внутри зрачка должен находиться яркий блик определенной формы (блик от осветителя). Данная задача может быть решена многими способами, например интенсивный поиск концентрических окружностей посредством преобразования Хафа или использования коррелятора для поиска блика заданной формы с последующим обнаружением контуров содержащего этот блик зрачка и далее концентрической зрачку радужки. Специфичным является наличие век, в большинстве случаев закрывающих верхнюю и нижнюю части радужки. Некоторые системы выделяют веки явным образом и отбрасывают ложные данные с закрытых участков. С другой стороны, можно не выделять веки как таковые, а выявлять закрытые части по большому различию при сравнении нескольких последовательных снимков. Отбраковка участков, закрытых ресницами, возможна лишь при анализе серии кадров, поскольку текстура изображения, создаваемая ресницами, может быть практически неотличимой от собственной текстуры радужки.
Предполагается два способа преодоления этой трудности. Система может приводить радужку к размеру, который та имела при регистрации, посредством манипуляций с освещением и сравнивать изображения радужек со зрачком одного размера. Это, однако, возможно лишь при сценарии верификации - сравнении с единственным эталоном. Добиться же того, чтобы зрачки всех людей принимали некоторый заданный размер, один для всех, не представляется возможным. Кроме того, такой способ требует подсветки видимым светом и, следовательно, неудобен для клиента. Второй путь - использование модели радужки. Перемещение элементов радужки при изменении радиуса зрачка весьма сложное и лишь приближенно может быть описано моделью, показанной на рис. 3. Преобразование в полярную систему координат имеет смысл, поскольку радужка является фактически идеально круглым объектом, с хорошо выраженной радиальной структурой трабекул и преимущественно перпендикулярными им соединительными перекладинами. Преобразование системы координат может быть проделано явно или неявно, путем вычисления дифференциальных признаков вдоль концентрических окружностей. Биометрические признаки с точки зрения способа выделения и распознавания могут быть грубо разделены на две группы:
Для радужки в общем случае представляется невозможным использовать первый тип признаков, поскольку элементы изображения радужки у разных людей различны, более того, на некоторых радужках трудно однозначно автоматически выделить характерные элементы. Преобразование, используемое для получения признаков, должно быть инвариантным к изменению яркости и контрастности изображения, тренду яркости, Гауссову шуму. В современных системах используются градиентные или спектральные признаки: знак свертки с вейвлетом Габора, коэффициенты преобразования Хаара. (e) Метод сравнения наборов признаков должен быть устойчив к тому, что часть признаков может быть недоступна (алгоритмы отбраковки век, ресниц, бликов сообщили, что соответствующие участки радужки закрыты) или, что хуже, искажена (алгоритмы отбраковки ошиблись и не исключили закрытый участок, и его данные считаются доброкачественными). Система распознавания по радужке компенсирует это большим резервом информативности - признаков в незакрытых частях. В заключение... Из доступных на данный момент биометрических технологий распознавание по радужке обладает наивысшей надежностью. Применение ограничивается тем, что пользователь должен явно и осознанно сотрудничать с системой, и относительно высокой ценой оборудования. Все системы распознавания радужки используют подсветку, причем в инфракрасном диапазоне, чтобы не создавать неудобство клиенту. При решении вопроса позиционирования возникает связка с системами слежения за лицом. Использование дополнительной подсистемы распознавания по лицу способно значительно расширить возможности системы. При использовании зрачковой реакции для подтверждения живости глаза (борьба с подделками) возможно проведение дополнительного исследования текущего физического и эмоционального состояния человека. Одна из основных проблем метода - компенсация изменений размера, формы и положения зрачка. В системах, использующих аппроксимацию зрачка окружностью, возможно "старение" эталона за счет деформации зрачка не только с возрастом, но и из-за перенесенных травм или заболеваний. Читайте далее:  Биометрические системы Корпоративный гараж Digital Duplex DD-215 Оборудование АСI Farfisa. Многоквартирные домофоны и видеодомофоны (продолжение) Ручные металлодетекторы. Досмотр – дело деликатное АТС + СКУД = экономия Офисная АТС с интегрированной СКУД: инструмент сокращения расходов для малого Ключ без права передачи Лабораторные испытания [1] Домофон Simplebus 2 итальянской компании Comelit Система контроля и управления доступом "Мегапорт" Современные технологии радиочастотной идентификации. Часть 3 Надежность и безопасность в СКУД Да не оСКУДеет рука маркетолога Оценка и обеспечение эфф. функционирования биометрического контроля в СКУД. Продолжение темы Особенности взаимодействия оператора с информационно-управленческим каналом СКУД Удостоверению личности
|
2.2. Пространственное положение относительно камеры: радужка - объект небольшого размера, и для получения ее изображения приемлемого качества (в фокусе и достаточного разрешения) требуется весьма точное позиционирование глаз (головы) пользователя. Например, даже при получении изображения радужки с диаметром 100 пикселей, определяемого стандартом как низкокачественное, на камере с разрешением 1000х800 пикселей глаз пользователя должен попасть в зону 9х7 сантиметров. Кроме того, требуется подсветить зону регистрации, а при слишком больших ее размерах это может оказаться непросто. Возможно активное слежение и наведение на радужку (как в Panasonic BMET500) при помощи вращающегося зеркальца и объектива с переменным фокусным расстоянием. Но такая система сложнее и дороже. Поэтому большинство разработчиков предпочло оснастить свои системы неподвижными камерами (некоторые - с объективами переменного фокуса) и предоставить пользователю право позиционироваться в пространстве самому.
Последний метод наиболее интересен, поскольку, кроме установления подлинности и живости предъявленного глаза, он позволяет получить запись реакции зрачка, пупилограмму (рис. 5). По пупилограмме можно определить состояние человека, его активность, уровень истощения, стресса. Эти дополнительные данные нужны в системах, установленных на проходных важных производственных и военных объектов, работники которых могут быть допущены к труду лишь в хорошем физическом и психическом состоянии. Недостаток этого метода в том, что для регистрации пупилограммы требуется около 0,5 с непрерывной съемки глаза для подтверждения живости и не менее 2 с для определения состояния человека.
Нормирование размеров изображения радужки необходимо по двум причинам: различие масштабов снимков и изменение относительного размера и формы зрачка. Нормирование к единому масштабу производится исходя из полученного на предыдущем этапе эллипса, приближающего внешний контур радужки. Задача решается аффинным преобразованием этого эллипса к некоторой заданной окружности. Значительно сложнее устранить вариации, вызванные изменением размеров и формы зрачка. Это является одним из основных препятствий к повышению точности систем распознавания по радужке.