Курсы английского языка курсы турецкого языка Курсы китайского языка Курсы французского языкакитайский язык курсытурецкий язык Распознавание человека по радужке
СПб ТЕЛЕКОМ
Корзина  
Сумма: 0.00 руб.
Количество: 0 шт.
e-mail: sales@spbtelecom.ru

ICQ: 436502388
Главная Товары Услуги Как купить Поддержка Карта сайта
СЕРВЕР
ПРОФЕССИОНАЛОВ
В ОБЛАСТИ СВЯЗИ
Имя  Пароль 
Регистрация 
ПОИСК
Распознавание человека по радужке
 
Поддержка / Статьи / Статьи по безопасности / Распознавание человека по радужке

Распознавание человека по радужке


В статье рассматривается 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). Тесты на производительность лучших по состоянию на март 2001 г. систем биометрической верификации показали, что вероятность ложного допуска системы распознавания по радужке менее 0,001% (фактически система не совершила ни одной ошибки ложного узнавания при более чем 2 млн элементарных сравнений эталонов). Вероятность ложного недопуска при этом составила около 2%. Для всех прочих биометрических систем такая вероятность ложного допуска достигается лишь при неприемлемых значениях недопуска в десятки процентов.

Причина столь высоких характеристик систем распознавания радужки состоит в том, что структура радужки - устойчивый, хорошо выраженный и высокоинформативный биометрический признак.

Радужка как объект распознавания

Радужка расположена на передней части склеры, имеет кольцевую форму и размеры в среднем по горизонтали А ? 12,5 мм и по вертикали В ? 12,0 мм (рис. 1). Внешний контур радужки, ее граница со склерой - почти 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.



Рисунок 1 - Типичный вид радужки

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. 2). 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.


Рисунок 2 - Примеры некруглых зрачков

Рисунок радужки обусловлен радиально расположенными нитями - трабекулами, переплетенными между собой соединительно-тканными перекладинами, идущими в разных направлениях, и уникален для каждого человека. Рисунок радужки у большинства людей малоконтрастен (диапазон яркостей точек изображения радужки много меньше диапазона яркостей изображения глаза, включающего темный зрачок и светлую склеру). Кроме того, некоторые типы радужки имеют очень тонкую текстуру (на них нет крупных ярких или темных элементов).

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 почти 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 свет700-900 нм (ближний ИК). Однако 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 многих 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 еще в 1958 году. В1994 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. Таким образом, 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 радужки можно подразделить на изменения размера зрачка, изменения формы и окраски элементов и изменения формы зрачка. Под воздействием изменений освещенности, при перемещении фокуса внимания и в зависимости от физического и психического состояния зрачок живого глаза постоянно меняет свой размер. Зрачок также совершает апериодические самопроизвольные движения (гиппус). В результате этих движений зрачка изменяется размер радужки и соответственно деформируется ее рисунок. Толщина радужки минимальна вокруг зрачка и возрастает при удалении от него (рис. 3). При изменении размеров зрачка участки радужки деформируются тем сильнее, чем ближе они к зрачку.



Рисунок 3 - Модель радужки

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). Однако 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. 3, можно с большей точностью предсказать, куда сдвинется и какую форму примет данный элемент радужки при том или ином изменении размера зрачка. Однако 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, а также 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.

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 1000x800 пикселей глаз пользователя должен попасть в зону 9x7 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 BM-ЕТ500) 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.

Пользователь устанавливается в положение для регистрации при помощи:

  • зеркала, в котором нужно увидеть отражение глаза. Это зеркало можно сделать полупрозрачным и расположить за ним камеру (LG Iris-Access 3000). Таким образом, когда человек видит отражение глаза в этом небольшом зеркальце, радужка с высокой точностью устанавливается в поле зрения камеры;
  • фиксатора взгляда - элемента, видимого только при определенном положении глаза (Panasonic BM-ET100);
  • команд голосом или индикацией (Panasonic ВМ-ЕТЗОО). Для того чтобы выдавать указания пользователю, система должна оценивать его относительное положение. Регистрирующие радужку камеры имеют очень узкое поле зрения, поэтому необходимо использовать дополнительные сенсоры. Это могут быть датчик присутствия (proximity sensor), который способен грубо оценивать расстояние, или подсистема распознавания лица, детектирующая присутствие человека и определяющая положения его глаз. В этом случае появляется возможность дополнить систему распознаванием по лицу. Изображения лиц, позиционированных и подсвеченных так, чтобы удовлетворить условиям регистрации радужки, нормализованы столь же жестко, как и фотографии на документы. Подсистема распознавания лица, настроенная и обученная на изображениях такого типа, способна внести существенный вклад в общую производительность системы.

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), то есть 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.

Таким образом, 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. Таким образом, 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 соответавующее 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:

  • предъявление фотографии (фотографий) глаза;
  • предъявление модели глаза;
  • предъявление вырезанного глаза.

Предложены следующие способы борьбы с подделками:

  • изучение спектра отражения глаза. Спектр отражения живой влажной роговицы отличается от такового у мертвой пересохшей, стекла или пластика модели. Однако такой метод защиты возможно обойти, смачивая мертвый глаз или покрыв модель споем влажной белковой эмульсии (раствором желатина);
  • исследование гиппуса/нистагма. Непроизвольные движения зрачка и глаза – хорошее доказательство его живости, но есть люди, у которых эти движения выражены очень слабо или происходят редко (раз в несколько минут);
  • мигание случайно выбранных светодиодов осветителя в случайно выбранные моменты времени и проверка отражения осветителя на соответствующих кадрах видеопоследовательности;
  • изучение реакции зрачка на световой стимул, поданный в случайный момент времени.

Последний метод наиболее интересен, поскольку, кроме установления подлинности и живости предъявленного глаза, он позволяет получить запись реакции зрачка, пупилограмму (рис. 4). 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.



Ось R — относительный размер зрачка, ось t — время, 1 — амплитуда, 2 — латентный период, 3 — фаза сокращения, 4 — фаза восстановления

Рисунок 4 - Пример пупилограммы

Алгоритмическая реализация

Все существующие в настоящее время методы автоматического распознавания радужки глаза по ее изображениям реализуют следующую схему:

  • выделение области интереса (радужки) на изображении,
  • нормирование размеров изображения радужки,
  • преобразование в полярную систему координат (иногда неявное),
  • вычисление признаков и формирование из них эталона радужки,
  • сравнение двух наборов признаков.

Выделение радужки на изображении не относится к специфичным алгоритмам распознавания. По сути, это поиск на изображении относительно темного объекта, близкого по форме к кругу, содержащего внутри себя концентрический еще более темный объект (зрачок). В большинстве систем добавляется еще одно условие: внутри зрачка должен находиться яркий блик определенной формы (блик от осветителя). Данная задача может быть решена многими способами, например 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.

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.

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 очень сложное и лишь приближенно может быть описано моделью, показанной на рис. 3.

Преобразование в полярную систему координат имеет смысл, поскольку радужка является почти 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:

  • характеристики, как то: наличие/отсутствие, размер, тип, взаимное положение/ориентация определенных деталей изображения. Например, межглазное расстояние, форма века, отношение ширины носа и рта и т.п.;
  • параметры - значения детерминированных функций, вычисленных на изображении, например корреляция области изображения с шаблоном.

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.

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 сегодня биометрических технологий распознавание по радужке обладает наивысшей надежностью. Применение ограничивается тем, что пользователь должен явно и осознанно сотрудничать с системой, а также 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.