Идентификация личности по радужной оболочке глаза

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное  учреждение

высшего профессионального  образования

«АЛТАЙСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

 

ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ  ФАКУЛЬТЕТ

 

Кафедра прикладной физики, электроники и информационной безопасности

Идентификация личности по радужной оболочке глаза. 
Предобработка изображения. (курсовая работа)

 

                             

 

 

 

 

 

                                                                                               Выполнил студент:

                                                                                               3 курса 583 группы

                                                                                                _______________ ГОЛОВИН.С.В.

 

 

                                                                                               Научный руководитель,

                                                                                               проф.

                                                                                                _______________ Минакова Н.Н.

 

Заведующий  кафедрой

 д.ф.-м.н., проф.                                                                   Курсовая работа защищена

 _______________ Поляков В.В.                                   «____»____________ 2011 г.

 «____»____________ 2011 г.                                            Оценка _________________

 

 

                                                               Барнаул - 2011

 

Оглавление

1 ПЕРЕЧЕНЬ ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ТЕРМИНОВ И СОКРАЩЕНИЙ 3

2 ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ 3

3 ВВЕДЕНИЕ 3

3.1 НЕДОСТАТКИ 5

4 РАДУЖНАЯ ОБОЛОЧКА ЧЕЛОВЕКА 7

5 КЛАССИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ 10

5.1 Daugman 10

5.2 Wildes[4] 10

5.3 Boles 10

5.4 Noh[10] 10

6 ПРЕДОБРАБОТКА ИЗОБРАЖЕНИЯ ЭКСПЕРЕМЕНТЫ С МЕНЕЕ И БОЛЕЕ КОНТРАСТНЫМИ СНИМКАМИМ ГЛАЗА. 10

6.1 Выводы. 14

7 МОДЕЛЬ ГКПНД НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА РАДУЖНОЙ ОБОЛОЧКИ ГЛАЗА ЧЕЛОВЕКА 14

8 ИДЕНТИФИКАЦИИ ЧЕЛОВЕКА ПО РАДУЖНОЙ ОБОЛОЧКЕ ГЛАЗА НА ОСНОВЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭРМИТА 19

8.1 Этапы решения задачи идентификации 20

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. ПЕРЕЧЕНЬ ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ТЕРМИНОВ И СОКРАЩЕНИЙ

Аутентификация –  это  проверка  принадлежности  пользователю (человеку)предъявленного им идентификатора.

Биометрия –  прикладная  область  знаний,  использующая  при  созданииразличных  автоматических  систем  разграничения доступа уникальные  признаки,присущие каждому отдельному человеку.

Биометрическая  система –  это  система  распознавания  шаблона,  котораяустанавливает  аутентичность конкретных  физиологических или поведенческих характеристик пользователя.

Биометрические  характеристики  человека (БХЧ) –  измеряемые физическиехарактеристики  или поведенческие черты,  присущие  каждому отдельному человеку и уникальные для каждого человека.

Биометрический  образец –  наблюдение  выбранной  биометрической характеристики.

Генератор  ключевых  последовательностей  на  основе  нечетких  данных (ГКПНД) – объект,  позволяющий генерировать  уникальные  битовые строки  на основе  нечетких  данных.  При  этом  для  подобных  в  определенном  смысле исходных данных генератор возвращает одинаковую ключевую информацию.

Динамические  БХЧ –  поведенческие  характеристики  человека. Характеристики  человека,  основаны  на  особенностях,  характерных  для подсознательных движений в процессе воспроизведения какого-либо действия.

Идентификация –  это  проверка  наличия  предъявляемого  идентификатора  в списке зарегистрированных идентификаторов.

Клавиатурный  почерк –  динамическая  БХЧ,  в  основе  которой лежит уникальность динамики набора пользователем ключевой фразы на клавиатуре.

Ошибка первого рода – отказ  в аутентификации легитимному пользователю.

Ошибка  второго  рода –  успешная  аутентификация  нелегитимного пользователя.

Сканирование –  процесс  получения  тем  или  иным  способом (например, фотографированием) цифрового отпечатка биометрических данных пользователя.

Статические  БХЧ –  физиологические  характеристики  человека,  то  есть уникальные характеристики, данные ему от рождения и неотъемлемые от него. 

2. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Целью данной курсовой работы является иследование систем аутентификации на основе анализа радужной оболочки глаза человека ,описать достоинства и недостатки,  присущие  некоторым современным системам.Проделать работу по предобработке изображений для локализации РОГ.                                                             

3. ВВЕДЕНИЕ

 
На  сегодняшний  день  существует  много  различных  биометрических технологий.  Все  они  используют  различные  признаки  человека,  уникальные  для каждой личности. Наибольшее распространение среди биометрических технологий получила  идентификация  по  отпечаткам  пальцев.  Однако  в  последнее  время  все большую и большую популярность приобретает использование в качестве рабочего признака радужной оболочки глаза. В этом нет ничего необычного. Причина в том, что радужная оболочка – очень эффективная биометрическая характеристика. Во-первых,  она  имеет  очень  сложный  рисунок,  в  ней  много  различных  элементов. Поэтому  даже  не  очень  качественный  ее  снимок  позволяет  точно  определить личность  человека.  Во-вторых,  радужная  оболочка  является  объектом  довольно простой  формы (почти  плоский  круг).  Поэтому  во  время  идентификации достаточно  просто  учесть  все  возможные  искажения  изображения,  возникающие из-за  различных  условий  съемки.  Наконец,  в-третьих,  радужная  оболочка  глаза человека  не  меняется  в  течение  всей  его  жизни  с  самого  рождения.  Точнее, неизменной  остается  ее  форма (исключение  составляют  травмы  и  некоторые серьезные заболевания глаз), цвет же со временем может измениться. Развитие глаз начинается у зародыша человека в начале второго триместра и заканчивается на восьмом месяце беременности (впрочем, это не касается цвета глаз, который может меняться в течение первого года жизни; часто младенцы рождаются голубоглазыми и впоследствии глаза ребенка темнеют). Это означает, что даже у однояйцовых близнецов радужки различны. Рисунок радужки может меняться в течение жизни только вследствие болезней глаза, таких как катаракта, но часто даже на перенесших операцию глазах рисунок остается прежним либо меняется незначительно.

          

рис1.

Единственной функцией радужки  является контролировать количество света, которое попадает на сетчатку глаза  через зрачок. Контроль осуществляется сокращением мускулатуры радужки.

Рисунок радужки в большой степени  случаен, а чем больше степень  случайности, тем больше вероятность  того, что конкретный рисунок будет  уникальным. Математически <случайность> описывается степенью свободы. Исследования показали, что текстура радужки имеет  степень свободы равной 250, что  гораздо больше степени свободы  отпечатков пальцев (35) и изображений лиц (20).

Это означает, что использование  текстуры радужки для идентификации  личности в большой степени оправдано  и весьма перспективно.

У  идентификации  личности  по  радужной  оболочке  глаза  есть  еще  одно серьезное  преимущество. Дело  в  том,  что  некоторые  биометрические  технологии  имеют  один  недостаток.  При  установке  в  настройках  системы  идентификации  высокой  степени  защиты от ошибок первого рода вероятность появления ошибок второго  рода  возрастает  до  непозволительно  высоких  величин –  нескольких  десятков процентов. В отличие от них, идентификация по радужной оболочке глаза  полностью  избавлена  от  этого  недостатка. В  ней  соотношение  ошибок  первого  и второго  родов  является  одним  из  лучших  на  сегодняшний  день.  Для  примера  можно  привести  несколько  цифр.  Исследования  показали,  что  при  вероятности  возникновения  ошибки  первого  рода  в 0,1% (отличный  уровень  надежности) вероятность появления ошибок второго рода составляет всего лишь 0,001%. 6 Эти  преимущества  делают  данную  биометрическую  характеристику  очень эффективным  инструментом  для  использования  в  системах  биометрической аутентификации. Однако  классические  системы  биометрической  аутентификации  имеют  ряд существенных  недостатков,  связанных  с  тем,  что  сами  образы  хранятся  в  базе данных.  Таким  образом,  две  различные  системы,  использующие  одну  и  ту  же биометрическую характеристику, используют идентичную ключевую информацию о  пользователе.  Также  в  этих  системах  невозможна  анонимная  аутентификация пользователей.  Самым  существенным  недостатком  является  возможность похищения  базы  данных  эталонов  злоумышленником.  Возможность  применения хэш-функций  к  цифровым  образам  позволила  бы  решить  указанные проблемы. Однако  использование  хэш-функций  затрудняется  нечеткостью  самих биометрических  данных.  Таким  образом,  одной  из  основных  проблем,  стоящих перед  разработчиками  биометрических  систем, является  проблема  выработки уникальных фиксированных битовых строк из биометрических данных при каждой операции сканирования. Первые  результаты  в  этом  направлении  были  получены  в 2003  году,  когда группа  ученых  из  США  предложили  общие  подходы  к  генерации  ключевых последовательностей  из  нечетких  данных.  Суть  процедуры,  предложенной  ими, заключается в использовании помехоустойчивого кодирования с целью устранения в  определенном  смысле  незначительных искажений цифровых  образов, получающихся при каждом сканировании биометрических данных человека.

1. НЕДОСТАТКИ

К сожалению, есть у рассматриваемой  технологии и недостатки. И первым из них является относительно высокая  стоимость оборудования. И действительно, для проведения исследования нужна  как минимум камера, которая будет  получать начальное изображение. А  стоит это устройство гораздо  дороже, чем, например, сенсор отпечатков пальцев. Кроме того, она требует  довольно много места для размещения. Все это ограничивает область  использования идентификации личности по радужной оболочке глаза. На сегодняшний  день она применяется в основном в системах допуска на различные  объекты как гражданского, так  и военного назначения.

Ну а теперь, когда мы рассмотрели основные достоинства  и недостатки идентификации личности по радужной оболочке глаза, давайте  разберемся, как она осуществляется. Первым этапом, естественно, является получение исследуемого изображения. Делается это с помощью различных  камер. Причем стоит отметить, что  большинство современных систем предполагает использование для  идентификации не одного снимка, а  нескольких. Они необходимы для получения  более полного изображения радужки, а также могут использоваться при некоторых способах защиты от муляжей (подробнее об этом мы будем  говорить позже).

Самая, пожалуй, большая сложность, с которой пришлось столкнуться  разработчикам технологии, — это обеспечение нормальных условий съемки радужной оболочки. Дело в том, что поверхность глаза обычно отражает сторонние источники света, создавая на изображении сильные блики. Естественно, это очень сильно ухудшает точность идентификации. Для того чтобы «перебороть» блики, необходимо использовать собственную подсветку, причем ее яркость должна быть как минимум в несколько раз больше яркости сторонних источников света. В первых системах идентификации для этого использовалась вспышка наподобие тех, которые применяются в фотоаппаратах. Правда, такое решение не нравилось конечным пользователям. И действительно, мало приятного в ярком свете, направленном прямо в глаз. Впрочем, современные системы лишены этого недостатка. В них применяется инфракрасная подсветка, не доставляющая пользователям никаких неудобств.

Другой проблемой, связанной  со съемками радужной оболочки, является позиционирование глаза. Дело в том, что для получения полного, качественного  изображения необходимо, чтобы радужная оболочка находилась на определенном (фокусном) расстоянии от камеры в строго ограниченной зоне. Но ведь в пространстве не прочертишь линии. А как по-другому  можно ограничить необходимую зону? Поиском решения этой задачи занималось несколько компаний. В результате появился целый ряд различных  разработок. Но наибольшее распространение  получили только четыре из них.

Одним из самых простых  решений задачи установки глаза  пользователя в нужное положение  является использование так называемых фиксаторов взгляда. Обычно ими являются небольшие лампочки или направленные светодиоды. Они устанавливаются  на сканер таким образом, чтобы свет был виден только при определенном положении глаза (нужном для получения  качественного изображения). Таким  образом, пользователь сам должен будет  найти взглядом фиксатор и ненадолго  замереть в этом положении.

Другим вариантом является использование прозрачных с одной  стороны маленьких зеркал. Для  проведения процесса идентификации  пользователь должен подойти к сканеру  и встать так, чтобы увидеть отражение  собственного глаза. С другой стороны  зеркала установлена камера. Таким  образом, пользователь сам может  установить свой глаз в нужное для  идентификации положение.

Третий вариант уже  более сложен. В сканер помимо камеры встраиваются несколько дополнительных сенсоров и подсистема распознавания  лица. Далее процесс идентификации  происходит следующим образом. Сначала  пользователь подходит к сканеру. Затем  устройство распознает лицо и вычисляет  его местоположение. А дальше с  помощью голоса или специальных  указателей человеку подаются команды  о перемещении (влево, вправо, ближе, дальше и т. д.) до тех пор, пока его  глаз не попадет в нужную зону. Правда, стоит отметить, что дополнительное оборудование, установленное в сканере, увеличивает его конечную стоимость.

Ну и, наконец, есть еще  четвертый вариант решения задачи позиционирования глаза, самый сложный  в реализации. Дело в том, что помимо перечисленного в предыдущем абзаце оборудования сканер оснащается камерой  на поворотной подставке. Это очень  удобно. Система определяет лицо подошедшего  человека и сама наводит камеру и  устанавливает ее в оптимальное  для съемки положение. То есть от пользователя для проведения идентификации не требуется предпринимать никаких  действий. К сожалению, несмотря на свое исключительное удобство, это  решение не получило большого распространения. Дело в том, что сканеры с поворотной камерой сложны в изготовлении, а  поэтому стоят достаточно дорого.

Другой проблемой, с которой  столкнулись разработчики систем идентификации  личности по радужной оболочке глаза, является возможность применения подделки. Самым простым случаем является предъявление камере фотографии глаза. Кроме того, современные технологии позволяют создавать достаточно точные муляжи этого органа. Для  этого необходимы только цифровая фотография лица жертвы и некоторое специфическое  оборудование. Ну а еще в фантастических фильмах часто показывают, как  злоумышленник обманывает систему  идентификации, предъявляя ей вырезанный глаз зарегистрированного пользователя. К счастью, на сегодняшний день о  таких попытках ничего не известно, тем не менее полностью исключать такую возможность нельзя.