Biometrija prepoznavanje pomocu arenice okaBoris Babic, 12/2004 Fakultet organizacije i informatike Sveucilite u Zagrebu

UvodBiometrijsko prepoznavanje arenice oka je jedna od najsigurnijih biometrijskih metoda. Teko ju je prevariti, uzorak se relativno lako izuzima sa fotografije a svaka osoba ima drugaciji uzorak na arenici, tj. ansa da se pojave dvije osobe sa jednakim arenicama je minimalna. Ideju biometrijskog raspoznavanja osoba pomocu arenice oka su prvi patentirali Alan Safir i Leonard Flom 1987. godine, ali nisu imali pojma kako bi tu ideju implementirali racunalno. Prvi, i dosad najucinkovitiji algoritam napravio je John Daugman sa Harvardskog sveucilita. Svoju metodu je patentirao 1994. i vecina istraivanja na tom podrucju temelje se na njegovim postavkama. Takoder se na njima temelje svi komercijalni proizvodi do sada proizvedeni (2004.). Zbog toga ce se ovdje naglasak staviti na Daugmanovu metodu, iako postoje novi pristupi koji pokazuju dosta potencijala.

arenica je jedini unutarnji organ covjeka koji se vidi izvana. arenica se kod covjeka pocinje formirati oko tri mjeseca nakon zaceca. Struktura linija i ara koje joj daju prepoznatljivost se formiraju do osmog mjeseca, ali se pigmenti koji joj daju boju stvaraju jo tijekom prve godine nakon rodenja. Izgled arenice se ne mijenja tijekom ljudskog ivota. Sama arenica se sastoji od miica za kontrolu irine zjenice, kromatofora i melanocita te pigmenta. Rezultat svega toga je niz linija i uzoraka koje svakoj arenici daju jedinstven izgled (bojom se ovdje ne bavimo je r ona nije bitna za ovu metodu).

Akvizicija slike okaDa bi bila upotrebljiva, arenica oka se mora fotografirati na udaljenosti od 10-ak centimetara do najvie jednog metra. Razlog za to je refleksija svjetla koja nastaje kao posljedica vlane i prozirne opne iznad arenice. Upotrebljavaju se digitalne CCD kamere male razlucivosti.

Oko, anatomija oka i areniceOko je najvanije ljudsko osjetilo i stoga je jako dobro zaticeno od vanjskih utjecaja. Osim toga, arenica je unutarnji organ oka. Nalazi se u prednjem dijelu oka, ispred same lece:

Slika 2. Izgled slike oka (umanjena slika) Negativna strana je ta to se osoba mora precizno pozicionirati s obzirom na kameru, dakle nije moguce provesti sigurnosni postupak bez suradnje subjekta. To i nije veliki problem zato to se ova metoda uglavnom koristi u podrucjima najvie sigurnosti, cega i subjekti trebaju biti svjesni. Usmjeravanje osobe na idealnu poziciju za akviziciju fotografije se najcece izvodi glasovnim porukama, kada osoba dode u dobru poziciju za akviziciju, uredaj automatski fotografira. Postoje i kompliciraniji, ali za subjekta ugodniji nacini, kao to je automatsko traenje i zoom arenice od strane uredaja ili koritenje ogledala, medutim, suradnja subjekta je uvijek potrebna.Slike ne moraju biti velike razlucivosti, priblino 480x640 pixela, te imaju paletu od 256 sivih nijansi, to je prednost ove metode jer takva oprema nije skupa. Radijus arenice na slici bi trebao biti oko 70 piksela za dobro prepoznavanje. Boja arenice nije bitna za prepoznavanje.

Slika 1. Poloaj arenice u ljudskom oku.

12/2004 Biometrija prepoznavanje pomocu arenice oka

Izdvajanje arenice sa slike okaNakon to smo doli do slike oka, potrebno je izdvojiti samu arenicu, da na prepoznavanje ne bi utjecali ostali dijelovi oka (kapci, trepavice itd.). Treba pronaci sredite zjenice i sredite arenice (koja se najcece ne nalaze na istom mjestu) te njihove radijuse. Takoder treba znati da zjenica nema uvjek potpuno kruni oblik kao i da joj se velicina stalno mijenja. Za pronalaenje tih elemenata dobar je slijedeci integracijsko-diferencijalni operator (Daugman):

Slika4. Slika arenice nakon transformacije Za dobivanje potpisa arenice koriste se dvodimenzionalni wavelet-i, pomocu kojih se struktura arenice prikazuje kao niz vektora u kompleksnoj ravnini. Za demodulaciju wavelet-a se izlucuju 4 parametra: velicina, orjentacija, i dvije pozicijske koordinate. Da bi se na taj nacin pohranile potrebne informacije o strukturi arenice, potrebno je samo 256 bita, plus kontrolni bitovi (zbog smetnji kao to su trepavice, ili dijelovi slike loije kvalitete). Kada je dobiven potpis arenice, treba ga usporediti sa potpisima u bazi podataka. To se radi testom statisticke nezavisnosti. Svaki potpis arenice generiran iz bilo kojeg oka ce proci na testu statisticke neovisnosti sa sa potpisom arenice bilo kojeg drugog oka. Medutim, ako padne na tom testu sa danim potpisom arenice, nali smo podudaranje. Za razlicitosti izmedu dva potpisa se koristi jednostavna formula pomocu logickih operatora AND i exOR (i, te ekskluzivno ili):

Formula 1. Pri tome I(x,y) predstavlja sliku oka (slika 4.). Algoritam sliku pretrauje po njenoj domeni (x,y) traeci maksimum u zamucenom podrucju slike, s najvecim radijusom (r). Operator * predstavlja konvoluciju a Gs(r) je funkcija ugladivanja, primjerice Gaussova. Ovaj operator se koristi za pronalaenje zjenicnog kao i vanjskog ruba arenice.Kada su ove granice nadene, slican postupak se provodi i za pronalaenje granica ocnih kapaka. Slike na kojima se vidi manje od 40 do 50 posto arenice smatraju se neupotrebljivima, to se dogaca, na primjer, ako osoba zatvori oko prilikom akvizicije slike.

Formula 2. Maske ovdje slue za prekrivanje beskorisnih artefakata na slici. Kada bi rezultat bio HD (Hamming distance) = 0, to bi bila potpuna podudarnost. Za svake dvije slike razlicitih arenica je sigurno da ce proci test, a ako dvije slike padnu na ovome testu, to mora znaciti da su to dvije (iste ili razlicite) slike iste arenice. Na nama je da odredimo vrijednost Hammingove udaljenosti koja ce biti granica podudaranja. Za HD = 0.26 vjerojatnost pogreke ce biti 1 naprema 10^13. Ova vjerojatnost se odnosi na lano podudaranje.

Slika 3. Granice arenice na slici oka

Dobivanje potpisa arenice - Iris CodeNakon to se dobije slika arenice i izdvoje se nepotrebna podrucja, treba sliku transformirati u polarni koordinatni sustav. Time se postie da na prepoznavanje nece imati utjecaj velicina zjenice i same slike.

Sigurnost metodePrepoznavanje arenice je jedna od najsigurnijih biometrijskih metoda, najvie zbog prirodnih karakteristika arenice. arenica poprima svoj izgled u najranijem dijetinstvu (cak i prije rodenja), te se ne mijenja, osim u slucaju bolesti ili ozljede. Kirurki ju je nemoguce krivotvoriti, barem ne bez velikog rizika od gubitka vida. Takoder se ova metoda ne moe

2

12/2004 Biometrija prepoznavanje pomocu arenice oka

prevariti noenjem kontaktnih leca, jer postoje algoritmi pomocu kojih se jasno ustanovljuje da li osoba nosi lece ili ne. Stakleno oko ili pravo oko odstranjeno sa covjeka ne mogu posluiti za prijevaru jer se na njima zjenica oka ne mice, dok je kod ivog oka zjenica podlona konstantnom pokretu te kontrakciji i irenju. Medutim, ova metoda, kao i sve ostale, nije 100 % pouzdana.Grupa njemackih istraivaca je uspjela prevariti jednu od komercijalnih verzija ovog software-a tako to su visokokvalitetnu sliku oka ispisali pomocu pisaca visoke rezolucije (2400x1200 dpi), te u sredini probuili rupu. Tako je uredaj za dobivanje slike arenice vidio ivu zjenicu. U stvarnom ivotu se to ne bi moglo lako izvesti jer je potrebna skupa oprema, a i nije moguce dobiti tako kvalitetnu sliku necijeg oka bez znanja te osobe. Sigurnost nekih biometrijskih metoda raspoznavanja se moe usporediti slijedecom tablicom (FAR false acceptance rate): Metoda arenica Otisak prsta Oblik ruke Lice Potpis Glas FAR 1/1,200,000 1/1,000 1/700 1/100 1/100 1/30

svakom slucaju jedna od najsigurnijih biometrijskih metoda. Prednosti su da je oko dobro zaticen ljudski organ, arenica se tijekom ljudskog ivota ne mijenja kao ostale karakteristike i SVATKO ima drugacije uzorke arenice. Za dobro raspoznavanje dovoljno je 30 - 40 % slike arenice, mala je vjerojatnost lanog prihvacanja i algoritam koji obraduje sliku je vrlo brz. Razne prijevare se mogu otkriti zahvaljujuci konstantnim promjenama velicine zjenice. Negativne strane ne nadmauju pozitivne. Glavni problemi su to je arenica relativno mala pa se mora fotografirati iz velike blizine (1 metar ili manje). Kod slikanja moe biti problem odsjaj svjetla jer se arenica nalazi iza mokre prozirne reflektirajuce povrine. Takoder je potrebna velika suradnja subjekta kod akvizicije slike. Zbog svega toga ova metoda ima karakteristicna podrucja uporabe gdje protocnost subjekata nije prevelika, a potreban je izuzetno visok stupanj sigurnosti. Iako se pojavljuju novi pristupi i prijedlozi, nitko jo nije uspio nadmaiti ucinkovitost Daugmanovog algoritma i potrebna su dodatna istraivanja na tom podrucju, te na podrucju akvizicije slike. Za vie informacija konzultirajte se sa nie navedenom literaturom.

Izvori literature1. Daugman J (2004) "How iris recognition works." IEEE Trans. CSVT, vol. 14, no. 1, pp. 21 - 30. Daugman J (2003) "Demodulation by complex-valued wavelets for stochastic pattern recognition." Int'l Journal of Wavelets and Multi-resolution Information Processing, vol. 1, no. 1, pp 1 - 17. http://biometrics.cse.msu.edu http://www.findbiometrics.com

Zakljucne napomene2. Jedan poznati primjer prepoznavanja osobe pomocu njene arenice je fotografija National Geographic-ovog fotografa Stevea McCurry-a, Afghan girl: 1984. je fotografirao djevojku iz afganistana i proslavio se sa tom fotografijom. Dugo je poslije traio subjekt svoje fotografije, da bi 17 godina poslije ponovo fotografirao sada odraslu enu, koja je prepoznata zahvaljujuci svojim karakteristicnim arenicama:

3. 4.

Dodatna literatura se moe naci pomocu linkova na navedenim stranicama, te na osobnim stranicama John Daugman-a. Za razumjevanje matematickog dijela potrebno je poznavati 2d gabor wavelet-e, integriranje, deriviranje, fourierovu transformaciju, matematicku logiku.

Slika 5. Afghan girl,1984. i 17 godina poslije Raspoznavanje arenice oka uz pomoc racunala ima svoje prednosti i nedostatke, ali je u

3