CC BY
94
СИСТЕМЫ, СЕТИ И УСТРОЙСТВА ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ
УДК A00.4.9
Повышение эффективности распознавания личности при использовании биометрической идентификации
Виктор Гаврилович Выскуб, д.т.н., проф., e-mail: vyskub08@mail.ru Илья Викторович Прудников, аспирант, e-mail: I.V.Prudnikov@gmail.com
НОУ ВПО «Институт государственного управления, права и инновационных технологий», Москва
Приведено описание метода повышения точности системы биометрической идентификации, основанного на получении дополнительных репрезентаций исследуемого субъекта; представлена методика его экспериментальной проверки; осуществлен анализ экспериментальных данных; предложен гибкий алгоритм функционирования системы биометрической идентификации; на основе проведенных экспериментальных исследований показано, что можно повысить точность системы биометрической идентификации практически без снижения быстродействия.
The description of a method of increase of accuracy of system of the biometric identification, based on reception additional representation the investigated subject is introduced; the technique of its experimental check is presented; the analysis of experimental data is carried out; the flexible algorithm of functioning of system of biometric identification is offered; on the basis of the carried experimental researches it is shown that it is possible to raise accuracy of system of biometric identification practically without speed decrease.
Ключевые слова: биометрическая идентификация, отпечаток пальца, эффективность распознавания, степень сходства.
Keywords: biometric identification, a fingerprint, efficiency of recognition, similarity degree.
В работе [2] изложены принципы, на которых основан метод повышения точности системы биометрической идентификации. Функционирование этой системы можно пояснить на примере схемы, изображенной на рис. 1.
В этой схеме предусматривается построение эталонной базы данных (БД) экземпляров М и идентификация предъявляемого экземпляра.
Процесс построения эталонной БД реализуется следующей последовательностью действий.
Шаг 1 . Для построения вектора изображений I к сканирующей поверхности сенсора прикладывается один и тот же палец (идентификатор), регистрируемый в М, с различным углом поворота и степенью нажима (это необходимо, чтобы собрать максимально возможное количество информации об изображении отпечатка пальца). Данный набор представим в виде вектора в = {рх,р2,..,в,г = = 1,...,Я;в = в(Ь)} длиной п'. На выходе сенсора получаем набор изображений в виде вектора за-
Рис. 1. Схема работы системы биометрической идентификации, реализующей метод повышения точности
данной длины п, который построен по набору идентификаторов: I = (Д, /2,..., 1п }, I, = /(в,), 0(1,) > 0, г = 1,...,п , длиной п < п'. При этом уменьшение длины получается фильтрацией некачественных изображений на основании некоторого установленного порога качества изображения 1ф. Здесь О - функция определения качества.
Шаг 2 . На основании элементов вектора I блок «Построитель репрезентации и селектор» выдает пару машинных репрезентаций (Я/,Я), которая включается в эталонную БД М, где Я' = Я, =
= ^(1,)1 0(1) = ), г = 1,...,П и Я = ^(Т^,...,^).
Здесь ^ - функция построения машинной репрезентации по изображению(ям) отпечатка пальца; ^ - показатель качества конкретного изображения I,. Таким образом, для т различных идентификаторов имеем эталонную БД в виде вектора пар значений длиной т: М = ((Я/,Я^(Я/,Я)2,...,(Я/,Я)т} .
Идентификация предъявляемого экземпляра включает в себя следующие действия.
Шаг 1 . Для построения изображения I по идентификатору в к сканирующей поверхности сенсора прикладывается палец (идентификатор) однократно. Качество изображения должно быть больше порогового значения ¿?0.
Шаг 2 . Построение репрезентации Я=^(1).
Шаг 3 . Анализируется репрезентация Я с помощью метчера 1 . На выходе имеем вектор ОД) = ((Я/) , е М ,г = 1,..., т, Б ((Я/) ,, Я) > ^} длиной / < т. Здесь Б - функция вычисления сходства между репрезентациями.
Ш а г 4 . Идентификация вектора С(Я/) с помощью метчера 2 (аналогичного метчеру 1). На выходе имеем вектор С ' (Я, С (Я/)) = ((Я/), е С (Я/), г = 1,..., /, Б ((Я),, Я) > Б ((Я/),, Я)} длиной /' < /.
Результирующий вектор С ' (Я, С (Я')) будет
иметь длину /' < /, так как репрезентация Я содержит больше информации об идентификаторе, чем Я/ , что критично для работы алгоритма сравнения. Поэтому можно утверждать, что согласно [1] в результате работы системы по данному методу получается более точный ответ, чем в случае работы обычной системы биометрической идентификации (см. на рис. 1 выделенную пунктиром структуру с метчером 1, оперирующим Я/ ).
*
Метчер - это система, которая получает две репрезентации биометрических параметров и измеряет степень их сходства. Эта величина (степень сходства) определяет, действительно ли два образца принадлежат одному «реальному» объекту.
Экспериментальная проверка метода может быть выполнена двумя способами.
Способ 1. Предъявление на идентификацию легитимного идентификатора (содержащегося в М). В данной ситуации система, реализующая метод, должна с более высокой вероятностью определить предъявляемый идентификатор как легитимный (предъявляемый идентификатор преднамеренно искажался путям поворота, изменением силы нажима или влажности) [3].
Способ 2. Предъявление на идентификацию нелегитимного идентификатора (не содержащегося в М). В данной ситуации система, реализующая метод, должна с более высокой вероятностью определить предъявляемый идентификатор как нелегитимный.
Результаты проверки метода по способу 1 показали возможность повышения точности идентификации на 7% [3]. Для доказательства эффективности метода необходимо также выполнить проверку по способу 2, суть которого сводится к проверке эффективности разработанного метода повышения точности (относительно обычной биометрической системы) при условии предъявления изображения ^ некого идентификатора, который имеет высокую степень сходства с одним из элементов базы М (например, с образцом, по изображению 1а которого была построена репрезентация Я' в к-й паре (Я/,Я)к). Эффективность метода
оценивается по его способности определять факт различия между сгенерированной и контрольной репрезентациями с более высокой точностью, чем обычная биометрическая система. Фактически необходимо разработать алгоритм «атаки» на систему биометрической идентификации. Эти системы подвергаются подобным «атакам» в реальной жизни [5].
Эксперимент по проверке работы метода выполнялся с помощью программного обеспечения, разработанного авторами (атакующий модуль), в сочетании со специализированным программноаппаратным комплексом - системой идентификации по отпечаткам пальцев (сканер и программное обеспечение), - разработанным компанией ВюЬшк [4].
Проверка работы метода повышения точности проводилась по схеме, приведенной на рис. 2.
За основу при генерации ^ было выбрано произвольное изображение отпечатка, полученное с сенсора (рис. 3). В данном случае это изображение размером 320x480 пикселей с разрешением 520 точек на дюйм и глубиной цвета 8 бит.
Рис. 2. Схема проверки работы метода
Далее была выполнена генерация массива изображений (размером 16^16 пикселей) элементарных частей, образующих контрольные точки. Такой массив получается путем генерации на основе базового набора элементов (ветвление, окончание, прямая, пустота) (рис. 4), повернутых относительной своей оси с шагом 22,5 град (рис. 5). Для каждого элемента базового набора (за исключением «пустота») было получено 16 вариаций.
Цикл генерации ^ заключается в последовательной подмене сектора в произвольном изображении (см. рис. 3) размером 16x16 пикселей (за один проход происходит перебор всех секторов изображений один раз) и вычислении степени сходства 5^ = Б(ЛьЯ/'), где
Я{=Е(1{), а Я/ принадлежит к-й паре (Я/,Я)к, содержащейся в М. Если степень сходства увеличилась, то данный измененный сектор изображения считается подмененным успешно. Данный подход на примере подмены информации о миньюциях в
12 3 4
Рис. 4. Базовый набор: 1 - «ветвление»; 2 - «окончание»; 3 - «прямая»; 4 - «пустота»
Рис. 5. Пример генерации на основе элемента «ветвление»: 1 - базовой элемент; 2 - 5 - вариации базового элемента
Рис. 3. Произвольное изображение отпечатка для генерации на его основе поддельного 1{
репрезентации был описан в [6], однако для его реализации необходимо наличие информации о структуре и формате репрезентации.
В результате генерируется изображение /■, репрезентация Я{ =F(If) которого при предъявлении метчеру на идентификацию считается совпадающей с подделываемой Я\ в к-й паре (Я/,Я)к , содержащейся в М, т. е. 5^ = 5(Яг,Я/) > ¿0. На рис. 6 приведено изображение, полученное по исходному изображению (см. рис. 3) после двух итераций прохода.
Рис. 6. Результат генерации поддельного изображения 11 (а) по сравнению с атакуемым изображением /а (б) после двух итераций прохода
Для проверки разработанного метода был проведен ряд контрольных замеров степени сходства Saf = S(R'i, Rf), SMf = S(R, Rf) для нескольких If = {Ifi, If2, Ifsj, для которых Safi, Sf Saf3 >to, где t0 =520 единиц - некоторая выбранная по характеристикам метчеров величина, обеспечивающая низкие ошибки системы [1]. Авторами статьи были сгенерированы подделки, дающие значение
> 900 единиц. Совпадение значений степеней сходства 5^- и вызвало необходимость введения
поправок в правило принятия решения.
Для анализируемой пары (Я/',Я)к были учтены степени сходства, полученные отдельно для репрезентации каждого изображения, по которым построена Я = Е(/х,/2,..., 1п), за исключением подделываемого 1а, по которому построена Я\ = Е(1а). В результате значения степеней сходства оказались ниже, чем степень сходства суммарного Я.
Поскольку все изображения, по которым построена репрезентация Я = Е(1Ъ12,..., 1п), являются изображениями одного и того же отпечатка пальца, то в случае «атаки» дополнительная проверка степеней сходства репрезентаций, построенных по изображениям 1Ъ/2,..., 1п, не включая изображение 1а, дает ключевую дополнительную информацию для принятия решения. Результаты эксперимента при п = 3 представлены на рис. 7, где Я - репрезентация легитимного пользователя либо репрезентация подделки Я).
ным относительно «атакуемого». Таким образом, подмененные миньюции для данных изображений не дают увеличения степени сходства. Так же наглядно отражено на графике изменение значений степени сходства при идентификации легитимного пользователя (которому соответствует исследуемая пара репрезентаций (Я[, Я)к ). Для легитимного пользователя не наблюдается значительного падения степени сходства на репрезентациях Я2 и Я3 (колебания в пределах 8%).
Данное наблюдение позволяет вычислить поправочный коэффициент для подсчета Бмт. Формула поправочного коэффициента К была определена экспериментально на основе значений степеней сходства 51, Б2,..., Бп:
' (Б ^ Б (Я,, ЯД^ Б(Я,, Ят) < Б
-(лМі - 2-й -1 ), 2-й ~ і < ,
і=і
п-1
1=1
П -1 “ П - 1
1 = 1
Б(Я,,ЯД П-1 Б(Я,,Ят) п -1
1=1
п-1
«. X-
1=1
Б (К,, Ят) п -1
= Б,
Рис. 7. Графики значений степеней сходства для идентификации репрезентации легитимного пользователя и идентификации трех различных поддельных репрезентации (вп.в&ве): 1 - легитимный; 2 - подделка Дъ 3 - подделка ве; 4 - подделка вв
0, ^ * Sмf,
я, * я;.
Результаты расчета поправочного коэффициента К и скорректированного значения приведены в таблице.
Исходя из полученных данных, можно утверждать, что при использовании поправочного коэффициента разработанный метод позволил идентифицировать подделку, а для случая идентификации легитимного пользователя не изменил наибольшего значения степени сходства. Экспериментально установлено, что увеличение числа репрезентаций более четырех не дает существенного повышения точности.
На этих графиках видно, что 5(Я2,Я), 5(Я3,Я) для подделок имеют значения ниже, чем 5^ и 5м, и этот факт обуславливается особенностью работы самих алгоритмов, так как Я2 и Я3 это репрезентации, которые построены по изображения, смещен-
Значения поправочного коэффициента и скорректированного значения
Таким образом, показано, что разработанный метод повышения точности системы биометрической идентификации позволяет обеспечивать степень сходства меньшую, чем обычная система, для подделанной репрезентации, и степень сходства боль-
Предъявляемый идентификатор Бат БМ{ Б(Я3,Ят) К Бит + К
Рп 552 552 190 193 -360,5 191,5
Рп 625 625 381 276 -296,5 328,5
втз 754 754 363 183 -481 273
Легитимный пользователь 823 911 789 720 0 911
3. Выскуб В. Г., Прудников И. В. Экспериментальная проверка метода повышения точности биометрических распознающих систем // Межвузовский сборник статей. М.: ИГУПИТ. 2010.
4. Интернет-сайт компании BioLink. URL: www.biolink.ru (дата обращения 22.12.2010).
5. Ahmed Obied. How to attack biometric systems in your spare time //Department of Computer Science, University of Calgary, Collection of articles. 2006. P. 111 - 118.
6. Umut Uludag, Anil K. Jain. Attacks on biometric systems: a case study in fingerprints // Security, steganography, and watermarking of multimedia contents VI. Edited by Delp, Edward J., III; Wong, Ping W. Proceedings of the SPIE, Volume 5306. 2007. P. 622 - 633.
женерная физика. 2009. № 5. Поступила 28.12.2010 г.
Уважаемые коллеги!
Издательство Российского государственного университета туризма и сервиса предлагает вам подписку на ежеквартальные научные журналы, включенные в Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, публикации в которых учитываются при защите диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук:
■S «Сервис plus» - индексы 36945, 81641
■S «Вестник Ассоциации вузов туризма и сервиса» - индексы 81617, 81617 ■S «Современные проблемы туризма и сервиса» - индексы 81607, 81607 ■S «Электротехнические и информационные комплексы и системы» - индексы 18064, 42391
ПОДПИСКА производится:
S ЧЕРЕЗ РЕДАКЦИЮ/с любого месяца
■S ЧЕРЕЗ ИНТЕРНЕТ/ http://www.arpk.org/ с любого месяца. Стоимость подписки включает доставку почтой по РФ. Данный вид подписки осуществляется через отделения Сбербанка в течение всего года ■S ЧЕРЕЗ ОТДЕЛЕНИЯ СВЯЗИ по каталогам Агентства «Роспечать» и «Почта России»
■S ЧЕРЕЗ ООО «Интер-почта» по телефону (495)500-00-60, (495)580-9-580 или на сайте www.interpochta.ru ■S ЧЕРЕЗ ООО «Урал-Пресс» на сайте www.ural-press.ru
Подписку на электронные версии журналов, а также отдельных статей можно оформить на сайте Российской универсальной научной электронной библиотеке (РУНЭБ) www.elibrary.ru
Контакты:
Тел./факс (495) 940-83-61, доб. 395 e-mail: redkollegiamgus @mail.ru
Логачева Ирина Николаевна
шую, чем обычная система, при идентификации легитимного пользователя, т.е. большую эффективность распознавания.
Использование этого метода подразумевает незначительное увеличение времени идентификации за счет выполнения сравнения на метчере 2, что практически не влияет на быстродействие системы в целом.
ЛИТЕРАТУРА
1. Болл Руд М., Коннел Джонатан Х, Панканти Шарат, Ратха Налини К., и др. Руководство по биометрии. М: Техносфера. 2007.
2. Выскуб В. Г., Прудников И. В. Возможности повышения точности биометрических распознающих систем // Ин-
