Способ идентификации человека по его биометрическому образу
Владельцы патента RU 2371764:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Академия Федеральной службы охраны Российской Федерации (Академия ФСО России) (RU)
Изобретение относится к биометрической идентификации человека и может быть использовано в системах ограничения доступа к защищенным от посторонних лиц услугам, ресурсам и объектам. Техническим результатом является повышение достоверности идентификации личности по его биометрическому образу за счет более полного использования биометрической информации, характеризующей индивида при отсутствии осведомленности личности о факте осуществляемой проверки, и отсутствия необходимости многократного обучения системы биометрического контроля. Технический результат достигается введением посредством контроля позы индивида, принимаемой им при постановке подписи (автографа). Поза человека представляется в виде кривой в трехмерном пространстве, заключающей в себе отрезки, построенные по средним точкам объемной фигуры, состоящей из пера, верхних конечностей и плечевого пояса человека. Полученная кривая преобразуется к цифровому виду с использованием цепного кодирования в проекционных плоскостях вертикального, бокового и фронтального изображений индивида. 6 ил.
Изобретение относится к биометрической идентификации человека и может быть использовано в системах ограничения доступа к защищенным от посторонних лиц услугам, ресурсам и объектам.
Известен способ биометрической аутентификации человека по его автографу или иному рукописному набору символов (Ричард Э. Смит. Аутентификация: от паролей до открытых ключей // М., С.-Петербург, Киев - изд-во «Вильямс», 2002; Иванов А.И. Биометрическая идентификация личности по динамике подсознательных движений. // Монография. Пенза - изд-во ПГУ, 2000. - 188 с.), включающий неоднократное предъявление биометрической системе для обучения примеров подписи человека, формирование биометрической системой эталона, позволяющего в дальнейшем аутентифицировать человека, воспроизводящего свой автограф. Недостатками данного способа являются его ограниченность в открытом применении и низкая достоверность.
Известен способ идентификации человека по его биометрическому образу (автографу), снимающий первое ограничение предыдущего способа при помощи применения искусственной нейронной сети (Патент РФ №2292079, МПК G06K 9/66 (2006.01). Способ идентификации человека по его биометрическому образу (прототип). Опубликовано: 20.01.2007. Бюл. №2). По данному способу осуществляется преобразование образцов подписи человека искусственной нейронной сетью в защищенный код пользователя, однозначно соответствующий записи, содержащейся в документе, удостоверяющем личность идентифицируемого человека. При обучении искусственной нейронной сети многократно предъявляют образцы подписи личности и подбирают весовые коэффициенты искусственной нейронной сети таким образом, чтобы выходные сигналы нейронов выходного слоя принимали значения, равные значениям заданного кода. Описание обученной искусственной нейросети в виде таблицы связи между нейронами и таблицы значений весовых коэффициентов этих связей включают в состав документа, удостоверяющего личность. При необходимости осуществления идентификации человек однократно вводит свой биометрический образ в виде подписи (автографа) или кодового слова при помощи графического планшета. Биометрический образ с учетом колебания пера относительно графического планшета и давления пера в цифровом виде поступает в вычислитель, который вычисляет контролируемые параметры подписи. Эти параметры поступают на обученную ранее искусственную нейронную сеть, которая на своем выходе формирует идентификационный код, который сравнивается с заданным при обучении нейросети кодом. При совпадении выходного и заданного кодов нейросети выносится положительное решение об идентификации человека, а при несовпадении - отрицательное решение. Данный способ выбран в качестве прототипа.
Недостатком данного способа является недостаточно высокая достоверность, выражающаяся в рассмотрении лишь одного биометрического образа - подписи человека, обладающей низкой защищенностью от подделки. Кроме того, общим недостатком для способов идентификации по биометрическому образу является необходимость многократного обучения для получения эталонов и осведомленность об этом личности, подвергаемой в дальнейшем биометрическому контролю.
Техническим результатом настоящего изобретения является повышение достоверности идентификации личности по его биометрическому образу за счет более полного использования биометрической информации, характеризующей индивида при отсутствии осведомленности личности о факте осуществления проверки и отсутствия необходимости многократного обучения системы биометрического контроля.
Технический результат достигается введением дополнительного признака - позы индивида, принимаемой им при постановке подписи (автографа), что в совокупности с действиями прототипа повысит достоверность биометрической идентификации и обеспечит скрытность факта контроля по предлагаемому биометрическому признаку.
Заявленный способ поясняется чертежами, на которых показаны:
фиг.1 - биометрический образ пишущего человека;
фиг.2 - коды описания направления произвольной кривой;
фиг.3 - пример кодирования участка кривой;
фиг.4 - биометрический образ фигуры А в плоскости фронтального изображения;
фиг.5 - биометрический образ фигуры В в плоскости фронтального изображения;
фиг.6 - таблица количественных признаков биометрических образов фигур А и В.
Биометрия представляет собой методику распознавания и идентификации людей на основе их индивидуальных физических или поведенческих характеристик. Физические биометрические характеристики обычно статичны и практически не изменяются со временем, в то время как поведенческие характеристики проявляют себя именно в процессе идентификации личности. Уникальность индивида с набором присущих только ему статических и динамических биометрических характеристик не вызывает сомнений. Возможность использования данных характеристик в совокупности позволяет более точно проводить процесс идентификации. При этом чем больше данных характеристик учитывается, тем более полон индивидуальный биометрический образ в пространстве возможных вариантов.
Приобретение навыка письма человеком достигается путем многочисленных упражнений, в процессе которых формируется сугубо индивидуальные особенности расположения корпуса тела, верхних конечностей относительно плоскости, на которой располагается лист или графический планшет. Не менее важной характеристикой, отличающей одного индивидуума от другого, является расположение пишущего предмета (пера, карандаша, ручки и т.п., далее по тексту - пера) в кисти, а также непосредственное расположение пальцев кисти. Постановка подписи (автографа) по большей части осуществляется в официальных документах с целью удостоверить свое согласие с изложенным содержанием на листе и (или) подтвердить свое авторство.
Статическое расположение в пространстве составных частей тела человека в процессе какого-либо вида деятельности будем называть позой. Строение человеческого тела определяет характерную для письма позу. По большей части характерны письму лишь две позы человека - сидячая или стоячая. Неизменным по отношению к пишущему человеку является наличие плоскости письма, на которой непосредственно располагаются кисти человека, а при сидячем положении - и его предплечья. Наибольшей информативной сущностью обладает верхняя часть позы пишущего человека, отсекаемая плоскостью письма. В ее состав входят голова, верхняя часть туловища с верхними конечностями. Верхние конечности по составляющим их основным костям подразделяются на кисти, предплечья и плечи. Все эти составные части в комплексе сугубо индивидуальны и имеют свои возможные для измерения по некоторому признаку параметры (длина, ширина, объем, расположение относительно системы координат). Уникальность позы пишущего человека подтверждается вырабатывающейся в процессе обучения писанию индивидуальной привычкой располагать части тела при письме. Процесс обучения письму является не тривиальным, он требует от обучаемого достаточного напряжения как физических, так и психологических сил, направленных на выработку автоматизма в действиях обучаемого. Сформированная мышечная память после многократных упражнений позволяет индивидууму автоматически располагать перо в кисти ведущей руки, лист на плоскости письма, непосредственно принимать позу таким образом, чтобы обеспечить себе максимальное удобство для осуществления сложной операции письма.
Часть позы пишущего человека в совокупности с пером, отсеченная плоскостью письма, представляет собой сложную объемную фигуру, параметры которой предлагается использовать в качестве дополнительного биометрического образа к способу-прототипу. Часть сложной объемной фигуры, отсеченной плоскостью письма без существенной потери информации о взаимном расположении составных частей данной фигуры, можно представить в виде кривой. Данная кривая берет свое начало на кончике пера, включает в себя отрезки, состоящие из средних точек объемной фигуры, которая в свою очередь состоит из пера, кистей, предплечий, плеч, и отрезка, соединяющего плечевые кости. На фиг.1 штрихпунктирной линией представлен биометрический образ человека в виде кривой в трехмерном XYZ пространстве.
Известен метод представления произвольной кривой на плоскости под названием цепного кодирования (Теория распознавания и анализ сцен: Пер. с англ. / Р.О.Дуда, П.Е.Харт.; Под ред. В.Л.Стефанюка. М.: Мир, 1976. - 511 с.). Данный метод позволяет представить в цифровой форме любую кривую, заданную в виде двухградационного изображения на неквантованной плоскости. В результате применения цепного кодирования кривая произвольной формы представляется в виде кода, описывающего изменение произвольной кривой в градусной мере в соответствии с направлениями, показанными на фиг.2.
Последовательность, состоящую из n кодов, полученных преобразованием кривой по выбранному правилу в значения ее изменений относительно точки отсчета, называют цепью (Теория распознавания и анализ сцен: Пер. с англ. / Р.О.Дуда, П.Е.Харт.; Под ред. В.Л.Стефанюка. М.: Мир, 1976. - 511 с.). Графическая интерпретация данного преобразования для участка кривой представлена на фиг.3.
Применение цепного кодирования для кривых в трехмерном пространстве предлагается представлять последовательностью цепей трех проекционных плоскостей. В качестве проекционных плоскостей выступают:
1) ZOX - проекционная плоскость бокового изображения;
2) ZOY - проекционная плоскость фронтального изображения;
3) XOY - проекционная плоскость вертикального изображения.
Плоскости ZOX, ZOY жестко закрепляют позицию точки соприкосновения пера с плоскостью письма, так как проекционная плоскость вертикального изображения параллельна плоскости письма. В свою очередь плоскости ZOX, ZOY располагаются соответственно параллельно длине и ширине листа или рабочей области планшета.
Непрерывная кривая линия К в трехмерном пространстве R3, ограниченная начальной и конечной точками и состоящая из конечного числа отрезков, без потери информации о свойствах данной кривой может быть задана множеством градусных мер углов каждого отрезка, входящего в ее состав, относительно проекционных плоскостей. Так, для непрерывной, ограниченной с двух концов кривой линии в трехмерном пространстве, состоящей из m отрезков, множество ее градусных мер углов для трехмерного пространства в матричной форме будет иметь вид:
где αi - градусная мера угла i-ого отрезка кривой относительно проекционной плоскости бокового изображения;
βi - градусная мера угла i-ого отрезка кривой относительно проекционной плоскости фронтального изображения;
Vi - градусная мера угла i-ого отрезка кривой относительно проекционной плоскости вертикального изображения.
Фактически число параметров кривой, характеризующей позу индивида, принимаемую идентифицируемым человеком при постановке им подписи (автографа), определяется размерностью пространства, в котором данная кривая представлена, а также количеством входящих в ее состав отрезков.
Предлагаемый способ является дополнением к способу-прототипу, осуществляется одновременно со способом-прототипом, при этом процедура выделения предлагаемых биометрических признаков происходит в момент прикосновения пера к плоскости письма.
Реализацию предлагаемого способа идентификации человека по его биометрическому образу поясним на следующем примере.
Имеются два фронтальных изображения двух пишущих человек. По характеру кистей, держащих перо, оба изображения принадлежат людям с ведущей правой кистью (правшам). Условно обозначим одного человека на изображении индексом А, а человека на другом изображении индексом В. Данные изображения представлены на фиг.4 и 5 соответственно. Для обоих изображений осуществлено построение кривых биометрического образа по средним точкам объема в фронтальной плоскости, составляющим данную фигуру от кончика пера, соприкасающегося с плоскостью письма, далее по кисти, удерживающей перо, предплечью, плечу, отрезку, соединяющему плечевые кости, далее по плечу, предплечью, до кончика среднего пальца кисти другой руки. Данные кривые для изображений А и В состоят из восьми отрезков каждая. Характеристические параметры данных отрезков в градусной мере относительно плоскости письма представлены в таблице на фиг.6.
Для определения сходства между кривыми изображений А и В воспользуемся наиболее распространенной ее разновидностью dab - евклидовым расстоянием между парой цепей а и b, вычисляемым по формуле (Теория распознавания и анализ сцен: Пер. с англ. / Р.О.Дуда, П.Е.Харт.; Под ред. В.Л.Стефанюка. М.: Мир, 1976. - 511 с.):
где m - количество элементов цепи;
i - текущее значение элемента цепи.
В нашем случае цепями а и b выступают градусные меры углов всех отрезков кривых для изображений А и В соответственно. Подставив в формулу (2) данные из таблицы, изображенной на фиг.6, получим значение dab=39,4. Данное значение показывает, что кривые для изображений А и В различаются друг от друга на порядок, т.е. фронтальные изображения А и В принадлежат различным людям. Для простоты объяснения мы ограничились лишь фронтальными изображениями двух людей, но для получения высокой достоверности необходимо использовать характеристические параметры данных отрезков в градусной мере относительно проекционных плоскостей вертикального, бокового и фронтального изображений.
Положительный результат применения в качестве меры различия евклидова расстояния позволяет использовать предлагаемые параметры в качестве дополнительных параметров к способу-прототипу как в процессе обучения искусственной нейронной сети, так и дальнейшей идентификации, устраняя недостаток в низкой достоверности даже при возможности искусной подделки подписи (автографа) и характера ее исполнения индивидом.
Таким образом, в результате введения в способ-прототип дополнительного признака - позы индивида, принимаемой им при постановке подписи (автографа), - позволяет повысить достоверность биометрической идентификации и обеспечить скрытность факта контроля по предлагаемому биометрическому признаку.
Проведенный анализ существующих способов позволил установить, что аналоги, тождественные признакам заявленного технического решения, отсутствуют, что указывает на соответствие заявленного способа условию патентоспособности «новизна». Введенный отличительный признак: использование в качестве дополнительных контролируемых параметров биометрического образа, характеризующего позу индивида, принимаемую идентифицируемым человеком при постановке им подписи (автографа), и представленного в виде кривой с входящими в нее отрезками, построенными по средним точкам объемной фигуры от кончика пера, соприкасающегося с плоскостью письма, в точку соприкосновения пера с кистью руки, далее по кисти, удерживающей перо, предплечью, плечу, отрезку, соединяющему плечевые кости, далее по плечу, предплечью, до кончика среднего пальца кисти другой руки, и преобразование полученной кривой в цифровые последовательности проекционных плоскостей вертикального, бокового и фронтального изображений с использованием цепного кодирования в момент прикосновения пера к плоскости письма идентифицируемым человеком без его уведомления о происходящем, - в аналогах не встречается. Следовательно, заявляемый способ удовлетворяет критерию «изобретательский уровень».
Промышленная применимость способа заключается в возможности его использования для биометрической идентификации человека в системах ограничения доступа к защищенным от посторонних лиц услугам, ресурсам и объектам при реализации этапов способа на существующей в настоящее время элементной базе.
Способ идентификации человека по его биометрическому образу, по которому биометрический образ преобразуют в контрольные параметры, последние подают на вход искусственной нейронной сети, которую предварительно обучают с использованием заданного кода, однозначно соответствующего записи, содержащейся в документе, удостоверяющем идентифицируемого человека, таблицу обученной нейронной сети включают в состав документа, при идентификации преобразуют контролируемые параметры с помощью этой нейросети в выходной код, сравнение выходного кода нейросети и заданного кода осуществляется проверяющим человеком, отличающийся тем, что контролируемые параметры биометрического образа дополняют параметрами, характеризующими позу индивида, принимаемую идентифицируемым человеком при постановке им подписи (автографа), при этом поза индивида представляется в виде кривой с входящими в нее отрезками, построенными по средним точкам объемной фигуры от кончика пера, соприкасающегося с плоскостью письма, в точку соприкосновения пера с кистью руки, далее по кисти, удерживающей перо, предплечью, плечу, отрезку, соединяющему плечевые кости, далее по плечу, предплечью, до кончика среднего пальца кисти другой руки, полученную кривую в трехмерном пространстве преобразуют в цифровые последовательности проекционных плоскостей вертикального, бокового и фронтального изображений с использованием цепного кодирования, получение данных параметров осуществляется в момент прикосновения пера к плоскости письма идентифицируемым человеком без его уведомления о происходящем.
