Радужная оболочка

Оптическое устройство идентификации, оно же оптический считыватель ROU 3000, содержит элементы для получения  изображения радужной оболочки глаза. Голосовая и световая индикация  информирует пользователя, определен  он системой или нет.

Контроллер двери ICU 3000 создает специальный код (IrisCode) изображения сетчатки глаза, получаемой от считывателя ROU, сравнивает этоткод с уже имеющимися в его памяти кодами изображений. При идентификации соответствующего кода, результат сообщается голосом из динамика в считывателе ROU 3000. К контроллеру возможно подключение до четырех считывателей ROD 3000, что обеспечивает управление четырьмя дверями.

Сервер выполнен на базе персонального компьютера. Он выполняет функции главного сервера, сервера, станции регистрации пользователей, станции мониторинга и управления системой. Главный сервер контролирует передачу информации из базы данных по запросу от одного сервера другим серверам. Сервер отвечает за управление рабочими станциями и контроллерами  дверей ICU. Станция ввода изображения  обеспечивает регистрацию пользователей  при помощи устройства EOU 3000. Станция  мониторинга производит отслеживание статуса контроллеров ICU, оптических считывателей ROU? устройства регистрации  и состояния дверей ROU. Станция  управления обеспечивает поддержку  основной базы данных пользователей, загрузку необходимых данных в контроллер ICU.

Пример построения системы доступа на основе электронной  системы распознавания радужной оболочки глаза «Iris Access 3000» представлен на рис. 3.30.

Перспективы распространения  этого способа биометрической идентификации  для организации доступа в  компьютерных системах очень хорошие. Тем более, что сейчас уже существуют мультимедийные мониторы со встроенными в корпус видеокамерами. Поэтому на такой компьютер достаточно установить необходимое программное обеспечение, и система контроля доступа готова к работе. Понятно, что и ее стоимость при этом будет не очень высокой.

Радужная оболочка  
Радужная оболочка глаза является уникальной характеристикой человека. Рисунок радужки формируется на восьмом месяце внутриутробного развития, окончательно стабилизируется в возрасте около двух лет и практически не изменяется в течение жизни, кроме как в результате сильных травм или резких патологий. Метод является одним из наиболее точных среди биометрических технологий.

Система идентификации  личности по радужной оболочке логически  делится на две части: устройство захвата изображения, его первичной  обработки и передачи вычислителю; вычислитель, производящий сравнение  изображения с изображениями  в базе данных, передающий команду  о допуске исполнительному устройству.

Время первичной  обработки изображения в современных  системах примерно 300-500 мс, скорость сравнения  полученного изображения с базой  имеет уровень 50000-150000 сравнений  в секунду даже на обычном персональном компьютере. Такая скорость сравнения не накладывает ограничений на применение метода в больших организациях при использовании в системах доступа. При использовании же специализированных вычислителей и алгоритмов оптимизации поиска становится даже возможным идентифицировать человека среди жителей целой страны.

Статистические характеристики метода  
Характеристики FAR и FRR для радужной оболочки глаза наилучшие в классе современных биометрических систем (за исключением, возможно, метода распознавания по сетчатке глаза). В статье приведены характеристики библиотеки распознавания радужной оболочки глаза российской разработки — EyeR SDK, — полученные на открытых базах глаз фирмы CASIA.

Характерное значение FAR — 0,00001%.  
— численность персонала организации, при которой идентификация сотрудника происходит достаточно стабильно.

Здесь стоит отметить немаловажную особенность, отличающую систему распознавания по радужной оболочке от других систем. В случае использования камеры разрешения от 1.3 мегапикс. можно захватывать два глаза на одном кадре. Так как вероятности FAR и FRR являются статистически независимыми вероятностями, то при распознавании по двум глазам значение FAR будет приблизительно равняться квадрату значения FAR для одного глаза. Например, для FAR 0,001% при использовании двух глаз вероятность ложного допуска будет равна 10-8 %, при FRR — всего в 2 раза выше, чем соответствующее значение FRR для одного глаза при FAR = 0,001%.

Преимущества и недостатки метода:

РАСПОЗНАВАНИЕ ЧЕЛОВЕКА ПО РАДУЖКЕ

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.