CC BY
107
Выскуб Виктор Гаврилович, Прудников Илья Викторович НОУ ВПО ИГУПИТ E-mail: info@igupit.ru
Программные модули биометрической системы идентификации
Аннотация: Описана алгоритмическая реализация аутентификационного протокола системы биометрической идентификации по отпечаткам пальцев. Описанный аутентификационный протокол реализует метод повышения точности системы биометрической идентификации, основанный на реализации системы защиты от атак. Данная система базируется на получении и использовании информации о дополнительных репрезентациях исследуемого субъекта.
Ключевые слова: Биометрия, идентификация, аутентификационный протокол, алгоритм реализации, отпечатки, точность.
The Abstract: An algorithmic realization of authentication protocol for fingerprint biometric identification system is represented. The proposed authentication protocol realizes a method of improving the exactness of a biometric identification system based on anti-attack defense. The system represented is grounded on collecting and utilizing information about additional representations of the person under scrutiny.
The Keywords: Biometry, identification, authentication protocol, realization algorithm, fingerprints, exactness.
Практическая реализация системы биометрической идентификации [1] подразумевает разработку программных модулей, взаимодействие которых отражает рис.1.
Рис.1. Блок- схема программной реализации системы идентификации Модуль получения изображений по идентификаторам в-
■та
£(Д«=^)=:т
/ ={1^..ляух=/са=тужь) > &
Здесь Q(I) - функция вычисления качества полученного изображения, tq0 - порог качества изображения.
Модуль построения репрезентаций и селекции оперирует над входящим изображением/вектором изображений:
F(I) - функция построения репрезентации по изображению(ям).
Модуль реализации аутентификационного протокола описывается функцией
С = C(ii= R иной I <т
f АЛ =^&) —
С = C(R._ С)7длииой I <7
С - вектор репрезентаций, включающий в себя те репрезентации из М, для которых
значение степени сходства с Я, превышает порог 1(>. С- вектор репрезентаций, включающий в
себя те репрезентации из С, для которых значение степени сходства репрезентации & и Я превышает порог to.
Реализация системы идентификации выполнена посредством разработки 3-х взаимосвязанных модулей, реализующих последовательное выполнение соответствующих
функций - к;ай™еке": (А-И= ^), /пссфр^рёф!."а сикиир^^) и ? как представлено На
схеме (рис 1).
Все модули реализованы на платформе MS VC++ 6.0[2], c использованием пакета BSDK (Biolink Source Development Kit) v 5.2 [3] - пакет библиотек Российской компании BioLink, позволяющий реализовывать получение машинных репрезентаций отпечатков пальцев, используя биометрические сканеры, и производить сравнение полученных репрезентаций между собой.
Блок-схема модуля получения изображений приведена на рис. 2
Рис.2. Блок схема модуля получения изображений
Данный модуль предназначен для получения машинных репрезентаций. Ниже приведено описание процедур выполняемых модулем и их результаты.
«1.1 ЗАПРОС ИЗОБРАЖЕНИЯ СО СКАНЕРА»
В рамках данной процедуры происходит получение изображения идентификатора подаваемого на вход сенсору (прикладывание пальца к сканирующей поверхности). При реализации был использован оптический FTIR сканер BioLink и-Ма^ 3.5 [4]. Изображение, полученное со сканера, имеет следующие параметры:
размер - 320 на 400 пикселей;
разрешение - 500 пикселей на дюйм;
глубина цвета - 8 бит (256 градаций серого).
«1.2 КАЧЕСТВО ИЗОБРАЖЕНИЯ УДОВЛЕТВОРЯЕТ?»
В рамках данной процедуры происходит анализ качества изображения и принятие решения об использовании или отклонении полученного изображения. С помощью алгоритма анализа качества изображения, реализованного в BSDK, возможно получить выражение
количественной оценки качества, нормированной на интервал от 0 до 100 единиц.
Далее, в рамках данной процедуры, происходит сравнение полученного уровня качества, с заданным ранее (tqo). При реализации использовалось значение tq0=60 единиц. В случае, если полученное выражение качества > tq0, то изображение принимается к обработке и передается далее, иначе изображение отклоняется, и происходит повторный запрос изображения со сканера.
«1.3 РЕГИСТРАЦИЯ В М?»
В рамках данной процедуры происходит проверка на предмет типа выполняемой операции. Если выполняется операция регистрации в М, то осуществляется переход к «1.4 Получено п изображений?» т.к. для регистрации в М, необходимо получить набор изображений. Иначе, достаточно получить одно изображение, и осуществляется переход на модуль построения репрезентаций и селекции.
«1.4 ПОЛУЧЕНО N ИЗОБРАЖЕНИЙ?»
В рамках данной процедуры происходит проверка на количество полученных изображений определенного качества. Если все изображения получены, то происходит переход на модуль построения репрезентаций и селекции, иначе переход к процедуре «1.1 Запрос изображения со сканера».
Результатом работы модуля является вектор * = —‘я* = *е ✓ \/*Е - -до
или изображение ■ ■ ■ ? в зависимости от типа выполняемой операции
(регистрация в М или идентификация). Полученные данные передаются на вход модуля построения репрезентаций и селекции. Блок-схема модуля построения репрезентаций и селекции приведена на рис. 3.
Рис.3. Блок- схема модуля построения репрезентаций и селекции
Данный модуль предназначен для построения и селекции машинных репрезентаций из входных данных (изображения). Ниже приведено описание процедур выполняемых модулем и их результаты.
«2.1 РЕГИСТРАЦИЯ В М?»
В рамках данной процедуры происходит проверка на предмет типа выполняемой операции. Если выполняется операция регистрации в М, то осуществляется переход к «2.2 Извлечение изображения из вектора». Иначе, осуществляется переход к «2.3 Построение репрезентации по изображению(ям)».
«2.2 ИЗВЛЕЧЕНИЕ ИЗОБРАЖЕНИЯ ИЗ ВЕКТОРА»
В рамках данной процедуры происходит извлечение элемента анализа.
для
«2.3 ПОСТРОЕНИЕ РЕПРЕЗЕНТАЦИИ ПО ИЗОБРАЖЕНИЮ(ЯМ)»
В рамках данной процедуры происходит построение машинной репрезентации изображения идентификатора. В зависимости от случая применения, данная процедура выполняет построение репрезентации по одному или нескольким изображениям.
Для сценария регистрации в М, в рамках процедуры выполняется: построение ^ ~ (Л=^2 = --^и) по вектору ^ ~~ ^1' ^3 = — = ^лЬ
построение г при последовательной обработке изображений е ^ --.-О
I И=Г'(1)
Иначе, выполняется построение репрезентации по изображению = ■
«2.4 ВСЕ ИЗОБРАЖЕНИЯ ОБРАБОТАНЫ?»
В рамках данной процедуры происходит проверка количества обработанных изображений. Если все изображения обработаны, то происходит переход к процедуре «2.5 Селекция репрезентации, построенной по изображению с наилучшим качеством», иначе переход к процедуре «2.2 Извлечение изображения из вектора».
«2.5 СЕЛЕКЦИЯ РЕПРЕЗЕНТАЦИИ, ПОСТРОЕННОЙ ПО ИЗОБРАЖЕНИЮ С НАИЛУЧШИМ КАЧЕСТВОМ»
В рамках процедуры выполняется анализ репрезентаций ^ При анализе первой репрезентации ^ г ^ из вектора /, при ; 1 репрезентации с наилучшим качеством '
^1- ТТ ”
присваивается значение т.е. . При каждом следующем выполнении данной
> ■_^ ^ -ь
процедуры ■ 1качество репрезентации [ 31 сравнивается с качеством
о _ * ^ ^ г д1 ту
репрезентации ■' ?>. В случае, если ^ , то ■ присваивается значение ;.
Определение качества репрезентации выполняется с помощью алгоритма
анализа качества репрезентации, реализованного в BSDK. Данный алгоритм позволяет получить выражение количественной оценки качества, нормированной на интервал от 0 до 100 единиц. Качество репрезентации определяется множеством параметров, один из важнейших (для алгоритмов анализа по контрольным точкам [5,6]) - количество контрольных точек.
«2.6 ФОРМИРОВАНИЕ ЗАПИСИ В М»
В рамках данной процедуры выполняется формирование записи mi, которая будет добавлена в М. Записи в М в дальнейшем будут использоваться в процессе аутентификации.
Запись да, формируется как набор Отдельное хранение Щ , сделано
для удобства (чтобы не производить повторный анализ качества репрезентаций в К-, с целью определения репрезентации с максимальным качеством).
Результатом работы модуля являются (в зависимости от типа выполняемой операции -
регистрация в М или аутентификация) репрезентация^= г'-/), или элемент который сохраняется в М.
Полученные в ходе работы модуля данные, передаются модулю реализации аутентификационного протокола.
Блок-схема модуля реализации аутентификационного протокола приведена на рис. 4.
Рис.4. Блок схема модуля реализации аутентификационного протокола
Данный модуль предназначен для последовательного выполнения процедуры сравнения предъявленной репрезентации R на множестве репрезентаций М (аутентификационный протокол).
«3.1 СРАВНЕНИЕ НА М (МЕТЧЕР 1)»
В рамках данной процедуры происходит последовательное сравнение репрезентаций
тп- = (11 .В.. Е. ) т- <Е М М =(т, пи т ) ~ п ~
из ! >■*■:? для всех : = 4 а-—= /п;с репрезентацией к, предъявленной на
идентификацию. Результатом сравнения является вычисленное значение степеней сходства двух
„ 5”; ((-Я-)* ё т- .К) „ „
репрезентации ' . ■ 4 ' . Значение степени сходства возвращается в виде числа. Диапазон
нормирован на интервал от 0 до 1000 единиц.
Принятие решения о включении репрезентации в результирующий вектор осуществляется путем сравнения значения вычисленной степени сходства каждой пары Sk с заданным ранее пороговым значением to. На выходе процедуры формируется вектор
^': ' Л '7 А ■ ■ ■■, длину вектора обозначим как I.
«3.2 СРАВНЕНИЕ НА С(^) (МЕТЧЕР 2)»
В рамках данной процедуры происходит аналогичная процедура сравнения. Процедура
~ к ИЗ т- =(И Й еС(Д.)
сравнения оперирует репрезентацией л из * -у, для которых ■ 1 ■ , и
репрезентацией, предъявленной на идентификацию - R. При формировании результирующего
вектора используется аналогичное пороговое значение (о. Результатом работы процедуры,
модуля и всего метода соответственно, является вектор: — {М* е С(Л ) |,
длиной ^
Для каждого элемента вектора выполняется условие
Заключение:
Разработанные программные модули соответствуют описанию метода, приведенному в [1]. Исходные тексты программной реализации метода разработаны на языке C++, с использованием среды MS Visual C++[2].
Работоспособность программ, выполненных в соответствии с описанием, приведенным в данной статье, подтверждена экспериментально.
ЛИТЕРАТУРА
1. Выскуб В.Г., Прудников И.В. Возможности повышения точности биометрических распознающих систем // Инженерная физика. 2009. № 5. С. 41-43.
2. Пакет для разработки программного обеспечение в среде Win32, Microsoft Visual C++ версии 6.0 http://msdn.microsoft.com/ru-ru/visualc/default.aspx.
3. Пакет разработчика BSDK http://www.biolink.ru/products/sdk/sdk/.
4. Оптический FTIR сканер отпечатков пальцев BioLink U-Math 3.5 http://www.biolink.ru/products/scanners/ofis/350.php.
5. A.K. Jain, L. Hong, and R.M. Bolle. On-line fingerprint verification. IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, 19(04). 1997. P. 302-313.
6. N.K. Ratha, K. Karu, S. Chen, and A.K. Jain. A real-time matching system for large fingerprint database. IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, 18(8). 1996. P. 799-813.
