Vzpon biometrije

Prepoznavanje ljudi je danes po svetu zaradi objektivnih razlogov zelo na udaru. Najprej se bomo sprehodili po zgodbi, možnem scenariju razvoja nekega z biometrijo povezanega dogodka, nato pa ga kritično vzeli pod drobnogled z vidika realnosti in argumentirali zapisane trditve.

Moški v trgovini hodi med prodajnimi policami. Povsod zasloni LCD. Obstane. Popraska se po zaraščenem licu. Pogled se mu ustavi na najbližjem LCDju. Ta ga nagovori z oglasnim sporočilom: "Danes imamo v akciji novo peno za britje Gillette. Le pokukajte za levi vogal prodajne police." Res je, peno potrebuje, zraven pa še novo polnilo za PhiliShave. Preden odrine, se še enkrat ozre na LCD. Ta zdaj posveča pozornost njegovemu sinu in pravi: "Za vašega sina pa imamo danes v akciji nov okus čokoladic Snickers. Dobite jih pri blagajni." Pogleda malega in opazi, da ima v kotičkih ustnic še vedno sledi čokoladice, ki jo je zmazal nedolgo nazaj. Nasmeji se in odkoraka proti prodajni polici s penami za britje ...

Ste opazili, da se v zgodbi glavni lik ni niti enkrat začudil? In zakaj ne? Vsekakor ne zato, ker zgodba odseva našo realnost, temveč zato, ker ve, da današnja tehnologija take ali podobne situacije lahko omogoča. Poglejmo v zakulisje.

Primerjava prstnih odtisov na podlagi minucij

Biometrija in FRI

Ker smo na FRI po naravi zelo radovedni, nas zanimajo vse modalnosti, največ pozornosti pa namenjamo iskanju in prepoznavanju obrazov. Radovednost, skupaj s študenti, dijaki, partnerji in drugimi radovedneži, potešimo predvsem v treh laboratorijih: Laboratorij za računalniški vid (obrazi), Laboratorij za umetne vizualne spoznavne sisteme (obrazi) in Laboratorij za arhitekturo in procesiranje signalov (glas).

Pri delu nismo zgolj strogo znanstveni, zato lahko med našimi projekti najdete tudi zanimivosti, kot je 15 sekund slave, ki je aplikacija iskanja obrazov v umetniških vodah (black.fri.uni-lj.si/15sec).

Fakultetna stran: www.fri.uni-lj.si

Strežnik e-publikacij: eprints.fri.uni-lj.si

Biometrija

Biometrija kot postopek lahko izmeri tiste značilnosti človeka, po katerih se med seboj razlikujemo, nato pa nas lahko ali prepozna ali kategorizira. Očitno imamo v zgornjem primeru opraviti s kategorizacijo, "grupiranjem". Namenoma, saj v tem prispevku ne mislimo načenjati etičnih načel in pravice do varovanja zasebnosti. Ja, seveda, imate prav, v tem primeru torej ne gre za pravo biometrijo, saj končni cilj ni prepoznava! Vendar se v praksi izkaže, da postopek kategorizacije pred prepoznavo zelo zmanjša preiskovalno množico ljudi. Tako je kategorizacija lahko tudi del biometričnega sistema. Po drugi strani pa lahko tako gradimo tudi profil človeka, pa čeprav o njem ne vemo točno, kdo je.

Zagotavljanje pravilne osvetlitve in kakovosti obraza je ključnega pomena za nadaljnji postopek prepoznave, kjer se izločajo tudi značilke obraza.

Država ne mara biometrije ...

Za obračun delovnega časa se tudi pri nas že dalj časa uporabljajo magnetne kartice in podobni sistemi. Podjetja oz. ponudniki, ki se ukvarjajo s temi rešitvami, poskušajo v zadnjem času ta sistem nadomestiti z biometričnimi sistemi, konkretno z bralniki prstnih odtisov, vendar v tej smeri nimajo pretiranega uspeha.

Po zakonu je namreč treba za take namestitve od urada pooblaščenke za dostop do informacij javnega značaja (državnega nadzornega organa) pridobiti soglasje, saj zakon predvideva uporabo biometrije le v "nujnih primerih". Taka dikcija temelji na strahu pred shranjevanjem in potencialno zlorabo tako shranjenih podatkov oz. celo na posegu v zasebnost.

V resnici v teh sistemih sami prstni odtisi nikoli niso shranjeni v obliki, da bi jih bilo mogoče replicirati oz. zlorabiti, temveč se hranijo le nekatere ključne značilnosti, ki so nujne za preverjanje identitete. Urad pooblaščenke kljub temu zelo konservativno vztraja, da je to pri nekaterih sistemih morda res, vendar ponudnikom ne moremo zaupati, da sistema nekoč morda ne bodo nadgradili v smer, ki omogoča zlorabo. In da, skratka, uvedba biometrije ni nujna.

Do spremembe tega stališča bomo torej delovni čas elektronsko še vedno merili s karticami, ki jih je neprimerno laže odtujiti in zlorabiti kot npr. prstni odtis.

Zanimivo, da je urad pooblaščenke kljub opisani natančnosti mirno dopustil, da bo prstni odtis zapisan v novih biometričnih potnih listih in tako na milost in nemilost prepuščen državi, ki ima za njegovo zlorabo neprimerno več možnosti kot neko podjetje. Po besedah predstavnice urada so to žal spregledali, oz. jim je ušlo ...

Spletna stran Informacijske pooblaščenke: www.ip-rs.si

Primer odločbe o zavrnitvi:

www.ip-rs.si/index.php?id=424&no_cache=1&tx_jzvopdecisions_pi1[showUid]=150&tx_jzvopdecisions_pi1[highlightWord]=odtis&cHash=49baadeab9

Modalnosti

Katere lastnosti človeka lahko uporabimo za prepoznavo? Prstni odtis, obraz, mrežnica, šarenica, odtis dlani, glas, podpis, DNK, geometrija roke, oblika ušesa, vonj, dinamika tipkanja, hoja, infrardeča slika obraza, roke ipd. To so tako imenovane modalnosti biometričnih sistemov. Pri sami kategorizaciji pa nas lahko zanima spol, rasa, starost, mimika, mozoljavost kože, navzočnost nakita, ličil, barva las, uporaba pokrival ipd.

Tipične komponente sistema za prepoznavanje obrazov

Učinkovitost

Brez zadržkov lahko zapišemo, da nobena modalnost ne dosega stoodstotne točnosti. Vendar, pozor, tudi človek sam tega ne dosega. In zadnji rezultati testov, recimo postopkov oziroma sistemov za prepoznavanje obrazov, dosegajo boljšo točnost kot človek (Face Recognition Vendor Test 2006: http://www.frvt.org/). Človek je torej premagan!

Seveda pa stvari ne gre posploševati. Tako smo na FRI pred kratkim gostili enega izmed svetovnih krojačev področja biometrije, točneje prepoznavanja obrazov. Harry Wechsler (cs.gmu.edu/~wechsler) je na vprašanje, ali lahko pokomentira trditvi zgoraj omenjenega testa, da je človek premagan in da prihodnost leži v 3D prepoznavi, pomenljivo odgovoril, da nosilci projekta pač morajo upravičiti financiranje, hkrati pa si želijo zagotoviti nadaljevanje projekta. Nadaljeval je v podobnem, diplomatsko-kritičnem slogu: Test ne odgovarja na vprašanje operativnosti sistemov in ne opravičuje stroškov le-teh. Nadalje se je malo spotaknil tudi ob zasnovo eksperimentov in posledično zaupanje v rezultate.

Vsaka modalnost ima svoje probleme, ki omejujejo njeno uporabnost oziroma aplikativnost. A tudi tu ne ostajamo ravnodušni: ideja za rešitev je v kombiniranju modalnosti v večmodalni biometrični sistem. Skoraj nemogoče je namreč, da bi štiri ali pet različnih modalnosti pri prepoznavanju ljudi še vedno imelo težave. Torej, ena modalnost lahko izniči ali omili težave neke druge modalnosti, ena lahko preverja odločitev druge ipd. Vsi torej težimo h kombiniranju in gradnji hibridnih sistemov. Po načelu več glav več ve, več modalnosti skupaj daje boljše rezultate.

Danes najbolj aktualne modalnosti so prstni odtis, obraz in šarenica. Zato se tu omejimo na te tri.

Primerjava različnih modalnosti

Da lahko človeška fiziološka ali vedenjska lastnost rabi kot biometrična značilnost posameznika, mora izpolnjevati naslednje zahteve: univerzalnost - izbrano lastnost mora imeti vsak človek; edinstvenost - nobena dva posameznika ne smeta biti enaka glede na izbrano lastnost; trajnost - v danem času se lastnosti ne sme spremeniti; zmožnost zajetja - lastnost je mogoče kakovostno izmeriti.

Poleg naštetih zahtev pa moramo pri izgradnji biometričnega sistema v praksi upoštevati tudi: učinkovitost - točnost, hitrost in izraba virov sistema; sprejemljivost - za uporabnika mora biti neškodljiv in sprejemljiv za namenjeno populacijo uporabnikov; možnost prevare - biti mora dovolj robusten za različne prevare in vdore.

Prstni odtis

Prstni odtis je vzorec grebenov in brazd, ki so na konici vsakega prsta. Za namene identifikacije se prstni odtisi uporabljajo že zelo dolgo, uspešnost takih sistemov pa je zelo velika. Prstni odtis nastane že pri razvoju zarodka in se ne spremeni s starostjo človeka, temveč raste v svoji prvotni obliki in po končani rasti človeka ostane v svoji velikosti nespremenjen. Prav tako se po poškodbi obnovi v prvotno obliko. Enojajčni dvojčki nimajo enakih prstnih odtisov, podobno so tudi prstni odtisi različnih prstov istega človeka različni. Bralniki prstnih odtisov niso več dragi in jih lahko dobimo že za 15 evrov. Poleg tega bralnik vsebuje že veliko naprav, ki jih lahko uporabljamo v najrazličnejših aplikacijah.

Natančnost trenutnih sistemov je primerna za verifikacijo in identifikacijo manjše do srednje velike skupine ljudi (nekaj sto ljudi). Mimogrede, verifikacija odgovarja na vprašanje: "Ali je to res ta človek?", identifikacija pa odgovarja na vprašanje: "Kdo je ta človek?" Težava sistemov za prepoznavo, ki temeljijo na prstnih odtisih, je še vedno velika obremenitev računalniških virov. Za nekatere je tak sistem lahko tudi nesprejemljiv - zaradi najrazličnejših dejavnikov, na primer neustreznih razmer v okolju ali poklicne deformiranosti (fizični delavci, glasbeniki). Najbolj razširjene metode temeljijo na prepoznavanju vzorca ali izvlečku minucij (drobnih značilnosti). V primeru algoritmov, ki temeljijo na minucijah, je prstni odtis sestavljen iz grobih značilnosti, kot so loki, zanke in zasuki, in drobnih značilnosti, kot so predvsem bifurkacije (razdelitve), delte (združevanja v obliki črke Y) in zaključki grebenov. Prstni odtis ima od 30 do 40 minucij. Značilnost vsake od njih je položaj (koordinate), tip (bifurkacija, delta ali zaključek) in usmerjenost.

Obraz

Obraz je najbolj razširjena biometrična značilnost, ki jo uporablja človek za prepoznavo. Od tod tudi ideja, da bi to modalnost za prepoznavo uporabljali tudi biometrični sistemi. Metoda sama ni vsiljiva in jo lahko uporabimo tudi naskrivaj. Aplikacije obsegajo prepoznavo iz statičnih frontalnih slik obrazov pa vse do dinamičnih sistemov za identifikacijo v nenadzorovanem okolju (na primer na letališču). Verifikacijski sistem vključuje izločanje značilk iz 2D slike obraza in primerjavo le-teh s predhodno shranjenim vzorcem iz zbirke podatkov. Najuspešnejše metode za prepoznavo obrazov lahko razdelimo na:

1) tiste, ki uporabljajo lokacijo in obliko obraznih značilk, kot so oči, obrvi, nos, lica in brada, ter njihovo razporeditev ter

2) tiste, ki uporabljajo celoten videz obraza in predstavijo obraz posameznika kot uteženo vsoto nekakšnih standardnih obrazov. Čeprav je uspešnost komercialnih sistemov za verifikacijo sprejemljiva, ti pogosto vsebujejo številne omejitve, kako mora biti slika zajeta, predpostavlja se enotno ozadje in enakomerna osvetlitev. Težave sistemov so še vedno prepoznava obrazov iz različnih kotov in pod različnimi osvetlitvami. Postavlja se tudi vprašanje, ali je informacija obraza sploh dovolj reprezentativna informacija, ki bi zadoščala za razlikovanje med širšo populacijo z zadostno mero zaupanja. Celovit avtomatski sistem za prepoznavo obrazov mora tako poiskati in locirati obraz na vhodni sliki in hkrati prepoznati obraz iz poljubnega pogleda in nagiba.

Primer sistema za analizo in primerjavo šarenice

Nekaj primerov prepoznave obrazov iz prakse

Leta 2000 je bil za iskanje duplikatov v registru volivcev ZDA uporabljen program FaceIt podjetja Identix, zdaj L-1 Identity Solutions (www.l1id.com). Bili so namreč primeri, ko je bil posameznik registriran več kot enkrat. Med primeri, ki jih je sistem našel, so nato ročno preverili, ali sta človeka res enaka.

***

S sistemom faceFinder podjetja Viisage, zdaj L-1 Identity Solutions, so opremili številne uprave javnih zaporov in pisarne za izdajo vozniških dovoljenj. Ta program je bil uporabljen tudi za preverjanje naključno izbranih prosilcev za izdajo trajne vize za vstop v ZDA. Tako zajete slike prosilcev nadalje uporabljajo pri preverjanju potencialnih oseb, ki bi lahko ogrozile varnost države.

***

Sistem FaceKey (www.facekey.com) kombinira za nadzor nad dostopom do sistema za prepoznavo obrazov in sistema za prepoznavo prstnih odtisov. S tem se še dodatno poveča zanesljivost sistema. Tak sistem ne potrebuje vstopnih kod, gesel ali kartic. Prednost takih sistemov, ki kombinirajo dva biometrična podatka, je tudi v tem, da se pri njih zelo zmanjša verjetnost napake. Sistem lahko deluje kot samostojen sistem ali kot sistem, povezan v krajevno ali celo globalno mrežo.

***

Sistem podjetja Visiphor (www.visiphor.com) uporabljajo v sobi za zasliševanje na letališču Oakland v Kaliforniji. Sumljive ljudi se primerja s slikami iskanih kriminalcev.

***

V Maleziji se na 16 letališčih uporablja že omenjeni sistem FaceIt, ki skrbi za večjo varnost potnikov in njihove prtljage. Pri nadzoru prtljage se ob pomoči zelo majhne kamere zajame video posnetek potnika. Ta video posnetek se shrani na posebno pametno kartico, ki je del karte in del prtljage. Sistem zagotovi, da lahko samo tisti, ki je predal prtljago, vstopi v prostor za odhode in se pozneje tudi vkrca na letalo. Prav tako se nadzira tudi prtljaga, ali je naložena na pravo letalo. Med vkrcavanjem sistem v realnem času preveri sliko potnika s sliko, shranjeno na karti. Dokler se sliki ne ujemata, se tudi prtljaga ne naloži na letalo. FaceIt je uporabljen tudi za nadzor londonskega mestnega središča.

***

Sistem ZN-Face združuje biometrične podatke obraza in prstnega odtisa na pametni kartici in se uporablja na berlinskem letališču za zaščito varovanih območij. Morebitne grožnje kriminalcev, ki so do zdaj uspešno vstopali na zavarovana območja ob pomoči ustreznih preoblek (na primer pilotskih uniform), lahko taki sistemi uspešno izključijo. Na vsakem vstopnem mestu se zajete značilnosti človeka preverijo s tistimi, ki so shranjene na pametni kartici, in tako rabijo za verifikacijo.

***

Sistem podjetja Visiphor so namestili tudi v igralnico za potrebe nadzora in kontrole obiskovalcev. V kombinaciji z globalno zbirko podatkov nezaželenih obiskovalcev in hazarderjev omogoča sistem igralnicam zelo učinkovito varnostno rešitev.

***

Nekateri sistemi omogočajo avtomatsko organizacijo in s tem enostavnejše iskanje po veliki zbirki fotografij v domačem albumu. Primer takega programa je FotoFile, ki ob pomoči prepoznave obraza avtomatsko izvede identifikacijo vseh ljudi na fotografijah in na podlagi tega fotografije samodejno označi in združi v skupine. Uporabnik lahko tako izbiro sistema potrdi ali ovrže in s tem sistem dodatno uči.

Ali je prihodnost prepoznavanja obrazov res v 3D?

Šarenica

Šarenica je barvast kolobar očesa, ki obkroža zenico, obdaja pa jo beločnica. Začne se oblikovati že pri zarodku v tretjem mesecu nosečnosti in dokončno strukturo doseže po dveh letih življenja. Kompleksna struktura šarenice nosi različne značilke, ki so pomembne za samo prepoznavo. Natančnost in hitrost sistemov, ki temeljijo na šarenici, sta obetavni, izvedljiv pa je tudi identifikacijski sistem velikega obsega. Vsaka šarenica je unikatna, podobno kot pri prstnem odtisu pa se tudi šarenici dvojčkov razlikujeta. Šarenico je zelo težko ponarediti, ugotavljanje umetnih dodatkov pa je dokaj enostavno. S spreminjanjem osvetlitve lahko še dodatno ugotovimo, ali se oko pravilno odziva, s tem pa, ali gre za živ objekt. Zajemanje slike šarenice je manj vsiljivo kot pri mrežnici, ker se šarenica lepo vidi tudi z razdalje nekaj metrov. Medtem ko so prvi sistemi zahtevali veliko sodelovanja uporabnikov in so bili zelo dragi, so današnji sistemi bolj prijazni do uporabnika in cenovno sprejemljivejši. Če hočemo zajeti dovolj dobro sliko šarenice, moramo paziti na pravo osvetlitev, fokus, kontrast in velikost. Zdi se, da je šarenica konstantna pri odraslem človeku, vendar pa se včasih med odraščanjem tudi spreminja.

Nazaj k zgodbi ...

Oglaševanje je ključna naloga vsakega podjetja, ki se želi čim bolj približati potrošniku. Reklamni oglasi nas spremljajo na vsakem koraku: na televiziji, po internetu, na panojih v mestu in ob cesti, v trgovinah itd. Oglaševalci se poskušajo čim bolj prilagajati okolju in trenutnim opazovalcem. Tako na primer s spremljanjem potrošnikovih navad po internetu skušajo oblikovati človekov osebni profil in mu ponuditi tisto, kar ga zanima. Pametni oglasi pa nas opazujejo in sami poskrbijo, da nam ponudijo tisto, kar si želimo, potrebujemo, kar nas res zanima. Oglasni panoji, opremljeni s kamero in ustrezno informacijsko tehnologijo, lahko namreč na podlagi obraza ugotovijo, kdo jih gleda, in glede na to spremenijo svojo vsebino. Poglavitni del pametnih oglasov je napredna tehnologija računalniškega vida, ki omogoča avtomatsko iskanje, kategorizacijo, analizo in prepoznavanje človeških obrazov. Takšni pametni dinamični oglasi bodo spremenili pogled na oglase, ki so trenutno zaradi svoje statičnosti dolgočasni in večinoma nezanimivi.

Za razliko od biometričnih sistemov, ki se uporabljajo za varovanje in morajo biti stoodstotno zanesljivi, pa predstavljenemu sistemu za namene pametnega oglaševanja pravzaprav ni treba delovati na vseh ravneh brezhibno. Sistem se za izbrani oglas odloči na podlagi tistih kategorij, ki so potrjene z največjo verjetnostjo, da jim izbrani obraz pripada. Tako se sistem avtomatsko odloča, kakšna oglasna sporočila bo prikazoval. Če tako stojijo pred zaslonom otroci, jim ponudi igrače, če stoji starejši gospod, mu ponudi suknjič, če je neobrit, mu ponudi najnovejši brivski aparat, če stoji naličena gospa, pa kozmetiko ipd.

Tako nadgrajeni dinamični oglasi nam poleg vseh prednosti, ki jih prinašajo dinamični oglasi pred statičnimi, ponuja tudi neopazno interakcijo. Potrošnika preseneti s tem, da mu ponudi tisto, kar ga potencialno najbolj zanima. Tako nadgrajeni sistemi za prikazovanje oglasov bi spremenili tudi odnos gledalcev do oglasnih sporočil, ki je trenutno prej odklonilen kot navdušujoč.

Torej v ne tako oddaljeni prihodnosti bo še zelo pestro! In kaj manj tudi ne pričakujemo, mar ne?