ЗАДАЧИ РАСПОЗНАВАНИЯ ЧЕЛОВЕКА ПО РАДУЖНОЙ ОБОЛОЧКЕ ГЛАЗА

Введение

Только один внутренний орган человека можно увидеть снаружи – это глаз. Все внутренние органы людей отличаются своей неповторимостью. Изображение глаза можно без проблем получить, например, при помощи цифрового фотоаппарата. Тогда возникает вопрос: можно ли использовать изображение радужной оболочки глаза человека как некоторую особенность, которая будет отличать людей друг от друга? В данной статье мы расскажем о разных алгоритмах распознавания личности человека по изображению радужной оболочки его глаза.

Глаза человека развиваются, пока он находится в утробе матери, начиная со второго триместра и прекращая на восьмом месяце беременности, правда это не касается цвета глаз, так как он может меняться на протяжении первого года жизни ребёнка. Таким образом, даже однояйцовые близнецы будут иметь разные радужные оболочки. Текстура радужной оболочки глаз может изменяться на протяжении жизни человека только из-за болезней глаз, например, катаракта, но бывает, что после произведённой операции на глазах текстура остаётся неизменной или же не сильно меняется. Задача, которую выполняет радужная оболочка глаз, представляет собой контроль количества света, попадающего через зрачок на сетчатку глаза. Такой контроль происходит благодаря сокращению мускулатуры радужной оболочки глаза.

Текстура радужной оболочки глаза чаще всего случайна, чем выше степень случайности, тем больше возможность, что такая текстура будет единственной, уникальной в своём роде. С точки зрения математики, такая «случайность» определяется степенью свободы, например, опытным путём выявлено, что рисунок радужной оболочки имеет степень свободы 250. Для сравнения, степени свободы отпечатков пальцев - 35, а изображений лиц - 20. Поэтому применение рисунка радужной оболочки для распознавания личности достаточно перспективно.

История

В 70х – 80х годах 20 века возникла идея: по рисунку радужной оболочки глаза определять личность.

Офтальмолог Aran Safir и учёный Flom в 1981 году стали изучать научные доклады в области медицины о том, как устроен глаз человека и в особенности его радужная оболочка. Опытным путём было выявлено, что рисунок радужной оболочки глаза можно использовать для распознавания личности. В 1987 году они отправили предложение о сотрудничестве в области компьютерной науки учёным Кэмбриджа и John Daugman начал работать в этом направлении. John Daugman опубликовал результаты проведённых им экспериментов в 1992 году на одной з конференций, сейчас его труды являются основой в данной теме. Уже 1994 году система распознавания личности по радужке на основе опытов John Daugman`a была запатентована.

В 1996 году Richard P. Wilds предложил свой способ хранения данных о рисунке радужки, затем W. Boles предложил ещё один способ, а после последовали и другие способы и предложения.

Сейчас три подхода получили распространение – методы Daugman, Noh и Lim.

Общий алгоритм

Все алгоритмы распознавания личности по радужке по строены с использованием одного и того же принципа, а именно выделения частотных или каких-либо других данных о рисунке радужной оболочки глаза из изображения. Затем эти данные сохраняются в виде специального кода, который можно хранить в базе данных и сравнивать его с другими кодами радужек.

Составление кода происходит следующим образом:

1. Из всего изображения происходит выделение, так называемой, «баранки» радужной оболочки глаза.
2. Производится начальная обработка изображения, которое было получено на первом этапе. Например, убирается шум, улучшается изображение, удаляются блики. Некоторые из алгоритмов преобразуют круглый зрачок в прямоугольное изображение, таким образом, происходит преобразование полярной системы координат в декартову. Порой, после таких преобразований часть изображения отсекается, для того, чтобы накопленная ошибка в дальнейшем не влияла на качество распознавания.
3. Происходит составление самого кода, для этого обработанное изображение подвергается фильтрации, в результате которой получаем код.

Для получившихся кодов нужно сформировать сравнительный критерий, им может быть код Хэмминга, так как код часто оформляется как последовательность битов. Почти все методы работают без цветовой составляющей изображения, так как она является избыточной.

Локализация радужки

Существуют алгоритмы, которые используют специальное оборудование для захвата изображения, это позволяет сделать изображение глаза высокого разрешения, получить хорошую контрастность, яркость и отцентрировать радужную оболочку. Помимо всего этого, система камер не должна вынуждать человека находиться в конкретной позе на определённом расстоянии от камеры, освещение так же не должно быть специальным.

В некоторых случаях, кроме одного снимка делается второй снимок с использованием инфракрасной камеры.

Для определения радужной оболочки глаза от остального изображения, можно путём анализа первой производной выделить края и произвести их аппроксимацию простыми геометрическими объектами. Например, внешнюю границу радужной оболочки глаза и зрачок можно найти, используя преобразования Хафа. Так же границу радужной оболочки и век можно определить двумя параболами или же отсечением кусков изображения, которые не относятся к радужной оболочке.

В случае, когда для захвата изображения не использовалась специальная аппаратура, возможно, потребуется предварительная обработка по подавлению не желательных эффектов, например шум или блики.

Нормализация изображения

Существуют алгоритмы, которые используют перевод изображения из декартовой системы координат в полярную. Такой перевод должен задаваться определённым образом, таким, чтобы окружность граница зрачка и радужной оболочки отобразилась на прямую.

Полученное изображение можно отфильтровать гауссовым фильтром, либо медианным, дабы убрать высокочастотный шум. После этого, для повышения контрастности осуществляется выравнивание гистограммы.

После перевода изображения в декартову систему координат его малозначащие части можно откинуть, например верхнюю и нижнюю стрики, так же происходит удаление бликов, которые негативно сказываются на текстуре радужной оболочки.

Составление кода

Когда первоначальная обработка совершена, изображение радужной оболочки глаза готово для того, чтобы из него можно было извлечь более формальные данные.

Пространственно-частотная свёртка изображения фильтрами Габора является классическим методом составления кода. Все биты кода зависят от знака результата применения фильтра Габора на небольшой участок рисунка радужной оболочки. Например, в качестве сравнения можно взять расстояние Хэмминга.

Другой метод составления кода при использовании фильтров Габора основан на среднем абсолютном отклонении отфильтрованного изображения от оригинала. Тогда сравнительной функцией будет являться евклидово расстояние между векторами.

Wildes берёт декомпозицию изображения при использовании Laplacian of Gaussian filters. Тогда результирующее изображение представляет собой многомасштабную пирамиду изображений, которые были обработаны гауссовым фильтром. Такое изображение должно давать пространственные характеристики радужной оболочки, в этом случае для сравнения берётся нормированная корреляция, обрабатываемого изображения и изображения из базы данных. Нормализованная корреляция представляет собой соответствие точек двух изображений или же областей изображений относительно друг друга.

Tisse работает с многомерным преобразованием Гилберга. Алгоритм составление кода и алгоритм сравнения похож на классический способ.

Обеспечение инварианта относительно масштаба и поворота

Относительно масштаба изображения на входе инвариант во большинстве систем регулируется приведением радужной оболочки в базе данных, при использовании нескольких углов поворота. Стабильность относительно поворота получается благодаря хранению нескольких изображений под разными углами поворота в базе данных.

Классические методы

Система Daugman`a разработана в 1992 году, основополагающими для составления кода являются фильтры Габора, для сравнения кодов используется расстояние Хэмминга. Код имеет запатентованное название «IrisCode» и представляется как двоичная переменная 512 байт. Данная система является самой ранней и наиболее развитой.

Система Wildes разработана в 1996 году, основополагающим является преобразование Хафа для локализации радужной оболочки, мультимасштабную композицию для составления кода, для сравнения кодов используют нормализованную корреляцию. Так же используется специальное оборудование, при помощи которого происходит захват изображения.

Система Boles`a была предложена в 1989 году и была основана на вейвлет-преобразованиях. Изображение радужки рассматривается как одномерная функция, которая подвергается фильтрации вейвлетами специального вида. Код составляется при использовании точек, где результирующее представление обнуляется.

Используется анализ несвязанных компонент с переменной разрешающей способностью. Данная разработка является коммерческой.

Заключение

Специалисты в области биометрических систем считают, что распознавание личности по радужке могут заменить ключи и личные id-номера. Текстура радужки единственна и не может быть одной и той же даже у близнецов. Вероятность совпадения радужки двух людей очень мала, приблизительно 10-78 . Распознавание по текстуре радужной оболочки допускает полностью бесконтактную реализацию.

Источник: http://cgm.computergraphics.ru