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UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO

CENTRO DE INFORMÁTICA

GRADUAÇÃO EM CIÊNCIA DA COMPUTAÇÃO

Sistemas Biométricos Baseados na Íris



Sara Carvalho da Rocha Brito

RECIFE, Outubro de 2009

Resumo
Este trabalho tem como objetivo abordar sobre sistemas biométricos baseados na íris. Primeiramente, esta monografia informar o que é a biometria. Isto será feito a partir de informações históricas sobre sua utilização, seguindo pela relevância de seu uso e finalizando com a explicação sobre sistemas biométricos. Os sistemas biométricos serão caracterizados por sua composição básica e pelas características que podem ser utilizadas neles. Após a criação de toda esta base de conhecimento, o presente trabalho tratará sobre os sistemas biométricos baseados na íris. Visando o melhor entendimento destes, esta monografia explicará as partes que com que estes são compostos. Estas são a segmentação, a normalização, a codificação e a comparação.

Sumário



1 – Introdução 1

2 – Visão Geral 2

2.1 – História 2

2.2 – Características e Sistemas Biométricos 3

3 – Sistema Biométrico Baseado na Íris 5

3.1 – Segmentação 5

3.2 – Normalização 8

3.3 – Codificação 8

3.4 – Comparação 8

4 – Conclusão 9

Referências Bibliográficas 9




1 – Introdução

O ser humano sempre esteve em conflito entre as ações do bem e as ações do mal. Em alguns casos, um lado torna-se mais constante do que o outro, seja por falta de caráter ou por necessidade e nestes casos vidas, informações ou dinheiro estão em jogo. Portanto, segurança é algo que desde os primórdios da humanidade é desejado de ser ter. Porém como o homem evolui, este não o faz apenas em uma vertente.

Pensando em coibir estas más ações que se tornam a cada dia mais difíceis de serem evitadas, os pesquisadores de universidades conhecidas mundialmente perceberam que poderiam utilizar características do ser humano que o identificasse de modo único. Surge, então, a biometria e os sistemas biométricos. Estes sistemas no início de sua utilização eram tão pouco popularizados que o cidadão comum imaginava aquilo como algo futurístico. Hoje, porém está cada vez mais comum seu uso em banco, aeroportos, edifícios de grandes empresas e em outros ambientes. Num futuro não muito distante, todo ambiente terá seu dispositivo biométrico para restringir ou controlar a entrada de pessoas.

Este trabalho vem apresentar sobre sistemas biométricos e em particular sobre os sistemas biométricos baseados na íris. A íris, se não a melhor, é uma das melhores características para ser usada. Isto é ocasionado por vários motivos. A rapidez e higiene na captura da característica, a longevidade, universalidade e unicidade da característica e a ausência de esforço do usuário para que a captura seja possível são alguns deles.

Esta monografia começa com o capítulo 2 que mostra uma visão geral ao leitor. Este capítulo o fará explicando a história da biometria e dos sistemas biométricos e mostrando quais as características que podem ser utilizadas nestes sistemas e quais as partes que todos os sistemas biométricos devem possuir. No capítulo 3, a monografia se restringirá a explicar apenas um sistema biométrico baseado na íris. Mas irá fazê-lo detalhando cada uma das suas quatro fases. A monografia é em seguida finalizada com a apresentação das conclusões deste trabalho.


2 – Visão Geral

Biometria é a utilização de características físicas ou comportamentais para reconhecer um indivíduo [3]. Este capítulo abordará a história da biometria, a relevância de seu uso para a sociedade e os sistemas biométricos.



2.1 – História

A apesar de parecer ser uma novidade tecnológica, como visto nos filmes de ficção, os sistemas computacionais que se utilização de características das pessoas para permitir a estas acesso a lugares restritos, não usam uma idéia nova. O uso de características que identificam os indivíduos é bem antigo.

No Egito, os faraós usavam informações de características físicas das pessoas para distingui-las como cor dos olhos, cicatrizes, arcada dentária, entre outros [1]. Na China de 800 d.C., as impressões digitais eram grafadas no barro para confirmar a identidade da pessoa em transações comerciais [2].

Em 1686 na Espanha, o professor de anatomia Marcelo Malpighi pesquisou com detalhes as linhas, curvas e espirais da impressão digital. Em 1870, Dr. Henry Faulds, cirurgião de um hospital de Tóquio, começou a estudar a impressão digital para fins de identificação. Em 1892, Dr. Faulds juntamente com Francis Galton, um antropólogo inglês, publicaram o primeiro sistema moderno de impressão digital.

Na década de setenta, um sistema chamado Identimat foi instalado em certos locais secretos para controle de acesso. Ele mensurava a forma da mão e olhava principalmente para o tamanho dos dedos. A produção do Identimat acabou na década de oitenta e pavimentou o caminho para a tecnologia biométrica como um todo [6].

Nas décadas de sessenta e setenta, algumas companhias estavam envolvidas com identificação automática das imagens digitais para auxiliar às forças policiais. O FBI na metade da década de setenta já havia instalado uma grande quantidade de sistemas de scanners digitais automáticos, os Automated Fingerprint Identification Systems (AFIS).

O primeiro sistema a analisar o padrão único da retina foi introduzido na metade dos anos oitenta. Enquanto isso, o trabalho do Dr. John Daugman da Universidade de Cambridge pavimentou o caminho para a tecnologia de íris.

A atual verificação de voz possui raízes assentadas nos empreendimentos tecnológicos dos anos setenta; enquanto biometrias como a verificação de assinaturas e o reconhecimento facial eram relativamente novatas na indústria.

A cada dia que passa novos métodos para capturar as características que identificam as pessoas vão sendo criados. Isto acontece, porque o homem constrói muitas coisas boas, porém muitas vezes não hesita em usar de sua genialidade para burlar sistemas em benefício próprio [1]. Deste modo, os sistemas biométricos vieram para ficar e em um futuro não muito distante farão parte constante do cotidiano da sociedade.

Hoje as principais aplicações dos sistemas biométricos estão nas áreas jurídica, comercial e social. Na área jurídica a biometria pode ser utilizada em investigações e em identificações de corpos. Na área comercial é possível verificar rapidamente se um comprador é quem ele diz ser e possui capital suficiente para que a transação seja realizada sem perigo de fraude. Na área social, estas aplicações vêm restringir o acesso de pessoas a locais ou informações importantes.



2.2 – Características e Sistemas Biométricos

As características utilizadas, como foi dito antes, podem ser divididas em dois grupos [4]: físicas e comportamentais. No grupo das características físicas estão as veias, a impressão digital, a face, a íris, a retina, a geometria da mão, a voz, a salinidade do corpo, os odores e o DNA. As características comportamentais mais comuns são a assinatura e o ritmo datilográfico.

A característica de um sistema biométrico define quais atributos classificatórios este possui [3]. Os atributos podem ser: aceitabilidade do sistema por parte do usuário, unicidade, universalidade, longevidade, vulnerabilidade e facilidade de captura da característica, escalabilidade, desempenho e tamanho de armazenamento do sistema e custo, tamanho e tipo do sensor que captura a característica.

Sistemas biométricos baseados na face, por exemplo, possuem boa aceitação, sua característica é universal e como sensor basta uma simples câmera de computador. Em contrapartida a face é uma característica que muda com o tempo, fazendo com que o banco de dados fique logo ultrapassado. Também, possuindo a face muitos traços importantes que a definem, o tempo de processamento é demorado em relação às outras características e existe a necessidade que o espaço de armazenamento do banco de dados seja grande.

Todos os sistemas biométricos possuem as mesmas fases básicas: a captura, a padronização, a codificação e a comparação da característica. Esta comparação pode ser de dois tipos, verificação ou reconhecimento [3]. Na verificação, a característica é comparada com as outras daquele mesmo indivíduo armazenadas no banco de dados. No reconhecimento a característica é comparada com todas do banco de dados.

3 – Sistema Biométrico Baseado na Íris

Dentre tantas características possíveis com que se trabalhar em sistemas biométricos, a íris é a mais estudada hoje em dia nas universidades de mais importantes do mundo. Ela é a parte colorida dos olhos que se encontra entre a pupila e a esclera e é responsável pelo controle de entrada de luz nos olhos [6].

Existem vários motivos para ela ser a mais pesquisada para sistemas biométricos. O primeiro deles é que a íris é gerada 3º mês de gestação e permanece a mesma ao logo da vida caso a pessoa não contraía nenhuma doença nos olhos [10]. O segundo é sua riqueza em características complexas como sulcos, vales, ranhuras e manchas, o que impossibilita fraude. E o terceiro é que os padrões de textura são diferentes entre gêmeos idênticos e até mesmo entre os olhos de uma mesma pessoa, o que caracteriza a não relação desta com traços genéticos.

Os algoritmos, os métodos matemáticas e as técnicas para realizar a codificação dos padrões de textura da íris e compará-las foram criados no início da década de 90 por John Daugman. Este é professor da Universidade de Cambridge [6] e mesmo seu sistema sendo o mais bem sucedido e conhecido, ele ainda continua a pesquisar melhorias na área. Outros bons trabalhos também vêm sendo desenvolvidos a partir do trabalho de Daugman [5], como o modelo de Masek. O modelo de sistema biométrico tratado neste trabalho é baseado neste último modelo citado [7].



3.1 – Segmentação

A primeira etapa do sistema biométrico é a captura da característica. Os sistemas baseados na íris obtêm imagens dos olhos dos seus usuários e destas imagens, as imagens das íris são retiradas. O modelo de Masek captura as imagens dos olhos e passa por elas um filtro que as deixa apenas em níveis de cinza, ou seja, as imagens possuem pixels com cores que vão de branco e a preto. Depois, estas são binarizadas, os tons mais próximos de preto são colocados como tal e os tons mais próximos de branco são modificados para branco [10].

Por estar contida entre duas circunferências, a circunferência entre a esclera e a íris e a circunferência entre a íris e a pupila, é utilizada a transformada circular de Hough para a segmentação da íris. Esta transformada encontra os lugares na imagem com a maior probabilidade de serem círculos e o faz indicando as coordenadas dos centros e os raios destes. Apesar de ser bastante eficiente, a transformada circular de Hough é um processo muito trabalhoso e por este motivo demanda muito tempo de processamento [8].



Figura 3.1 – (a) A imagem do olho. (b) A imagem do olho binarizada. (c) A imagem do olho após a passagem do método Canny para gradiente horizontal. (d) A imagem do olho após a passagem do método Canny para gradiente vertical.
Para diminuir este tempo, a transformada é aplicada sobre a imagem modificada pelo método Canny. Este método pode ser de dois tipos. O método Canny para obtenção do gradiente vertical da imagem ou para a obtenção do gradiente horizontal desta. No primeiro caso os traços verticais da imagem ficam mais destacados e no segundo caso os traços mais destacados são os horizontais (ver Figura 3.1 (a,b e c)). Por ser mais relevante para a segmentação da íris, o gradiente vertical é pego a partir da utilização do método Canny [10] (ver Figura 3.1 (d)).

Visando aumentar os pontos das bordas, a imagem resultante da aplicação do método Canny tem seus níveis de cinza equalizados (Figura 3.2). Esta nova transformação feita na imagem traz a esta muitos novos pontos, o que resultaria em muito tempo gasto no processamento da transformada circular de Hough. Então são retirados os conjuntos com menos de 15 pixels das imagens. Ao fazer isto, a diminuição do tempo de processamento acontece e os traços mais importantes da imagem não são perdidos.




Figura 3.2 – (a) A imagem do olho após a passagem do método Canny para gradiente vertical. (b) A imagem após equalização dos níveis de cinza. (c) A imagem após a retirada dos conjuntos com menos de 15 pixels.
A identificação do limite entre a íris e a esclera é feita primeiro, pois facilita a identificação do limite entre a íris e a pupila que sempre estará dentro da área do primeiro limite. Isto diminui o tempo de processamento, pois deste modo acontece a restrição do espaço onde será feita a busca pelo segundo limite.

Alguns elementos dos olhos ocultam parte da íris e por este motivo são chamados de ruídos. Estes ruídos são as pálpebras inferiores e superiores e os cílios. As pálpebras são retiradas com a utilização da transformada linear de Hough [9] (Figura 3.3). Esta encontra as prováveis retas da imagem. Tendo em vista que o objetivo é encontrar as pálpebras que são elementos mais horizontais do que verticais, a transformada linear de Hough é aplicada sobre o gradiente horizontal resultante da aplicação do método Canny. A partir da reta encontrada é traçada uma linha horizontal que passará pelo ponto desta reta que é mais próximo da pupila. Caso a pálpebra tratada seja a superior, toda a imagem que está acima desta linha horizontal será desprezada. Caso a pálpebra seja inferior, a parte desprezada estará abaixo da linha horizontal traçada [10].

Sendo os cílios ruídos, seus pixels são marcados para que não aconteça o processamento destes. Os cílios são detectados como pixels com valores menores que 100, numa escala onde branco equivale a 255 e preto a 0.

Outro tipo de ruído são as reflexões que podem aparece na imagem e que são causadas pela iluminação usada na captação desta. A utilização de iluminação infravermelha no processo de aquisição da imagem evita o aparecimento deste tipo de ruído.




Figura 3.3 – Retirando as pálpebras. A reta vermelha foi encontrada através da utilização da transformada linear de Hough.

3.2 – Normalização

Após a coleta da íris acontece o processo de normalização desta. A normalização das imagens das íris é colocá-las sobre as mesmas dimensões (Figura 3.4). Fazendo isso é possível garantir que imagens tiradas sobre diferentes condições não influenciem na comparação delas. O processo de normalização evita que a contração e a dilatação da pupila do usuário atrapalhem no reconhecimento deste [10].

O processo utilizado para isto é o Rubber Sheet Model. Este transforma as coordenadas polares da imagem da íris em coordenadas cartesianas.


Figura 3.4 – A imagem da íris normalizada.

3.3 – Codificação

A codificação é a etapa onde as características mais relevantes da íris são codificadas. Esta codificação é feita com a passagem de um filtro sobre as imagens normalizadas. Tradicionalmente os filtros usados para este fim são os Gabor. O resultado da codificação de uma imagem é um conjunto de bits.

Na etapa de codificação são tratados também os casos onde as imagens estão rotacionadas. Nestes casos, o conjunto de bits resultantes da codificação da imagem são transladados para contrabalancear a rotação [10].

3.4 – Comparação

Nesta etapa acontece a comparação entre as imagens. A distância de Hamming é utilizada para este fim. Ela compara as imagens duas a duas e retorna um valor. Quanto maior este valor, mais diferenças existem entre as imagens comparadas. Quanto menor valor, mais similares são as imagens. A distância de Hamming recebe as duas imagens codificadas e suas duas máscaras. A máscara de uma imagem possui o mesmo tamanho desta e armazena os pixels que devem ser desconsiderados na comparação por serem ruídos. É na mascara que são indicados os pixels dos cílios [10].



4 – Conclusão

Este trabalho abordou sobre sistemas biométricos baseados na íris. Primeiramente, informou a o que é a biometria. Isto foi feito a partir de informações históricas sobre sua utilização, seguindo pela relevância de seu uso e finalizando com a explicação sobre sistemas biométricos. Os sistemas biométricos foram caracterizados por sua composição básica e pelas características que podem ser utilizadas neles. Após a criação de toda esta base de conhecimento, o presente trabalho tratou sobre os sistemas biométricos baseados na íris. Visando o melhor entendimento destes, esta monografia explicou as partes que com que estes são compostos: a segmentação, a normalização, a codificação e a comparação.

Assim como já existem muitos lugares com dispositivos biométricos para restringir ou controlar o acesso de pessoas, já estão sendo criados equipamentos com reconhecimento biométrico. Máquinas fotográficas, celulares e computadores, onde só é possível utilizá-los quem tiver o acesso permitido pelo sistema. Estes ainda estão sendo elaborados ou são artigos de luxo atualmente. Porém no futuro não só ambientes comercias e empresarias terão reconhecimento biométrico, mas casas, carros, eletrodomésticos e onde mais o homem desejar restringir o acesso de outros.

Com o impulso de sistemas biométricos, os sistemas de reconhecimento baseados na íris passarão a ser algo comum na vida do homem. E isto acontecerá por vários motivos: por esta ser uma característica que não muda ao longo da vida, por sua captação ser rápida, não exigir esforço do usuário e ser higiênica, pois não há contato direto com o sensor de captura. Existindo a demanda do mercado por dispositivos biométricos e pela íris ser uma característica com vários potencias, os estudos e avanços nesta área irão cresce.


Referências Bibliográficas



[1] História da Biometria – Online, acesso em 17/09/2009 na url

http://www.infowester.com/biometria.php
[2] História da Biometria – Online, acesso em 17/09/2009 na url

http://www1.folha.uol.com.br/folha/informatica/ult124u21496.shtml

[3] CAVALCANTI, G. D. C. Sistemas Biométricos - Composição de Biometrias para Sistemas Multimodais de Verificação de Identidade Pessoal. Tese de doutorado. Ciência da Computação, CIn, Universidade Federal de Pernambuco, 2005.

[4] Características Utilizadas em Sistemas Biométricos – Online, acesso em 17/09/2009 na url http://pt.wikipedia.org/wiki/Biometria

[5] DAUGMAN, J.G. How iris recognition works. IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology 14, 1 (January 2004), 21-30.
[6] História da Biometria – Online, acesso em 08/10/2009 na url http://www.consultoresbiometricos.com.br/05_Bintroducao_definicao.php
[7] MASEK, L. Recognition of Human Iris Patterns for Biometric Identification. Dissertation require for the Bachelor of Engineering degree. School of Computer Science and Software Engineering, University of Western Australia, 2003.
[8] Transformada Circular de Hough – Online, acesso em 08/10/2009 na url http://www2.pelotas.ifsul.edu.br/glaucius/tese/artigo10.pdf
[9] Transformada Linear de Hough – Online, acesso em 08/10/2009 na url http://en.wikipedia.org/wiki/Hough_transform
[10] BASTOS, C.A.C.M. Segmentação e Reconhecimento de Íris. Tese de Mestrado. Programa de Pós-Graduação em Ciência da Computação, CIn, Universidade Federal de Pernambuco, 2010.



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