Введение к работе
Актуальность работы. Термография — одно из молодых и перспективно развивающихся направлений биометрических систем верификации личности. Достоинствами термографии являются дистанционность, устойчивость к изменению освещенности, возможность пресекать попытки фальсификации личности посредством внешней маскировки и использования муляжа.
Методы верификации личности по портретным термографическим изображениям разрабатываются в Университетах Лавала (Канада), Нотр-Дама (США), Национальном университете Ченг Кунга (Тайвань) и многими другими. В России данное направление только начинает развиваться, схожими исследованиями занимаются в Институте теоретической и экспериментальной биофизики РАН, г. Пущино.
Известные методы тестировались на базах термографических портретов (Equinox, Laval University Database и др.), содержащих изображения разных людей с учетом поворотов головы, изменений внешнего вида и освещенности. Однако, в них нет изображений, полученных в естественных условиях (на открытом воздухе, при наличии источников теплового излучения и др.) и они предполагают наличие на термограмме единственного объекта – лица человека, локализуемого областью эллиптической формы или значением температуры кожи.
В связи с расширением класса задач, решаемых биометрическими системами (верификация в местах массового скопления людей), возникает необходимость верификации личности не только в лабораторных условиях (или близких к ним), но и в естественных условиях.
Например, существующий метод, предложенный Р. Буддхарайя, И. Павлидисом и основанный на индивидуальных особенностях сосудистого рисунка показывает хорошие результаты работы в лабораторных условиях (при значении вероятности ложной верификации 0,05 достигается вероятность ложного отказа доступа, равная 0,3), однако в естественных условиях данный метод дает неудовлетворительные результаты (вероятность ложного отказа доступа 0,56).
Таким образом, повышение точности верификации личности в естественных условиях является актуальной задачей, для решения которой необходимо решить дополнительные задачи, отсутствующие при верификации личности в лабораторных условиях: детекция лица на изображении, выявление зависимости температуры лица от температуры окружающей среды, учет наклона и поворота головы и др.
Одним из путей решения может являться методика верификации личности по индивидуальным особенностям сосудистого рисунка и геометрическим пропорциям лица человека, с использованием информации о расположении внутренних углов глаз и геометрических пропорциях лица человека, детекцией характерных признаков, инвариантных к наклону, повороту и масштабированию области лица, уточнением условий существования характерных точек сосудистого рисунка лица.
Объект исследования: биометрическая система верификации личности по термографическим изображениям лица.
Предмет исследования: методики и алгоритмы детектирования лица и анализа характерных особенностей сосудистого рисунка по термографическим изображениям среднего и дальнего ИК-диапазона.
Цель исследования: повышение точности и расширение условий применения систем верификации личности по индивидуальным особенностям сосудистого рисунка и геометрическим пропорциям лица человека.
Научная задача состоит в разработке методик и алгоритмов выделения лиц и индивидуальных характерных особенностей, обеспечивающих повышение точности и расширение условий применения биометрических систем верификации личности по термографическим изображениям лица.
На защиту выносятся:
-
Алгоритм автоматического выделения области лица на термографическом изображении на основе выявления внутренних углов глаз и геометрических пропорций лица человека.
-
Методика верификации личности по индивидуальным температурным особенностям сосудистого рисунка лица.
-
Результаты экспериментальных исследований биометрической системы верификации личности по термографическим изображениям лица.
Научная новизна:
-
Научная новизна первого результата заключается в том, что решена задача автоматического выделения области лица на термограмме. В отличие от существующих подходов, использующих сети Байеса либо нейронные сети, нуждающихся в предварительном задании априорных вероятностей принадлежности точки объекту или фону или в обучении, предложенный алгоритм использует эмпирическую зависимость температуры кожи от температуры окружающей среды и расположение внутренних углов глаз для уточнения границ детектированной области.
-
Научная новизна второго результата заключается в том, что решена задача формирования биометрического шаблона характерных особенностей сосудистого рисунка лица в не рассматриваемых ранее условиях и ограничениях: инвариантности к масштабу и наклону лица на термографическом изображении, особенностям окрестностей конечных точек и точек ветвления сосудистого рисунка (изменение ориентации сосудистого рисунка, значения величин углов, образуемых при ветвлении).
Практическая ценность полученных результатов заключается в том, что применение разработанной методики позволило повысить точность верификации и расширить условия применения систем верификации личности по термографическим изображениям лица. Разработанный алгоритм автоматического выделения области лица, позволяет найти и выделить масштабированную область лица с вероятностью 0,98; инвариантную к поворотам и наклонам головы меньше 15, температуре окружающей среды в диапазоне -15 – +30С, наличию усов и бороды. Применение предложенного способа выделения характерных точек сосудистого рисунка снизило вероятность выделения ложных точек ветвления сосудистого рисунка на 0,08 и конечных точек на 0,12 за счет использования уточненных условий характерных точек. Собрана база термографических изображений, содержащая 1573 снимков 146 человек разного возраста, пола, телосложения и состояния здоровья; термограммы получены в разное время суток, при различных условиях окружающей среды (температуре в диапазоне -15 – +30С, освещенности, влажности). Применение предложенной методики верификации личности на собранной базе данных позволило снизить вероятность ложного отказа верификации в естественных условиях на 0,15 (по сравнению с методом Р. Буддхарайя, И. Павлидиса).
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
Первая Российская научно-практическая конференция по биометрическим технологиям "БТ-2011", Москва, 29–30 марта 2011.
XX-я Международная Конференция по Компьютерной Графике и Зрению «GraphiCon’2010», Санкт-Петербург, 20–24 сентября 2010.
XVII-я Международная конференция «Математика, компьютер, образование», Дубна, 25–30 января 2010.
Публикации и личный вклад. Диссертация основана на теоретических, методических и экспериментальных исследованиях, выполненных непосредственно автором в период 2009–2013 г.
По результатам проведенных исследований опубликовано шесть печатных работ, отражающих основные выводы диссертации, в том числе две работы (первая и вторая в списке опубликованных работ) в изданиях из перечня ВАК ведущих рецензируемых научных журналов и изданий.
Внедрение результатов исследований. Результаты работы реализованы и внедрены в учебный процесс кафедры системного анализа и управления университета «Дубна» и используются при проведении лекций и семинарских занятий в курсах «Интеллектуальные системы принятия решений» и «Теория принятия решений», во ФГУП «НИИ Прикладной Акустики» при разработке специального программного обеспечения верификации личности по термографическим изображениям лица, что подтверждено соответствующими актами об использовании результатов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 105 наименований. Основная часть работы изложена на 121 странице машинописного текста. Работа содержит 55 рисунков и 16 таблиц.
Похожие диссертации на Методическое обеспечение верификации личности по индивидуальным особенностям сосудистого рисунка и геометрическим пропорциям лица человека в естественных условиях
