ES2224838A1 - System for biometric identification of people, by analyzing iris, for use in access control in e.g. buildings, has determination unit determining signature of iris, and comparison unit comparing captured image with stored image - Google Patents
System for biometric identification of people, by analyzing iris, for use in access control in e.g. buildings, has determination unit determining signature of iris, and comparison unit comparing captured image with stored imageInfo
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Abstract
Description
Sistema de identificación biométrica de personas mediante el análisis del iris.Biometric people identification system by iris analysis.
1. Servicios financieros.1. Financial services.
2. Control de accesos a edificios y servicios.2. Access control to buildings and services.
3. Seguridad en informática y comunicaciones electrónicas.3. Computer and communications security Electronic
4. Comercio electrónico.4. Electronic commerce.
5. Seguridad pública.5. Public safety.
6. Aeropuertos.6. Airports.
El objetivo de un sistema biométrico es la realización de la identificación/autenticación de personas mediante alguna característica biológica mensurable físicamente o de comportamiento del individuo, de forma cómoda y segura. Tradicionalmente, la solución a este problema se ha basado en la posesión por parte del usuario de claves, PIN's, u otros números de identificación personal. Sin embargo estos números pueden ser fácilmente olvidados, perdidos e incluso falsificados. En este sentido, la Biometría proporciona un nivel más alto de seguridad ya que las características biológicas (iris, voz, huellas dactilares, morfología facial, etc.) son singulares e inalterables, imposibles de perder, olvidar o transferir. Actualmente, existen investigaciones relacionadas con diferentes tecnologías biométricas como son las basadas en las características del iris, voz, huella dactilar, forma de la mano, morfología facial, firma, forma de caminar, etc.The goal of a biometric system is the identification / authentication of people through some physically measurable or biological characteristic of individual behavior, comfortably and safely. Traditionally, the solution to this problem has been based on the possession by the user of keys, PINs, or other numbers of personal identification. However these numbers can be easily forgotten, lost and even counterfeit. In this sense, Biometrics provides a higher level of security since that the biological characteristics (iris, voice, fingerprints, facial morphology, etc.) are singular and unalterable, impossible of losing, forgetting or transferring. Currently, there are research related to different biometric technologies such as those based on the characteristics of the iris, voice, footprint finger, hand shape, facial morphology, signature, shape walk, etc.
El sistema que aquí se pretende patentar está basado en la potencialidad del iris para la identificación del individuo ya que la caracteristica fundamental del patrón de iris es la unicidad. En efecto. según estudios oftamológicos, en el patrón visual del iris hay más información que identifica unívocamente a una persona que en una huella dactilar. De hecho los dos irises de una misma persona poseen patrones distintos, siendo ésta una característica a tener en cuenta en el sistema al no ser la imagen de los dos ojos intercambiables. Incluso los hermanos gemelos poseen patrones de iris bien diferenciados. Además, las características propias del iris humano confieren al mismo las siguientes propiedades:The system that is intended to be patented here is based on the potential of the iris to identify the individual since the fundamental characteristic of the iris pattern It is the uniqueness. Indeed. according to ophthalmic studies, in the visual pattern of the iris there is more information that identifies uniquely to a person who on a fingerprint. In fact the two irises of the same person have different patterns, being This is a characteristic to be taken into account in the system as it is not The image of the two interchangeable eyes. Even the brothers Twins have well differentiated iris patterns. In addition, the characteristics of the human iris give it the same following properties:
\bullet Estabilidad frente a cambios originados por accidentes, debido a la protección que le confiere la córnea.Stability against originated changes due to accidents, due to the protection granted by the cornea.
- \bullet?
- Fácil detección de "sujeto vivo", ya que pequeñas variaciones de iluminación producen alteraciones en la apertura de la pupila, aún cuando se trate de iluminación fija.Easy "live subject" detection, since small variations of lighting produce alterations in the opening of the pupil, even when it comes to fixed lighting.
- \bullet?
- La imagen del iris puede obtenerse de manera no invasiva, al ser visible desde el exterior por la transparencia de la córnea.The picture of the iris can be obtained non-invasively, by being visible from the outside for the transparency of the cornea.
- \bullet?
- La falsificación del iris de un persona conllevaría operaciones quirúrgicas que podrían dañar seriamente la visión.The falsification of a person's iris would involve operations Surgical that could seriously damage vision.
Estas propiedades, junto con la característica de alta unicidad, garantizan la viabilidad de esta técnica de identificación biométrica.These properties, along with the characteristic of high uniqueness, guarantee the viability of this technique of biometric identification
La idea de utilizar el patrón de iris para la identificación de personas fue propuesta inicialmente por el oftalmólogo Frank Burch en 1936, pero no sería hasta 1987 cuando dos oftalmólogos norteamericanos, Leonard Flom y Aran Safir, patentaron el concepto de Burch. El desarrollo de los algoritmos necesarios fue llevado a cabo por J. G. Daugman, profesor de la Universidad de Harvard, y patentados en:The idea of using the iris pattern for people identification was initially proposed by the ophthalmologist Frank Burch in 1936, but it wouldn't be until 1987 when two American ophthalmologists, Leonard Flom and Aran Safir, They patented the concept of Burch. The development of the algorithms necessary was carried out by J. G. Daugman, professor of the Harvard University, and patented in:
- \sqbullet\ sqbullet
- J.G. Daugman, "Biometric personal identification system based on iris analysis", Patent US 5291560, 1994.JG Daugman , "Biometric personal identification system based on iris analysis", Patent US 5291560, 1994 .
Otra patente relacionada con la invención que aquí se pretende patentar es:Another patent related to the invention that here it is intended to patent is:
- \sqbullet\ sqbullet
- R.P. Wildes, J.C. Asmuth, S.C. Hsu, R.J. Kolczynski, J.R. Matey and S.E. McBride, "Automated. noninvasive iris recognition system and method", Patent US 5572596, 1996.RP Wildes , JC Asmuth , SC Hsu , RJ Kolczynski , JR Matey and SE McBride , "Automated. Noninvasive iris recognition system and method", Patent US 5572596, 1996 .
No obstante no se conoce aún ninguna explotación de esta última. Más recientemente, y también relacionada con la invención que aquí se presenta, es la patente:However, no exploitation is known yet of the latter. More recently, and also related to the The invention presented here is the patent:
- \sqbullet\ sqbullet
- J.L. Cambier and C. Musgrave, "System and method of animal identification and animal transaction authorization using iris patterns", Patent WO 0135321, 2001.JL Cambier and C. Musgrave , "System and method of animal identification and animal transaction authorization using iris patterns", Patent WO 0135321, 2001 .
Las principales diferencias (ventajas) del sistema que se pretende patentar respecto a los sistemas diseñados por J.G. Daugman, por R.P. Wildes et al, y por J.L. Cambier et al., el primero de los cuales es la base de los sistemas de reconocimiento por iris actualmente en comercialización, son:The main differences (advantages) of the system to be patented with respect to the systems designed by JG Daugman, RP Wildes et al , and JL Cambier et al ., The first of which is the basis of iris recognition systems Currently in marketing, they are:
- \sqbullet\ sqbullet
- El sistema que se pretende patentar utiliza en su etapa de extracción de características una señal (o secuencia) unidimensional (1-D) de 256 puntos, denominada firma del iris, al contrario que los sistemas patentados que utilizan la imagen total del iris, es decir una señal bidimensional (2-D), con lo que con el sistema que aquí se presenta, el tiempo invertido en la identificación/autenticación del usuario es significativamente menor.The system which is intended to patent used in its extraction stage of features a one-dimensional signal (or sequence) (1-D) of 256 points, called iris signature, at contrary to patented systems that use the total image of the iris, that is a two-dimensional (2-D) signal, with what with the system presented here, the time spent in user identification / authentication is significantly less.
- \sqbullet\ sqbullet
- En la fase de extracción de características es donde podemos decir que existe una diferencia esencial entre el método que aquí se presenta para esta fase y los métodos correspondientes a las patentes mencionadas. El método en el que se basa el sistema a patentar, la representación de los cruces por cero de la transformada wavelet diádica discreta de la señal unidimensional denominada firma del iris, contribuye eficazmente, respecto a los métodos utilizados en las patentes antes mencionadas, a reducir de una manera importante los tiempos de computación en esta fase, tanto si el sistema se implementa como identificador de usuarios como si se hace como autenticador. Y, aunque los tres sistemas (los patentados por J.G. Daugman y por R.P. Wildes et al. y el que aquí se presenta) utilizan en su fase de extracción de características un análisis multiresolución, los sistemas patentados lo realizan sobre la imagen 2- D del iris, con el consiguiente incremento del coste computacional; sin embargo, el que aquí se presenta utiliza el análisis multiresolución de una señal 1-D (la firma del iris) y confecciona a partir de él la representación de cruces por cero considerando, únicamente. los niveles de resolución óptimos, contribuyendo de esa forma a la reducción del coste computacional de esta fase y, por tanto, a la mejora del funcionamiento del sistema en sí.In the phase of extraction of characteristics is where we can say that there is an essential difference between the method presented here for this phase and the methods corresponding to the mentioned patents. The method on which the system to be patented is based, the representation of the zero crossings of the discrete dyadic wavelet transform of the one-dimensional signal called the iris signature, effectively contributes, with respect to the methods used in the aforementioned patents, to reduce in an important way the computation times in this phase, whether the system is implemented as a user identifier or if it is done as an authenticator. And, although the three systems (those patented by JG Daugman and RP Wildes et al . And the one presented here) use a multiresolution analysis in their feature extraction phase, the patented systems perform it on the 2- D image of the iris, with the consequent increase in computational cost; However, the one presented here uses the multiresolution analysis of a 1-D signal (the signature of the iris) and makes from it the representation of zero crossings considering, only. the optimal resolution levels, thus contributing to the reduction of the computational cost of this phase and, therefore, to the improvement of the functioning of the system itself.
- \sqbullet\ sqbullet
- En la fase de comparación existen también diferencias fundamentales, ya que el método de J.G. Daugman genera un código del iris de 256 bytes (2048 bits), mientras que la representación del iris en el sistema patentado por R.P. Wildes et al. se obtiene directamente de la imagen filtrada, almacenando más información de la necesaria en el proceso de comparación, haciendo prácticamente inviable su almacenamiento en dispositivos con pequeña capacidad de almacenaje. Sin embargo, el patrón de iris que se obtiene con el método que aquí se presenta, denominado código de la firma del iris, consta de 256 bits por cada nivel de resolución empleado, tamaño mucho menor que el patrón de iris que utilizan los sistemas patentados, y lo hace idóneo, por tanto, para su inclusión en un dispositivo con pequeña capacidad de almacenamiento, como es, por ejemplo, una tarjeta inteligente.In the comparison phase there are also fundamental differences, since the JG Daugman method generates an iris code of 256 bytes (2048 bits), while the representation of the iris in the system patented by RP Wildes et al . It is obtained directly from the filtered image, storing more information than is necessary in the comparison process, making it virtually unfeasible for storage in devices with small storage capacity. However, the iris pattern that is obtained with the method presented here, called the iris signature code, consists of 256 bits for each level of resolution used, much smaller than the iris pattern used by patented systems , and makes it ideal, therefore, for inclusion in a device with small storage capacity, such as, for example, a smart card.
En la última de las patentes mencionadas (de J.L. Cambier y C. Musgrave) se describe: 1) un sistema de identificación de animales y 2) un sistema de autorización de transacción de animales mediante la identificación de la persona y del animal; basados ambos en la comparación de las características de los correspondientes patrones de iris. En ambos sistemas, los métodos utilizados tanto en la fase de extracción de características del iris como en la fase de comparación son las mismas a las propuestas por J.G. Daugman en su patente (US 5291560). El sistema patentado se centra, por tanto, en la incorporación de un dispositivo para efectuar la fase de captura de la imagen del iris mediante vídeo, así como la metodología para su posterior transmisión a la base de datos central donde se realiza la comparación de los irises, y finalmente, en el establecimiento del método para efectuar la autorización de la transacción del animal. El dispositivo diseñado permite capturar la imagen del iris, procesarla hasta obtener el patrón del iris, cifrar éste último con el fin de securizar la transmisión del patrón obtenido a la base de datos central para su posterior fase de comparación.In the last of the mentioned patents (from J.L. Cambier and C. Musgrave) describes: 1) an identification system of animals and 2) a transaction authorization system of animals by identifying the person and the animal; both based on the comparison of the characteristics of the corresponding iris patterns. In both systems, the methods used both in the feature extraction phase of the iris as in the comparison phase are the same as the proposals by J.G. Daugman in his patent (US 5291560). The patented system It focuses, therefore, on the incorporation of a device for carry out the capture phase of the iris image by video, as well as the methodology for its subsequent transmission to the base of central data where the irises comparison is made, and finally, in establishing the method to effect the animal transaction authorization. The designed device allows you to capture the image of the iris, process it until you get the iris pattern, encrypt the latter in order to secure the transmission of the pattern obtained to the central database for subsequent phase of comparison.
Respecto a la literatura científica, además del artículo de J.G. Daugman, en el que se incluyen detalles de la citada patente, también se encuentran, en diversas revistas especializadas, artículos de investigación relacionados con nuestra invención, como son los que a continuación se relacionan:Regarding the scientific literature, in addition to article by J.G. Daugman, which includes details of the cited patent, also found, in various magazines specialized, research articles related to our invention, as are the following:
[1] W.W. Boles, "A Security System based on Human Iris Identification using Wavelet Transform", Engineering Applications of Artificial Intelligence, vol. 11, no. 1, pp. 77-85, Feb. 1998.[1] WW Boles , "A Security System based on Human Iris Identification using Wavelet Transform", Engineering Applications of Artificial Intelligence , vol. 11, no. 1, pp. 77-85, Feb. 1998 .
[2] W.W. Boles; B. Boashash, "A Human Identification Technique using Images of the Iris and Wavelet Transform", IEEE Transactions on Signal Processing, vol. 46, no. 4, pp. 1185-1188, 1998.[2] WW Boles ; B. Boashash , "A Human Identification Technique using Images of the Iris and Wavelet Transform", IEEE Transactions on Signal Processing , vol. 46, no. 4, pp. 1185-1188, 1998 .
[3] Y. Zhu, T. Tan and Y. Wang, "Biometric Personal Identification Based on Iris Patterns", ICPR2000: the 15^{th} International Conference on Pattern Recognition, pp.801-804, Barcelona, Spain.[3] Y. Zhu , T. Tan and Y. Wang , "Biometric Personal Identification Based on Iris Patterns", ICPR2000: the 15th International Conference on Pattern Recognition, pp. 801-804, Barcelona, Spain.
[4] Shinyoung-Lim, Kwanyong Lee, Okhwan Byeon and Taiyun Kim, "Efficient Iris Recognition through Improvement of Feature Vectors and Classifier", ETRI-Journal, vol. 23, no.2, pp. 61-70, June 2001.[4] Shinyoung-Lim, Kwanyong Lee, Okhwan Byeon and Taiyun Kim, "Efficient Iris Recognition through Improvement of Feature Vectors and Classifier", ETRI-Journal , vol. 23, no.2, pp. 61-70, June 2001 .
[5] C. Sanchez-Avila, R. Sanchez-Reillo and D. de Martin-Roche, "Iris-Based Biometric Recognition using Dyadic Wavelet Transform", IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine, vol. 17, no. 10, pp. 3-6, October 2002.[5] C. Sanchez-Avila , R. Sanchez-Reillo and D. de Martin-Roche , "Iris-Based Biometric Recognition using Dyadic Wavelet Transform", IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine , vol. 17, no. 10, pp. 3-6, October 2002 .
[6] C. Sanchez-Avila and R. Sanchez-Reillo, "Multiscale Analysis for Iris Biometric" Proceedings IEEE 2002 International Carnahan Conference on Security Technology, pp.35-38.[6] C. Sanchez-Avila and R. Sanchez-Reillo , "Multiscale Analysis for Iris Biometric" Proceedings IEEE 2002 International Carnahan Conference on Security Technology, pp.35-38.
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A continuación se describen las principales diferencias de nuestra invención respecto a las ideas y métodos propuestos en los artículos anteriormente mencionados.The main ones are described below. differences of our invention regarding ideas and methods proposed in the aforementioned articles.
Principales diferencias respecto al método publicado en [1] y [2]. Respecto al sistema que aquí se presenta, una de las principales diferencias encontradas con el método presentado en los artículos [1] y [2] es que en éstos se exponen únicamente las fases de extracción de características y de comparación, sin tratar en ningún caso el módulo de captura y preprocesado de la imagen, que son los pasos previos, pero fundamentales (ya que condicionan todo el proceso), en todo sistema de identificación biométrica. Refiriéndonos a las dos etapas que se consideran, en el método descrito en [1] y [2] utiliza también la representación de cruces por cero de la transformada wavelet de lo que los autores denominan firma del iris, término que utilizan para designar a los valores de los niveles de grises de un círculo virtual concéntrico de 45 pixeles de diámetro del iris aislado. En el sistema que aquí se presenta, se considera como firma del iris la media de los valores de los niveles de grises de una corona circular formada por los círculos virtuales concéntricos desde un determinado radio interno, r_{i} hasta el que denominamos radio externo, r_{e}, consiguiendo con ello mejores resultados. Main differences with respect to the method published in [1] and [2] . Regarding the system presented here, one of the main differences found with the method presented in articles [1] and [2] is that they only show the phases of feature extraction and comparison, without being treated in any case the image capture and preprocessing module, which are the previous steps, but fundamental (since they condition the whole process), in every biometric identification system. Referring to the two stages that are considered, in the method described in [1] and [2] it also uses the representation of zero crossings of the wavelet transform of what the authors call the iris signature, a term they use to designate the values of the gray levels of a concentric virtual circle of 45 pixels in diameter of the isolated iris. In the system presented here, the average of the values of the gray levels of a circular crown formed by concentric virtual circles from a given internal radius, r_ {i} to what we call the external radius is considered as the iris signature , r_ {e}, thereby achieving better results.
Otra de las diferencias fundamentales del método en el que se basa el sistema que aquí se presenta respecto al diseñado por W.W. Boles et al. es que el patrón que se almacena para la posterior fase de comparación es la representación de cruces por cero de tres niveles de resolución (del 4 al 6) de la transformada wavelet (cada uno de estos niveles es una secuencia de 256 puntos), lo cual exige requerimientos de almacenaje considerables. En el sistema que aquí se presenta, además de utilizar los niveles óptimos de resolución (del 3 al 5), el patrón que se almacena (denominado código de la firma del iris) consta únicamente de 256 bits por cada nivel de resolución, que puede almacenarse en un dispositivo pequeño. Además, en la fase de comparación, W.W. Boles et al. utilizan únicamente funciones de disimilaridad relacionadas con la representación de cruces por cero de la transformada wavelet, con el consiguiente incremento del coste computacional. En el sistema que aquí se presenta, en la fase de comparación se utiliza la distancia de Hamming entre los diferentes códigos de la firma de los irises que se pretenden comparar, lo cual comporta únicamente operaciones lógicas o-exclusivas (\oplus), con el consiguiente ahorro en tiempo y coste computacional. Por último, es preciso comentar que la principal semejanza con nuestro sistema, es la utilización de una firma del iris 1-D como vector de características del iris (lo que supone una ventaja respecto a los sistemas patentados de J.G. Daugman y R.P. Wildes et al., que utilizan imágenes 2-D); así como la utilización de la representación de los cruces por cero de la transformada wavelet diádica discreta. De hecho, el artículo [2] fue el punto de arranque de nuestra investigación desde 1999, pero que hoy día ha dado lugar al sistema que se pretende patentar cuyo método difiere esencialmente del propuesto por W.W. Boles et al.Another of the fundamental differences of the method on which the system presented here is based on that designed by WW Boles et al . is that the pattern that is stored for the subsequent phase of comparison is the representation of zero crossings of three levels of resolution (from 4 to 6) of the wavelet transform (each of these levels is a sequence of 256 points), what which demands considerable storage requirements. In the system presented here, in addition to using the optimal resolution levels (from 3 to 5), the pattern that is stored (called the iris signature code) consists of only 256 bits for each level of resolution, which can be Store in a small device. In addition, in the comparison phase, WW Boles et al . they only use dissimilarity functions related to the representation of zero crossings of the wavelet transform, with the consequent increase in computational cost. In the system presented here, the Hamming distance between the different signature codes of the irises that are intended to be compared is used in the comparison phase, which involves only o-exclusive logical operations (\ oplus), with the consequent saving in time and computational cost. Finally, it is necessary to comment that the main similarity with our system is the use of a 1-D iris signature as a vector of iris characteristics (which is an advantage over the patented systems of JG Daugman and RP Wildes et al ., which use 2-D images); as well as the use of the representation of the zero crossings of the discrete dyadic wavelet transform. In fact, article [2] was the starting point of our research since 1999, but today it has given rise to the system that is intended to be patented whose method differs essentially from that proposed by WW Boles et al .
Principales diferencias respecto al sistema publicado en [3]. La principal y esencial diferencia de nuestro sistema frente al que se presenta en [3] reside en la fase de extracción de características. En [3] las características de cada iris se extraen utilizando un análisis multiescala global de texturas, aplicando un filtro de Gabor multicanal, seguido de la aplicación de la transformada wavelet 2-D con 5 niveles de resolución. La ventaja esencial del sistema que se pretende patentar respecto a éste, es que, además de obtener resultados significativamente mejores que los obtenidos con el sistema propuesto en [3] (que utiliza la distancia euclídea ponderada), se evita, en la fase de extracción de características, la aplicación del filtro de Gabor para la extracción de las texturas y, además, la transformada wavelet que se aplica es siempre 1-D con 3 niveles de resolución, consiguiendo comparativamente un importante ahorro en el coste computacional del sistema en esta etapa. Main differences with respect to the system published in [3] . The main and essential difference of our system compared to that presented in [3] lies in the phase of extracting characteristics. In [3] the characteristics of each iris are extracted using a global multiscale texture analysis, applying a multi-channel Gabor filter, followed by the application of the 2-D wavelet transform with 5 resolution levels. The essential advantage of the system that is intended to be patented with respect to it is that, in addition to obtaining significantly better results than those obtained with the system proposed in [3] (which uses the weighted Euclidean distance), it is avoided, in the extraction phase of features, the application of the Gabor filter for the extraction of textures and, in addition, the wavelet transform that is applied is always 1-D with 3 levels of resolution, comparatively achieving a significant saving in the computational cost of the system at this stage .
Principales diferencias respecto al sistema publicado en [4]. En [4], los autores proponen un sistema de reconocimiento biométrico basado en iris que, además de la etapa de captura de la imagen, incluye: Main differences with respect to the system published in [4] . In [4], the authors propose an iris-based biometric recognition system that, in addition to the image capture stage, includes:
- 1)one)
- un esquema de representación del patrón del iris mediante la transformada wavelet bidimensional (2-D) con 4 niveles de resolución, utilizando como wavelet básica la wavelet de Haar, en la etapa de extracción de características;a scheme of representation of the iris pattern by the wavelet transform two-dimensional (2-D) with 4 levels of resolution, using as a basic wavelet the wavelet of Haar, in the stage of feature extraction;
- 2)2)
- dos nuevos métodos de aprendizaje competitivo para LVQ, en la etapa final de comparación, en las versiones de identificador/verificador.two new methods of competitive learning for LVQ, in the final stage of comparison, in the identifier / verifier versions.
La diferencial (desventaja) esencial del sistema propuesto en [4] frente al que aquí se presenta estriba, fundamentalmente, en la etapa de extracción de características, ya que en lugar de trabajar con una señal 1-D, en [4] se trabaja con la imagen (2-D), 450x60, del iris completo. Además, en el sistema presentado en [4], se obtienen, como resultado de aplicar cuatro veces la transformada wavelet 2-D, 4 sub-imágenes para los 4 niveles de resolución, a partir de las cuales se confecciona el patrón de 87 bits. No obstante, aunque el tamaño del patrón de iris es menor que el que se obtiene con el método que aquí se presenta, el coste computacional que comporta esta etapa es extraordinario, considerando además que se obtienen 8 sub-imágenes adicionales que no se utilizan en ningún otro paso del proceso. Por otra parte, la etapa final de comparación está basada en la utilización de una red neuronal del tipo LVQ, cuyo mecanismo de aprendizaje es más rápido que el algoritmo de retro-propagación, pero su buen funcionamiento depende de una correcta inicialización de los vectores de pesos de la red. Este método es bastante más lento y requiere un número mayor de recursos computacionales que la aplicación de la distancia Hamming. Además, los resultados obtenidos con el sistema propuesto en [4] son peores, tanto en clasificación (con un éxito en clasificación del 98.4%, frente al 100% obtenido con el sistema que se pretende patentar) como en verificación (alcanzando una tasa EER del 2.56% frente al 0.12% que se consigue con el sistema que aquí se presenta).The essential differential (disadvantage) of the system proposed in [4] compared to the one presented here, fundamentally, in the feature extraction stage, already that instead of working with a 1-D signal, in [4] it works with the image (2-D), 450x60, of the iris full. In addition, in the system presented in [4], they are obtained, as a result of applying the wavelet transform four times 2-D, 4 sub-images for the 4 resolution levels, from which the 87 bit pattern. However, although the size of the iris pattern is smaller than the one obtained with the method presented here, The computational cost of this stage is extraordinary, considering also that 8 sub-images are obtained additional ones that are not used in any other process step. By On the other hand, the final stage of comparison is based on the use of a LVQ type neural network, whose mechanism of learning is faster than the algorithm of retro-propagation, but its smooth operation depends on a correct initialization of the weight vectors of the net. This method is much slower and requires a number. greater computational resources than distance application Hamming In addition, the results obtained with the proposed system in [4] they are worse, both in classification (with success in 98.4% classification, compared to 100% obtained with the system that patent is intended) as in verification (reaching an EER rate 2.56% versus 0.12% achieved with the system here Presents itself).
Principales diferencias respecto al sistema publicado en [5] y [6]. Como puede comprobarse, los autores de [5] y [6] son los investigadores autores del sistema que aquí se presenta y se pretende patentar. Se destaca en primer lugar la principal semejanza: ambos sistemas utilizan como herramienta matemática la representación de los cruces por cero de la transformada wavelet diádica discreta de una señal unidimensional (1-D), considerada como vector de características del iris. En ambos métodos, se denomina firma del iris, pero la construcción de esta firma del iris es diferente en los dos sistemas. En los publicados en [5] y [6] se sigue en todo momento la idea de W.W. Boles et al., por lo que su establecimiento difiere esencialmente del que aquí se presenta. Por otra parte, se consideraron 4 niveles (3 \leq j \leq 6) de resolución, sin analizar el número y tipo de niveles de resolución óptimo. Tampoco se estableció ningún tipo de código de la firma del iris, que aquí se introduce. De hecho los resultados que se obtienen con el sistema que se pretende patentar son significativamente mejores, tanto en reconocimiento como en autenticación de usuarios, que los obtenidos con los sistemas publicados en [5] y [6]. Main differences with respect to the system published in [5] and [6] . As can be seen, the authors of [5] and [6] are the researchers authors of the system presented here and intended to be patented. The main similarity stands out in the first place: both systems use as a mathematical tool the representation of the zero crossings of the discrete dyadic wavelet transform of a one-dimensional (1-D) signal, considered as a vector of iris characteristics. In both methods, it is called the iris signature, but the construction of this iris signature is different in the two systems. In those published in [5] and [6] the idea of WW Boles et al . Is followed at all times, so that its establishment differs essentially from that presented here. On the other hand, 4 levels (3 ≤ j ≤ 6) of resolution were considered, without analyzing the number and type of optimal resolution levels. Nor was any type of iris signature code established, which is entered here. In fact, the results obtained with the system to be patented are significantly better, both in recognition and in user authentication, than those obtained with the systems published in [5] and [6].
El sistema de identificación biométrica desarrollado consta de cuatro etapas:The biometric identification system Developed consists of four stages:
El dispositivo de captura de la imagen del ojo de una persona puede ser una cámara fotográfica o de vídeo. En cuanto al entorno de iluminación se ha de tener en cuenta la alta capacidad de reflexión de la córnea, la cual, por ser una superficie lisa y bien lubricada, refleja todo rayo de luz que le llega. Por esta razón, según el dispositivo utilizado para la captura, se ha de diseñar de forma óptima el entorno de iluminación. En este sentido, las cámaras de vídeo tienen mayor sensibilidad, lo cual evitaría el uso de focos de alta intensidad, a costa de una menor resolución.The image capture device of the eye of A person can be a camera or video camera. As soon as the lighting environment must be taken into account ability to reflect the cornea, which, as a smooth and well lubricated surface, reflects every ray of light that arrives For this reason, depending on the device used for the capture, the environment of illumination. In this sense, video cameras have greater sensitivity, which would avoid the use of high intensity foci, at the cost of a lower resolution.
Por otra parte, se contempla la posibilidad de utilizar luz infrarroja, en lugar de luz visible, tanto en la iluminación como en la captura. Esto evitaría la percepción por parte del usuario del foco de iluminación.On the other hand, the possibility of use infrared light, instead of visible light, both in the lighting as in the capture. This would avoid perception by User part of the lighting bulb.
El objetivo de esta etapa es adaptar la señal a los requisitos del bloque de extracción de características. Teniendo en cuenta las características de las imágenes capturadas, el primer paso es una conversión a blanco y negro, seguido de un estiramiento del histograma. Una vez realizada esta operación, se procederá a:The objective of this stage is to adapt the signal to the requirements of the feature extraction block. Taking into account the characteristics of the captured images, the first step is a conversion to black and white, followed by a Histogram stretch. Once this operation has been carried out, will proceed to:
2.1. La detección de los bordes interno y externo del iris, con el fin de proceder al aislamiento del iris dentro de la imagen, mediante un algoritmo de detección de bordes en imágenes.2.1. The detection of the internal and external edges of the iris , in order to proceed to the isolation of the iris within the image, by means of an algorithm of detection of edges in images.
2.2. La determinación de la firma del iris. Un objetivo principal de la invención es la determinación o extracción de la firma del iris, que se realiza de la siguiente forma. Una vez aislado el iris, se elige el centroide de la pupila detectada como punto de referencia para obtener el conjunto de datos que denominamos la firma del iris. Así, se extraen los valores del nivel de gris, g_{r} del contorno de cada círculo virtual, con centro en el centroide y con radio r, tal que r_{i}, \leq r \leq r_{e}, siendo r_{i} = 5 y r_{e} = 45 los radios interno y externo, respectivamente (Figura 1). Finalmente, se calcula el conjunto de datos denominado firma del iris (IS) (Figura 2):2.2. The determination of the iris signature . A main objective of the invention is the determination or extraction of the iris signature, which is performed as follows. Once the iris is isolated, the centroid of the pupil detected as a reference point is chosen to obtain the data set that we call the iris signature. Thus, the values of the gray level, g_ {r} of the outline of each virtual circle, with center in the centroid and with radius r , are extracted such that r_ {i}, \ leq r \ leq r_ {e}, being r_ {i} = 5 and r_ {e} = 45 the internal and external radii, respectively (Figure 1). Finally, the data set called iris signature (IS) is calculated (Figure 2):
IS=\frac{1}{r_{e}-r_{i}+1}\sum\limits^{r_{e}}_{r=r_{i}}g_{r}IS = \ frac {1} {r_ {e} -r_ {i} +1} \ sum \ limits ^ {r_ {e}} _ {r = r_ {i}} g_ {r}
De esta forma se consigue que la entrada a la etapa de extracción de características sea una señal unidimensional, no bidimensional como es el caso de las técnicas actuales, con lo que se consiguen dos grandes ventajas: 1) mayor velocidad de procesamiento, y 2) menor exigencia en cuanto a requisitos de almacenamiento ya que la firma del iris consta de 256 puntos.This way you get the entrance to the feature extraction stage be a signal unidimensional, not two-dimensional as is the case with the techniques current, with which two great advantages are achieved: 1) greater processing speed, and 2) lower requirement in terms of storage requirements since the iris signature consists of 256 points.
Otro objetivo principal de la invención es la representación de las características del iris mediante la representación de cruces por cero de su transformada wavelet diádica discreta. Así, en este tercer bloque del sistema, se calcula la transformada wavelet diádica discreta de la firma del iris utilizando como wavelet básica una spline cuadrática, únicamente para las escalas (o niveles de resolución) correspondientes al parámetro j = 3 a j = 5 (Figura 3). A continuación se lleva a cabo la representación de los cruces por cero de la transformada calculada previamente y únicamente para las escalas 3 \leq j \leq 5, que se muestra en la Figura 4. Es conveniente que el algoritmo que se utilice para llevar a cabo esta representación sea invariante frente a rotación e incluya un mecanismo de eliminación de falsos cruces por cero.Another main objective of the invention is the representation of iris characteristics by representing zero crossings of its discrete dyadic wavelet transform. Thus, in this third block of the system, the discrete dyadic wavelet transform of the iris signature is calculated using as a basic wavelet a quadratic spline, only for the scales (or resolution levels) corresponding to parameter j = 3 to j = 5 ( Figure 3). Next, the representation of the zero crossings of the previously calculated transform is carried out and only for the scales 3 j j 5 5, which is shown in Figure 4. It is convenient that the algorithm be used to carry out This representation is invariant against rotation and includes a mechanism to eliminate false crossings by zero.
Otro objetivo principal de esta invención es la determinación del código de la firma del iris que se lleva a cabo en este último paso de la etapa, con el fin de adaptar la representación de cruces por cero obtenida al bloque de comparación. El valor de cada bit en el código de la firma del iris (Figura 5) se obtiene tomando la representación de cruces por cero para las 3 escalas consideradas y asociando el valor "1" para los valores positivos o nulos, y "0" para los valores negativos.Another main objective of this invention is the determination of the iris signature code that is carried out in this last step of the stage, in order to adapt the representation of zero crossings obtained to the block of comparison. The value of each bit in the iris signature code (Figure 5) is obtained by taking the representation of zero crossings for the 3 scales considered and associating the value "1" for positive or null values, and "0" for values negative
La última etapa del sistema es la de comparación de las características obtenidas de la imagen del iris capturado con un patrón previamente almacenado. Como en todo sistema biométrico, puede configurarse bien como unThe last stage of the system is that of comparison of the characteristics obtained from the captured iris image with a previously stored pattern. As in any system biometric, it can be configured well as a
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- clasificador (reconocimiento biométrico), en el que las características extraídas se comparan con los patrones de todos los usuarios que ya están reclutados por el sistema, con el fin de determinar la identidad de la persona; o bien, como un classifier (biometric recognition), in which the characteristics extracted are compared with the patterns of all users who are already recruited by the system, in order to determine the identity of the person; or as a
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- verificador (autenticación biométrica), en el que las características extraídas sólo se comparan con el patrón del usuario que dice ser, con el fin de autenticar la identidad del usuario dando respuesta a la cuestión: ¿es este usuario la persona que dice ser? Verifier (biometric authentication), in which the features extracted are only compared with the pattern of the user who claims to be, in order to authenticate the identity of the user in response to the question: is this user the person who claims to be?
Para esta tarea se puede utilizar una distancia de disimilaridad que permita identificar a una persona, si el sistema se ha implementado como un clasificador; o bien autenticar su identidad si se ha implementado como un verificador. En concreto, otro de los objetivos principales del sistema que pretendemos patentar es la realización de estacomparación mediante la distancia de Hamming binaria, d^{b}_{H}, que se describe de la forma:For this task you can use a distance of dissimilarity that allows to identify a person, if the system has been implemented as a classifier; or authenticate your identity if it has been implemented as a verifier. In concrete, another of the main objectives of the system that we intend to patent is the realization of this comparison by the binary Hamming distance, d b H, which is described as the shape:
d^{b}{}_{H}=\frac{1}{M-K+1}\sum\limits^{L}_{j=K}\left(\sum\limits^{L}_{i=1}y_{i}\oplus p_{i}\right)d ^ {b} {} H} = \ frac {1} {M-K + 1} \ sum \ limits ^ {L} _ {j = K} \ left (\ sum \ limits ^ {L} _ {i = 1} y_ {i} \ oplus p_ {i} \ right)
la cual no mide la diferencia entre las componentes de los vectores de características sino el número de componentes cuyos valores difieren. En la fórmula anterior, L es la dimensión del vector de características; y_{i} es la i-ésima componente del vector de características que se trata de comparar y p_{i} la i-ésima componente del vector de características patrón; K y M son los niveles de resolución más fino y más burdo, respectivamente, considerados en el análisis. Este proceso de comparación proporciona como resultado un nivel de exactitud que cuantifica la similitud entre ambos vectores de características. Si el nivel resulta superior a un determinado umbral se puede concluir que ambos patrones provienen del mismo iris.which does not measure the difference between the components of the feature vectors but the number of components whose values differ. In the above formula, L is the dimension of the feature vector; y_ {i} is the i-th component of the feature vector that is to be compared and p_ {i} the ith component of the pattern feature vector; K and M are the finest and grossest resolution levels, respectively, considered in the analysis. This comparison process results in a level of accuracy that quantifies the similarity between both feature vectors. If the level is higher than a certain threshold it can be concluded that both patterns come from the same iris.
La toma de decisiones del sistema está por tanto condicionada por los resultados en ambos esquemas. En el caso de implementar el sistema como un clasificador el resultado de la comparación puede ser positivo (el sistema acepta al usuario), si la distancia entre el patrón a clasificar y el del usuario con una probabilidad más alta se mantiene siempre por debajo de un determinado umbral; o puede ser negativo (el sistema rechaza al usuario), en caso contrario.System decision making is therefore conditioned by the results in both schemes. In the case of implement the system as a classifier the result of the comparison can be positive (the system accepts the user), if the distance between the pattern to be classified and that of the user with a highest probability always remains below a certain threshold; or it can be negative (the system rejects the user), otherwise.
En el caso de implementar el sistema como un verificador, los resultados se expresan en función de dos tasas de error:In the case of implementing the system as a Verifier, the results are expressed based on two rates of error:
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- Tasa de Falso Rechazo (FRR): porcentaje de casos en los que el sistema rechaza a un usuario del sistema.Cup of False Rejection (FRR): percentage of cases in which the system rejects a system user.
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- Tasa de Falsa Aceptación (FAR): porcentaje de casos en los que se acepta a un intruso como usuario del sistema.Cup of False Acceptance (FAR): percentage of cases in which an intruder as a user of the system.
Estas dos tasas obtienen valores diferentes según el umbral que se tome y guardan una relación de variación inversa. La elección del umbral depende exclusivamente de los requisitos de seguridad y funcionamiento del sistema para un entorno específico. Así, para entornos de alta seguridad será preciso aplicar un umbral que permita obtener valores mínimos de la FAR aún a costa de incrementar la FRR.These two rates get different values according to the threshold that is taken and they keep a relationship of inverse variation. The choice of the threshold depends exclusively on the requirements of System security and operation for a specific environment. Thus, for high security environments it will be necessary to apply a threshold that allows to obtain minimum values of the FAR even at the cost of increase the FRR.
Sin embargo, para aplicaciones forenses será preciso un umbral con el que se consiga valores muy bajos de la FRR aún a costa de incrementar la FAR. Habitualmente, a partir de estas dos tasas se obtiene la denominada curva ROC (FRR vs. FAR), que permite determinar el umbral a aplicar según el ámbito de aplicación del sistema.However, for forensic applications it will be a threshold is required with which very low FRR values are achieved still at the cost of increasing the FAR. Usually, from these two rates are obtained the so-called ROC curve (FRR vs. FAR), which allows to determine the threshold to be applied according to the scope of system application.
Descripción de la Figura 1. La Figura 1 representa el ojo de la persona a identificar, donde (1) representa el iris aislado del ojo; (2) la pupila; (3) y (4) los círculos exterior e interior (centrados en el centroide del iris) y radios 5 y 45, respectivamente, que delimitan el anillo circular del iris (5) a partir del cual se calcula la firma del iris. Description of Figure 1 . Figure 1 represents the eye of the person to be identified, where (1) represents the iris isolated from the eye; (2) the pupil; (3) and (4) the outer and inner circles (centered on the centroid of the iris) and radii 5 and 45, respectively, that delimit the circular ring of the iris (5) from which the iris signature is calculated.
Descripción de la Figura 2. En la Figura 2 se muestra la firma del iris del iris aislado. Es una señal (o secuencia) unidimensional que se forma tomando para cada punto de la misma la media aritmética de los valores de grises en ese punto de los círculos que componen el anillo circular mostrado en la Figura 1. Description of Figure 2 . Figure 2 shows the iris signature of the isolated iris. It is a one-dimensional signal (or sequence) that is formed by taking for each point of it the arithmetic mean of the gray values at that point of the circles that make up the circular ring shown in Figure 1.
Descripción de la Figura 3. En la Figura 3 se muestran los tres niveles de resolución, correspondientes a las escalas j = 3, 4 y 5, de la transformada wavelet diádica discreta de la firma del iris que se muestra en la Figura 2. Description of Figure 3 . The three resolution levels, corresponding to the scales j = 3, 4 and 5, of the discrete dyadic wavelet transform of the iris signature shown in Figure 2 are shown in Figure 3.
Descripción de la Figura 4. La Figura 4 muestra la representación de cruces por cero de los tres niveles de resolución de la firma del iris anteriormente calculados. Description of Figure 4 . Figure 4 shows the representation of zero crossings of the three resolution levels of the iris signature previously calculated.
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Descripción de la Figura 5. La Figura 5 muestra el código de la firma del iris (representada en la Figura 2) que se obtiene asociando el valor 1 para los valores positivos o nulos de la representación de cruces por cero y 0 para los valores negativos, para las 3 escalas consideradas. Description of Figure 5 . Figure 5 shows the iris signature code (represented in Figure 2) that is obtained by associating the value 1 for the positive or null values of the representation of zero crossings and 0 for the negative values, for the 3 scales considered .
Descripción de la Figura 6. En la Figura 6 se muestran los resultados en verificación obtenidos en la realización práctica del sistema detallada en la correspondiente sección, para diferentes valores del umbral. Description of Figure 6 . Figure 6 shows the results in verification obtained in the practical implementation of the system detailed in the corresponding section, for different threshold values.
A continuación se detalla un modo de realización del sistema que se pretende patentar, con el que se han obtenido resultados óptimos y mejorando los obtenidos con los sistemas actualmente patentados.An embodiment is detailed below. of the system to be patented, with which they have been obtained optimal results and improving those obtained with the systems currently patented.
La captura de la imagen fotográfica del ojo se realiza mediante una cámara fotográfica digital Kodak Professional DCS 315 que permite el almacenamiento de las fotografías en tarjetas flash PCMCIA haciendo posible la descarga de las mismas en cualquier ordenador con lector de tarjetas PCMCIA. Para conseguir el acercamiento necesario se utiliza un objetivo Micro-Nikkor 105 mm f/2.8D. A la hora de elegir la forma de iluminación, hay que tener en cuenta la alta capacidad de reflexión de la córnea. Para evitar este problema se utiliza un foco de iluminación localizado y polarizado que se coloca en la parte inferior de la cámara, de forma que ilumine de abajo a arriba, provocando un reflejo de luz localizado en el cono inferior del iris. Para eliminar este reflejo se coloca un polarizador en cuadratura con el del emisor de la luz situado en el objetivo de la cámara. No obstante, la utilización del filtro polarizador en el objetivo provoca una pérdida de sensibilidad de la cámara, por lo que se ha de utilizar el flash incorporado en la cámara con el fin de aumentar la luz incidente. Este hecho provoca un reflejo perfectamente localizado en las inmediaciones del centro de la pupila y puede eliminarse fácilmente.The photographic image capture of the eye is made using a Kodak Professional digital camera DCS 315 that allows the storage of photographs in PCMCIA flash cards making it possible to download them in Any computer with a PCMCIA card reader. To get the necessary approach you use a goal Micro-Nikkor 105 mm f / 2.8D. When choosing the lighting form, we must take into account the high capacity of cornea reflection. To avoid this problem a localized and polarized lighting bulb that is placed in the bottom of the camera, so that it illuminates from below to above, causing a reflection of light located in the lower cone of the iris To eliminate this reflection, a polarizer is placed in quadrature with that of the light emitter located on the target of the camera. However, the use of the polarizing filter in the lens causes a loss of camera sensitivity, so that the flash built into the camera must be used in order of increasing incident light. This fact causes a reflection perfectly located near the center of the pupil and can be easily removed.
El objetivo de esta etapa es adaptar la señal a los requisitos del bloque de extracción de características. Teniendo en cuenta las características de las imágenes capturadas, el primer paso es una conversión a blanco y negro, seguido de un estiramiento del histograma. Una vez realizada esta operación, se procederá a:The objective of this stage is to adapt the signal to the requirements of the feature extraction block. Taking into account the characteristics of the captured images, the first step is a conversion to black and white, followed by a Histogram stretch. Once this operation has been carried out, will proceed to:
2.1. la detección de los bordes interno y externo del iris, con el fin de aislar el iris dentro de la imagen, y a2.1. internal and external edge detection of the iris, in order to isolate the iris within the image, and to
2.2. la extracción de la firma del iris.2.2. Iris signature extraction.
Los pasos a seguir para la detección de los bordes del iris son los siguientes:The steps to follow for the detection of Iris edges are as follows:
- 1)one)
- Se obtiene una copia de la imagen 4 veces más pequeña, con el fin de aligerar el coste computacional.You get a 4 times smaller copy of the image, in order to lighten the computational cost
- 2)2)
- Se elimina, mediante un umbral, las partes de la imagen sobre-expuestas, debido a la utilización del flash y, posteriormente, se vuelve a estirar el histograma.It is eliminated, through a threshold, the parts of the image overexposed, due to the use of the flash and, subsequently, the histogram is stretched again.
- 3)3)
- Se establece una cuadrícula en cuyos extremos se sitúan los centros que se utilizarán en el algoritmo de detección de bordes. El punto que determine el mejor borde se tomará como centro del iris, realizándose de esta forma la localización del iris y la detección del borde externo, simultáneamente.It establishes a grid at whose ends are located the centers that are will use in the edge detection algorithm. The point that determine the best edge will be taken as the center of the iris, performing iris location and detection in this way of the outer edge, simultaneously.
- 4)4)
- Se parte de un punto elegido arbitrariamente (x_{0}, y_{0}), se toma éste como centro y a partir de 61 se muestrea la imagen, tomando los puntos correspondientes a partir de un incremento del radio \Delta_{r} y un incremento del ángulo \Delta_{\theta}, buscando el múltiplo n de \Delta_{r} que maximice D,It starts from an arbitrarily chosen point (x_ {0}, y_ {0}), it is taken as the center and from 61 the image is sampled, taking the corresponding points from an increase of the radius Δ_ {r} and an increase in the angle Δ_ {theta}, looking for the multiple n of Δ_ {r} that maximizes D ,
D=\sum\limits_{m}\sum\limits^{5}_{k=1}(I_{n,m}-I_{n-k,m})D = \ sum \ limits_ {m} \ sum \ limits ^ {5} _ {k = 1} (I_ {n, m} -I_ {n-k, m})
siendobeing
I_{i,j} = I(x_{0} + i\Delta_{r} \ cos(j\Delta_{\theta}), y_{0} + i\Delta_{r} \ sin(j\Delta_{\theta}))I_ {i, j} = I (x_ {0} + i \ Delta_ {r} \ cos (j \ Delta_ {\ theta}), and_ {0} + i \ Delta_ {r} \ sin (j \ Delta_ {theta}))
donde m son aquellos múltiplos de \Delta_{\theta} que corresponden a puntos en los conos laterales del iris e I(x,y) son los valores de intensidad de la imagen.where m are those multiples of Δ {that correspond to points in the lateral cones of the iris and I (x, y) are the intensity values of the image.
- 5)5)
- Una vez encontrado el punto de la cuadrícula que proporciona el máximo para D, se crea una nueva cuadrícula con mayor resolución, abarcando únicamente el cuadrado formado por los puntos comprendidos entre el anterior y el posterior del escogido, tanto en el eje horizontal como en el vertical.Once the point of the grid that provides the maximum for D has been found , a new grid with higher resolution is created, covering only the square formed by the points between the previous and the later of the chosen one, both on the horizontal axis and on the vertical.
- 6)6)
- Se repite el procedimiento indicado en el punto 4); por lo que, al ser la cuadrícula de mayor resolución, se obtiene un centro cada vez más refinado.The procedure indicated in point 4); so, being the higher resolution grid, you get a center more and more refined.
- 7)7)
- Una vez localizado el centro, se va disminuyendo el valor de \Delta_{r} con el fin de obtener una mayor precisión en la posición del borde, determinando la distancia del centro al borde que es: n\Delta_{r}, siendo n el valor que maximiza D.Once the center is located, the value of \ Delta_ {r} is reduced in order to obtain greater precision in the position of the edge, determining the distance from the center to the edge which is: n \ Delta_ {r}, where n the value that maximizes D.
Una vez detectado el borde externo del iris, se recorta la imagen original formando un cuadrado que englobe al iris detectado y se eliminan todos aquellos puntos que quedan fuera de la circunferencia que enmarca al iris. A continuación se realiza el mismo proceso para la detección del borde interno, es decir se eliminan mediante un proceso de umbraleado los puntos de sobre-exposición y se estira el histograma. Esto permitirá aprovechar todo el rango dinámico de intensidad en el iris de forma que, aunque éste sea oscuro, se podrá distinguir de la pupila a la hora de detectar el borde interno.Once the outer edge of the iris is detected, it cut the original image into a square that encompasses the iris detected and all those points that are left out of the circumference that frames the iris. Then the same process for the detection of the internal edge, that is to say eliminate the points of overexposure and the histogram is stretched. This will allow to take advantage of the entire dynamic range of intensity in the iris so that, even if it is dark, it can be distinguished from the pupil when detecting the inner edge.
Para la detección del borde interno, podría utilizarse el mismo centro y buscar un nuevo máximo de D, si consideramos que el iris y la pupila son concéntricos, hecho que no es cierto, en general, ya que el iris está desplazado ligeramente hacia abajo y hacia la nariz, siendo este desplazamiento en algunos casos del 15%. Así, partiendo de dicho centro, se crea una nueva cuadrícula que abarque el \pm20% del tamaño de la imagen obtenida en el paso anterior, y se vuelve a aplicar el mismo proceso, de los puntos 4) al 7), para el borde externo.For the detection of the internal edge, the same center could be used and a new maximum of D could be sought, if we consider that the iris and pupil are concentric, a fact that is not true, in general, since the iris is slightly displaced down and towards the nose, this displacement being in some cases 15%. Thus, starting from this center, a new grid is created that covers ± 20% of the size of the image obtained in the previous step, and the same process is reapplied, from points 4) to 7), for the edge external.
Finalmente obtenemos un punto central -centroide- así como la distancia desde ese punto a la frontera entre el iris y la pupila. Los puntos comprendidos dentro de la circunferencia definida, se anulan en la imagen resultante de la detección del borde externo y se vuelve a realizar un estiramiento del histograma, obteniendo el iris aislado del resto de la imagen.Finally we get a central point -centroid- as well as the distance from that point to the border between the iris and The pupil. The points within the circumference defined, they are canceled in the image resulting from the detection of outer edge and a stretch of the histogram, obtaining the iris isolated from the rest of the image.
Una vez obtenido el iris aislado se procede a extraer la firma del iris, tal y como se detalló en la explicación de la invención.Once the isolated iris is obtained, proceed to extract the iris signature, as detailed in the explanation of the invention.
La extracción de las características de la firma del iris y el establecimiento final del código de la firma del iris se lleva a cabo mediante los siguientes pasos:The extraction of the signature characteristics of the iris and the final establishment of the iris signature code It is carried out by the following steps:
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- Cálculo de la transformada wavelet diádica discreta (Discrete Dyadic Wavelet Transjorm: DDWT) de la señal (o secuencia) unidimensional (1-D) denominada firma del iris, utilizando como wavelet básica la spline cuadrática de soporte compacto. Para ello se utiliza un algoritmo de cálculo rápido de la transformada wavelet diádica discreta para secuencias 1-D. Así, y restringiéndonos a escalas diádicas, tenemos que la DDWT de la firma del iris (IS), es el conjunto de las siguientes secuencias: Calculation of the discrete dyadic wavelet transform ( Discrete Dyadic Wavelet Transjorm : DDWT) of the one-dimensional (1-D) signal (or sequence) called iris signature, using the quadratic spline of compact support as the basic wavelet. For this, a fast calculation algorithm of the discrete dyadic wavelet transform for 1-D sequences is used. Thus, and restricting ourselves to dyadic scales, we have that the iris signature DDWT ( IS ), is the set of the following sequences:
\{{A_{2^{8}} (IS),(D_{2^{j}}},(IS))_{1\leq j\leq 8}\}\ {{A_ {2 8}} (IS), (D_ {2 j}}, (IS)) {1 \ leq j \ leq 8} \}
donde A_{2^{8}} es la secuencia de aproximación más burda (correspondiente, por tanto, a la escala más alta) y (D_{2^{j}} (IS))_{1\leq j \leq 8} el conjunto de secuencias de detalle, desde la escala j = 1 a la escala j = 8. Con el fin de obtener una representación robusta en un entorno ruidoso y, al mismo tiempo, reducir la carga computacional se excluyen tanto el nivel más burdos como los niveles más finos. Como es conocido, la información contenida en los niveles de resolución más fina está fuertemente contaminada por el ruido que afecta al sistema así como por los errores de cuantificación. Para reducir tales efectos en la representación de cruces por cero se consideran únicamente los niveles de resolución intermedios. En particular, se consideran tres niveles de resolución, correspondientes a las escalas 3\leq j \leq5 (Figura 3).where A_ {2 <8}} is the grossest approximation sequence (corresponding, therefore, to the highest scale) and (D_ {2} {(IS)) _ {1 \ leq j \ leq 8} the set of detail sequences, from the scale j = 1 to the scale j = 8. In order to obtain a robust representation in a noisy environment and, at the same time, reduce the computational load, both the level plus gross as the finest levels. As is known, the information contained in the finest resolution levels is heavily contaminated by the noise that affects the system as well as quantification errors. To reduce such effects in the representation of zero crossings, only intermediate resolution levels are considered. In particular, three levels of resolution are considered, corresponding to the 3 \ leq j \ leq5 scales (Figure 3).
- \sqbullet\ sqbullet
- Representación multiescala de cruces por cero de la DDWT de la firma del iris. Se calculan los cruces por cero de (D_{2^{j}} (IS))_{3\leq j \leq 5} a partir de los cambios de signo de sus muestras. La posición de cada cruce por cero se estima mediante una interpolación lineal entre dos muestras de diferente signo. Así, si la firma del iris (IS) tiene N muestras distintas de cero, y puesto que existen a lo sumo Nlog(N) muestras en su transformada wavelet diádica discreta, el número de operaciones necesarias para obtener la posición de los cruces por cero es O(Nlog(N)). Así, para cualquier par de cruces por cero consecutivos de D_{2^{j}} con 3\leq j \leq5, cuyas abscisas son z_{n-1} y z_{n} y, respectivamente, es posible calcular el valor de la integral: Multi-scale representation of zero crossings of the iris signature DDWT . The zero crossings of (D2 {j}} (IS)) {3 le j ≤ 5} are calculated from the sign changes of your samples. The position of each zero crossing is estimated by a linear interpolation between two samples of different signs. Thus, if the iris signature ( IS ) has N samples other than zero, and since there are at most Nlog (N) samples in its discrete dyadic wavelet transform, the number of operations required to obtain the zero crossings position is O (Nlog (N)). Thus, for any pair of consecutive zero crossings of D_ {2 ^ {j}} with 3 \ leq j \ leq5, whose abscissa are z_ {n-1} and z_ {n} and, respectively, it is possible to calculate the value of the integral:
e_{n} =\int^{z_{n}}_{z_{n-1}}D_{2^{j}}(IS)dxin} = \ int ^ {z_ {n}} {{z_ {n-1}} D_ {2 ^ {j}} (IS) dx
y para cualquier D_{2^{j}} la posición de los cruces por cero (z_{n})_{n\in Z} pueden representarse mediante la siguiente función constante a trozos:and for any D_ {2 ^ {}} the position of the zero crossings (z_ {n}) _ {n \ in Z} can be represented by the following constant function a pieces:
Z_{2^{j}}(IS)=\frac{e_{n}}{z_{n}-z{_{n-1}}}
\hskip0.5cmx\in[z_{n-1}, z_{n}]Z_ {2 ^ {j}} (IS) = \ frac {e_ {n}} {z_ {n} -z {_ {n-1}}}
\ hskip0.5cmx \ in [z_ {n-1}, z_ {n}]
Con lo que, se considera como representación multiescala de cruces por cero de la firma del iris (IS), en las escalas 3\leq j \leq5, al conjunto de secuencias (Figura 4):Therefore, the multi-scale representation of zero crossings of the signature of the iris (IS) is considered, on scales 3 j j le5, to the sequence set (Figure 4):
\{(Z_{2^{j}}(IS))_{3\leq j\leq5}\}\ {(Z_ {2j}} (IS)) 3 \ leq j \ leq5} \}
Efectuada de esta forma, la representación obtenida es invariante frente a rotación. Como paso previo a la obtención del código de la firma del iris, es conveniente la implementación de un mecanismo de eliminación de falsos cruces por cero ya que, aunque la distorsión producida en esta representación de cruces por cero debida a ruido a blanco es muy reducida en los niveles de resolución bajos, en algunas posiciones críticas con niveles altos de resolución, pueden aparecer y desaparecer cruces por cero. Los puntos de inflexión de la transformada wavelet son algunos de esos puntos. Como resultado, dos irises idénticos pueden tener distintas representaciones de cruces por cero si uno de ellos está en un entorno con ruido.Done in this way, the representation obtained is invariant against rotation. As a previous step to the obtaining the iris signature code, it is convenient to implementation of a mechanism to eliminate false crossings by zero since, although the distortion produced in this representation of zero crossings due to white noise is greatly reduced in low resolution levels, in some critical positions with high levels of resolution, crosses may appear and disappear by zero. The inflection points of the wavelet transform are Some of those points. As a result, two identical irises can have different representations of zero crossings if one of them It is in a noisy environment.
No obstante, comparando el número de cruces por cero de la representación del iris desconocido (en entornos ruidosos), con el número de cruces por cero de la representación de nuestro modelo (en un entorno libre de ruido) al mismo nivel de resolución, es posible eliminar los cruces por cero falsos si se emplea un algoritmo adecuado. Además, como la representación es periódica, el número de cruces por cero debe de ser par. Por tanto, a la hora de eliminar falsos cruces, ha de hacerse de dos en dos. Esto puede llevarse a cabo mediante el siguiente algoritmo:However, comparing the number of crosses by zero of the unknown iris representation (in environments noisy), with the number of zero crossings of the representation of our model (in a noise-free environment) at the same level of resolution, it is possible to eliminate false zero crossings if Use a suitable algorithm. Also, as the representation is periodically, the number of zero crossings must be even. So, When eliminating false crosses, it must be done two by two. This can be done using the following algorithm:
- Con el rango de resolución predeterminado (3\leq j \leq5), comenzando por el nivel más burdo de resolución, j = 5, y finalizando con el nivel más fino, j = 3, seguir los siguientes pasos:With the default resolution range (3 \ j j \ leq5), starting with the grossest level of resolution, j = 5, and ending with the finest level, j = 3, follow these steps:
- 1.one.
- Si el número de cruces por cero es el mismo, pasar al paso 4, si no, ir al paso 2.If the number of zero crossings is the same, go to step 4, if not, go to step 2.
- 2.2.
- Modificar la representación que tenga mayor número de cruces por cero de la siguiente forma:Modify the representation that has a greater number of zero crossings of the following form:
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- Calcular el área algebraica de los pulsos rectangulares entre cada pareja de cruces por cero consecutivos.Calculate the algebraic area of the rectangular pulses between each pair of consecutive zero crossings.
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- Eliminar el pulso que tenga el menor valor absoluto del área. Remove the pulse that has the lowest absolute value of the area.
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- Unir los dos cruces por cero contiguos al eliminado para formar un nuevo pulso. El área del nuevo pulso se calcula siguiendo la siguiente ecuación:Join the two zero crossings adjacent to the one eliminated to form a new pulse. The area of the new pulse is calculated following the following equation:
A_{nueva}= A_{n+1} + A_{n} + A_{n-1}A_ {new} = A_ {n + 1} + A_ {n} + A_ {n-1}
- donde A_{n} es el área algebraica del pulso eliminado. Las dos posiciones de los cruces por cero del nuevo pulso están definidas por las posiciones izquierda y derecha de los cruces por cero de los vecinos izquierdo y derecho del pulso eliminado, respectivamente.where A_ {n} is the area Pulse algebraic removed. The two positions of the crosses by zero of the new pulse are defined by the positions left and right of the zero crossings of the left neighbors and right of the pulse removed, respectively.
- 3.3.
- Repetir el paso 2 hasta que el número de cruces por cero del modelo y del candidato coincidan.Repeat step 2 until the number of zero crossings of the model and the candidate match.
- 4.Four.
- Pasar al siguiente nivel de resolución más fino, y volver al paso 1.Go to the next finest resolution level, and return to step 1.
El último paso en esta etapa es la extracción del denominado código de la firma del iris (Figura 5) a partir de la representación multiescala de cruces por cero de la firma del iris, y tras la aplicación del algoritmo de eliminación de falsos cruces, tal y como se indicó en la explicación de la técnica. Este código de la firma del iris constituirá el patrón de iris de la persona con el cual se comparará el código de la firma del iris de la persona que se quiere identificar o autenticar. Su almacenamiento puede efectuarse en un dispositivo pequeño, una tarjeta inteligente por ejemplo, de forma cifrada (mediante un algoritmo de cifrado de clave secreta o pública) o no.The last step in this stage is the extraction of called the iris signature code (Figure 5) from the multi-scale representation of zero crossings of the iris signature, and after the application of the false crossing elimination algorithm, as indicated in the explanation of the technique. This code of the iris signature will constitute the iris pattern of the person with which will compare the signature code of the person's iris that you want to identify or authenticate. Your storage can be done on a small device, a smart card by example, in an encrypted form (using an encryption algorithm of secret or public key) or not.
Tal como se detalló en el apartado de explicación de la invención, el sistema puede configurarse como un clasificador, o bien como un verificador de usuarios. En ambos casos, como en todo sistema de reconocimiento de patrones, ha de confeccionarse previamente la base de datos del sistema, que estará constituida por todos los códigos de la firma del iris de todas las personas (usuarios) autorizadas a entrar en el sistema.As detailed in the explanation section of the invention, the system can be configured as a classifier , or as a user verifier . In both cases, as in any pattern recognition system, the system database, which will be constituted by all the iris signature codes of all persons (users) authorized to enter the system, must be previously prepared.
Si el sistema se utiliza como un clasificador (reconocimiento biométrico), el código de la firma del iris se compara con todos los códigos de firma de iris almacenados en la base de datos del sistema. En la realización efectuada, esta comparación se ha llevado a cabo calculando la distancia de Hamming entre el código del iris de la persona a identificar y todos los códigos de la base de datos. La toma de decisión se realiza de la siguiente forma: el sistema identificará a la persona que pretende acceder como aquel usuario cuyo código de la firma del iris almacenado en la base de datos obtenga la menor distancia de Hamming en el proceso de comparación. En la realización efectuada por los autores se ha probado el funcionamiento del sistema con todos los usuarios, es decir se ha comprobado la capacidad de identificación del sistema para todos los usuarios que componen la base de datos, obteniéndose un éxito en clasificación del 100%, es decir el sistema ha identificado correctamente a cada usuario en todos los ensayos realizados.If the system is used as a classifier (biometric recognition), the iris signature code is compare with all iris signature codes stored in the system database. In the realization carried out, this comparison has been carried out by calculating the distance of Hamming between the iris code of the person to be identified and all database codes. The decision is made from the as follows: the system will identify the person you intend access as that user whose iris signature code stored in the database get the shortest distance from Hamming in the comparison process. In the realization carried out by the authors the operation of the system has been tested with all users, that is to say the ability to system identification for all users that make up the database, obtaining 100% ranking success, is say the system has correctly identified each user in All the tests performed.
Si el sistema se utiliza como un verificador (autenticación biométrica), el código de la firma del iris de la persona que pretende entrar en el sistema se compara con el código de la firma del iris del usuario que dice ser, almacenado en la base de datos del sistema. En este caso, la toma de decisión es como sigue: el sistema autenticará al usuario como aquel que dice ser si la distancia de Hamming entre el código de la firma del iris del mismo y el que está almacenado en la base de datos es menor que un cierto umbral predeterminado.If the system is used as a verifier (biometric authentication), the iris signature code of the person who intends to enter the system is compared to the code of the signature of the iris of the user who claims to be, stored in the system database. In this case, decision making is like continue: the system will authenticate the user as one who claims to be yes Hamming's distance between the iris signature code of the same and the one that is stored in the database is less than a certain predetermined threshold.
En la realización efectuada para diferentes umbrales, se han obtenido los resultados que se muestran en la Figura 6. Es importante destacar como principal resultado la obtención de tasas de Falsa Aceptación (FAR) nulas para tasas de Falso Rechazo (FRR) muy pequeñas (0.19%, para un valor del umbral igual a 89); lo cual hace que el sistema sea idóneo para entornos de alta seguridad. Además, la Tasa de Igual Error (EER) obtenida; es decir, el punto donde las tasas FAR y FRR son iguales, resultó ser de 0.12%, más baja que la que obtienen otros sistemas biométricos basados en el patrón de iris humano actualmente en uso.In the embodiment carried out for different thresholds, the results shown in the Figure 6. It is important to highlight as the main result the Obtaining null False Acceptance (FAR) rates for False Rejection (FRR) very small (0.19%, for a threshold value equal to 89); which makes the system ideal for environments High security In addition, the Equal Error Rate (EER) obtained; that is, the point where the FAR and FRR rates are equal, resulted be 0.12%, lower than that obtained by other systems biometric based on the human iris pattern currently in use.
Por otra parte, el coste computacional en esta etapa es mínimo, pues el cálculo de la distancia de Hamming requiere únicamente operaciones lógicas de o-exclusivo, y por tanto el tiempo requerido en cada comparación es ínfimo (inferior a 1 msg).Moreover, the computational cost in this stage is minimal, as the calculation of Hamming's distance requires only logical operations of o-exclusive, and therefore the time required in each comparison is very small (less than 1 msg).
La forma de aplicar industrialmente el sistema descrito se desprende de la propia descripción del mismo. No obstante señalaremos como más importantes su aplicabilidad en la industria relacionada con los servicios de seguridad informáticos, financieros, gubernamentales, policiales, aeroportuarios, sanitarios, domóticos e inmóticos y, en general en la industria relacionada con todas aquellas áreas o servicios que requieran la identificación o autentificación de usuarios para el acceso a dicha área o servicio. Así pues, dentro de sus múltiples aplicaciones industriales cabe destacar, entre otros, la fabricación y puesta en funcionamiento de:The way to apply the system industrially described follows from the description itself. Do not However, we will indicate as more important its applicability in the industry related to computer security services, financial, governmental, police, airport, sanitary, domotic and inmotic and, in general in the industry related to all those areas or services that require the identification or authentication of users for access to said area or service So, within its multiple applications industrial include, among others, manufacturing and commissioning operation of:
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- cajeros automáticos con reconocimiento mediante iris;ATMs automatic with iris recognition;
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- cámaras de autenticación basadas en iris para el control de accesos (aeroportuarios, domóticos, inmóticos, sanitarios, etc);chambers of iris-based authentication for access control (airport, home automation, real estate, sanitary, etc);
dispositivos susceptibles de incorporarse a un PC para la autenticación de usuarios mediante iris en comercio electrónico, librerías electrónicas, etc.devices capable of joining a PC for user authentication via iris in commerce electronic, electronic libraries, etc.
Claims (7)
- \sqbullet\ sqbullet
- captura de la imagen del ojo de la persona que se quiere identificar;capture of the image of the eye of the person to be identified;
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- preprocesado de la imagen para aislar el iris del ojo dentro de la imagen y establecimiento de una señal (o secuencia) unidimensional (firma del iris) que caracterice al iris aislado;preprocessed image to isolate the iris of the eye within the image and establishment of a one-dimensional signal (or sequence) (iris signature) that characterize the iris isolated;
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- análisis de la firma del iris para extraer sus características mediante la transformada wavelet y determinación del código de la firma del iris analizado; yanalysis of the iris signature to extract its characteristics through the wavelet transform and determination of the signature code of the analyzed iris; Y
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- comparación de las características obtenidas de la imagen del iris capturado con un patrón almacenado previamente y toma de decisión.comparison of characteristics obtained from the image of the iris captured with a Previously stored pattern and decision making.
- \sqbullet\ sqbullet
- la conversión a blanco y negro de la imagen del ojo y el estiramiento del histograma;the black and white conversion of the eye image and stretch of the histogram;
- \sqbullet\ sqbullet
- la detección de los bordes interno y externo del iris mediante un algoritmo de detección de bordes de imágenes, para proceder al aislamiento del iris dentro de la imagen;the detection of the inner and outer edges of the iris through a image edge detection algorithm, to proceed to iris isolation within the image;
- \sqbullet\ sqbullet
- la elección del centroide de la pupila detectada como punto de referencia para obtener el conjunto de datos denominado firma del iris extrayendo los valores del nivel de gris, g_{r}, del contorno de cada círculo virtual, con centro en el centroide y radio r, tal que r_{i} \leq r \leq r_{e}, siendo r_{i} = 5 y r_{e} = 45 los radios interno y externo respectivamente; ythe choice of the centroid of the pupil detected as a reference point to obtain the data set called iris signature by extracting the values of the gray level, g_ {r}, of the contour of each virtual circle, centered on the centroid and radius r , such that r_ {i} \ leq r \ leq r_ {e}, where r_ {i} = 5 and r_ {e} = 45 the internal and external radii respectively; Y
- \sqbullet\ sqbullet
- el cálculo del conjunto de datos denominado firma del iris (IS) de la forma:the calculation of the data set called iris signature (IS) of the shape:
- \sqbullet\ sqbullet
- la aplicación de la transformada wavelet diádica discreta al conjunto de datos denominado firma del iris;the application of the discrete dyadic wavelet transform to the whole of data called iris signature;
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- la representación de cruces por cero de dicha transformada;the representation of zero crossings of said transform;
- \sqbullet\ sqbullet
- la utilización de un algoritmo de eliminación de falsos cruces por cero; ythe use of a false crossing elimination algorithm by zero; Y
- \sqbullet\ sqbullet
- la construcción del código de la firma del iris: para cada uno de los niveles de resolución de la representación de cruces por cero de la transformada wavelet diádica discreta de la firma del iris, el valor de cada bit en el código de la firma del iris se obtiene asociando el valor "1" para los valores positivos o nulos, y un "0" para los valores negativos.the construction of the iris signature code: for each of the resolution levels of the representation of zero crossings of the Transformed discrete dyadic wavelet of the iris signature, the value of each bit in the iris signature code is obtained by associating the value "1" for positive or null values, and a "0" for negative values.
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- la operación lógica o-exclusiva (\oplus) entre los bits correspondientes, para cada nivel de resolución considerados, de los códigos de la firma de los irises que se comparan;the o-exclusive logical operation (\ oplus) between corresponding bits, for each resolution level considered, of the signature codes of the irises that are compared;
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- la suma de las componentes de cada vector binario resultante, para cada nivel de resolución;the sum of the components of each resulting binary vector, for each level of resolution;
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- el cálculo de la media de las sumas resultantes, que se define como distancia de Hamming entre dos códigos de la firma de los irises que se comparan, ythe calculation of the average of the resulting sums, which is defined as distance of Hamming between two codes of the signature of the irises that compare, and
- \sqbullet\ sqbullet
- la conversión de la distancia de Hamming calculada en una medida para generar la decisión de si (o no) ambos códigos de la firma del iris proceden (o no) del mismo iris, y por tanto de la misma persona: asignando la identidad a una persona, cuyo código se compara, con la de aquella con cuyo código se obtiene la mínima distancia de Hamming de entre todos con los que se compara.the Hamming distance conversion calculated to a measure for generate the decision of whether (or not) both iris signature codes they come (or not) from the same iris, and therefore from the same person: assigning the identity to a person, whose code is compared, with the of the one with whose code the minimum distance of Hamming of all with which it compares.
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DE MARTIN-ROCHE, D.; SANCHEZ-AVILA, C.; SANCHEZ-REILLO, R. Iris recognition for biometric identification using dyadic wavelet transform zero-crossing. 2001 IEEE 35th International Carnahan Conference on Security Technology. 16-19 Oct. 2001. Paginas 272-277. * |
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