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Biometric recognition in unconstrained environments

Author(s): Santos, Gil Melfe Mateus

Date: 2015

Persistent ID: http://hdl.handle.net/10400.6/4041

Origin: uBibliorum

Subject(s): Biometria; Reconhecimento da íris; Sistema de reconhecimento biométrico - Ambientes não-controlados; Bases de dados de imagens; Domínio/Área Científica::Engenharia e Tecnologia::Engenharia Eletrotécnica, Eletrónica e Informática; Domínio/Área Científica::Engenharia e Tecnologia::Engenharia Eletrotécnica, Eletrónica e Informática; Domínio/Área Científica::Engenharia e Tecnologia::Engenharia Eletrotécnica, Eletrónica e Informática


Description

Every human being is entitled, by his very nature, to a set of physiological and behavioral features that characterize him. The study of such features led to the development of a considerable amount of systems and applications, referred as biometric systems. The use of biometric systems has been significantly growing over the last years, particularly in the field of security: authentication, access control, criminal identification, etc. Being a highly demanding sector, it is then natural that greater focus is placed on the biometric traits that are able to deliver high discrimination between subjects whilst being less prone to forgery. However, such constraints represent a significant impact on both system’s usability and flexibility, requiring from the user a significant amount of cooperation. In this context, the iris is a primordial trait. Existing biometric recognition systems based on the iris follow the pioneer approach proposed by John Daugman, that proved itself as an excellent option for cooperative scenarios where images are acquired in the near-infrared spectrum. However, not in every case user cooperation is expected and, when not, systems with such high acquisition constraints are of little or no use. Research is then focused on circumventing those issues, either by improving the existing methods or finding new and more fitting traits. On the later, the periocular region (i.e., the region surrounding the eye) is one of the most promising characteristics: it mimics a natural and spontaneous way of recognition employed by the human beings; has an advantageous localization in relation to the iris, making it easy to be simultaneously acquired; and has, as corroborated by the literature, a set of promising characteristics that can be used for recognition purposes. The main objective of this doctoral work is then to either adapt or develop a novel biometric recognition system, suited for in the wild environments. Such systems should preferably use the periocular region as biometric trait, due to its flexibility and ease of acquisition in adverse conditions, and keep the operation constraints as low as possible. Subjects can be imaged ata- distance, on-the-move, and under irregular lighting conditions, using cameras working in the visible wavelength. To accomplish such goal, a set of intermediate milestones was established. At first, the iris was studied as biometric trait, paying particular attention to the techniques for allowing its use on in the wild scenarios. The effects of the visible wavelength light on iris performance for biometric purposes should not be disregarded and, as so, this factor was also studied. After rolling out iris appropriateness as the main distinctive feature, different emerging traits were analyzed, with special attention being paid to the periocular region. The most relevant methods were implemented and tested against the same dataset. Ultimately, multiple contributions were proposed and accepted by the scientific community, with applicability on different in the wild environments, the last of which is the proposal of an actual biometric system, working in real challenging conditions.

Ao ser humano está associado, pela sua natureza, um conjunto de características físicas e comportamentais que o caracterizam. O estudo dessas características permitiu o desenvolvimento de um considerável número de sistemas e aplicações – sistemas biométricos. A utilização de sistemas biométricos tem vindo a aumentar ao longo dos últimos anos, principalmente na área da segurança: autenticação, controlo de acesso, identificação criminal, etc. Sendo um sector de elevada exigência, é natural que se dê maior destaque às características biométricas que permitam atingir uma elevada distinção entre os sujeitos, sendo pouco propensas a falsificação. Contudo, estas restrições acarretam um impacto significativo quer na usabilidade do sistema quer na sua flexibilidade, sendo necessário de um elevado grau de cooperação por parte do utilizador. É neste contexto que a íris é apresentada como a característica biométrica por excelência. Os sistemas de reconhecimento biométrico que utilizam a íris como característica principal baseiam-se essencialmente na abordagem pioneira proposta por John Daugman. Esta abordagem demonstrou ser uma excelente opção para cenários cooperativos de reconhecimento em que as imagens possam ser adquiridas no infravermelho. Contudo, nem sempre a cooperação por parte dos indivíduos é expectável. Nesses casos, sistemas com elevadas restrições na aquisição deixam de ser viáveis. Linhas de investigação mais recentes tentam contornar este problema, seguindo duas possíveis abordagens: adaptação dos métodos existentes aos novos cenários e desafios; e procura de novas características biométricas que melhor se adaptem a esta realidade. É nesta última abordagem que a região periocular (i.e., o olho e a região circundante) se assume como uma das características mais promissoras: aproxima-se do método de reconhecimento usado naturalmente e de forma espontânea pelo ser humano; tem uma localização privilegiada em relação à íris, facilitando a aquisição simultânea de ambos os sinais biométricos; e tem, tal como corroborado pela literatura, um conjunto de características promissoras, passíveis de ser usadas para efeitos de reconhecimento. O objectivo principal destes trabalhos de doutoramento é então desenvolver (ou adaptar) um sistema de reconhecimento biométrico, especialmente adequado para ambientes não-controlados (i.e., in the wild). Tal sistema, pelos seus requisitos e especificidades, deverá usar como característica preferencial de reconhecimento a região periocular, dado que esta permite uma maior flexibilização e facilidade de aquisição em condições particularmente adversas, minimizando assim as restrições de funcionamento. Os indivíduos poderão ser reconhecidos a distâncias superiores, em movimento, com condições de iluminação irregulares, e usando informação adquirida no espectro de luz visível. Por forma a atingir este objectivo, uma série de etapas intermédias foi estabelecida. Começou por se estudar a íris enquanto sinal biométrico, prestando especial atenção à vertente nãocooperativa e ao funcionamento no comprimento de onda visível. Este estudo englobou também os efeitos da luz visível no processo de reconhecimento, tendo sido levada a cabo uma análise da reflectância da íris em função do comprimento de onda de diferentes iluminantes. Tendo sido observado que a íris não se apresenta como sinal ideal ao reconhecimento in the wild, foram estudadas características biométricas emergentes, prestando especial atenção à região periocular. Da literatura analisada, os métodos mais relevantes foram implementados e testados contra um mesmo conjunto de dados. Finalmente, várias contribuições foram propostas e aceites pela comunidade científica, com aplicação em diferentes ambientes não-controlados, tendo sido a última a conceptualização de um sistema biométrico capaz de trabalhar nas condições desafiantes a que nos propúnhamos.

Document Type Doctoral thesis
Language English
Advisor(s) Proença, Hugo Pedro Martins Carriço
Contributor(s) Santos, Gil Melfe Mateus
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