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Storia e Mercato della Biometria

Panoramica sulle Principali Biometriche

Docente: Michele Nappi

[email protected]

biplab.unisa.it

089-963334

mailto:[email protected]

Parlare di Biometria richiede un approccio

multidisciplinare e multifocale

Tecnologia Applicazioni

Legislazione

Implicazioni Culturali e

Sociali

Intr

oduzio

ne

Un po’ di storia … antica …[2600 AC --- 1892 DC]= 4492 anni

• 2600 ac – In Egitto si misura la lunghezza

delle braccia degli operai per distinguerli

• 500 ac – Gli Assiro-Babilonesi usano le

impronte digitali sulle tavolette d’argilla per

validare i contratti

• 1300 dc – in Cina si prendono le impronte

delle mani e dei piedi dei bambini per

distinguerli (Joao de Barros)

• 1686 dc – A Bologna, Marcello Malpighi

scopre le caratteristiche uniche delle

impronte digitali

• 1880 dc – Adoplhe Bertillon propugna l’uso

dell’antropometria. Il metodo detto

Bertillonage sarà in uso fino a primi anni del

secolo XX

• 1892 – Galton sviluppa il primo sistema di

classificazione per impronte

• 1892 – Primo caso criminale risolto sulla

base delle impronte digitali

[1900 DC --- 2011 DC] = 112 anni

• 1901 –Scotland Yard attiva il Metropolitan

Police Fingerprint Bureau

• 1903-1905 – USA introducono fingerprint

(Sistema Penitenziario\FBI)

• 1908 – ARMY\NAVY\Marines introducono

fingerprint

• 1970-1980 – ARMY\NAVY\Marines introducono

fingerprint\geometria della mano

• 1993 – INPASS

• 2001 – MIT Technology Review indica la

biometria come una delle 10 tecnologie che

cambieranno il mondo

• 2002 – BAT (Biometric Automated Toolset)

• 2004 – VISIT (Visitors and Immigrant Status

Indicator Technology)

• 2006 – HIIDE (Handled Interagency Intelligent

Detection Equipment)

• 2006 – BTF (Biometric Task Force)

• 2008 – FBI e NSA adottano un sistema rapido

per IR

• 2011 – Individuazione di una fingerpint latente

(9/11/2001)Link al sito BIMA

http://www.biometrics.dod.mil/References/Biometrics_Timeline.aspx

… e recente

Cortesia di Joseph Atick

Country Programme Name AirportBiometrics

TechnologyStatus

Australia SmartGate BNE, CNSFace

e-Passport

-Introduced August 2007

-For Australian and New Zealand citizens

-Entry only

Austria ABC System New terminal : VIE Face -Planned pilot

Canada,

USANEXUS Air

JFK, LAX, ATL, ORD, SFO,

MCO, YVR

Iris

Smartcard

-Entry only

-Operational

-For US and CAN citizens, and permanent

residents of at least three years

China e-Channel, APC,

AVCHKG

Fingerprint

Smartcard

-Entry and exit

-Operational

-For citizens and permanent residents

Czech

RepublicABC System PRG Face

-Planned Pilot :

-Technical study available

-Fall 2009 pilot

Dubai E-Gate DXBFingerprint

Smartcard

-Entry only

-Operational

-available for all travellers with entry permit

Finland ABC System

HEL Vantaa Airport

+ Pilot at Vaalima Land

Border (Oct. 2009)

Face-Pilot start: July 2008

- Operational since April 2009

Biometrics at Airports

France PARAFES CDG e-Passport Fingerprint

- Pilot since August 2007

- Entry and exit

- For EU/ EEA and CH

Germany ABG FRA Databank Iris- Entry and exit

- For EU/ EEA and CH, and permanent residents

Germany EasyPASS FRA e-Passport Face

- Pilot since October 2009

- Entry and exit


MalaysiaImmigration

Autogate

KUL, PEN, BKI,

MYY, KCH, LGK

Fingerprint

e-Passport

e-ID (MyKad)

- Introduced August 2000

- Entry and exit

- For Malaysian citizens

NL PRIVIUM AMSIris

Smartcard

- Introduced October 2001

- Entry and exit

-Targets frequent flyers with an EU nationality

NL No-Q AMSe-Passport

Face

- Pilot Q1 2010

- Exit

Portugal RAPID

LIS, FAO, FNC,

OPO

Plans to expand

to seaports

Face

e-Passports

- Introduced May 2007


- Entry and exit

Singapore

(eIACS) enhanced

Immigration

Automated

Clearance System

SINFingerprint

Smartcard

- Operational since March 2006

- Entry and exit

- For citizens and permanent residents


CountryProgramme

NameAirport

Biometrics

TechnologyStatus

Spain ABC System MADFace

Fingerprint

-Planned pilot

-2009 finalizing technical solutions

-2010 pilot

Switzerl

andAugreko ZRH

Face

e-Passport-Planned pilot from mid 2010

UK ABC SystemMAN, STN + 10

other airportsFace -Pilots

UK IRISLHR, LGW, MAN,

BHX, STN

Iris

Databank

-Operational since January 2006

-For EU/ EEA and CH, permanent residents and Visa

holders

-Entry only

USA Global Entry20 major airports

US

Databank

Fingerprint

-Entry

-Frequent travellers

-Operational

-For users of NEXUS, citizens of US & CAN, and pre-

screened third countries citizens (currently only NL

through FLUX)

USA/ NL FLUX -Alliance20 major airports

US + AMS

US: Databank

Fingerprint

NL:

Iris

SmartCard

-Pilot until April 2010

-Combination of existing GlobalEntry and PRIVIUM

programmes

-Pre-registration & vetting (extensive background

checks)


30/04/2016 8

Comparazione di Tecnologie

Biometriche

Comparazione di Tecnologie

Biometriche

30/04/2016 9

NAPPI\SINTESYS\THL 10

Biometric Revenues

30/04/2016

Previsione ricavi dell’industria

biometrica

Fonte: Acuity Market Intelligence

Milioni

30/04/2016 NAPPI\SINTESYS\THL 14

Biometrics Vendors Market

Share

Applications

Fingerprint 54% 34% Law enforcement; civil government;

enterprise security; medical and

financial transactions

Hand

Geometry

5% 26% Time and attendance

systems, physical access

Face

Recognition 23%

15% Transaction authentication;

picture ID duplication

prevention; surveillance

Voice

Authentication10% 11% Security, V-commerce

Iris

Recognition3% 9% Banking, access control

Quote di Mercato

Forensic Identity

• Does Charlie have a criminal record?

• Should John be granted a visa?

• Does Alice already have a driver license?

• Is Mary authorized to enter the facility?

• Can Steve access the website?

• Is Cathy the owner of the bank account?

• We rely on credentials: documents &

secrets16

17

Slide by courtesy of Anil K. Jain

18


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23


24


1Introduction to Basic Ridgeology by David Ashbaugh, May 1999 Image from http://www.cs.usyd.edu.au/~irena/minutia.gif

The koala is one of the few mammals (other than primates) that

has fingerprints. In fact, koala fingerprints are remarkably similar

to human fingerprints; even with an electron microscope, it can

be quite difficult to distinguish between the two.

A fingerprint is made of a series of ridges and

valleys on the surface of the finger. The

uniqueness of a fingerprint can be determined by

the pattern of ridges and valleys as well as the

minutiae points ( ), which are points where the

ridge structure changes.

Ridgeology: The study of the uniqueness of friction

ridge structures and their use for personal

identification.1

30/04/2016 SB - Nappi 26

Fingerprint (cont.)

• Le caratteristiche

globali non sono

sufficienti per il

riconoscimento

• Si utilizzano solo per

classificare

(clastering) le

impronte (divisione in

classi)

3rd Principle:Fingerprints have general ridge

patterns that permit them to be systematically

classified.

All fingerprints are divided into three classes

on the basis of their general pattern: loops, arches and whorls (LAW).

BASIC PATTERN TYPES

Each of the 3 patterns types have focal points

which are used for classification.http://www.fbi.gov/hq/cjisd/takingfps.html

http://www.fbi.gov/hq/cjisd/takingfps.html

BASIC PATTERN TYPES

LOOP

There are two focal points: the Core, or the center of the loop, and

the delta. The Delta is the area of the pattern where there is a

triangulation or a dividing of the ridges. When recording

fingerprints, the delta and the area between the delta and the core

must be completely recorded.http://www.fbi.gov/hq/cjisd/takingfps.html


BASIC PATTERN TYPES

ARCH

The Arch pattern has no delta or core; but, it too, must

be fully recorded so that its individual characteristics

can be readily distinguished.



BASIC PATTERN TYPES

WHORL

A Whorl pattern will have two or more deltas. For a

whorl pattern, all deltas and the areas between them must

be recorded.



Loops (60-65 % of fingerprints)

Loop patterns have lines that start on one side of the print, rise toward the center, turn back and leave on the same side from which they started

LoopsOne Delta and One Core

Ulnar vs. Radial Loop

One Delta and One Core

One Delta and One Core

http://images.google.com/imgres?imgurl=http://antonio.miq.com.tw/image/a05.jpg&imgrefurl=http://antonio.miq.com.tw/d1-4.htm&h=371&w=371&sz=79&tbnid=wwv1lCc1lD0J:&tbnh=118&tbnw=118&start=9&prev=/images?q=ulnar+loop&hl=en&lr=&sa=G

Arches (5 % of fingerprints)

An Arch fingerprint has ridges that enter from one side, rise to a

slight bump and exit out the opposite side from which they entered.

No Delta

Plain Arch

No Delta

Tented ArchNo Delta

The tented arch is similar to the plain arch EXCEPT that instead of

rising smoothly at the center, there is a sharp spike, or the ridges meet

at an angle that is less than 90 degrees.

Plain Arch vs. Tented Arch

• Plain: wavelike, low peaks Tented: spiked, high peak

Whorls (30-35 % of fingerprints)

At least Two Deltas and One Core

Whorls have at least one ridge that makes (or tends to make) a

complete circuit. If a print has more than two deltas, it is most

likely an accidental.

Plain Whorl


http://www.chickasaw.com/~waedens/fpc/pwhorl.htm

Central Pocket Loop Whorl


http://www.chickasaw.com/~waedens/fpc/cpwhorl.htm

Draw a line between the two deltas in the plain and central pocket

whorls. If some of the curved ridges touch the line, it is a plain

whorl. If none of the center core touches the line, it is a central

pocket loop whorl.

Plain

Whorl

Central

Pocket

Whorl

http://www.chickasaw.com/~waedens/fpc/dwhorls.htm

Accidental Whorl

Accidental whorl either contains 2 or more patterns (not including

the plain arch) or is a pattern not covered by other categories.

An accidental may consist of a combination loop and plain whorl or

loop and tented arch. Which is this? loop and tented arch

http://www.chickasaw.com/~waedens/fpc/xwhorls.htm

Quick Tips on “LAW”

Arches have NO DELTAS

Loops have 1 DELTA

Whorls have 2 or more DELTAS

30/04/2016 SB - Nappi 49

Fingerprint (cont.)

• Le caratteristiche locali dette

minuzie (singolarità) si

utilizzano solo per il

riconoscimento all’interno della

classe prodotta dalle

caratteristiche globali

Rid

ge

Ch

ara

cter

isti

cs Ridge Characteristics

http://cnx.org/content/m12574/latest/properties.jpg

Examples of Ridge

Characteristics

Scar

What’s

this?

Crossover

Core

Bifurcation (fork)

Ridge ending

Island

Delta

Pore

http://www.dkfz.de/tbi/projects/bmcv/images/iu_it246_04s_fingerprint1.jpg

How many ridge characteristics can you identify in this fingerprint?

Note: Usually

fingerprints from

a crime scene are

partials and only a

small # of ridges

are actually

recovered from

the scene.

There are as many as 150 minutiae (ridge characteristics) on the average finger.

Short ridge

core

island

Bifurcation

(Fork )island

Bifurcation

(Fork )

4

1

3

2

5

6

1

Fingerprint error

The above images depict an erroneous identification that was produced by an IAI Certified Latent Print Examiner

employed by a small police department in the state of Illinois, US. The examiner had a four year college degree and

passed the IAI CLPE certification exam. The Examiner's certification was revoked by the IAI Latent Print

Certification Board because of this incorrect identification.

Ridge Characteristics

• IF two prints are said to be the same, they

will have to reveal ridge characteristics

that not only are identical, but have the

same relative location to one another.

Identical Ridge Characteristics

Minutiae

Do these print match?

Ridge Characteristics

• When comparing prints, 8 to 16 identical ridge characteristics are usually needed to say that a match has occurred

• The fingerprint expert uses his judgment to determine whether or not two ridges match. – In a judicial proceeding, an expert must demonstrate a point-

by-point comparison in order to prove the identity of an individual.

• No statistical studies have been done to determine how many ridge comparisons are necessary

When minutiae on two different prints match, these are called

points of similarity or points of identification. At this point there

is no international standard for the number of points of

identification required for a match between two fingerprints.

However, the United Kingdom requires a minimum 16 points

while Australia requires 12 points.

Automated Fingerprint Identification System (AFIS)

http://www.fdle.state.fl.us/CrimeLab/images/fingerrint%20comparison%20for%20afis.jpg

Fingerprint Identification

AFIS is a computerized system capable of

reading, classifying, matching, and storing

fingerprints for criminal justice

agencies. Quality latent fingerprints are

entered into the AFIS for a search for

possible matches against the state maintained

databases for fingerprint records to help

establish the identity of unknown deceased

persons or suspects in a criminal case.

30/04/2016 SB - Nappi 60

Fingerprint (cont.)

Vantaggi:• Universalità

• Unicità

• Permanenza (Stabilità)

• Misurabilità

• Accettabilità

• Efficacia

• Acquisizione– Attiva e Passiva

– Basso costo dei sensori

Svantaggi:• Efficienza

– memoria della chiave di ricerca: 256 bytes – 1.2k

• Risoluzione: 500 dpi

– Tempo di ricerca

• Stabilità– Abrasioni, Rughe…

– Sporco, Sudore…

– Disidradazione (over 65)

• Insidia– Relativamente facile da

duplicare (Physical spoofing)

30/04/2016 SB - Nappi 61

Fingerprint: Stabilità?

2nd Principle: A fingerprint will remain

unchanged during an individual’s lifetime

A positive identification of John Dillinger from his fingerprints,

even though he had mutilated them

30/04/2016 SB - Nappi 63

Physical spoofing:

Metodo di Matsumoto

• Only a few dollars’ worth of materials

30/04/2016 SB - Nappi 64

Physical spoofing:

Metodo di Matsumoto (cont.)

You can place the “gummy finger” over your real finger. Observers aren’t likely to detect it when you use it on a fingerprint reader.

30/04/2016 SB - Nappi 65

Iride• Scansione dell’iride

– Zona colorata intorno alla

pupilla

– La struttura complessa

dell’iride costituisce la

chiave di autenticazione

30/04/2016 SB - Nappi 66

Iride (cont.)

• La parte colorata dell’occhio umano,

con le sue circa 300 caratteristiche

misurabili, è forse l’unica caratteristica

fisica maggiormente peculiare di un

individuo:

– Non è passibile di cambiamenti nel

corso del tempo

– Non può essere modificata

artificialmente

– La probabilità di trovare sulla Terra due

iridi uguali è praticamente nulla(una su

dieci seguito da 78 zeri )

– Ogni iride umano ha infatti una struttura

unica al punto che persino l’iride destra

e sinistra della stessa persona sono

differenti

30/04/2016 SB - Nappi 67

Iride (cont.)

– Impossibile da rigenerare

artificialmente, ma può

essere asportata

chirurgicamente e

trapiantata

– Lenti a contatto e traumi

non hanno effetto sulla sua

morfologia

– È situata in una posizione

più esterna alla retina, per

cui i metodi per la

scansione dell’iride

risultano essere più

semplici e meno invasivi.

30/04/2016 SB - Nappi 68

Iride (cont.)

• Metodi di rilevazione dell’iride– Un sensore, collocato a circa 40

centimetri di distanza dalla persona esaminata, inizia a fotografare i margini dell’occhio; quindi, attraverso un certo numero di scansioni successive, si individuano i contorni dell’iride come una corona circolare.

– Poi si seleziona un quadratino alla volta di quest’area che rappresenta l’area da decodificare. II disegno di questa regione é convertito in un codice di 512 byte, il cosiddetto Iris Code che, confrontato con quelli archiviati nel database, identifica la persona.

30/04/2016 SB - Nappi 69

Iride (cont.)


• Unicità


• Misurabilità

• Efficacia

• Insidia– Physical spoofing:

mediante chirurgia


– Memoria della chiave di ricerca: 256–512 bytes

• Risoluzione: 200/500 dpi


• Accettabilità

• Acquisizione– Attiva

– Elevato costo dei sensori

30/04/2016 SB - Nappi 70

Retina

• Scansione della retina

– Mappatura dei capillari sul

fondo oculare

30/04/2016 SB - Nappi 71

Retina (cont.)

• È basato sull'acquisizione e la verifica della mappa vascolare della retina dell'occhio umano: ci sono circa 180 caratteristiche misurabili

• Simon e Goldstein nel 1935 mostrarono che la forma delle vene nella retina sono uniche per ogni individuo

• La rete vascolare della retina è una delle caratteristiche che presenta un indice di variabilità nel tempo moderatamente basso

• È situata in una posizione più interna rispetto all’iride, per cui i metodi per la scansione sono più invasivi.

• Impossibile da rigenerare artificialmente, ma può essere asportata chirurgicamente e trapiantata

30/04/2016 SB - Nappi 72

Retina (cont.)

• L’acquisizione delle proprietà della retina utilizza

un raggio di luce che effettua la scansione della

retina. I raggi riflessi producono un’immagine in

intensità della struttura rilevata.

• Abbiamo due metodi differenti di acquisizione

della retina:

– metodo attivo: l’utente deve effettuare dei movimenti con la

testa (20-40cm) affinché il dispositivo di scansione possa

individuare la posizione corretta;

– metodo passivo: l’utente resta fermo e una serie di

dispositivi di scansione in cooperazione individuano la

posizione corretta.

30/04/2016 SB - Nappi 73

Retina (cont.)


• Unicità


• Misurabilità

• Efficacia

• Insidia– Physical spoofing: mediante

chirurgia

• Efficienza– Memoria della chiave di

ricerca: 96-256 bytes• Risoluzione: 100/200 dpi



– Memoria della chiave di ricerca: 96-256 bytes

• Risoluzione: 100/200 dpi


• Accettabilità

– Maggior cooperazione rispetto

all’iride

• Stabilità

– Alcune patologie possono

alterare la mappa

• Acquisizione

– Attiva

– Elevato costo dei sensori

30/04/2016 SB - Nappi 74

Geometria della Mano

• Consiste nel riconoscimento delle persone mediante la verifica delle misure e della conformazione della mano e consente un discreto coefficiente di univocità

• Caratteristiche: forma, locazione e dimensione di mano, dita e nocche

• Misura le caratteristiche fisiche della mano:

– Lunghezza delle dita

– Larghezza della mano

– Spessore delle dita

30/04/2016 SB - Nappi 75

Geometria della Mano (cont.)

• Le misure fisiche della mano sono catturate da un DISPOSITIVO CCD e la sagoma della mano viene memorizzata tridimensionalmente. La mano viene posta su un piano dove vi sono 5 pioli per posizionarla nel modo giusto

• Due immagini acquisite:

– Dall’alto

– Di lato

30/04/2016 SB - Nappi 76

Geometria della Mano (cont.)


• Misurabilità

• Accettabilità


ricerca: 10 bytes• Risoluzione: 72/100 dpi


Svantaggi:• Unicità


duplicare (Physical spoofing)

• Efficacia

• Stabilità– Alcune patologie possono

alterare la morfologia

• Acquisizione– Attiva

30/04/2016 SB - Nappi 77

Firma

• Tecnica riconosciuta ai fini dell’autenticazione

• La firma è soggetta ad un riflesso condizionato non facilmente riproducibile, soprattutto in real time

• La firma è utilizzata anche in processi di riconoscimento

• Si definiscono schemi di caratterizzazione per la dinamica dei movimenti durante la firma:

– angolazione della penna

– pressione esercitata con la penna

– tempo di esecuzione

– velocità e accelerazioni

– proprietà geometriche

30/04/2016 SB - Nappi 78

Firma (cont.)

• Eccessiva variabilità intraclasse

• Può essere dimenticata (a differenza di altre biometriche)

• Nella modalità di acquisizione off line contano solo le caratteristiche morfologiche (forma geometrica) che sono facili da duplicare

• Nella modalità on line (più difficile da realizzare mediante hardware speciale) si considerano altre caratteristiche (velocità, accelerazione, inclinazione delle penna…) più difficili da replicare

Signature

From: Dr. Andrzej Drygajlo, Biometrics for Identity verification, 2007

30/04/2016 SB - Nappi 80

Firma (cont.)

30/04/2016 SB - Nappi 81

Firma (cont.)


• Misurabilità

• Accettabilità

• Insidia– Difficile da duplicare

(modalità on line)

• Efficienza• Risoluzione: 72/100 dpi

• Acquisizione– Attiva e Passiva (on line

e off line)


• Efficienza– Memoria della chiave di ricerca:

500 bytes – 1000 bytes



duplicare (modalità off line)

• Efficacia

• Stabilità– Variabilità intraclasse

• Acquisizione– Costo dei dispositivi on line

(acquisizione attiva)

30/04/2016 SB - Nappi 82

Riconoscimento Vocale

• Determinazione di un modello acustico dipendente dal linguaggio e dal soggetto

• Il modello acustico riflette:– anatomia (dimensione e conformazione della bocca e della

gola),

– comportamento (timbro di voce, modo di parlare)

• Richiede complesse elaborazioni del segnale acustico (analisi di spettro, periodicità, etc...)

• Le caratteristiche della voce di un parlante sono

dovute sia a differenze fisiologiche, sia al particolare

stato d’animo in cui si trova.

30/04/2016 SB - Nappi 83

Riconoscimento Vocale(cont.)

• Dipendenti dal Testo: esiste un insieme prefissato di frasi per enrollment ed identificazione

• Con digitazione del Testo: esiste un insieme prefissato di parole, ma l’utente ne digita alcune e poi le pronuncia

• Indipendenti dal Testo: il soggetto viene riconosciuto a prescindere dalla frase pronunciata

30/04/2016 SB - Nappi 84

Voce (cont.)


• Misurabilità

• Accettabilità

• Acquisizione– Attiva e Passiva

– Costo dei dispositivi


• Efficienza– Memoria della chiave di ricerca:

3K-5K


• Insidia

– Relativamente facile da duplicare

(Physical Spoofing)

• Efficacia

• Stabilità

– Variabilità intraclasse (condizioni

fisiologiche, emotività, rumori di

fondo etc.)

• Acquisizione

– Difficile la modalità passiva

30/04/2016 SB - Nappi 85

Orecchio

• Mediante foto – il più

studiato

• Mediante punti di

interesse – usato per

l’autenticazione di

criminali

• Termografia – in fase di

sperimentazione

30/04/2016 SB - Nappi 86

Orecchio (cont.)

Termografia

Sistema Iannarelli

30/04/2016 SB - Nappi 87

Orecchio (cont.)


• Unicità

• Efficacia

• Stabilità– Bassa variabilità

• Misurabilità

• Acquisizione– Costo dei dispositivi


– Memoria della chiave di ricerca: 500-1000 byte


• Insidia

– Media difficoltà nella duplicazione

(Physical Spoofing)

• Acquisizione

– Attiva

– Parziali occlusioni (capelli,

orecchini…)

• Accettabilità

– Forte cooperazione dell’utente

30/04/2016 SB - Nappi 88

Volto

• Verifica o riconoscimento dell’identità

• Acquisizione dell’input:

– Immagine fissa o video

– Colori o Toni di grigio

– Tecniche 2D/3D (Verifica)

• Stereo

• Con illuminazione

controllata

30/04/2016 SB - Nappi 89

Volto (cont.)

• Face Detection (C’è un

volto??)

• Face Segmentation (Dov’è

il volto (still image)???)

• Face Tracking ((Dov’è il

volto (video image)???)

30/04/2016 SB - Nappi 90

Volto (cont.)

30/04/2016 SB - Nappi 91

Volto (cont.)



ricerca: 84 bytes – 2k


• Efficacia– Verifica

• Misurabilità

• Accettabilità

• Acquisizione– Costo dei dispositivi

– Attiva e Passiva


– Sosia

• Efficacia– Riconoscimento

• Stabilità– Variabilità intraclasse

• Insidia– Facile da raggirare (Physical

spoofing)

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