روشهای شناسایی بیومتریک – تشخیص چهره

تعریف بیومتریک
كلمه بیومتریك از كلمه یونانی Bios به معنای زندگی و كلمه Metrikos به معنای اندازه‏گیری تشكیل شده است. همه ما می‏دانیم كه ما برای شناسایی همدیگر از یك سری ویژگی‏هایی استفاده می‏كنیم كه برای هر شخص به طور انحصاری است و از شخصی به شخص دیگر فرق می‏كند كه از آن جمله می‏توان به صورت و گفتار و طرز راه رفتن اشاره كرد.
امروزه در زمینه‏های فراوانی ما به وسایلی نیاز داریم كه هویت اشخاص را شناسایی كند و بر اساس ویژگی‏های بدن اشخاص آن‏ها را بازشناسی كند و این زمینه هر روز بیشتر و بیشتر رشد پیدا می‏كند. علاوه بر این‏ها امروزه Password و Id كارت‏هایی كه بكار برده می‏شوند دسترسی را محدود می‏كنند، اما این روش‏ها به راحتی می‏توانند شكسته شوند و لذا غیر قابل اطمینان هستند.
بیومتریک به روش‏های خودکار تشخیص یا تأیید هویت یک شخص زنده از طریق اندازه‏گیری مشخصه‏های فیزیولوژیکی یا رفتاری وی اطلاق می‏شود. بدین ترتیب بیومتریک یک مجموعه فناوری محسوب می‏گردد.
برخی از مشخصه‏های بیومتریکی افراد، فیزیولوژیکی و برخی نیز رفتاری هستند. اثرانگشت، الگوی عنبیه، الگوی خونی یا حرارتی صورت و یا الگوی فیزیکی چهره، الگوی عروق خونی شبکیه چشم، DNA ، هندسه دست و یا الگوی خطوط کف دست از جمله مثال‏های مشخصه‏های فیزیولوژیکی و در عین حال صدا و نحوه مکالمه، نحوه امضاء ، نحوه تایپ عبارات و نحوه راه رفتن از جمله مثال‏های مشخصه‏های رفتاری محسوب می‏گردند.

‏معمولاً یک سیستم بیومتریک به کمک الگوریتم‏های تشخیص الگو (Pattern Recognition) سعی در استخراج ویژگی‏هایی (features) از رفتار یا ساختار فیزیولوژی فرد می‏کند و سپس این ویژگی‏ها را در دیتابیسی (برای تشخیص و تأیید هویت) ذخیره می‏‌کند. سیستم‏هایی که بر اساس علائم فیزیولوژی عمل می‏کنند بسیار مطمئن‌تر از سیستم‏های رفتاری هستند.

طبقه بندی متدهای بیومتریک
عموماً در سیستم‏های بیومتریک از دو نوع ویژگی مختلف افراد جهت شناسایی استفاده می‌شود که در ذیل به آنها اشاره می‏کنیم؛
• پارامترهای فیزیولوژیکی: اساس شناسایی در این کلاس، اندازه‏گیری و آنالیز مشخصه‌های ثابت یک شخص می‏باشد. این دسته از ویژگی‌ها به مجموعه‏ای از خصوصیات همراه انسان اعم از اثرانگشت، عنبیه چشم، چهره، DNA و غیره اشاره دارد، این ویژگی‌ها عمدتاً از بدو تولد انسان و گهگاه قبل از تولد انسان شروع به شکل‏گیری نموده و تا آخر عمر در بدن انسان ثابت و غیرقابل تغییر (گهگاه تغییرات اندک) می‏مانند.
پارامترهای رفتاری: شناسایی الگوهای رفتاری مشخص یک فرد. این ویژگی‌ها در حقیقت خصوصیات ناشی از رفتارهای انسان هاست نظیر راه رفتن انسان، نحوه فشردن دکمه‏ها (مثلاً موبایل) و غیره که می‏تواند بیانگر مشخصات یک انسان خاص باشد نظیر راه رفتن یک انسان که گاهی با نگاه کردن آن از پشت سر می‏توان تشخیص داد که وی کدام یک از دوستانتان است.

بیومتریک‏های فیزیولوژیکی
به طور کلی به تعیین هویت به علت مقایسه داده‏های فرد با کل بانک اطلاعاتی، مقایسه 1:N هم گفته می‏شود. عموما سامانه‏های تایید هویت سریع‏تر و صحیح‏تر از سامانه‏های نعیین هویت عمل می‏کنند. چراکه به جای انجام مقایسه داده ورودی با هزاران داده موجود در سامانه (تعیین هویت)، فقط مقایسه داده‏های فرد با داده‏های مربوط به هویت ادعا شده (تایید هویت) صورت می‏گیرد.
سامانه‏های چهره‏نگاری از ویژگی‏های متمایز کننده چهره استفاده می‏نمایند. این سیستم‏ها دارای دو گونه اصلی تصویر برداری ویدئویی و حرارتی هستند. که نوع اول رایج‏تر و کاربردی‏تر است. اساس کار سیستم‏های مبتنی بر تصویربرداری ویدئویی بر نگاشت نقاط کلیدی چهره از قبیل مشخصات چشم‏ها، چانه، دهان، پیشانی و بینی استوار است. اجزا سیستم می‏تواند فقط یک نرم‏افزار باشد که تصاویر دریافتی از دوربین‏های مدار بسته به تلویزیونی (cctv) را پردازش می‏کند یا یک سیستم کامل شامل دوربین‏ها، ایستگاه‏های کاری و پردازشگر نهایی باشد.
چشم
اسکن چشم به دو صورت است:
عنبیه نگاری
عنبیه قسمت رنگی چشم است که ترکیبی است از نوعی ماهیچه به شکل دایره با یکسری خطوط شعاعی، لایه‏ای یا توری مانند که در پیش از تولد انسان شکل گرفته است و تا زمان مرگ تقریباً هیچ تغییری نمی‏کند. این ماهیچه شامل یکسری کارکترها مانند: خطوط، حلقه‌ها، حفره‌ها، شیارها، تارها، لکه‌ها و… است که قابل تفکیک می‏باشند.
در روش‏هایی مانند نمونه‏یابی در مکان‏های مشخص با برداشت چند نمونه از قسمتی از تصویر عنبیه که مشخصات قابل توجهی دارد، در زمان تشخیص با استفاده از نمونه‏های ذخیره شده و مکان یابی نمونه‏ها، عنبیه افراد قابل تشخیص است.

این سیستم دارای قابلیت خوبی در تشخیص افراد است بدین دلیل که عنبیه هم منحصر بفرد است و هم در برابر گذشت زمان مقاوم، ولی متاسفانه حجم الگوها در این روش بسیار بالا است، این تکنولوژی بسیار گران است، کاربر پسند نیست و بدلیل اینکه در حین نمونه برداری لازم است که چشم کاملاً بی‏حرکت باشد لذا الگوبرداری ممکن است دقیق نباشد. در عنبیه‏نگاری از الگوی پیچیده و منحصر بفرد عنبیه که حتی در چشمان راست و چپ یک انسان هم متفاوت هستند، تصویربرداری می‏شود.

شبکیه نگاری
شبکیه چشم در منتهی الیه کره چشم قرار دارد که شامل یکسری رگ‏های خونی است که این مویرگ‏ها داری اشکال مختلفی هستند، این خصیصه در افراد منحصر بفرد است. با قرارگیری چشم کاربر در یک مکان مشخص، یک دسته نور ماوراء قرمز یا نور سبز با طول موج کوتاه به شبکیه چشم تابیده می‌شود. این روش تقریباً مشابه شناسایی از طریق عنبیه می‏باشد.
برای بدست آوردن یک تصویر با کیفیت خوب و متمرکز باید چشم‏ها نزدیک دوربین قرار گیرد و این موضوع و اینکه از اشعه لیزر استفاده می‏شود باعث شده افراد زیادی به این روش علاقه نشان ندهند. درضمن بر خلاف تصور اینکه شبکیه تغییر نمی‏کند تحقیقات پزشکی نشان داده که برخی از بیماری‏ها روی شبکیه تأثیر می‏گذارند و آن را تغییر می‏دهند.

ساختار ظاهری پوست
در این روش چین و چروک‏های صورت بررسی می‏شود. این ساختار همانند اثرانگشت در افراد مختلف متفاوت است. هدف نهایی آشکارسازی رنگ پوست ایجاد قانون تصمیم‏گیری است که بتواند میان پیکسل‏های پوست و غیر پوست تفاوت قائل شود. این کار با تعریف یک متریک که فاصله را از رنگ پیکسل تا تیرگی پوست را اندازه می‏گیرد، انجام می‏شود.

مشخصه گرمایی صورت
در این مدل توسط دوربین‏های مادون قرمز از صورت تصویربرداری می‏شود. نقاط مختلف صورت بر اساس میزان حرارت و دمایی که دارند در تصویر دیده می‏شوند ( نقشه‏ای از سطح صورت تهیه می‏شود). ازآنجا که تجمع رگ‏های زیر پوست صورت در هر فرد شکل متفاوتی دارد، تمایز رنگ بین نقاط مختلف صورت ثابت می‏ماند. البته این سیستم به دلیل محدودیت‏های مختلفی که دارد چندان عمومیت ندارد.

شناسایی چهره
برای شناسایی افراد به این روش ویژگی‏های کلیدی چهره مانند چشم‏ها انحنای لب یا نوک بینی ثبت می‏شود. این نقاط یک شبکه الاستیکی با نسبت‏های ثابت می‏سازد. این تناسب‏ها حتی با تغییر حالت چهره یا موقعیت دوربین نیز ثابت می‏مانند. درآخرین مرحله سیستم با مقایسه مشخصات به دست آمده با مشخصاتی که از پیش ذخیره شده شخص را با سرعت بالا و عدم وابستگی به حرکت و جابه جایی صورت شناسایی می‏کند.

فیلترهای تشخیص چهره زیادی وجود دارند از جمله: لاپلاس سوبل و روبوت
بطورکلی یک سیستم بیومتریک تشخیص چهره، از چهار ماژول تشکیل یافته است:
۱- ماژول سنسور: در حالی که تشخیص چهره دو بعدی با دوربین معمولی امکان پذیر می‏باشد در روش سه بعدی نیاز به یک سنسور پیچیده و سطح بالایی از لحاظ فنی می‏باشد چرا که بایستی قابلیت کسب اطلاعات عمیق تر را داشته باشد. ماژول سنسور وظیفه گرفتن تصویر اشخاص را بر عهده دارد و بسته به نیاز و کاربرد دستگاه گیرنده می‏تواند یک دوربین سیاه و سفید و یا رنگی و یا یک ماژول مخصوص با قابلیت استخراج اطلاعات عمیق‏تر و یا یک دوربین مادون قرمز با تصاویر مادون قرمز باشد.
۲- ماژول مخصوص تشخیص و استخراج اطلاعات: تصاویر بدست آمده توسط این ماژول در ابتدا ارزیابی محتوایی شده و داده‏های نامربوط ازقبیل پس زمینه، موها و گردن و شانه و غیره حذف و تنها محتوای ناحیه چهره را شناسایی می‏کند. سپس تصویر بدست آمده تحت فرایندهای محاسباتی و عملیاتی پیچیده برای استخراج اطلاعات مربوط به ویژگی‏های سطحی چهره و تجزیه اطلاعات کلی تصویر قرار می‏گیرد. در حقیقت در این مرحله تصویر خروجی که بایستی توسط ماژول طبقه‏بندی کننده برای تعیین هویت و تشخیص چهره مورد استفاده قرار می‏گیرد.
۳- ماژول طبقه‏بندی: در این ماژول قالب تصویر استخراج شده از مرحله قبلی با قالب‏های موجود در گالری تصاویر مقایسه می‏گردد و در نتیجه معلوم می‏شود که آیا چهره گرفته شده جزء قالب‏های موجود می‏باشد و قابل شناسایی است یا خیر. و در صورت مثبت بودن جواب ماژول تصمیم‏گیری هویت شخص را که بر اساس نتیجه مقایسه ماژول طبقه‏بندی بوده است را تایید می‏کند. بر اساس امتیاز بدست آمده از مقایسه که همان درصد تطابق قالب گرفته شده با قالب‏های موجود می‏باشد کاربر مورد نظر مورد تایید قرار گرفته و یا پذیرفته نمی‏شود.
۴- ماژول پایگاه داده‏ها: این ماژول برای تعریف، نگهداری و واکشی قالب چهره کاربران را بر عهده دارد. در طول تعریف ماژول سنسور تصاویر را ثبت کرده و مجموعه این تصاویر همان گالری تصاویر را ایجاد می‏کند که در مرحله طبقه بندی مورد استفاده قرار می‏گیرد. در بیشتر روش‏های تشخیص چهره چندین نمای متفاوت از یک شخص در حالت‏های مختلف روحی، خنده، اخم و عصبانیت، عادی و یا با عینک از کاربر گرفته می‏شود و این تعدد در بالابردن ضریب شناسایی اهمیت ویژه‏ایی دارد در خصوص اطلاعات سه بعدی که در جهت افزایش دقت در تشخیص، علاوه بر اطلاعات دو بعدی تصویر اطلاعات مربوط به ساختار داخلی اندام نظیر کاسه چشم مورد استفاده قرار می‏گیرد.
با وجود سیستم‏های بیومتریک قابل اعتمادی مانند تشخیص اثرانگشت و عنبیه چشم سیستم تشخیص چهره رابطه عاطفی‏تری با کاربر ایجاد کرده و بدون تماس کامل عضوی از بدن با سیستم عملیات تشخیص انجام می‏گیرد و القای اطمینان بیشتری در کاربر ایجاد می‏کند و البته توسعه کاربردهای دوربین‏های دیجیتالی پیشرفته عامل موثری در توسعه و بالا رفتن طرفداران این سیستم بوده است.