Výzkum biometrických systémů z hlediska jejich důvěryhodnosti a integrity: Analýza změn ve vzorcích chůze

Ing. et Ing. Kateřina Sulovská, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Biometrické systémy dnes zaujímají výsadní postavení při ochraně majetku, neboť vycházejí z jedinečných charakteristik lidského těla, které jsou stabilními po celý život. Tato práce se zabývá základními východisky pro analýzu chůze určenou pro biometrické systémy. Tento systém ještě v praxi není příliš využívaný, ačkoli za sebou má již nejedno důkazní řízení u soudu, kde se s jeho pomocí prokázala vina/nevinna obžalovaných. Pro to, aby mohly být tyto systémy aplikovány do praxe, stejně jako biometrie obličeje, duhovky, sítnice, otisku prstu a dalších, musí být ještě důkladněji prozkoumáno, zda se dynamický stereotyp chůze v průběhu života výrazně neliší u jednoho jedince a naopak zda se opravdu liší každý jeden jednotlivec. Takovéto výzkumy již probíhají, neboť možnosti nasazení takovýchto systémů jsou veliké a výrazně by mohly zajistit vyšší bezpečnost. Ve světě se již několik let zkoumá a vyvíjí i možnost analýzy chůze (identifikace jedince) z běžného video záznamu. 2D i 3D analýza spolu úzce souvisí, a vzhledem k tomu, že v 3D analýze ještě nebyly vyčerpány všechny možnosti zkoumání, může stále podat zajímavá zjištění, které napomohou vývoji algoritmů pro automatizované rozpoznávání. Potenciál lidské chůze jakožto jedné z veřejnosti méně známých biometrických charakteristik je tedy skutečně velký. Forenzní, ale i běžná identifikace však také naráží na problémy jako krádež identity, která je stále častější zejména ve vyspělých státech světa a je tak hrozbou pro všechny osoby, zejména pokud jde o biometrické údaje, které jsou svou povahou přímo spojeny s určitou fyzickou osobou, a jejich nahraditelnost je v určitých případech zcela nemožná. Biometrie tak na jednu stranu může znamenat výhodu (nahrazení karet, hesel, podpisů), na druhou stranu může být i výrazným zásahem do soukromí jedince (krádež identity po plastické operaci, | 7 konec anonymity, sledování pohybu všech fyzických osob, získávání informací o jejich zdravotním stavu z chůze, barvy pleti, atd.). Dosavadní výsledky výzkumů variability lidské chůze jsou velmi uspokojivé a chůze se tak stává jedním z perspektivních biometrických systémů. Otázkou tak zůstává, zda budou takovéto systémy využitelné ve velkém měřítku, což mají za úkol zjistit právě další a další probíhající výzkumy. Mezi další otázky směrované do budoucnosti je i statistické vyhodnocení získaných dat, které právě poukazuje na vhodnost/nevhodnost biometrie chůze pro masové využití. V současnosti je nejčastěji používána statistická metoda ANOVA. Náš výzkum se zaměřuje na hodnocení lidské lokomoce, která byla v průběhu měření na 3D systému vystavena několika zvoleným podmínkám, díky čemuž můžeme vyhodnotit spolehlivost a vhodnost dynamického stereotypu chůze pro životaschopný a zejména pak spolehlivý biometrický systém pro komerční praxi. Vzhledem k tomu, že výsledky klasických metod statistické analýzy, jako např. metoda ANOVA, nebyly v případě našich dat uspokojivé, využili jsme metodu pro tento typ dat vhodnější ? funkcionální analýzu. Využití funkcionální analýzy dat je v oblasti testování biometrických systémů unikátní a možná i proto velmi často opomíjeno, ačkoliv je pro typ dat generované chůze nejvhodnější metodou. Funcionální analýza dat může upozornit na zajímavé souvislosti, které není možno jinými statistickými metodami získat. Naše analýzy dokazují tuto vhodnost vysoce uspokojivými, a zejména pak přesnými výsledky testů, které zároveň potvrzují vysokou přesnost měřícího 3D systému.

Abstract:

Nowadays, biometric systems take privileged position in property protection, as they come from unique characteristics of human body. Characteristics, that remain unchanged throughout the life. This work is focused on basic assumptions for a gait analysis intended for utilization in biometric systems. Although the gait recognition is used in trials to prove or disprove one?s guilt, such system, based on gait recognition, is not used widely in praxis. To be able to apply ?gait biometrics? into praxis, same as for example the face, retina, iris, fingerprint biometric systems, more deeper testing is needed to evaluate focusing mainly to two issues: whether the dynamic gait stereotype does not change significantly during the human life, and if it is possible to clearly distinguish between indinviduals. Many ongoing researches study these and other questions to achieve high enough reliability and credibility of the system, which would significantly increase the security of both people and property. The world?s teams investigate the possibility to analyse the human gait (individual identification) from a common video recording. The 2D and 3D analysis are closely related. As all of the research options of the 3D analysis have not been worked out, interesting findings can be still found, supporting creation and development of algorithm for fast automated recognition. The potential of human gait, as one of the least known biometric characteristic for the public, is therefore great. Forensic, as well as common identification has also issues with identity thefts, which is more and more frequent especially in developed countries. This can be a great thread to all persons, mainly if it is about biometric data, which are directly connected to the person and their substitutability is in vast cases absolutely impossible. The biometrics has therefore two sides. On one hand, it can be an | 9 advantage (replacement of cards, codes, signatures), on the other hand it can be a significant interference with the individual?s privacy (i.e. identity theft after the plastic surgery, end of anonymity, tracking of all people, obtaining information about health, race). Up to date results of human gait variability are very satisfying and the gait is becoming one of the perspective biometric system. The issue is, if the systems will be able to operate in large scale. This is the task for researches all over the world. Some of the other questions forwarding to the future is also statistical methodoly used to evaluate data, as this is crucial to point out the (in)appropriateness of gait as a mass use biometry. Currently, the most commonly used method is the ANOVA. Our reseach focuses on the evaluation of the human locomotion under several different conditions (in a 3D measurements) to be able to test the appropriatness and reliability of gait dynamic stereotype for viable and reliable biometric system in praxis. As the results from the ?classical? statistical analyses like ANOVA are not satisfactory in case of our data, we use a methodology more suitable for the character of obtained data ? functional analysis. Utilization of functional data analysis is in the field of biometric systems unique and often neglected, although this methodology is one of the most suitable ones for such type of data. The functional data analysis can highlight interesting connections that otherwise are not acquired by other statistical methods. Our analyses prove that the functional data analysis for testing gait trajectories brings very satisfactory, highly accurate results, which also confirms the high accuracy of measurement with the used 3D system.

Keywords

biometrie, bipedální lokomoce, ANOVA, t-test, Kruskal-Wallisův test, variační koeficient, funkcionální analýza dat, VICON, identifikace, rozpoznávání

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 8. 8. 2018

Thesis defence

• Date of defence: 12. 10. 2018

Tomas Bata University in Zlín

Faculty of Applied Informatics

Doctoral programme / field:
Engineering Informatics / Engineering Informatics