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Dokumentenidentifikation DE102006021002A1 08.11.2007
Titel Verfahren zur Verifizierung und Identifizierung von Personen
Anmelder Henning, Jürgen, Dipl.-Ing., 24106 Kiel, DE
Erfinder Henning, Jürgen, Dipl.-Ing., 24106 Kiel, DE
Vertreter BOEHMERT & BOEHMERT, 24105 Kiel
DE-Anmeldedatum 04.05.2006
DE-Aktenzeichen 102006021002
Offenlegungstag 08.11.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 08.11.2007
IPC-Hauptklasse G06K 9/62(2006.01)A, F, I, 20060504, B, H, DE

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verifizierung und Identifizierung von Personen durch Auswertung der Struktur ihrer Irisbilder.

In der embrionalen menschlichen Entwicklung formt sich zwischen der Regenbogenhaut und der Hornhaut, in einem chaotischen Prozess, eine Bindegewebsstruktur aus, die sogar die beiden Augen eines Menschen unterscheidbar macht. Diese Bindegewebsstruktur wird im nahen Infrarot (850 nm) gut sichtbar. Die Anzahl der feststellbaren Merkmale (Minutien) liegt weit über der Anzahl bei Fingerabdrücken.

Der Stand der Technik ist im Wesentlichen durch die Arbeiten von Prof. John Dougman gegeben, der auch den Nachweis führte, dass die Iris für Identifizierungszwecke geeignet ist. In dem von ihm entwickelten Verfahren wird nach Vermessung der Pupillenöffnung der Ring der Iris zu einem in der Größe vordefinierten Rechteck transformiert. Anschliessend wird eine Datenreduktion mittels Wavelett-Funktionen durchgeführt. Das Verfahren läuft letztendlich auf den Vergleich datenreduzierter Fotos hinaus.

Da es sehr viele Bereiche gibt, in denen eine einfach durchzuführende und sichere Personenerkennung wünschenswert wäre, war die Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zu entwickeln, dass durch Auswertung der Topograhie der Bindegewebsstrukturen der Iris eine hohe Erkennungsgenauigkeit ermöglicht.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Abbild der Bindegewebsstruktur der Iris in eine topographische Beschreibung ebenselber überführt wird, die wiederum einer Datenbank zum Enrollment und zur Verifizierung oder Identifizierung zugeführt wird.

In diesem Absatz wird eine mögliche Ausführungsform dargestellt, wie sie etwa in einer Büroumgebung sinnvoll sein könnte, andere Ausführungsformen sind davon unbenommen, so sie die dargelegten Funktionalitäten ermöglichen. Die Kameraeinheit befindet sich am Ende eines Rohres, das zusammen mit dem Gehäuse der Auswerteeinheit aussieht wie eine Schiffskanone, also als Gesamtheit horizontal geschwenkt werden kann und das Rohr kann zusätzlich vertikal geschwenkt werden. Die optische Achse der Kamera kann also vom Nutzer relativ gut geschätzt werden, wenn es darum geht, sein Auge für den Scan zu positionieren. Eine in der Röhre befindliche Quelle für infrarotes, also nicht sichtbares Licht, dient der Ausleuchtung des Auges, um eine hinreichende Bildqualität sicher zu stellen und die Bindegewebsstrukturen sichtbar zu machen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden die Irisbestandteile aufgrund ihrer Grauwerte in Bindegewebe und Hintergrund separiert und das sich ergebende Abbild der Bindegewebsstruktur skelettiert.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform werden die Positionen der signifikanten Punkte der Skelette, nämlich Endpunkte und Abzweigungen, in Form von Winkelsektor und Entfernungssektor kodiert und den einzelnen Skeletten zugeordnet. Diese Daten liefern für jedes Skelett eine eindeutige Beschreibung seiner Topographie.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Liste der festgestellten Skelette erzeugt und nach Anzahl der enthaltenen signifikanten Punkte sortiert. Zusätzlich werden die Schwerpunkte der Skelette bestimmt. Beim Enrollment werden alle diese Daten in einer Datenbank festgehalten.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform können bei der späteren Identifizierung oder Verifizierung die in Frage kommenden Datensätze mit den Informationen über Skelettgrößen und Skelettpositionen gezielt selektiert werden und ermöglichen eine schnelle Reduzierung des Suchraumes, da die Liste der Skelette schon nach Relevanz sortiert ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform befindet sich in der Röhre direkt neben der Kamera eine rote Leuchtdiode. Befindet sich das Auge des Nutzers in einem Abstand von 25 cm bis 30 cm vor der Kamera, wird, wenn er diese rote Leuchtdiode sehen kann, ein Quadrat von etwa 3 cm Kantenlänge von der Kamera aufgenommen, wobei sich die Pupille maximal 1 cm von der optischen Achse entfernt befindet. Je nach Ausführungsform kommen Autofocus-Kameras oder manuell einstellbare in Betracht.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform befindet sich neben der Röhre eine Taste, über die der Irisscan auslöst wird. Nachdem die Taste gedrückt wurde leuchtet zusätzlich eine gelbe Leuchtdiode auf, um den Nutzer darüber zu informieren, dass der Scan-Vorgang gestartet wurde.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Erkennung der Bestandteile des Auges über die Auswertung verschiedener Krümmungsradien, wobei die Augenlider, der Aussenrand der Iris und der Aussenrand der Pupille erfasst werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird schon während der Zeit, in der der Nutzer seinen Kopf positioniert, das Kamerabild ständig nach Merkmalen für ein Auge abgesucht. Wird hierbei festgestellt, dass sich die Augenlider gemeinsam mit der Iris gleichsinning bewegten, ist der erste Lebendbeweis erbracht, die Bewegung des Kopfes als ganzes.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird zusätzlich geprüft, ob sich die Iris in Relation zu den Augenlidern bewegt hat, wodurch der zweite Lebendbeweis erbracht wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform erlischt die gelbe Leuchtdiode, wenn der Scan beendet wurde und einige Sekundenbruchteile später leuchtet, wenn der Datenabgleich erfolgreich war, eine grüne Leuchtdiode in der Nähe des Auslösetaste auf. Da der Nutzer wissen will, ob er durch den Scan erfolgreich erkannt wurde, wird er unwillkürlich dorthin blicken, es wird also eine Bewegung des Auges provoziert, was die Erbringung vom zweiten Lebendbeweis unterstützt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform dauert der Vorgang zwischen Auslösung und Aufleuchten der grünen Leuchtdiode etwa 6 Sekunden, obwohl der Scan an ich nur Sekundenbruchteile dauert. Zusammen mit den etwa drei bis vier Sekunden während der Positionierung, wo das Auge schon von der Auswerteeinheit wahrgenommen wird, ergibt sich ein Zeitraum von annähernd 10 Sekunden für die Erkennung des Lidschlags, der der dritte Lebendbeweis ist. Normalerweise erfolgt ein Lidschlag alle vier bis fünf Sekunden, eine Zeitdauer von 10 Sekunden sollte also hinreichend für die Feststellung sein.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform befindet sich eine zweite Lichtquelle, die Licht im sichtbaren Bereich abgibt, nahe bei der Kamera. Zu Beginn des Scans ist diese Lichtquelle kaum sichtbar, ändert während des Scans jedoch ihre Intensität so stark, dass der Pupillenreflex ausgelöst wird, sich also die Größe der Pupille ändert. Hierdurch wird der vierte Lebendbeweis erbracht.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird die infrarote Lichtquelle über einen Zufallsgenerator angesteuert und ändert ihre Intensität entsprechend. Über die Auswertung der Bilddaten wird festgestellt, ob diese im gleichen Rhythmus ihre Helligkeit ändern. Hierdurch werden Täuschungsversuche verhindert, bei denen zuvor aufgezeichneten Videodaten in das System eingespeist werden.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform erfolgt der Datenaustausch zwischen Kamera und Auswerteeinheit in verschlüsselter Form, wenn beide aus konstruktionstechnischen Gründen nicht gemeinsam in einem Gehäuse untergebracht werden können. Ohne diese Schutzmaßnahme wäre es möglich, mit einem „Kopf-Auge-Iris-Simulator", der auf einem Rechner läuft, die Intensität der Lichtquellen misst und diese in ein Videosignal umsetzt, die Anlage zu täuschen.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung und den beigefügten Abbildungen. Die Abbildungen zeigen:

1 Auge mit ermittelter Horizontaler

2 Ermittlung des Pupillenmittelpunktes

3 Polarkoordinatensystem für Irisvermessung

4 Sektor einer Iris

5 Separierung der Bindegewebsstruktur

6 Skelett der Struktur

Das menschliche Auge hat eine Breite von etwa 2,5 cm und wird optisch von den Augenlidern begrenzt. Die oberen Augenlider beginnen nasenseitig mit einer relativ starken Krümmung, die nach außen hin stark abflacht. Beim unteren Augenlid liegt diese stärkere Krümmung auf der äußeren Seite des Auges. Hierdurch lassen sich linke von rechten Augen unterscheiden. In den 1 bis 3 ist also ein linkes Auge abgebildet.

Die Bestandteile des Auges, also Lider, Augapfel, Iris und Pupille lassen sich aufgrund der Krümmungsradien und ihrer Farbwerte unterscheiden. So wird der Augapfel immer einen Farbwert haben, der nahe bei Weiß liegt und die Pupille immer einen, der nahe bei Schwarz liegt. Nach der Identifizierung der verschiedenen Teile des Auges werden die Punkte bestimmt, an denen sich die Linienzüge des oberen und des unteren Lids kreuzen würden. Die Gerade, die durch diese beiden Punkte gelegt wird, dient bei der späteren Auswertung der Bilddaten per Definition als Horizontale (1). Beim Öffnen und Schließen der Augenlider verschieben sich diese Kreuzungspunkte nur minimal und eine Rotation des Augapfels um seine optische Achse kann ausgeschlossen werden. Bei Winkelmessungen gehen weder die Schiefhaltung des Kopfes noch eine mögliche Schieflage der Kamera ein.

Eine weitere Referenz bildet der Mittelpunkt der Pupille. An vier Stellen des Pupillenrandes wird die Mittelsenkrechte auf einer Sehne errichtet. Theoretisch müßten sich alle vier Mittelsenkrechten in einem Punkt kreuzen. Praktisch wird dies eher selten der Fall sein, denn eine Pupille ist nicht absolut kreisrund und es ergeben sich zudem Verschiebungen aufgrund unterschiedlicher Zuordnungen von Pixeln. Deshalb wird der Mittelwert der vier Kreuzungspunkte als Mittelpunkt der Pupille definiert (2).

Für die Auswertung des Irisbild wird eine Parallele zur Horizontalen durch den Mittelpunkt der Pupille gezogen. Der Mittelpunkt und die Gerade bilden ein Polarkoordinatensystem zur Vermessung der Irisstruktur (3).

Eine Möglichkeit bei der Untersuchung von geformten Flächen besteht darin, diese Flächen zu skelettieren. Man kann sich diesen Vorgang etwa so vorstellen, als habe man eine trockene Grasfläche mit einer bestimmten Form. Bei Windstille wird der gesamte Rand der Form zeitgleich entzündet. Überall dort, wo Flammenfronten aufeinander treffen, zieht man eine Linie. Die Gesamtheit dieser Linien wird als Skelett der Form bezeichnet. Strukturen dieser Art werden in der Mathematik auch als Graphen bezeichnet, wobei Enden und Abzweigungen als Knoten bezeichnet werden und die Verbindungen dazwischen als Kanten. Die Gesamtheit eines zusammenhängenden Skelettes wird dann als Baum bezeichnet.

Bei Änderungen der Helligkeit ändert sich die Größe der Pupille und zwar dadurch, dass die Iris mehr oder weniger auseinander gezogen wird. Viel Licht bedeutet also eine breite Iris und wenig Licht eine schmale. Und im gleichen Verhältnis, wie sich diese Breite ändert, werden die Strukturen der Iris gedehnt oder gestaucht, wodurch sich die Formen dieser Strukturen verändern. Absolute Entfernungsangaben auf der Iris machen also wenig Sinn.

Reduziert man die Formen der Bindegewebsstrukturen auf ihre Skelette, dann bewegen sich die Knoten weiter von der Pupillenmitte fort oder dichter zu ihr heran, wenn sich die Iris in ihrer Größe ändert. Doch vom Pupillenmittelpunkt aus betrachtet ändert sich der Winkel zwischen ihnen hierbei nicht. Deshalb wird bei der Umsetzung des Baumes in eine Strukturbeschreibung mit diesen Winkeln gearbeitet und eine Differenzierung in Bezug auf die Entfernung erfolgt nur grob.

Geht man davon aus, dass der Fehler bei der Festlegung der Horizontalen sich im Bereich von 3 Grad bewegt und der relative Fehler zwischen Minutien bei 2 Grad liegt, macht die Unterteilung der Iris in 64 Winkelsektoren Sinn (360/5 = 72). Auf diese Art werden 6 Bits für die Winkelangabe benötigt und die verbleibenden 2 Bit können bei der Positionskodierung für Entfernungssektoren genommen werden, also für außen, mitte-außen, mitte-innen und innen. Es werden also 256 Positionen unterschieden, wo sich ein Knoten oder ein Skelettschwerpunkt im Irisbild befinden kann. Optional kann auch mit feineren Einteilungen gearbeitet werden.

Aus der Kameraaufnahme wird ermittelt, welcher Bildteil die Iris darstellt. Diese wird jetzt graphisch von der restlichen Aufnahme separiert. Anschliessend wird die Helligkeitsverteilung statistisch ausgewertet und festgelegt, welche minimale Helligkeit die interessierenden Bindegewebsstrukturen haben müssen (4). Das Bild kann anschließend in ein reines Schwarz-Weiß-Bild umgewandelt werden (5), wobei Weiss für Struktur und Schwarz für Hintergrund steht.

Das Schwarz-Weiss-Bild wird jetzt skelettiert (6; die Minutien, also Endpunkte und Abzweigungen sind grau dargestellt). Da nicht alle Bindegewebsstrukturen optisch miteinander verbunden sind, erhält man im Normalfall mehrere Bäume. Für jeden dieser Bäume wird ein Wurzelknoten definiert, etwa der Knoten, der am dichtesten an der Pupille liegt. Befinden sich mehrere Endpunkte auf gleicher Höhe, wird der am weitesten rechts liegende als Wurzelknoten genommen. In Sonderfällen wird eine Kante aufgetrennt und willkürlich ein Wurzelknoten eingefügt.

Dann wird die Topologie des Skelettes vollständig in eine Beschreibung umgeformt. Dies geschieht dadurch, dass vom Wurzelknoten aus kommend jeder Knoten eine Nummer bekommt und aufgelistet wird, mit welchen anderen Knoten er verbunden ist. Dies geht Schicht um Schicht solange weiter, bis man entweder einen Endknoten erreicht oder einen Knoten, der schon Bestandteil der Beschreibung ist. Auf diese Art ist sichergestellt, dass alle Knoten eines Baumes in der Beschreibung enthalten sind.

Bei der Abarbeitung des Irisbild bekommt jedes Skelett eine eindeutige Nummer und innerhalb des Skelettes hat jeder Knoten eine eindeutige Nummer. Zusätzlich wird zu jedem Knoten vermerkt, in welchem Winkelsektor und Entfernungssektor er sich befindet, welche Knoten ihm in der Beschreibung nachfolgen und in welcher groben Richtung die Kante den Knoten dorthin verläßt.

Je komplexer solch ein Graph ist, um so signifikanter ist er, was die Identifizierung angeht. Deshalb wird die Liste der Skelette nach Anzahl enthaltener Knoten sortiert und es wird für jedes Skelett bestimmt, in welchem Winkelsektor und Entfernungssektor sich sein Schwerpunkt befindet. Der Schwerpunkt wird so definiert, dass sich gleich viele Knoten links und rechts von ihm befinden und gleich viele ober- und unterhalb.

Der durch die Skelettierung und anschliessende Umkodierung erzeugte Datensatz, umfasst die wesentlichen Informationen der Bindegewebsstruktur. Die Aufbereitung dieser Daten erfolgt beim Enrollment so, dass das Suchverfahren gegen geringe Abweichungen unempfindlich wird. Die Aufbereitung beim Scan erfolgt so, dass sich ein möglichst kurzer Datensatz ergibt, um die Zeit für die Übertragung so kurz wie möglich zu halten.

In so einem Datensatz wird zuerst angegeben, wie viele Skelette in dem Datensatz enthalten sind (dies müssen nicht zwangsweise alle gefundenen sein). Dieser Angabe folgt die Liste mit den Skeletthauptdaten, nämlich der Anzahl jeweils enthaltener Knoten und die Winkel- und Entfernungssektoren des Schwerpunktes.

Ein Skelettpunkt kann maximal vier Nachbarn haben, die auch Skelettpunkte sind (wenn es mehr sind, sind einige überflüssig), und diese können nicht direkt nebeneinander liegen. Da in einer dieser vier Richtungen sein Vorgänger liegen muss, verweist ein Knoten auf maximal drei weitere Knoten, die ihm in der Rangfolge nachgeordnet sind.

Die Strukturdaten eines Knoten bestehen aus dem Winkelsektor und dem Entfernungssektor, passen also in ein Byte. Da Nachbarskelettpunkte nicht direkt nebeneinander liegen können, kann man rechts mit rechts-oben zusammenfassen, oben mit links-oben etc. Demgemäß steht in den folgenden drei Bytes entweder eine Null, falls in diese Hauptrichtung keine Kante abgeht, oder die Referenznummer eines Folgeknotens (dies setzt voraus, dass das Skelett maximal 255 Knoten umfasst; wird diese Anzahl überschritten muss das Skelett nach zu definierenden Regeln aufgeschnitten werden). Eine Knoteninformation umfasst also immer 4 Bytes.

Da die Anzahl der Skelette bekannt ist und wieviele Knoten jeweils zu ihnen gehören, ist eindeutig, welche Daten zu welchem Teil der Struktur gehören. Der Datensatz für eine Iris mit 250 Minutien die sich auf 10 Skelette verteilen, beträgt also 1021 Bytes, was sowohl für die die Datenübertragung als auch für die Verarbeitung eine handliche Größe darstellt.

Bei kleineren Systemen, wo nur eine relativ geringe Anzahl von Menschen unterschieden werden muß, kann die Datensatzgröße ohne wesentliche Einbußen auch reduziert werden, da im übertragenen Datensatz immer die Informationen am Anfang stehen, die am signifikantesten sind. Bei sehr großen Systemen kann es angezeigt sein, eine feinere Sektoreneinteilung zu verwenden.

Beim Enrollment, also der Aufnahme der Irisdaten in den Datenbestand derer, die von der Anlage wiedererkannt werden können sollen, kann man für gut reproduzierbare Umgebungsbedingungen sorgen. Hier kann durch Variationen der Ausleuchtung festgestellt werden, welche Teile das Irisbildes leicht fehlinterpretiert werden können, etwa wenn eine Verbindung zwischen zwei Skelettteilen sehr schwach ausgeprägt ist. In solchen Fällen könnte eine Interpretation ein großes Skelett ergeben und eine andere würde zwei kleinere Skelette zum Ergebnis haben. Solche Variationen müssen zusammen mit den Personendaten gespeichert werden.

Eine weitere Fehlerquelle ist die Abdeckung von Strukturteilen, etwa durch die Augenlider. Die Ergebnisliste der Skelettdaten wird also in erster Linie die Skelette umfassen, die vollständig wahrgenommen werden können. Da diese Abdeckungen normalerweise die Bereiche der Iris betreffen, die weiter von der Pupille entfernt sind, ist bei der Skelettkodierung der Wurzelknoten immer der Knoten, der am dichtesten an der Pupille liegt. Hierdurch wird es möglich, in Zweifelsfällen auch noch Daten von Strukturen sinnvoll zu verwenden, die nur teilweise sichtbar sind.


Anspruch[de]
Verfahren zur Identifizierung und Verifizierung von Personen dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur ihrer Iris in eine Beschreibung eben dieser Struktur umgesetzt wird. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass diese Beschreibung so gewählt ist, dass ein schnelles Auffinden passender Datensätze auch in sehr großen Datenbanken ermöglicht wird. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Helligkeitswerte der Iris zur Unterscheidung zwischen Hintergrund und Bindegewebestruktur herangezogen werden, um anschliessend das Abbild dieser Strukturen zu skelettieren. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass für jedes einzelne Skelett ein Wurzelknoten definiert wird, und von diesem aus die Struktur des Skelettes in Form von Knoten, deren Position (Winkel und ungefähre Entfernung von der Pupillenmitte) und den Verbindungen zwischen ihnen erfasst wird. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass über die Augenwinkel eine Horizontale definiert wird. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Mittelpunkt der Pupille und eine durch ihn gezogene Parallele zur definierten Horizontalen ein Polarkoordinatensystem zur Vermessung der Iris definiert wird. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erfassten Daten über die Iris nach Signifikanz sortiert werden, um die Erkennungsgeschwindigkeit zu erhöhen. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Darstellung der Daten unabhängig von der aktuellen Größe einer Pupille ist. Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass für einen Lebendbeweis Kopfbewegungen, Augenbewegungen, der Lidschlag und der Pupillenreflex ausgewertet werden. Verfahren nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zufallsgesteuerte Helligkeitsänderungen der infraroten Lichtquelle ausgewertet werden, um Manipulationsversuche zu unterbinden.






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