Studio e realizzazione di un sistema biometrico basato sul riconoscimento dell'iride

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Capitolo 1 Introduzione  
1.1 Biometria  
Il termine biometria, dal greco antico bios (vita) e metron (misura), indica (in questo contesto) 
lo studio dei metodi per riconoscere univocamente un individuo basandosi su una o più 
caratteristiche fisiche o comportamentali. Un sistema biometrico si occupa del riconoscimento 
automatico di una persona utilizzando delle tecniche di biometria [1]. Sono stati sviluppati 
numerosi sistemi biometrici alcuni dei quali basati sulle impronte digitali, sulle caratteristiche 
del viso, sulla voce, sulla geometria della mano, sulla calligrafia, sulla retina e, come quello 
trattato nella presente tesi, sull'iride. Un sistema biometrico funziona innanzitutto catturando 
un campione della caratteristica biometrica in esame, ad esempio registrando un segnale audio 
per il riconoscimento vocale, o facendo una fotografia a colori di un viso per il 
riconoscimento facciale, il campione è quindi trasformato, utilizzando dei procedimenti 
matematici, in un codice biometrico, anche detto template biometrico. Tale codice dovrà 
fornire una rappresentazione delle caratteristiche estratte (feature) che sia normalizzata, ossia 
indipendente dalle particolari condizioni di acquisizione, efficiente ed altamente 
discriminante, in modo da poterlo confrontare con altri codici allo scopo di riconoscere 
l'identità del soggetto recante la particolare caratteristica biometrica valutata. La sempre 
maggiore richiesta di sicurezza in vari ambiti, unita alle attuali possibilità di elaborazione, 
immagazzinamento e comunicazione dell'informazione, porta ad un notevole interesse verso 
le tecniche biometriche, sia dal punto di vista della ricerca, che delle crescenti applicazioni 
pratiche, sempre più impiegate in differenti contesti in cui è richiesto il riconoscimento di 
persone per motivi legati alla sicurezza o ad esigenze di carattere amministrativo. È pertanto 
facile prospettare un sempre maggiore impatto di queste tecnologie nella realtà quotidiana in 
ambiti pubblici e privati; come è facile intuire l'interesse verso una identificazione degli 
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individui su larga scala, vista la sempre maggiore globalizzazione dei mercati e delle attività 
umane in genere. Nasce pertanto l'esigenza da un lato di maggiore accuratezza e affidabilità, e 
dall'altro di minima invasività e massima facilità d'uso di tali tecnologie.  
 
 
1.2 L'iride umana  
L'iride è un sottile diaframma circolare, situato tra la cornea ed il cristallino nell'occhio 
umano. Una vista frontale dell'iride è mostrata in Figura 1.1. In corrispondenza del suo centro 
essa è perforata da un'apertura circolare, nota come pupilla. Il diametro medio dell'iride è di 
12 mm, e le dimensioni della pupilla possono variare dal 10 all'80 per cento del diametro 
dell'iride [2].  
 
 
Figura1.1 – Immagine frontale di un occhio umano, si nota distintamente la 
differenza di colore tra la zona ciliare e quella pupillare, divise dal motivo a 
zig-zag detto collaretto.  
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La pupilla non ha sempre una posizione perfettamente centrale, normalmente è circolare, ma 
può anche essere ellittica, variamente orientata. Nel vivente, il diametro, mediamente di 3-4 
mm, varia molto in condizioni di diversa illuminazione, stress, azioni farmacologiche, ecc. La 
funzione dell'iride è di controllare la quantità di luce che entra attraverso la pupilla, ciò è fatto 
attraverso lo sfintere e il muscolo dilatatore, che modificano le dimensioni della pupilla. La 
faccia anteriore dell'iride è visibile attraverso la cornea e presenta una colorazione che varia 
molto a seconda dei soggetti. La colorazione è determinata da due fattori: la pigmentazione 
del suo strato profondo, costituita dalla parte iridea della retina, ed il pigmento che può 
esistere negli strati più superficiali. L'iride è composta da diversi strati, il più profondo è 
l'epitelio, che contiene cellule densamente pigmentate. Lo strato detto stroma, giace sopra 
l'epitelio, e contiene vasi sanguigni, cellule pigmentate e i due muscoli dell'iride. La superficie 
esterna visibile contiene due zone che spesso differiscono nel colore, una zona ciliare esterna 
ed una zona pupillare interna, divise dal collaretto, che appare come un motivo a zig zag. La 
formazione dell'iride comincia durante il terzo mese di vita dell'embrione, il motivo sulla sua 
superficie si forma durante il primo anno di vita, mentre il colore si definisce entro i primi 
cinque anni. La formazione della tessitura dell'iride è un processo altamente casuale e non 
esclusivamente relazionato con fattori genetici, l'unica caratteristica dell'iride che è 
geneticamente dipendente è la sua pigmentazione. A causa di questo gli occhi di uno stesso 
individuo possiedono dei motivi nella tessitura dell'iride completamente indipendenti, così 
come lo sono quelli degli occhi di due gemelli omozigoti.  
 
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1.3 Riconoscimento dell'iride  
L'iride è un organo interno, e quindi protetto, ma esternamente visibile, il cui pattern (motivo),  
dipendente da fattori epigenetici, non subisce variazioni durante la vita adulta dell'individuo. 
Queste caratteristiche la rendono particolarmente interessante per l'uso come caratteristica 
biometrica per l'identificazione di individui. Attraverso tecniche di image processing è 
possibile estrarre il pattern dell'iride e codificarlo in un template, che può essere memorizzato 
in un database. Questo template biometrico contiene una rappresentazione oggettiva 
dell'informazione memorizzata nella tessitura dell'iride, potendolo così confrontare con altri 
template. Quando un soggetto desidera essere identificato da un sistema di riconoscimento 
dell'iride, una immagine del suo occhio è acquisita attraverso una fotocamera, ed un template 
biometrico è ottenuto a partire dalla regione visibile della sua iride. Il template ottenuto è 
quindi confrontato con altri template memorizzati in un database fin quando è trovata una 
corrispondenza ed il soggetto è identificato, oppure se ciò non avviene rimane non identificato 
[3]. Benché dei prototipi furono proposti già prima, solo nei primi anni novanta il ricercatore 
di Cambridge John Daugman implementò un sistema di riconoscimento dell'iride automatico 
funzionante [4] [6] [7]. Il sistema di Daugman fu brevettato ed i diritti vennero acquistati dalla 
compagnia Iridian Technologies, che mise sotto brevetto la stessa idea di usare l'iride come 
caratteristica biometrica, proposta dai due oftalmologi Leonard Flom e Aran Safir nel 1985 
[3], solo di recente il brevetto è scaduto aprendo ulteriormente la strada alla ricerca in questo 
ambito. Nonostante il sistema messo a punto da Daugman sia il più noto e quello con più 
successo, molti altri sistemi sono stati sviluppati. Tra i più noti abbiamo quello di Wildes [5] 
et al., di Boles e Boashash [9], di Lim et al. [10] e di Noh et al. [11]. Numerosi dati in 
letteratura suggeriscono una percentuale di fallimenti per il sistema di Daugman pari a zero, 
dichiarando la possibilità di identificare correttamente un individuo su milioni di possibilità. Il 
prototipo sviluppato da Wildes et al. riporta performance impeccabili su un dataset di 520 
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immagini di iridi, ed il sistema di Lim et al. ha ottenuto un tasso di corretti riconoscimenti 
pari al 98.4 % su un database di circa 6000 immagini di occhi.  
Alla luce dei dati presenti in letteratura e dal confronto con altre tecnologie biometriche, il 
riconoscimento dell'iride può facilmente essere considerato come la più affidabile. In ogni 
caso, non ci sono molte prove indipendenti disponibili di tale tecnologia e il codice sorgente 
della gran parte dei sistemi implementati non è disponibile, inoltre c'è una carenza di database 
pubblici di immagini di iridi per il test e la ricerca, e una buona parte dei risultati pubblicati 
sono stati prodotti usando immagini acquisiste in condizioni ideali [13]. Fortunatamente negli 
ultimi tempi la ricerca in tal senso ha subito un notevole incremento, ad esempio, il NIST, 
l'ufficio americano per gli standard, ha indetto un concorso, l' “Iris Challence Evaluation 
(ICE)” [14], in cui sono stati presentati 10 tipologie di algoritmi che permettono di ridurre 
drasticamente la percentuale dei cosiddetti falsi positivi, ed altre iniziative analoghe 
cominciano a venir prese da più parti sia in ambito accademico che governativo, tipo tracciare 
delle linee guida per la realizzazione di sistemi biometrici, affinché possano adeguarsi a degli 
standard universalmente condivisi.  
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1.4 Obiettivo della tesi  
L'obiettivo della presente tesi è di implementare un sistema di riconoscimento dell'iride, allo 
scopo di verificarne l'efficacia e le prestazioni, confrontando poi i risultati ottenuti con quelli 
di altri ricercatori. Il tool di sviluppo utilizzato è MATLAB
®
, un ottimo ambiente di sviluppo 
di tipo RAD (Rapid Application Development), che consente di ottenere risultati in tempi 
brevi senza soffermarsi su dettagli implementativi. MATLAB fornisce infatti oltre ad una 
metodologia di programmazione ad alto livello, un tool di Image Processing (image 
processing toolbox ), con numerose funzioni per l'elaborazione delle immagini. Sono inoltre 
utilizzati dei componenti open source implementati in MATLAB reperiti sul web [15] [16] 
[17], alcuni dei quali sviluppati dal dr. Peter Kovesi e dal suo allievo Libor Masek.  
Per testare il sistema sono utilizzate le immagini di iridi in scala di grigi, presenti nel dataset 
fornito dal Chinese Academy of Sciences -Institute of Automation (CASIA) [18]. Le 
immagini di questo database, non ideali, aventi dimensione di 320x280 pixel, sono fotografie 
di numerosi occhi umani prese dalla distanza di pochi centimetri utilizzando un'illuminazione 
prossima all'infrarosso. Lo spettro dell'infrarosso enfatizza i pattern della tessitura dell'iride 
rendendo più accurati i risultati dell'elaborazione per il riconoscimento dell'iride, e non 
introduce rumore dovuto a riflessione. Nella versione utilizzata del dataset del CASIA, la 
versione 1, sono presenti 756 immagini di 108 occhi umani acquisite in due distinte sessioni, 
ossia 756 campioni di 108 classi; 7 istanze per ogni classe, divise in due cartelle per ogni 
classe, relative alle due differenti sessioni di acquisizione. La scelta di questo dataset si rivela 
particolarmente opportuna in quanto altri lavori disponibili per la consultazione utilizzano lo 
stesso dataset per il test dei sistemi sviluppati, consentendo così un oggettivo confronto delle 
loro prestazioni con quelle del sistema messo a punto. È data particolare enfasi solo al 
software relativo all'estrazione del codice biometrico ed al matching, senza entrare nei dettagli 
hardware relativi all'acquisizione delle immagini. Il sistema è composto da un certo numero di 
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sottosistemi, corrispondenti alle varie fasi del processo di riconoscimento dell'iride, queste 
fasi sono essenzialmente tre; la segmentazione, consistente nel localizzare la regione dell'iride 
nell'immagine dell'occhio; la normalizzazione, in cui viene creata una rappresentazione 
dimensionalmente consistente della regione dell'iride; ed infine la codifica, che genera un 
template biometrico contenente le caratteristiche più discriminanti dell'immagine 
normalizzata. Il sistema prende in input l'immagine di un occhio e fornisce come output un 
template biometrico binario, cioè una sorta di rappresentazione matematica della regione 
dell'iride. Nell'implementare i vari sottosistemi del processo di creazione del template 
biometrico, ci si è rifatti alle tecniche citate in letteratura modificandole ed adattandole alle 
caratteristiche del dataset utilizzato, ma anche si sono introdotti nuovi procedimenti e 
strategie, valutati e progettati in fase di implementazione e di test del sistema.  
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Capitolo 2 I Sistemi Biometrici 
 
 
2.1 Campi di applicazione dei sistemi biometrici  
Le possibilità offerte dai sistemi di riconoscimento automatici basati su caratteristiche 
biometriche sono decisamente numerose, essi forniscono adeguate soluzioni al problema del 
controllo degli accessi in aree riservate, sostituendo o integrando l'utilizzo di dispositivi quali 
chiavi, password o carte magnetiche, che possono essere facilmente sottratte, perdute e clonate. 
Ci si aspetta che tali tecnologie siano impiegate nel controllo degli accessi in luoghi 
particolarmente sensibili dal punto di vista della sicurezza, come negli aeroporti o in aree 
militari, supportando così la sicurezza nazionale da minacce quali quella terroristica. Ora più che 
mai, c'è un notevole interesse per queste tecnologie da parte di enti pubblici e privati, e da parte 
dei governi di tutto il globo. Uffici governativi e un gran numero di organizzazioni coinvolte in 
diverse attività stanno prendendo atto dell'importante ruolo che la biometria può rivestire 
identificando e verificando l'identità degli individui e proteggendo le attività nazionali. Ci sono 
altre necessità per cui impiegare la biometria, aldilà della sicurezza nazionale; grandi 
infrastrutture di rete per la sicurezza, il banking elettronico sicuro, le transazioni finanziare, la 
vendita al dettaglio, i tribunali e i servizi sanitari e sociali di alcuni paesi stanno già beneficiando 
di queste tecnologie. Una vasta gamma di nuove e promettenti applicazioni può essere trovata in 
ambiti assai distinti tra loro come parchi giochi, banche, finanziarie, reti governative e aziendali, 
rilascio di patenti di guida e passaporti, collegi, controllo dell'accesso fisico a varie strutture 
come discoteche o mense pubbliche. Applicazioni per l'autenticazione basate sulla biometria 
includono l'accesso a workstation, reti e domini, la connessione a servizi telematici e a software, 
la protezione di dati, la sicurezza nelle transazioni e la sicurezza sul web; del resto la fiducia in 
queste transazioni elettroniche è essenziale per un salutare sviluppo dell'economia globale [19]. 
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Utilizzate da sole o integrate con altre tecnologie come smart card, chiavi di crittografia e firme 
digitali le tecnologie biometriche sono pronte a pervadere da vicino tutti gli aspetti dell'economia 
e della vita quotidiana. Questo perché tali tecnologie collegano strettamente la chiave di 
riconoscimento a una determinata persona (una password o un token potrebbero essere usate da 
qualcun'altro che non sia l'utente autorizzato), sono convenienti (niente da portarsi appresso o 
dover ricordare), accurate, possono fornire un audit trail e stanno divenendo sempre più poco 
invasive, socialmente accettabili e poco costose. Ciò nondimeno si sollevano degli stringenti 
problemi legati alla privacy degli individui, sia per quanto concerne il fatto di poter essere 
facilmente localizzati e tracciati negli spostamenti da tali sistemi distribuiti, sia in merito alle 
ulteriori informazioni fisico-attitudinali che tali sistemi opportunamente istruiti, anche per 
esigenze di verificabilità dello status di vivente del soggetto, potrebbero carpire, potendo così 
rivelare dati altamente sensibili e delicati quali eventuali patologie dei soggetti “scannerizzati”, 
ma anche dati sullo stile di vita e comportamenti abituali, quali l'uso di alcuni farmaci o di 
stupefacenti [20]. Nel seguito di questo capitolo vedremo i principi e le modalità di 
funzionamento di un sistema biometrico, i requisiti che esso deve soddifare ed i parametri per 
valutarne le prestazioni, e metteremo a confronto diversi sistemi biometrici, citando dei dati 
presenti in letteratura sulle loro performance.  
 
 
2.2 Funzionamento di un sistema biometrico  
Come già detto le tecnologie di autenticazione basate sulla biometria si avvalgono di metodi 
automatizzati che verificano e riconoscono l’identità di una persona rilevando una o più 
caratteristiche biologiche e confrontandole con dati precedentemente acquisiti.  
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Le caratteristiche biologiche che vengono analizzate sono solitamente divise in due gruppi:  
1. Fisiologiche : si riferiscono a dati statici quali ad esempio le impronte digitali, la tessitura 
dell’iride, la sagoma della mano o del volto;  
2. Comportamentali : si riferiscono ad azioni svolte dall’individuo, come la scrittura, la 
traccia vocale, la modalità di pressione sulla tastiera o la postura.  
 
 
Figura 2.1 – Alcune caratteristiche biometriche classificate in fisiologiche e comportamentali [1]. 
I più diffusi sistemi biometrici sono basati sull’acquisizione delle impronte digitali, sulla 
geometria dei vasi sanguigni della mano, sulla morfologia del volto e dell’iride, sulla dinamica 
della firma (cioè sulla pressione esercitata dalla mano apponendo la firma), sulla dinamica di 
scrittura sulla tastiera, sul riconoscimento vocale o addirittura sulla geometria delle orecchie. 
Tutti questi sistemi vengono già utilizzati a vario titolo, ma strumenti sempre più sofisticati e 
precisi sono già in fase di studio : sarà possibile il riconoscimento della luminescenza della pelle, 
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l’identificazione attraverso il profilo genetico ottenuto dai frammenti di DNA presenti nel fiato, 
o ancora l’analisi delle onde cerebrali mediante un sistema di interfaccia tra cervello e computer. 
In generale le caratteristiche fisiologiche sono abbastanza stabili, cioè sono soggette a piccole 
variazioni nel tempo, mentre quelle comportamentali sono influenzabili dalla situazione psico-
fisica dell'individuo. Per tale motivo i sistemi biometrici basati su componenti comportamentali 
hanno bisogno di continui aggiornamenti dei dati memorizzati [1]. Il grafico in Figura 2.2 mostra 
un semplice diagramma a blocchi di un sistema biometrico. Le operazioni principali che tale 
sistema può eseguire sono quella di registrazione (enrollment) e di test.  
 
Figura2.2 – Diagramma a blocchi di un sistema biometrico [1]. 
Durante la fase di registrazione le informazioni biometriche di un individuo sono 
memorizzate,mentre durante la fase di test le informazioni biometriche sono rilevate e 
confrontate con quelle memorizzate. Il primo blocco illustrato nel diagramma costituisce 
l'interfaccia tra il mondo reale ed il sistema, ed ha il compito di acquisire i dati necessari; il 
secondo blocco esegue il pre-processing dei dati acquisisti, come rimuovere il rumore acquisito 
ed eventuali artefatti o effettuare delle normalizzazioni dei dati; nel terzo blocco le caratteristiche 
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necessarie sono estratte. Tipicamente un vettore numerico o un'immagine con particolari 
proprietà sono usati per ottenere un codice biometrico (template), che rappresenta sinteticamente 
ed oggettivamente le caratteristiche estratte. Se il sistema è in fase di registrazione il template è 
solo memorizzato, se sta venendo eseguita la fase di test il template ottenuto è passato ad un 
comparatore che lo confronta con gli altri template memorizzati stimando una misura di 
similarità per ogni confronto eseguito, atta a concludere o meno per l'identificazione del 
soggetto. In genere se la distanza stimata è minore di una certa soglia, detta soglia di tolleranza, 
si conclude per un esito positivo del confronto effettuato. Essenzialmente lo scopo di un sistema 
biometrico è di identificare un individuo, ciò corrisponde a due diverse modalità di 
funzionamento, i cui schemi a blocchi sono illustrati nelle figure 2.3 e 2.4:  
● Verifica di identità: Consiste nello stabilire se una persona è veramente colui che 
dichiara di essere, ad esempio attraverso un codice PIN (Personal Identification Number), 
verificando se il codice biometrico estratto, corrisponde a quello presente in archivio relativo al 
PIN fornito; richiede confronti del tipo uno-a-uno.  
● Riconoscimento di identità: si determina se una persona può essere associata con una 
istanza tra quelle presenti in archivio. Non è necessario che l'individuo provveda a dichiarare la 
propria identità; richiede confronti del tipo uno-a-molti.  
se il sistema ha nel suo archivio un'unica referenza, essendo quindi atto all'identificazione di una 
sola persona, le due modalità coincidono, l'utente naturalmente non ha bisogno di dichiarare la 
propria identità, come potrebbe essere nel caso di un sistema che protegga l'accesso ad un 
telefono cellulare.