Riconoscimento di volti mediante H.M.M. supportato da reti neurali

 Introduzione 
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 Una perdita (comunque tollerabile) di efficienza. Infatti si ha un tempo di 
elaborazione maggiore rispetto alla connessione in parallelo, visto che le 
features estratte dal primo sottosistema devono passare per il secondo. 
Comunque questo aspetto diventa del tutto trascurabile, nel caso di elaborazioni 
non  real time . 
Una ulteriore innovazione apportata in questa tesi (oltre all uso degli H.M.M. Pseudo 
2D) Ł stato quello di trovare nuovi modi, diversi da quello seriale, di passaggio delle 
features in ingresso agli H.M.M. Pseudo 2D. 
  
Contenuti della tesi 
 La tesi tratta i seguenti argomenti per capitolo: 

 Capitolo 1: Descrizione panoramica degli attuali sistemi biometrici; 

 Capitolo2: Descrizione delle reti neurali artificiali, con riferimento alle reti di 
tipo feedforward che utilizzano per l apprendimento algoritmo l algoritmo back 
propagation; 

 Capitolo 3: Descrizione della teoria alla base per il passaggio dalle catene di 
markov  alle catene di markov nascoste (H.M.M.), e del toolkit HTK; 

 Capitolo 4: Descrizione della teoria alla base delle catene di markov nascoste 
(Pseudo 2D H.M.M.). 

 Capitolo 5: Descrizione del sistema ibrido (Rete Neurale B.P. + Pseudo 2D 
H.M.M.) di riconoscimento dei volti umani, implementato nella tesi. 

 Conclusioni e sviluppi futuri. 
  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
CAPITOLO  1 
SISTEMI  BIOMETRICI 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Capitolo 1                                                                                   Sistemi Biometrici 
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1.1  Introduzione 
 Carte di credito, tessere magnetiche, smart-card, user name e password sono ormai 
termini che sono entrati a far parte del nostro vocabolario; un tempo pensare di avere la 
possibilit  di riscuotere del contante dal nostro c onto corrente, quando eravamo lontani 
dalla nostra banca di fiducia rappresentava un qualcosa di fantascientifico, oggi invece Ł 
ci  che tutti i giorni le persone fanno quando effe ttuano semplicissimi prelievi dagli 
sportelli bancomat, ovunque essi siano. Infatti, basta possedere una tessera Bancomat 
apposita, ricordarsi a memoria (o scriversi su un pezzo di carta) un apposito codice e il 
gioco Ł fatto: inserendo la tessera nello sportello e digitando il codice segreto Ł possibile 
estrarre del contante dal proprio conto corrente, ovunque vi troviate. 
Tutto questo Ł estremamente facile, anche se vengono subito alla mente alcuni 
interrogativi: cosa succede se non ricordo a memoria il codice? e se qualcuno riesce ad 
impossessarsi della mia carta Bancomat e del bigliettino su cui ho scritto il codice? 
Se usato in maniera corretta, la metodologia su cui fonda le sue radici il bancomat Ł 
ritenuta attualmente sicura, a patto che l utente non commetta imperdonabili errori, 
dovuti anche semplicemente alla sua distrazione; il caso del bancomat Ł solo uno dei 
tanti esempi in cui un utente deve identificarsi per usufruire di un servizio. 
I sistemi biometrici vogliono dare una risposta alle domande prima elencate; un utente 
non dovr  preoccuparsi piø di portare con sØ una card o una tessera, ma dovr  
semplicemente usufruire di un servizio, identificandosi con una caratteristica del proprio 
corpo. Questo presuppone che esistano alcune parti del nostro corpo che hanno 
caratteristiche uniche e sempre diverse da individuo ad individuo. In altre parole, 
Capitolo 1                                                                                   Sistemi Biometrici 
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tornando sull esempio prima mostrato, sar  il banco mat che, analizzando una 
caratteristica corporea dell utente, lo riconoscer . Ad esempio un giorno potremo 
effettuare prelievi da un bancomat come mostrato nella Figura 1.1: 
 
 
Figura 1.1: Un sistema biometrico riconosce un utente  guardandolo  negli occhi. 
 
In questo caso lo sportello,  guardando negli occhi   il cliente, lo identificher  in 
maniera univoca, senza possibilit  di errore; per f ar ci , il sistema dovr  disporre di un 
meccanismo atto alla rilevazione di una caratteristica dell occhio del soggetto (ad 
esempio la scansione della retina o dell iride) e sulla base di questa caratteristica il 
bancomat sapr  con quale utente sta lavorando. 
 
1.2  Un salto nel passato: il sistema Bertillon 
 Il primo metodo scientifico d identificazione biometrico fu sviluppato nei laboratori 
del carcere di Parigi da Alphonse Bertillon nel diciassettesimo secolo. Bertillon (1853-
1914) era figlio del vice presidente della societ  d antropologia e trascorse la sua 
Capitolo 1                                                                                   Sistemi Biometrici 
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infanzia a manipolare e studiare crani. A 26 anni diventa impiegato della prefettura di 
Parigi e incomincia ad annotare su fogli tutte le caratteristiche fisiche dei detenuti, 
finchØ non crea un sistema per identificare i criminali detto Bertillonage, il quale era 
fondato su una combinazione di misure fisiche che erano prese da procedure 
attentamente prescritte. Esso si basava su due importanti particolari: 
  L ossatura umana non cambia dal ventesimo anno; 
  ogni scheletro Ł diverso per ciascun individuo. 
Il sistema Bertillon era composto di due fasi, dove in una erano rilevate le descrizioni 
fisiche del corpo umano e in un’altra erano rilevate le misure fisiche di determinate parti 
del corpo umano. Il nome del detenuto, le descrizioni e le misure fisiche del corpo di un 
individuo e una foto segnaletica ovvero una foto frontale e laterale dell’individuo a 
mezzo busto erano annotate su una scheda detta "Osservazioni Antropometriche"; di 
seguito ne riportiamo un esempio: 
 
Figura 1.2: Una scheda del sistema Bertillonage. 
Capitolo 1                                                                                   Sistemi Biometrici 
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Nel 1887, una circolare del ministero degli interni autorizza ufficialmente ad utilizzare 
il sistema Bertillonage per identificare i criminali. 
La prima sezione della scheda del sistema Bertillon riguarda le misure fisiche del torso, 
le quali sono: 
• Altezza: il detenuto si pone diritto contro un asse graduato e poi sulla cima del 
suo capo si lascia scendere un asse piatto, il quale indica l altezza del detenuto. 
Lo strumento utilizzato viene chiamato vertical measure. 
• Ampiezza delle braccia: dopo aver rilevata l altezza, il detenuto, senza 
cambiare posizione, stende le braccia formando un angolo retto con l asse del 
corpo. Tale misura viene presa dalla punta del dito medio del braccio destro alla 
punta del dito medio del braccio sinistro del detenuto. Lo strumento utilizzato Ø 
chiamato horizontal measure 
• Misura del tronco: il detenuto si siede su uno sgabello con la schiena diritta 
contro un asse graduato e sul capo gli Ø posto un asse piatto il quale indica la 
misura del tronco. 
• Misura dell orecchio destro:  l operatore utilizzando lo small sliding compass, 
dolcemente tocca il lembo superiore dell orecchio del detenuto con lo stazionary 
branch e mantiene la testa del detenuto ferma con il suo pollice. Poi l operatore 
pone la gamba del compass bring in parallelo con l asse dell orecchio del 
detenuto e spinge in avanti lo sliding branch, fino a toccare l estremo punto del 
lobo dell orecchio. L operatore controlla che l ore cchio del detenuto non sia 
compresso e dopo legge la sua lunghezza. 
Capitolo 1                                                                                   Sistemi Biometrici 
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Un altra sezione della scheda riguarda le misure fisiche della testa, le quali sono di 
notevole importanza, perchØ sicure. Infatti un individuo disonesto pu  espandere il suo 
torace o pu  contrarre la sua statura, ma non pu  a umentare o diminuire le misure della 
sua testa. Tali misure sono: 
• Ampiezza della testa: l’operatore si pone alle spalle del detenuto seduto e con 
l’occhio fissa la graduazione della probabile ampiezza della testa. L’operatore 
utilizza il caliper compass e fissa i due bracci di tale strumento alle due 
estremit  delle tempia della testa del detenuto e l egge le indicazioni direttamente 
sotto lo zero-dart dello sliding branch. 
• Lunghezza della testa: l’operatore si pone sul lato sinistro del detenuto seduto e 
fissa un braccio del caliper compass alla radice del naso e l’altro braccio indietro 
nel punto estremo della testa del detenuto e legge le indicazioni direttamente 
sotto lo zero-dart dello sliding branch. 
Successivamente sono prese le misure degli arti, le quali sono: 
• Dito medio sinistro: l’operatore pone il dito medio sinistro del detenuto sul 
dorso dello sliding compass. L’operatore gira di un quarto la sua posizione, 
alzando il gomito allo stesso tempo, e sposta il dito del detenuto da misurare in 
una posizione che forma un angolo retto con il lato posteriore della mano del 
detenuto. L’operatore spinge lo sliding branch verso le estremit  del dito e legge 
la misura sotto lo zero-dart. 
• Piede sinistro: l’operatore spinge lo stazionary branch dello sliding compass 
fermamente contro il tallone del detenuto, sorvegliando allo stesso tempo che lo 
Capitolo 1                                                                                   Sistemi Biometrici 
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shank tocchi il lato interno del tallone in congiunzione con la punta dell’alluce. 
Poi l’operatore spinge in avanti lo slide e chiede al detenuto di curvare 
leggermente il ginocchio sinistro e con la mano destra l’operatore opera una 
leggera pressione sul primo e sul secondo punto dell’alluce del detenuto. Infine 
l’operatore modifica la posizione dello strumento se altre dita del piede del 
detenuto sono inclinate. 
• Avambraccio sinistro: l’operatore spinge lo stationary branch dietro il gomito 
del detenuto, tenendo lo shank parallelo all’asse del braccio del detenuto. 
L operatore spinge in avanti lo sliding branch e comprime leggermente il dorso 
della mano e il polso del detenuto. L’operatore controlla che il punto del gomito 
del detenuto Ł in linea con la giuntura del dito medio e infine legge le misure 
indicate sullo strumento. 
 
Dopo aver determinato queste misure fisiche, l’operatore effettua le descrizioni del 
volto, della mano e del corpo del detenuto. Per quanto riguarda i dettagli della faccia lui 
esamina: 
• Orecchio: l’operatore controlla se l’orecchio del detenuto Ł forato e ha segni 
particolari, poi lo classifica come piccolo, medio o grande. Inoltre controlla ogni 
parte anatomica ovvero se il contorno esterno Ł aperto, medio o aderente, se il 
contorno esterno del lobo Ł quadrato, medio o gulf-like; se il profilo 
dell’antiragus Ł rettilineo, medio o frastagliato e se il grado di aderenza del lobo 
alla guancia Ł completo, medio o separato. 
Capitolo 1                                                                                   Sistemi Biometrici 
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• Fronte: l’operatore controlla la fronte del detenuto secondo la sua inclinazione, 
altezza e larghezza. La fronte pu  essere ritratta o media e avere un inclinazione 
verticale bassa, media o grande e un’ampiezza della fronte stretta, media o larga. 
• Naso: l’operatore controlla la dimensione e la forma del naso del detenuto. Per 
quanto riguarda la dimensione si considera la lunghezza (il naso pu  essere 
lungo, medio o corto); e l’ampiezza (il naso pu  essere ampio, medio, stretto, 
pronunciato, moderato o piccolo). La forma del naso viene divisa in concavo 
rettilineo, convesso, concavo sinuoso, elevato orizzontale o orizzontale 
ascendente. 
• Occhio: l’operatore effettua l’analisi dell’iride del detenuto il quale pu  essere 
luminoso, medio o scuro. L’occhio in base alla luce viene diviso in sei classi 
distinte: senza pigmento, aureola gialla, aureola arancione, aureola castano, 
aureola marrone che copre irregolarmente l’iride e aureola marrone che copre 
interamente l’iride. 
Successivamente viene controllata la mano del detenuto effettuando una descrizione 
dettagliata del palmo, della faccia e delle dita della mano. Vengono controllate se vi 
sono malformazioni delle dita, se ci sono tatuaggi o cicatrici, lo spazio che intercorre fra 
le varia dita e come sono congiunti le dita alla mano. Come operazione finale viene 
esaminato il corpo nudo del detenuto controllando con particolare attenzione se ci sono 
cicatrici e tatuaggi, probabili deformazioni alla colonna vertebrale e la dimensione del 
torace. Il Bertillonage ha per  avuto vita breve; i nnanzi tutto si pu  evidentemente 
notare che la procedura descritta Ł al quanto lunga e complicata e pu  essere soggetta a 
Capitolo 1                                                                                   Sistemi Biometrici 
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numerosi errori dovuti a imprecisioni durante il prelievo delle misure. Ma la cosa 
decisiva Ł che possono esistere due individui differenti con caratteristiche fisiche 
identiche, tali da risultare uguali secondo il Bertillonage: infatti, nel 1903 nel 
penitenziario federale a Leavenworth nello stato di Washington, mentre si stava 
schedando un prigioniero chiamato Will West, gli addetti si accorsero che quel nome gli 
era gi  familiare e che anche le misure fisiche pre se e la foto erano simili a quelle di un 
altro detenuto William West schedato mesi prima. In effetti, c era una perfetta 
corrispondenza tra le schede, eccetto il nome (l altro detenuto si chiamava William 
West). Solo quando le loro impronte digitali furono prese e confrontate si accertarono 
che i due soggetti erano diversi. Il caso West scredit  simultaneamente tre metodi molto 
usati quali l identificazione del nome personale, la foto segnaletica e le misure fisiche di 
Bertillon. Nello stesso tempo conferm  l accuratezz a e l utilit  dell identificazione 
dell impronta digitale. Anche se il Bertillonage Ł fallito, ha comunque gettato le basi per 
l identificazione biometrica e tuttora i moderni sistemi biometrici per certi aspetti 
rassomigliano molto al metodo inventato da Bertillon. 
 
1.3  Aspetti generali dei sistemi biometrici 
 Come anticipato, i sistemi biometrici sono dispositivi automatici per la verifica di 
identit  o identificazione di una persona sulla bas e di caratteristiche biologiche; queste 
caratteristiche possono essere di varia natura e sono generalmente suddivise, come 
riportato nella Figura 1.3, in fisiologiche (impronta digitale, volto, mano, retina, iride, 
...) e comportamentali (voce, calligrafia, stile di battitura, ... ). Com’Ł facilmente 
Capitolo 1                                                                                   Sistemi Biometrici 
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intuibile, i sistemi basati su caratteristiche fisiologiche sono generalmente piø affidabili 
di quelli basati su caratteristiche comportamentali, tuttavia questi ultimi possono 
risultare a volte piø semplici da integrare in alcune specifiche applicazioni. In Figura 1.3  
sono riportate le principali caratteristiche biometriche: 
 
Figura 1.3: Classificazione dei sistemi biometrici. 
 
Un sistema biometrico pu  essere generalmente impie gato per la verifica d’identit  o 
per l’identificazione: 
 Il problema della verifica d’ identit  consiste nello stabilire se un individuo Ł 
veramente colui che dichiara di essere; a tal fine l’utente deve fornire al sistema, 
oltre alla caratteristica biometrica da esaminare, anche il proprio nome o un 
codice di identificazione personale che rappresenta la sua dichiarazione di 
identit . 
 Il problema dell’identificazione consiste invece nel determinare se una persona 
pu  essere associata (corrisponde) ad una di quelle  presenti in un archivio (non Ł 
richiesto all’individuo di dichiarare la propria identit ). 
Nella Figura 1.4 mostriamo schematicamente questi due concetti: 
Capitolo 1                                                                                   Sistemi Biometrici 
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Figura 1.4: Differenza tra verifica di identit  ed identificazione. 
 
Indipendentemente dalla caratteristica biologica che si adotta, i sistemi biometrici, per 
espletare in maniera corretta il loro funzionamento, hanno bisogno di una fase di 
registrazione iniziale, detta fase di enrolment, durante la quale sono acquisite una o piø 
istanze della caratteristica biometrica. Questa fase Ł necessaria, poichØ in questo modo 
il cliente si  presenta  al sistema biometrico e po tr  quindi essere riconosciuto dal 
sistema stesso nei successivi accessi. 
 
1.4  Prestazioni di un sistema biometrico 
 Diversamente da un’operazione di controllo di una password, l’affidabilit  del 
risultato di un confronto d’istanze diverse delle stessa caratteristica biometrica non Ł del 
Capitolo 1                                                                                   Sistemi Biometrici 
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100%; le principali cause delle differenze tra acquisizioni successive della stessa 
caratteristica sono: 

 variazioni sopravvenute nella caratteristica biometrica (ad esempio tagli o 
escoriazioni nelle impronte digitali); 

 errato posizionamento rispetto al sensore di acquisizione; 

 salienti modificazioni dell’ambiente di acquisizione (variazioni di illuminazione, 
temperatura, umidit ,...) 
Non si pu  quindi affermare che due istanze di una caratteristica biometrica coincidano, 
ma al piø si pu  affermare che due istanze sono suf ficientemente simili; il sistema deve 
essere cosciente di questo fatto, ma siccome non c Ł una certezza assoluta 
dell uguaglianza tra due istanze, si possono verificare errori. 
Due sono i tipi d errore che un sistema biometrico pu  commettere; la probabilit  di tali 
errori Ł espressa da due parametri (legati tra loro) che prendono il nome di FRR e FAR: 
 FRR (False Rejection Rate: frequenza di falsi rifiuti): specifica la frequenza 
con la quale il sistema rifiuta ingiustamente individui che sono autorizzati 
all’accesso. Nel caso in cui un utente sia ingiustamente rifiutato dovr  
ripresentare nuovamente la caratteristica biometrica al sistema. Si noti che un 
falso rifiuto non Ł necessariamente indice d errore del sistema: si pensi ad 
esempio, nel caso delle impronte digitali, ad un incorretto posizionamento del 
dito sul sensore o alla presenza di sporcizia. 
 FAR (False Acceptance Rate: frequenza di false accettazioni): specifica la 
frequenza con cui il sistema Ł ingannato da estranei che riescono ad essere 
Capitolo 1                                                                                   Sistemi Biometrici 
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autorizzati, pur non avendo diritto d accesso. Questo tipo d errore Ł sicuramente 
piø grave. 
Il grado di sicurezza di un sistema biometrico pu  essere impostato dall’amministratore 
agendo sulla soglia di sicurezza t, un parametro che stabilisce quanto stringenti 
debbano essere i requisiti di somiglianza delle caratteristiche biometriche. Infatti, FRR e 
FAR sono funzione della soglia t: 

 incrementando il valore di t per rendere piø arduo il compito agli impostori 
(diminuisce FAR), alcuni utenti, che lecitamente tentano di accedere al sistema, 
possono essere talvolta rifiutati (cresce FRR); 

 al contrario, diminuendo il valore di t per facilitare estremamente gli accessi a 
chi ne ha diritto (diminuisce FRR) potrebbe aumentare il pericolo di false 
accettazioni (cresce FAR). 
Riportiamo di seguito un grafico in cui si pu  vede re l andamento dei due parametri 
FRR e FAR in funzione della tolleranza t: 
 
Figura 1.5: FAR e FFR in funzione della tolleranza t.