Disseny de hardware específic per a l'extracció de característiques i comparació d'empremtes dactilars.

Abstract

El mètode d'identificació mitjançant empremta dactilar és un dels més fiables que es coneixen i un seriós candidat a ser incorporat a les activitats diàries. En els darrers anys la biometria d'empremta dactilar s'ha anat acostant al gran públic i ja no és estranya la utilització de sistemes automàtics de verificació dactilar per a l'accés a certes instal·lacions.<br/>El mercat es dirigeix cap a un tipus de targetes personals que integren un sensor d'empremta dactilar junt a un dispositiu en el que es facin totes les etapes de l'algorisme biomètric. Dins d'aquest context, la tesi busca la integració de sistemes biomètrics y targetes intel·ligents amb l'objectiu d'implementar un "embedded security system" capaç d'evitar possibles usos fraudulents mitjançant la verificació de la identitat del titular a partir de la utilització de la biometria d'empremta dactilar.<br/>Tradicionalment, els algorismes utilitzats per a fer l'extracció de característiques d'empremtes dactilars es basen en la successiva aplicació de complexes funcions de processat d'imatge. El desenvolupament d'aquests algorismes es fa pensant en la correcta extracció de les característiques, però fins ara no s'ha pensat en una optimització del cost o de la portabilitat; els sistemes s'han desenvolupat sobre una plataforma amb un ordenador personal, o utilitzant un microprocessador d'elevades prestacions (i cost), o fins i tot fent servir un processador digital de senyal (DSP) específic.<br/>En el marc d'aquesta tesi s'ha desenvolupat un algorisme per a l'extracció de les característiques físiques de les empremtes dactilars; el processat, que es fa directament sobre la imatge de l'empremta en escala de grisos, no precisa de multiplicadors ni divisors, ni realitza operacions en coma flotant. Com que la correcta estimació de les direccions de les línies de l'empremta acostuma a ser la part més crítica, i computacionalment més costosa, dels algorismes d'extracció de característiques, també s'ha dissenyat un algorisme específic per a dur a terme aquesta operació.<br/>Amb la finalitat d'obtenir un sistema d'extracció en temps real apte per a ser implementat en microprocessadors de baix cost, s'ha fet el codisseny d'un sistema hardware - software. Així, s'han implementat els coprocessadors corresponents a la realització per hardware tant dels algorismes d'estimació de direcció com de la resta de i<br/>tasques crítiques; aquestes s'han identificat analitzant el perfil d'execució dels algorismes dissenyats.<br/>El mètode d'estimació de la direcció que s'ha dissenyat incorpora una novadora optimització de càlcul, que s'adapta a les necessitats específiques de precisió i evita la realització d'operacions d'alt cost computacional. A la orientació calculada se li associa un valor numèric, indicatiu de la fiabilitat de l'estimació, que facilitarà la realització d'una fase prèvia de segmentació de l'empremta, un punt important en el procés d'extracció, i que, habitualment, s'ha estudiat de forma separada al procés d'extracció.<br/>Totes aquestes modificacions ens permetran fer un dispositiu electrònic (hardware + software) de dimensions petites, baix cost i alta qualitat en els resultats, tenint-se així la possibilitat d'utilitzar la identificació o l'autentificació d'empremtes dactilars en nous camps d'aplicació.

El método de identificación mediante huella dactilar es uno de los más fiables que se conocen y un serio candidato a ser incorporado a la vida cotidiana. En los últimos años la biometría de huella dactilar se ha ido acercando al gran público y ya no es extraña la utilización de sistemas automáticos de verificación dactilar para el acceso a algunas instalaciones.<br/>El mercado se encamina hacia un tipo de tarjetas personales que integren un sensor de huella dactilar junto a un dispositivo en el que se lleven a cabo todos los pasos del algoritmo biométrico. Dentro de este contexto, la tesis persigue la integración de sistemas biométricos y tarjetas inteligentes con el objetivo de implementar un "embedded security system" capaz de evitar posibles usos fraudulentos mediante la verificación de la identidad del titular a partir de la utilización de la biometría de huella dactilar.<br/>Tradicionalmente, los algoritmos utilizados para realizar la extracción de características de huellas dactilares se basan en la sucesiva aplicación de complicadas funciones de procesado de imagen. El desarrollo de estos algoritmos se realiza pensando en la correcta extracción de las características, pero hasta la fecha no se ha pensado en una optimización del coste o de la portabilidad; los sistemas se han desarrollado sobre una plataforma con un ordenador personal, o empleando un microprocesador de altas prestaciones (y coste), cuando no un procesador digital de señal (DSP) específico.<br/>En el marco de esta tesis se ha desarrollado un algoritmo para la extracción de las características físicas de las huellas dactilares; el procesado, que se realiza directamente sobre la imagen de la huella en escala de grises, no precisa de productos ni divisiones ni operaciones en coma flotante. Puesto que la correcta estimación de las direcciones de las líneas de la huella suele ser la parte más crítica, y computacionalmente más costosa, de los algoritmos de extracción de características, también se ha desarrollado un algoritmo específico para realizar esta operación.<br/>Con objeto de disponer de un sistema de extracción en tiempo real apto para ser implementado en microprocesadores de bajo coste, se ha realizado el codiseño de un sistema hardware - software. Así, se han implementado los coprocesadores correspondientes a la realización mediante hardware de los algoritmos de estimación de iii<br/>dirección así como del resto de tareas críticas; éstas se han identificado analizando el perfil de ejecución de los algoritmos diseñados.<br/>El método de estimación de la dirección diseñado incorpora una novedosa optimización de cálculo, que se adapta a las necesidades específicas de precisión y evita la realización de operaciones de elevado coste computacional. A la orientación calculada se le asocia un valor numérico, indicativo de la fiabilidad en la estimación, que va a facilitar la realización de una fase previa de segmentación de la huella, un punto importante en el proceso de extracción, y que, habitualmente, se ha venido estudiando de forma separada al proceso de extracción.<br/>Todas estas modificaciones nos permitirán realizar un dispositivo electrónico (hardware + software) de pequeñas dimensiones, bajo coste y alta calidad en los resultados, obteniendo así la posibilidad de la utilización de la identificación o autentificación de huellas dactilares en nuevos campos de aplicación.

Fingerprint-based biometrics is one of the more reliable identification methods, and a serious candidate for being used in the daily life. In recent years a lot of new devices incorporate fingerprint biometrics and it is not strange the utilization of automatic fingerprint identification systems for monitoring the access into restricted areas.<br/>The society is evolving towards a new kind of smart cards, joining a fingerprint sensor together with a device capable of performing all of the biometric identification steps. In this framework, the thesis focuses in the integration of biometric systems and smart cards; the target is the implementation of an embedded security system, based in fingerprint biometrics, in order to avoid fraudulent accesses by means of identity verification.<br/>Traditionally, the algorithms used in fingerprint features extraction have been based in the recursive iteration of complex image processing functions. These algorithms have been designed looking only for the correct feature extraction but, until now, there is not any algorithm designed bearing in mind a cost or a portability optimization; the systems have been developed over a personal computer based platform, or using a high feature (and cost) microprocessor, or over an specific digital signal processing (DSP) device.<br/>This work develops a new algorithm for the extraction of the fingerprint physical details (minutiae) directly from a grey scale image; the algorithm does not need any product or division and neither any floating point operation. As the correct estimation of the ridge lines direction usually becomes the most critical step, and computationally most expensive, of the minutiae extraction algorithms, it has also been developed a specific algorithm for this specific task.<br/>In order to develop an real-time automatic identification system, fitted to be implemented in low cost microprocessors, it has been carried out the co-design of a hardware - software system. So, the respective coprocessors have been designed: the one related to the hardware implementation of the ridge lines directions estimation and other dedicated to the rest of critical tasks; these have been identified executing the software version of the algorithm and analyzing execution profile.<br/>The ridge orientation estimation method introduces an original computing method, which is adapted to the specific precision needs and saves the use of high computational cost operations. A numerical value, indicative of the estimation reliability, is associated to the computed orientation. This value will be used to simplify the execution of a fingerprint segmentation step, previous to the feature extraction. Usually this step has been carried out as an independent part of the process with the consequent increase in the total computational cost.<br/>With the presented set of functions and algorithms, and their hardware counterparts (hardware software co-design), it is developed an electronic device with little size, low cost, and high quality results. As a result, the thesis brings new application fields for the personal identification based in fingerprint biometry.