Biometrie - Iriserkennung

Iriserkennung
Iriserkennung
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Einleitung
Zwischen der Iris (Regenbogenhaut) und der Hornhaut des menschlichen Auges liegen komplexe
band- und kammartige Bindegewebsstrukturen. Diese Strukturen sind bei jedem Menschen
unterschiedlich. Sie unterscheiden sich selbst bei eineiigen Zwillingen. Außerdem verändern sie sich
in einem gesunden Auge während eines Lebens wenig. Das mit einer herkömmlichen Kamera (z.B.
einer CCD Kamera) von außen aufgenommen Bild der Iris lässt diese Strukturen erkennen und eignet
sich damit als eindeutiges Erkennungsmerkmal.
Bei Menschen mit dunkler Augenfärbung sind die Strukturen im sichtbaren Licht allerdings nur
schwer zu erkennen. Biometrische Iriserkennungssysteme beleuchten daher die Iris aus einem Abstand
von etwa einem Meter mit für das Auge nahezu unsichtbarem Licht im nahen Infrarotbereich. Dieses
durchdringt den "Farbstoff" des menschlichen Auges (Melanin) besser als sichtbares Licht. So kann
eine Aufnahme der Irisstrukturen bei allen Menschen mit gesunden Augen angefertigt werden, ohne
zu blenden. Aus den aufgenommenen Bildern wird mit speziell für diesen Zweck entwickelten
mathematischen Methoden ein eindeutiger Datensatz gebildet, der als sogenanntes "Template" für die
biometrische Erkennung dient. Dies gilt nur dann nicht, wenn für den Erkennungsvorgang als
Referenz zuvor das Originalbild der Iris aufgenommen wurde und dieses später mit einem aktuell
aufgenommen Originalbild der Iris wieder verglichen wird.
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Geschichte
Die Idee, die Farbe der Iris als Erkennungsmerkmal zu benutzen, wurde bereits 1885 von Bertillon
geäußert. Erstmals im dem James-Bond Film „Never say never again“ von 1983 wird ein Verfahren
gezeigt, das sich als Iriserkennung interpretieren lässt. Erst 1987 wird das in der Einleitung skizzierte
Verfahren von Flom und Safir als amerikanisches Patent geschützt. Der erste einsatzfähige
biometrische Algorithmus wurde Anfang der neunziger Jahre von John Daugman entwickelt und
patentiert. Inzwischen gibt es eine Vielzahl von Algorithmen zur Iriserkennung, allerdings gelangte
aus patentrechtlichen Gründen bisher nur der von Daugman zur weltweiten Praxisanwendung. Die
entsprechenden Patente gelten in den USA noch bis Februar 2005 und in der EU bis Februar 2006.
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Methoden der Template Erzeugung
Bevor ein Template aus einem Bild der Iris erzeugt werden kann, muss die Iris im Auge erkannt
werden und offensichtliche Störungen, wie z.B. Reflektionen, Abschattungen und verdeckte Teile
entfernt werden. In Abb. 1 ist dies veranschaulicht durch den von der feinen weißen Linie
ausgewählten Bereich, der in der Template Erzeugung berücksichtigt wird.
Im Gegensatz zu allen anderen biometrischen Merkmalen hat die Iris einen hohen Grad an Symmetrie,
die Merkmale befinden sich in einem Kreissegment, das um die Pupille liegt (Abb. 1). Dies erleichtert
die Erzeugung des Templates erheblich, da Verformungen der Iris (z.B. durch Kontraktion der Iris bei
erhöhtem Lichteinfall) auf einfache Weise mathematisch korrigiert werden können. In einem ersten
Schritt transformieren die meisten Verfahren einen Teil dieses Kreissegments in einen Streifen
konstanter Breite (Abb. 2 a.).
Dieser Streifen wird mit mathematischen Verfahren bearbeitet (Abb. 2 b.) und dann in eine Abfolge
von Nullen und Einsen gewandelt(Abb. 2c.). Für die recht komplexen Einzelheiten dieses
Transformationsprozesses sei auf die angegebene Literatur verwiesen1).
Die Grundidee der Verfahren ist aber typischerweise die folgende:
Die Abbildung der Iris wird in einen endliche Anzahl von Rechtecke geteilt. Die Helligkeit in jedem
dieser Rechtecke wird gemittelt, indem Variationen über sowohl sehr kleine als auch sehr große
Regionen entfernt werden. Nun werden alle Rechtecke die heller als der Mittelwert insgesamt sind als
„1“ und diejenigen die dunkler als der Mittelwert sind als „0“ in dem Datensatz des Templates gesetzt.
Die typische Größe von Iristemplates ist – je nach Verfahren - im Bereich einiger hundert Bytes.
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1)
Daugman: 2003, Tisse: 2002, Kois: 2001
Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik
Obwohl dies im Vergleich mit anderen biometrischen Verfahren wenig ist, ist die tatsächliche
Information eines Iristemplates wesentlich kleiner (weniger als 200 bit).
Abbildung 1: Aufnahme einer Iris bei einer Wellenlänge von 850 nm (nahes Infrarot). Man erkennt die
komplexen Strukturen in der Iris. Die feinen weißen Linien wurden von einem
Auswerteprogramm erzeugt, und deuten die Region an, die für die Erzeugung eines
Templates verwendet wurde. Die innere schwarze Pupille wird nicht verwendet. Der weiße
Fleck auf der Pupille wird durch die beleuchtende Infrarot Diode erzeugt.1
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Einordnung des Verfahrens
Prinzipiell haben sowohl Iris- als auch Fingerabdruck eine hochkomplexe und relativ unveränderliche
Struktur. Beide eignen sich damit besonders für Anwendungen in denen eine hohe Erkennungsleistung
erforderlich ist.
Die Tatsache, dass für eine Fingerabdruckserkennung eine größere Kooperation des Teilnehmers
erforderlich ist, kann, je nach Anwendung, ein Vor- oder Nachteil sein. Bei den zur Zeit verfügbaren
Systemen ist allerdings auch für die Iriserkennung erhebliche Kooperation notwendig. Eine völlige
Überwindungssicherheit ist z.Zt. bei keinem der beiden Verfahren gegeben, auch nicht in
Anwendungen unter menschlicher Beaufsichtigung.
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Bildquelle: A.Pacut, A.Czajka, "Human Iris Verification", www.ia.pw.edu.pl/ac, 2002
Iriserkennung
Abbildung 2:Veranschaulichung der Grundschritte zur Erzeugung eines Templates aus einem Bild der
Iris2
Teilbild a. enthält das Bild der Iris transformiert in einen Streifen. Man erkennt die
Strukturen aus dem Originalbild (Abb. 1) wieder.
Teilbild b. zeigt das Resultat einer mathematischen Mittelung dieses Bildes.
Teilbild c. ist das Template, wobei ein weißes Feld „1“ und ein schwarzes Feld „0“ bedeutet.
Felder die in b. heller (dunkler) als der Durchschnitt sind werden zu einem weißem
(schwarzen) Feld.
Weitere Aussagen zur Erkennungsleistung und Sicherheit von marktverfügbaren
Iriserkennungsverfahren lassen sich dem öffentlichen Abschlussbericht des Projekts BioP II
entnehmen, der demnächst auf der BSI-Webseite zum download zur Verfügung stehen wird.
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Bildquelle: A.Pacut, A.Czajka, "Human Iris Verification", www.ia.pw.edu.pl/ac, 2002
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