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WO2010010203A1 - Reconocimiento biométrico mediante estudio del mapa de superficie del segundo dioptrio ocular - Google Patents

Reconocimiento biométrico mediante estudio del mapa de superficie del segundo dioptrio ocular Download PDF

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WO2010010203A1
WO2010010203A1 PCT/ES2009/000145 ES2009000145W WO2010010203A1 WO 2010010203 A1 WO2010010203 A1 WO 2010010203A1 ES 2009000145 W ES2009000145 W ES 2009000145W WO 2010010203 A1 WO2010010203 A1 WO 2010010203A1
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WO
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ocular
biometric recognition
individual
cornea
irregularities
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PCT/ES2009/000145
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French (fr)
Inventor
Celia SÁNCHEZ RAMOS
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Universidad Complutense de Madrid
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Universidad Complutense de Madrid
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Definitions

  • the invention is part of the biometrics sector, in its applications for the security and recognition of people.
  • the invention particularly relates to a method and apparatus for biometric recognition through the second ocular diopter.
  • the object of the invention is a method and its corresponding device for the recognition of persons that incorporates, as an exclusive and determining biometric constant for each individual, the irregularities of the map of the posterior surface of the cornea, which are different in each individual.
  • biometrics The types of recognition of people called biometrics are based on the physical characteristics of the user to be identified. Although the authentication of users by means of biometric methods is possible using any unique and measurable characteristic of the individual, it has traditionally been based on six large groups: eye-iris, eye-retina, fingerprints, hand geometry, writing-signature and voice.
  • Biometric authentication models based on ocular patterns are divided into two different technologies: either they analyze retinal patterns, or they analyze the morphological characteristics of the iris.
  • the iris is the most visible part of the human eye. It is a complex pattern that contains many distinctive aspects such as wrinkles, arcuate ligaments, ridges or rings.
  • the iris image can be taken from a reasonable distance (1 m) with a high level of accuracy. This requires a camera with a minimum resolution of 70 pixels. Although the level of accuracy of the image is high and the processing time is very large, it is difficult to obtain if the person does not stay close to the camera or is not interested in their identification.
  • medical processes can alter the color somewhat (although the texture remains stable for decades), the iris is moist because of what it can reflect, it can be covered and can be manipulated by contact lenses and undergoes changes in size by dilatation of the pupil .
  • the retina scanner is a biometric technique that uses the patterns of the retina to identify a person. Authentication through the retina can be done through the initial registration of the vascular structure of the retina (shape of the blood vessels of the human retina) that has characteristic elements of each individual and differential from the rest of the population.
  • the user to be identified must look through an eye device, adjust the distance and movement of the head, look at the determined fixing point and, finally, press a button to indicate to the device that it is ready for analysis.
  • To obtain valid records wait five minutes for mydriasis, or necessary retinal dilation in the entrance systems by the pupil or use mydriatic drugs.
  • the retina is scanned with a low intensity infrared radiation in the form of a spiral, detecting in an image the nodes and branches of the area of the retina to compare them with those stored in a database; if the sample coincides with the one stored for the user that the individual claims to be, authentication is validated.
  • Document US2006 / 0210122 describes a method and a system based on the topography of the surface of the eyeball (both of the outer face of the cornea and the sclera) for identification of a user, is based on detecting changes of the previous surface measuring the reflection it produces versus the reflection that would produce an ideal sphere. This parameter is also manipulable, for example, with the use of contact lenses.
  • PENTACAM ® Oculus
  • ORBSCAN II ® Bousch & Lomb Inc.
  • the present invention provides a method and a biometric recognition system based on the analysis of the irregularities of the map of the surface of the second ocular diopter with respect to a normalized surface, which has as its main advantage the impossibility of manipulation of said map (since it is inside the eye), neither by an external individual nor by the person to recognize.
  • the method is also not invasive, it is fast, it is cheap, it is easy to use and it is based on a constant that, in addition to not being manipulable, is easy to register and relatively stable over time despite possible diseases and surgeries.
  • the invention is based on taking an image exclusively of the second ocular diopter in order to determine the irregularities of its surface map with respect to a normalized surface (sphere, ellipsoid, bull, etc.) and quantify them, resulting in a set of characteristic features of each person that can be used as an authentication system, that is, using the variations and calculations made with them as biometric minutiae.
  • the image is proven safe in that it can be taken without any contraindication and as many times as necessary.
  • the objective of the invention is a method and a device for recognizing people that incorporates as irregular biometric the irregularities of the surface map of the second ocular diopter.
  • the corresponding radius of curvature has been measured through Purkinje images.
  • the asphericity of the posterior surface can be determined by combining a videokeratoscope and a pachymeter, which leads to an inaccurate measurement and time consumption.
  • Sheimpflug allows registering the anterior and posterior surfaces of the cornea as well as its thickness in a single step by means of a real photograph of this medium since it is transparent.
  • the Scheimpflug principle is a geometric rule that describes the orientation of the focus plane of an optical system when the lens plane is not parallel to the image plane.
  • the recognition of the person is carried out through the capture of a real-time image of the second ocular diopter.
  • the system contains a Scheimpflug rotating camera that records an accurate three-dimensional image of the cornea. From it, the maps of the first and second diopters of the ocular optical system are generated through a true elevation map ( Figure 2).
  • the photograph obtained with the Scheimpflug camera is corrected mathematically considering the optical effect of the first diopter on the image of the second diopter photographed before proceeding to the analysis of the surface map of the second diopter (Dubbelman & Van der Heide, 2001, Vision Research, 41 and Dubbelman & Van der Heide, 2005, Vision Research, 45).
  • the biometric constant object of this invention (the irregularities of the surface map of the second ocular diopter) can be combined with other ocular parameters such as corneal radii or power dioptric Similarly, it can be combined with any other biometric constant based on the iris or the retina.
  • the Io system requires, with a single photograph that does not require contact with the eye or pupil dilation, which is performed in a few seconds and that does not use harmful radiation, several biometric constants that complement the irregularities of the second diopter can be determined, increasing the precision of the method.
  • Figure 1 shows different arrangements of the image (1), lens (2) and object (3) planes. In case (a) the three planes are parallel: in (b) the object plane is not parallel to the image and lens planes, there being a focused area (4) and a depth of field (5); in case (c) the planes have a common intersection point (6).
  • Figure 2 shows a color map representing the surface of the second ocular diopter.
  • Figure 3 shows a scheme of the measurement of the irregularities of the surface of the second ocular diopter.
  • the surface of the second ocular diopter is compared with a normalized surface (2) determining the irregularities in the surface of the second dipotry to be quantified for each individual (3).
  • an image of the user's cornea is taken through a conventional Scheimpflug camera coupled to the information processing device.
  • the system transforms the biometric minutiae, previously selected, of each individual into an encrypted code through a specific computer application.
  • the encrypted code is sent via satellite, cable or other means to the instrument or place that requires the password to proceed to the authentication or identification of the person. It is compared with the pre-established database to immediately proceed to the access authorization or at the beginning of

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Abstract

El objeto de la invención es un método y su correspondiente dispositivo para el reconocimiento de personas que incorpora, como constante biométrica y determinante para cada individuo, las irregularidades del mapa de la superficie posterior de la córnea, que son distintas en cada individuo. La invención se basa en tomar una imagen exclusivamente del segundo dioptrio ocular con el objetivo de determinar las irregularidades de su mapa de superficie respecto a una superficie normalizada (esfera, elipsoide, toro, etc.) y cuantificarlas, resultando un conjunto de rasgos característicos de cada persona que utilizan como sistema de autenticación, es decir, utilizando las variaciones y los cálculos realizados con ellos como minucias biométricas. La toma de imagen es de probada seguridad en cuanto a que se puede tomar sin contraindicación alguna y tantas veces como fuera necesario.

Description

TITULO
Reconocimiento biométrico mediante estudio del mapa de superficie del segundo dioptrio ocular.
Campo de Ia invención
La invención se encuadra en el sector de Ia biometría, en sus aplicaciones para Ia seguridad y reconocimiento de personas. La invención se refiere, particularmente, a un método y aparato para el reconocimiento biométrico a través del segundo dioptrio ocular. El objeto de Ia invención es un método y su correspondiente dispositivo para el reconocimiento de personas que incorpora, como constante biométrica exclusiva y determinante para cada individuo, las irregularidades del mapa de Ia superficie posterior de Ia córnea, que son distintas en cada individuo.
Estado de Ia técnica
Los tipos de reconocimiento de personas denominados biométricos se basan en las características físicas del usuario a identificar. Aunque Ia autenticación de usuarios mediante métodos biométricos es posible utilizando cualquier característica única y mesurable del individuo, tradicionalmente ha estado basada en seis grandes grupos: ojo-iris, ojo-retina, huellas dactilares, geometría de Ia mano, escritura-firma y voz.
Los modelos de autenticación biométrica basados en patrones oculares se dividen en dos tecnologías diferentes: o bien analizan patrones retiñíanos, o bien analizan las características morfológicas del iris.
El iris es Ia parte más visible del ojo de los humanos. Es un patrón complejo que contiene muchos aspectos distintivos como arrugas, ligamentos arqueados, crestas o anillos. La imagen del iris se puede tomar desde una distancia razonable (1 m) con un gran nivel de exactitud. Para ello se requiere una cámara con una resolución mínima de 70 píxeles. Aunque el nivel de exactitud de Ia imagen es alto y el tiempo de procesado es muy grande, es difícil de obtener si Ia persona no se mantiene cerca de Ia cámara o no Ie interesa su identificación. Además, los procesos médicos pueden alterar algo el color (aunque Ia textura se mantiene estable durante décadas), el iris está húmedo por Io que puede reflejar, puede estar tapado y puede ser manipulado por lentillas y sufre modificaciones de tamaño por dilatación de Ia pupila.
El escáner de retina es una técnica biométrica que utiliza los patrones de Ia retina para identificar a una persona. La autenticación a través de Ia retina se puede realizar a través del inicial registro de Ia estructura vascular de Ia retina (forma de los vasos sanguíneos de Ia retina humana) que tiene elementos característicos de cada individuo y diferenciales del resto de Ia población.
En estos sistemas el usuario a identificar debe mirar a través de un dispositivo ocular, ajustar Ia distancia y el movimiento de Ia cabeza, mirar al punto de fijación determinado y, por último, pulsar un botón para indicar al dispositivo que se encuentra listo para el análisis. Para obtener registros válidos se tiene que esperar cinco minutos a que se produzca Ia midriasis, o dilatación retiniana necesaria en los sistemas de entrada por Ia pupila o utilizar fármacos midriáticos. Posteriormente se escanea Ia retina con una radiación infrarroja de baja intensidad en forma de espiral, detectando en una imagen los nodos y ramas del área de Ia retina para compararlos con los almacenados en una base de datos; si Ia muestra coincide con Ia almacenada para el usuario que el individuo dice ser, se valida Ia autenticación.
Estos métodos se suelen considerar los más efectivos para una población de millones de potenciales usuarios ya que Ia probabilidad de coincidencia entre individuos es casi nula. Una característica adicional, de gran importancia en el proceso de autenticación, es que una vez muerto el individuo los tejidos oculares degeneran rápidamente, Io que dificulta Ia falsa aceptación de atacantes que puedan robar este órgano de un cadáver para falsificar Ia autenticación. Existen patentes relacionadas con esta técnica. Así, Ia patentes US 4,109,237 describe un dispositivo para Ia identificación de individuos a través del patrón vascular de Ia retina. En el documento US 4,487,322 se describe un aparato para medir el nivel de oxígeno en sangre en el fondo del globo ocular; en US2004233038 se describe un sistema y un método para el reconocimiento de Ia retina en puertos de embarque. Los documentos KR20030034258, WO02075639, WO2007023946, WO2006073781 , US2001022850, GB1599015 también recogen distintos sistemas de captura de imagen de Ia retina o el iris.
Sin embargo, los reconocimientos a través del iris y de Ia retina presentan limitaciones similares y siguen siendo necesarios nuevos sistemas y métodos que superen los inconvenientes de los métodos actuales.
Recientemente, se han desarrollado métodos de autenticación biométrica basados en patrones oculares que se centran en Ia córnea como patrón. Así el documento US2007/0291997 "Corneal Biometry apparatus and method" describe un aparato y método para validar Ia identidad de una persona utilizando técnicas de imagen de Ia córnea valorando Ia córnea en su conjunto por Io que se miden parámetros, como los radios corneales y Ia potencia dióptrica. Estas variables presentan cambios con el tiempo, con una enfermedad, con una cirugía, Ia presencia de una lente, etc y, sobre todo, que pueden son manipulados de forma externa como, por ejemplo, con una lente de contacto. El documento US2006/0210122 describe un método y un sistema basado en Ia topografía del Ia superficie del globo ocular (tanto de Ia cara externa de Ia córnea como de Ia esclera) para identificación de un usuario, está basado en detectar cambios de Ia superficie anterior midiendo Ia reflexión que produce frente a Ia reflexión que produciría una esfera ideal. Este parámetro también es manipulable, por ejemplo, con el uso de lentes de contacto. Existen diferentes aparatos para capturar Ia imagen de Ia córnea. Algunos de ellos se basan en Ia cámara giratoria de Scheimpflug, que permite capturar una imagen multi-sectorial de cámara anterior del ojo y escanea el centro de Ia córnea con Ia misma precisión que las partes periféricas, independientemente de Ia película lagrimal. Entre estos aparatos son bien conocidos el PENTACAM® (Oculus) y el ORBSCAN II® (Bausch & Lomb Inc.), que permiten determinar, en el primer caso, o calcular, con el segundo instrumento, los mapas de elevación de Ia superficies corneales.
Estos mapas de elevación o topografías se han utilizado ampliamente para Ia medida de Ia densidad y espesor de Ia córnea así como para Ia determinación del radio de curvatura y Ia asfericidad del segundo dioptrio ocular (por ejemplo, "Radius and apshericity of the posterior corneal surface determined by corrected Scheimplug photgraphy". Dubbelmnn, M. et al, Acta Ophtalmolo. Scand. 2002:80: 379-383, "Surface and Orbscan Il slip -scanning elevation topography in circumscribed posterior Keratoconus" Charles et al. J. of Cataract and Refractive Surgery, 2005: 31(3): 636-639). Estas investigaciones van dirigidas al estudio de Ia córnea para determinar el cambio de Ia cara anterior después de una cirugía refractiva de córnea o para determinar si un paciente está desarrollando queratocono o cualquier otra ectasia y estudiar su evolución.
Con el fin de superar los inconvenientes mencionados, Ia presente invención proporciona un método y un sistema de reconocimiento biométrico basado en el análisis de las irregularidades del mapa de Ia superficie del segundo dioptrio ocular respecto a una superficie normalizada, que tiene como principal ventaja Ia imposibilidad de manipulación de dicho mapa (ya que se encuentra en el interior del ojo), ni por un individuo externo ni por Ia propia persona a reconocer. El método además no es invasivo, es rápido, es barato, es fácil de utilizar y se basa en una constante que, además de no ser manipulable, es fácil de registrar y relativamente estable en el tiempo a pesar de posibles enfermedades y cirugías.
La invención se basa en tomar una imagen exclusivamente del segundo dioptrio ocular con el objetivo de determinar las irregularidades de su mapa de superficie respecto a una superficie normalizada (esfera, elipsoide, toro, etc.) y cuantificarlas, resultando un conjunto de rasgos característicos de cada persona que se pueden utilizar como sistema de autenticación, es decir, utilizando las variaciones y los cálculos realizados con ellos como minucias biométricas. La toma de imagen es de probada seguridad en cuanto a que se puede tomar sin contraindicación alguna y tantas veces como fuera necesario.
Descripción de Ia invención
El objetivo de Ia invención es un método y un dispositivo de reconocimiento de personas que incorpora como constante biométrica las irregularidades del mapa de superficie del segundo dioptrio ocular.
En Ia mayoría de los estudios del modelo ocular se introduce una simplificación considerando que Ia superficie posterior de Ia córnea es totalmente esférica. En Ia presente invención, sin embargo, se aborda precisamente el estudio de en exclusiva de Ia segunda superficie determinando el mapa de superficie específico.
El radio de curvatura correspondiente se ha venido midiendo a través de imágenes de Purkinje. La asfericidad de Ia superficie posterior se puede determinar combinando un videoqueratoscopio y un paquímetro, Io cual conduce a una medida poco precisa y consumo de tiempo. La cámara de
Sheimpflug, sin embargo, permite registrar las superficies anterior y posterior de Ia córnea así como su espesor en un solo paso mediante una fotografía real de este medio puesto que es transparente.
El fundamento óptico del registro se explica en las figuras correspondientes. Normalmente, el plano imagen, el plano de Ia lente y el plano objeto de una cámara son paralelos entre sí (Figura 1a). Si el plano objeto no es paralelo al plano imagen como ocurre en Ia fotografía del ojo, usando una cámara normal, solamente se focaliza una pequeña región central, que corresponde con Ia porción que se encuentra dentro de Ia profundidad de campo (Figura 1 b). Para solucionar este problema, se utilizan cámaras giratorias basadas en el principio de Scheimpflug que permiten enfocar todo el objeto debido a que se logra una amplia profundidad de foco (Figura 1c).
El principio de Scheimpflug es una regla geométrica que describe Ia orientación del plano de focalización de un sistema óptico cuando el plano de Ia lente no es paralelo al plano imagen.
Este concepto fue presentado por Carpentier (1901) en una patente británica donde describe una extensión para corregir Ia convergencia vertical. Investigó
Ia correlación entre Ia inclinación del plano del negativo y el eje óptico de Ia lente, y encontró que si los planos eran prolongados, deberían intersectar en un plano perpendicular al eje y que pase por el centro óptico de Ia lente.
(Principio de Scheimpflug). Según esta condición, un objeto que no es paralelo al plano imagen puede ser enfocado completamente.
Basándose en esta patente, Scheimpflug en una patente posterior (1904) estudio el objeto en consideración con Ia mayor profundidad de campo, describiendo no solo el uso de lentes simples, sino también sistemas ópticos basados en multifocales, espejos y combinaciones de lentes y espejos para lograr correcciones de distorsiones
En Ia presente invención, el reconocimiento de Ia persona se lleva a cabo a través de Ia captura de una imagen en tiempo real del segundo dioptrio ocular. El sistema contiene una cámara giratoria Scheimpflug que registra una imagen precisa tridimensional de Ia córnea. A partir de ella, se generan los mapas del primer y segundo dioptrio del sistema óptico ocular a través de un mapa de elevación verdadera (Figura 2).
La fotografía obtenida con Ia cámara Scheimpflug es corregida matemáticamente considerando el efecto óptico del primer dioptrio en Ia imagen del segundo dioptrio fotografiado antes de proceder al análisis del mapa de superficie del segundo dioptrio (Dubbelman & Van der Heide, 2001 , Vision Research, 41 y Dubbelman & Van der Heide, 2005, Vision Research, 45).
Finalmente, comparando los mapas de superficie del segundo dioptrio ocular con una superficie patrón (Figura 3) se determinan los parámetros característicos y únicos de cada individuo. Para ello, a través de un sistema de análisis y procesado de datos se cuantifican estas variaciones y se determinan aquellas que son sólo características de un individuo concreto y que Io diferencian del resto. De este modo, las irregularidades serán equivalentes a una "huella de Ia córnea" y pueden ser utilizadas como minucias biométricas.
Debido a que una única fotografía Scheimpflug proporciona gran información sobre el segmento anterior del ojo, se puede combinar Ia constante biométrica objeto de esta invención (las irregularidades del mapa de superficie del segundo dioptrio ocular) con otros parámetros oculares como los radios corneales o Ia potencia dióptrica. De igual forma, se puede combinar con cualquier otra constante biométrica basada en el iris o Ia retina. Así, si el sistema Io requiere, con una sola fotografía que no requiere contacto con el ojo ni dilatación pupilar, que se realiza en pocos segundos y que no utiliza radiaciones nocivas, se pueden determinar varias constantes biométricas que complementen las irregularidades del segundo dioptrio, aumentando Ia precisión del método.
Descripción de las figuras
La Figura 1 muestra diferentes disposiciones de los planos imagen (1), lente (2) y objeto (3). En el caso (a) los tres planos son paralelos: en (b) el plano objeto no es paralelo a los planos imagen y lente, existiendo una zona enfocada (4) y una profundidad de campo (5); en el caso (c) los planos tienen un punto de intersección común (6). La figura 2 muestra un mapa de color que representa Ia superficie del segundo dioptrio ocular.
Ia figura 3 muestra un esquema de Ia medida de las irregularidades de Ia superficie del segundo dioptrio ocular. En registro de una porción de Ia cara anterior de Ia córnea (4) y del segundo dioptrio ocular (1), se compara Ia superficie del segundo dioptrio ocular con una superficie normalizada (2) determinando las irregularidades en Ia superficie del segundo dipotrio a cuantificar para cada individuo (3).
Modo de realización de Ia invención
La invención se ilustra mediante el siguiente ejemplo, el cual no es limitativo de su alcance.
Ejemplo 1
Aplicación del método de reconocimiento para autenticación de un usuario de un instrumento o lugar como sistema de seguridad.
En primer lugar, se toma una imagen de Ia córnea del usuario a través de una cámara convencional de Scheimpflug acoplada al dispositivo de procesamiento de Ia información. El sistema transforma las minucias biométricas, previamente seleccionadas, de cada individuo en un código cifrado mediante una aplicación informática específica.
El código cifrado es enviado vía satélite, cable u otro medio al instrumento o lugar que requiere Ia contraseña para proceder a Ia autenticación o identificación de Ia persona. Se compara con Ia base de datos preestablecida para inmediatamente proceder a Ia autorización de acceso o al comienzo de
Ia actividad en los instrumentos que requieran el reconocimiento del usuario o individuo.

Claims

REIVINDICACIONES
1. Método de reconocimiento biométrico que comprende (a) capturar una imagen del segundo dioptrio ocular y (b) cuantificar las irregularidades del mapa de Ia superficie del dioptrio respecto a una superficie normalizada para obtener parámetros característicos y diferenciales de esta superficie en cada individuo.
2. Método de reconocimiento biométrico, según reivindicación 1 , combinado con cualquier otro método de reconocimiento biométrico a través de parámetros oculares extraídos a partir de un registro fotográfico obtenido para cuantificar las irregularidades del mapa de Ia superficie del segundo dioptrio ocular.
3. Método de reconocimiento biométrico, según reivindicación 2, donde otros parámetros oculares son tanto relativos a Ia córnea, tales como radios corneales, Ia potencia dióptrica o el poder refractivo de Ia córnea, así como a Ia retina o al iris.
4. Aparato de reconocimiento biométrico que comprende una cámara giratoria de Scheimpflug y un sistema de análisis y procesado de datos de las irregularidades de Ia superficie posterior de Ia córnea respecto a una superficie normalizada.
5. Uso del aparato de reconocimiento biométrico, según reivindicación 4, para Ia autenticación de un individuo
6. Uso del aparato de reconocimiento biométrico, según reivindicación 4, para Ia identificación de un individuo.
PCT/ES2009/000145 2008-07-24 2009-03-13 Reconocimiento biométrico mediante estudio del mapa de superficie del segundo dioptrio ocular Ceased WO2010010203A1 (es)

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